Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHẠM CÔNG ĐỨC ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHẠM CÔNG ĐỨC ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi.Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Phạm Công Đức MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo Tuabin khí 1.2.1 Khối nén khí 1.2.2 Buồng đốt 1.2.3 Tuabin 1.2.4 Hệ thống thấp áp – cao áp 1.3 Các phương pháp điều khiển Tua bin khí 11 1.3.1 Các nghiên cứu nước 11 1.3.2 Các nghiên cứu nước 13 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA TỔ HỢP TUA BIN KHÍ 21 2.1 Nguyên lý hoạt động tua bin khí 21 2.2 Mô hình tốn học hệ thống tua-bin khí (GT- Gas Turbine) 22 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG TUABIN KHÍ 35 3.1 Logic mờ điều khiển mờ 35 3.1.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ 35 3.1.2 Định nghĩa tập mờ 35 3.1.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ 37 3.1.4 Suy luận mờ luật hợp thành 37 3.1.5 Bộ điều khiển 39 3.1.6 Bộ điều khiển mờ PID (F-PID) 42 3.2 Thiết kế điều khiển mờ PID cho hệ thống tua bin khí 44 3.2.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển 44 3.2.2 Tính tốn thơng số điều khiển mờ PID 47 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 50 4.1 Sơ đồ hệ thống mơ phịng mờ PID 50 4.2 Mô điều khiển mờ PID cho hệ thống tua bin khí 55 4.2.1 Khối điều khiển mờ 55 4.2.2 Kết mô 57 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ Học viên:Nguyễn Phạm Cơng Đức Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 Khóa: K31Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Động tua bin khí với khối lượng kích thước nhỏ gọn so với loại động cơng suất khác, có tính động cao, công suất lớn ứng dụng rộng rãi trạm phát điện tĩnh phương tiện giao thông vận tải Từ xuất nay, động tua bin khí khẳng định tính ưu việt loại động thay ngành hàng không lĩnh vực tàu thủy Đặc điểm tuabin khí cấu tạo đơn giản, hỏng hóc tuổi thọ lớn Nhược điểm chúng đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao khó biến đổi thơng số trực tiếp Chính việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí cịn nhiều khả mở để nhà khoa học tham gia nghiên cứu phát triển ứng dụng Từ tác giả chọn hướng nghiên cứu thiết kế điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không phức tạp, đảm bảo tính đáp ứng nhanh khả kháng nhiễu tốt, thay đổi tham số hệ thống, đề tài “Ứng dụng logic mờ thiết kế điều khiển tốc độ tuabin khí” thực nhằm nâng cao chất lượng động học điều khiển tua bin khí Từ khóa - Gas Turbine; Heavy Duty Gas Turbine; PID controller; Fuzzy logic; Abstract - Gas turbine engines with compact size and light weight compared to other types of engines with the same power, have high mobility and are currently being widely used in static power stations and transportation vehicles Since its appearance, Gas turbine engines have proved their superiority and they are engines that can’t be replaced in aviation and ship industry The principal characteristics of gas turbines are simple structure, less failure and long life Their disadvantages are complex controllability, high nonlinearity and difficulty to change parameters directly Therefore, research into gas turbine control is still open to scientists to participate in research and development In light of this,the authors have chosen to study and design a controller for gas turbine engines with the following goals: building structure is not too complicated, but ensures fast response, resistance to interference of the changes taking system number and easy to change system parameters This paper "Design of fuzzy controller to control the speed of gas turbine" will present the design of the a gas turbine controller that has improved kinetic quality Keyword - Gas Turbine; Heavy Duty Gas Turbine; PID controller; Fuzzy logic; DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Pa P1 Áp suất biên máy nén Áp suất đường ống vào P2 P3 Áp suất cửa xả máy nén Áp suất đầu vào Tuabin P4 Áp suất đầu Tuabin P5 Áp suất đầu Ống xả w1 Dòng khí vào máy nén w2 w3 Dịng khí máy nén Dịng khí vào tuabin w4 w5 WFe Ta Dịng khí tuabin Dịng khí ống xả Tỉ lệ lượng nhiên liệu động Nhiệt độ biên máy nén T1 T2 T3 T4 T5 Nhiệt độ đường ống vào Nhiệt độ phân phối máy nén Nhiệt độ đầu vào tuabin Nhiệt độ khỏi tuabin Nhiệt độ ống xả Tỉ số gia nhiệt N QT Tốc độ rotor Mômen tuabin QC ŋc Mômen máy nén Hiệu suất đường ống vào JR e1 Wf f1 W Nhiệt dung trung bình khí chảy tuabin Mơ men quán tính rotor Đầu Hệ thống nhiên liệu Đầu phân phối khí gas nhiên liệu Tốc độ tuabin Công suất tăng tốc máy phát maxF minF kNL b Giới hạn lớn yêu cầu nhiên liệu Giới hạn nhỏ yêu cầu nhiên liệu Lượng nhiên liệu tiêu thụ không tải Hằng số thời gian định vị Van nhiên liệu (s) TFS Thời gian trễ hệ thống nhiên liệu (s) kF TCR TTD Độ lợi phản hồi hệ thống nhiên liệu Thời gian trễ buồng đốt (s) Thời gian trễ tuabin đến hệ thống xả (s) TCD A Thời gian trễ máy nén (s) Thơng số khối mơmen tuabin khí B C Thơng số khối mơmen tuabin khí Thơng số khối nhiệt độ khí thải tua bin khí (oC) D Thơng số khối nhiệt độ khí thải tua bin khí (oC) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC GT ŋGT Gas Turnbine Hiệu suất GT HDGT KP , KI , KD Heavy Duty Gas Turbine PID parameters DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Bảng luật hợp thành hệ số KP 48 Bảng 3.2 Bảng luật hợp thành hệ số KI 49 Bảng 3.3 Bảng luật hợp thành hệ số KD 49 Bảng 4.1 Thông số định danh mơ hình hệ HDGT 50 Bảng 4.2 Các thơng số tính tốn hiệu suất máy nén tuabin hoạt động 50 Bảng 4.3 Lượng nhiên liệu tối thiểu để trì buồng đốt hoạt động không tải 52 Bảng 4.4 Dữ liệu để tính độ trễ hệ thống nhiên liệu 52 Bảng 4.5 Dữ liệu để tính độ trễ khâu xả máy nén 52 Bảng 4.6 Bảng giá trị tham số sử dụng cho mô hình HDGT 53 Bảng 4.7 So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu 0.005 57 Bảng 4.8 So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu 0.01 58 Bảng 4.9 So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu 0.05 59 Bảng 4.10 So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu 0.1 60 Bảng 4.11.So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu 0.15 61 Bảng 4.12 So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu 0.2 62 62 Về tiêu độ điều chỉnh, sử dụng điều khiển PID độ q điều chỉnh khơng kiểm sốt được, điều làm ảnh hưởng đến hệ thống q trình mở máy Cịn sử dụng điều khiển mờ PID độ điều chỉnh 0.3%, số nhỏ, thơng số tương đối tốt, làm cho q trình mở máy hệ thống truyền động điện an toàn Về sai lệch tĩnh phương pháp điều khiển mờ PID đáp ứng tốt với yêu cầu hệ thống Mơ với tham số nhiễu 0.2 Hình 4.11 Kết mô thử nghiệm với nhiễu 0.2 Bảng 4.12 So sánh kết mô hai điều khiển với tham số nhiễu s0.2 CHỈ TIÊU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BỘ ĐK MỜ PID Thời gian độ (s) x 20 Độ điều chỉnh (%) x 0.4 Sai lệch tĩnh x Qua bảng so sánh kết mô điều khiển ta thấy điều khiển PID tốc độ khơng xác, cịn điều khiển mờ PID thời gian độ 20 giây, tiêu thời gian độ điều khiển mờ PID tốt so với điều khiển PID 63 Về tiêu độ điều chỉnh, sử dụng điều khiển PID độ điều chỉnh khơng kiểm sốt được, điều làm ảnh hưởng đến hệ thống trình mở máy Còn sử dụng điều khiển mờ PID độ điều chỉnh 0.4%, số nhỏ, , thông số tương đối tốt, làm cho trình mở máy hệ thống truyền động điện an tồn Về sai lệch tĩnh phương pháp điều khiển mờ lai đáp ứng tốt với yêu cầu hệ thống 64 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài thực vấn đề sau: - Nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế hệ truyền động tua bin khí, kỹ thuật điều khiển hệ truyền động tua bin khí - Tìm hiểu, phân tích thơng số hệ thống tua bin khí - Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết điều khiển mờ, điều khiển PID, kết hợp điều khiển mờ điều khiển PID - Ứng dụng phương pháp điều khiển mờ điều khiển PID để thiết kế điều khiển mờ lai PID cho hệ truyền động tua bin khí Mơ hình hóa mơ tồn hệ thống thống qua phần mềm Matlab, từ đánh giá điều khiển thiết kế Bộ điều khiển thiết kế đáp ứng tốt hệ thống truyền động Qua trình nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế Đề tài thực việc mơ hình hóa mơ tồn hệ thống thông qua phần mềm Matlab, kết cho thấy điều khiển mờ lai PID thiết kế làm việc tốt, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điều khiển, nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Hướng phát triển đề tài Bộ điều khiển mờ lai PID thiết kế hoạt động theo mơ hình HDGT, nhiên đề tài dừng lại vấn đề nghiên cứu lý thuyết, thời gian tới, hướng phát triển đề tài cần phải đưa vào mơ hình thực tế để kiệm nghiệm thực tế hoạt động điều khiển Qua trình kết nghiên cứu, ta thấy kết hợp điều khiển mờ điều khiển PID kết hợp hoàn tồn đắn, điều khiển PID đóng vai trị chủ đạo việc ổn định tốc độ hệ thống, cịn điều khiển mờ có vai trị giám sát chỉnh định tự động thông số điều khiển PID 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyen Hoang Mai, Tran Van Dung (2018), “the analysis of local oscillation in the gas turbine generator connectto power grid systems use linear observer” [4] W I Rowen, “Simplified mathematical representations of single shaft gas turbines in mechanical drive service” presented at the Int Gas Turbine and Aeroengine Congr and Expo., Cologne, Germany, 1992, unpublished” [5] Saeed Balochian, Soheil Vosoughi (2012), “Design and simulation of turbine speed control system based on Adaptive Fuzzy PID controller” [6] M Bazazzadeh, A Shahriari (2010), “ Designing a fuzzy logic controller for gas turbine performance using neural network” [7] S.Balamurugan, R.Joseph Xavier, A.Ebenezer Jeyakumar (2010), “Fuzzy based controller for heavy duty gas turbine plant” [8] Surti Ammar, Ruting Jia, Wenyuan Xiao (2015), “Control of Gas Turbine’s speed with a fuzzy logic controller” [9] Azadeh mansouri Mansourabad, Mohammad Taghi Hamidi Beheshti, Mohsen Simab (2013), “ A hybrid PSO_Fuzzy_PID Controller for gas turbine speed control” [10] Morteza Montazeri, AmirSafari (2007), “Design of Gas turbine engine fuel control system using fuzzy logic” ... Rowen 35 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG TUABIN KHÍ 3.1 Logic mờ điều khiển mờ 3.1.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ Từ năm đầu thập kỷ 90 nay, hệ điều khiển mờ nhà khoa học... Chƣơng Thiết kế bô điều khiển mờ điều khiển tốc độ tua bin khí Chương giới thiệu phương pháp điều khiển mờ trượt, xây dựng cấu trúc điều khiển mờ trượt cho mơ hình trạng thái xét, mô kiểm chứng kết... tua-bin khí (GT- Gas Turbine) 22 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG TUABIN KHÍ 35 3.1 Logic mờ điều khiển mờ 35 3.1.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