Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển dự báo turbine hơi

Hàm Laguerre and DMPC ...

LỜ I CẢM ƠN

Tác gi xin g i l       i th  ng d n PGS.TS 

     r t nhi t tình và k p th i v chuyên môn khi    thc hi n lu i vi lòng bin t t c các thy cô trong B  u khi n T ng -     i h c Bách khoa Hà N i,  nhuyt ki n th  quý báu và c n thi  i vi t hoàn 

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Vit Hùng



Hc viên lp cao hu khi n và T ng hoá - Khóa BK2011B    i

h c Bách Khoa Hà N  i

Hii Vin Thng tái t o 

 tài   t k và và mô ph ng h th    u khi n d báo turbine  

 do th y giáo, PGS.TS Hoàng Minh  ng d n là công trình c a riêng tôi  

T t c các tài li u tham kh   u có ngu n g c, xu t x rõ ràng Tác gi xin cam     

 t c nh ng n i dung trong lu   yêu c u c a th  ng d n N u có v   gì trong n i dung c a lu  tác gi xin hoàn toàn ch u trách nhi m  

MỤ C LỤC

DANH MC HÌNH V  TH 5   

 U 7

  t v n 7

1.2 Nc hi n 8 

c hi n 8 

1.3 B c c c  a lu 8

NG QUAN V  U KHI N D    BÁO 10

2.1 Gi i thi u chung 10  

2.2 Các dc s  d ng trong thit k 12

2.3 Mô hình tr ng thái v i thành ph n tích phân m r    ng 13

u khi n d báo trong m t c a s t      16

u khi n d báo cho h MIMO 22   

 29

3.1 Gi i thi u chung v     29

3.2 C u t o và nguyên lý v n hành 29   

ng 31

3.3 Thit lp hàm truyng thái c  ng 38

3.4 Các ki u t c ng d ng 41 

3.5 Tóm t t 46 

T K MPC S D NG HÀM LAGUERRA 47   

4.1 Gi i thi u 47  

4.2 Hàm Laguerre and DMPC 47

4.3 S d ng hàm Laguerra trong thi  t k MPC 49

4.4 Áp d ng cho h  thng MIMO 54

4.5 Gi i pháp ch n tín hi u v   u ki n ràng bu c cho h SISO 57

T K B  U KHI    62

c thi t k b    u khi n d báo s d ng hàm Laguerra 62    

5.2 Gi l p hàm truy  ng thái ca h th 63

u khic c  r ng 65

5.4 Thi t k b    u khi n DMPC 66 

nh c a h th ng v i b      u khi n DMPC 66 

5.6 Kt qu mô ph ng h  thu khi n d    67

5.7 Nh n xét 76 

T LU N 77 

6.1 Kt qu a lu c 77

c ti n 77 

6.3 Kh    r ng ca lu 78

TÀI LIU THAM KH O 79 

Ph  l  U KHI N MPC S D NG HÀM LAGUERRA VÀ MÔ PH NG H  THNG TRÊN MATLAB 80

DANH MỤC HÌNH V Ẽ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1: Mt d u khi n d báo d a theo mô hình 12   

 kh i h th    u khi n d báo r i r c theo th i gian 22     

 ng d  c bên trong m  p 31

Hình 3.2: Bung tua bin 32

Hình  hàm truy n c a bu ng tua bin 33   

Hình 3.4: Mô hình c a bu ng t   34

Hình 3.5: C  p n  i ti p v i hai khâu gia nhi t l i 35   

Hình 3.6: Mô hình tuy n tính x p x 35  

Hình 3.7: Mô hình máy phát vi t  i ph  thu   c t n s 37 

Hình 3.8: Mô hình máy phát rút gn 38

Hình 3.9: Mô hình c a h th ng tua bin máy phát 38   

    u t y l c 42

  c u khi n c    u t  n th y l c 43   

   u t  n t 45  

  d c (4%) c   u t c 46

Hình 4.1: M ng Laguerre r i rc hóa (Discrete Laguerre network) 48 

 c c    65

Hình 5.2: Giá tr  c bi u di n trên m t ph   ng ph c 67 

Hình 5.3: H  th u khi n MPC m   68

Hình 5.4: Kt qu  mô ph  u ra c a h    th u khi n d báo v    i tham s a=0.5; N=5; r w =0.1; 69

