tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hệ thống điều khiển gương mặt trời bằng bộ điều khiển mờ

Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 1 Chuyên ngành Tự động hóa
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Phản biện 1 : GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Phản biện 2 : PGS.TS. Lại Khắc Lãi
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng
cao học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 14 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái
Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2 Chuyên ngành Tự động hóa
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 hệ thống điều khiển gương mặt trời
bằng bộ điều khiển mờ”, mục đích chính là tìm mặt trời và bám theo mặt trời
để thu năng lượng nhiều nhất đống 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 gương 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 gương mặt trời.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS.
Nguyễn Hữu Công, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện tử và Khoa Điện-
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn
Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều
kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2010
Người thực hiện
Dương Vũ Nhật Đồng
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3 Chuyên ngành Tự động hóa
CHƯƠNG I
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.
Có thể xem mặt trời là một quả cầu cách quả đất 150 triệu km. Đường
kính mặt trời khoảng 1,4 triệu km, lớn hơn 109 lần đường kính quả đất. Áp
suất ở phần trong mặt trời rất cao, cao hơn áp suất khí quyển ở quả đất
khoảng chục triệu lần. Nhiệt độ trên mặt trời biến đổi từ hơn 15 triệu độ ở
trong lõi tới 6000 độ ở mặt ngoài của nó.
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 (hình 1.2). Tổng hợp của
các chuyển động đó dẫn tới kết quả là cường độ BXMT biến đổi liên tục theo
thời gian (theo giờ, ngày, tháng, mùa trong năm) và cũng còn biến đổi theo vị
tuyến trên mặt đất.
1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973,
NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi
tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ
biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức
1.5.2. Sấy bằng NLMT
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức
1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT
1.5.4. Bếp mặt trời
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính
1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 4 Chuyên ngành Tự động hóa
1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại
1.5.6. Pin mặt trời
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GƯƠNG MẶT TRỜI
2.1. Vai trò của hệ thống gương 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
Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ
thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ
và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có
cánh nhận nhiệt. Nhưng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu
suất còn thấp nên chưa được người dân sử dụng rộng rãi.
Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được
sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm
tốn. Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử
dụng NLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết :
* Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nước đang phát triển và kém
phát triển là những nước có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu
và ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, nhất là để nghiên cứu các
thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so
với thu nhập của người dân ở các nước nghèo.

* Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời dùng
để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao thì các bộ thu phẳng đặt
cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh
chưa phù hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ. Các bộ thu có gương
parabolic hay máng parabolic trụ phản xạ bình thường thì thu được nhiệt độ
cao nhưng vấn đề định vị hướng hứng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp
nên việc vận hành còn nhiều khó khăn.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 5 Chuyên ngành Tự động hóa
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng mặt trời dùng máng phản xạ cong
Hình 2.2: Hệ thống thu năng lượng mặt trời sử dụng các máng parabol cong
2.3. Một số mô hình điều khiển gương mặt trời
2.3.1. Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định
2.3.2. Mô hình điều khiển PSA
2.3.3. Mô hình điều khiển thông minh
2.4. Kết luận
Hầu hết các hệ thống điều khiển gương mặt trời là hệ hở. Trong mô
hình điều khiển tỷ lệ cố định, biến tốc độ lập trình để xoay máng phản xạ với
một tốc độ không đổi dựa trên sự chuyển động của mặt trời. Trong mô hình
điều khiển PSA, 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, thực tế không nhất thiết phải cần có trong bài
toán điều khiển. Tuy nhiên trong mô hình điều khiển thông minh, bộ dò vị trí ,
tốc độ gió và nhiệt độ chất lỏng truyên nhiệt là cần thiết cho việc xác định vị
trí của các máng phản xạ.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 6 Chuyên ngành Tự động hóa
CHƯƠNG III
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 bù hằng số thời gian trội
3.2. Giới thiệu về Logic mờ và bộ điều mờ
3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản
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 m ờ. 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.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 7 Chuyên ngành Tự động hóa
* 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 tậ p 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.
3.2.1.1. Mờ hoá
3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thành
3.2.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ
3.21.4. Giải mờ
3.3. Nguyên lý điều khiển mờ
Hình 3.3: Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ
Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế gồm các thành phần:
*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.
3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 8 Chuyên ngành Tự động hóa
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.
*Tối ưu hóa hệ thống.
3.4.1. Định nghĩa các biến vào/ra

