Nghiên Cứu Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Pid Và Mở Để Điều Khiển Hệ Thống Pin Mặt Trời

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa ĐẠI HỌC THÁI NGUN CỘNG HỊA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc lập —- Tự - Hạnh phúc THUYET MINH LUAN VAN THAC SY KY THUAT Ho va tén hoc vién: Vu Dire Nhat Ngay thang nam sinh: Ngay 26 thang nam 1969 Noi sinh: Thai Thuy - Thai Binh Nơi công tác: Trường Cao đăng Kinh tế Kỹ thuật Thái Bình Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa Khóa học: KI2 - TĐH Ngày giao đề tài: 08/01/2011 Ngày hoàn thành: 30/8/2011 TÊN ĐÈ TÀI: NGHIEN CUU UNG DUNG BQ DIEU KHIEN PIDVA MO DE DIEU KHIEN HE THONG PIN MAT TROI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Đại học Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƯỚNG DÁN HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Hữu Công Vũ Đức Nhật DUYET BAN GIAM HIEU KHOA SAU DAI HOC Số hóa Trung tam Hoc liệu - ĐHTN hf{p:/Avww Irc-fu.ed.VH Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Vũ Đức Nhật Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN htIp:/Avww.Íre-tnu eđdu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành hướng dẫn tận tâm nghiêm khắc PGS.TS Nguyễn Hữu Công Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy tận tình hướng dẫn cung cấp cho em tài liệu để hoàn thành luận văn này, việc truyền thụ kinh nghiệm quý báu suốt thời gian làm luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn Thầy, Cô Khoa Điện tử Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình bảo suốt khóa học vừa qua Xin cảm ơn thành viên gia đình, người ln dành cho tác giả tình cảm nồng ấm sẻ chia lúc khó khăn sống Luận văn quà tỉnh thần mà tác giả trân trọng gửi tặng đến thành viên gia đình Cuối xin gửi đến người thân yêu, bạn, anh chị, đồng nghiệp gópý giúp đỡ tỉnh thần kinh nghiệm, kiến thức lời biết ơn sâu sắc TÁC GIÁ Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTNỀ htp:/Avww.lre-tnu.edu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa MỤC LỤC ji dung Trang Loi cam doan Loi cam on Muc luc Danh mục cac bang Danh mục cac hình vẽ, đồ thị CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SÓ ỨNG DỤNG THUC TE weed2 1.1 Nguồn lượng mặt trời wee 12 1.2 Đặc điểm lượng mặt trời bê mặt đât 13 1.3 Cac phan xạ mặt trời -.14 1.4 Hiệu ứng nhà kính thu phẳng 14 1.4.1 Hiệu ứng nhà kính 14 1.4.2 Bộ thu lượng mặt trời phăng 16 1.5 Một số ứng dụng lượng mặt trời AT 1.5.1 Sản xuất nước nóng NLMT 1.1 Hệ thống sản xuất nước nóng đơi 17 lưu tự nhiên 1.2 Hệ thống sản xuất nước nóng đói lưu cưỡng 5.2 Sấy NLMT .5.2.1 Hệ thông sáy đối 18 20 21 lưu tự 22 5.2.2 Hệ thông sáy đối lưu cưỡng bứ 23 5.3 Chưng lọc nước NLMT 25 1.5.4 Bếp mặt trời 26 1.5.4.1 Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính 26 1.5.4.2 Bếp mặt trời hội tụ 27 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTNỀ htp:/Avww.lre-tnu.edu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa 1.5.5 Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 28 1.5.6 Pin mặt trời 30 1.5.6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động - 30 1.5.6.2 Hệ thông nguồn điện PMT 133 1.6 Kết luận .36 CHUONG TONG QUAN VE CAC HE THONG PIN MAT TROI 38 2.1 Vai trò hệ thống pin mặt trời 2238 2.2 Giới thiệu hệ thống thu lượng dùng pin mặt trời 39 2.2.1 Nguyên lý làm