Hình 5.5: Kt qu  mô ph  u ra c a h    th u khi n d báo khi    i: a=0.1; a=0.4 và a=0.7; 70

Hình 5.6: Kt qu  mô ph  u ra c a h    th u khi n d báo khi   i: N=5; N=10 và N=15; 71

Hình 5 7: Kt qu mô ph  u ra c a h th    u khi n d báo khi    i r w : r w =0.001; r w =0.01; r w =0.1; 72

Hình 5.8: Kt qu  mô ph  u ra c a h    th u khi n d báo v    i

 u ki n ràng bu c u   max =4;u min  max  min =-1; 73 Hình 5 9: Kt qu  mô ph  u ra c a h th    u khi n d báo v    i nhi u t i Pl=1 p.u;   74

Hình 5 10: Kt qu  mô ph ng c a h     th u khi n d báo v i nhi u t i Pl=1      p.u v    u ki n ràng bu  c u max =4;u min =- max  min =-1; 75

ph i h ng yêu c u khi n h   thng n -tua bin-máy phát, hài hòa

ng ch m c i  ng  lòng nhanh c a tua bin-   t

ng nhanh và nh c a t   i ph t i ho c nhi u ph t i      

u khi n d báo d a theo mô hình (MPC) là m   p c n tiên ti n,  

i hi u qu trong vi  u khin Trong lu  này, ta xem

n vi c ng d  u khi n d báo d ng phân c   ng trong h  thu khi n   n t thi t b   n

c thành chuyng quay Thi t b yêu c  u ch nh t 

 ng v t lý t i h th ng Gia t    u khi n c a tua  bin s d n tua bin ch y quá t    , d i v i tua bin, ph i nh n

m nh thêm r t vì các yêu c u kh t khe v chính xác và ch    t

ng v t li  u u khi n     c s d nh t  c a tua bin, ma lu  d ng b  u khi u khi n t 

cc tính ca b u khi n MPC 

Ngoài ra, ng d ng b    u khiu khi n t  t c

 i s xem xét và so sánh v i các tiêu chu n v    u khi n t 

t khác, vi c xây d ng b    u khi n MPC d a trên công ngh vi x    

i kh  n, trong khi t tua bin máy phát là m i

t ra là t tính toán c a b   u khi n 

c yêu cu khi n t  tua bin máy phát 

1.2 Nội dung và phương pháp th c hi n ự ệ

 T ng quan v  u khi n d báo  

Chương 2: T NG QUAN V ĐI U KHI N D BÁO Ổ Ề Ề Ể Ự

2.1 Giới thi chung ệu

u khi n d báo d a trên mô hình là m    n cu khi n 

c áp d ng trong các quá trình công nghi p c a công nghi p hóa ch t,     

l c d u t    thp niên 80 c a th k 20 Nh   c áp dng trong các mô hình cân b ng h   th ng ngun Các b  u khi n d báo d a trên   

ng h c c ng là các mô hình tuy n tính th c nghi m   thu nhn d ng h   th ng m chính c a MPC là 

Mô hình MPC d báo s    i trong các bi n ph   thuc c a h   thng

i trong các bi c l p Trong các quá trình hóa ch t bi  c l p, có th  c u ch nh b ng các b    u khi n, là  m làm vi c a các b c   u khing (áp sung, nhi

ho c các thành ph u khi n cu i (van, c a s    c l p, không th 

u khi n b ng các b    u khic coi là nhi u Các bi n ph thu c trong các    quá trình là các giá tr   , th  hi u khi n ho  u kin

