tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG bộ điều KHIỂN PID và mờ để điều KHIỂN hệ THỐNG PIN mặt TRỜI

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ ĐỨC NHẬT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ
MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số :
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN – 2011
1
Công trình được hoàn thành tại :
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Phản biện 1: PGS. TS. Nguyuẽn Thanh hà
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ
Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại :
Nhà A6, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp
Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 09 giờ 30 phút, ngày 25 tháng 10 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên và
Thư viện Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
2
MỞ ĐẦU
Hiện nay, Năng lượng mặt trời được xem như là nguồn sạch và tái tạo năng
lượng cho tương lai, nó cũng là nguồn năng lượng ít nhất gây ô nhiễm nhất
trong tất cả các nguồn năng lượng được biết đến.
Hầu hết năng lượng mặt trời hiện nay được sử dụng làm năng lượng nhiệt
hoặc điện. Bên cạnh đó nhờ các bộ gom nhiệt mặt trời và các bộ hiệu ứng quang
điện của chất bán dẫn đã tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.
Năng lượng mặt trời thu được giá trị tối ưu khi các chùm tia chiếu tới bề

mặt thu một cách tốt nhất. Điều này dẫn tới việc nghiên cứu sự bức xạ mặt trời
trên bề mặt trái đất và đặc biệt nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống gom
năng lượng bám theo mặt trời một cách liên tục.
Trong luận văn này “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID và mờ để
điều khiển hệ thống pin mặt trời”, mục đích chính là tìm mặt trời và bám theo
mặt trời để thu năng lượng nhiều nhất đồng thời có tính linh hoạt cao.
Phần nội dung của bản luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và một số ứng dụng thực tế
Chương 2: Tổng quan về các hệ thống pin mặt trời
Chương 3: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID và điều khiển mờ.
Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống pin mặt trời.
Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu với sự hướng dẫn tận
tình của PGS.TS.Nguyễn Hữu Công, song luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và
các bạn quan tâm.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2011
Người thực hiện
Vũ Đức Nhật
3
CHƯƠNG 1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất
sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng
thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều
năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc.
1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất
Ta biết, quả đất quay xung quanh mặt trời trên quĩ đạo elip, khoảng cách từ quả
đất đến mặt trời khoảng 150 triệu km. Nó quay một vòng mất 365,25 ngày (một năm).
Đồng thời quả đất lại tự quay xuang quanh trục Bắc-Nam của nó. Thời gian quay một

vòng là 24 giờ (một ngày đêm). Đặc biệt, trục quay riêng Bắc-Nam của quả đất lại tạo
một góc 23,5
0
so với pháp tuyến của mặt phẳng quĩ đạo của nó quay xung quanh mặt
trời .
1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời
BXMT tới mặt đất gồm 2 thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ.
Trực xạ là thành phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát trên
mặt đất không bị thay đổi phương truyền. Nó phụ thuộc vào vị trí mặt trời và
vào thời tiết. Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ
mọi hướng do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu
xạ trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… Thành phần nhiễu xạ cũng phụ
thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết.
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính
Hình 1.3: Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay
vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm
trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu ngoài
thủy tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số
truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5 ÷ 10%.
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT
4
Nước nóng rất cần thiết cho sinh hoạt trong gia đình, cơ quan và cũng rất
cần thiết cho các quá trình sản xuất trong nhà máy, các dịch vụ trong các khách
sạn, nhà hàng, bệnh viện, v.v
Hình 1.4: Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên

Hình 1.5 là sơ đồ một hệ thống sản xuất nước nóng dùng nguyên lý đối lưu tự
nhiên. Nước lạnh khi qua bộ thu nhiệt mặt trời sẽ nóng lên, khối lượng riêng
giảm nên chảy lên phía trên. Phía dưới áp các ống áp suất nước bị giảm nên
nước lạnh lại chảy vào.
Hình 1.5: Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức
Khi cần một lượng nước nóng lớn thì thì hệ thống nước nóng đối lưu tự
nhiên không thích hợp. Khi đó người ta sử dụng hệ thống dùng đối lưu cưỡng
bức. Hình 1.7 là sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng bằng NLMT theo nguyên lý
đối lưu cưỡng bức.
Hình 1.7: Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức
5
1.5.2. Sấy bằng NLMT
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên
Thời gian sấy trong buồng có thể từ 2÷4 ngày. Để điều khiển quá trình
sấy người ta có thể đóng bớt hay mở rộng thêm các khe hút khí phía dưới
hay khe thoát khí thải ở phía trên buồng. Sản phẩm sấy thích hợp thường là
chuối, ớt, vải, nhãn, nho,v.v tức là các sản phẩm yêu cầu độ sạch và chất
lượng cao.
Hình 1.8: Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lưu tự nhiên
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức
Để có thể sấy lượng sản phẩm lớn và rút ngắn thời gian sấy người ta thường
dùng loại hệ sấy cưỡng bức. Hình 1.9 là sơ đồ một hệ thống sấy đối lưu cưỡng
bức.
Hình 1.9: Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lưu cưỡng bức
1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT
Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống chưng cất nước bằng NLMT
1.5.4. Bếp mặt trời :Một ứng dụng khác khá hiệu quả sử dụng NLMT là bếp
mặt trời. Nguyên lý hoạt động của loại thiết bị này phổ biến có 2 loại, sử dụng
hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ.

6
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính
Hình 1.13 : Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính
1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ
Các tia mặt trời khi gặp gương sẽ hội tụ tại tiêu điểm, nhiệt độ có thể lên
đến 200 ÷ 250
o
C. Tại tiêu điểm này người ta đặt nồi thức ăn cần nấu.
Hình 1.14: Bếp NLMT hội tụ
1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại
NLMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn
nuôi trong mùa đông.
Hình 1.15: Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT
Hình 1.16: Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt
1.5.6. Pin mặt trời
1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
7
Hình 1.17 : Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
Hình 1.18 : Sơ đồ cấu tạo PMT Si
Hình1.19: Một môđun hoàn thiện
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT
PMT được ứng dụng để sản xuất điện. Hiện nay có 2 phương pháp sử dụng
điện mặt trời. Đó là các phương pháp nguồn điện PMT nối lưới và nguồn điện
PMT độc lập.
* Nguồn điện PMT nối lưới
Hình 1.20 : Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới
* Nguồn điện PMT độc lập
Hình 1.21 : Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
1.6. Kết luận.
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày

càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí
thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy
cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới
8
như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng
mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng
lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước
đang phát triển.
Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được
loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả
các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực
tế là vấn đề có tính thời sự.
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
2.1. Vai trò của hệ thống pin mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ
rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô
rộng thì thực sự là một vấn đề rất mới và hiện đang là mối quan tâm hàng đầu
của các nhà khoa học. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử
dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có
tính thời sự. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ
yếu sau: Pin mặt trời, nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời, thiết bị
sấy khô dùng năng lượng mặt trời, thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng
NLMT
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng dùng pin mặt trời
2.2.1. Nguyên lý làm việc của pin mặt trời
Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi sự hình thành
của cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể đẩy
các điện tích đó qua mạch điện ngoài. Khi được kết nối với mạch điện bên
ngoài, bất kỳ thiết bị điện nào, chẳng hạn một màn hình máy tính hay một động

