Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đIều khiển theo hướng mặt trờI cho pin năng lượng mặt trờI

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đIều khiển theo hướng mặt trờI cho pin năng lượng mặt trờI Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đIều khiển theo hướng mặt trờI cho pin năng lượng mặt trờI Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đIều khiển theo hướng mặt trờI cho pin năng lượng mặt trờI luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

-NGUYỄN TÙNG LÂM

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO HƯỚNG

MẶT TRỜI CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TSKH.VS NGUYỄN VĂN MẠNH

Hà Nội - 2017

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS.VS

Nguyễn Văn Mạnh, Người đã tận tình hướng dẫn, truyền thụ những kinh

nghiệm chuyên môn với tất cả niềm đam mê nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian em thực hiện luận văn này

Trong 2 năm học cao học tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là một học viên của Viện khoa học và công nghệ Nhiệt - Lạnh, em đã tích lũy được khối kiến thức vô cùng hữu ích Em đã nhận được rất nhiều sự giúp

đỡ về nhiều mặt của thầy cô trong trường và trong Viện, các bạn bè đồng nghiệp, nhất là trong thời gian em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện đã giảng dạy kiến thức của các môn học trong chương trình đào tạo cao học chuyên ngành kỹ thuật nhiệt Các cán bộ quản lý trong trường và trong Viện đã giúp đỡ em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp và tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt khóa

học

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 09 năm 2017 Học viên thực hiện

Nguyễn Tùng Lâm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi tự tìm hiểu, tính toán và

nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.TSVS Nguyễn Văn

Mạnh

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm2017

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Tùng Lâm

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN - 1

LỜI CAM ĐOAN - 2

MỤC LỤC - 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT - 5

DANH MỤC CÁC BẢNG - 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ - 7

MỞ ĐẦU - 10

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN - 12

1.1 Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời -12

1.2 Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời -12

1.3 Một số kiểu dàn pin tự xoay -15

1.3.1 Nguyên tắc xoay - 15

1.3.2 Các kết cấu xoay - 16

1.3.3 Các phương án điều khiển - 21

1.3.4 Phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển theo quan điểm bền vững - 22

1.3.5 Cở sở để xoay dàn pin - 45

1.4 Kết luận -52

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO HƯỚNG MẶT TRỜI - 53

2.1 Giới thiệu -53

2.2 Sơ đồ kết cấu hệ thống -53

2.2.1 Mô đun cơ khí - 53

2.2.2 Mô đun điều khiển - 56

2.3 Thiết kế khung dàn 50W -56

2.3.1 Lựa chọn kiểu pin - 56

2.3.2.Thiết kế khung dàn - 57

2.4 Thiết kế điều khiển chuyển động -63

2.4.1 Lựa chọn kiểu điều khiển - 63

2.4.2 Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển - 64

CHƯƠNG 3 –KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM 73

3.1 Kết quả chế tạo -73

3.1.1 Mô đun cơ khí - 73

3.1.2 Mô đun điều khiển - 74

3.2 Vận hành thử nghiệm -77

3.2.1 Thử nghiệm độ ổn định - 77

3.2.2 Thử nghiệm trong phòng - 78

3.2.3 Thử nghiệm ngoài trời - 78

3.3 Vận hành dàn pin -78

3.4 Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế và vận hành -81

3.5 Kết luận -81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 82

1 Kết luận -82

2 Các hướng nghiên cứu tiếp theo -83

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- Azimuth Tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời dạng cầu

- Azimuth-elevantion: tên khác của hệ thống AzimuthTracking

- DC Motor: động cơ điện một chiều

- DC(Direct current): Điện một chiều

- Dual axis tracker: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời có 2 trục xoay

- East, West, South, North: hướng đông, Tây, NamBắc

- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy

- FLC(fuzzylogiccontroller):Thuật toán điều khiển logic mờ

- Horizontal single axis tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời có một trục xoay nằm ngang

- Irradiance: cường độ bức xạ nhiệt

- MPP(Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực đại

- MPPT(Maximum power point tracking): Điều khiển chọn vị trí thu được công suất cực đại

- PD(Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệvi phân

- PI (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân

- PID (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân

- Polar Tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời dạngcực

- PV (Photovoltaic ): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng

- PV cell: tế bào quang điện

- PWM (Pulse-width modulation): Điều chế độ rộng xung

- Temperature: nhiệt độ

- Tilted single axis tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời có một trục xoay song song với trục của trái đất

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của tấm pin có công suất 50W……… 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

H nh 1.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời 13

H nh 1.2 Bếp năng lượng mặt trời 14

H nh 1.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha 14

H nh 1.4 Du thuyền hoạt động băng năng lượng mặt trời 15

H nh 1.5 Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm ngang 16

H nh 1.6 Mô hình dàn pin tự xoay theo một trục 17

H nh 1.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn 17

H nh 1 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định giảm dần khi góc quay tăng dần 18

H nh 1.9 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vịvà một trục quay theo góc cao độ 19

H nh 1.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố định 21

H nh 111 Các kiểu điều khiển 22

H nh 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển điển hình 25

H nh 1.13 Đặc tính quá độ của hệ thống thay đổi giá trị đặt (a) và khi có nhiễu bậc thang (b) 27

H nh 1.14 Các dạng đặc tính quá độ: 1- đơn điệu, 2-phi chu kỳ, 3-dao động 30 H nh 1.15 Sai số điều chỉnh b nh phương của hệ thống theo kênh đặt (a) và kênh nhiễu (b) 32

H nh 1.16 Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển 32

H nh 1.17 “Đặc tính mềm” cơ sở và “Đặc tính mềm” biến thiên của hệ hở; 37 H nh 1.18 Đặc tính tần số và quá độ của đối tượng bất định 38