MPC s d ng các giá tr    trng thái hi n t i c  a ng, bi n ng thái  tr

ng h c hi n t i c a quá trình, các mô hình MPC, m c tiêu c a bi n quá trình và       các gi i h  tính toán s   i c a các bi n ph   thu thay

  gi cho các bi n ph thu c g n v i giá tr m c tiêu khi có       

s ràng bu c c a c bi     c l p và bi n ph  thuc B MPC thông  ng ch  

ra s  u tiên cho i  m m t bi  c l p thc hiu khi n, và l p l  i tính toán khi có s   i ti p theo

Khi nhi u quá trình th c t không tuy        n

vi c tuy n tính hóa x p x trong gi i h n v n hành nh       p c n MPC tuyc s d ng trong ph n l n các ng d ng v      u ph n h i c  a

b bù MPC cho sai l ch d báo b i s sai l ch c u trúc gi a mô hình và quá trình        Trong các b  u khi n d báo d a trên mô hình v i các mô hình tuy n tính,     nguyên lý x p ch  i s tuy n tính có kh   ng t i s   i trong các bi n ph c h    c l p c c ng thêm vào khi d   ng c a các bi n

ph thun hóa v u khi n thành vi  i s trc ti p c a các ma tr n m t cách nhanh chóng và b n v ng    

Khi mô hình tuy  th  hi n thành ph n phi tuy n

c a quá trình th c t M t s      p c  ng c s d

h p, các bi n quá trình có th    c chuyc ho c sau mô hình tuy n tính  

  gi m các thành ph n phi tuy n Quá trình có th      u khi n v i b   MPC phi tuy n s d ng tr c ti p mô hình phi tuy n trong ng d       u khi n Mô hình phi tuy n có th    i d ng mô hình th c nghi m (VD: m ng trí tu nhân t o)     

ho c  ng h trung th c cao d  cân b ng kh ng và cân bng

Nguyên t c chung khi thiắ ế t kế ộ điề b u khiể n dự báo

Hình 2.1: M t d u khi n d báo d a theo mô hình   

2.2 Các dạng mô hình đƣợc sử ụ d ng trong thiế t kế

 c ti p c   thi t k b    u khi n d báo, m   pháp ti p c n s d ng m    t cu trúc mô hình duy nht

Trong các d ng th c c a b     u khi n d   ng xung h u h  - c nh y r t ph bi n    Thut toán thi t k d a tr     c nh y bao g m d  u khi n ma tr ng h(Garcia and Morshedi, 1986) Mô hình ki u FIR thu hút các k    u i c

       rõ ràng v tr th i gi     ng th i gian và h s   khuy i c a quá trình Tuy nhiên, nó b h n ch v     ng nh và

ng yêu c u b c c a mô hình cao C   ng yêu c u 30 t i  

60 h s   ng xung ph thung h c và l a ch n kho ng th    i gian l y m u  

Mô hình hàm truy chi ti ng h c và 

có th ng d ng cho c     ng nh và không n hình c a b   u khi n d báo d a trên mô hình hàm truy   t là thuu khi n d báo c  a Peterka (Peterka, 1984) và thuu khi n d báo t ng quát (GPC) c a Clarke    

và các c ng s (Clarke et al.,1987) B    u khi n d báo d a trên mô hình hàm   truyc s  d ng vu khin

M t d ng không gian tr ng thái c   c Ordys and Clarke (1993) Và

nó tr lên ph bi     t k b u khi n d báo s d   ng không gian tr ng thái  (Ricker, 1991, Rawlings and Muske, 1993, Rawlings, 2000,Maciejowski, 2002) Trong khuôn kh c a lu , xin gi i thi  pháp thi t k s d ng mô hình không gian tr ng thái trong mi n th i gian r i r c, vì         

nó phù h p v i vi c thi t k b       u khi n d   n hoi

ng b c cao 

2.3 Mô hình tr ng thái v thành ph n tích phân m rạ ới ầ ở ộng

H  thu khi n d báo d     c thi t k theo mô hình  toán cng Mô hình toán   c s d ng trong thi t k h    thu khin

 c l y theo mô hình không gian ng thái, các thông tin yêu c u ttr  c th cho c i vi

