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

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Hoàng Minh Sơn, ngƣời giúp đỡ nhiệt tình kịp thời chuyên môn thực luận văn Bên cạnh đấy, ngƣời viết bày tỏ lòng biết ơn đến tất thầy cô Bộ môn Điều khiển Tự động - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, ngƣời truyền đạt kiến thức sở quý báu cần thiết để ngƣời viết hoàn thành đƣợc luận văn Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám đốc Viện thủy điện Năng lƣợng tái tạo đồng nghiệp giúp đỡ động viên thời gian nghiên cứu thực luận văn Xin chân thành cám ơn gia đình, vợ con, ngƣời động viên tinh thần giúp đỡ nhiều trình thực luận văn LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lê Việt Hùng Sinh ngày 31 tháng 08 năm 1978 Học viên lớp cao học Điều khiển Tự động hố - Khóa BK2011B Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội Hiện công tác Viện Thủy điện Năng lƣợng tái tạo Xin cam đoan: Đề tài ”Thiết kế và mô hệ thống điều khiển dự báo turbine hơi” thầy giáo, PGS.TS Hồng Minh Sơn hƣớng dẫn cơng trình riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Nội dung phƣơng pháp thực 1.2 Phƣơng pháp thực .8 1.3 Bố cục luận văn Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 10 2.1 Giới thiệu chung .10 2.2 Các dạng mơ hình đƣợc sử dụng thiết kế 12 2.3 Mơ hình trạng thái với thành phần tích phân mở rộng 13 2.4 Điều khiển dự báo cửa sổ tối ƣu 16 2.5 Điều khiển dự báo cho hệ MIMO 22 Chƣơng 3: ĐỐI TƢỢNG TUA BIN HƠI 29 3.1 Giới thiệu chung tua bin 29 3.2 Cấu tạo nguyên lý vận hành .29 3.3 Mơ hình hóa đối tƣợng 31 3.3 Thiết lập hàm truyền phƣơng trình trạng thái đối tƣợng .38 3.4 Các kiểu điều tốc tua bin đƣợc ứng dụng 41 3.5 Tóm tắt 46 Chƣơng 4: PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ MPC SỬ DỤNG HÀM LAGUERRA 47 4.1 Giới thiệu 47 4.2 Hàm Laguerre and DMPC 47 4.3 Sử dụng hàm Laguerra thiết kế MPC 49 4.4 Áp dụng cho hệ thống MIMO 54 4.5 Giải pháp chặn tín hiệu với điều kiện ràng buộc cho hệ SISO .57 Chƣơng 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPC CHO TUA BIN HƠI 62 5.1 Các bƣớc thiết kế điều khiển dự báo sử dụng hàm Laguerra 62 5.2 Giả lập hàm truyền phƣơng trình trạng thái hệ thống tua bin 63 5.3 Xét tính điều khiển đƣợc quan sát đƣợc phƣơng trình mở rộng 65 5.4 Thiết kế điều khiển DMPC 66 5.5 Đánh giá tính ổn định hệ thống với điều khiển DMPC 66 5.6 Kết mô hệ thống điều khiển dự báo Tua bin 67 5.7 Nhận xét 76 Chƣơng 6: KẾT LUẬN 77 6.1 Kết luận văn .77 6.2 Ý nghĩa thực tiễn 77 6.3 Khả mở rộng luận văn .78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Phụ lục: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN MPC SỬ DỤNG HÀM LAGUERRA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB 80 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1: Một dạng điều khiển dự báo dựa theo mơ hình 12 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo rời rạc theo thời gian 22 Hình 3.1: Đường dẫn nước bên tua bin đa hợp 31 Hình 3.2: Buồng tua bin 32 Hình 3.3: Sơ đồ hàm truyền buồng tua bin 33 Hình 3.4: Mơ hình buồng tạo .34 Hình 3.5: Cấu trúc tua bin