Ứng dụng điều khiển học lặp cho hệ thống AVR máy phát đồng bộ (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THÀNH TÀI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ C C R L T Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 DU TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2020 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRƢƠNG THỊ BÍCH THANH Phản biện 1: TS Nguyễn Khánh Quang Phản biện 2: Hà Xuân Vinh C C R L T Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng vào ngày 19 tháng 02 năm 2020 DU Có thể tìm hiểu luận văn tại: - - Trung tâm học liệu truyền thông- Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Thư viện khoa Điện, Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHĐN MỞ ĐẦU “ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ” I Đặt vấn đề PID điều khiển phổ biến công nghiệp nhiên số trường hợp điều khiển có trình độ làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng trình điều khiển, đồng thời nhiễu tức thời khơng loại bỏ Khi mơ hình khơng chắn, có thay đổi tham số mơ hình, u cầu điều khiển thay đổi tham số điều khiển phải xác định lại từ đầu Đây nhược điểm cần cải tiến điều khiển PID Ý tưởng thuật toán điều khiển học lặp (ILC) lần giới thiệu vào C C năm 80 kỷ trước, sử dụng tín hiệu điều khiển lặp tín hiệu sai R L T lệch trước nhằm tạo tín hiệu điều khiển tốt cho lần lặp trì cho sai lệch lần lặp thấp tốt toàn thời gian làm DU việc Có thể số điều kiện định đáp ứng, sau vài lần lặp, sai lệch theo dõi thời điểm có xu hướng khơng Đây khác biệt thuật toán điều khiển thông thường điều khiển PID Tuy nhiên, ILC, có mơ hình xác đối tượng, thiết kế thuật toán cho sai số từ đầu Các ưu điểm hệ thống ILC như: Kiểm soát học lặp phương pháp cách sử dụng liệu trước đó, tín hiệu sai lệch để tạo tín hiệu điều khiển sau tốt hơn, tăng chất lượng, độ mạnh thuật toán điều khiển, sai lệch điều khiển giảm (trong thực tế số lần lặp không lớn 3-10 lần) Khi lưới điện bị thay đổi điện áp cần phải điều chỉnh điện áp nhanh xác đáp ứng nhanh xác hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) nhà máy điện góp phần lớn vào việc ổn định điện áp đảm bảo tiêu chuẩn hệ thống Ngồi ra, thuật tốn học lặp thuật tốn điều khiển thơng minh, ứng dụng rộng rãi thực tế nhiều chuyên ngành khác nhau, đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ cho đời sống 2 Từ yếu tố thấy cần thiết phải nghiên cứu đưa giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống AVR phương pháp điều khiển học lặp II Mục tiêu đề tài: - Sử dụng mơ hình tốn học hệ thống tự động điều chỉnh điện áp để xây dựng điều khiển cho máy phát đồng bộ; - Đề xuất thuật toán điều khiển thuật toán điều khiển học lặp để tín hiệu đầu bám theo cơng suất, điện áp yêu cầu với chất lượng điều khiển; - Thể kết phần mềm Matlab III Các nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu đối tượng hệ thống kích thích máy phát điện đồng bộ; - Nghiên cứu mơ hình hàm truyền, mơ hệ thống điều chỉnh điện áp; C C - Tìm hiểu phương pháp điều khiển sử dụng thuật toán học lặp; R L T - Ứng dụng thuật toán học lặp kiểu để điều khiển đối tượng; - Thể kết Matlab DU IV Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống máy phát đồng hệ thống kích thích; - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển học lặp theo phương pháp tối ưu; - Tìm hiểu phương pháp điều khiển PID; - Sử dụng công cụ Matlab để hiển thị kết , đánh giá rút kết luận 3 CHƢƠNG 1- TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN 1.1 Tổng quan hệ thống kích từ Chức hệ thống kích từ (HTKT) cung cấp dịng điện chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng HTKT bảo vệ điều khiển nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua điều khiển điện áp cách điều khiển dịng kích từ Chức điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bổ công suất nâng cao tính ổn định hệ thống Chức bảo vệ đảm bảo khả máy điện đồng bộ, HTKT thiết bị khác không vượt giới hạn C C R L T DU Hình 1: Đường cong điện áp V đường cong kết hợp cho máy phát điện áp phần ứng định mức - Bộ kích từ: - Bộ điều chỉnh điện áp ( AVR) : Xử lý khuyếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào điện áp đầu cực máy phát để tạo cách thức thích hợp nhằm điều khiển kích từ Nó bao gồm việc điều chỉnh chức ổn định hệ thống kích từ (Mạng hồi tiếp bù sớm –Trễ pha ) - Bộ cảm biến điện áp bù tải: - Bộ ổn định hệ thống công suất: - Bộ hạn chế bảo vệ: 1.2 Các loại hệ thống kích từ 1.2.1 Hệ thống kích từ chiều: 1.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều: a.Hệ thống chỉnh lưu tĩnh: b.Hệ thống chỉnh lưu quay: (Hệ thống chỉnh lưu không chổi than) 1.2.3 Hệ thống kích từ tĩnh a Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp: C C R L T DU Hình 2: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp b Hệ thống chỉnh lưu nguồn kết hợp: Hình 3: Hệ thống kích từ chỉnh lưu nguồn kết hợp c Hệ thống từ chỉnh lưu điều khiển kết hợp: Hình 1.9 [3,8] biểu diễn sơ đồ đơn tuyến hệ thống C C Hình 4: Hệ thống kích từ tổng hợp có điều khiển R L T 1.3 Chức điều khiển bảo vệ DU 1.3.1 Bộ điều chỉnh AC DC 1.3.2 Mạch ổn định HTKT 1.3.3 Bộ bù phụ tải (bộ tạo đặc tuyến) 1.4 Các hạn chế bảo vệ 1.4.1 Giới hạn khả phát công suất phản kháng 1.4.2 Bộ giới hạn thiếu kích từ 1.4.3 Bộ giới hạn kích từ 1.4.4 Mạch diệt từ: 1.4.5 Các hạn chế bảo vệ: 1.5 Kết luận CHƢƠNG MƠ HÌNH HỐ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KÍCH TỪ 2.1 Mơ hình hóa máy phát điện đồng [5,8] 2.1.1 Giới thiệu chung máy phát điện a Cấu tạo: b Đặc điểm phân loại: c Nguyên lý làm việc: Nếu rotor có số đơi cực từ p, quay với tốc độ n sđđ cảm ứng dây quấn stator có tần số là: C C (2.1) Trị số hiệu dụng sđđ cảm ứng dây quấn stator : √ T U R L (2.3) 2.1.2 Các phương trình điện áp viết hệ tọa độ abc D Thông thường máy phát đồng mô tả cuộn dây stator gắn với cuộn dây damper đặt hệ tọa độ vng góc dq (cuộn D,Q) cuộn kích từ (cuộn f) đặt trục d Phương trình điện áp: (2.4) Từ phương trình (2.6) đến (2.11) ta có ma trận điện cảm máy phát ( điện đồng : | ( ) )| Ma trận điện trở đường chéo: [ ](2.12) Từ đó, phương trình ma trận điện áp/dịng điện máy phát điện đồng trình bày sau : [ ][ ] ( [ [ )] ] [ ] [ ] [ ] (2.13) 2.1.3 Các phương trình điện áp viết hệ tọa độ dq [ ( )] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ (2.17) ] Các dạng trình bày ΨA, ΨB, ΨC từ ma trận từ thơng dịng điện trình bày sau : | | ( | C C R L T )|| | DU (2.21) Hệ số phương trình (2.23) viết lại sau: (2.25) Tương tự cho phần rotor: ( ) ( ) ( ) (2.27) Phương trình điện áp phía stator chuyển sang tọa độ d-q là: (2.28) Hệ phương trình phần rotor : (2.29) Momen điện từ [5,8]: ( ) (2.31) Phương trình truyền động sau ( ) (2.32) Quan hệ từ thơng dịng điện hình 2.3 xác định sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( (2.33) ) 2.1.4 Mơ hình d-q hệ tương đối (P.U) C C Phương trình (2.33) viết lại hệ đơn vị tương đối sau: R L T ( DU ) ( ( ) (2.49) ) ( ( ) ) 2.1.5 Trạng thái xác lập mơ hình d-q Do phương trình stator phương trình (2.54) trở thành: ̅ ̅ ̅ (2.56) Công suất tác dụng phản kháng P1 Q1 ( ( ) ) 2.1.6 Mơ hình mạch thay tương đương máy phát đồng Laplace hóa phương trình (2.49) tốn tử ta được: (2.57) ( ) ( ( (2.58) ) ) 2.1.7 Các thông số vận hành máy phát điện đồng ( ) ( ) ( ) ( )( ( )( ( ) ( ) ( ) ) ( ) )( ) [ ] [ ] [ ] 2.2 Mơ hình hóa dịng kích từ [5,9,13] C C (2.62) Kết hợp ta có hàm truyền chỉnh lưu có điều khiển là: ( ) T U R L Thông số lấy từ tài liệu [9] KCL=1; TCL=0,4 D 2.3 Mơ hình hóa đo lƣờng [5,9,13] Phương trình hàm truyền đo lường: ( ) Với ( ) ( ) ( ) ( ) (2.75) hệ số khuếch đại 2.4 Kết luận: số thời gian (2.70) 10 Chƣơng THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phân tích tính ổn đinh hệ thống rời rạc 3.1.1 Tính