ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ VĂN TÙNG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2013 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Lê Văn Tùng ii Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Phản biện 2: TS. Trần Xuân Minh Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 13h ngày 25 tháng 01 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. iii LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng 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 hướng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng như 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 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài. Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả luận văn Lê Văn Tùng 1 MỞ ĐẦU 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. 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”. 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. Điều này lý thuyết mờ chưa đáp ứng được đầy đủ. Để khắc phục khó khăn này, trong luận văn đề cập đến lý thuyết đại số gia tử, một công cụ đảm bảo tính trật tự ngữ nghĩa, hỗ trợ cho logic mờ trong các bài toán suy luận nói chung và điều khiển mờ nói riêng. Có thể 2 thấy đây là một sự cố gắng lớn nhằm mở ra một hướng giải quyết mới cho xử lý biến ngôn ngữ tự nhiên và vấn đề tư duy trực cảm. Việc lựa chọn các tham số α và β là rất quan trọng để hệ thống đảm bảo yêu cầu công nghệ điều khiển. Trong luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm trên máy tính để xác định α và β sao cho hệ thống tối ưu, trong đó hệ tối ưu được đánh giá qua chỉ tiêu tích phân sai lệch của hệ thống J min . Luận văn “Thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử”, sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử để điều khiển hệ thống PIN mặt trời, sao cho hiệu quả thu nhiệt là lớn nhất, tức là tối ưu về mặt điều khiển, 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 về Đại số gia tử Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển PIN mặt trời Thái Nguyên, ngày 08 tháng 01 năm 2013 Người thực hiện Lê Văn Tùng 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. 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. 4 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 1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng 1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời 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 5 1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 1.5.6. Pin mặt trời 1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT 1.6. Kết luận 6 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. 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 2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời 2.2.3. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller Hình 2.1 Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ [...]... thời gian xác lập của bộ DSGT là khoảng 15 (s) và của bộ Fuzzy là khoảng 57 (s) 4.5 Thiết kế tối ưu cho bộ điều khiển bằng đại số gia tử 4.5.1 Yêu cầu thiết kế tối ưu 4.5.2 Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho J1 min 4.5.3 Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có α≠β 4.5.3.1 Khi α = 0.1, β = 0.9 - Kết quả mô phỏng: 16 Hình 4.6 Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α = 0.1, β = 0.9 Nhận... việc thiết kế bộ điều khiển, đó là việc đại số hóa ngôn ngữ của các tập mờ hay chính là Đại số gia tử Đã thiết kế bộ điều khiển PIN mặt trời trên cơ sở lý thuyết của Đại số gia tử Đã khảo sát chất lượng của bộ điều khiển với α và β cứng từ đó thiết kế tối ưu bộ điều khiển thông qua thực nghiệm trên máy tính đảm bảo chất lượng của hệ là tối ưu Các phương pháp thiết kế đều được kiểm chứng bằng mô phỏng... hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Đại số gia tử 4.4.1 Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có α=β 14 Từ đó ta có sơ đồ mô phỏng như sau: Hình 4.3.Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng BĐK Đại số gia tử α=β - Kết quả mô phỏng: Hình 4.4 Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α=β - Nhận xét: Ta thấy đáp ứng của hệ thống bám theo giá trị đặt, có sai lệch tĩnh bằng 0, không có độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ... thái và tập mờ điều khiển tạo thành hệ luật điều khiển (bảng điều khiển trên cơ sở tri thức chuyên gia) Bước 5: Giải bài toán lập luận xấp xỉ, xác định tập mờ đầu ra điều khiển theo từng luật (phép hợp thành) Bước 6: Kết tảng (aggregate) các đầu ra điều khiển mờ Bước 7: Giải mờ, tìm điều khiển rõ Để sử dụng đại số gia tử cần phải chuyển lần lượt các bước trên đây sang dạng đại số gia tử như sau: Bước... thuyết mới trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp — Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo 1 Tiến hành thí nghiệm thực để kiểm tra chất lượng của bộ điều khiển bằng ĐSGT 2 Thiết kế giao diện của bộ điều khiển 3 Nghiên cứu tính ổn định của các hệ thống điều khiển dùng ĐSGT 4 Thiết kế bộ điều khiển bằng ĐSGT với α và β mềm 22 5 Nghiên cứu phương án dùng 2 động cơ điều khiển PIN mặt trời... ngôn ngữ, Tạp chí tin học và điều khiển học, 14,3, 1998 [7] V.N.Lân, V.C Hưng, Đ.T.Phụ: Điều khiển trong điều khiển bất định trên cơ sở logic mờ và kkả năng sử dụng đại số gia tử trong các luật điều khiển, Tạp chí “ Tin học và điều khiển học”, T.18, S3 (2002), 211-221 [8] V.N.Lân, V.C Hưng, Đ.T.Phụ, N.D.Minh: Điều khiển sử dụng đại số gia tử, Tạp chí “ Tin học và điều khiển học”, T.21, S1 (2005), 23-37... pháp dùng lý thuyết Đại số gia tử 3.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 3.1.1 Mờ hoá 3.1.2 Sử dụng luật hợp thành 3.1.3 Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ 3.1.4 Giải mờ 3.1.5 Nguyên lý điều khiển mờ 3.1.6 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ 3.1.6.1 Định nghĩa các biến vào/ra 3.1.6.2 Xác định tập mờ 3.1.6.3 Xây dựng các luật điều khiển 3.1.6.4 Chọn thiết bị hợp thành 3.1.6.5 Chọn nguyên lý giải mờ 3.1.6.6 Tối. .. [9] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, 1998 24 [10] Đặng Đình Thông, Năng lượng mặt trời và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 [11] Đinh Việt Cường CH-K9, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ngành tự động hoá: Nghiên cứu úng dụng loogic mờ và đại số gia tử cho bài toán điều khiển, 2009 [12] N.V.Lan, Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu, Điều khiển trong điều kiện bất định trên cơ... biến điều khiển (biến ra) và xác định khoảng làm việc của các biến Xác định các điều kiện tính toán (chọn các bộ tham số tính toán của đại số gia tử) Bước 2: Tính toán các giá trị định lượng ngữ nghĩa của biến đầu vào, biến trạng thái và biến điều khiển (áp các gia tử lên các khoảng làm việc của các biến) 11 Bước 3: (Tương đương với bước 3 và 4 ở trên) Chuyển luật điều khiển mờ sang luật điều khiển. .. 4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ 4.3.1 Định nghĩa các biến vào ra 4.3.2 Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra 4.3.3 Xây dựng các luật điều khiển 4.3.4 Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ 4.3.5 Sơ đồ và kết quả mô phỏng 13 Hình 4.1.đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tự động - Kết quả mô phỏng: Hình 4.2.Đáp ứng đầu ra của hệ thống 4.4 Thiết kế hệ thống điều . (s) và của bộ Fuzzy là khoảng 57 (s). 4.5. Thiết kế tối ưu cho bộ điều khiển bằng đại số gia tử 4.5.1. Yêu cầu thiết kế tối ưu 4.5.2. Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho. hệ tối ưu được đánh giá qua chỉ tiêu tích phân sai lệch của hệ thống J min . Luận văn Thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử , sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng. Hình 4.2.Đáp ứng đầu ra của hệ thống 4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Đại số gia tử 4.4.1. Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có α=β 14 Từ đó ta có