đa hợp nối tiếp với hai khâu gia nhiệt lại .35 Hình 3.6: Mơ hình tuyến tính xấp xỉ 35 Hình 3.7: Mơ hình máy phát với tải phụ thuộc tần số 37 Hình 3.8: Mơ hình máy phát rút gọn 38 Hình 3.9: Mơ hình hệ thống tua bin – máy phát 38 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý điều tốc thủy lực 42 Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển điều tốc điện thủy lực .43 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý điều tốc điện tử .45 Hình 3.13: Đặc tính độ dốc (4%) điều tốc 46 Hình 4.1: Mạng Laguerre rời rạc hóa (Discrete Laguerre network) .48 Hình 5.1:Đáp ứng bước đối tượng tua bin 65 Hình 5.2: Giá trị riêng biểu diễn mặt phẳng phức 67 Hình 5.3: Hệ thống điều khiển MPC mạch vịng kín cho tua bin .68 Hình 5.4: Kết mơ đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo với tham số a=0.5; N=5; rw =0.1; 69 Hình 5.5: Kết mô đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo a thay đổi: a=0.1; a=0.4 a=0.7; 70 Hình 5.6: Kết mơ đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo N thay đổi: N=5; N=10 N=15; 71 Hình 7: Kết mơ đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo thay đổi rw: rw =0.001; rw =0.01; rw =0.1; .72 Hình 5.8: Kết mô đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo với điều kiện ràng buộc umax=4;umin=0.1; Δumax=0.1; Δumin=-1; 73 Hình 9: Kết mô đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo với nhiễu tải Pl=1 p.u; 74 Hình 10: Kết mô hệ thống điều khiển dự báo với nhiễu tải Pl=1 p.u với điều kiện ràng buộc umax=4;umin=-0.1; Δumax=0.1; Δumin=-1; 75 Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Nhà máy điện đại tổ hợp phức tạp hệ thống đƣờng ống, máy móc với vơ số mạch vịng điều khiển tƣơng tác với hệ thống phụ trợ Tất mạch vịng đáp ứng lệnh điều khiển từ trung tâm, trung tâm điều khiển đƣa điểm làm việc điều khiển chế độ làm việc nhà máy Sơ đồ điều khiển phối hợp đáp ứng yêu cầu điều khiển hệ thống nồi hơi-tua bin-máy phát, hài hòa đáp ứng chậm đối tƣợng lò với đáp ứng nhanh tua bin-máy phát, để đạt đƣợc đáp ứng nhanh ổn định tổ máy thay đổi phụ tải nhiễu phụ tải Điều khiển dự báo dựa theo mơ hình (MPC) phƣơng pháp tiếp cận tiên tiến, đem lại hiệu việc điều khiển nhà máy điện Trong luận văn này, ta xem xét đến việc ứng dụng điều khiển dự báo dạng phân cấp cho đối tƣợng tua bin hệ thống điều khiển nhà máy điện Tua bin thiết bị khí chuyển lƣợng nƣớc thành chuyển động quay Thiết bị yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay để tránh hƣ hỏng vật lý tới hệ thống Gia tốc không đƣợc điều khiển tua bin dẫn đến tua bin chạy tốc độ, dễ gây hƣ hại với tua bin, phải nhấn mạnh thêm tua bin đắt yêu cầu khắt khe độ xác chất lƣợng vật liệu Do có cấu điều khiển đƣợc sử dụng để ổn định tốc độ tua bin, mục đích luận văn sử dụng điều khiển MPC để điều khiển tốc độ tua bin hơi, qua giúp ta hiểu rõ đặc tính điều khiển MPC Ngoài ra, ứng dụng điều khiển MPC cho điều khiển tốc độ tua bin hƣớng mới, đòi hỏi xem xét so sánh với tiêu chuẩn điều khiển tốc độ tua bin Mặt khác, việc xây dựng điều khiển MPC dựa công nghệ vi xử lý, địi hỏi khả tính tốn lớn, tốc độ tua bin – máy phát đối tƣợng có đáp ứng nhanh, đó, câu hỏi đặt tốc độ tính tốn điều khiển có đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển tốc độ tua bin – máy phát 1.2 Nội dung phƣơng pháp thực 1.2.1 Tên đề tài ”Thiết kế và mô hệ thống điều khiển dự báo turbine hơi” 1.2.2 Nhiệm vụ Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo để điều khiển tốc độ cho tua bin mô hệ thống với điều khiển dự báo đạt đƣợc 1.3 Nội dung thực hiện: • Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế điều khiển dự báo dựa theo mơ hình khơng gian trạng thái phƣơng pháp thiết kế điều khiển dự báo theo mơ hình khơng gian trạng thái sử dụng hàm Laguerra • Thiết kế điều khiển dự báo sử dụng hàm Laguerra dùng cơng cụ Matlab • Tiến hành mô đánh giá kết đạt đƣợc 1.2 Phƣơng pháp thực Sử dụng mơ hình đối tƣợng tua bin đƣợc chuẩn hóa dƣới dạng đơn giản phƣơng pháp thiết kế điều khiển dự báo 1.3 Bố cục luận văn Luận văn đƣợc bố cục thành chƣơng, bao gồm phần tóm tắt nguyên lý điều khiển dự báo, phƣơng án tiếp cận đối tƣợng tua bin chi tiết bƣớc tiến hành thiết kế điều khiển dự báo mô hệ thống Chƣơng 1: Mở đầu Chƣơng 2: Tổng quan điều khiển dự báo Chƣơng 3: Đối tƣợng tua bin Chƣơng 4: Phƣơng pháp thiết kế MPC sử dụng hàm Laguerra Chƣơng 5: Thiết kế điều khiển MPC cho tua bin Chƣơng 6: Kết luận Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 2.1 Giới thiệu chung Điều khiển dự báo dựa mơ hình phƣơng pháp tiên tiến điều khiển trình, đƣợc áp dụng q trình cơng nghiệp cơng nghiệp hóa chất, lọc dầu từ thập niên 80 kỷ 20 Những năm gần đây, đƣợc áp dụng mơ hình cân hệ thống nguồn điện Các điều khiển dự báo dựa mơ hình động học q trình, thƣờng mơ hình tuyến tính thực nghiệm thu nhận đƣợc qua phƣơng pháp nhận dạng hệ thống Ƣu điểm MPC cho phép điều khiển tối ƣu thời điểm có xét đến yếu tố tƣơng lai Có nghĩa giải tốn tối ƣu liên quan đến cửa sổ thời gian xác định nhƣng giá trị điều khiển tác động thời điểm MPC có khả tiên đốn kiện tƣơng lai có tác động điều khiển phù hợp với kiện đó, điều khiển PID LQR khơng có khả tiên đoán nhƣ MPC điều khiển kỹ thuật số Các mơ hình đƣợc sử dụng MPC nhìn chung có xu hƣớng thể đặc tính hệ thống động học phức tạp Nói chung tính phức tạp thuật tốn MPC khơng nên ứng dụng cho hệ thống đơn giản mà đƣợc điều khiển tốt điều khiển PID Đặc tính động học thƣờng khó sử dụng điều khiển PID bao gồm hệ thống động học có độ trễ lớn bậc cao Mơ hình MPC dự báo thay đổi biến phụ thuộc hệ thống đƣợc mơ hình hóa, nguyên nhân thay đổi biến độc lập Trong q trình hóa chất biến độc lập, đƣợc điều chỉnh điều khiển, điểm làm việc điều khiển PID thông thƣờng (áp suất, lƣu lƣợng, nhiệt độ,…) thành phần điều khiển cuối (van, cửa sập,…) Các biến độc lập, điều khiển điều khiển, đƣợc coi nhiễu Các biến phụ thuộc trình giá trị đo khác, thể đối tƣợng điều khiển điều kiện ràng buộc q trình 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách khoa-Hà nội [2] Liuping Wang (2009), Model Predictive Control System Design and Implementation Using MATLAB, Springer-Verlag London Limited [3] Damian Flynn (2003), Thermal Power Plant Simulation and Control, Institution of Electric Engineers [4] IEEE committee report (1973), "Dynamic models for steam and hydro turbines in power system studies," IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.PAS-92, No.6, pp.1904-1915 [5] K Oma Rao (2007), Computer Techniques and Models in Power Systems, I K International Pvt Ltd 79 Phụ lục: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN BỘ ĐIỀU KHIỂN MPC SỬ DỤNG HÀM LAGUERRA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB Tạo file lagd.m File chứa đoạn chƣơng trình tính tốn điều kiện khởi tạo hàm Laguerre L(0) ma trận hệ thống khơng gian trạng thái Al, Al ma trận Toeplitz nên ta tạo hàng dịch cột để đạt đƣợc cột tiếp theo, với tham số đầu vào a N %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Doan chuong trinh tinh Al, L0% %theo hàm Laguerra % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% function [A,L0]=lagd(a,N) v(1,1)=a; L0(1,1)=1; for k=2:N v(k,1)=(-a).^(k-2)*(1-a*a); L0(k,1)=(-a).^(k-1); end L0=sqrt((1-a*a))*L0; A(:,1)=v; for i=2:N 80 A(:,i)=[zeros(i-1,1);v(1:N-i+1,1)]; end Tạo file dmpc.m File chứa đoạn chƣơng trình tính tốn (Omega), ψ(psi) theo cơng thức ∑ ∑ Trong tổng tích chập theo với ma trận khối i tính tốn theo cơng thức (3.5), chƣơng luận văn Với điều kiện khởi tạo kích thƣớc ma trận biến trạng thái, biến đầu vào, biến đầu ra, chuyển ma trận trọng số R ứng với đầu vào tới ma trận trọng số véc tơ tham số function [E,H]=dmpc(A_e,B_e,a,N,Np,Q,R); %A_e;B_e dinh nghia ma tran trang thai mo rong %bo tich phan duoc su dung %a : chua vi tri diem cuc Laguerra cua moi dau vao %N : So cac so hang cho moi dau vao %Np: Tam du bao %Q : Trong so bien trai thai %R : Trong so bien dau vao gia thiet la mt duong cheo 81 %J : Hàm chi phi J= eta ^T E eta +2 eta ^T H x(k_i) [n,n_in]=size(B_e); N_pa=sum(N); %Kich thuoc cua eta E=zeros(N_pa,N_pa); H=zeros(N_pa,n); %Xac dinh ma tran duong cheo R_para R_para=zeros(N_pa,N_pa); n0=1; ne=N(1); for i=1:n_in-1; R_para(n0:ne,n0:ne)= R(i,i)*eye(N(i),N(i)); n0=n0+N(i); ne=ne+N(i+1); end R_para(n0:N_pa,n0:N_pa)=R(n_in,n_in)*eye(N(n_in),N(n_in)); S_in=zeros(n,N_pa); [Al,L0]=lagd(a(1),N(1)); S_in(:,1:N(1))=B_e(:,1)*L0'; In_s=1; for jj=2:n_in; 82 [Al,L0]=lagd(a(jj),N(jj)); In_s=N(jj-1)+In_s; In_e=In_s+N(jj)-1; S_in(:,In_s:In_e)=B_e(:,jj)*L0'; end S_sum=S_in; phi=S_in; E=(phi)'*Q*(phi); H=phi'*Q*A_e; for i=2:Np; Eae=A_e^i; %Tinh tong tich chap cho moi mot dau vao %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Cho moi lan lay mau i %%%%%%%%%%%%tính tốn voi dau vào %chi L0 va ma tran trang thai Al %ket hop voi dau vao [Al,L0]=lagd(a(1),N(1)); % Ham Laguerra ket hop dau vao S_sum(:,1:N(1))=A_e*S_sum(:,1:N(1)) 83 + S_in(:,1:N(1))*(Al^(i-1))'; %%chuyen sang dau vao dau vao n_in In_s=1; for kk=2:n_in; [Al,L0]=lagd(a(kk),N(kk)); In_s=N(kk-1)+In_s; In_e=In_s+N(kk)-1; S_sum(:,In_s:In_e)=A_e*S_sum(:,In_s:In_e)+ S_in(:,In_s:In_e)*(Al^(i-1))'; end phi=S_sum; E=E+phi'*Q*phi; H=H+phi'*Q*Eae; end E=E+R_para; Tạo file simuuc.m File chứa đoạn chƣơng trình mơ hệ thống với điều khiển dự báo có đƣợc, với giả thiết khơng có điều kiện ràng