CẢI THIỆN hệ THỐNG điều tốc NHÀ máy THỦY điện BUỒN TUA SRAH ỨNG DỤNG bộ điều KHIỂN PID FUZZY c10f4b65

Đ I H CăĐÀăN NG TR NGăĐ I H C BÁCH KHOA - ĐOÀNăVĔNăMINH C I THI N H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH NG D NG B ĐI U KHI N PID - FUZZY LU NăVĔNăTH CăSĨăKỸ THU T ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018 Đ I H CăĐÀăN NG TR NGăĐ I H C BÁCH KHOA - ĐOÀNăVĔNăMINH C I THI N H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH NG D NG B ĐI U KHI N PID - FUZZY Chuyên ngành: Kỹ thuật Đi u n Tự đ ng hóa Mã s : 8520216 LU NăVĔNăTH CăSĨăKỸ THU T Ng iăh ng d n khoa h c: TS Nguy năVĕnăMinhăTrí ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018 L IăCAMăĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa khác Tác gi luận văn Đoàn Văn Minh C I THI N H TH NG ĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH NG D NG B ĐI U KHI N PID - FUZZY Học viên: Đoàn Văn Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Đi u n Tự đ ng hóa Mư s : 8520216 Khóa: K33 Đắk Lắk Tr ng Đ i học Bách khoa - ĐHĐN Tóm t t - B u n PID đư đ c ứng d ng r ng rãi nh vào u m ổn định đáp ứng đầu t t Tuy nhiên với các h th ng mà thông sô thay đổi liên t c b u PID Fuzzy khắc ph c đ c m y u c a u n PID kinh n kh đáp ứng t t, đ m b o tín hi u đầu bị thay đổi đ i với thay đổi c a tham s c a h th ng q trình mơ hình hóa nh q trình vận hành Luân văn đư xây dựng đ c mô hình h th ng u t c th y n dựa vào nguyên lý làm vi c đặc tính vật lý từ tài li u tham kh o [12][13] thi t k b n PID Fuzzy dựa b PID kinh n nguyên tắc thi t k b u n m Luân Văn mô ph ng đánh giá k t qu đ t đ c b u u n: PID – Fuzzy, PID Ziegler – Nichols b u n điêu t c với thông s PID nhà máy BTS với giá trị kh đ ng thực t t i nhà máy BTS Từ rút đ c k t luận đ a h ớng phát tri n ti p theo MPROVING THE GOVERNOR SYSTEM OF HYDRO-POWER BUON TUA SRAH APPLICATIONS PID ậ FUZZY CONTROLLERS Abstract - PID controllers have been widely applied due to their stable advantages and good output response However, for systems where the data is constantly changing, the Fuzzy PID controller overcomes the weaknesses of the classic PID controller, which is the ability to respond well to ensure that the output signal is less volatile for the change of system parameters during modeling as well as during operation The model of the hydrodynamic speed control system based on working principles and physical characteristics from the reference [12] [13] and Fuzzy PID controller design based on sets Classical PID and fuzzy controller design principles Simulation results were obtained between controllers: PID Fuzzy, PID Ziegler - Nichols and the speed controller with the PID parameters of the BTS plant and the actual values at the BTS plant From there draw conclusions and give direction to the next development M CL C M Đ U Tính cấp thi t c a đ tài…………………………………………… ……………1 M c tiêu nghiên cứu………………………………………………… ………….2 Đ i t ng ph m vi nghiên cứu…………………………………… …………2 Ph ơng pháp nghiên cứu……………………………………………… ……… B c c luận văn………………………………………………………… ………2 CH NGă1 - T NG QUANG NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH VÀ H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH 1.1 Tổng Quang nhà máy th y n Buôn Tua Srah…………………… …………4 1.1.1 Các cơng trình th y cơng n l ng 1.1.2 Đi u chỉnh t c đ nhà máy n………………………… .