CHỈNH ĐỊNH mờ THAM số PID CHO bộ điều tốc TUABIN NHÀ máy THỦY điện

CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC TUABIN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN FUZZY ADJUSTING PID PARAMETERS OF THE HYDROELECTRIC POWER TURBINE GOVERNOR Đoàn Quang Vinh Trường Đại học Bách Khoa,

CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC TUABIN

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

FUZZY ADJUSTING PID PARAMETERS OF THE HYDROELECTRIC POWER

TURBINE GOVERNOR

Đoàn Quang Vinh

Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

Đặng Trung Thi

Công ty thủy điện Ialy

TÓM TẮT

Hiện nay, hầu hết các nhà máy thủy điện đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ tuabin, các bộ điều chỉnh này ít có khả năng bền vững đối với sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành Bài báo này giới thiệu việc xây dựng mô hình một nhà máy thủy điện với sự

có mặt các phần tử thủy lực, máy điện và xét đầy đủ các hiệu ứng động học của hệ thống thủy lực Từ đó ứng dụng điều khiển mờ để điều chỉnh các tham số PID của bộ điều chỉnh tốc độ tuabin nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và đáp ứng với sự thay đổi các tham số trong quá trình vận hành

ABSTRACT

Nowadays, most of the hydroelectric power has used PID controllers to regulate turbine speed However, these controllers are less robust with parameters changes in operation This paper presents the modelling of a hydroelectric power with hydraulic components and electric machines in consideration of dynamic effects of the hydraulic system Hence, the use of fuzzy control to adjust PID parameters of a turbine governor is aimed to improve the control quality and satisfy with parameters changes in operation

1 Đặt vấn đề

Trong những thập niên gần đây điều khiển mờ phát triển khá mạnh mẽ Ưu điểm của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được

bộ điều khiển mà không cần biết trước cấu trúc và tham số của hệ thống một cách chính xác, giải quyết được nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây chưa thể giải quyết trọn vẹn Hệ điều khiển mờ sử dụng được các kinh nghiệm vận hành đối tượng và các xử lý điều khiển của chuyên

gia trong thuật toán điều khiển,

do vậy hệ điều khiển mờ là một

bước tiến gần tới tư duy con

người Việc ứng dụng kỹ thuật

mờ trong thiết kế xây dựng hệ

điều khiển cho truyền động có

cấu trúc và tham số biến đổi là

hướng nghiên cứu mới mẻ, còn

nhiều tiềm năng để khai thác, là Hình 1 Cấu trúc một nhà máy thủy điện

hướng nghiên cứu có khả năng đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của hệ và khắc phục được các nhược điểm của các hướng nghiên cứu khác

Tuabin thủy lực cùng với các cơ cấu/bộ phận thủy lực đặc trưng động học thủy lực phi tuyến và có đặc tính pha không cực tiểu có các tham số thay đổi theo thời gian Các bộ điều khiển PID được thiết kế cho một điểm làm việc đặc trưng, không thể tạo ra

sự làm việc ổn định khi có sự thay đổi đột ngột trong điều kiện làm việc hoặc trong cấu hình của đối tượng Sử dụng điều khiển mờ để điều chỉnh các tham số PID nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt trong điều kiện có sự thay đổi tham số hệ thống là mục đích của đề tài này

2 Kết quả nghiên cứu và khảo sát

2.1 Mô hình hóa nhà máy thủy điện

2.1.1 Mô hình phi tuyến:

Hệ thống thủy lực của

một NMTĐ điển hình, đầy đủ

gồm có: Hồ chứa nước, đường

ống dẫn nước, tháp điều áp,

đường ống áp lực, tuabin và

đường ống xả nước xuống hạ

lưu của nhà máy

Đề tài này sẽ sử dụng

các số liệu của NMTĐ Susqueda (Tây Ban

Nha), có công suất lắp đặt (2x37MW+1x12

MW), và xét riêng một tổ máy 37MW, sử

dụng tuabin loại Francis

Các tham số được tính từ số liệu của

NMTĐ theo các công thức trong tài liệu [7]

trình bày như ở bảng 1

Mô hình phi tuyến [8, tr 77] như sau:

Trong đó ( )η G là hàm hiệu suất của tuabin xây dựng theo phương pháp bình phương nhỏ nhất với hàm polyfit trong Matlab, số liệu lấy từ [7]như bảng 2và bậc đa thức là 4

4

( ) |G n 1,7783.G - 4,4784.G + 3,1593.G - 0,7300 + 0,9491G

2.1.2 Mô hình trạng thái phi tuyến:

Đặt các biến quá trình như sau:x1=U t; x2=H r; x3=U c; x4 =ωr; x5=G;

dU

dt

dt

=  = ; 8 7 2

2

t

d U

dt

ec

T

wc

T

wp

T

ep

T

2

1

f

s

C

,

c c

U Q

,

s s

U Q

,

t t

U Q

H +H +H

1

H +H

r

H

t

H

0

H

Hình 2 Phân bố tham số và biến quá trình chính

Bảng 1 Trị số của các tham số NMTĐ Susqueda

Tham số Trị số Tham số Trị số

T wc 9,15 [s] f p1 0,0475 [pu]

T wp 0,82 [s] f p2 0,089 [pu]

T ep 0,208 [s] A t 1,67 [pu]

T g 0,5 [s] U nl 0,13 [pu]

f 0 0,005 [pu] D 0,01 [pu]

Khai triển từ các phương trình vi phân, ta được hệ 8 phương trình vi phân mô tả

trạng thái phi tuyến của nhà máy điện:

7

0 2 2 3 3 w

2

1

5 2

3

4 5

8

7 8

1

( ).

1 1

.

.

s s

p c

nl

G g

wc s

wp

x

C

T

x

x

x x T x

η

π

− −

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟ =

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎝ ⎠

















2 2

2 1

5

2 2

2 2

.

32

2 4

.

p

G

s

x

π π

− ⎜⎝ + ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ ⎜ + + ⎟ ⎟ ⎠ +

⎢

⎣

(1)

2

wc

T

⎤

⎥

2.1.3 Mô hình trạng thái tuyến tính lân cận điểm làm việc:

Hệ phi tuyến (1) được đưa về dạng phương trình trạng thái:

( , ) ( , )

x f x u

y g x u

=

⎧

⎨ =

⎩



Trong đó:

1

s

C s

0

f

1

f

2

f

G

Π

Σ

s

U

Π

2

l

H

Π

Abs

0

H

c

Q

c

U

s

t

U

NL

U

1

l

H

r

H

t

H

t

H

t

U

t

Q

0

l

H

( )G

η

Π

load

P

2 H s D

r

ω

Abs

w

1

c

mec

P

tanh( )

Z T s

s

H

G

u

1

s

1

g

G

Hình 3 Mô hình phi tuyến NMTĐ với hàm hiệu suất η ( ) G

Bảng 2 Trị số hàm hiệu suất

theo vị trí van hướng

[ ]

G pu P MW[ ] η ( ) [G pu]

0,130 13,10 0,8922 0,180 13,60 0,9012 0,250 14,20 0,9107 0,360 14,50 0,9111 0,411 15,30 0,9113 0,603 27,30 0,9180 0,664 30,15 0,9048 0,752 30,20 0,8410 0,800 30,75 0,8174 0,850 31,30 0,7874 0,896 31,80 0,7610

Hình 5 Phương pháp chỉnh định mờ

tham số bộ điều khiển PID

( , )

( , )

độ của tuabin, vì vậy:

4

Xung quanh điểm làm việc ( ,x u* Gxl), với giả thiết các sai lệch so với trạng

thái xác lập đủ nhỏ để có thể bỏ qua các thành phần bậc cao, khi đó có thể mô tả hệ

bằng phương trình trạng thái tuyến tính [1]:

G

G

dx

dt

⎪

⎩



*

( , )

G G G xl

G xl

x x x

u u u

y y g x u

⎧ = −

⎪ = −

⎨

⎪ = −

⎩







; * *

*

n

x x x

⎛ ⎞

⎜ ⎟

= ⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎝ ⎠

Với các ma trận A,B,C,D là các ma trận Jacobi của các vectơ hàmf x u( , G),

( , G)

g x u tại điểm làm việc đang xét (ma trận hằng): [1]

B11 là ma trận nhiễu tải:

*

1 1

, G x l

P L x u

f B

u∆

⎛ ∂ ⎞

= ⎜∂ ⎟

(6)

Khi đó (4) có thể mô tả lại như sau: G 11 PL

G

dx

Ax Bu B u dt

y Cx Du

∆

⎪

⎨

⎪ = +

⎩



 

  

Mô hình tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc được giới thiệu ở hình 4 có các

ma trận A, B, C, D với kích thước như sau

8 8x

A∈ \ , B∈ \ 8 1x , 8 1

11

x

B ∈ \ , C∈ \ 1 8x , D∈ Θ

Hình 4 Cấu trúc mô hình trạng thái tuyến tính lân cận điểm làm việc

2.2 Chỉnh định mờ tham số PID bộ điều

tốc:

2.2.1 Phương pháp chỉnh định mờ tham số

bộ điều khiển PID:

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào

việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của sai

lệch de(t)/dt, các tham số KP, TI, TD của bộ

điều khiển PID sẽ được tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ của Zhao,

Tomizuka và Isaka [3]

Một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu ra u(t) có mô hình toán học như sau:

( ) ( ) ( ) ( )⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+ τ τ +

T

1 t e K t

0 I

s

K K s

R

R

1 K

K

T =

D

K

T =

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định thông số PID

a) Xác định biến ngôn ngữ

Bộ chỉnh định mờ có 2 đầu vào là e(t) và de(t)/dt và ba đầu ra là KR, KD, α có

các giới hạn xác định theo [3]

D

R I D

I

K

K K T

T

.

2

α

α = ⇒ = nên xem như gồm 3 bộ chỉnh định mờ nhỏ

Định nghĩa các tập mờ vào ra:

{NB NM NS ZE PS PM PB}

e=

( )

de t

NB NM NS ZE PS PM PB

dt =

{S B}

K R =

{S B}

K D=

{S MS M B}

=

α

Hình 6 Định nghĩa các tập mờ vào ra

b) Xây dựng luật hợp thành

Bảng 3 Luật chỉnh định

K R , K D

0

µ

1

S MS M P

1 2 3 4 5 6

α µ

Luật chỉnh định KR:

de(t)/dt

NB NM NS ZE PS PM PB

NB B B B B B B B

NM S B B B B B S

e(t) NS S S B B B S S

ZE S S S B S S S

PS S S B B B S S

PM S B B B B B S

PB B B B B B B B

Luật chỉnh định KD:

de(t)/dt NBNMNSZEPSPMPB

NB S S S S S S S

NM B B S S S B B e(t) NS B B B S B B B

ZE B B B B B B B

PS B B B S B B B

PM B B S S S B B

PB S S S S S S S

Luật chỉnh định α:

de(t)/dt NBNM NS ZE PS PM PB

NB S S S S S S S

NM MS MS S S S MSMS e(t) NS M MS MS S MS MS M

ZE B M MS MS MS M B

PS M MS MS S MS MS M

PM MS MS S S S MSMS

PB S S S S S S S

0

e, de/dt

NB NM NS ZE PS PM PB

µ

c) Chọn luật và giải mờ:

Chọn luật hợp thành max-min, phương pháp giải mờ trọng tâm

d) Mô hình và kết quả mô phỏng:

Hình 8 Cấu trúc khối PID-FC Hình 9 Cấu trúc khối FC

Hình 7 Mô hình xây dựng trong Matlab

Hình 10 Đáp ứng tốc độ theo tải với thông

số tại bảng 1

Hình 11 Đáp ứng tốc độ theo tải khi

thay đổi tham số Twp

Hình 12 Đáp ứng tốc độ theo tải (mô hình

PID-FC) khi thay đổi thông số Tep

Hình 13 Đáp ứng tốc độ theo tải (mô hình

PID) khi thay đổi thông số Tep

Ghi chú:

PID-FC: Mô hình điều khiển chỉnh định

mờ PID

PID: Mô hình điều khiển PID kinh điển

3 Bàn luận

Khi thay đổi các tham số của hệ thống, cụ thể trong trường hợp này là tham số Twp, Tep; đáp ứng tốc độ của mô hình PID-FC gần như không đổi, trong khi đó đáp ứng tốc độ của mô hình PID bị thay đổi rất nhiều Ứng với sự thay đổi này, đáp ứng tốc

độ đối với mô hình PID là dao động nhiều, thời gian quá độ rất lớn (hình 11) và thậm chí mất ổn định (hình 13) Lý do là khi có sự thay đổi thông số khi mô hình hóa hoặc trong khi vận hành, làm dịch chuyển điểm làm việc xác lập mà các thông số PID không thay đổi trong trường hợp này dẫn đến dao động hoặc mất ổn định Còn đối với mô hình PID-FC nhờ sự chỉnh định mờ thông số PID mà thích nghi được với sự thay đổi này, giúp cho bộ điều khiển bền vững trong các điều kiện trên

4 Kết luận

Bài báo đã giới thiệu mô hình hóa một nhà máy thủy điện với sự tham gia đầy

đủ các phần tử thủy lực, máy điện Trên cơ sở mô mình đó, áp dụng kỹ thuật điều khiển

mờ để chỉnh định các tham số PID cho bộ điều tốc nhà máy thủy điện Với những ưu điểm của điều khiển mờ, phương pháp điều khiển trên đã khắc phục được điểm yếu của điều khiển PID kinh điển-đó là khả năng bền vững trước sự thay đổi của các tham số của hệ thống trong quá trình mô hình hóa cũng như trong quá trình vận hành Kết quả

mô phỏng cũng cho thấy chất lượng điều khiển khá tốt trước nhiễu tải, nhiễu đo lường

và nhiễu hệ thống Đây là một hướng nghiên cứu mới triển vọng và có khả năng ứng dụng vào thực tiễn

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1] Nguyễn Doãn Phước , Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB khoa học và kỹ thuật,

Hà Nội, 2007

[2] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB khoa học và kỹ thuật,

Hà Nội, 2007

[3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB khoa học và

kỹ thuật, Hà Nội, 2002

Hình 14 Đáp ứng tốc độ theo tải và nhiễu

Tiếng Anh

[4] Glenn O.Brown, “The History of the Darcy-Weisbach Equation for Pipe Flow

Resistance”, Environmental and Water Resources History, American Society of

Civil Engineers, Reston, VA, pp 34-43, 2003

[5] H Doudna, F.P de Mello, R.J Koessle, J Agee, P.M Anderson, J.H Fish III, P.A.L Hamm, P Kundur, D.C Lee, G.J Rogers and C Taylor, “Hydraulic turbine

and turbine control models for system dynamic studies”, IEEE Transactions on

Power Systems, 1992, Vol.7 (No.1), pp.167-179

[6] Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New York, 1994

[7] O Quiroga, J Riera and C Batlle, “Identification of partially known models of the

Susqueda hidroelectric power plant”, Latin American Applied Research, 2003,

Vol.33 (No 4), pp 387-392

[8] Quiroga, O D, Modelling and Nonlinear Control of Voltage Frequency of

Hydroelectric Power Plants, Thesis Dissertation, Universitat Politècnica de

Catalunya, Barcelona, Spain, 2000