cơ của máy bơm nước, có thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi.
Hình 2.1: Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình.
2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời
Hiện nay, các tấm pin mặt trời thường được lắp đặt cố định vào 1 tấm đế,
do đó hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng
tấm pin (12h trưa). Ngoài thời điểm này hiệu suất pin mặt trời sẽ giảm. Do vậy,
bài toán đặt ra là: Làm thế nào để hiệu suất pin mặt trời được tối đa.
Để nâng cao hiệu suất của pin cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác
định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó mới điều khiển cho mặt
phẳng của tấm pin mặt trời hướng về phía vuông góc với ánh sáng.
9
Hình dưới đây so sánh hiệu suất của một hệ thống pin mặt trời gắn cố
định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển
Hình 2.3: Công suất đầu ra của pin mặt trời
Trong đó:
: Hiệu suất pin mặt trời được điều khiển
: Hiệu suất pin mặt trời gắn cố định
Rõ ràng thời gian đạt hiệu suất đỉnh của pin có điều khiển được kéo dài ra.
Toàn bộ hiệu suất của pin mặt trời được tính toán, đánh giá trong vòng
24h thể hiện qua bảng dưới đây.
Bảng 2.1: So sánh hiệu suất của pin mặt trời đặt cố định và có điều khiển
2.2.2.1. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng PID số
cho đến khi nào chúng bằng nhau, lúc này dừng động cơ có thể hiểu lúc
này mặt trời đang ở giữa hai sensor.
Hình 2.4: Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển PID
2.2.2.2. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller
10
Hình 2.5: Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ
Để nâng cao hiệu suất cuả hệ thống thu thập năng lượng của pin mặt trời
người ta áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển hướng

của pin. Motor A dùng để điều khiển pin quay theo chiều x, còn Motor B điều
khiển pin xoay theo chiều y. Tuy nhiên, hai động cơ giống nhau về công suất và
phương thức điều khiển. Do vậy, ta chỉ cần thiết kế bộ điều khiển mờ cho một
động cơ.
Dưới đây là bộ điều khiển pin mặt trời đã được thực nghiệm để kiểm
chứng các số liệu cho trong bảng 2.1 và hình 2.3.
Hình 2.6: Mô hình thực của bộ điều khiển
2.3. Kết luận
Hầu hết các hệ thống điều khiển pin mặt trời là hệ hở. Trong mô hình
điều khiển tỷ lệ cố định, biến tốc độ lập trình để xoay pin với một tốc độ không
đổi dựa trên sự chuyển động của mặt trời. Trong mô hình điều khiển Fuzzy,
thuật toán được xác định bằng các phương trình toán học dựa trên vị trí của
mặt trời. Trong cả hai mô hình trên, phản hồi vị trí được dùng như một tham số
mẫu.
CHƯƠNG 3
GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ (FLC)
3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế PID
3.1.1 Phương pháp 1
Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được
3.1.2. Phương pháp 2
Phương pháp “ Tiêu chuẩn đối xứng”
3.2. Giới thiệu về Logic mờ và bộ điều mờ
3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản
11
Một bộ điều khiển mờ cơ bản thường bao gồm các khâu: fuzzy hóa, thiết bị hợp
thành (thiết bị thực hiện luật hợp thành) và khâu giải mờ. Một bộ điều khiển mờ
chỉ gồm 3 thành phần trên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hình 3.1: Bộ điều khiển mờ cơ bản
Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện

thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển mờ tĩnh.
Hình 3.2: Một bộ điều khiển mờ động
Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động,
các khâu động học cần thiết sẽ được đưa thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Các
khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các
giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu. Cùng với những khâu động bổ xung
này, bộ điều khiển không còn là bộ điều khiển mờ cơ bản nữa mà đơn thuần nó
được gọi là bộ điều khiển mờ.
* Khâu mờ hoá: Có nhiệm vụ biến đổi giá trị rõ đầu vào thành một miền
giá trị mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã được
định nghĩa từ trước.
* Khối hợp thành: Biến đổi các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu vào
thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành.
* Khối luật mờ (suy luận mờ): Bao gồm tập các luật “NẾU … THÌ …”
dựa vào các luật mờ cơ bản, được thiết kế và viết ra cho thích hợp với từng biến
và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra.
Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ, vì nó
có khả năng mô phỏng những suy đoán của con người để đạt được mục tiêu điều
khiển mong muốn nào đó.
* Khối giải mờ: Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều
khiển đối tượng.
12
3.2.1.1. Mờ hoá
* Mờ hoá đơn trị (singleton): Từ các điểm giá trị thực x*є U, lấy các giá trị đơn
trị của tập mờ A, nghĩa là hàm thuộc có dạng:
1 Nếu x=x*
µ
A
(x) =
0 Nếu x≠x*