………7 1.2 Tổng quan v u t c nhà máy th y n Buôn Tua Srah…………… ………10 1.2.1 Chức năng……………………………………………………… ……….10 1.2.2 Thông s .11 1.2.3 Cấu hình phần cứng c a b chuy n đổi .11 1.2.4 Qúa trình chuy n đổi tr ng thái làm vi c 13 1.2.5 Nguyên lý làm vi c 13 1.2.6 Ch đ vận hành 15 1.2.7 Đặc tính kh i đ ng .17 1.2.8 Thông s lấy từ u t c .18 1.3 Các cơng trình ngun cứu cơng b ………………………………… …………22 1.3.1 Trong n ớc 22 1.3.2 N ớc 23 1.3.3 Nhận xét chung 25 1.4 K t luận ch ơng 25 CH NGă2 ậ MO HINH HOA H TH NGăĐI U T C TURBINE TH Y ĐI N .26 2.1 Mơ hình hóa khí u n…………………………………………… … 26 2.2 Mơ hình hóa Turbine th y lực………………………… ……………… …… 30 2.3 Mơ hình hóa h th ng turbine – máy phát 34 2.4 Tổng h p .36 2.5 K t luận ch ơng 37 CH NGă3 ậ C ăS LÝ THUY T DI U KHI N M .38 3.1 Giới thi u chung .38 3.1.1 Định nghĩa tập m 40 3.1.2 M t vài d ng hàm liên t c th 3.2 Xây dựng mơ hình m cho đ i t ng đ c sử d ng 41 ng 41 3.2.1 Mơ hình m Mamdami .42 3.2.2 Mơ hình m Sugeno 52 3.2.3 So sánh hai lo i mơ hình 54 3.3 Tổng h p b u n m 54 3.3.1 Cấu trúc c a b u kh n m 54 3.3.2 Nguyên tắc tổng h p b u n m .55 3.3.3 Các b ớc thực hi n xây dựng b u n m 57 3.4 K t luận 58 CH NGă4 - THI T K B ĐI U KHI N PID - FUZZY 59 4.1 Nguyên tắc chuy n đổi PID thành PID - FUZZY tập m t ơng ứng 59 4.2 Xây dựng luật u n 61 4.3 K t Luận Ch ơng 69 CH NGă5 - MÔ PH NG .70 5.1 Xác định thông s mô ph ng .70 5.2 Thông s mô ph ng .71 5.3 Sơ đồ mô ph ng 71 5.3.1 B u n PID- FUZZY 71 5.3.2 B u n PID ZIEGLE - NICHOLS: 73 5.3.3 B u n PID Dùng thông s PID Nhà máy Buôn Tua Srah 74 5.3.4 Tổng h p b u n n 75 5.3.5 K t Q a mô ph ng………………………………………………… …… 76 5.4 K t Luận Ch ơng .81 K T LU N VÀ KI N NGH .82 DANH M C TÀI LI U THAM KH O QUY TăĐ NHăGIAOăĐ TÀI (b n sao) PH L C KÝ HI U VÀ CHỮ VI T T T CÁC KÝ HI U f Tần số hệ (Hz) n Số vịng quay Rơto máy phát (vòng/phút) w T c đ máy phát (rad/s) KP Hằng s tỷ l KI Hằng s tích phân KD Hằng s vi phân J Mô men quán tính (kgm2) Pm Cơng suất (MW) Pe Cơng suất điện (MW) Tm Mô men Te Mô men điện Q Lưu lượng qua turbine (m3/s) H Chiều cao cột áp (m) ag Gia t c (m/s2) L Chi u dài đ Tw Hằng s th i gian kh i đ ng c a n ớc ng ng áp lực (m) H s c n H Hằng s quán tính máy phát Tp Hằng s servomotor Ks H s servomotor TG Hằng s cánh h ớng s Toán tử Laplace CÁC CHỮ VI T T T PID B u n PID PID-FUZZY B u n PID - M CCR Phòng u n trung tâm LCU T u n t i ch P/G Công suất/ Đ m tham chi u SD Dãi t c đ ch t bp(Speed droop) T c đ thay đổi BQ2 C m bi n cánh h ớng H3 Cánh h ớng PV1 Van tỷ l MV1 Van Chính AMP H s kh ch đ i van tỷ l BQ1 C m bi n vị trí van NS Thu thập tr ng thái h th ng FR Tần s tham chi u GOV Đi u T c YNL Đ m khơng t i YK1 góc m thứ YK2 góc m thứ DANH M C CÁC B NG S hi u hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Cửa nhận n ớc 1.2 Đập Tràn 1.3 Đ 1.4 Cấu hình phần cứng u t c 12 1.5 Sơ đồ chuy n đổi tr ng thái làm vi c 13 1.6 Sơ đồ cấu trúc h th ng u t c 14 1.7 Đ ng kh i đ ng Governor 17 1.8 Đ ng đặc tính dừng c a Governor 18 1.9 Giao di n c a b u t c 18 1.10 Chuy n đổi c t n ớc tay 19 1.11 Thông s PID không t i 19 1.12 Thông s PID mang t i 19 1.13 Thông s c m bi n vị trí 20 1.14 Thơng s giới h n đ m 20 1.15 Thông s t c đ đóng m cánh h ớng 20 1.16 Thông s c t n ớc 21 1.17 Thông s vịng lặp servo 21 1.18 Thơng s cánh h ớng 21 1.19 Hằng s th i gian 22 1.20 K t qu mơ ph ng 22 1.21 Mơ hình u n 23 1.22 K t qu mô ph ng với th i gian kh i đ ng khí TM 24 ng hầm áp lực 33 Với Tw s thới gian kh i đ ng n ớc, Tw nói lên th i gian cần thi t đ n ớc từ c t áp H0 tăng t c đ ng ng áp lực từ m cu i với vận t c U0, Từ bi u thức (2.9) (2.18) ta thấy đ trí cánh h ớng c m i quan h thay đổi vận t c vị ̅ ̅ ̅ (2.20) Thay th đ o hàm d/dt toán tử Laplace s, ta có th vi t l i nh sau: ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ Hay: ̅ Từ bi u thức (2.14) rút ̅ thay vào bi u thức (2.22) ta đ (2.21) (2.22) c bi u thức nh sau: �̅� ̅ (2.23) Bi u thức (2.23) đ i n hàm truy n đ t “kinh n” c a turbine th y n bi u thức nói lên cách turbine thay đổi công suất ngõ đ đáp ứng với thay đổi c a đ m cánh h ớng đ i với turbine lỦ t ng khơng có tổn thất Hàm truy n đ t c a turbine không lỦ t ng Trong h th ng turbine th y n, thay đổi c a moment Δ�� l u l ng qua turbine (ΔU) ph thu c vào thay đổi c a đ m cánh h ớng (ΔG), thay đổi c a t c đ (Δω thay đổi c a c t n ớc (ΔH Do ta có th bi u di n m i quan h c a thay đổi qua ph ơng trình sau: ̅ Với: �� �̅� ̅ ̅ ̅ ̅ �� ̅ �� ̅ (2.24) (2.25) (2.26) �� �� �� (2.27) 34 Từ bi u thức (2.24), (2.25) (2.26), (2.27) tr thành: ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ (2.28) ̅ ̅ (2.29) Trong ̅ đ o hàm t c đ c a m i tổ máy Đ o hàm t c đ nh , tổ máy làm vi c h th ng lớn, dó giá trị liên quan đ n ̅ có th b qua, hai bi u thức (2.28) (2.29) có th vi t l i: ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ (2.30) ̅ (2.31) Các h s a11 a13 đ o hàm riêng c a l u l ng đ i với c t áp đ m cánh h ớng, h s a21 a23 đ o hàm riêng c a công suất turbine đ i với c t áp đ m cánh h ớng Các h s ph thu c vào t i c a máy có th đ c đ a giá trị nh vào đặc m turbine t i m t m làm vi c Thay bi u thức (2.30) (2.31) vào bi u thức (2.9) (2.14), ta rút đ m i quan h �̅� ̅ nh sau: Đ i với turbin lỦ t ̅ ̅ (2.32) ng a11=0.5, a12=1.0, a21=1.5, a13=1.0 Đ i với nhà máy công suất 40MW: Từ bi u thức (2.32) bi u di n mơ hình c a turbine: ̅ ̅ Hình 2.8: Mơ hình c a turbine 2.3 Mơ hình hóa h th ng máy phát ậ t i [12] c 35 Các ph ơng trình khí c a máy quay hầu h t đ trình c a qn tính quay � � c xây dựng dựa ph ơng (2.33) � Trong h đơn vị t ơng đ i với s quán tính H: ; Mơ men qn tính: (2.34) ph ơng trình (2.33) đ c vi t l i với t c đ góc c a roto the vận t c n (rad/s): (2.35) Vậy: � Trong mô men b n: � � � � Nên: ̅� � , (2.36) � ̅� (2.37) Thông th ng có thêm thành