Nh  r u vào c a mô hình tr ng thái bây gi    là   c k ti p là k t n i     

 m (k) tu ra y(k)  c ch

Vì v y, giá tr ng c a mô hình m r ng là s k t h p giá tr riêng c a mô   ri        

ng và giá tr riêng,  n tích phân

  r ng

2.4 Điều khi n d báo trong m c a s tể ự ộ t ử ổ ối ƣu

D a vào công th c c      c k p trong vi c thi t k h  ti    thu khi n d   u ra d báo c ng v i tín hi u khi      u ch nh Vi c d báo này n m trong m t c a s       (phm vi) t  ki m tra vi c th c hi n t   a s  i gi thi t  

n m b c qu  u khii thông tin c a x( k i), bi n tr ng thái  

c d báo cho  Np l n l y m u, s    Np c g i là t m d báo,    Np 



Y =[ k y( i +1 | k i ) y(k i +2 | k i ) y(k i +3 | k i ) y(k i + Np | k i )] T

  [ k i k i  k i  k i  ] T

hàm chi phí (1.8) chuy n sang d ng mà không c    l n ca , mà

m c tiêu lúc này gi m sai l  ch n m c nh nh t có th Trong     

ng h p l n, hàm chi phí chuy n sang d ng mà ta ph i xem xét c n th      

l n c a    và gim mt cách thn tr ng 

 tìm  t nhJ  nh t, ta vi t l i J  i d ng     

  

Gii pháp ta tín hiu khi n có quan h v i tín hi   m làm vi c và 

bi n tr 

2.4.3 Điều khiển hồi truy

Dù tham s t cha các tín hiu khi n   k i k i  k i +2), ,

k i , vu khi n h i truy, ta ch    thc hi n l y m u tín hi   u

u tiên c a chu i tín hi  u khi n (k i )) và b qua ph n còn l i c a chu    i

n chu k l y m y ti p theo, giá tr      n nh i d ng thái x(k i

+1)  c s d tính toán chuu khi n m c

l p l i trong th i gian th   c gi là luu khi n h i truy  

khi n d báo C hai ph     thuc vào tham s c a h    thng, vì v y nó là ma tr n

i cho h th ng b t bi n theo th    u khi n h i truy,  

ta ch  l y thành phu tiên ca   thm k i  u khi n, vì v y:



bên trong phép tích phân, vun th  hi n phép tích phân trong mi n r i

r c  theo thi gian

Hình 2.2:  kh  th i h u khi n d báo r    i r c theo th i gian 

2.5 Điều khiển dự báo cho hệ MIMO

Trong ph   n cho vi c minh h a h    thu khi n d báo, ta  thi  t k d trên h th ng mu vào và m  t k

thc s  c m r ng cho h    th ng nhiu vào và nhiu ra mà không c n quá nhi u s b xung, b i vì nó v    c bi u di  i d ng thái

2.5.1 Dạng tổng quát của mô hình

Gi thing có mu vào, qu ra và n 1 tr thi t r ng s 

c b ng s u vào    ( Nu s u ra l    u vào, ta không th  u khic m i m c m c l p v i sai l ch

trng thái m không d ng t ng quát c a v     u khi n d báo, ta  

  u n và tín hi u nhi   gi i quyt

x m (k +1)= A m x m (k)+ B m u(k)+ B d  (1.14)

  là tín hiu nhiu vào, gi thi t là chu i tích phân nhi u n tr ng      

u vào nhi u  có giá tr trung bình b ng không, chu i n     trng (k)sai phân

2.5.3 Tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc của mô hình mở rộng

Implementation Using MATLAB):

Đị nh lý 1: M t th c thi t  i gin có c  u khic

V i thông tin      u ki n mà mô hình m  

r ng có c   u khic thông qua tham s c a th c thi t   i



x(k i +1 | k i )= Ax(k i k i )+ B d (k i ) x(k i +2 | k i )= Ax(k i +1 | k i  k i +1)+ B d (k i +1| k i ) = A 2 x(k i  k i  k i +1)