* Mờ hoá Gaus (Gaussian): Từ các điểm giá trị thực x*єU, lấy các giá trị
trong tập mờ A với hàm thuộc có dạng Gaus.
* Mờ hoá hình tam giác (triangular): Từ các điểm giá trị thực x*єU, lấy các
giá trị của tập mờ A với hàm thuộc có dạng hình tam giác hay hình thang.
Mờ hoá đơn trị cho phép tính toán về sau rất đơn giản nhưng không khử
được nhiễu đầu vào, mờ hoá Gaus hay mờ hoá hình tam giác không những cho
phép tính toán về sau tương đối đơn giản mà còn đồng thời có thể khử nhiễu đầu
vào.
3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thành
Có thể sử dụng các phương pháp hợp thành theo luật: max -MIN, max-
PROD, Zadeh, Lukasiewicz, Dienes-Rescher.
3.2.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ
* Mệnh đề bộ phận:
Nếu x
1
là
A
k
1
và x
m
là
A
k
m
thì y là B
k
với m < n
*Mệnh đề hoặc :
Nếu x

1
là
A
k
1
và x
m
là
A
k
m
hoặc x
m+1
là
A
k
m 1+
và và x
n
là
A
k
n
*Mệnh đề đơn trị:
y là B
k
*Mệnh đề thay đổi từ từ:
Chẳng hạn: nếu x càng nhỏ thì y càng lớn.
3.2.1.4. Giải mờ
Khi giải mờ cần chú ý:

*Việc tính toán cần đơn giản: đây là điều quan trọng để giảm thời gian tính
toán vì các bộ điều khiển mờ thường đòi hỏi làm việc thời gian thực.
*Tính liên tục: một sự thay đổi nhỏ trong tập mờ B’ chỉ làm thay đổi nhỏ
trong kết quả giải mờ, nghĩa là không gây ra thay đổi đột biến giá trị giải mờ
y’.
*Tính hợp lý của kết quả: điểm rõ y’ là điểm đại diện của tập mờ B’, điều này
có thể cảm nhận trực giác tính hợp lý của kết quả khi đã có hàm thuộc của tập
mờ B’.
Có 3 phương pháp giải mờ thường dùng là: phương pháp cực đại, phương
pháp trọng tâm và phương pháp trung bình tâm.
3.3. Nguyên lý điều khiển mờ
13
Hình 3.3: Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ
*Giao diện đầu vào: Bao gồm khâu fuzzy hóa và các thành phần phụ trợ thêm
để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân, …
*Thiết bị hợp thành: Bản chất của thành phần này là sự triển khai luật hợp thành
R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay như trong một số các tài liệu
khác còn gọi là luật quyết định.
*Giao diện đầu ra (khâu chấp hành): gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện
trực tiếp với đối tượng.
Chúng ta có thể thiết kế bộ điều chỉnh theo luật P (Propotional – Tỉ
lệ), theo luật I (Integral – Tích phân) và theo luật D (Derivative – Vi phân)
như sau:
*Luật điều khiển P: uk = K.e
k,
, trong đó K là hệ số khuếch đại.
*Luật điều khiển I:
euu
kkk
T

1
1
1
+=
+
, trong đó T
1
là hằng số tích phân.
*Luật điều khiển D: u
k+1
=T
D
( e
k
+ u
k
), trong đó T
D
là hằng số vi phân.
Hình 3.4: Bộ điều khiển mờ PID
Hình vẽ trên là ví dụ đơn giản về một hệ điều khiển mờ PID. Sai lệch
giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra được đưa vào bộ điều chỉnh theo luật P và
D, sau đó được đưa vào bộ điều khiển mờ. Bộ điều chỉnh I được dùng như
một thiết bị chấp hành, đầu vào lấy sau bộ giải mờ và đầu ra được đưa tới
đối tượng.
3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ
Các bước cần thiết để thiết kế và tổng hợp bộ điều khiển mờ:
*Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra.
*Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra.
*Xây dựng các luật điều khiển (các mệnh đề hợp thành).

*Chọn thiết bị hợp thành (max-MIN hay sum-MIN).
*Chọn nguyên lý giải mờ.
14
*Tối ưu hóa hệ thống.
3.4.1. Định nghĩa các biến vào/ra
Định nghĩa các biến vào/ra cho một hệ thống điều khiển là quá trình
xác định các thành phần (đại lượng) đi vào và ra bộ điều khiển mờ. Các
thành phần này chủ yếu là được tách ra từ sai lệch giữa đại lượng đặt và giá
trị thực ở đầu ra. Thành phần ra bộ điều khiển mờ để đi tới đối tượng được
điều khiển.
3.4.2. Xác định tập mờ
- Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào/ra
- Số lượng tập mờ (lực lượng giá trị biến ngôn ngữ)
- Xác định hàm thuộc
3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển
3.4.4. Chọn thiết bị hợp thành
Để chọn thiết bị hợp thành theo những nguyên tắc đã trình bày trong phần
trước, ta có thể sử dụng một trong các công thức theo luật:
*Luật max-MIN, max-PROD.
*Công thức Lukasiewicz có luật sum-MIN, sum-PROD.
*Công thức Einstein.
*Tổng trực tiếp.
3.4.5. Chọn nguyên lý giải mờ
Các phương pháp xác định giá trị đầu ra rõ gọi là quá trình giải mờ hoặc rõ
hóa đã được trình bày trong phần trước. Phương pháp giải mờ được chọn cũng
ảnh hưởng đến độ phức tạp, tốc độ tính toán và trạng thái làm việc của toàn bộ
hệ thống. Thường trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phương
pháp điểm trọng tâm có nhiều ưu điểm hơn cả, bởi vì như vậy trong kết quả đều
có sự tham gia của tất cả các thành phần kết luận của các luật điều khiển (mệnh
đề hợp thành).

3.4.6. Tối ưu
Bước tiếp theo là tối ưu hóa hệ thống theo các chỉ tiêu khác nhau.
Chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này chủ yếu được thực hiện
thông qua việc điều chỉnh lại các hàm thuộc và bổ sung thêm các luật điều
khiển hoặc sửa lại các luật điều khiển đã có. Và nên thực hiện việc chỉnh
định trên một hệ kín.
3.5. Bộ điều khiển mờ lai PID.
3.5.1. Giới thiệu chung.
Hệ mờ lai (Fuzzy- hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó
thiết bị điều khiển bao gồm 2 thành phần:
- Phần thiết bị điều khiển rõ (thường là bộ điều khiển kinh điển PID)
- Phần thiết bị điều khiển mờ.
15
Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phát huy được ưu điểm của cả bộ điều
khiển mờ và bộ điều khiển rõ. Ta xét hệ thống điều khiển có hai cấu trúc vòng,
một trong hai vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ.
Hình 3.5: Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai
3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.
Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích
phân, vi phân) đã và được dùng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công
nghiệp.
Hình 3.6: Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID
Nếu viết theo hàm thời gian thì tín hiệu ra của bộ điều khiển PID là:
( ) ( ) ( )
( )







++=
∫
dt
tde
Tdττe
T
1
tektu
D
t
0
I
P
(3.6)
Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID có dạng:
( )
pk
p
k
ksT
sT
1
1ksR
D
I
PD
I
P
++=









