Luận văn Điều khiển chiếu sáng bằng fuzzy logic (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển chiếu sáng bằng fuzzy logic (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ TẤN THANH TÙNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG BẰNG FUZZY LOGIC S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 9 8 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ TẤN THANH TÙNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG BẰNG FUZZY LOGIC NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ TẤN THANH TÙNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG BẰNG FUZZY LOGIC NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Hướng dẫn khoa học: PGS. TS. QUYỀN HUY ÁNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: LÊ TẤN THANH TÙNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10-06-1986 Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh Quê quán: TP. Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Trợ giảng, Bộ Môn Điện Công Nghiệp, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 5/27 Nơ Trang Long, Phường 7, Quận Bình Thạnh, Tp. Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 090 239 1006 Fax: E-mail: tungltt@hcmute.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 04/2009 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: 2. Trình độ ngoại ngữ: tiếng Anh - Trình độ: B1 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận 04/2009 đến Công Ty Cổ Phần Tư Vấn Thiết Nhân viên 04/2011 Kế Xây Dựng (Cideco) 05/2011 đến Công Ty TNHH Đầu Tư – TVTK Nhân viên Trang i
5. 04/2012 – Xây Dựng Hoàng Tâm 05/2012 đến Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Trợ giảng khoa Điện nay Thuật Tp. Hồ Chí Minh – Điện Tử III. CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC [1] Huy Anh QUYEN, Tan Thanh Tung LE (IEEE student member), The Energy Management According to ISO 50001:2011 Standard and AEMAS Scheme Feasibly Implement in Viet Nam. ISBN: 978-1-4673-4584-2/12, trang 289 - 294. [2] Huy Anh QUYEN, Tan Thanh Tung LE (IEEE student member), Thanh Nho HUYNH, The Potential for Electricity Generation from Ricehusk in Vietnam, IPEC 2012, ISBN: 978-1-4673-4584-2/12, trang 98-103. [3] Quyền Huy Ánh, Lê Tấn Thanh Tùng, Phạm Thị Minh Thủy, Phối hợp chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo dựa trên nển tảng fuzzy logic, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, 2013. Trang ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn phản ánh trung thực nội dung và quá trình nghiên cứu của luận văn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 04 năm 2013 LÊ TẤN THANH TÙNG Trang iii
7. LỜI CẢM TẠ Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, người thực hiện đã được sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS. Quyền Huy Ánh – giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Dưới sự hướng dẫn của Thầy, đề tài đã được nghiên cứu và hoàn thành đúng thời hạn cũng như mục tiêu đề ra ban đầu. Người thực hiện xin gửi lòng tri ân sâu sắc đến PGS. TS. Quyền Huy Ánh vì những kiến thức quý báu và các phương pháp nghiên cứu mà thầy đã truyền dạy. Người thực hiện gửi lòng tri ân đến quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức, phương pháp nghiên cứu và các kinh nghiệm trong suốt hai năm học. Những kiến thức và kinh nghiệm này chính là nền tảng giúp người thực hiện hoàn thành tốt luận văn này. Người thực hiện chân thành cảm ơn quý anh chị, chân thành cảm ơn bạn bè và người thân đã tận tình giúp đỡ trong suốt khoá học cũng như trong quá trình thực hiện luận văn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 04 năm 2014 Người thực hiện LÊ TẤN THANH TÙNG Trang iv
8. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Tp. HCM, ngày tháng năm 2013 Trang v
9. NHẬN XÉT CỦA CHỦ NHIỆM NGÀNH Tp. HCM, ngày tháng năm 2013 Trang vi
10. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp. HCM, ngày tháng năm 2013 Trang vii
11. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp. HCM, ngày tháng năm 2013 Trang viii
12. NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN Tp. HCM, ngày tháng năm 2013 Trang ix