H nh 1.19 Sơ đồ dạng tiêu chuẩn 41

H nh 1.20 Sơ đồ biến đổi tương đương 41

H nh 1.21 Mô tả các góc chiếu sáng 45

H nh 1.22 Minh họa các góc nghiêng 46

H nh 1.23 Mô tả góc nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của

nó 49

H nh 1.24 Dàn pin xoay theo một trục 50

H nh 1.25 Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay 51

H nh 2.1 Sơ đồ dàn pin 53

H nh 2.2 Pitton điện 54

H nh 2.3 Bộ truyền của pitton điện 55

H nh 2.4 Hệ thống truyền động bánh răng 55

H nh 2.5 Pin năng lượng mặt trời CTC – 50W – MONO – 5.0KG 56

H nh 2.6 Kết cấu khung dàn 57

H nh 2.7 Biểu đồ phân bố lực nửa thanh giằng ngang 59

H nh 2.8 Ứng suất của thanh giằng ngang 59

H nh 2.9 Biểu đồ phân bố lực trục xoay 60

H nh 2.10 Ứng suất lực trục xoay 60

H nh 2.11 Lực tác động lên trụ đỡ 60

H nh 2.12 Ứng suất trụ đỡ 61

H nh 2.13 Các khối điều khiển hệ thống 65

H nh 2.14 Sơ đồ mạch khối xử lý trung tâm (PC) 67

H nh 2.15 Sơ đồ mạch nút điều khiển 68

H nh 2.16 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 69

H nh 2.17 Trường hợp cảm biến 3 nhận tín hiệu 70

H nh 2.18 Trường hợp hai cảm biến cùng nhận tín hiệu 71

H nh 2.19 Trường hợp cảm biến 1 nhận tín hiệu 71

H nh 2.20 Sơ đồ mạch khối cảm biến 72

H nh 3.1 Tổng thể dàn quay 73

H nh 3.2 Bộ mô đun điều khiển 74

H nh 3.3 Kit Atmega 16 bộ điều khiển 75

H nh 3.4 Modun điều khiển động cơ 75

H nh 3.5 Bố trí cảm biến 76

H nh 3.6 Màn hình hiển thị và nút nhấn điều khiển 77

H nh 3.7 Mô đun thời gian thực DS1302 77

H nh 3.8 Màn hình hiện thị khi cấp nguồn 79

H nh 3.9 Các nút điều khiển 79

H nh 3.10 Cách cài đặt hệ thống 80

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Do các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên đều

có hạn, khiến cho con người đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai Hơn nữa việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng này luôn gây ra sự ô nhiễm môi trường và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự nóng dần lên của trái đất

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng

là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng các dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận

Chính vì vậy đề tài “ Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển theo

hướng mặt trời cho pin năng lượng mặt trời” nhằm thu nhận năng lượng mặt

trời đạt công suất tối ưu

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Đề tài có mục tiêu chủ yếu là nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển,

hệ thống khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời

- Các mục đích nghiên cứu cụ thể là:

+ Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay dàn nhằm chọn ra phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp;

+ Tính toán thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động

cơ khí cho dàn năng lượng mặt trời tự xoay có công suất 50 W

+ Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển;

+ Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay;

+ Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời

4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập tất cả các tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu Nghiên cứu và xem xét các công trình đã công bố liên quan đến đề tài Xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống điều khiển theo hướng mặt trời Dựa trên kết quả thu được của xây dựng mô hình thực nghiệm phân tích các kết quả thu được và kiếnnghị

Đánh giá tổng quát toàn bộ luận văn và đưa ra hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1 Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời

Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới, năng lượng sạch như năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sóng biển là định hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng của hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng

là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng các dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên

để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt Trái Đất

Năng lượng Mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, tái tạo vô tận.Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp 10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới [2] Nếu thu năng lượng mặt trời trên trái đất trong 72 giờ, sẽ tương đương với nguồn năng lượng thu được

từ tất cả các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên khắp thế giới [3]

Tại Việt Nam, hiện nay lượng năng lượng tái tạo khai thác được chỉ bằng 2,3 % trong tổng thể nguồn năng lượng điện, trong đó nguồn năng lượng sản xuất từ mặt trời chưa xứng với tiềm năng của nó, chỉ chiếm một tỉ lệ 0,009% [4] Việt

Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái tạo khaithác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện khai thác [5]

1.2 Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời

Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi khác nhau:

Chuyển năng lượng mặt trời thành cơ năng.Hình 1.1 là một động cơ hoạt

động nhờ ánh sáng mặt trời do tiến sĩ Nguyễn Xuân Hùng nghiên cứu Nguyên

lí hoạt động của nó là dựa vào sự giãn nở không khí do nhiệt của mặt trời Ưu điểm của động cơ này là sử dụng trục tiếp năng lượng mặt trời Tuy nhiên, nhược điểm là không hoạt động được khi không có nắng

H nh 1.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời

Khai thác năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng Hình 1.2 là bếp sử

dụng năng lượng mặt trời Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, sử dụng prabol để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu được đặt ngay tạitiêu điểm đó Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản, hiệu suất cao do nhận nhiệt năng trực tiếp từ mặt trời Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là ở khâu vận hành, người vận hành phải đứng ngoài trời nên rất bất lợi Nhược điểm thứ hai là phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt động khi có ánh nắng mặt trời

H nh 1.2 Bếp năng lượng mặt trời

Chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng.Đây là một kiểu khai thác

năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay Pin năng lượng mặt trời (hay pin

quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n,

dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Dàn pin mặt trời Hình 1.3 là một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại

Bồ Đào Nha, các tấm pin tại nhà máy này phủ rộng trên một diện tích 150 ha

và nhà máy này cung cấp một lượng điện đủ cho 8000 hộ dân Các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp trên một dàn cố định và nghiêng theo một góc ban đầu [7]

H nh 1.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha [7]

Du thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời Hình 1.4 là một chiếc du

thuyền hoạt động hoàn toàn nhờ vào năng lượng mặt trời, tổng diện tích của các tấm pin lắp trên thuyền là 356 (m2) và có thể tích điện để thuyền vận hành trong 72 giờ mà không cần ánh sáng mặt trời [6]

H nh 1.4 Du thuyền hoạt động băng năng lượng mặt trời [6]