++=
(3.7)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, k
P
được gọi là hệ số
khuếch đại, T
I
là hằng số tích phân, T
D
là hằng số vi phân.
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số k
P
, T
I
, T
D
của bộ điều
khiển PID. Nhưng vì các hệ số này chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc
cụ thể của hệ thống, do đó khi hệ thống điều khiển có sự thay đổi ta cần phải
chỉnh định lại các hệ số này nhằm đảm bảo chất lượng điều chỉnh như mong
muốn. Thông thường việc chỉnh định các tham số này được tiến hành theo
phương pháp "thăm dò" nên không hiệu quả. Chính vì vậy, phương án thiết kế

bộ điều khiển mờ có khả năng tự động chỉnh định các tham số k
P
, T
I
, T
D
của bộ
điều khiển PID là một công việc có ý nghĩa. Cơ sở của phương pháp này là dựa
vào việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch, các tham số k
P
, T
I
, T
D
sẽ
16
được tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka
và Isaka (hình 3.7).
Giả thiết các tham số k
P
, k
D
bị chặn, tức là:
[ ]
max
P
min
PP
k,kk ∈
và

[ ]
max
D
min
DD
k,kk ∈
(3.8)
Để có 0 ≤ k
P
, k
D
≤ 1 thì Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hoá các
tham số đó như sau:
min
P
max
P
min
PP
P
kk
kk
k
−
−
=
;
min
D
max

D
min
DD
D
kk
kk
k
−
−
=
;
D
I
T
T
α =
(3.9)
Hình 3.7: Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ
Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), đạo hàm của e(t) và ba
đầu ra là k
P
, k
D
và α, do đó có thể xem như nó gồm ba bộ chỉnh định mờ, mỗi bộ
gồm có hai đầu vào và một đầu ra.
3.6. Kết luận
Chương này đã đưa ra các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID kinh
điển dựa trên hàm truyền của đối tượng. Đồng thời cũng cho chúng ta một cái
nhìn tổng quan về cấu trúc của một bộ điều khiển mờ cơ bản, nhiệm vụ của mỗi
thành phần trong hệ thống. Trên cơ sơ nguyên lý điều khiển mờ, chương này

cũng giới thiệu nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ. Với bộ điều khiển
mờ như vậy, nó cũng bộc lộ những ưu điểm và nhược điểm theo bản chất của
phương pháp điều khiển.
Cấu trúc của hệ thống đơn giản, luật điều khiển chính là các mệnh đề hợp
thành-tri thức chuyên gia mang tính kinh nghiệm nên có thể thực hiện bộ điều
khiển với những hệ thống mà khó hoặc không thể xây dựng được mô hình toán
học cho nó.
Theo nguyên tắc điều khiển bằng logic mờ, ta có thể có rất nhiều cách thực
hiện (cách lựa chọn) khác nhau tại các bước tính toán như chọn hàm thuộc, phép
giao, phép hợp, phép hợp thành, giải mờ, … nên cho ta nhiều kết quả khác nhau.
Chất lượng của hệ thống rất phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế và
không có một thuật toán nào có thể tối ưu hóa được quá trình thiết kế này.
17
CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời
Hình 4.1: Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời
Mô hình điều khiển pin mặt trời bao gồm hai động cơ. Một động cơ điều
khiển pin quay theo phương x ( đông – tây). Một động cơ điều khiển pin mặt
trời quay theo phương y ( nam – bắc). vì hai động cơ cùng kiểu do vậy ta chỉ cần
thiết kế bộ điều khiển cho một động cơ.
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời
Hệ thống điều khiển có mục đích chính là tự động điều khiển bộ thu nhiệt
tìm và bám theo mặt trời để thu năng lượng nhiều nhất đồng thời có tính linh
hoạt cao. Thực chất là tự động điều chỉnh động cơ điện một chiều để quay bộ
thu nhiệt được đặt phía trên tấm pin theo hướng đông-tây xoay theo mặt trời
nhằm tập trung được tốt nhất nhiệt năng.
*Sensor và chuẩn hóa tín hiệu
Hình 4.2: Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời

Các cảm biến được bố trí theo cách: LDR
1
và LDR
2
được

sử dụng để bám
theo mặt trời theo phương ngang. Tín hiệu đầu ra của mỗi một cảm biến được
liên kết với một bộ khuếch đại vi phân. Đầu ra U
H
tương ứng với các sai lệch.
Chúng xác định các đáp ứng phản hồi được sử dụng làm các biến đầu vào cho
bộ điều khiển để tạo ra các đại lượng điều khiển như mong muốn. Từ đó điều
khiển tốc độ và hướng quay cho một động cơ một chiều thích hợp.

( )
2
2 1 0
1
H
R
U Us Us U
R
= − +
(4.1)
Phương trình trên cho thấy U
H
được tính toán từ mạch đầu vào vi điều
khiển. Điện áp ban đầu U
0

được thêm vào để tạo sự cần thiết của nguồn cấp.
Bảng 4.1 minh họa sự thể hiện của các biến được đưa ra từ cấu trúc phát hiện
ánh sáng mặt trời.
18
U
H
> U
0
Pin chuyển từ: Đông sang Tây
U
H
< U
0
Pin chuyển từ: Tây sang Đông
U
H
= U
0
Pin đã định hướng tốt
Bảng 4.1: Các trạng thái khác nhau của pin mặt trời
* Động cơ quay pin
Một pin mặt trời được điều khiển bởi một động cơ một chiều. Trong phần
này sẽ trình bày việc thiết kế bộ điều khiển PID và mờ để điều khiển động cơ
một chiều. Kết quả của bộ điều khiển PID được so sánh với kết quả thu được từ
bộ điều khiển mờ. Động cơ một chiều được đặc trưng bởi sơ đồ nguyên lý trên
hình 4.3
Hình 4.3: Đặc trưng của động cơ một chiều
Phương trình vi phân mô hình hóa động cơ điện 1 chiều là:

2

2
( ) ( )
( )
d t d t
J B Ki t
dt dt
θ θ
 
 
+ =
 ÷
 ÷
 
 
(4.2)

( ) ( )
( ) ( )
di t d t
L Ri t u t K
dt dt
θ
   
+ = −
 ÷  ÷
   
(4.3)
Trong đó:
J = 0.01 kgm
2

/s
2
: Momen quán tính
B = 0.1 Nms : Momen ma sát
K = 0.01 Nm/Amp : Lực điện động
R = 1 Ω : Điện trở mạch phần ứng
L = 0.5 H : Điện cảm phần ứng
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển
4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID
Ta có hàm truyền của đối tượng có dạng:
Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
Đối tượng điều khiển:
( ) ( )
0.099
( )
0.1 1 0.4994 1
G s
s s s
=
+ +
Vì đối tượng có một khâu tích phân và có một hằng số thời gian lớn. Do vậy ta
thiết kế bộ điều khiển PID có dạng:
( )
2
1
( )
d
c
i
T s

G s
T s
+
=
Các hệ số

3 3
b
1 2
128kT
128*0.099*0.1
0.0254
T T 1*0.4994
i
T = = =
Hằng số thời gian tích phân.
T
d
=8T
b
= 8*0.1 = 0.8 Hằng số thời gian vi phân.
19
Bằng tính toán ta xác định được các hệ số của bộ điều khiển PID như sau:
( )
2
1 0.8
( )
0.0254
c
s

G s
s
+
=
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID như sau:
Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID
* Kết quả mô phỏng:
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID
4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động
* Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển mờ động
Hình Hình.4.6: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động
* Định nghĩa các biến vào ra:
Bộ điều khiển mờ gồm có hai đầu vào và một đầu ra.
- Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều khiển, đại lượng này được ký
hiệu là UH.
- Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất, đại lượng này được ký
hiệu là dUH.
- Đầu ra của bộ điều khiển mờ là giá trị điện áp một chiều, đại lượng này
được ký hiệu là U.
Hình 4.7: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ
20
* Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra:
- Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào ra:
Điện áp vào UH được chọn trong miền giá trị [-1,+1] volt;
Đạo hàm dUH có miền giá trị nằm trong khoảng [-1,+1] volt;
Điện áp một chiều U nằm trong khoảng [-1,+1]volt.
- Xác định số lượng tập mờ cần thiết: về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho
mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Nếu số lượng ít hơn 3 thì
ít có ý nghĩa vì không thực hiện được việc lấy vi phân; Nếu lớn hơn 10 thì con
người khó có khả năng bao quát hết các trường hợp xảy ra.