13. TÓM TẮT Đề tài trình bày phương thức điều khiển chiếu sáng dựa trên việc cân bằng giữa ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo trong công trình nhờ đó tiết giảm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng. Do tính chất nguồn sáng tự nhiên luôn thay đổi nên cần thiết xét biểu đồ quang khí hậu cũng như đặc trưng địa lý vùng miền, đồng thời xét đến vị trí đặt nguồn chiếu sáng tự nhiên trong từng vùng, nhờ đó đưa ra phương thức chiếu sáng thích hợp dựa trên vùng điều khiển chiếu sáng tối ưu bằng thuật giải Fuzzy Logic. Việc xây dựng một chương trình điều khiển mức cân bằng độ rọi bằng hàm điều khiển vòng hở cho phép bộ điều khiển đơn giản hơn so với phương pháp điều khiển vòng kín mà vẫn đạt được mức tối ưu tương tự. Để thực hiện điều này, đề tài xây dựng 2 kịch bản phân vùng không gian điều khiển dựa trên mức tác động của ánh sáng tự nhiên. Trong 2 kịch bản này, đề tài đưa ra những chiến lược điều khiển tương thích với từng vùng tác động của ánh sáng tự nhiên. Dựa vào mức đáp ứng độ rọi của ánh sáng tự nhiên mà chương trình phân tích, đưa ra phương pháp điều khiển chiếu sáng nhân tạo thích hợp dựa trên nền tảng Fuzzy Logic. Việc xây dựng chương trình mô phỏng trên Matlab cho phép nghiên cứu tác động của đặc tuyến quang khí hậu tác động theo thời gian trong ngày mà các chương trình tính toán chuyên dụng đã bỏ qua. Điều này cho phép thấy rõ hơn mức tác động của ánh sáng tự nhiên trong từng thời điểm trong ngày mà không phải tính gần đúng. Đề tài đề xuất phương thức xây dựng bộ điều khiển chiếu sáng dựa trên nền tảng Fuzzy Logic như là một giải pháp tiềm năng trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng mà không đòi hỏi cấu trúc hệ thống quá phức tạp. Trang x
14. ABSTRACT The topic presented the lighting control method based on the balance between the daylighting and artificial light in the building thus reducing the energy on a lighting system. Due to the ever-changing of the daylighting, must be considered on the daylighting illuminance chart as well as the region geographic. At the same time, taking into account the location of natural lighting source in each region, thus proposing the properly control strategy based on the fuzzy logic algorithm. The construction of an illumination control program with the open-loop control allows simpler than the closed-loop control method and still achieve the same result. To do this, the project build two zoning scenario based on the effect of the daylighting. In these scenarios, the strategies are compatible with each region and the impact of natural light. Based on the reponse of daylighting illumination, the analysis program proposes the properly control method based on fuzzy logic. The construction of the Malab simulation program to study the impact of the daylighting illuminance chart by the time of day that commercial program was ignored. This allows seeing more clearly the effect of daylighting on every time of the day without approximation. The topic proposes the control method based on fuzzy logic as a potential solution in the field of energy which does not require overly complex system structure. Trang xi
15. MỤC LỤC (Quyết định giao đề tài luận văn và ngƣời hƣớng dẫn năm 2012 – số 450/QĐ- ĐHSPKT-SĐH ngày 11/09/2012) (Quyết định về việc đổi tên đề tài luận văn tốt nghiệp năm 2013 – số 61/QĐ- ĐHSPKT-SĐH ngày 22/03/2013) LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CẢM TẠ iv NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN v NHẬN XÉT CỦA CHỦ NHIỆM NGÀNH vi NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN vii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN viii NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN ix TÓM TẮT x ABSTRACT xi Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 1 1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn nghiên cứu 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 3 1.5 Các bước tiến hành 3 1.6 Điểm mới của luận văn 3 1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn 4 1.8 Nội dung thực hiện 4 Chƣơng 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1 Tổng quan về chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo 5 2.1.1 Chiếu sáng tự nhiên 5 Trang xii