ổn định 3.1.2 Tính điều khiển quan sát a.Phân tích tính điều khiển b.Phân tích tính quan sát 3.1.3 Phân tích chất lượng hệ thống trình độ a.Chế độ xác lập b.Quá trình độ 3.2 Bộ điều khiển PID C C 3.2.1 Nguyên lý làm việc ( ) ( ) R L ( ) T U D ∫ ( ) (3.8) Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển PID Đáp ứng điều Thời gian Thời gian Độ điều Sai lệch xác khiển tăng xác lập chỉnh lập Kp Giảm Thay đổi nhỏ Tăng Giảm Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Ki Giảm Tăng Tăng Bảng 1: Đặc tính thành phần P,I,D Không thay đổi Loại bỏ 11 3.2.2 Các phương pháp xác định tham số PID 3.3 Thuật tốn điều khiển học lặp 3.3.1 Mơ tả vấn đề[10,13] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ( )] [ ( ( ) ( ) [ ( )] (3.11) ] (3.12) ) Ma trận P đặc trưng cho đặc tính hệ thống hiển thị bên dưới: [ ] [ ] (3.13) C C Trong pi gọi tham số Markov hệ thống biểu diễn theo R L T hệ phương trình trạng thái hệ thống, ma trận đáp ứng xung hệ thống (CAi-1B) Ở Yj(k), Uj(k) dj(k) biểu thị ứng với giá trị đầu ra, đầu vào nhiễu DU đối tượng lần lặp thứ j Gọi Yd(k) quỹ đạo mong muốn (giá trị đặt, giá trị tham chiếu, sai lệch lần lặp đưa Ej(k) = Yd(k) - Yj(k) Một hình thức chung điều khiển học lặp đưa luật điều khiển cập nhật ( ) (3.14) Luận văn tập trung chủ yếu vào luật cập nhật tuyến tính, bất biến theo thời gian (LTI) bất biến miền lặp Điều hầu hết hệ thống, luật cập nhật LTI tạo chất lượng mong muốn ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (3.15) 12 Hình 2: Hình hệ thống ILC bậc Tính ổn định: Một hệ thống ILC ổn định nếu: ( ) ‖ [ ( )‖ ] (3.17) C C Đối với hệ thống ổn định, ( ) ( ) ( ) ( ) R L T (3.18) Quá trình học độ: Mong muốn thiết kế điều khiển học lặp lại để đáp DU ứng điều kiện hội tụ đơn điệu ‖ ‖ ‖ ‖ (3.19) Điều kiện cho phép hội tụ đơn điệu sai lệch, e, tức là: ‖ ‖ ‖ ‖ cho hệ thống LTI (3.20) Chất lƣợng: ‖ ( )‖ (3.21) Tính bền vững: Bộ điều khiển ILC bền vững trì ổn định phải đối mặt với vấn đề: điều kiện ban đầu bị ràng buộc, ||x j(0)-x0||p 0.46 0.2 Đạt >0.18 0.19 Đạt DU Bảng So sánh đáp ứng điều khiển đối tượng 20 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Như với kết thu từ q trình mơ phỏng, đề tài “ ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP VÀO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ” thực nội dung sau: - Trình bày tổng quan hệ thống kích từ - Xây dựng mơ hình tốn hệ thống AVR - Xây dựng hàm tốn đối tượng phần mềm matlab - Trình bày tổng quan hệ thống học lặp - Ứng dụng thuật toán học lặp điều khiển cho hệ thống AVR ba phương pháp điều khiển P, PD LQ So sánh phương pháp với phương pháp điều khiển cổ điển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống C C Bộ điều khiển mà đề tài nghiên cứu hồn tồn đáp ứng yêu R L T cầu chất lượng điều khiển AVR Như đề tài giải vấn đề đặt DU Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu chưa dài, người viết nhiều hạn chế nên chưa thể đạt mức tới ưu nhất, chưa nghiên cứu đầy đủ luật cập nhập khác thuật tốn ILC Để đề tài hồn thiện hơn, cần tìm hiểu thêm luật cập nhật khác như: chưa đưa lọc thông vào trình điều khiển, điều khiển đảo ngược động lực học đối tượng , ILC kết hợp các phương pháp khác(PID, bền vững…) mở rộng cho nhận dạng hệ thống  ... lượng điều khiển hệ thống AVR phương pháp điều khiển học lặp II Mục tiêu đề tài: - Sử dụng mơ hình tốn học hệ thống tự động điều chỉnh điện áp để xây dựng điều khiển cho máy phát đồng bộ; - Đề xuất... Học Bách Khoa, ĐHĐN MỞ ĐẦU “ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ” I Đặt vấn đề PID điều khiển phổ biến công nghiệp nhiên số trường hợp điều khiển có q trình q độ làm ảnh... phỏng, đề tài “ ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP VÀO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ” thực nội dung sau: - Trình bày tổng quan hệ thống kích từ - Xây dựng mơ hình tốn hệ thống AVR - Xây dựng