phần mơ men xoắn khơng tính cho Te, nên xuất hi n thành phần tỷ l thuận với đ l ch t c đ : ̅� Trong đó: ̅� ̅� ̅̅̅̅̅ ̅� M i quan h c a moment T công suất P: � Xem xét dịch chuy n nh ta có: ̅̅̅ ̅̅̅̅ �̅ � �, ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅, ̅ ̅ (2.38) ̅̅̅̅ (2.39) 36 Vậy ta có: ̅ �̅ Từ suy ra: �� �� � ̅ ( ̅̅̅̅̅ �) � ̅̅̅̅ ̅ � � c th tr ng thái xác lập, � � , với t c đ đ xem dịch chuy n nh công thức đ c vi t l i nh sau: �� ( �� � Từ hai bi u thức (2.38) (2.42) ta có: �� �) � �� (2.40) hi n pu, ̅� ̅� ̅̅̅̅̅ (2.41) (2.42) (2.43) Đ i với h turbine máy phát h làm vi c chuy n đ ng c a h dao đ ng nh , ta xem nh b qua bi u thức (2.43) đ c vi t l i: �� �� �� �� �� ̅ (2.44) �� �� ̅ (2.45) �� Vậy ta có mơ hình c a turbine – máy phát: �� ⍵ ̅ ∑ �� Hình 2.9: Mơ hình c a turbine ậ máy phát 2.4 T ng h p mô hình h th ngăđi u t c: 37 Từ mơ hình c a turbine với c t n ớc khơng đàn hồi, Mơ hình hóa c a h th ng u n th y lực Mơ hình hóa h th ng turbine– máy phát, ta đ a mơ hình tổng qt v đ i t ng nghiên cứu h th ng turbine th y n nh hình 2.10 d ới: � � � � G �� ∑ Hình 2.10: Mơ hình h th ng u t c turbine th y n 2.5 K t lu năch ⍵ �� ngă2 Ch ơng mô t đặc m phân tích q trình làm vi c c a phần tử có liên h đ n h th ng u t c turbine th y lực nhà máy th y n đ đ a bi u thức toán học Từ xây dựng đ c mơ hình hàm truy n đ t c a turbine lỦ t ng mơ hình hàm truy n đ t c a m t turbine không lỦ t ng Dựa vào thực t t i nhà máy th y điên Buôn Tua Srah đư đ a mơ hình c a h th ng turbine th y lực có d ng c t n ớc không đàn hồi với đ ng ng áp lực đơn cung cấp cho turbine Qua ta xây dựng mơ hình tốn học đầy đ c a h th ng u t c turbine th y lực nhà máy Và đ a sơ đồ mơ hình c a h th ng u t c turbine th y n đ ph c v cho vi c nghiên cứu thi t k t b u n PID FUZZY 38 Ch ng 3:ăC ăS ăLụăTHUY TăĐI UăKHI NăM 3.1 Gi iăthi uăchung[8][14] Trong thập niên gần vi c nghiên cứu thuật toán u n ti p cận với t ng iđ c gọi u n trí tu nhân t o, lĩnh vực phát tri n m nh mẽ u m cu u n m so với ph ơng pháp u n kinh n có th tổng h p đ c b u n mà không cần bi t tr ớc cấu trúc tham s c a h th ng m t cách xác Những ứng d ng gần v h u n m đư mang l i nhi u hi u qu đáng k h u n hi n đ i, đư gi i quy t đ c nhi u toán u n phức t p mà tr ớc ch a th gi i quy t trọn vẹn H u n m sử d ng đ nghi m vận hành đ i t c kinh ng sử lỦ u n c a chuyên gia thuật toán u n, h u n m m t b ớc ti n tới t ng i Vi c ứng d ng kỹ thuật m thi t k h u n cho truy n đ ng có cấu trúc tham s bi n đ i h ớng nghiên cứu mẻ, nhi u ti m đ khai thác, h ớng nghiên cứu có kh đáp ứng đ c yêu cầu chất l h ớng nghiên cứu khác Nh ng c a h khắc ph c đ c nh c m c a c m c a ph ơng pháp đ tổng h p đ cb u n m cần ph i có kinh nghi m c a chuyên gia đ xây dựng luật u n phù h p Logic m (Fuzzy logic) dựa thông tin không đ xác, ng đ it c đầy đ khơng i suy luận đ a cách xử lỦ u n xác h th ng phức t p ng mà tr ớc ch a gi i quy t đ c Đi u n m sử d ng kinh nghi m vận hành đ i t ng sử lỦ u n c a chuyên gia thuật toán u n, h u n m m t b ớc ti n gần với t ng i Đi u