16. 2.1.1.1 Tổng quan chiếu sáng tự nhiên 5 2.1.1.2 Hệ số chiếu sáng tự nhiên 8 2.1.1.3 Độ rọi tổng hợp trong phòng 11 2.1.2 Chiếu sáng nhân tạo 12 2.1 Các giải pháp điều khiển chiếu sáng 14 2.1.1 Phương pháp quang thông 14 2.2.2 Phương pháp điểm 15 2.3 Cơ hội tiết kiệm năng lượng từ giải pháp kết hợp chiếu sáng tự nhiên với chiếu sáng nhân tạo 16 2.4 Xây dựng hàm độ rọi trong phòng có kể đến ánh sáng tự nhiên 29 2.4.1 Cơ sở tính toán độ rọi của ánh sáng nhân tạo trong phòng và ánh sáng tự nhiên 29 2.4.2 Xác định vùng chiếu sáng tối ưu và nguyên lý điều khiển 35 2.5 Fuzzy Logic trong điều khiển chiếu sáng 39 Chƣơng 3 - ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG - BẰNG FUZZY LOGIC 43 3.1. Tổng quan ứng dụng Fuzzy Logic trong điều khiển chiếu sáng 43 3.2 Xây dựng giải thuật Fuzzy Logic điều khiển chiếu sáng 43 3.2.1 Mô hình đối tượng điều khiển 43 3.2.2 Xác định vùng chiếu sáng tối ưu và phân chia vùng điều khiển 45 3.2.3 Xây dựng thuật toán cho mô hình 3 vùng điều khiển 46 3.2.4 Xây dựng thuật toán cho mô hình 4 vùng điều khiển 51 3.2.5 Lưu đồ điều khiển của Fuzzy Logic 53 3.4 Kết luận 54 Chƣơng 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FUZZY LOGIC TRONG MATLAB 55 4.1 Mô hình mô phỏng trong Matlab 55 4.2 Kết quả mô phỏng Matlab 56 4.2.1 Mô hình 3 phân vùng chiếu sáng 57 4.2.2 Mô hình 4 phân vùng chiếu sáng 64 4.2.3 So sánh kết quả trong 2 kịch bản điều khiển. 71 4.3 So sánh và kiểm chứng bằng phần mềm thiết kế chiếu sáng Dialux 72 4.3.1 Mô hình 3 phân vùng chiếu sáng 73 Trang xiii
17. 4.3.2 Mô hình 4 phân vùng chiếu sáng 74 4.4 Kết luận 74 Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Trang xiv
18. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 2.1. Biểu đồ độ rọi ánh sáng tản xạ trên mặt nằm ngang tại Hà Nội 6 Hình 2.2. Phân bố giới hạn độ rọi theo địa phương của CIE 7 Hình 2.3. Giả thiết độ chói B của mặt bán cầu phân bố đều 9 Hình 2.4 - Sự phân bố độ chói (q) của bầu trời 10 Hình 2.5 - Các phương thức lấy sáng tự nhiên trong công trình 21 Hình 2.6. Vùng phân bố ánh sang tối ưu 36 Hình 2.7.Phân bố độ rọi tổng hợp 36 Hình 2.8. Hiệu quả của các phương pháp điều khiển 37 Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống điều khiển 39 Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ mờ 41 Hình 3.1. Sơ đồ bố trí đèn và mặt phẳng độ rọi 44 Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ 45 Hình 3.3. Sơ đồ phân vùng điều khiển (3 vùng) 46 Hình 3.4. Khai báo phát biểu ngõ vào bộ điều khiển Fuzzy Logic 47 Hình 3.5. Khai báo phát biểu ngõ ra bộ điều khiển Fuzzy Logic 48 Hình 3.6. Hệ số tập mờ 49 Hình 3.7. Xây dựng bộ suy luận bằng công cụ Fuzzy Logic – Rule Editor cho 3 phân vùng 50 Hình 3.8 - Sơ đồ phân vùng điều khiển (4 vùng) 51 Hình 3.9. Các khối trong bộ Fuzzy Logic cho 4 vùng điều khiển 52 Hình 3.10. Xây dựng bộ suy luận bằng công cụ Fuzzy Logic – Rule Editor cho 3 phân vùng 52 Hình 3.11. Lưu đồ điều khiển 53 Hình 4.1. Mô hình điều khiển 3 phân vùng 56 Hình 4.2. Mô hình điều khiển 4 phân vùng 56 Trang xv
19. Hình 4.3. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 1 58 Hình 4.4. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 1 58 Hình 4.5. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 2 59 Hình 4.6. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 2 59 Hình 4.7. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 3 60 Hình 4.8. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 3 60 Hình 4.9. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 4 61 Hình 4.10. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 4 61 Hình 4.11. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 5 62 Hình 4.12. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 5 62 Hình 4.13. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 6 63 Hình 4.14. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 6 63 Hình 4.15. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 1 65 Hình 4.16. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 1 65 Hình 4.17. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 2 66 Hình 4.18. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 2 66 Hình 4.19. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 3 67 Hình 4.20. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 3 67 Hình 4.21. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 4 68 Hình 4.22. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 4 68 Hình 4.23. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 5 69 Hình 4.24. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 5 69 Hình 4.25. Đáp ứng của hệ thống Fuzzy Logic cho trường hợp 6 70 Hình 4.26. Mặt bằng đẳng độ rọi và biểu độ độ rọi tổng cho trường hợp 6 70 Hình 4.27a. Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển fuzzy cho kịch bản 3 phân vùng 71 Hình 4.27b. Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển fuzzy cho kịch bản 4 phân vùng 71 Hình 4.28. Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển fuzzy trong 2 kịch bản 72 Hình 4.29. Phân bố độ rọi trong Dialux (3 vùng) 73 Hình 4.30. Phân bố độ rọi trong Dialux (4 vùng) 74 Trang xvi
20. DANH SÁCH BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1. Bảng hệ số độ chói của bầu trời. 10 Bảng 2.2. Hệ số độ chói của bầu trời theo hướng lấy sáng. 10 Bảng 2.3. Bảng cường độ bức xạ của mảng trời qua cửa lấy sáng. 11 Bảng 2.4. Bảng độ rọi yêu cầu theo công việc trong thiết kế chiếu sáng. 17 Bảng 2.5. Bảng hiệu suất các loại đèn và tổn thất chấn lưu. 24 Bảng 2.6. Bảng so sánh tiêu thụ năng lượng giữa các loại đèn sử dụng. 26 Bảng 2.7. Các hệ số theo điều kiện bầu trời. 33 Bảng 3.1. Bảng trạng thái hàm ngõ vào X1 47 Bảng 3.2. Bảng trạng thái hàm ngõ ra ui 48 Bảng 4.1. Bảng kết quả mô phỏng cho 6 trường hợp đối với 3 phân vùng 57 Bảng 4.2. Bảng kết quả mô phỏng cho 6 trường hợp đối với 4 phân vùng 64 Trang xvii
21. Chương 1 – Tổng Quan Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong thời đại hiện nay, cùng với sự kéo theo của tăng dân số, là các bài toán thiết yếu về nhu cầu lương thực, thực phẩm, chỗ ở, việc làm và năng lượng. Đối với mỗi quốc gia, duy trì nguồn năng lượng cho sinh hoạt và sản xuất là yêu cầu sống còn được ví như khí huyết của quốc gia. Nguồn năng lượng ở mỗi quốc gia, mỗi vùng miền lại là hữu hạn. Do đó, cần phải có kế hoạch sử dụng năng lượng một cách hợp lý và bền vững. Việc sử dụng năng lượng hiệu quả không còn nằm trên bàn giấy của các nhà lãnh đạo, không còn nằm trong ý tưởng của các nhà thiết kế, mà cần thiết những kế hoạch khả thi để triển khai nó ngay lúc này. Hiện tại, công việc này được chia làm 3 nhóm: đánh giá thực trạng về việc sử dụng năng lượng tại những công trình hiện hữu, ứng dụng ngay các công nghệ mới về tiết kiệm năng lượng cho các công trình đang được thiết kế và nghiên cứu, tìm kiếm giải pháp để cải thiện những vấn đề lãng phí năng lượng hiện tại. Điện năng cho chiếu sáng thường chiếm trên 20% tổng điện năng tiêu thụ. Để giảm thiểu sự lãng phí trong tiêu thụ điện năng, tiết kiệm trong chiếu sáng là một trong những giải pháp quan trọng. Nằm trong xu hướng đó, đề tài “Điều khiển chiếu sáng bằng Fuzzy Logic” nhằm nâng cao hiệu sử dụng năng lượng trong hệ thống chiếu sáng tại các thành phố lớn, đặc biệt là trong các cao ốc, văn phòng, công sở, nhà máy Đề tài xây dựng đáp ứng cho hệ thống chiếu sáng nhân tạo dựa trên đầu vào của ánh sáng tự nhiên dựa nền tảng fuzzy logic nhằm giảm tối đa nhu cầu năng lượng tại những vùng chiếu sáng tối ưu trong công trình. Đồng thời, đề tài cũng đưa ra những chiến thuật điều khiển ứng với từng phân vùng được chọn. 1.2 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu a. Mục tiêu Đề xuất các chiến lược điều khiển hệ thống chiếu sáng nhân tạo đáp ứng tương thích với điều kiện của hệ thống chiếu sáng tự nhiên sẵn có. Xây dựng thuật toán fuzzy thực hiện việc phối hợp điều khiển chiếu sáng giữa ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên. Trang 1