Phương pháp này có ưu điểm lớn nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng, tích trữ trong các bình ắc-quy hoặc hòa vào lưới điện, được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau Do đó chủ động trọng việc cung cấp năng lượng Hiện nay, các nhà chế tạo đã sản xuất ra được các tấm pin năng lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng trắng (không có ánh nắng mặt trời vẫn sản xuất được điện năng), không lệ thuộc vào ánh sáng mặt trời

Tấm pin năng lượng mặt trời có hiệu suất hấp thụ cao nhất khi tia sáng của mặt trời luôn vuông góc với mặt phẳng tấm thu Vấn đề này được giải quyết bằng cách lắp những tấm pin năng lượng mặt trời trên dàn pin xoay được, dàn pin này luôn luôn hướng tấm pin vào mặt trời vuông góc với tia sáng mặt trời

1.3 Một số kiểu dàn pin tự xoay

1.3.1 Nguyên tắc xoay

Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao nhất khi phương của tia sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của nó Năng lượng hấp thụ giảm dần theo cosin của góc phương vị , hình 1.5 thể hiện vấn đề đó

H nh 1.5 Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng

nằmngang [2]

Nguyên tắc xoay của dàn pin là luôn luôn hướng dàn pin vào mặt trời sao cho góc được tạo bởi giữa phương của tia sáng mặt trời và phương pháp tuyến của mặt phẳng tấm thu năng lượng (Góc tới  trên hình vẽ) là nhỏ nhất Nguyên tắc này là cơ sở để thiết kế các kiểu dàn xoay

1.3.2 Các kết cấu xoay

Hiện nay, trên thế giới, có nhiều kiểu dàn tự xoay đang được vận hành, khai thác cả ở phạm vi công nghiệp lẫn trong các phòng thí nghiệm Tuy nhiên, có thể xếp các kết cấu xoay theo các nhóm dưới đây

a Kết cấu xoay một trục

Dàn pin xoay quanh một trục và có góc nghiêng ban đầu (góc vĩ độ) Hình 1.6 là cấu trúc và mô hình của một kiểu dàn pin tự xoay Ở mô hình này, các tấm pin được lắp trên một dàn, dàn này lắp về một phía (dàn công xơn) và

có góc nghiêng ban đầu Kiểu dàn này có ưu điểm là góc quay của dàn lớn, chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng, phù hợp đăt ở những vị trí có vĩ độ lớn Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao, vì quay theo một trục tự do nên hiệu suất thu được không cao lắm Với kiểu dàn quay một trục này, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, hiệu suất của nó tăng lên

đến 40% [2] so với kiểu dàn cố định Hình 1.7 là biểu đồ so sánh mức năng lượng thu được của kiểu dàn cố định và dàn quay quanh một trục trong một ngày Qua đồ thị này cho ta thấy, đối với dàn pin quay quanh một trục thì mức năng lượng thu được cao hơn rất nhiều so với dàn cố định vào các thời điểm buổi sáng và chiều

H nh 1.6 Mô hình dàn pin tự xoay theo một trục [2]

H nh 1.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn[2]

Tính toán theo lý thuyết, năng lượng đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động dựa trên giả thiết rằng cường độ bức xạ lớn nhất là I = 1100W/m2 và tia bức xạ luôn vuông góc với bề mặt tấm pin và dàn sẽ xoay tự động trong khoảng 12h một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của dàn W1 = 13,2 kWh/m2 Trong khi đó năng lượng hấp thụ của dàn cố định W2 = 8,41kWh/m2

So sánh hai giá thị này ta thấy năng lượng hấp thụ của dàn 2 trục xoay tự động sẽ cao hơn 57% so với dàn cố định Nhưng khi góc theo dõi của dàn 2 trục lớn hơn  600 thì năng lượng thu được của dàn sẽ không chênh lệch nhiều so với dàn cố định và được minh họa như biểu đồ ở hình 1.8 [3]

H nh 1.8 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định

giảm dần khi góc quay tăng dần

Trong điều kiện trời nhiều mây, sương mù kéo dài làm giảm hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động xuống khoảng 20% Nói chung, ở những khu vực có điều kiện tốt thì hàng năm hiệu suất đầu ra tăng khoảng 30-40% Mặt khác, năng lượng hấp thụ trong ngày có thể tăng từ 0-100% [4]

Năm 2000 Helwaetal đã làm thí nghiệm để so sánh hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay theo góc phương vị và góc vĩ độ (Hình 1.9) với dàn cố định nghiêng một góc 400 so với phương ngang Dàn 2 trục được điều khiển qua một bộ vi xử lý trung tâm Công suất tiêu thụ của bộ vi xử lý, các thiết bị điện,

các sensor điều khiển và các động cơ điện vào khoảng 50Wh/ngày hay 22Wh/ngày khi mà độ chính xác của dàn tương ứng là  0.560 và  100 Kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng hiệu suất của dàn 2 trục lớn hơn 30% so với giàn cố định như trên [5]

H nh 1.9 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương

vịvà một trục quay theo góc cao độ

Năm 2007, Chiccoetal đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do và dàn

cố định được đặt tại ba vị trí Ở vị trí thứ nhất, ông điều khiển quay riêng lẻ một trục của giàn 2 trục để so sánh với dàn cố định có góc phương vị 00 và nghiêng một góc 360 Ở vị trí thứ 2, ông điều khiển quay độc lập 2 trục của dàn xoay so với dàn cố định có góc phương vị 00 và có góc nghiêng 300 Ở vị trí thứ 3, vị trí các tấm pin của dàn 2 trục sẽ được thay đổi 15 phút một lần so với dàn cố định nghiêng một góc 300 so với phương ngang Kết quả thu được trung bình hàng năm như sau, dàn 2 trục có hiệu suất hơn 32,9%, 35,1% từ mô phỏng và 37,7%, 30,4% từ thực nghiệm tương ứng tại 2 vị trí đầu Ở vị trí thứ

3, dàn 2 trục có thể đạt hiệu suất 31,5% hàng năm [6]

