Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi anfis để điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện sê san 4

HÀ ĐỨC MINH ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ ĐỨC MINH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA C C R L T ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ-RON MỜ DU THÍCH NGHI (ANFIS) ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA K37 Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ ĐỨC MINH ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ RON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN C C R L T DU Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sỹ Nguyễn Quốc Định Đà Nẵng - Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Hà Đức Minh C C DU R L T MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN .4 1.1 Tình hình phát triển thuỷ điện .4 1.2 Nguyên lý hoạt động chung nhà máy thuỷ điện Sê San .6 1.3 Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Sê San 1.4 Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện Sê San 1.5 Hệ thống điều tốc Neyrpic thuỷ điện Sê San 4: .9 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TUABIN 15 2.1 Đặt vấn đề 15 2.2 Các thơng số đặc tính chung tuabin thuỷ điện Sê San 15 C C 2.2.1 Cột áp Tuabin 15 R L T 2.2.2 Lưu lượng Tuabin 15 2.2.3 Công suất 16 DU 2.2.4 Hiệu suất 16 2.2.5 Đường kính bánh xe cơng tác số vòng quay Tuabin 17 2.3 Hệ thống điều chỉnh tuabin nước 17 2.3.1 Các yêu cầu với hệ thống điều tốc Tuabin 17 2.3.2 Đặc điểm hệ thống điều chỉnh Tuabin 17 2.3.3 Đặc tính hệ thống điều chỉnh Tuabin .19 2.3.4 Phân loại điều tốc 19 2.3.5 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh Tuabin 20 2.3.6 Thơng số điều tốc Tuabin tổ máy Sê San 4: 21 2.4 Mơ hình toán học 21 2.4.1 Khâu Tuabin 21 2.4.2 Khâu khuếch đại 22 2.4.3 Các khâu đo 22 2.5 Tổng hợp hệ thống 23 2.5.1 Tổng hợp mạch vịng vị trí: 23 2.5.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 23 2.5.3 Mô hệ thống điều chỉnh Tuabin 24 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MẠNG NƠRON 25 3.1 Tổng quan điều khiển mờ 25 3.1.1 Tổng quan điều khiển mờ .25 3.1.2 Cấu trúc điều khiển mờ 28 3.1.3 Tổng hợp điều khiển mờ: .29 3.2 Mạng nơron .29 3.2.1 Nơron sinh học 29 3.2.2 Mạng Nơron nhân tạo 30 3.2.3 Cấu trúc mạng Nơron .32 3.2.4 Cấu trúc liệu vào mạng .35 C C 3.2.5 Huấn luyện mạng 36 R L T 3.3 Sự kết hợp logic mờ mạng nơron, công cụ Anfis 36 3.3.1 Khái niệm 36 DU 3.3.2 Kết hợp điều khiển mờ mạng nơron 37 3.3.3 Nơron mờ 38 3.3.4 Huấn luyện mạng Noron - Mờ 39 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC TUABIN THỦY ĐIỆN 41 4.1 Mơ hình tuabin thủy điện 41 4.2 Điều khiển PID tuabin thủy điện .42 4.3 Điều khiển mờ tuabin thủy điện theo mơ hình MADAMI 44 4.3.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển 44 4.3.2 Xác định biến vào 44 4.3.3 Xác định tập mờ 44 4.3.4 Xây dựng luật điều khiển 46 4.3.5 Mơ hình mơ 47 4.3.6 Kết mô 47 4.4 Điều khiển mờ tuabin thủy điện theo mơ hình SUGENO 49 4.4.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển 49 4.4.2 Xác định biến vào 49 4.4.3 Xác định tập mờ 50 4.4.4 Xây dựng luật điều khiển 51 4.4.5 Mơ hình mơ 53 4.4.6 Kết mô 53 4.5 So sánh phương án điều khiển 54 4.6 Ứng dụng mạng nơron mờ điều khiển tuabin thủy điện 54 4.6.1 Công cụ ANFIS 54 4.6.2 Xây dựng tập liệu 58 4.6.3 Phương pháp huấn luyện chuẩn hoá số liệu mạng ANFIS: 59 4.6.