Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển hệ thống gương mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (456.29 KB, 27 trang )
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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
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
Học viên
PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG
DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG
Ban giám hiệu
Khoa Sau Đại học
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả
Dương Vũ Nhật Đồng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
LỜI CẢM ƠN
Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tâm và nghiêm khắc
của 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 những tài liệu để hoàn thành
luận văn này, cũng nhƣ việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt
thời gian làm luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử và Khoa Điện
Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo trong
suốt khóa học vừa qua.
Xin cảm ơn các thành viên trong gia đình, những ngƣời luôn dành cho
tác giả những tình cảm nồng ấm và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc
sống. Luận văn cũng là món quà tinh thần mà tác giả trân trọng gửi tặng đến
các thành viên trong gia đình.
Cuối cùng xin gửi đến những ngƣời thân yêu, các bạn, các anh chị, các
đồng nghiệp… đã góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng nhƣ về kinh nghiệm, kiến
thức một lời biết ơn sâu sắc nhất.
TÁC GIẢ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
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 ............................................................................................................ 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 thành phần của bức xạ mặt trời ......................................................... 7
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng ......................................................... 8
1.4.1. Hiệu ứng nhà 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 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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
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 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 và 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 thành .................................................................... 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 vào/ra.................................................................. 63
3.4.2.Xác định tập mờ ................................................................................... 63
3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển .............................................................. 64
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
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 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 và Mờ ........................ 84
4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và 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 và 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 và hƣớng nghiên cứu tiếp theo ................................................ 95
Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 96
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
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 các tiêu chuẩn phẳng
Quy tắc xác định bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng
Các trạng thái khác nhau của gƣơng mặt trời
Các luật điều khiển hợp thành
Trang
47
52
73
82
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
Tên gọi
Trang
Phổ bức xạ mặt trời
Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng
của quả đất
6
1.3
Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
8
1.4
Sơ đồ một bộ 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 bộ thu
nối song song
Hệ sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT đối lƣu cƣỡng bức
Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lƣu tự nhiên
11
1.1
1.2
1.5
1.6
1.7
1.8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
12
13
14
17
7
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 bức
Hệ sấy đối lƣu cƣỡng bức gián tiếp
Sơ đồ hệ thống chƣng cất nƣớc bằng NLMT
Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nƣớc bằng NLMT
Sơ đồ một 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 một 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 lƣới
Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng các 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 cơ bản
Một bộ điều khiển mờ động
Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ PID
Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai
Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều
khiển PID
Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ
Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời
Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời
Đặc trƣng của động cơ một chiều
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID
Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động
Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ
Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ
Định nghĩa các tập mờ cho biến dCH của bộ điều khiển mờ
Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ
Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ
Số hóa bởi 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
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....