3.4.2. Xác định tập mờ
3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển
3.4.4. Chọn thiết bị hợp thành
3.4.5. Chọn nguyên lý giải mờ
3.4.6. Tối ưu
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.
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.
Vì vậy có hai khả năng kết hợp là: bộ điều khiển mờ dùng ở vòng thứ
nhất, còn ở vòng thứ hai là bộ điều khiển không mờ như hình 3.5 a, hoặc là
vòng thứ nhất là bộ điều khiển truyền thống (chẳng hạn bộ điều khiển PID) và
vòng thứ hai là bộ điều khiển mờ như hình 3.5 b.
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.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
a, b,
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 9 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 3.6: Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển
PID
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 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.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 10 Chuyên ngành Tự động hóa
CHƯƠNG IV
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN GƯƠNG MẶT TRỜI
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống gương mặt trời
Hình 4.1: Mô hình cấu trúc của hệ thống gương mặt trời
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống gương mặt trời
*Sensor và chuẫn hóa tín hiệu
Bộ phát hiện ánh sáng mặt trời bao gồm hai cảm biến ánh sáng, như
LDR diode quang hay tranzitor quang, được lắp đặt trên các tấm gương mặt
trời và được đặt trong một lớp vỏ bọc. Hai cảm biến ánh sáng được ngăn cách
với nhau bởi các lớp bề mặt như trên hình 4.2
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 C
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.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 11 Chuyên ngành Tự động hóa
Phương trình trên cho thấy C
H
được tính toán từ mạch đầu vào vi điều
khiển. Điện áp ban đầu V
0
được thêm vào để tạo sự cần thiết của nguồn cấp.
C
H
> V
0
Gương chuyển từ: Đông sang Tây
C
H
< V

0
Gương chuyển từ: Tây sang Đông
C
H
= V
0
Gương đã định hướng tốt
Bảng 4.1: Các trạng thái khác nhau của gương mặt trời
* Động cơ quay gương
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
 
 
+ =
 ÷
 ÷
 
 
(1)
( ) ( )
( ) ( )
di t d t

L Ri t v t K
dt dt
θ
   
+ = −
 ÷  ÷
   
(2)
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
Thay các thông số vào hàm truyền của đối tượng ta được:
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 12 Chuyên ngành Tự động hóa
Trong đó:
( )
2
0
0 1 0
0
0 0 1 ;
0
1 0 0

T
A b
K
BR K LB RJ
LJ
LJ LJ
c
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
= =
 ÷
 ÷
 ÷
+ +
 ÷
 ÷
− −
 
 ÷
 
=
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 bằng phương pháp 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:
( )
1 (1 )
( )
d n
c
i
T s 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.
T
n
= T
1
= 1
Bằng tính toán ta xác định được các hệ số của bộ điều khiển PID như
sau:
( ) ( )
1 1 0.8
( )
0.0254
c
s s
G s
s
+ +
=
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID như sau:
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 13 Chuyên ngành Tự động hóa
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 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 CH.
- Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu và thứ nhất, đại lượng này được ký
hiệu là dCH.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 14 Chuyên ngành Tự động hóa
- 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
* 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 CH được chọn trong miền giá trị [-1,+1] volt;
Đạo hàm dCH có miền giá trị nằm trong khoảng [-1,+1] volt/s
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:
CH ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 15 Chuyên ngành Tự động hóa
dCH ∈ {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 gauss.
Hình 4.8: Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 16 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.9: Định nghĩa các tập mờ cho biến dCH của bộ điều khiển mờ
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
CH
NB NM NS ZE PS PM PB
dCH
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
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 17 Chuyên ngành Tự động hóa
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 cúng như độ phức tạp của hệ thống. Chọn giải mờ
theo phương pháp Wtaver.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 18 Chuyên ngành Tự động hóa
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
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 19 Chuyên ngành Tự động hóa
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
Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế
* Kết quả mô phỏng
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 20 Chuyên ngành Tự động hóa
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: hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID có thời gian đáp ứng
nhanh hơn bộ điều khiển mờ; cả hai hệ thống đều không có độ quá điều
chỉnh.
4.3.2. So sánh chất lượng của các bộ điều khiển khi thay đổi giá trị đặt
* Kết quả mô phỏng
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 21 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng của khi tín hiệu đặt vào là xung vuông
Nhận xét:
- Khi thay đổi giá trị đặt thì chất lượng của các bộ điều khiển là khác nhau.
- Với bộ điều khiển PID luôn bám theo giá trị đặt, không tồn tại sai lệch tĩnh,
thời gian tác để hệ thống bám theo tín hiệu đặt khoảng 5s.
-Với bộ điều khiển mờ động thì vẫn bám theo được tín hiệu đặt, nhưng thời
gian để hệ xác lập chậm hơn (sau 10s mới xác lập)

