ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ TURBINE BẰNG THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN DŨNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ TURBINE BẰNG THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG 𝐇∞ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN&TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2016 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH Phản biện 1: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 2: TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 08 Năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ thống điện Việt Nam bao gồm nhiều loại hình nhà máy cung cấp nguồn cho hệ thống thủy điện, nhiệt điện, phong điện, điện hạt nhân (sẽ đưa vào vận hành sau này),… Trong thủy điện chiếm khoảng 40% cơng suất tồn hệ thống Với đặc điểm nhà máy thủy điện có thời gian khởi động nhanh, đáp ứng nhanh cho yêu cầu hệ thống điện phụ tải cần, góp phần ổn định hệ thống điện tốt Tuy nhiên việc đáp ứng nhanh hay chậm công suất cho hệ thống điện phụ thuộc nhiều vào đặc tính điều tốc tổ máy thủy điện Tuy nhiên nhà máy thủy điện có hồ điều tiết ngày tuần với tham số khâu KP, KI, KD cài đặt từ đầu bất lợi trình vận hành cột áp (H) nhà máy thay đổi theo tín hiệu cột áp tín hiệu đầu vào có giá trị biến thiên Điều làm ảnh hưởng đến trình vận hành như: Q trình khởi động tổ máy có thay đổi; Công suất tổ máy bị suy giảm cột áp thay đổi; Hiệu suất thay đổi, Xuất phát từ thực tế công việc với lý trên, tác giả lựa chọn việc “Điều Khiển Ổn Định Tốc Độ Turbine Thủy Điện Bằng Thuật Điều Khiển Bền Vững H∞” để làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đưa mơ hình điều khiển bền vững với chất lượng tốc độ Turbine ổn định đáp ứng tốt, không phụ thuộc vào thay đổi nhiễu tác động lên hệ Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu tổng quát:  Nâng cao khả đáp ứng tốc độ hệ thống điều tốc turbine phát điện  Tìm phương pháp điều khiển tối ưu nhất, tính tốn khâu điều khiển để xây dựng mơ hình điều khiển - Mục tiêu cụ thể: Xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu để áp dụng vào thực tiễn việc điều chỉnh tốc độ Turbine - máy phát nhà máy thủy điện Srêpôk Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu điều chỉnh tốc độ (Governor) Turbine – máy phát nhà máy thủy điện Srêpôk - Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển đại phương pháp điều khiển  Nguyên cứu chuyên sâu lý thuyết điều khiển bền vững H∞  Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu cho điều tốc Turbine nhà máy thủy điện Srêpôk thuật điều khiển bền vững H∞ Phương pháp nghiên cứu Để thực nghiên cứu đề tài khoa học này, cần phải kết hợp phương pháp sau: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu mơ hình nhà máy thủy điện thiết bị phụ trợ nhà máy thủy điện Srêpôk  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển đại phương pháp điều khiển  Nguyên cứu chuyên sâu lý thuyết điều khiển bền vững H∞  Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu tốc độ Turbine nhà máy thủy điện Srêpôk thuật điều khiển bền vững H∞ - Phương pháp mơ phỏng: Sử dụng cơng cụ tính tốn tìm tối ưu phần mềm Matlab Simulink, tạo liệu mô Bố cục luận văn Luận văn chia làm 04 chương với nội dung chương sau: Chương Tổng quan điều tốc Turbine thủy điện - Bộ điều tốc turbine thủy điện Srêpốk Chương Mơ hình tốn học hệ thống điều tốc turbine thủy điện Chương Lý thuyết điều khiển bền vững Chương Thiết kế điều khiển ổn định tốc độ turbine thủy điện thuật điều khiển bền vững H∞ Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu chia làm bốn loại sau: - Tài liệu mơ tả phương trình động học, xây dựng tổng hợp mơ hình : P Kundur, Power system stability and control, New York: McGraw-Hill Inc., 1994; German Ardul MunozHernandez, Sa'ad Petrous Mansoor, Dewi Leuan Jones, (2013), Modelling and Controlling Hydropower Plants, Springer-Verlag London; J Jan Machowski, Janusz W Bialek, and James R Bumby, (2008), Power System Dynamics and Stability, Second Edition,John Wiley & Sons; … - Tài liệu lý thuyết điều khiển như: GS.TS Nguyễn Doãn Phước, Lý Thuyết Điều Khiển Nâng Cao, (2009); PGS.TS Nguyễn Phương Hà, Lý thuyết điều khiển đại, (2002), Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM; PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng, Lý Thuyết Điều Khiển Nâng Cao, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh ; - Tài liệu tham khảo điều khiển cho hệ thống điều tốc xây dựng: Krishnamoorthy Natarajan, (September 2005), “Robust PID Controller Design for Hydroturbines”; Dr Firas Mohammed Tuaimah, Dr Ibraheem K Ibraheem, (2010), “Robust H∞ Controller Design for Hydro Turbines Governor”, 2nd Regional Conf for Eng Sciences/College of Eng/Al-Nahrain University Part 1, 75-84; Jose J Carreño Zagarra and Rodolfo Villamizar Mejía, (2011), “CACSC tool for Controllers for Hydropower P Automatic Design of Robust lants”, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Computer, Electrical, Automation, Control and Information Engineering Vol:5, No:11; - Tài liệu nội nhà máy thủy điện Srêpốk thuyết minh thiết kế, vẽ hệ thống điều tốc… CHƯƠNG TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN & BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN SRÊPỐK Nhà máy thủy điện Srêpốk khởi công xây dựng ngày 24/12/2005, với tổng công suất 220MW với điện lượng trung bình nhiều năm 1.062,2 triệu kWh cung cấp cho lưới điện Quốc gia Dự án xây dựng địa phận xã Tân Hịa huyện Bn Đơn tỉnh Đăk Lăk, xã Eapo huyện CưJut tỉnh Đăk Nông 1.1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN 1.1.1 Giới thiệu chung Turbine thủy lực thiết bị quan trọng trình sản xuất điện Turbine nơi nhận lượng nước đầu vào (năng lượng sơ cấp) để chuyển hóa thành quay turbine chuyển động máy phát để biến đổi thành điện Bằng thay đổi lưu lượng nước qua turbine, ta có thay đổi cơng suất làm thay đổi công suất phát máy phát điện 1.1.2 Điều chỉnh tốc độ nhà máy điện Tần số chu kỳ biến thiên dòng điện giây phụ thuộc vào vận tốc quay số vòng quay máy phát 𝑝𝑛 𝑓= 60 (1.1) Mặt khác theo phương trình chuyển động ta có: 𝐽 𝑑𝜔 = 𝑇𝑚 − 𝑇𝑒 𝑑𝑡 (1.2) Turbine có cơng thức liên hệ sau [5], [9], [17]: 𝑃𝑚 = 9.81𝜂𝑄𝐻 (1.3) Từ biểu thức (1.3) ta thấy điều chỉnh mơmen chuyển động (hoặc cơng suất Turbine) cách thay đổi lưu lượng (Q), cột áp (H) hiệu suất (𝜂), việc thay đổi (H) ( ) mặt kỹ thuật khó thực khơng hợp lý Do để thay đổi cơng suất turbine ta thay đổi lưu lượng nước (Q) qua turbine cách thay đổi độ mở cánh hướng nước Khi tổ máy hòa lưới việc điều chỉnh tốc độ turbine điều chỉnh tần số công suất phát máy phát 1.1.3 Bộ điều điều tốc Turbine thủy điện Sơ đồ nguyên lý điều tốc đơn giản trình bày bên dưới: Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý điều tốc Hệ thống điều tốc thiết bị điều khiển tốc độ, có nhiệm vụ giữ cho tốc độ luôn giá trị ổn định với tốc độ đặt 1.1.4 Vai trò điều tốc turbine thủy điện hệ thống điện - Đối với hộ tiêu thụ: Khi có thay đổi tần số gây số hậu xấu - Đối với hệ thống điện: Góp phần đáp ứng nhanh cơng suất hệ thống có thay đổi cơng suất hệ thống 1.1.5 Các phương pháp điều khiển điều tốc Turbine thủy điện a Bộ điểu tốc thủy lực Hệ thống điều tốc đơn giản trình bày Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý điều tốc thủy lực b Bộ điều tốc điện: Một điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào (Hình 1.3.) Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển PID Bộ điều tốc dùng thuật điều khiển đại: Phương pháp điều khiển tối ưu; Phương pháp điều khiển bền vững; Phương pháp điều khiển thích nghiPhương pháp điều khiển mờ 1.2 BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN SRÊPÔK 1.2.1 Nhiệm vụ điều tốc Turbine thủy điện Srêpôk Hệ thống điều tốc có chức điều khiển ổn định tốc độ turbine thủy lực, cách so sánh tốc độ đặt với phản hồi để điều khiển cho tốc độ ln ln trì giá trị tốc độ đặt 1.2.2 Thông số điều tốc Turbine thủy điện Srêpốk a Thông số hệ thống Turbine b Thông số hệ thống điều tốc 1.2.3 Sơ đồ khối điều tốc Turbine thủy điện Srêpôk Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc: Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 1.2.4 Đặc tính điều tốc a Đặc tính Speed Droop: Đặc tính Speed Droop nói lên khả đáp ứng cơng suất tổ máy có thay đổi tần số thể qua công thức dưới: 𝐵𝑝 = (∆𝑓⁄𝑓đ𝑚 )⁄(∆𝑃⁄𝑃𝑚𝑎𝑥 ) (%) (1.4) b Đặc tính Speed Level: Đặc tính Speed level thể độ dốc phần trăm dải công suất tổ máy phát ứng với giá trị tần số định mức c Phân bố công suất hai tổ máy làm việc với lưới: Ta thấy đặc tính Speed Droop tổ máy dốc lượng ∆P cơng suất thay đổi tổ máy tần số thay đổi lượng ∆f hai tổ máy có đặc tính Speed Droop khác a) b) Hình 1.5 a) Đặc tính Speed Droop Bp b) Đặc tính Speed Droop khác Bp 1.2.5 Bộ điều khiển PID a Cấu trúc điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID Hình 1.6 : Hình 1.6 Sơ đồ khâu điều khiển PID 10 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN Nhà máy thủy điện Srêpốk nhà máy có mơ hình đường ống áp lực đơn hình dưới: Hình 2.1 Sơ đồ nhà máy thủy điện Srêpốk đường ống áp lực đơn 2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN 2.1.1 Các phương trình hàm truyền turbine thủy lực a Vận tốc nước đường ống áp lực ̅ = ∆𝐻 ̅ + ∆𝐺̅ ∆𝑈 (2.1) b Công suất Turbine ̅ − 2∆𝐺̅ ∆𝑃̅𝑚 = 3∆𝑈 (2.2) c Gia tốc cột nước 𝑇𝑤 = 𝐿𝑈0 𝑎𝑔 𝐻0 ∆𝑃̅𝑚 − 𝑇𝑤 𝑠 = ̅ + 0.5𝑇𝑤 𝑠 ∆𝐺 (2.3) (2.4) 11 Biểu thức (2.4) đại điện hàm truyền đạt “kinh điển” turbine thủy điện Biểu thức nói lên cách turbine thay đổi công suất ngõ để đáp ứng với thay đổi độ mở cánh hướng turbine lý tưởng khơng có tổn thức 𝑎 𝑎21 + (𝑎11 − 13 ∆𝑃̅𝑚 𝑎23 ) 𝑇𝑤 𝑠 = 𝑎23 + 𝑎11 𝑇𝑤 𝑠 ∆𝐺̅ (2.5) Biểu thức (2.5) biểu diễn mơ hình turbine khơng lý tưởng 2.1.2 Mơ hình phi tuyến turbine với cột nước khơng đàn hồi Từ phương trình động lực học xét ta có: ̅ = 𝐺̅ (𝐻 ̅ )2 𝑈 (2.6) ̅𝐻 ̅ 𝑃̅𝑚 = 𝑈 (2.7) Từ biểu (2.6) thức ta có: ̅ 𝑈 ̅=( ) 𝐻 𝐺̅ (2.8) ̅ 𝑈 =− ̅−𝐻 ̅0 𝑇𝑊 𝑠 𝐻 (2.9) Trong Tw số thời gian khởi động nước tải định mức, có giá trị cố định turbine đường ống áp lực tổ máy định tính bằng: 𝐿𝑈𝑟 𝐿𝑄𝑟 𝑇𝑊 = = 𝑎𝑔 𝐻𝑟 𝑎𝑔 𝐴𝐻𝑟 ̅ (𝑈 ̅−𝑈 ̅𝑁𝐿 ) − 𝑃̅𝐷𝑎𝑚 𝑃̅𝑚 = 𝐴𝑡 𝐻 (2.10) (2.11) Mối quan hệ độ mở lý tưởng độ mở thực turbine thể công thức: 12 𝐴𝑡 = 𝐺̅𝐹𝐿 − 𝐺̅𝑁𝐿 (2.12) Công suất cản Turbine tính sau: 𝑃𝐷𝑎𝑚 = 𝐷𝐷𝑎𝑚 𝐺̅ ∆𝜔 ̅ (2.13) Do đó, biểu thức (2.11) viết lại sau: ̅ (𝑈 ̅−𝑈 ̅𝑁𝐿 ) − 𝐷𝐷𝑎𝑚 𝐺̅ ∆𝜔 𝑃̅𝑚 = 𝐴𝑡 𝐻 ̅ (2.14) Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hàm truyền Turbine với đường ống áp lực khơng đàn hồ 2.1.3 Mơ hình hóa hệ thống máy phát – tải a Mơ hình động turbine máy phát điện Phương trìn mơmen máy phát theo phương trình: 𝑇𝑎𝑐𝑐 = 𝐽 𝑑2 𝛿𝑚 = 𝑇𝑚𝑒𝑐 − 𝑇𝑒𝑙𝑒𝑐 𝑑𝑡 (2.15) Hay viết lại thành: 𝑃𝑚𝑒𝑐 − 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 2𝐻 𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 (2.16) b Mơ hình tải máy phát Quan hệ cơng suất công suất điện sau: 𝑑𝜔𝑚 𝑃𝑚𝑒𝑐 − 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 2𝐻 + 𝐷𝜔𝑟 𝑑𝑡 (2.17) Tỷ số truyền động quay trục turbine máy phát (tỷ số truyền động 1:1) viết lại sau: 13 𝑃𝑚𝑒𝑐 − 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 = (2𝐻𝑠 + 𝐷)𝜔 ̅𝑟 Hay việc lại (2.17) dạng cơng suất tải sau 𝜔 ̅𝑟 ⇔ = (2.18) ̅ ̅ 𝑃𝑚𝑒𝑐 − 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 (2𝐻𝑠 + 𝐷) Biểu thức (2.18) phương trình chuyển động hệ turbine máy phát mơ tả hình : Hình 2.3 Mơ hình tải máy phát điện 2.1.4 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển thủy lực c Mơ hình hệ thống thủy lực Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cụm van servomotor Hàm truyền liên hệ ngõ a b là: 𝑏 𝐾1 = 𝑎 + 𝑇𝑝 𝑠 (2.19) Hàm quan hệ ngõ vào b van phân phối độ thay đổi cửa van servo ΔG là: ∆𝐺 𝐾2 = 𝑏 𝑠 (2.20) 14 Từ biểu thức (2.19) (2.20) ta có: ∆𝐺 𝐾1 𝐾2 𝐾𝑎 = = (𝑇 (𝑇 𝑎 𝑎 𝑠 + 1)𝑠 𝑎 𝑠 + 1)𝑠 Giảm chấn bù vào là: ∆𝐺 𝐾1 𝐾2 𝐾𝑎 = = (𝑇𝑎 𝑠 + 1)𝑠 (𝑇𝑎 𝑠 + 1)𝑠 𝑎 (2.21) (2.22) Tín hiệu (a) là: 𝑎 = 𝜔𝑟𝑒𝑓 − 𝜔 − 𝜎∆𝐺 − 𝑐 (2.23) d Mơ hình hệ thống điện Sơ đồ hệ thống thủy lực điện Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc hàm truyền cụm van servormotor điện Hàm khâu servor là: 𝐾𝑎 ∆𝐺 𝐾𝑎 𝑠(𝑇𝑎 𝑠 + 1) = = 𝐾 𝑢 𝑇𝑎 𝑠 + 𝑠 + 𝐾𝑎 + 𝑎 1+ 𝑠(𝑇𝑎 𝑠 + 1) (2.24) 2.2 TỔNG HỢP MƠ HÌNH Hình 2.6 Mơ hình phi tuyến hệ thống điều tốc turbine thủy điện 15 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương xây dựng mơ hình hàm truyền đạt turbine lý tưởng mơ hình hàm truyền đạt turbine không lý tưởng Từ thực tế nhà máy thủy điên Srêpốk đưa mơ hình hệ thống turbine thủy lực có dạng cột nước khơng đàn hồi với đường ống áp lực đơn cung cấp cho turbine CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG H∞ 3.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG 3.1.1 Giới thiệu điều khiển bền vững Hình 3.1 Mơ hình điều khiển bền vững Hệ thống điều khiển bền vững làm cho chất lượng điều khiển đối tượng ổn định, không phục thuộc vào thay đổi đối tượng nhiễu tác động lên đối tượng Mục đích điều khiển bền vững chất lượng vịng kín trì có những thay đổi đối tượng điều khiển (Hình 3.1.) Trong đó:  G: Mơ hình chuẩn (mơ hình danh định)  𝐺̃ : Mơ hình thực tế với sai lệch Δ so với mơ hình chuẩn 16 3.1.2 Mơ tả khơng gian 𝑯∞ 𝑹𝑯∞ 3.1.3 Chuẩn tín hiệu hệ thống 3.1.4 Mơ hình khơng chắn Hệ thống điều khiển bền vững hệ thống thiết kế cho tính ổn định chất lượng điều khiển đảm bảo thành phần không chắn (sai số mơ hình hóa, nhiễu loạn, ) nằm tập hợp cho trước - Các yếu tố khơng chắn làm giảm chất lượng điều khiển, chí làm hệ thống trở nên ổn định - Các yếu tố không xuất mơ hình hóa hệ thống vật lý - Các yếu tố khơng chắn phân làm hai loại:  Mơ hình khơng chắn khơng xác xấp xỉ mơ hình hóa:  Nhiễu từ mơi trường bên ngồi: Phương pháp để xét đến yếu tố không chắn mơ hình hóa hệ thống thuộc tập hợp mơ hình M Thường có hai dạng mơ hình khơng chắn a Mơ hình khơng chắn có cấu trúc (cịn gọi mơ hình tham số khơng chắn) b Mơ hình khơng chắn khơng cấu trúc (cịn gọi mơ hình không cấu trúc) 3.1.5 Cấu trúc M-Δ 3.1.6 Trị suy biến ma trận - Độ lợi 3.1.7 Ổn định nội Ổn định nội yêu cầu hệ thống hồi tiếp thực Ý nghĩa ổn định nội đầu vào hệ thống 17 khơng tất trạng thái hệ thống phải không từ giá trị ban đầu Mọi hệ thống tự động phải bảo đảm ổn định nội hoạt động 3.1.8 Ổn định bền vững Hệ thống gọi ổn định bền vững hệ thống ổn định nội với đối tượng thuộc lớp mơ hình khơng chắn 𝐺̃ cho trước 3.1.9 Chất lượng bền vững Hệ thống gọi chất lượng bền vững hệ thống ổn định nội thỏa mãn tiêu chất lượng mong muốn với đối tượng thuộc lớp mơ hình không chắn 𝐺̃ cho trước 3.2 Thuật điều khiển bền vững 𝐇∞ 3.2.1 Biểu đồ Bode đa biến 3.2.2 Hàm nhạy hàm bù nhạy Định nghĩa hàm nhạy, hàm bù nhạy độ lợi vòng sau: - Hàm nhạy: 𝑆= 1 + 𝐾𝐺 (3.1) 𝑇= 𝐺𝐾 + 𝐺𝐾 (3.2) - Hàm bù nhạy: - Độ lợi vòng: (3.3) 𝐿 = 𝐺𝐾 Như vậy, hàm nhạy hàm bù nhạy có quan hệ ràng buộc: 𝑆+𝑇 = (3.4) 3.2.3 Thiết kế bền vững H∞ Bài tốn: Cho đối tượng ĐK mơ tả mơ hình nhiễu nhân Thiết kế ĐK K(s) cho hệ kín đạt chất lượng bền vững 18 ‖|Wp S| + |Wm T|‖ < ∞ Bước 1: Vẽ hai biểu đồ Bode biên độ: - Ở miền tần số thấp thỏa: |𝑊𝑝 | > > |𝑊𝑚 | - Ở miền tần số cao thỏa: |𝑊𝑝 | < < |𝑊𝑚 | Bước 2: Vẽ biểu đồ Bode biên độ |L(j𝜔)| cho: - Ở miền tần số thấp: |L(j𝜔)| nằm phía biểu đồ Bode (a), đồng thời |L(j𝜔)| ≫ - Ở miền tần số cao: |L(j𝜔)| nằm phía biểu đồ Bode (b), đồng thời |L(j𝜔)| ≪ - Ở miền tần số “rất cao”, độ dốc xuống |L(j𝜔)| phải độ dốc |G(j𝜔)| để đảm bảo K(j𝜔) hợp thức - Độ dốc |L(j𝜔)| thay đổi tốt tần số cắt biên Tốt độ dốc -20dB/dec tần số cắt biên Bước 3: Viết biểu thức L(j𝜔) để có biểu đồ Bode bước Bước 4: Tính 𝐾(𝑗𝜔) = 𝐿(𝑗𝜔)⁄𝐺(𝑗𝜔) Bước 5: Kiểm tra điều kiện chất lượng bền vững ‖|Wp S| + |Wm T|‖ < Nếu khơng thỏa mãn trở lại bước ∞ 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, tác giả sơ lược lý thuyết điều khiển bền vững phương pháp để lựa chọn hàm trọng số, thủ tục để thiết kế cho toán điều khiển bền vững với mơ hình khơng chắn có tham số bất định 19 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG H∞ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ TURBINE THỦY ĐIỆN 4.1 MƠ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG H∞ Sơ đồ điều khiển cấu trúc bền vững hình dưới: Hình 4.1 Sơ đồ rút gọn điều khiển đối tượng Trong đó: 𝐺(𝑠) = 𝐺1 (𝑠) 𝐺2 (𝑠) 𝐺3 (𝑠) 4.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG H∞ 4.2.1 Tiêu chuẩn toán thiết kế điều khiển bền vững H∞ - Sai số xác lập cho phép không e ≤ 1% - Độ điều chỉnh ≤ 15% - Thời gian xác lập < 100 (s) 4.2.2 Thiết kế điều khiển bền vững H∞ a Trình tự để thiết kế điều khiển bền vững H∞ - Bước 1: Xây dựng tổng hợp mơ hình đối tương - Bước 2: Lựa chọn hàm trọng số chất lương Wp(s) hàm trọng số ổn định Wm(s) - Bước 3: Tìm 𝛾 cho Wp(s) Wm(s) thỏa mãn điều kiện ‖𝑊𝑝 𝑆‖∞ < ‖𝑊𝑝 𝑇‖∞ < 1, 𝛾 khơng thỏa quay lại bước - Bước 4: Tím điều khiển H∞ cơng cụ Robust Control Toolbox Matlab Sumilink - Bước 5: Kiểm tra tính ổn định hệ có điều khiển H∞ thỏa ‖|𝑊𝑝 𝑆| + |𝑊𝑚 𝑇|‖∞ < 20 b Thiết kế điều khiển bền vững H∞ - Bước 1: Xây dựng tổng hợp mơ hình đối tượng: Xét tới ảnh hưởng thành phần cốt nước H0 Ta chọn mơ hình có khơng chắn không cấu trúc với nhiễu tác động nhiễu cộng để thiết kế điều khiển bền vững H∞ Hình 4.2 Mơ hình khơng chắn khơng cấu trúc nhiễu cộng Tính thơng số cịn lại hệ thống ta có: 𝐺𝑝 (𝑠) = 𝐺1 (𝑠) 𝐺2 (𝑠) 𝐺3 (𝑠) 𝐺1 (𝑆) = 𝑇𝑎 𝑠2 𝐾𝑎 3.33 = + 𝑠 + 𝐾𝑎 + 0.07𝑠 + 𝑠 + 4.33 (4.1) (4.2) 𝐺2 (𝑠) = ∆𝑃̅𝑚 − 𝑇𝑤 𝑠 − 4.137𝑠 = = ̅ + 0.5𝑇𝑤 𝑠 + 2.0685𝑠 ∆𝐺 (4.3) 𝐺3 (𝑠) = 1 = = 2𝐻𝑠 + 𝐷 2𝑥5.5𝑠 + 11𝑠 + (4.4) Vậy: ⇒ 𝐺𝑝 (𝑠) = 𝑠4 + 14.92𝑠 −9.76𝑠 + 2.356 + 71.07𝑠 + 40.46𝑠 + 4.594 - Bước 2: Chọn hàm trọng số Wpn(s) Wmn(s) Kết ta có hàm Wpn(s) Wmn(s): 0.62667(𝑠 + 0.09) 𝑊𝑝𝑛 (𝑠) = 𝑠 + 0.01487 (4.5) 21 𝑊𝑚𝑛 (𝑠) = 400(𝑠 + 0.04) 𝑠 + 600 (4.6) - Bước 3: Tìm 𝛾𝑛 Để tìm 𝛾𝑛 ta sử dụng cấu trúc lệnh [K,CL,GAM]=hinfsyn(P) kết có: 𝛾𝑛 = 0.9906 (4.7) - Bước 4: Tìm điều khiển với già trị 𝛾𝑛 Từ giá trị 𝛾𝑛 ta có hàm truyền điều khiển Hinf mới: 𝐾𝑖𝑛𝑓𝑛 = 0.02073 𝑠 + 12.75𝑠 + 187.1 𝑠 + 884.9𝑠 + 503.4𝑠 + 57.15 𝑠 + 26.17𝑠 + 243.6𝑠 + 912.1𝑠 + 814.7𝑠 + 514𝑠 + 0.003084 Sơ đồ mô với điều khiển Hinf Hình 4.3 Sơ đồ mơ điều khiển Hinf Kết mô đáp ứng tốc độ thể dưới: 22 a) b) Hình 4.4 a) Đáp ừng điều khiển Hinf b)Biểu đồ bode hàm (S) (T) - Bước 5: Kiểm tra tính ổn định hệ với điều khiển Hinf: Để kiểm tra tính ổn định hệ có điều khiển Hinf ta dựa vào biểu đồ Bode kết thu hình dưới: Hình 4.5 Biểu đồ Bode đánh giá chất lượng bền vững Hinf Từ biểu đồ Bode ta có: ‖|𝑊𝑝𝑛 𝑆| + |𝑊𝑚𝑛 𝑇|‖∞ = 𝑚𝑎𝑥(|𝑊𝑝𝑛 | + |𝑊𝑚𝑛 |) = 0.139 < Vậy điều khiển Hinf thiết kế cho hệ thống kín thỏa mãn điều khiện chất lượng bền vững 4.3 KẾT QUẢ VÀ SO SÁNH Kết đánh giá xét trường hợp với giá trị mực nước hồ Hmax, H0 Hmin Thời gian mô điều khiển PID Hinf 250 (s), thời gian cho mang tải 10(MW) 120 (s) 23 a) b) Hình 4.6 a) Đáp ứng điều khiển PID không tải mang tải b) Đáp ứng điều khiển Hinf không tải mang tải Nhận xét : - Quá trình khởi động:  Bộ điều khiển Hinf có thời gian xác lập 50 (s) sớm điều khiển PID thời gian 60 (s)  Độ điều chỉnh điều khiển PID gần 10% điều khiển Hinf gần khơng có - Q trình mang tải: Khi mang tải hai điều khiển để có giảm tốc độ có tải tác động, thời gian để tốc độ xác lập lại 40 (s) 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Như trình bày từ Chương 1, tổ máy thủy điện Srêpốk hồ điều tiết ngày, ngày tham số cột nước H0 thay đổi ngày làm ảnh hưởng đến trình khởi động tổ máy GOV dùng điều khiển PID Tuy nhiên với điều khiển Hinf ảnh hưởng cột nước đến trình khởi động hạn chế thời gian xác lập nhanh Do điều khiển Hinf tối ưu so với điều khiển PID 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Trong trình thực hiên nghiên cứu đề tài với đối tượng điều khiển thực, nhiên để có tất thơng tin tham số GOV nhà máy điều khó Chính điều này, tác giá nghiên cứu khảo sát đối tượng Turbine lý tưởng khơng xét đến mơ hình phi tuyến đối tượng Vấn đề nghiên cứu đối tượng GOV nhà máy, tác giả xét tới trình khởi động mang tải đối tượng để đánh giá xem chất lượng điều khiển Hinf có đạt tiêu chí đề khơng, đồng thới so sánh với điều khiển PID để so sánh Toàn luân văn bám sát tên luận văn đề tài, vào trọng tâm phương pháp điều khiển bền vững H∞ KIẾN NGHỊ Để nghiên cứu đối tượng GOV xem điều khiển có đảm bảo chế độ làm việc hệ thống GOV hay khơng, cần phải khảo sát q trình làm việc hệ thống GOV chế độ P Mode, F Mode Tuy nhiên thời gian ngắn nên tác giả không khảo sát mô đầy đủ chế độ điều tốc Chính lý trên, tác giả có kiến nghị hướng nghiên cứu phát triển đề tài cho học viên muốn tìm hiểu hệ thống GOV điều khiển Hinf sau:  Nghiên cứu trình hệ thống GOV làm việc chế độ cố định công suất (P Mode)  Nghiên cứu trình hệ thống GOV làm việc chế độ điều tần (F Mode) có xét đến thời gian đáp ứng