+ AB d (k i )+ B d (k i +1 | k i ) x( k i + Np | k i )= A Np k x( i )+ A  k i )+ A  k i +1)

+ A   k i   B d (k i ) + A  B d (k i +1 | k i )+ + B d (k i  k i )

Chương 3 ĐỐI TƯỢNG TUA BIN HƠI:

p trung tìm hing

h c liên quan vi u khi n t  tua bin, c th   ng h c 

n vi c chuy n hóa nhi  ng cc thành chuyng quay

c a tua bin   ng h ph c v  

u khi n Và m t ph n không th thi u là vi c n m b t nguyên lý c a         các b     u t c s d c tính quan tr ng c  u t ph c v  cho vi c thi t k   b u khi n d   u khi n t  quay ca tua bin 3.1 Gi i thi u chung v ớ ệ ề tua bin hơi

  c là thi t b chuy  ng nhi t t    c áp l c cao 

c tr c rô tô Mô hình hi  i c c phát minh b

B i vì tua bin t o ra chuy  c bi t phù h p cho vi c s d ng trong     

m m t tr c quay l  m ngang trong m t xy lanh 

M t ngoài c a kh i quay có g n nhi u cánh qu t nghiêng t      

c áp lt lo t vòi g n xung quanh m t   trong ca xy lanh

c vào xy lanh, nó giãn n Nhi a phân t  c truy n cho tr c qua các cánh qu t nghiêng   

Cánh qu t chuy y, khi n tr c quay theo T   quay

i tùy theo nhi và áp suc

c ch t o b ng v t li u m i có kh        ng nhi 

và áp sut rt cao Kiu dáng c a cánh qu t tua bin là m t nhân t quan tr ng     

Hình thn nh t là tua bin xung l 

ging chi c chén nh ng c a nó khi nó chm vào các cánh gió c a tua bin làm tr c sau t g n h t  

ng

Tua bin ph n kích, l c Sir Charles Parsons phát minh vào cu i th k   

c th i qua m t lo t cánh gió c nh và linh ho t Khi qua      

  c t ng giãn nc s 

d ng hi u qu    c trong tua bin xung lc

g p hai l n Có th     c hi    ng cách cho vi c truy  

ng di n ra trong m t s    n riêng l thay vì cùng m t lúc Quy trình này  

c g   c s d ng cho t t c tua bin    

     qua ch   c t p trung và nung nóng l i t    y cánh gió tua bin trung áp Rc

c dn tua bin h áp Các tua bin ki c gp

Hình 3.1  ng d n h  c bên trong m p

3.3 Mô hình hóa đối tƣợng

t gi thi t t    n là t máy ch  c l p, không n

v y, khi ph t     i s i t quay c a máy phát  m v 

c a lu  trên, ta s xây d ng b    u khi n d   ng yêu

c u  nh t quay c  bi ng ph t c coi là nhiu

c a quá trình T   c tiêu c a vi ng là tuy n tính hóa mô 

 u t c, bu ng t ng tua bin

 c l a chp n i ti p có hai khâu gia nhi t l       c

m các y u t u vào, các tr ng thái  ng

u ra t  c a t máy    

3.3.1 Mô hình hóa buồng hơi tua bin

Gi thi t ta có bu        Q in , Q out l   

c vào và ra kh i bu ng tua bin và V là th tích c a bu ng tua bin   

Hình 3.2: Bu ng tua bin 

ng trng trong mi n liên t ng v i hình 3.2 

(3.1)

 W là tr ng c a   c (kg)  ng v i th     c

V(m3) trong bung tua bin

V i gi   thic ra kh i tua bin t l v i áp su t trong bu ng tua      bin, ta có



P là áp sut bi n thiên trong bu ng tua bin  

P 0là áp sut ca bu ng tua bin ng thái  tr nh

Q 0u ra nh c a tua bin ng v i áp su   t nh P 0

Gi thi t r ng nhitrong bui, ta có

v là th tích riêng cc trong tua bin

Kt hp 3.1, 3.2,3.3 ta có

t là m t h ng s , ta có 

Thc hin bii Laplace ta có

V i gi   thi t b qua t n hao công su t trong bu ng tua bin và l c ma sát c a tr     c

   l v i dòng công sui P GV là công suu vào c a bu ng tua bin (kW),   P M làcông suu tr c tua bin máy phát (hay công  su  u ra c a bu ng tua bin - kW), ta có th bi u di n công th   c 