Vì vậy, chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ là 7. Ta ký hiệu 7
biến ngôn ngữ như sau:
Âm nhiều NB, Âm vừa NM , Âm ít NS, Không ZE, Dương ít PS, Dương
vừa PM, Dương nhiều PB
Với những ký hiệu như trên thì miền xác định ngôn ngữ của các biến vào là:
UH ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
dUH ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
Vì bộ điều khiển mờ được thiết kế theo mô hình mờ của Sugeno bậc "0"
nên biến ra của nó có dạng các hằng số như sau:
U∈{-0.8572, -0.5715, -0.2858, 0, 0.2858, 0.5715, 0.8572}
Tương ứng là: U ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
- Xác định kiểu hàm liên thuộc: tất cả các hàm liên thuộc của hai biến vào
có dạng gaussmf.
Hình 4.8: Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ
Hình 4.9: Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ
21
Hình 4.10: Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ
- Rời rạc hoá tập mờ.
Độ phân giải của các dải trị phụ thuộc được chọn trước hoặc là cho các
nhóm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (các số dj biểu diễn dưới dạng dấu phẩy
động có độ chính xác đơn) hoặc nguyên ngắn (giá trị phụ thuộc là các số nguyên
có độ phụ thuộc là các số có độ dài 2 byte hoặc theo byte). Phương pháp rời rạc
hóa sẽ là yếu tố quyết định độ chính xác và tốc độ bộ điều khiển.
* Xây dựng các luật điều khiển:
Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều khiển được xây dựng theo bảng
sau, tổng cộng có 49 luật điều khiển:
Uđk
UH
NB NM NS ZE PS PM PB
dUH

NB NB NB NB NB NS PS PB
NM NB NB NM NM ZE PS PB
NS NB NB NS NS ZE PM PB
ZE NB NB NS ZE PS PB PB
PS NB NM ZE PS PS PB PB
PM NB NS ZE PM PM PB PB
PB NB NS PS PB PB PB PB
Bảng 4.2: Các luật điều khiển hợp thành
Hình 4.11: Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
* Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ
Triển khai luật hợp thành và tổng hợp các giá trị mờ. Thiết bị hợp thành ta
chọn theo nguyên tắc Prod – Probor.
Các tập mờ sau khi triển khai qua nhiều thiết bị hợp thành sẽ đưa về các giá
trị thực theo cách thức giải mờ, cách thức này có ảnh hưởng không nhỏ đến
trạng thái làm việc cũng như độ phức tạp của hệ thống. Chọn giải mờ theo
phương pháp Wtaver.
22
Hình 4.12: Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ
Hình 4.13: Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab
để xây dựng bộ điều khiển mờ theo những thiết kế trên. Công cụ Toolbox Fuzzy
Logic cho phép người sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chóng, chính
xác và cho phép kết xuất kết quả ra vùng Workspace để tiến hành mô phỏng
bằng công cụ Simulink của Matlab.
• Kết quả mô phỏng
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ động
4.3. So sánh chất lượng khi dùng bộ điều khiển PID và Mờ
4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế
* Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ
23

Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế
* Kết quả mô phỏng
Hình 4.16: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID
khi tín hiệu vào là hàm 1(t)
Nhận xét:
- Ta thấy cả hai bộ điều khiển đều có ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh
- Đặc tính quá độ của hệ thống của bộ điều khiển PID tốt hơn bộ điều khiển mờ
động. Ở trạng thái xác lập không có sai lệch tĩnh, không có độ quá điều chỉnh,
thời gian hệ khắc phục được phụ tải là t
m
=7s.
4.3.2. So sánh chất lượng các bộ điều khiển mờ với các dạng hàm liên thuộc
khác nhau
4.3.2.1. Hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dạng tam giác
Hình 4.17: Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ
24
Hình 4.18: Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ
Hình 4.19: Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
4.3.2.2. Hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dạng hình thang
Hình 4.20: Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ
Hình 4.21: Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ
25