Ngoài những ưu điểm so với dàn cố định như trên, dàn 2 trục xoay tự động cho hiệu suất đầu ra lớn hơn so với dàn 1 trục xoay tự động Điều đó đã được chứng minh qua nghiên cứu của Gordon Ông đã mô phỏng thí nghiệm nhờ sự hỗ trợ của máy tính để so sánh hiệu suất hấp thụ ánh sáng giữa dàn theo dõi theo 2 trục với dàn 1 trục xoay theo trục Bắc-Nam và dàn quay quanh trục nghiêng một góc tương ứng với góc vĩ độ tại nơi lắp đặt Kết quả thu được, dàn thu 2 trục có hiệu suất lớn hơn 10% so với dàn xoay quanh trục Bắc- Nam và 3% so với dàn xoay quanh trục nghiêng một góc tướng ứng với góc vĩ độ hàng năm (7)

Kalogirou SA đã tính toán dựa trên lý thuyết để so sánh hiệu suất của hệ thống năng lượng hai trục so với hệ thống theo dõi một trục quay quanh trục Đông – Tây Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống 2 trục lớn hơn 10,9% so với hệ thống theo dõi 1 trục trên [7]

Nhưng ngược lại, chúng ta không thể phủ nhận đi những ưu điểm của hệ thống 1 trục xoay tự động Hiệu suất đầu ra của hệ thống cũng cao hơn khá nhiều so với hệ thống cố định Gần đây nhất, năm 2009 Sefa et al đã làm thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính để so sánh công suất của hệ thống 1 trục so với hệ thống cố định Kết quả cho thấy công suất đầu ra của hệ thống xoay tự động lớn hơn khá nhiều so với kiểu cố định [8] Kết quả thu được như ở Hình 1.7:

Trong quá trình nghiên cứu về “ Hệ thống năng lượng mặt trời quay quanh 2 trục với điểu khiển PLC ” của các tác giả S Abdallah, S Nijmeh [9] cho biết hiệu suất đầu ra của dàn cao hơn rất nhiều so với giàn cố định Ông đã đưa ra biểu đồ để minh họa cho kết quả đạt được như hình2.11:

H nh 1.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố

định

Trong kết luận ông có nói rằng hiệu suất đầu ra của hệ thống trong tất cả các mùa lớn hơn 41,3 % lần so với hệ thống dàn cố định

1.3.3 Các phương án điều khiển

Dựa vào nguyên tắc xoay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương

án xoay được trình bày theo sơ đồ ở Hình 1.11 Mỗi phương án có ưu, nhược điểm riêng, độc giả có thể đọc tài liệu [2] để tìm hiểu thêm

H nh 1.11 Các kiểu điều khiển [2]

1.3.4 Phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển theo quan điểm bền vững [1]

a Đặt vấn đề

Các đối tượng điều khiển thực nói chung có tính bất định và giới hạn bất định không chỉ phụ vào phương pháp nhận dạng mà chủ yếu do bản chất công nghệ của đối tượng qui định Tính bất định của đối tượng sinh ra do hai loại nguyên nhân chính Thứ nhất là những nguyên nhân mang tính phương pháp luận, do hạn chế về điều kiện đo đạc và quan trắc, do bản chất xấp xỉ của các phương pháp xử lý số liệu và mô hình hoá, v.v Loại thứ hai bao gồm các nguyên nhân khách quan, do bản chất phi tuyến không tránh khỏi của đối

tượng quyết định Điều này thường gắn liền với sự thay đổi điều kiện làm việc của hệ thống, ví dụ sự thay đổi công suất của đối tượng công nghệ

Vậy, bài toán tổng hợp hệ bất định có thể phát biểu như sau: Giả sử đối tượng thay đổi bất định trong một khoảng nào đó Hãy xác định cấu trúc và các tham số của bộ điều chỉnh sao cho hệ thống làm việc ổn đỉnh bền vững, đồng thời đạt độ sai lệch nhỏ nhất giữa đại lượng đầu ra và tác động điều khiển hệ thống, Dưới tác động nhiễu tuỳ ý

Hầu hết các phương pháp tổng hợp hệ thống trước đây đều giả thiết rằng đối tượng không thay đổi và được mô hình hoá với độ chính xác cần thiết Điều đó đã tăng yêu cầu với quá trình nhận dạng, mà trong thực tế có thể rất tốn kém hoặc mô hình nhận được không thể đáp ứng độ chính xác đặt ra Dưới đây, sẽ trình bầy một cách nhìn mới về bài toán tổng hợp hệ bất định và trên cơ sở đó trình bày phương pháp giải hiệu quả và khá đơn giản

b Khái niệm về tổng hợp bền vững tối ưu

Bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển là xây dựng một hệ thống điều khiển (bao gồm các khâu động học liên kết theo sơ đồ nguyên lý nhất định) với các tham số của nó sao cho các chỉ số chất lượng của hệ thống nằm trong phạm vi đã định

Cấu trúc sơ bộ của hệ thống thường chọn là hệ một vòng đơn giản, bao gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh Theo kết quả đánh giá chất lượng hệ tạo thành, nếu cần tăng cường tính ổn định của hệ thống và/hoặc cần triệt giảm ảnh hưởng của nhiễu quá trình một cách hiệu quả hơn, có thể thiết lập vòng điều chỉnh bổ sung tác động nhanh hơn Điều đó dẫn đến cấu trúc nhiều vòng của hệ thống Trong thực tế, các hệ thống điều khiển một đầu ra thường

có một vòng hoặc nhiều vòng lồng nhau, có tên gọi chung là hệ điều khiển tầng (CASCAD)

Nếu tồn tại nhiễu ngoài đáng kể và có thể đo được, thì để triệt giảm ảnh hưởng của nó có thể thiết lập các kênh khử song song Khí đó, ta đi đến

hệ thống điều khiển hỗn hợp, thực hiện đồng thời nguyên lý điều khiển theo sai lệch (có vòng kín) và nguyên lý điều khiển theo nhiễu

Bộ điều chỉnh là khâu nằm trên một vòng kín nào đó nên có thể làm thay đổi tính chất ổn định của hệ thống và có ảnh hưởng quyết định đến các chỉ số chất lượng điều chỉnh Còn các bộ khử nhiễu thì nằm ngoài các vòng kín nên không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống mà chỉ áp dụng để làm giảm ảnh hưởng của nhiễu

Như vậy nên bài toán tổng hợp hệ thống thường được phân rã thành bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh và bài toán tổng hợp bộ khử, tương đối độc lập lẫn nhau Bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh có độ phức tạp hơn hẳn so với bài toán tổng hợp bộ khử vì khi tìm bộ điều chỉnh để cải thiện chỉ số chất lượng nào đó luôn luôn phải tính đến điều kiện dự trữ ổn định hệ thống mà điều kiện này không tồn tại trong bài toán tổng hợp bộ khử Việc hình thức hóa toán học điều kiện dự trữ ổn định hệ thống xưa nay vẫn là vấn đề phức tạp nhất trong quá trình tổng hợp hệ thống

Vấn đề đảm bảo dự trữ ổn định thường đặt ra để đảm bảo sự ổn định của hê thống cả trong trường hợp mà mô hình các phần tử có thể không hoàn toàn chính xác và do sự xấp xỉ trong các kết quả tính toán Mặt khác, điều kiện dự trữ ổn định có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để đảm bảo hệ thống luôn luôn ổn định, khi đặc tính của đối tượng tự thay đổi một cách bất định trong quá trình làm việc Sự đảm bảo dự trữ ổn định của hệ thống trong mọi trường hợp biến thiên đặc tính đối tượng trong phạm vi nhất định gọi là điều kiên ổn định bền vững

Các chỉ số chất lượng quan trọng của hệ thống điều khiển là thời gian điều chỉnh (độ tác động nhanh), độ quá điều chỉnh, sai số xác lập, tích phân sai số điều chỉnh, v… Tùy theo tính chất của quá trình công nghệ mà chỉ số

này hay chỉ số khác được coi là quan trọng nhất Trong số đó, chỉ tiêu tích phân sai số bình phương phản ánh đúng đắn và bao quát hơn cả độ chính xác điều chỉnh Mặt khác, nó cho phép áp dụng dễ dàng và hiệu quả, đặc biệt trong vùng tần số, nên được sử dụng rất phổ biến trong các bài toán tổng hợp

hệ thống

Bộ điều chỉnh bền vững sao cho đảm bảo đồng thời hai yêu cầu

cơ bản về chất lượng hoạt động của hệ thống, như sau:

Đại lượng điều chỉnh đầu ra càng bám sát tín hiệu đặt đầu vào càng tốt, đồng thời triệt giảm tối đa sự ảnh hưởng của tác động nhiễu

Hệ thống phải có độ ổn định cao nhất, tức có dự phòng ổn định tối đa để lường trước mọi sự thay đổi bất định của đặc tính đối tượng

H nh 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển điển hình

z – giá trị đặt - mục tiêu điều khiển λ– tác động nhiễu qui dẫn tới đầu ra của đối tượng;

y – đại lượng điều chỉnh đầu ra;

Đối tượng O và bộ điều chỉnh R

Bài toán tổng hợp nói chung có thể phát biểu như sau: Giả sử đối tượng

điều khiển thay đổi không rõ ràng, các nhiễu tác động lên hệ thống là tuỳ ý Hãy xác định bộ điều chỉnh sao cho hệ thống có dự trữ ổn định lớn nhất, đồng thời có độ sai lệch điều chỉnh nhỏ nhất

c Đánh giá chất lượng hệ thống

- Khái niệm chất lượng quá trình điều khiển

Chất lượng điều chỉnh là tập hợp những yếu tố định lượng thể hiện mức

độ tốt xấu theo một nghĩa nào đó của quá trình điều chỉnh trong điều kiện làm việc nhất định Những yếu tố định lượng đó gọi là chỉ số hay chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh Các chỉ số chất lượng được xác định theo đáp ứng ra của hệ thống với các tín hiệu vào khác nhau

Nếu xét tín hiệu vao là một đại lượng ngẫu nhiên (không có dạng hàm xác định) thì chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh cơ vản là độ chính xác động học trung bình, tức sai số quân phương giữa đại lượng điều chỉnh đầu ra và quỹ đạo mong muốn

Nếu tín hiệu đầu vào là một hàn thời gian xác định, chất lượng điều chỉnh được xác định dựa theo đáp ứng ra của hệ thống đối với các dạng xung điển hình như xung bậc thang, xung đơn vị và xung dao động hình sin… Thường phân biệt các chỉ tiêu chất lượng trực tiếp và gián tiếp Những chỉ tiêu phản ánh trực tiếp và xác định trên đáp ứng quá độ gọi là chỉ tiêu gián tiếp Ngày nay, nhờ kỹ thuật tính toán phát triển, hầu hết các chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh đều có thể tính toán dễ dàng

- Các chỉ tiêu chất lượng trực tiếp Các chỉ tiêu chất lượng trực tiếp thể hiện rõ trên đáp ứng quá độ của hệ thống Thường các chỉ số chất lượng được xác định dựa theo đáp ứng quy chuẩn, tực theo đáp ứng đối với xung bậc thang đơn vị

Trên hình 1.13 – a thể hiện đặc tính quá độ của hệ thống với giá trị xác lập h(∞)≠0, ví dụ là đáp ứng của hệ thống khi thay đổi giá trị đặt Nếu là hệ phi tĩnh, thì không tồn tại sai lệch dư giá trị xác lập và giá trị đặt h (∞)≠z, (z- giá trị đặt)

Trên hình 1.13 – b thể hiện đặc tính quá độ của hệ thống với giá trị xác lập h (∞)=0, ví dụ là đáp ứng đối với nhiễu bậc thang trong trường hợp hệ là phi tĩnh theo kênh nhiễu

1.13a

1.13b

H nh 1.13 Đặc tính quá độ của hệ thống thay đổi giá trị đặt (a)và khi có nhiễu

bậc thang (b)

-Thời gian điều chỉnh (thời gian quá độ)

Thời gian điều chỉnh cho phép đánh giá độ tác động nhanh của hệ thống Giá trị lý thuyết của thời gian điều chỉnh luôn luôn bằng vô cùng nhưng điều đó không liên quan gì đến tốc độ phản ứng của hệ thống Trong thực tế, người ta quan tâm giá trị thời gian điều chỉnh thực: Tq– đó là khoảng thời gian tính từ khi xuất hiện xung đầu vào cho đến thời điểm mà kể từ đó

đáp ứng ra sai lệch không quá ±Δ so với giá trị xác lập Nói một cách khác,

Tq là giá trị tối thiểu, thỏa mãn điều kiện:

|h(t) – h(∞)| ≤ Δ với mọi t ≥ Tq, (1.1) Trong đó, Δ>0 – độ sai lệch cho trước, có thể bằng vùng không nhạy của

hệ thống

Trong thực tế, quá trình quá độ của hệ thống coi như đã kết thúc sau thời gian Tq và kể từ đó, sự biến thiên của đại lượng điều chỉnh không vượt ra khỏi vùng không nhạy, bộ điều chỉnh không tác động nữa và hệ thống coi như đứng yên

Độ sai lệch thường chọn trong khoảng: Δ = (3÷10%)h(∞) (1.2) Nếu h(∞) xấp xỉ 0, thì vai trò h(∞) thường được thay bởi giá trị đặt của

hệ thống

Với cùng những chỉ tiêu chất lượng khác như nhau, một hệ thống có thời gian điều chỉnh càng nhỏ, thì nó càng tác động nhanh và chất lượng điều chỉnh càng cao

Thời gian điều chỉnh là chỉ số chất lượng trực tiếp vì nó có thể được xác định trực tiếp theo đặc tính quá độ của hệ thống

- Sai lệch động cực đại và độ quá điều chỉnh

Sai lệch động cực đại bằng độ biến thiên tối đa của đặc tính quá độ so với giá trị cân bằng ban đầu (hình 2.1):

h max = max |h(t)| , (1.3) Sai lệch động cực đại là chỉ tiêu phản ánh mức độ ảnh hưởng của tác động đầu vào nhất định, làm trệch quỹ đạo đầu ra của hệ thống Đối với đầu vào điều khiển (đầu vào đặt hay định trị), khái niệm này có ý nghĩa để xác định tốc độ thay đổi cho phép tối đa của giá trị đặt trong quá trình điều khiển các thiết bị công nghệ

Đối với đầu vào là tác động nhiễu, độ sai lệch động cực đại của đáp ứng đầu ra cho phép đánh giá khả năng kháng nhiễu của hệ thống Giá trị sai lệch động cực đại càng nhỏ thì hệ thống có khả năng kháng nhiễu càng cao

Mức độ điều chỉnh được đánh giá bằng một chỉ số gọi là độ quá điều chỉnh: % 100

δ =

100% , (1.4) Trong đó, h max – giá trị lớn nhất (sai lệch động cực đại) của đáp ứng quá

độ

Nói chung, hiện tượng quá điều chỉnh là không mong muốn Nhưng trong một hệ thống, yêu cầu giảm độ quá điều chỉnh thường dẫn đến tăng thời gian điều chỉnh và hệ thống càng trở nên tác động chậm Trong thực tế, tuỳ theo đặc điểm của quá trình công nghệ cần điều khiển người ta áp đặt yêu cầu khác nhau về độ quá điều chỉnh, nhưng phổ biến nằm trong khoảng: δ

= (10 – 50)%

- Độ tắt dần dao động của quá trình quá độ

Quá trình quá độ có thể có dạng biến thiên đơn điệu, phi chu kỳ hoặc dao động (hình 1.13) Quá trình là đơn điệu (đường số 1), nếu độ sai lệch giữa đường cong biến thiên và giá trị xác lập của nó luôn luôn giảm Quá trình quá độ phi chu kỳ (đường số 2) có dạng biến thiên không đơn điệu nhưng có không quá một điểm cực đại Quá trình quá độ dao động (đường số 3) là đường cong biến thiên với sự xuất hiện nhiều điểm cực đại và cực tiểu xen kẽ nhau

Để đánh giá tính chất dao động của hệ thống người ta dùng khái niệm

hệ số tắt dần quá trình quá độ xác định trực tiếp từ đặc tính quá độ, theo công thức:

Ψ = = =1- , (1.5) Trong đó,

A1, A2 – là độ sai lệch của đặc tính quá độ so với giá trị xác lập, tại hai đỉnh cực đại kề nhau;

ΔA – độ suy giảm biên độ hay độ tắt dần dao động

H nh1.14 Các dạng đặc tính quá độ: 1- đơn điệu, 2-phi chu kỳ, 3-dao động

Từ hệ số tắt dần có thể tính chỉ số dao động của quá trình quá độ:

m = -

(1.6) Quá trình quá độ tắt càng nhanh nếu (hay m) càng lớn Khi =1 (m=

∞) quá trình quá độ không có dao động Ngược lại, khi =0 (m=0) quá trình quá độ sẽ dao động không tắt, tương ứng khi đó hệ nằm ở biên giới ổn định Với các chỉ tiêu chất lượng khác như nhau thì quá trình quá độ càng ít dao động càng tốt, và như vậy trường hợp đơn điệu là tốt hơn cả

Trong thực tế thiết kế và hiệu chỉnh các hệ thống điều khiển công nghiệp, thường đưa ra yêu cầu hệ số tắt dần nằm trong khoảng: = 0,75 – 0,95 (m = 0,221– 0,47)

- Đánh giá chất lượng điều chỉnh theo chỉ tiêu tích phân

Để đánh giá một cách tổng hợp chất lượng điều chỉnh của hệ thống có thể căn cứ theo giá trị tích phân của sai số điều chỉnh Chỉ tiêu tích phân sai số động học là một tích phân xác định theo thời gian của hàm sai lệch giữa đáp ứng ra và giá trị xác lập của nó Các dạng chỉ tiêu tích phân thường gặp:

J1 = ∫ chỉ tiêu tích phân tuyến tính

J2 = ∫ Chỉ tiêu tích phân bình phương Trong các công thức trên đây, (t) = h( ) - h(t) là sai số động học Nói chung, các chỉ tiêu tích phân là chỉ số chất lượng gián tiếp Nó phản ánh tương đối tổng hợp độ tác động nhanh và độ quá điều chỉnh của hệ thống Chỉ tiêu tích phân bình phương nói chung phản ánh trung thực độ sai lệch điều chỉnh và độ tác động nhanh của hệ thống Hệ thống càng tác động nhanh thì tương ứng chỉ tiêu J2 càng nhỏ Các chỉ tiêu tích phân J2 có thể

áp dụng hiệu quả để đánh giá chất lượng của hệ thống bất kỳ, có dao động hoặc không có dao động Đường cong sai số điều chỉnh bình phương gây ra do thay đổi giá trị đặt dẫn trên hình 1.15-a, do tác động nhiễu dẫn trên hình 1.15-

b

H nh 1.15 Sai số điều chỉnh b nh phương của hệ thống theo kênh đặt (a)và

kênh nhiễu (b)

d Cấu trúc chất lượng cao của hệ thống điều khiển

Xét hệ tuyến tính có sơ đồ cấu trúc điển hình:

H nh 1.16 Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển

Trong đó

z: Tác động điều khiển hệ thống (hay giá trị đặt)

λ: Tổng hợp các tác động nhiễu y: Đại lượng điều khiển đầu ra

R(s), O(s), L(s): Lần lượt là các hàm truyền của bộ điều chỉnh, của đối

tượng theo kênh điều chỉnh và kênh tác động nhiễu

Theo sơ đồ, ta có:

WH(s)=R(s)O(s): Hàm truyền của hệ hở

WK(s)= WH(s)/[1+ WH(s)]: Hàm truyền của hệ kín

Theo kênh điều khiển Ta có đáp ứng ra y=yz+yλ, trong đó yz là đáp ứng thành phần gây ra bởi tác động điều khiển z, yλ gây ra bởi tác động nhiễu λ Ta có:

Yz(s) =zWK(s) (1.7)

Yλ (s) =

=

= λL(s)[1- (1.8) Y(s)=Yz+Yλ= zWK(s)+ λL(s)[1-WK(s)] (1.9)

Từ đây dễ thấy rằng, nếu cho WK(s) ≡1, thì đại lượng ra sẽ là:

Y = Z.1+λL(s)[1-1] ≡ z (1.10) Điều này chứng tỏ, nếu hàm truyền hệ thống bằng 1, thì đại lượng đầu ra bám theo tín hiệu điều khiển đầu vào một cách chính xác tuyệt đối, đồng thời khử hoàn toàn nhiễu tác động vào đối tượng

Để xây dựng một hệ thống lý tưởng như vậy, theo sơ đồ điển hình, đòi hỏi hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh lớn vô cùng vì:

WH(s)= WK(s)/ [1-WK(s)]= 1/[1-1]= ∞ (1.11) Điều này phi vật lý, trong thực tế không thể thực hiện được Với khả năng tốt nhất, chỉ có thể xây dựng một hệ thống tiến gần lý tưởng, tức là thực hiện: WK(s) ≈ 1

e Cấu trúc bền vững cao

Có thể xây dựng hệ gần lý tưởng như trên, nếu dựa trên cơ sở những luận

cứ sau đây:

1- Xét về tính ổn định, hệ thống có dự trữ ổn định càng lớn, nếu chỉ số dao động m hay độ tắt dần tương ứng Ψ =1- e 2πm càng lớn Khi đó, các nghiệm của đa thức đặc tính của hệ thống nằm càng gần về phía phần âm trục thực Nếu m→ ∞ ( Ψ →1), các nghiệm trở thành các số thực âm và hệ thống

trở thành quán tính thuần túy có cấu trúc bền vững nhất Xét theo độ đo là chỉ

số dao động thì hệ thống như vậy sẽ nằm cách vùng không ổn định một khoảng vô cùng lớn Như vậy, hệ quán tính thuần túy có cấu trúc bền vững nhất

2- Xét về bản chất vật lý, thì quá trình động học xảy ra trong một hệ thống bất kỳ nào đều có tốc độ hữu hạn, tức là có quán tính với hằng số quán tính khác không

3- Xét về khả năng thực thi và độ tin cậy, v.v , thì hệ thống có cấu trúc càng đơn giản càng tốt Từ đó đi đến kết luận rằng hệ điều khiển thực ổn định bền vững nhất và đơn giản nhất là khâu quán tính: WK(s) = K/(1+θs) Hệ hở tương ứng là:

WH(s)= K/(1-K+θs) (1.12)

Ở đây, nếu K >1 thì hệ hở sẽ có cấu trúc không ổn định Vậy, chỉ có thể K≤1

f Cấu trúc bền vững chất lượng cao

Để cho hàm truyền của hệ thống có khả năng tiến tới 1 có nghĩa phải có K→1, θ→0 Phương án tốt nhất, có thể cho K= 1, còn hằng số quán tính θ chọn nhỏ nhất có thể Từ đó, hàm truyền của hệ điều khiển bền vững chất lượng cao có dạng:

WK (s)= 1/(1+ θs), θ > 0, θ →0 (1.13) Dạng (1.13) gọi là cấu trúc bền vững tối ưu của hệ điều khiển thực Từ cấu trúc (1.13) ta có các dạng hàm truyền tương ứng, của hệ hở và bộ điều chỉnh là:

WH (s) = [1- WK (s)] -1 WK (s) =

(1.14) R(s) = WH (s) O (s) -1 =

O (s)-1 (1.15)

g Thực thi bộ điều chỉnh bền vững cao

Các đối tượng điều khiển tuyến tính có mô hình tổng quát như sau: O(s) = e -τs O PT (s) ; O PT (s) = A(s) /B(s) (1.16)

Trong đó τ - độ trễ vận tải; A(s), B(s)– các đa thức của s Ta được:

Dễ thấy rằng, khi đối tượng có trễ vận tải, mặc dù hệ thống bền vững tối

ưu ban đầu là hệ vật lý – khả thực, song bộ điều chỉnh có thể không khả thực,

vì để thực hiện hàm dự báo e τs phải đo được đại lượng vật lý trước khi nó xảy

ra trong một khoảng thời gian τ Khâu dự báo chỉ có thể thực hiện gần đúng bằng cách phân tích thành chuỗi Taylor hoặc chuỗi Pade rồi cắt bỏ phần đuôi bậc cao

Cách đơn giản hơn là bỏ e τs

Khi đó:

R (s) =

(1.18) Trong thực tế, hầu hết các đối tượng là những hệ vật lý ổn định hoặc trung tính nên đa thức B(s) không có nghiệm nằm bên phải trục ảo Ngoài ra, A(s) cũng thường không có nghiệm phải Trong các trường hợp đó, cấu trúc thực hiện dễ dàng

h Tham số tối ưu của bộ điều chỉnh bền vững cao

Với luật điều chỉnh, tham số duy nhất cần xác định là hệ số quán tính tối ưu Có thể xác định được giá trị này nếu dựa trên khái niệm “chỉ số dao động mềm”

Lưu ý rằng, không thể áp dụng chỉ số dao động m theo nghĩa kinh điển (m=const) Vì trong trường hợp đối tượng có trễ vận tải (τ > 0), thì với m = const, sự phát biểu mở rộng tiêu chuẩn ổn định Nyquist cho trường hợp dự trữ

ổn định trở nên vô nghĩa Thật vậy, với đối tượng hàm truyền của hệ hở có dạng:

WH (s) = R(s) O(s) = e -τs /( θs) (1.19) Thay s = - m ω+ j ω

/ ω → ∞ khi ω → ∞ Do đó, đặc tính tần số mở rộng sẽ bao điểm (-1,j0) một số lần tuỳ ý, và như vậy tiêu chuẩn Nyquist không áp dụng

mở rộng được để đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống

Tuy nhiên, nếu mềm hoá chỉ số m, có thể làm cho emω →0 khi tần số ω

→ ∞ Nhờ vậy đặc tính tần số mở rộng của hệ hở sẽ hội tụ và cho phép tiêu chuẩn Nyquist mở rộng một cách bình thường Định nghĩa m là một hàm đơn điệu giảm theo tần số và gọi là “chỉ số dao động mềm” (CDM):

m = m0 (1- e – αω) /(αω), 0 ≤ α ≤ τ (1.21) Trong đó,

m0 : Giá trị đầu (ở tần số ω = 0) của CDM

α: Hệ số mềm hoá

τ : Độ trễ vận tải của đối tượng

Với m là CDM, thì hàm WH (- m ω+ j ω) gọi là “đặc tính mềm”(ĐTM)

Nếu đối tượng biến thiên tuỳ ý trong khoảng nào đó sẽ làm thay đổi độ

dự trữ ổn định của hệ thống Ta gọi là biến thiên “xấu nhất”, khi độ dự trữ ổn định của hệ thống đạt giá trị nhỏ nhất Khi đó, tương ứng ta có ĐTM “xấu nhất” Vấn đề đặt ra là phải xác định hệ số quán tính θ bé nhất, sao cho hệ thống có dự trữ ổn định đảm bảo cho trước đối với tập hợp các biến thiên bất định, tức đảm bảo với trường hợp xấu nhất Theo [10], ĐTM xấu nhất của hệ

hở là đường bao ngoài của tập các biến thiên bất định của nó Vậy, chỉ cần xác định θ sao cho đường bao đó cắt trục thực xa nhất về bên trái tại điểm (-1; j0)

H nh 1.17 “Đặc tính mềm” cơ sở và “Đặc tính mềm” biến thiên của hệ hở;

Đối tượng bất định có thể được mô tả bởi mô hình tổng gồm hàm truyền

cơ sở (Không đổi) và thành phần biến thiên bất định kiểu vòng tròn:

Õ (s) = O (s) + ∆ (s), ∆ (s) = │M(s) │ ρ e jφ (1.22) Trong đó:

O(s): Là hàm truyền cơ sở

∆ (s): Thành phần biến thiên

│M(s)│: Hàm biên độ của phần bất định

ρ ∈ [0 ÷ 1]: Bán kính bất định

r +φ)

ẄH (s) = WH (s) + │RM(s) │ ρe jϕ , RM(s) = R (s) M(s)

Trong đó:

WH (s) = e-τs/(θs) ; ϕ = φr + φ ∈ [φr ÷ φr - 2π] (1.23) Thay s = - m ω+ j ω và dùng cách viết (m + j ω) ⇔ - m ω+ j ω , ta được ĐTM bất định:

ẄH (m, j ω ) = WH (m, j ω ) + │ R M (m, j ω) │ ρe j ϕ (1.24) Tập hợp các đường cong tạo thành một dải bất định với đường trung tâm

là ĐTM cơ sở

Ký hiệu:

ẄH (m, j ω) = [W1(m, j ω) +│ M1(m, j ω) │ ρe j ϕ]/ θ

=[P1+jQ1+ r1ρcosϕ + jr1ρsinϕ]/ θ

ẄH (m, j ω) = [P1+ r1ρcosϕ ]/ θ + j[Q1+ r1ρsinϕ]/ θ = PH + jQH Trong đó:

W1 (m, j ω) = P1 + jQ1 = P1 (m, jω) + jQ1(m, jω); (1.29)

r1 = │ M1(m, j ω) │= r1 (m, jω) (1.30) Tại điểm mà ĐTM bất định cắt trục thực, thì phần ảo của nó bằng không, nên:

Q~H = Q1+ r1ρsinϕ= 0 (1.31)

→ sinϕ = -Q/(r1ρ), cosϕ = ± √ (1.32) Thay biểu thức cos ϕ vào phần thực của ĐTM trên và rút gọn, ta được: P~H = {P1 ± √ }/ θ (1.33)

Để cho tập hợp các ĐTM bất định của hệ hở chỉ cắt trục thực về bên phải điểm