buộc hệ thống Trong đó, tín hiệu điểm đặt có số hàng với số đầu số cột lớn số lần mô (Nsim) function [u1,y1,deltau1,k] =simuuc(xm,u,y,sp,Ap,Bp,Cp,N_sim,Omega,Psi,Lzerot) 84 %mo phong mach vong kin khong co dieu kien rang buoc [m1,n1]=size(Cp); [n1,n_in]=size(Bp); Xf=[xm;(y-sp(:,1))]; for kk=1:N_sim; eta=-(Omega\Psi)*Xf; deltau=Lzerot*eta; u=u+deltau; deltau1(:,kk)=deltau; u1(1:n_in,kk)=u; y1(1:m1,kk)=y; %%%%%%%%%%%%%%%%%%% %mo phong he thong% %%%%%%%%%%%%%%%%%%% xm_old=xm; xm=Ap*xm+Bp*u; % tinh toan xm(k+1) y=Cp*xm; %tinh y(k+1) %cap nhat bien trang thai phan hoi Xf Xf=[xm-xm_old;(y-sp(:,kk+1))]; end 85 k=0:(N_sim-1); Tạo file simuc_noise.m File chứa đoạn chƣơng trình mơ hệ thống với điều khiển dự báo có đƣợc, với giả thiết có điều kiện ràng buộc hệ thống tác động nhiễu function [u1,y1,deltau1,Pload,k] =simuuc_noise(xm,u,y,sp,Ap,Bp,Bdw,Cp,N_sim,Omega,Psi,Lzerot) %mo phong mach vong kin khong co dieu kien rang buoc [m1,n1]=size(Cp); [n1,n_in]=size(Bp); Xf=[xm;(y-sp(:,1))]; Pload=1; deltau_max=0.1; deltau_min=-1; u_max=4; u_min=-0.1; for kk=1:N_sim; eta=-(Omega\Psi)*Xf; deltau=Lzerot*eta; %Xet diu kien rang buoc if(deltau>deltau_max) deltau=deltau_max;end if(deltauu_max) deltau=u_max-up; u=u_max;end 86 if (u=150)&&(kk0 % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Q=C_e'*C_e; R=0.0011*eye(n_in,n_in); %Xac dinh Omega va Psi de xd Kmpc [Omega,Psi]=dmpc(A_e,B_e,a,N,Np,Q,R); L_m=zeros(n_in,sum(N)); [A1,L0]=lagd(a(1),N(1)); L_m(1,1:N(1))=L0'; In_s=1; for jj=2:n_in; [Al,L0]=lagd(a(jj),N(jj)); In_s=N(jj-1)+In_s; In_e=In_s+N(jj)-1; L_m(jj,In_s:In_e)=L0'; end 91 K=L_m*(Omega\Psi); Acl=A_e-B_e*K; %xet tinh on dinh cua he thong voi Kmpc [X,Y,Z]=dlqr(A_e,B_e,Q,R); figure plot(Z,'ro') hold on plot(eig(Acl),'b*') title('Diem cuc cua he thong DK tua bin hoi - Xet tinh on dinh') hleg1=legend('DLQR','DMPC'); set(hleg1,'Location','NorthEastOutside') %Mo phong he thong y=0; %Khoi tao dau u=0; %Khoi tao dau vao xm=[0 0 0]'; %Bien trang thai khoi tao N_sim=500; %So lan mo phong r1=ones(1,N_sim+10); sp=r1; [M,Lzerot]=Mdu(a,N,n_in,1); [u1,y1,deltau1,Pload,k]=simuuc_noise(xm,u,y,sp,Ad,Bd,Bdw,Cd,N_sim, Omega,Psi,Lzerot); %Bieu dien tren thi 92 figure subplot(3,1,1); plot(k,y1,'-b') title('Dau ra'); hold on plot(k,1,' m') hold on plot(k,1.05,'-.c') hold on plot(k,0.95,'-.c') subplot(3,1,2); plot(k,u1,'-r') hold on plot(k,0,'-.m') title('Dau vao'); subplot(3,1,3); plot(k,Pload,'-r') hold on plot(k,0,'-m') title('Dau vao'); 93 ... Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo để điều khiển tốc độ cho tua bin mô hệ thống với điều khiển dự báo đạt đƣợc 1.3 Nội dung thực hiện: • Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế điều khiển dự báo dựa... 2.5 Điều khiển dự báo cho hệ MIMO Trong phần trƣớc, để đơn giản cho việc minh họa hệ thống điều khiển dự báo, ta thiết kế dự hệ thống đầu vào đầu Phƣơng pháp thiết kế thực đƣợc mở rộng cho hệ thống. .. Hệ thống điều khiển MPC mạch vịng kín cho tua bin .68 Hình 5.4: Kết mô đầu vào đầu hệ thống điều khiển dự báo với tham số a=0.5; N=5; rw =0.1; 69 Hình 5.5: Kết mơ đầu vào đầu hệ thống