Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID và mở để điều khiển hệ thống Pin mặt trời

MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật, công nghệ thông tin góp phần cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong công nghiệp, điều khiển quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển là việc tự động điều chỉnh độ ổn định và sai số là ít nhất trong khoảng thời gian điều khiển là ngắn nhất, trong đó phải kể đến các hệ thống điều khiển mờ đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Trong quá trình điều khiển trên thực tế, người ta luôn mong muốn có một thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thể hiện về mặt công nghệ và có độ chính xác càng cao càng tốt. Đây là những yêu cầu khó thực hiện khi thông tin có được về tính điều khiển được và về mô hình động học của đối tượng điều khiển chỉ được biết mơ hồ dưới dạng tri thức chuyên gia theo kiểu các luật IF–THEN. Để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình xử lý thông tin và điều khiển cho hệ thống làm việc trong môi trường phức tạp, hiện nay một số kỹ thuật mới được phát hiện và phát triển mạnh mẽ đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực xử lý thông tin và điều khiển.
Trong những năm gần đây, nhiều công nghệ thông minh được sử dụng và phát triển mạnh trong điều khiển công nghiệp như công nghệ nơron, công nghệ mờ, công nghệ tri thức, giải thuật di truyền, Những công nghệ này phải giải quyết với một mức độ nào đó những vấn đề còn để ngỏ trong điều khiển thông minh hiện nay, đó là hướng xử lý tối ưu tri thức chuyên gia. Tri thức chuyên gia là kết quả rút ra từ quá trình tổ chức thông tin phức tạp, đa cấp, đa cấu trúc, đa chiều nhằm đánh giá và nhận thức được (càng chính xác càng tốt) thế giới khách quan. Tri thức chuyên gia được thể hiện dưới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật này là rất quan trọng vì chúng tạo thành các điểm chốt cho mô hình suy luận xấp xỉ để tìm ra đại lượng điều khiển cho phép thoả mãn (có khả năng tối ưu) mục tiêu điều khiển với độ chính xác nào đó. Chiến lược suy luận xấp xỉ càng tốt bao nhiêu, đại lượng điều khiển tìm được càng thoả mãn tốt bấy nhiêu mục tiêu điều khiển đề ra. Các thuật toán điều khiển hiện nay ngày càng có mức độ thông minh cao, tích hợp trong đó các suy luận, tính toán mềm dẻo hơn để có thể hoạt động được trong mọi điều kiện đa dạng, phức tạp hoặc với độ bất định cao, tính phi tuyến lớn của đối tượng điều khiển. Logic mờ đã đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống một cách nhìn mới, nó cho phép điều khiển được khá hiệu quả các đối tượng không rõ ràng về mô hình trên cơ sở tri thức chuyên gia đầy cảm tính. Điều khiển mờ là một thành công của sự kết hợp giữa logic mờ và lý thuyết điều khiển trong quá trình đi tìm các thuật toán điều khiển thông minh. Chìa khóa của sự thành công này là sự giải quyết tương đối thỏa đáng bài toán suy luận xấp xỉ (suy luận mờ).
Tuy vậy không phải không còn những vướng mắc. Một trong những khó khăn của các lý thuyết suy luận xấp xỉ là độ chính xác chưa cao và sẽ còn là bài toán mở trong tương lai. Công nghệ tính toán mềm là sự hội tụ của công nghệ mờ và công nghệ nơron và lập trình tiến hoá nhằm tạo ra các mặt cắt xuyên qua tổ chức thông tin phức tạp nói trên, tăng cường khả năng xử lý chính xác những tri thức trực giác của các chuyên gia. Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào độ chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có được, trong khi đó điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “không chính xác” hay “không đầy đủ ”. Những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng đối với nhau và cũng chỉ mô tả được bằng ngôn ngữ, đã cho ra quyết định hợp lý. Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp được phương thức xử lý thông tin và điều khiển cụ thể đã giải quyết thành công một số bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây không giải quyết được. Mặc dù logic mờ và lý thuyết mờ đã chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong kỹ thuật điều khiển. Tuy nhiên, nhiều bài toán điều khiển đòi hỏi tính trật tự theo ngữ nghĩa của hệ luật điều khiển. Trong logic mờ và lý thuyết mờ, nhiều khái niệm quan trọng như tập mờ, T- chuẩn, S-chuẩn, phép giao mờ, phép hợp mờ, phép phủ định mờ, phép kéo theo mờ, phép hợp thành, được sử dụng trong bài toán suy luận xấp xỉ. Đây là một điểm mạnh có lợi cho quá trình suy luận mềm dẻo.
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.

MỤC LỤC


Nội dung
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU 8
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 12
1.1. Nguồn năng lượng mặt trời 12
1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất 13
1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời 14
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng 14
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính 14
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng 16
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời 17
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng 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 bức 20
1.5.2. Sấy bằng NLMT 21
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên 22
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức 23
1.5.3. Chưng lọc nước bằng 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
1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 28
1.5.6. Pin mặt trời 30
1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 30
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT 33
1.6. Kết luận. 36
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 38
2.1. Vai trò của hệ thống pin mặt trời 38
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng dùng pin mặt trời 39
2.2.1. Nguyên lý làm việc của 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
CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ (FLC) 49
3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế PID 49
3.1.1 Phương pháp 1 49
3.1.2. Phương pháp 2 52
3.2. Giới thiệu về Logic mờ và bộ điều khiển mờ 60
3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 61
3.2.1.1. Mờ hoá 62
3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thành 63
3.2.1.3. Sử dụng các 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 bộ điều khiển mờ 68
3.4.1. Định nghĩa các biến vào/ra 69
3.4.2.Xác định tập mờ 69
3.4.3. Xây dựng các 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 bộ điều khiển PID. 73
3.6. Kết luận 75
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI 77
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống 77
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời 77
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời 77
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 82
4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID 82
4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động 83
4.3. So sánh chất lượng khi dùng bộ điều khiển PID và Mờ 91
4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế 91
4.3.2. So sánh chất lượng các bộ điều khiển mờ với các dạng hàm liên thuộc khác nhau 92
4.3.2.1. Hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dạng tam giác 92
4.3.2.2. Hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dạng hình thang 94
4.3.3. Kết luận chương 4 97
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯƠNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 99
1. Kết luận 99
2. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100