Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Pin và mờ để điều khiển hệ thống Pin mặt trời.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Họ tên học viên: Vũ Đức Nhật Ngày tháng năm sinh: Ngày 26 tháng năm 1969 Nơi sinh: Thái Thuỵ - Thái Bình Nơi công tác: Trường Cao đẳng 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: K12 - TĐH Ngày giao đề tài: 08/01/2011 Ngày hoàn thành: 30/8/2011 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Đại học Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Hữu Công Vũ Đức Nhật DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Vũ Đức Nhật Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 dành cho tác giả tình cảm nồng ấm sẻ chia lúc khó khăn sống Luận văn quà tinh 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… góp ý giúp đỡ tinh thần kinh nghiệm, kiến thức lời biết ơn sâu sắc TÁC GIẢ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa 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 .8 CHƢƠNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 12 1.1 Nguồn lượng mặt trời 12 1.2 Đặc điểm lượng mặt trời bề mặt đất 13 1.3 Các thành phần 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 phẳng 16 1.5 Một số ứng dụng lượng mặt trời 17 1.5.1 Sản xuất nước nóng NLMT 17 1.5.1.1 Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên 18 1.5.1.2 Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng 20 1.5.2 Sấy NLMT 21 1.5.2.1 Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên 22 1.5.2.2 Hệ thống sấy đối lưu cưỡng 23 1.5.3 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 – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 thống nguồn điện PMT 33 1.6 Kết luận 36 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 38 2.1 Vai trò hệ thống pin mặt trời 38 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 Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng PID số 45 2.2.2.2 Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller 47 2.3 Kết luận 48 CHƢƠNG GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ (FLC) 49 3.1 Giới thiệu số phương pháp thiết kế PID 49 3.1.1 Phương pháp 49 3.1.2 Phương pháp 52 3.2 Giới thiệu Logic mờ điều khiển 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 - khối luật mờ 64 3.2.1.4 Giải mờ 64 3.3 Nguyên lý điều khiển mờ 65 3.4 Nguyên tắc thiết kế điều khiển mờ 68 3.4.1 Định nghĩa biến vào/ra 69 3.4.2.Xác định tập mờ 69 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Tối ưu 71 3.5 Bộ điều khiển mờ lai PID 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 75 CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI 77 4.1 Mô hình cấu trúc toán học hệ thống 77 4.1.1 Mô hình cấu trúc hệ thống pin mặt trời 77 4.1.2 Mô hình toán học hệ thống pin mặt trời 77 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 82 4.2.1 Sử dụng điều khiển PID 82 4.2.2 Sử dụng điều khiển mờ động 83 4.3 So sánh chất lượng dùng điều khiển PID Mờ 91 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 92 4.3.2.1 Hàm liên thuộc đầu vào đầu dạng tam giác 92 4.3.2.2 Hàm liên thuộc đầu vào đầu dạng hình thang 94 4.3.3 Kết luận chương 97 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢƠNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 99 Kết luận 99 Kiến nghị hướng nghiên cứu 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa CÁC CHỮ VIẾT TẮT 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 Bảng 2.1 3.1 3.2 4.1 4.2 Tên gọi Trang So sánh hiệu suất pin mặt trời đặt cố định có điều khiển Bảng tổng kết tiêu chuẩn phẳng Quy tắc xác định điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng Các trạng thái khác pin mặt trời Các luật điều khiển hợp thành 45 55 59 79 87 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 Tên gọi Trang Phổ xạ mặt trời Sự chuyển động xung quanh mặt trời xung quanh trục riêng đất Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Sơ đồ thu để sản xuất nước nóng Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên gồm nhiều thu nối song song Hệ sản xuất nước nóng NLMT đối lưu cưỡng Sơ đồ buồng sấy NLMT đối lưu tự nhiên Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lưu cưỡng Hệ sấy đối lưu cưỡng gián tiếp Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 13 15 17 19 19 20 23 24 24 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 2.1 22 2.3 2.4 2.5 2.6 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 Chuyên ngành tự động hóa Sơ đồ hệ thống chưng cất nước NLMT Một thiết kế thông dụng hệ lọc nước NLMT Sơ đồ bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính Bếp NLMT hội tụ Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu 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 trên) Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập Cấu tạo tế bào lượng mặt trời điển hình Các bước chuyển đổi chi tiết chế mát tế bào lượng mặt trời Các ký hiệu dấu ( ) thể số lượng cho phép cho chế mát cụ thể ECD Công suất đầu pin mặt trời Mô hình điều khiển pin mặt trời điều khiển PID Mô hình điều khiển pin mặt trời điều khiển mờ Mô hình thực điều khiển Bộ điều khiển mờ Một điều khiển mờ động Hệ kín, phản hồi âm 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 pin mặt trời Cấu trúc phát ánh sáng mặt trời Đặc trưng 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 UH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dUH 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 – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 25 26 28 29 30 31 32 32 34 35 39 41 44 46 47 48 61 61 65 68 72 73 75 77 78 79 82 83 83 84 86 86 87 88 89 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4.13 3.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 Chuyên ngành tự động hóa Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ Kết mô điều khiển mờ động Sơ đồ mô điều khiển mờ PID thiết kế Kết mô điều khiển Mờ PID tín hiệu vào hàm 1(t) Định nghĩa tập mờ cho biến UH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dUH điều khiển mờ Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến UH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dUH điều khiển mờ Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ Các điều khiển mờ PID Hàm đáp ứng đầu với điều khiển mờ tương ứng với dạng hàm liên thuộc khác Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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, công nghệ thông tin góp phần cho phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hoá Trong công nghiệp, điều khiển 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 ổn 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 mong muốn có thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thể mặt công nghệ có độ xác cao tốt Đây yêu cầu khó thực thông tin có tính điều khiển mô 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 trình xử lý thông tin 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 để ngỏ điều khiển thông minh nay, hướng xử lý tối ưu tri thức chuyên gia Tri thức chuyên gia kết rút từ trình tổ chức thông 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://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 ... pin mặt trời Mô hình điều khiển pin mặt trời điều khiển PID Mô hình điều khiển pin mặt trời điều khiển mờ Mô hình thực điều khiển Bộ điều khiển mờ Một điều khiển mờ động Hệ kín, phản hồi âm điều. .. âm 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 pin mặt trời.. . khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dUH điều khiển mờ Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến UH điều khiển mờ Định nghĩa tập mờ cho biến dUH điều khiển mờ Bề mặt