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển 60 4.6.5 Xác định biến vào 60 C C 4.6.6 Xác định tập mờ 60 R L T 4.6.7 Xây dựng luật điều khiển 63 4.6.8 Mơ hình mơ 64 DU 4.6.9 Kết mô 65 4.6.10 Kết mô 65 4.7 So sánh phương pháp điều khiển với điều khiển ANFIS 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠRON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN Học viên: Hà Đức Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: 37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Do vị trí địa lý Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy tương đối lớn Nhà máy thủy điện Sê San nằm khu vực Nam Tây nguyên, hai tỉnh Gia Lai Kon Tum công suất định mức 360MW Hệ thống điều tốc Nhà máy Sê San sử dụng điều khiển PID để điều khiển dẫn đến nhiều hạn chế độ điều chỉnh, sai lệch bám thời gian xác lập lớn, hệ số điều khiển PID phải hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế Do đề tài "Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi để điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4" ứng dụng lý thuyết điều khiển đại mờ nơron cho phép ta sử dụng ưu điểm logic mờ mạng nơron cho phép thiết kế hệ thống dễ dàng, tường minh cho phép học mà ta yêu cầu điều khiển giúp khắc phục khuyết điểm lý thuyết điều khiển kinh điển Đề tài xây dựng điều khiển mờ nơron thông qua công cụ ANFIS cho hệ thống điều tốc nhà máy Với điều khiển mờ nơron thông số chất lượng điều chỉnh tần số sai lệch, độ điều chỉnh, tần số độ nhỏ đạt tiêu chuẩn hòa lưới hệ thống điện Việt Nam Như điều khiển mờ nơron hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển cho hệ truyền động có khả ứng dụng vào thực tế điều khiển C C R L T DU Từ khóa – Nhà máy thủy điện Sê San 4; mờ nơron; hệ thống điều tốc; logic mờ; mạng nơron APPLICATION OF ANFIS TO CONTROL SPEED ADJUSTMENT SYSTEM OF SE SAN HYDROPOWER PLANT Abstract - Due to Vietnam's geographical location in the tropical climate, hot, humid and rainy, our country has relatively large hydroelectric resources.Se San Hydropower Plant is located in the South Central Highlands, between Gia Lai and Kon Tum provinces with a rated capacity of 360 MW The Se San factory speed control system is currently using a PID controller to control, leading to many limitations such as over-adjustment, deviation and setting time is quite large, the coefficients of the controller PID must always be adjusted to suit reality Therefore, the topic "Application of anfis to control speed adjustment system of Sesan hydropower plant" applies modern control theory of neural fuzzy, allowing us to use the advantages of both fuzzy and neural networks such as allowing for easy and explicit system design as well as allowing learning what we require about the controller help overcome the shortcomings of classical control theory The project has built the neural fuzzy controller through ANFIS tool for the speed control system With the neural fuzzy controller, parameters of tuning quality such as frequency of deviation, over-regulation, and transient frequency are very small and meet grid-connection