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

1 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 Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Ngƣời HD khoa học: PGS TS NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự - 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 Học viên PGS TS NGUYỄN HỮU CÔNG DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan là công trình nghiên cứu riêng Các kết luận án là trung thực và chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả Dương Vũ Nhật Đồng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn tận tâm và nghiêm khắc PGS.TS Nguyễn Hữu Công Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận tình hƣớng dẫn và cung cấp cho em tài liệu để hoàn thành luận văn này, nhƣ 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 và Khoa Điện Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình bảo suốt khóa học vừa qua Xin cảm ơn thành viên gia đình, ngƣời dành cho tác giả tình cảm nồng ấm và sẻ chia lúc khó khăn sống Luận văn là quà tinh thần mà tác giả trân trọng gửi tặng đến thành viên gia đình Cuối xin gửi đến ngƣời thân yêu, bạn, anh chị, đồng nghiệp… đã góp ý giúp đỡ tinh thần nhƣ kinh nghiệm, kiến thức lời biết ơn sâu sắc TÁC GIẢ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các bảng Danh mục các hì nh vẽ, đồ thị Mở đầu Chƣơng I: Năng lƣợng mặt trời số úng dụng thực tế 1.1 Nguồn lƣợng mặt trời 1.2 Đặc điểm lƣợng mặt trời bề mặt đất 1.3 Các thành phần xạ mặt trời 1.4 Hiệu ứng nhà kính và thu phẳng 1.4.1 Hiệu ứng nhà kính 1.4.2.Bộ thu lƣợng mặt trời phẳng 1.5 Một số ứng dụng lƣợng mặt trời 10 1.5.1 Sản xuất nƣớc nóng 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 13 1.5.2 Sấy NLMT 15 1.5.2.1 Hệ thống sấy đối lƣu tự nhiên 16 1.5.2.2 Hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng 17 1.5.3 Chƣng lọc nƣớc NLMT 19 1.5.4 Bếp mặt trời 20 1.5.4.1 Bếp mặt trời kiều hiệu ứng nhà kính 20 1.5.4.2 Bếp mặt trời hội tụ 21 1.5.5 Sƣởi ấm nhà cửa, chuồng trại 22 Số hóa 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 và 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 hệ gƣơng mặt trời 32 2.1 Vai trò hệ thống gƣơng mặt trời 32 2.2 Giới thiệu hệ thống thu 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 điều khiển PID điều khiển mờ 41 3.1 Giới thiệu số phƣơng pháp thiết kế PID 41 3.1.1 Phƣơng pháp 41 3.1.2 Phƣơng pháp 44 3.2 Giới thiệu Logic mờ và điều mờ 53 3.2.1 Bộ điều khiển mờ 54 3.2.1.1 Mờ hoá 55 3.2.1.2 Sử dụng luật hợp thành 56 3.2.1.3 Sử dụng 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 điều khiển mờ 62 3.4.1 Định nghĩa biến vào/ra 63 3.4.2.Xác định tập mờ 63 3.4.3 Xây dựng luật điều khiển 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4.4 Chọn thiết bị hợp thành 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 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 hệ thống 71 4.1.1 Mô hình cấu trúc hệ thống gƣơng mặt trời 71 4.1.2 Mô hình toán học hệ thống gƣơng mặt trời 71 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 76 4.2.1 Sử dụng điều khiển PID 76 4.2.2 Sử dụng điều khiển mờ động 77 4.3 So sánh chất lƣợng dùng điều khiển PID và Mờ 84 4.3.1 Kết mô điều khiển Mờ và PID sau thiết kế 84 4.3.2 So sánh chất lƣợng điều khiển thay đổi giá trị đặt 86 4.3.3 So sánh chất lƣợng điều khiển PID và Mờ có nhiễu phụ tải 87 4.3.4 Khi thay đổi thông số động 89 4.3.4.1 Khi thay đổi giá trị điện cảm L 89 4.3.4.2 Khi thay đổi trị số mô men quán tính J 91 4.3.5 Kết luận chƣơng 93 Kết luận, kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp 95 Kết luận 95 Kiến nghị và hƣớng nghiên cứu 95 Tài liệu tham khảo 96 Số hóa 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 3.1 3.2 4.1 4.2 Tên gọi Bảng tổng kết tiêu chuẩn phẳng Quy tắc xác định điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng Các trạng thái khác gƣơng mặt trời Các luật điều khiển hợp thành Trang 47 52 73 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Tên gọi Trang Phổ xạ mặt trời Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng đất 1.3 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 1.4 Sơ đồ thu để sản xuất nƣớc nóng Hệ sản xuất nƣớc nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lƣu tự nhiên Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên gồm nhiều thu nối song song Hệ sản xuất nƣớc nóng NLMT đối lƣu cƣỡng Sơ đồ buồng sấy NLMT đối lƣu tự nhiên 11 1.1 1.2 1.5 1.6 1.7 1.8 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 13 14 17 http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lƣu cƣỡng Hệ sấy đối lƣu cƣỡng gián tiếp Sơ đồ hệ thống chƣng cất nƣớc NLMT Một thiết kế thông dụng hệ lọc nƣớc NLMT Sơ đồ bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính Bếp NLMT hội tụ Hệ thống sƣởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT Hệ thống sƣởi NLMT sử dụng nƣớc làm chất thu và tải nhiệt Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời tinh thể Si Sơ đồ cấu tạo PMT Si Một mô đun PMT hoàn thiện (nhìn từ mặt Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập Hệ thống thu lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong Hệ thống thu lƣợng mặt trời sử dụng máng parabol cong Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định Mô hình điều khiển PSA Mô hình điều khiển thông minh Bộ điều khiển mờ Một điều khiển mờ động Hệ kín, phản hồi âm và điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ PID Cấu trúc điều khiển mờ lai Mô hình điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Cấu trúc bên chỉnh định mờ Mô hình cấu trúc hệ thống gƣơng mặt trời Cấu trúc phát ánh sáng mặt trời Đặc trƣng động chiều Sơ đồ mô điều khiển PID Kết mô điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ động Định nghĩa biến vào điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến CH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dCH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến U điều khiển mờ Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ Quan sát tín hiệu vào mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 18 19 19 20 22 23 24 25 26 26 28 29 33 34 36 37 40 54 55 59 62 67 68 69 71 72 73 76 77 77 78 80 80 81 82 83 http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... hình điều khiển tỷ lệ cố định Mô hình điều khiển PSA Mô hình điều khiển thông minh Bộ điều khiển mờ Một điều khiển mờ động Hệ kín, phản hồi âm và điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ PID Cấu trúc điều. .. thiện (nhìn từ mặt Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập Hệ thống thu lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong Hệ thống thu lƣợng mặt trời sử dụng máng parabol... mô điều khiển PID Kết mô điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ động Định nghĩa biến vào điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến CH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dCH điều khiển