n m th ng đ c sử d ng h th ng sau đây: - H th ng u n phi n - H th ng u n mà thông tin đầu vào đầu không đầy đ , không xác định đ - c xác H th ng u n không xác định đ c thông s mơ hình đ i t ng 39 V nguyên lý, h th ng u n m gôm kh i chức t ơng tự nh h u n truy n th ng, m khác bi t sử d ng b u n m Các nguyên lỦ u n “m ” chúng có th khác v m nh đ u ki n, nh ng đ u có m t cấu trúc: “N u …Thì …” theo m t hay nhi u u ki n Vậy b n chất nguyên lỦ u n m xây dựng mơ hình, xây dựng thuật tốn đ u n nguyên lỦ u n m , nói cách khác làm cách đ có th tổng quát hóa chúng thành m t nguyên lỦ u n m chung từ áp d ng cho trình t ơng tự… Đi u n m chi m m t vị trí quan trọng u n khoa học kỹ thuật hi n đ i Kỹ thuật u n đồng nghĩa với đ xác kh thực hi n Những ứng d ng công nghi p c a u n m r ng rưi nh : u n nhi t đ , u n giao thông vận t i, u n công nghi p dân d ng… Trong thực t , b điêu n kinh n th th ng bị b tắc gặp toán phức t p c a h th ng cao, ng xuyên thay đổi tr ng thái, cấu trúc tham s c a đ i t k dựa s logic m gi i quy t đ ng… B u n thi t c vấn đ đơn gi n vi c thực hi n gi i pháp u m c a u n m : So với gi i pháp kỹ thuật đ c áp d ng đ tổng h p h th ng từ tr ớc đ n ph ơng pháp tổng h p h th ng b u n m có u m rõ r t sau đây: - Kh i l t ng công vi c thi t k gi m nhi u không cần ph i sử d ng mơ hình đ i ng vi c tổng h p h th ng Với toán thi t k h th ng u n có đ phức t p cao gi i pháp sử d ng b u n m cho phép gi m kh i l ng tính tốn giá thành s n phẩm - Logic m có th mơ hình hóa hàm phi n với đ phức t p cao - B u n m đ c xây dựng dựa kinh nghi m c a chuyên gia - Có th k t h p u n m với nhi u kỹ thuật u n thích h p khác 40 - B u n m đ c dựa ngơn ngữ tự nhiên, gân gũi cu c s ng ngày - B u n m d hi u d thay đổi so với b u n khác - Trong nhi u tr ng h p c a b u n m làm vi c làm vi c ổn định hơn, b n vững chất l ng cao - B u n m cịn có kh xử lý giá trị vào/ra bi u di n d ới d ng dấu phẩy đ ng với đ xác cao nên có kh u n đ i t ng m t cách “rõ ràng” “chính xác” 3.1.1 Định nghĩa tập mờ: Logic m bắt đầu với khái ni m tập m Khái ni m v tập h p đư đ c hình thành n n t ng logic đ m t x p đặt chung vật, đ i t ng chung m t tính chất, đ tập h p ụ nghĩa logic c a khái ni m tập h p đ t c xác định c định nghĩa nh c gọi phần tử c a ch m t vật m t đ i ng có th có hai kh phần tử c a tập xét khơng Xét tập h p A Ánh x µ A  {0,1} định nghĩa tập A nh sau: µ A(x) = n u x  A µ A(x) = n u x  A Đ đ (3.1) c gọi hàm liên thu c cu tập h p A M t tập X ln có µX(x) =1, với x c gọi không gian n n (tập n n) M t tập A có d ng A = {x  X | x} thõa mãn m t s tính chất đ có tập n n X, hay đ c gọi c định nghĩa tập n n X Nh lý thuy t kinh n, hàm liên thu c hoàn toàn t ơng đ ơng với định nghĩa m t tập h p Từ định nghĩa v m t tập h p A ta có th xác định đ thu c µ A(x) cho tập h p ng suy đ c hàm liên c l i từ hàm liên thu c µ A(x) c a tập h p A hoàn toàn c định nghĩa cho tập h p A Tuy nhiên, cách bi u di n hàm liên thu c nh không phù h p với tập h p đ c mô t “m ” nh tập B gồm s thực nh nhi u so với 6: B = {x  R | x