nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển hệ thống gương mặt trời

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI Ngnh: TỰ ĐỘNG HÓA M số: Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Ngƣời HD khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN – 2010 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜ NG ĐẠ I HỌ C Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Lớp: K11 - TĐH Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG Học viên DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây l công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong luận án l trung thực v chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Dương Vũ Nhật Đồng 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hon thnh dƣới sự hƣớng dẫn tận tâm v nghiêm khắc của PGS.TS Nguyễn Hữu Công. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thnh cảm ơn Thầy đ tận tình hƣớng dẫn v cung cấp cho em những ti liệu để hon thnh luận văn ny, cũng nhƣ việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian lm luận văn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử v Khoa Điện Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đ tận tình chỉ bảo trong suốt khóa học vừa qua. Xin cảm ơn các thnh viên trong gia đình, những ngƣời luôn dnh cho tác giả những tình cảm nồng ấm v sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống. Luận văn cũng l món qu tinh thần m tác giả trân trọng gửi tặng đến các thnh viên trong gia đình. Cuối cùng xin gửi đến những ngƣời thân yêu, các bạn, các anh chị, các đồng nghiệp… đ góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng nhƣ về kinh nghiệm, kiến thức một lời biết ơn sâu sắc nhất. TÁC GIẢ 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Lờ i cam đoan Lờ i cả m ơn Mục lục Danh mụ c cá c bả ng Danh mụ c cá c hì nh vẽ, đồ thị Mở đầu 1 Chƣơng I: Năng lƣợng mặt trời và một số úng dụng thực tế 5 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời 5 1.2. Đặc điểm của năng lƣợng mặt trời trên bề mặt quả đất 6 1.3. Các thnh phần của bức xạ mặt trời 7 1.4. Hiệu ứng nh kính v bộ thu phẳng 8 1.4.1. Hiệu ứng nh kính 8 1.4.2.Bộ thu năng lƣợng mặt trời phẳng 9 1.5. Một số ứng dụng năng lƣợng mặt trời 10 1.5.1. Sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT 10 1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên 11 1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu cƣỡng bức 13 1.5.2. Sấy bằng NLMT 15 1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lƣu tự nhiên 16 1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng bức 17 1.5.3. Chƣng lọc nƣớc bằng NLMT 19 1.5.4. Bếp mặt trời 20 1.5.4.1. Bếp mặt trời kiều hiệu ứng nh kính 20 1.5.4.2 Bếp mặt trời hội tụ 21 1.5.5. Sƣởi ấm nh cửa, chuồng trại 22 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.5.6. Pin mặt trời 24 1.5.6.1. Cấu tạo v nguyên lý hoạt động 25 1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện pin mặt trời 27 1.6. Kết luận 30 Chƣơng II: Tổng quan về các hệ gƣơng mặt trời 32 2.1. Vai trò của hệ thống gƣơng mặt trời 32 2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong 33 2.3. Một số mô hình điều khiển gƣơng mặt trời 35 2.3.1. Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định 35 2.3.2. Mô hình điều khiển PSA 37 2.3.3. Mô hình điều khiển thông minh 39 2.4. Kết luận 40 Chƣơng III: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ 41 3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế PID 41 3.1.1 Phƣơng pháp 1 41 3.1.2. Phƣơng pháp 2 44 3.2. Giới thiệu về Logic mờ v bộ điều mờ 53 3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 54 3.2.1.1. Mờ hoá 55 3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thnh 56 3.2.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ 57 3.2.1.4. Giải mờ 58 3.3. Nguyên lý điều khiển mờ 59 3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ 62 3.4.1. Định nghĩa các biến vo/ra 63 3.4.2.Xác định tập mờ 63 3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển 64 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4.4. Chọn thiết bị hợp thnh 65 3.4.5.Chọn nguyên lý giải mờ 65 3.4.6. Tối ƣu 65 3.5. Bộ điều khiển mờ lai PID 66 3.5.1. Giới thiệu chung 66 3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 67. 3.6. Kết luận 70 Chƣơng VI: Xây dựng thuật toán điều khiển gƣơng mặt trời 71 4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống 71 4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời 71 4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống gƣơng mặt trời 71 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 76 4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID 76 4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động 77 4.3. So sánh chất lƣợng khi dùng bộ điều khiển PID v Mờ 84 4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ v PID sau khi thiết kế 84 4.3.2. So sánh chất lƣợng của các bộ điều khiển khi thay đổi giá trị đặt 86 4.3.3. So sánh chất lƣợng của bộ điều khiển PID v Mờ khi có nhiễu phụ tải 87 4.3.4. Khi thay đổi các thông số động cơ. 89 4.3.4.1. Khi thay đổi giá trị điện cảm L 89 4.3.4.2. Khi thay đổi trị số của mô men quán tính J 91 4.3.5. Kết luận chƣơng 4 93 Kết luận, kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp 95 1. Kết luận 95 2. Kiến nghị v hƣớng nghiên cứu tiếp theo 95 Ti liệu tham khảo 96 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CÁC CHỮ VIẾT TẮT NLMT Năng lƣợng mặt trời BXMT Bức xạ mặt trời PMT Pin mặt trời FLC Fuzzy Logic Control BĐK Bộ điều khiển BDD Bộ biến đổi điện DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên gọi Trang 3.1 Bảng tổng kết các tiêu chuẩn phẳng 47 3.2 Quy tắc xác định bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng 52 4.1 Các trạng thái khác nhau của gƣơng mặt trời 73 4.2 Các luật điều khiển hợp thnh 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Tên gọi Trang 1.1 Phổ bức xạ mặt trời 6 1.2 Sự chuyển động xung quanh mặt trời v xung quanh trục riêng của quả đất 7 1.3 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nh kính 8 1.4 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nƣớc nóng 11 1.5 Hệ sản xuất nƣớc nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lƣu tự nhiên 12 1.6 Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên gồm nhiều bộ thu nối song song 13 1.7 Hệ sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT đối lƣu cƣỡng bức 14 1.8 Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lƣu tự nhiên 17 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.9 Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lƣu cƣỡng bức 18 1.10 Hệ sấy đối lƣu cƣỡng bức gián tiếp 18 1.11 Sơ đồ hệ thống chƣng cất nƣớc bằng NLMT 19 1.12 Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nƣớc bằng NLMT 19 1.13 Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nh kính 20 1.14 Bếp NLMT hội tụ 22 1.15 Hệ thống sƣởi ấm nh cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT 23 1.16 Hệ thống sƣởi NLMT sử dụng nƣớc lm chất thu v tải nhiệt 24 1.17 Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 25 1.18 Sơ đồ cấu tạo PMT Si 26 1.19 Một mô đun PMT hon thiện (nhìn từ mặt trên 26 1.20 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới 28 1.21 Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập 29 2.1 Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong 33 2.2 Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng các máng parabol cong 34 2.3 Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định 36 2.4 Mô hình điều khiển PSA 37 2.5 Mô hình điều khiển thông minh 40 3.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 54 3.2 Một bộ điều khiển mờ động 55 3.3 Hệ kín, phản hồi âm v bộ điều khiển mờ 59 3.4 Bộ điều khiển mờ PID 62 3.5 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai 67 3.6 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 68 3.7 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 69 4.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời 71 4.2 Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời 72 4.3 Đặc trƣng của động cơ một chiều 73 4.4 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID 76 4.5 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID 77 4.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động 77 4.7 Định nghĩa các biến vo ra của bộ điều khiển mờ 78 4.8 Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ 80 4.9 Định nghĩa các tập mờ cho biến dCH của bộ điều khiển mờ 80 4.10 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 81 4.11 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 82 4.12 Quan sát tín hiệu vo ra của bộ mờ 83 [...]... trũn xoay, ng kớnh 1000 1200 mm S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 22 1 2 4 3 5 6 1 Các tia mặt trời tới 2 Các tia mặt trời phản xạ từ gng 3 4 Gng phản xạ hình cầu hay parabol 5 Nồi nấu 6 Khung giữ bếp có thể điều chỉnh cho gng cầu hng về mặt trời Hỡnh 1.14: Bp NLMT hi t Cỏc tia mt tri khi gp gng s hi t ti tiờu im, nhit cú th lờn n 200 250oC Ti tiờu im nay ngi ta... xut nc núng bng NLMT theo nguyờn lý i lu cng bc S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 5 Nc núng mặ t tr ời T1 áng 2 Tia s T2 1 4 6 Nc lnh 3 1 Bộ thu 4 Thiết bị điều khiển bơm 2 Bình chứa 5 ống điều hòa áp suất 3 Máy bơm 6 B un nc d phũng Hỡnh 1.7: H sn xut nc núng bng NLMT i lu cng bc H thng i lu cng bc ch khỏc h i lu t nhiờn la cú thờm mt mỏy bm (3) Nc b bm cng bc... h thng si m nha ca, chung tri nh khụng khớ núng c sn xut ra t cỏc b thu NLMT S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 23 1 1 3 4 2 3 5 1 Bộ thu năng lng mặt trời 4 Nguồn đốt dự phòng 2 Bình tích nhiệt 5 H thống ống si 3 Bơm hay quạt Hỡnh 1.15: H thng si m nh ca hay chung tri s dng NLMT Cỏc b thu (1) c lp t trờn mỏi nha s t núng khụng khớ qua nú nh qut thi (3) Chu trỡnh... chc m (m = 1 phn triu một) cho ỏnh sỏng cú th xuyờn vao sõu trong cỏc lp cht bỏn dn S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 ánh sáng mặt trời 2 1 3 4 7 5 6 1 Lớp chất chống phản xạ ánh sáng 2 Điện cực li mặt trên 3 Lớp bán dẫn n_Si 4 Lớp tiếp xúc bán dẫn p_n 5 Lớp bán dẫn p_Si 6 Điện cực di 7 Bóng đèn Hỡnh 1.17 : S cu to mt pin mt tri tinh th Si m bo bn c hc cho PMT... ú cho nc chy qua h ng ú Nhit t tm hp th s c truyn qua thanh ng vao nc va lam nc núng dn lờn Hỡnh 1.4 la s mt b thu sn xut nc núng N-ớc nóng ra 4 1 2 3 (a) 5 N-ớc lạnh vào (b) 1 Tấm kính 4 Tia sáng mặt trời 2 Lớp vỏ cách nhiệt 5 ống dẫn n-ớc kim loại 3 Tấm hấp thụ Hỡnh 1.4: S mt b thu sn xut nc núng Ban ngay khi cú nng, nhit tm hp th cú th t hn 100 oC nc núng cú nhit cao (thụng thng khong 8085oC... liu cỏch nhit day (2) ỏy trong ca hp c lam bng tm kim loi dn nhit tt, mt trờn ca nú ph mt lp sn en, hp th nhit tt va c gi la tm hp th (3) 4 1 Tấm kính 2 Lớp vỏ cách nhiệt 3 Tấm hấp thụ 4 2 1 Tia sáng mặt trời 3 Hỡnh 1.3: S hp thu NLMT theo nguyờn lý hiu ng nh kớnh Nh a núi trờn, cỏc tia BXMT cú bc súng < 0,7m ti mt hp thu, i qua tm kớnh ph phớa trờn (1), ti b mt tm hp th (3) Tm nay S húa bi Trung... 1.16, trong ú thu nhit va d tr nhit mt tri ngi ta dựng nc S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 1 3 2 Khí nóng 4 5 Khí lạnh 3 1 Nc nóng từ bộ thu đến 4 Bình tích nhiệt 2 Nc lạnh đc bơm trở về bộ thu 5 Buồng trao đổi nhiệt 3 Bơm Hỡnh 1.16: H thng si NLMT s dng nc lm cht thu v ti nhit Nc núng s trao i nhit bung trao i nhit (5) cung cp khụng khớ núng si m cho nha ... nay, gii quyt mt phn khú khn v nc, ngi ta cú th xõy dng va s dng cỏc h thng chng lc nc bng NLMT n gin nhng khỏ hiu qu Hỡnh 1.11 v 1.12 la s ca mt vai kiu h thng sn xut nc ngt bng NLMT Các tia bức xạ mặt trời Nc ngng t Thủy tinh, kính máng thu nc ngọt Hi nc ống lấy nc ngọt Nc lợ hay nc mặn van Nc thải van Tng cách nhiệt Lớp hấp thụ Nc l hay nc mn Hỡnh 1.11: S h thng chng ct nc bng NLMT Tấm kính Tng... bc ra cú th thoỏt ra ngoai qua ca cho sn phm vo i Tia Tấm đậy trong suốt ờ ặt tr gm sán Tng cỏch nhit Dàn sấy bằng li Sản phẩm sấy Quạt Khí thải Nền Hỡnh 1.9: H sy s dng nguyờn lý i lu cng bc Quạt hút Bộ thu áng mặ t tr ời Cửa cho sản phẩm t vào Tia s Sản phẩm sấy Cửa lấy sản phẩm khô ống dẫn khí Buồng sấy Hỡnh 1.10: H sy i lu cng bc giỏn tip S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn... khỏc khỏ hiu qu s dng NLMT la bp mt tri Nguyờn lý hot ng ca loi thit b nay ph bin cú 2 loi, s dng hiu ng nha kớnh va hiu ng hi t 1.5.4.1 Bp mt tri kiu hiu ng nha kớnh Tấm đậy trong suốt Gng phản xạ Gá điều chỉnh gng Hộp cách nhiệt Tay cầm Nồi nấu Hỡnh 1.13 : S mt bp mt tri s dng hiu ng nh kớnh S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 Phn c bn ca bp la hp thu nhit mt . hình điều khiển PSA 37 2.5 Mô hình điều khiển thông minh 40 3.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 54 3.2 Một bộ điều khiển mờ động 55 3.3 Hệ kín, phản hồi âm v bộ điều khiển mờ 59 3.4 Bộ điều. biệt nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống gom năng lƣợng bám theo mặt trời một cách liên tục. Trong luận văn ny Nghiên cứu hệ thống điều khiển gƣơng mặt trời bằng bộ điều khiển mờ ,. 71 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 76 4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID 76 4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động 77 4.3. So sánh chất lƣợng khi dùng bộ điều khiển PID v Mờ 84 4.3.1. Kết