standards in Vietnam power system Thus, the neural fuzzy controller completely meets the requirements of control quality for the drive system and is capable of applying in reality control Key words – Se San Hydropower plant ; Fuzzy Neural ; Speed adjustment system; Fuzzy logic; Neural Network DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CBCNV : Cán công nhân viên TĐ : Thủy điện mba : Máy biến áp CB : Cảm biến BĐC : Bộ điều chỉnh BKĐ : Bộ khuếch đại CCCH : Cơ cấp chấp hành C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 4.2 Các thông số chất lượng hệ thống sử dụng điều khiển PID Bảng luật hợp thành điều khiển mờ Madami 4.3 Các thông số chất lượng hệ thống sử dụng điều khiển mờ Madami 48 4.4 Luật hợp thành điều khiển mờ Sugeno 52 4.5 Các thông số chất lượng hệ thống sử dụng điều khiển mờ Sugeno 53 4.6 So sánh thông số chất lượng phương pháp điều khiển(PID, Madami, Sugeno) 54 4.7 Luật hợp thành điều khiển mờ ANFIS 63 4.8 Các thông số chất lượng hệ thống sử dụng điều khiển ANFIS 65 4.9 So sánh thông số chất lượng phương pháp điều khiển (PID, Madami, Sugeno, ANFIS) 65 4.1 C C R L T DU 43 46 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Nhà máy thuỷ điện Sê San 1.2 Mơ hình tổ máy thuỷ điện Sê San 1.3 Gian máy nhà máy thuỷ điện Sê San 1.4 Thiết bị điều tốc điện TĐ Sê San 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc TĐ Sê San 12 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc TĐ Sê San 2.1 Đường đặc tính tuabin 13 19 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều tốc tác động trực tiếp 19 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều tốc tác động gián tiếp 20 2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh 20 2.5 Mô hình tốn học khối Tuabin 2.6 Hình vẽ động thủy lực 2.7 Hàm truyền khối khuếch đại 22 2.8 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng vị trí 23 2.9 Mạch vòng phản hồi tốc độ 23 2.10 24 2.11 Mơ hình tuabin thủy điện Matlab Simulink Bộ điều tốc điều khiển PID Matlab Simulink (f tần số, w phản hồi tốc độ) 3.1 Hàm liên thuộc 26 3.2 Các dạng hàm thuộc 26 3.3 Sơ đồ khối chức điều khiển mờ 27 3.4 Cấu trúc điều khiển mờ 28 3.5 Mơ hình nơron sinh học 30 3.6 Mơ hình nơron đơn giản 30 3.7 Mạng nơron lớp 31 3.8 Cấu trúc huấn luyện mạng nơron 31 3.9 Mơ hình nơron đơn giản: khơng có độ dốc (a) có độ dốc (b) 31 3.10 Mơ hình nơron với R đầu vào 32 3.11 Sơ đồ nơron với đầu vào 35 C C R L T DU 21 22 24 U D L T C C R C C DU R L T C C DU R L T DAI HQC DA NANG TRIAING BAI HQC BACH KHOA LONG HOA XA HOI CHU NGHIA VItT NAM Di)c 14p — Tir —11#1th phtic HO SCi HO BONG BANH GIA LUAN VAN THAC SY HQC vien: Ha Hine Minh Bien ban HOi S3ng Bang diem cila h9c vien cao h9c 14T lich khoa hoc cua h9c vien Bien ban kiem phieu Nhan xet NHAN XET TT TRACH NHItM TRONG HQI BONG HQ VA TEN C C R TS Giap Quang Huy Chfi tich I-10i clang TS NO Dinh Thanh Thu kj) Hiji clang TS Ha Xuan Vinh TS Do Van 6.'n TS Nguyen Quo'c Dinh L T U D TS Truorng Thi Bich Thanh Ban nhtin xet Phan diem 2< Phcin bin Phan bien "N Uy vien Ngtrai hteo'ng den Da Nang, 19 thong 12 nom 2020 Thu ky HOi dong TS NO Dinh Thanh DAI HOC DA NANG CQNG HOA XA HOI CHU NGHIA VItT NAM TIWONG BAI HOC BACH KHOA Doc lap — Tty — Hanh phtic BIEN BAN HOP HO BONG DANH GIA