việc pin mặt trời 39 2.2.2 Hệ thống điều khiển pin mặt trời .44 2.2.2.1 Mơ hình điều khiển pin mặt trời dùng PID số 45 2.2.2.2 Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller AT 2.3 Kết luận 48 CHƯƠNG GIOI THIEU TOM TAT VE BQ DIEU KHIEN PID VA ĐIÊU KHIỂN MỜ (FLC) 40 3.1 Giới thiệu số phương pháp thiết kế PID 40 3.1.1 Phuong phap 49 3.1.2 Phương pháp 252 3.2 Giới thiệu Logic mờ điêu khiên mờ 60 3.2.1 Bộ điều khiển mờ .61 3.2.1.1 Mờ hoá 62 3.2.1.2 Sử dụng luật hợp thành 63 3.2.1.3 Sử dụng toán tử mờ - khôi luật mờ .64 3.2.1.4 Giải mờ 04 3.3 Nguyên lý điêu khiên mờ .65 3.4 Nguyên tắc thiết kế điều khiển mo .68 3.4.1 Định nghĩa biến vào/ra 69 3.4.2.Xác định tập mờ 69 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTNỀ htp:/Avww.lre-tnu.edu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa 3.4.3 Xây dựng luật điều khiển 70 3.4.4 Chọn thiết bị hợp thành .71 3.4.5.Chọn nguyên lý giải mờ 71 3.4.6 Tôi ưu 3.5 Bộ điều khiển mé lai PID -.71 - 72 3.5.1 Giới thiệu chung 72 3.5.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 73 3.6 Kết luận 78 CHUONG XAY DUNG THUAT TOAN DIEU KHIEN PIN MAT TRỜI 77 4.1 Mơ hình cấu trúc tốn học hệ thống .77 4.1.1 Mơ hình cấu trúc hệ thống pin mặt trời TT 4.1.2 Mơ hình tốn học hệ thống pin mặt trời T7 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển - 82 4.2.1 Sử dụng điều khiển PID 4.2.2 Sử dụng điều khiển mờ động .82 83 4.3 So sánh chất lượng dùng điều khiển PID Mờ 4.3.1 Kết mô điều khiển Mờ PID sau thiết kế 91 4.3.2 So sánh chất lượng điều khiển mờ với dạng hàm liên thuộc khác 02 4.3.2.1 Hàm liên thuộc đầu vào đâu dạng tam giác .092 4.3.2.2 Hàm liên thuộc đầu vào đầu dạng hình thang .94 4.3.3 Kết luận chương .97 KẾT LUẬN, KIÊN NGHỊ VÀ HƯƠNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 99 Kết luận a) Kiến nghị hướng nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTNỀ htp:/Avww.lre-tnu.edu Chuyên ngành tự động hóa Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CAC CHU VIET TAT NLMT Năng lượng mặt trời BXMT Bức xạ mặt trời PMT Pin mặt trời FLC Fuzzy Logic Controler (Bộ điều khiển mờ) BĐK Bộ điều khiển BDD Bộ biến đổi điện DANH MỤC CÁC BẢNG Bang Tên gọi Trang 2.1 | So sánh hiệu suất pin mặt trời đặt cố định có điều khiển 45 3.1 | Bảng tơng kết tiêu chuân phăng 3.2 _| Quy tac xác định điêu chỉnh theo tiêu chuân đôi xứng 55 59 4.1 4.2 79 §7 | Các trạng thái khác pin mặt trời | Các luật điêu khiên hợp thành DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 | 12 1.3 _ | 1.4 | 15 : 16 1.7 | 1.8 | 1.9 | 1.10 | Tên gọi Phô xạ mặt trời Sự chuyên động xung quanh mặt trời xung quanh trục riêng dat Sơ đô hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Sơ đồ thu đê sản xuât nước nóng Hệ sản xuât nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đôi lưu tự nhién Hệ thông sản xuât nước nóng đơi lưu tự nhiên gồm nhiêu thu nơi song song Hệ sản xt nước nóng băng NLMT đổi lưu cưỡng Sơ đô buông say bang NLMT đôi lưu tự nhiên Hệ sây sử dụng nguyên lý đôi lưu cưỡng Hệ sây đôi lưu cưỡng gián tiệp Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN Trang http:/Avww.lrc-tnu.edu.yn 13 l3 15 17 19 19 20 23 24 24 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1.11 | Sơ đồ hệ thống chưng cất nước Chuyên ngành tự động hóa NLMT 25 1.12 | Một thiệt kê thông dụng hệ lọc nước băng NLMT 25 1.15 | Hệ thông sưởi âm nhà cửa hay chuông trại sử dụng NLMT 1.16 | Hệ thông sưởi NLMT sử dụng nước làm chât thu tải nhiệt 1.17 | Sơ đồ câu tạo pin mặt trời tinh thé Si 29 30 31 1.19 1.20 1.21 2.1 32 34 35 39 1.13 | Sơ đồ bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính 1.14 _| Bêp NLMT hội tụ 1.18 | So cau tao PMT Si | | | | Một mơ đun PMT hồn thiện (nhìn từ mặt trên) Sơ đồ hệ thơng điện mặt trời nôi lưới Sơ đồ khôi hệ nguôn điện mặt trời độc lập Câu tạo tê bào lượng mặt trời điện hình 26 28 32 Các bước chuyên đôi tiệt chê mật mát té bao 22 _ | lượng mặt trời Các ký hiệu dấu ( ) thể số lượng cho phép cho chế mắt mát cụ thê ECD 4I 2.3 | Công 44 2.4 2.5 | Mơ hình điêu khiên pin mặt trời băng điêu khiên PID | Mơ hình điêu khiên pin mặt trời băng điêu khiên mờ 46 47 2.6 3.1 | Mơ hình thực điêu khiên | Bộ điêu khiên mờ 48 61 3.3 3.4 3.5 | Hệ kín, phản âm điêu khiên mờ | Bộ điêu khiên mờ PID | Câu trúc điêu khiên mờ lai Mơ hình điêu khiên mờ lai chỉnh định mờ tham số điêu 65 68 72 | Cau trúc bên chỉnh định mờ 75 suât đầu pin mặt trời 3.2 | Một điêu khiên mờ động 3.6 61 oh khién PID 3.7 73 4.1 | Mơ hình câu trúc hệ thông pin mặt trời T1 4.2 4.3 4.4 | Câu trúc phát ánh sáng mặt trời | Đặc trưng động chiêu | Sơ đô mô điêu khiên PID 78 79 82 | | | | | | | 83 84 86 86 87 88 89 4.5 | Kêt mô điêu khiên PID 4.6 4.7 4.8_ 4.9 4.10 4.11 4.12 83 Sơ đồ câu trúc điêu khiên mờ độn Định nghĩa biến vào điêu khiên mờ Định nghĩa tập mờ cho biên UH điêu khiên mờ Định nghĩa tập mờ cho biên dUH điêu khiên mờ Định nghĩa tập mờ cho biên U điêu khiên mờ Xây dựng luật điêu khiên cho điêu khiên mờ Quan sat tín hiệu vào mở Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTNỀ htp:/Avww.lre-tnu.edu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4.13 | Bề mặt đặc trưng Chuyên ngành tự động hóa cho quan hệ vào b‹ 3.14 | Két qua mé phong cua b6 dicéu khién mé dong 4.15 | Sơ đô mô u khiển mờ điêu khiên mờ PỊD thiệt kê Kết mô điêu khiên Mở PID tín hiệu vào li, la ham 1(t) 4.17_ | Định nghĩa tập mờ cho biên UH điêu khiên mờ 416 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22_| 4.23 4.24 | | | | Định nghĩa Bê mặt đặc Định nghĩa Định nghĩa Bê mặt đặc | Các điêu tập mờ cho biên dUH trưng cho quan hệ vào tập mờ cho biên UH tập mờ cho biên dUH trưng cho quan hệ vào khiến mờ PID điêu khiên mờ điêu khiên mờ điêu khiên mờ điêu khiên mờ điêu khiên mờ Hàm đáp ứng đầu với điêu khiên mờ tương ứng với XU ĐÀ ^ R dang ham liên thuộc khác Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTNỀ htp:/Avww.lre-tnu.edu 89 90 91 91 92 93 93 94 94 95 95 96 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển ngành kỹ thuật, cơng nghệ thơng tin góp phần cho phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hố Trong cơng nghiệp, điều khiển q trình sản xuất mũi nhọn then chốt để giải vấn đề nâng cao suất chất lượng sản phẩm Một vấn đề quan trọng điều khiển việc tự động điều chỉnh độ 6n định sai số khoảng thời gian điều khiển ngắn nhất, phải kể đến hệ thống điều khiển mờ sử dụng rộng rãi Trong trình điều khiển thực tế, người ta ln mong muốn có thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thể mặt cơng nghệ có độ xác cao tốt Đây yêu cầu khó thực thơng tin có tính điều khiển mơ hình động học đối tượng điều khiển biết mơ hồ dạng tri thức chuyên gia theo kiểu luật IF-THEN Để đảm bảo độ xác cao q trình xử lý thông tin va điều khiển cho hệ thống làm việc môi trường phức tạp, số kỹ thuật phát phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều thành tựu bất ngờ lĩnh vực xử lý thông tin điều khiển Trong năm gần đây, nhiều công nghệ thông minh sử dụng phát triển mạnh điều khiển công nghiệp công nghệ nơron, công nghệ mờ, công nghệ tri thức, giải thuật di truyền, Những công nghệ phải giải với mức độ vấn đề cịn để ngỏ điều khiển thơng minh nay, hướng xử lý tối ưu trỉ thức chuyên gia Tri thức chuyên gia kết rút từ q trình tổ chức thơng tin phức tạp, đa cấp, đa cấu trúc, đa chiều nhằm đánh giá nhận thức (càng xác tốt) giới khách quan Tri thức chuyên gia thể dạng luật mang tính kinh nghiệm, luật quan trọng Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http:/Avww.lrc-tnu.edu.yn mm Sadat? [4 Gates ID Contler Dei tuangt To Warkepace Clock TeWnopeel Gare Eamie2 AI Datialie mm Conteler Dap ung eas ST Tre Catia CBÉ Tpụmanmem NHA (sugerel Membership Function Editor: NHAT1 Membership function pts Plt poits: FIS Variebles a4 02 at ati" 04 08 03 | n.Edllar: NHAT1 FIBSVarisbles ved a) Membership tunctin pits flat ports ‘ot + Fe Ề sua +08 88 04 02 02 04 ingot variable "UH mm 08 08 0224 210108 107 + lembership Funetion Editor: NHA11 FIS Vanaties m cáp# vự ghe Sát" File Edit View Options If (UH is (UM is f (UM is (UH is (UM is f (UH is 7.If (UMiis If (UH is NE) NE) NES) NES) NES) NE) NED) NM) and and and and and and and andl (ALI (aL (ALH (€LH (€LH (€LH (€LH (UH is NBS) then is Nt then is NSS) then is ZE) then is PS) then is PM) then is PE) then is NE) then (Uck (Lik (Uck (Uak (Uak (Uck (Uak (Lid is NB) (1) f= NE) (1) is NE) (1) is NB) (1) is NB) (1) is NE) (1) is NB) (1) fs NE) (1) ^ 9-1 (UHs Nh) andl LH is Nb then (Uk is NE) (1) “10.1 (UHlis NM) and (@UH is NS) then (kis NB) (1) 11.1 (UHÍE Nh) and (@UH is ZE) then (Uk is NB) C1) i" and Us die Ne Then Ukis Ne [hư [nư Connection Ow am not Weight Addrde — [_ change nde ¥ Fie Edt View Options dt =-000838 ft fieÍt [Pees ese + ores Poe Lt ne evel oe] Le coe aes Fi Edt view Options XfmM} | uw Yio: lau | Ftouteud: luạc xi |] Dap ung Tin hieu dat ~ Fuzzy Controller Em nhe Crna Tne Dap ung qua cua be u khien "Tín hieu dat Fuzzy Controllor + PID Cantialler i i 2 "hoi gian dap ung (e) i 18 Nembership Function Editor: NHAT2 Membership tuncton pots Plt pointe: FIS Veriables m 14 32 02 input veriabla "UH" 04 06 3.418 -3.419 -18181 -08521] ni Membership Function Editor: NHAT FIS Vatiables Merrberstip furction plots Pat sont: amm Renge (1.21.4 kh 14212) ; Params [15.442 -4.578 4108 -0.7893] Helo Gose ‘Selected varia Rie te Hh ER Ven Opens Xcnput | Fef Inout Ready | UH Yomi lam v|ZGMBMĐ - l—+ Uặc a sose — | Membership Function Editor: NHAT2 FIS Variables Menbershin tunclonglde Pbtroirs: | gi ie] | UH uate 08 48 04 02 02 input veriabie "UH" 04 08 os mm Membership Function Editor: NHAT2 191 Membership uncton pots POtpeIts: FIS Variables YOM + 708 a os put variable "Le owe | Gurr jewer: NHAT2 nạ wee xa avFOU ke me me] ee | | | 1! | i : ' i ' ' ' 1! — ' ' th & es ' ' : ' 1! ' ; ' ' ' ' a; ' ' : ' 1! ' 1! - mem me ¬ Trrrerrtrrrrrrrrcrrrrree = ' ~ wo TT : : ' +777 i = E eee Wd ' ' waned : N Da N >> rh 3558 U ñ + Mm >_> mM LL ti to: i! ¡r1 ' pj ' : ' h ' ' ' ' ; ' ' L "¬† ' ' ' I ' ' \ ' ' ' ' ' | ' ' ' ' 1 ' ' BA ' 1! ' —=- _ ~ e==eee= + =