Vậy trong điều kiện làm việc yêu cầu thay đổi chế độ làm việc của hệ thống ta
nên dùng bộ điều khiển PID.
4.3.3. So sánh chất lượng của bộ điều khiển PID và Mờ khi có nhiễu phụ tải
* Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ khi có nhiễu phụ tải
Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID khi có nhiễu phụ tải
* Kết quả mô phỏng
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi có nhiễu phụ
tải
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 22 Chuyên ngành Tự động hóa
Nhận xét: Trong trường hợp xảy ra nhiễu phụ tải bởi vì một nguyên nhân nào
đó được mô phỏng trên hình vẽ, ta nhận thấy rằng:
- Cả 2 bộ điều khiển đều có đường đặc tính mịn, xác lập nhanh khi có
nhiễu phụ tải tác động.
- Khi có nhiễu phụ tải tác động 20% trong thời gian 5(s) thì bộ điều
khiển PID đáp ứng tốt nhất với thời gian đáp ứng khoảng 10(s).
- Bộ điều khiển mờ đáp ứng không tốt và thời gian triệt tiêu nhiễu chậm
(khoảng 15s).
* Kết quả mô phỏng
Hình 4.20: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi có nhiễu phụ
tải
Nhận xét: Trong trường hợp xảy ra nhiễu phụ tải, ta nhận thấy rằng:
- Cả 2 bộ điều khiển đều triệt tiêu được nhiễu phụ tải .
- Khi có nhiễu phụ tải tác động 20% trong thời gian 5(s) thì bộ điều khiển PID
đáp ứng tốt hơn với thời gian đáp ứng khoảng 10(s).
- Bộ điều khiển mờ đáp ứng chậm hơn và thời gian triệt tiêu nhiễu chậm
(khoảng 15s
4.3.4. Khi thay đổi các thông số động cơ.
4.3.4.1. Khi thay đổi giá trị điện cảm L
* Kết quả mô phỏng khi L = 1 (henri)

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 23 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =1(henri)
Kết quả mô phỏng khi L = 2 (henri)
Hình 4.22: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =2(henri)
Kết quả mô phỏng khi L = 3 (henri)
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 24 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.23: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =3(henri)
Nhận xét:
- Khi thay đổi giá trị điện cảm của động cơ thì bộ điều khiển mờ tốt hơn bộ
điều khiển PID.
4.3.4.2. Khi thay đổi trị số của mô men quán tính J
Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm
2
/s
2
)
Hình 4.24: Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm
2
/s
2
)
* Kết quả mô phỏng khi J = 0,1 (Kgm
2
/s
2
)
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 25 Chuyên ngành Tự động hóa

Hình 4.25: Kết quả mô phỏng khi J = 0,1 (Kgm
2
/s
2
)
* Kết quả mô phỏng J = 0,2 (Kgm
2
/s
2
)
Hình 4.26: Kết quả mô phỏng khi J = 0,2 (Kgm
2
/s
2
)
Nhận xét: Trong trường hợp thay đổi giá trị J của phụ tải ta nhận thấy rằng:
- Cả 2 bộ điều khiển đều không có sai lệch tĩnh và xác lập nhanh.
- Bộ điều khiển PID xác lập sau khoảng thời gian là 7(s), bộ điều khiển mờ
động xác lập sau 15 (s).
- Khi J = 0,2 (Kgm2/s2) thì cả 2 bộ điều khiển đều có độ quá điều chỉnh
khoảng 10%.
4.3.5. Kết luận chương 4
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng