Điều khiển nhiệt độ hơi bão hòa trong nhà máy nhiệt điện sử dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC trên nền loogic mờ

Điều khiển nhiệt độ hơi bão hòa trong nhà máy nhiệt điện sử dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC trên nền loogic mờ Điều khiển nhiệt độ hơi bão hòa trong nhà máy nhiệt điện sử dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC trên nền loogic mờ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI BÃO HOÀ TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRÊN NỀN LOGIC MỜ NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NGUYỄN ĐỨC PHONG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN XUÂN MINH HÀ NỘI 2009 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học Tác giả luận văn NGUYỄN ĐỨC PHONG Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I 10 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỰA MƠ HÌNH 10 1.1 TỔNG QUAN 10 1.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA MPC 11 1.3 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THEO MƠ HÌNH 15 CHƯƠNG II 17 XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC MỜ 17 2.1 HỆ LOGIC MỜ 17 2.2 MƠ HÌNH MỜ: 18 2.2.1 Xây dựng mơ hình mờ dự báo cho hệ phi tuyến 18 2.2.2 Cấu trúc hệ mờ dự báo cho đối tượng phi tuyến 19 2.2.3 Lựa chọn thành phần vector hồi quy 20 2.2.4 Tính tốn, định thơng số cho mơ hình mờ 22 2.2.4.1 Bình phương cực tiểu mẻ (Batch least Squares) 22 2.2.4.2 Bình phương cực tiểu hồi quy (Recursive least Squares) .25 CHƯƠNG III 30 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MPC TRÊN NỀN FLS 30 3.1 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN: 30 3.1.1 Khối tạo “Tạo tín hiệu chuẩn” 30 3.1.2 Khối “Mơ hình” 31 3.1.3 Khối “hàm mục tiêu” 36 3.1.4 Khối “Tối ưu hoá” 37 3.2.PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHIẾM HÀM MỤC ĐÍCH: 37 Trang 3.2.1 Phương pháp thuật giải di truyền (Genetic Algorithm) 38 3.2.1.1 Mã hoá nhiễm sắc thể 40 3.2.1.2 Khởi tạo quần thể 41 3.2.1.3 Xây dựng hàm thích nghi 41 3.2.1.4 Các phép toán thuật toán di truyền 42 3.2.1.5 Cấu trúc thuật toán di truyền tổng quát 45 3.2.2 Phương pháp rẽ nhánh giới hạn (Branch and Bound) 47 3.2.2.1 Nguyên lý hoạt động 47 3.2.2.2 Ưu nhược điểm phương pháp hướng khắc phục 49 3.3 ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT 52 CHƯƠNG IV 54 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MPC TRÊN NỀN FLS CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI 54 4.1 GIỚI THIỆU VỀ Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT HƠI TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI 54 4.1.1 Giới thiệu tổng quan nhà máy 54 4.1.2 Chu trình nước 55 4.1.3 Tổng quan lò 59 4.2 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 72 4.3 XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 77 4.4 THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ MPC VÀ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB-SIMULINK 79 4.4.1 Thu thập liệu 79 4.4.2 Xây dựng mơ hình mờ dự báo cho đối tượng “Hơi q nhiệt” 80 4.4.2.1 Xác định phần tử hồi quy thích hợp ( ϕ ) 81 4.4.2.2 Xác định cấu trúc mơ hình mờ 82 4.4.2.3 Xác định tham số thích hợp cho mơ hình mờ ( θ ) 82 4.4.2.4 Thực thi thuật tốn xây dựng mơ hình mờ dự báo .83 Trang 4.4.2.4 Kết nhận dạng 84 4.4.3 Xây dựng điều khiển theo phương pháp Rẽ nhánh giới hạn – B&B 90 4.4.3.1 Chỉnh định hệ số tỉ lệ γ 90 4.4.3.2 Thực thi điều khiển B&B 90 4.4.3.2 Kết mô điều khiển B&B 91 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 DANH MỤC HÌNH VẼ H 1.1: Hệ thống điều khiển số 12 H 1.2: Các thành phần điều khiển dự báo 12 H 1.3: Dự báo tín hiệu điều khiển với khoảng dự báo Nu 13 H 1.4 Dự báo tín hiệu với tầm dự báo Ny 13 Hình 1.5 Lưu đồ thuật toán MPC 15 Hình 2.1 Tìm kiếm để chọn thành phần hồi quy 21 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo 30 Hình 3.2 Quỹ đạo quy chiếu 31 Hình 3.3 Đáp ứng xung 33 Hình 3.4 Đáp ứng bước nhảy 34 Hình 3.5 Bánh xe quay Roulette 43 Hình 3.6 Sơ đồ thực thi giải thuật di truyền 46 Hình 3.7 Sơ đồ minh hoạ nguyên lý thuật tốn Branch and Bound 47 Hình 4.1 Tổng quan chu trình nước nhà máy nhiệt điện Phả Lại 55 Hình 4.2 Tổng quan chu trình nhiệt nhà máy 56 Hình 4.3 Hệ thống nước tuần hồn hình chữ U bình ngưng 57 Trang Hình 4.4 Chu trình gia nhiệt hạ áp 58 Hình 4.5 Chu trình gia nhiệt cao áp 58 Hình 4.6 Mơ lị 61 Hình 4.7 Cấu tạo buồng đốt 64 Hình 4.8 Bộ nhiệt 65 Hình 4.9 Giàn ống sinh 66 Hình 4.10 Bao lò 69 Hình 4.11 Mặt cắt bao 70 Hình 4.12 Các nhiệt lò 74 Hình 4.13 Mạch điều khiển điều khiển PID truyền thống 75 Hình 4.14 Tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến nhiệt đưa vào xử lý đầu tín hiệu trung bình đưa vào điều khiển MPC 76 Hình 4.15 Mơ hình điều khiển dùng PID 77 Hình 4.16 Hàm thành viên cho mơ hình 78 Hình 4.17 Mơ hình điều khiển dự báo dựa Logic mờ 79 Hình 4.18 Kết thu thập liệu 80 Hình 4.19 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=10,NN=7 92 Hình 4.20 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=20,NN=7 93 Hình 4.21 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=10,NN=7 94 Hình 4.22 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=20,NN=7 94 Hình 4.23 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=10,NN=7 95 Hình 4.24 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=20,NN=7 96 Hình 4.25 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=10,NN=7 96 Hình 4.26 Bộ điều khiển B&B: lamda=0.1;Hp=20,NN=7 97 Trang DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật lị phụ tải cực đại định mức 59 Bảng 4.2 Đặc tính kỹ thuật than 62 Bảng 4.3 Đặc tính kỹ thuật dầu 63 DANH MỤC VIẾT TẮT MPC Model Predictive Control GPC General Predictive Controller PID Proportional Differential Derivative GA Genetic Algorithm B&B Branch and Bound MIMO Multi Input Multi Output FIS Fuzzy Inference System TS, TSK Tagaki – Sugeno Model FLS Fuzzy Logic System DCS Distributed Control System DANH MỤC CÁC KÝ TỰ i số j số k thời gian, số p số q số un đầu vào thứ n q trình ym đầu thứ m mơ hình, trình Trang u vector đầu vào trình y vector đầu trình yd đầu trình thực  yd đầu dự báo mơ hình θ vector tham số xi vector đầu vào ϕ vector hồi quy yref vector tín hiệu đặt q trình U vector tín hiệu điều khiển dự báo toàn miền điều khiển Y vector đầu dự báo mơ hình tồn miền dự báo Yo  Y vector quỹ đạo tự phi tuyến toàn miền dự báo Yref vector tín hiệu đặt tồn miền dự báo t biến thời gian J phiếm hàm mục tiêu E hàm mục tiêu  vector đầu dự báo trình tồn miền dự báo θ vector tham số dự báo I ma trận đơn vị e vector sai lệch ek sai lệch bước thứ k g vector gradient pm xác suất đột biến pc xác suất lai ghép λ trọng số phiếm hàm mục tiêu Hc giới hạn điều khiển Trang Hp giới hạn dự báo TDLu đường dây trễ đầu TDLy đường dây trễ đầu Nu số đầu vào trình Ny số đầu trình DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ET chuyển vị ma trận E P-1 ma trận nghịch đảo mà trận P v chuẩn vector v Trang MỞ ĐẦU Phương pháp điều khiển dự báo đời cách khoảng hai thập kỷ có nhiều ứng dụng thành công công nghiệp Hiện nay, điều khiển dự báo chiến lược điều khiển sử dụng phổ biến việc điều khiển trình Bộ điều khiển dự báo dung mơ hình để đốn trước đáp ứng tương lai đối tượng điều khiển thời điểm rời rạc phạm vi dự báo định Dựa vào đáp ứng dự báo này, thuật tốn tối ưu hố sử dụng để tính tốn chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai phạm vi điều khiển cho sai lệch đáp ứng dự báo mơ hình tín hiệu chuẩn cho trước tối thiểu Phương pháp điều khiển dự báo phương pháp tổng quát thiết kế điều khiển miền thời gian áp dụng cho hệ tuyến tính hệ phi tuyến, nhiên thực tế, việc áp dụng chiến lược điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến gặp nhiều khó khăn: - Thứ phải xây dựng mơ hình để dự báo xác trạng thái q trình cần điều khiển phạm vi dự báo Đối với hệ phi tuyến, việc xây dựng mơ hình tốn học xác tốn khó đặc tính phi tuyến đa dạng - Thứ hai phải giải toán tối ưu phi tuyến để tính tốn chuỗi tín hiệu điều khiển phạm vi điều khiển, thường tốn tối ưu khơng lồi có nhiều cực trị cục Tất toán tối ưu hoá phi tuyến thuật toán lặp địi hỏi số lượng phép tính lớn, điều làm hạn chế khả áp dụng chiến lược điều khiển dự báo vào hệ thống tốc độ cao Các nghiên cứu thiết kế điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến chủ yếu tập trung vào việc giải hai khó khăn vừa nêu ... hình mờ phương pháp điều khiển lựa chọn để giải toán điều khiển nhiệt nhà máy nhiệt điện chương trình bày phương pháp xây dựng mơ hình dự báo sở hệ logic mờ mơ hình dự báo gọi mơ hình dự báo mờ. .. 54 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MPC TRÊN NỀN FLS CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI 54 4.1 GIỚI THIỆU VỀ Q TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT HƠI TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ... MỞ ĐẦU Phương pháp điều khiển dự báo đời cách khoảng hai thập kỷ có nhiều ứng dụng thành công công nghiệp Hiện nay, điều khiển dự báo chiến lược điều khiển sử dụng phổ biến việc điều khiển trình