LUAN VAN THAC Si( Ngay 19 thang 12 nam 2020, HOi d'Ong dugc lap theo Quy6t dinh so 2876/QD-DHBK 14/12/2020 crla Hieu truong Twang Dai hoc Bach khoa, cac vien: ,., TT WONG VI TRONG HOI BONG HO VA TEN TS Giap Quang Huy Chu tich H'Oi d'Ong TS Ngo Dinh Thanh Thu l4 HO d6ng Uy vien Phan bien TS Ha Xuan Vinh C C R Uy vien Phan bien TS Truang Thi Bich Thanh TS D'O' Van Can L T Uy vien da hop (co mat: , yang mat: vien) de danh gia Juan van thac sy: - Ten de tai: "Ung clung he suy luau nu-ron ma thich nghi (ANFIS) clieu khien he thong clieu t ac nha may they clien Se San 4" Ky thuat dieu khi& va to dOng boa (Lop - Chuyen nganh: K37 TDH.KT) - Cfra hoc vien cao h9c: HA Dim Minh U D lsrOi dung buoi hop danh gia gom cac phAn chinh sau day: a Thu 14 HO dtmg bao cao qua trinh h9c tap, nghien ciru va d9c 1T lich khoa hoc cua hoc vien (co van ban kern theo); b H9c vien trinh bay Juan van; c Cac phan bien d9c nhan xet va neu cau hOi (co van ban kern theo); d Hoc vien tra loci cac cau hoi cua vien Hoi d6ng; e Hoi dong thao Juan kin va danh gia, f Kiem phi6u va cong bo kk qua (co Wen ban kie'm phie'u va phie'u kern theo) g Tac gia Juan van phat bi'eu y kien h Chia tich HOi &trig tuyen 116 be mac Ket 1u4n cua Hoi dOng: a) Ket Juan Chung: b) Yeti cAu chinh, sira 17e n(ii dung: &a 1-L-C-rt , - 1nCt./ -.2 r7(4.,frt c) Cac ykin khac: d) Di6m danh gia: Bang se): THIJ KY HOT DONG 3c C C R U D L T Bang chin CHU TICH HOI DONG TS Giap Quang Huy TS Ngo Dinh Thanh XAC NH ;AN CUA TRVONG DAI HOC BACH KHOA TL HIEU TRIAING TRIXONG PHONG DAO TAO t(/ PGS TS Nguygn Wing Hai LONG HOA xA HOI CHID NGHIA VIFT NAM 130c lap — Tv — 11#nh pink BIEN BAN KIEM PHIEU CUA HO BONG DANH GIA LUAN VAN THAC SY (Kern theo bien ban hop HO thing) Ten de tai: "ting Ong he suy Juan na-ron mo• thich nghi (ANFIS) dieu khie'n he th6ng diL t6c nha may thily dien Se San 4" Chuyen nganh: Ky thulat dieu khie'n va ttx dOng hoa (Lop K37.TDH.KT) Cua hoc vien cao hoc: Ha Dim Minh 10i d6'ng bAt dAu h9p 07h30 19/12/2020 T4i Truemg Dgi h9c Bach khoa Tham gia kie'm phiL C C R N L T K6t qua ki6m phieu: - So phi6u phat ra: r- U D So phiL thu - S6 phiL hop le: So phi6u Ichong hop 1e: - Tiing so di6m: Diem trung binh: (, Da N'jng, nga y 19 thong 12 nom 2020 HO TEN & CHU 1()? CAC THANH VIEN THAM GIA KIEM PHIEU: /idrill-a AA HAI HOC DA NANG TRIAJNG DAI HOC BACH KHOA LONG 116A XA HOI CHU NGHIA VITT NAM DOc 14p — Tty — lignh phtic CAU HO! VA TRA LOfI Kern theo Bien ban hop HOi d6ng danh gia Juan van thac syi Cua h9c vien: HA Dirc Minh ft, - 10-1- 77 L4« e C u 2., O C C R L T U D THU' KY HQI DONG TS NO Dinh Thanh / 3)- C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠRON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4. " Mục đích nghi? ?n cứu Nâng cao khả điều khiển cho hệ thống điều tốc cho nhà máy thủy điện Ứng. .. đề tài luận văn Ý nghĩa khoa học: Đề tài ? ?ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ RON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4? ?? hướng nghi? ?n cứu để điều khiển điều tốc, đề... tạo" Ứng dụng hệ mờ mạng nơron để điều khiển điều tốc nhà máy thủy điện giúp nâng cao tính ổn định, độ xác hệ thống hướng tiếp cận 2 Đề tài "Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi điều khiển điều