(3.4)

 i d hàm truy n 

Hình 3.3   hàm truy n c a bu ng tua bin   

 y ng v i m i bu ng tua bin, ta có m   hình 3.3, tng v i các hng s th i gian tùy theo k  T t c u c a bu ng tua bin 

3.2.2 Mô hình bu ng tồ ạo hơi và ống áp l c cao ự

Giu khi n và tua bin áp l c cao có m t bu ng t    ng này t o ra thi gian tr gi a s    ng chng ch y qua tua bin cao áp (Gi thi  ctr u khi) Mô hình toán trong hình 3.3 th hi n s    i hng s thi gian T CH

Hình 3.4: Mô hình c a bu ng t   

   a, n t n thng ng cao áp d n t   

nu khi n Gi  thit P SG là là áp su i c a nP T là áp sut biu khi n K PD là h s t n th   ng ng chy vào bu ng t 

Gi thi t b qua t n th   ng ng áp l c t n   n bu ng tua bin cao áp, 

ta có mô hình bu ng t 

T (3.4) và (3.5) k t h p v i gi     thi t l a chp n i ti p v  i hai khâu gia nhit l:

Hình 3.5: C  p n i ti p v hai khâu gia nhi t l i i  

T IRH2: H ng s   thi gian gia nhi l i th 2 (th i gian x t      c t bu ng cao áp 

ti bung trung áp) ng T IRH2=4÷11s

T CO: H ng s   th  m cu i (th i gian x     c t bu ng trung áp t  i

bu ng h áp)   ng T CO=0.3÷0.5s

F VHP: Phân s công su t ca phn tua bin siêu cao áp

F HP: Phân s công su t c  a phn tua bin cao áp

F IP: Phân s công su t c a phn tua bin trung áp  

F LP: Phân s công su t ca phn tua bin h áp

là góc quay ca máy phát (rad);

P mlà công su  u tr c máy phát (kW); 

P elà công sut phát ra c a máy phát (kW); 

Biu di n vi phân c a t    (3.6) trong p,u, ta có

T  n Laplace

Bên ci liên h gi a ph t i và t n s máy phát, ta th y r ng        

ph t i có y u t t ng h p, bao g m các t i thu n tr         u sáng, t i nhi t

 c l p v i s    i t n si theo s thay 

  i c a t n s  n Ta có th bi u di n ph t    i d ng bi u th c   sau:

Hình 3.7: Mô hình máy phát v  i t i ph  thu   c t n s

Hình 3.8: Mô hình máy phát rút g n 

T   mô hình tua bin trong hình 3.5 và và mô hình máy phát trong hình 3.8, ta

có mô hình c a h   thu vào c a h  thng là áp lu khiu ra là t quay c a máy phát, công su t

ca ph i thu t n tr P loadc coi là nhi a quá trình.u c

Hình 3.9: Mô hình c a h   th ng tua bin máy phát 

3.3 Thi t l p hàm truyế ậ ề n và phương trình tr ạng thái của đố i tư ợng

3.3.1 Thiế t lập hàm truy n cề ủa đố i tư ợng

là hàm truy n c áp;

là hàm truy n c a khâu máy phát;

 p c n thi t k b     u khi n d báo d a trên các giá tr    

a bi n tr    d u khi n h th  trình trng thái d a trên các bi n tr ng thái có th     c c a h  ng th

x2(t) là áp su  u vào bu ng tua bin cao áp; 

x3(t) là áp su  u vào bu ng tua bin trung áp; 

x4(t) là áp su  u vào bu ng tua bin h áp;  