Võ văn hùng nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diezen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Họ tên tác giả: VÕ VĂN HÙNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện Diezen Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 852 02 16 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Họ tên tác giả: VÕ VĂN HÙNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện Diezen Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 852 02 16 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Họ tên tác giả: VÕ VĂN HÙNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện Diezen Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 852 02 16 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Võ Quang Lạp Thái Nguyên - 2020 i MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ii Danh mục bảng iii Danh mục hình vẽ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, v.v iv Mở đầu Nội dung CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỂ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN DIEZEL 1.1 Ý nghĩa việc ổn định tần số 10 1.2 Các phương pháp ổn định tần số máy phát điện 10 1.2.1 Ổn định tần số thứ cấp 11 1.2.2 Ổn định tần số sơ cấp 12 1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát Diezen 15 1.3.1 Các thông số đặc trưng điều tốc 15 1.3.2 Giới thiệu sơ đồ 17 1.3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc Diezen để ổn định tần số máy phát điện 21 1.3.4 Các hệ thống truyền động ứng dụng hệ ổn định tốc độ Diezen 22 A Hệ thống điều khiển vecor biến tần động không đồng pha 23 B Hệ thống thyristor - động 25 C Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp-động chiều (PWM-D) 25 ii CHƯƠNG II: KHẢO SÁT TINHSTOANS VÀ TỔNG HỢP HỆ VỚI MẠCH VÒNG PHẢN HỒI VỊ TRÍ TUYẾN TÍNH DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí 35 2.2 Khảo sát tính tốn hệ truyền động ổn định tốc độ 36 2.2.2 Xây dựng sơ 36 2.2.3 Hàm truyền khâu hệ truyền động 37 2.2.4 Tổng hợp hệ truyền động 49 2.2.5 Mô hệ 45 2.2.5.1 Sơ đồ mô 45 2.2.5.2 Kết mô 45 2.3 Khảo sát tính tốn hệ truyền động ổn định vị trí với điều khiển vị trí tuyến tính 45 2.3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều vị trí 45 2.3.2: Tổng hợp hệ điều khiển vị trí 45 2.3.3: Mô 47 2.3.3.1: Tính tốn thơng số hệ điều khiển vị trí 47 2.3.3.2: Kết mô 47 2.3.3.3: Nhận xét đánh giá kết 47 CHƯƠNG III: NẦNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIEZEN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT 3.1 Tổng hợp điều khiển mờ trượt 46 3.1.1 Nguyên lý điều khiển trượt 46 3.1.2 Phương pháp điều khiển trượt 48 3.1.3 Thiết kế luật điều khiển trượt 52 iii 3.1.4 Cơ sở điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển 53 3.1.5 Thuật toán tổng hợp điều khiển mờ trượt 56 3.2 Xây dựng điều khiển mờ trượt cho mạch vòng ổn định tần số máy phát diezen (mạch vịng vị trí) 57 3.2.1 Các bước xây dựng điều khiển mờ trượt cho mạch vịng vị trí 57 3.2.2 Mơ hệ điều khiển vị trí có điều khiển mờ 59 3.2.3 Nhận xét chất lượng hệ 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 PL1 - Tính tốn thơng số hệ truyền động 64 PL2 - Tính tốn thơng số hệ điều chỉnh vị trí 66 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - F- Đ: hệ truyền động máy phát động điện chiều - T-Đ: hệ truyền động thysirtor động điện chiều - PID: điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân - P: điều chỉnh tỷ lệ - I: điều chỉnh tích phân - PI: điều chỉnh tỷ lệ tích phân - PD: điều chỉnh tỷ lệ vi phân - M1 M2: động điện chiều ký hiệu M1 M2 - FT: máy phát đo tốc độ v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, ) Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối điều chỉnh tần số thứ cấp 04 Hình 1.2: Sơ đồ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) 04 Hình 1.3: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) phụ tải (1’,2’,3) 06 Hình 1.4: Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diezel 11 Hình 1.5: Đồ thị cơng thị 11 Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc điezel 15 Hình 1.7: Định hướng từ thơng hệ toạ độ theo từ thơng rotor (d,q) 16 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển véc tơ động KĐB 18 Hình 1.9: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor-động 39 Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ 21 Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín 21 Hình 1.12: Đồ thị tốc độ quay dòng điện trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ 22 Hình 1.13: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung chiều 27 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý biến đổi PWM dạng H 27 Hình 1.15: Đồ thị điện áp biến đổi PWM dạng H 28 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí 31 Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ 31 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM - D 32 Hình2.4: Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 32 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện 32 vi Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 32 Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 32 Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động 38 Hình 2.9: Sơ đồ mơ hệ truyền động xung điện 38 Hình 2.9: Sơ đồ mơ hệ truyền động điện 39 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí 40 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 42 Hình 2.12 Sơ đồ mơ hệ điều khiển vị trí điều khiển PID 43 Hình 2.13 Kết mơ PID với lượng đặt Uđ = 10V 42 Hình 2.14 Mô PID với Uđ = 15V 42 Hình 3.1 Phân tích hệ có khâu phi tuyến vị trí khơng bị kích thích phương pháp mặt phẳng pha 49 Hình 3.2 Giải thích tượng trượt (sliding) 51 Hình 3.3 Sự phụ thuộc e e' 53 Hình 3.4 Cơ sở hệ điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển 54 Hình 3.5 Hàm thuộc với tập 58 Hình 3.6 Luật hợp thành 58 Hình 3.7 Quan hệ vào điều khiển mờ 59 Hình 3.8 Sơ đồ mơ hệ điều khiển vị trí có điều khiển mờ trượt 59 Hình 3.9 Mơ mờ trượt với Ud=10V 60 Hình 3.10 Mơ mờ trượt với Ud=15V 61 vii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Võ Văn Hùng Sinh ngày: 22 tháng 02 năm 1969 Học viên lớp CĐK17A – KTĐK&TĐH,Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa công bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Võ Văn Hùng 52 quỹ đạo pha chuyển động zick-zack xung quanh đường  để tiến gốc tọa độ (hiện tượng rung) Nếu khâu phi tuyến vị trí cho phép chuyển đổi từ -1 sang 1, ngược lại khoảng thời gian gần 0, quỹ đạo pha zick-zack có dạng trượt gốc tọa độ dọc theo đoạn EF Hiện tượng trượt trơn khi thời gian chuyển đổi Độ dốc đường chuyển đổi  quy định độ dài cho đoạn trượt EF Thông qua tham số k ta thay đổi độ dốc  Độ dốc lớn, đoạn EF dài làm cho tượng trượt xảy lâu Hiện tượng trượt gợi ý cho việc thiết kế điều khiển sử dụng khâu vị trí, nhằm ổn định tuyệt đối đối tượng theo nguyên tắc trượt gốc tọa độ 3.1.3 Thiết kế luật điều khiển trượt Như biết, hầu hết đối tượng phi tuyến bậc định điều khiển dựa phân tích tổng hợp tín hiệu: e: tín hiệu sai lệch giá trị mục tiêu yo giá trị phản hồi y e': tín hiệu đạo hàm e theo thời gian Hai tín hiệu lựa chọn ta gọi biến trạng thái S S = e + λe' Có nghĩa e e' phụ thuộc vào theo mặt phẳng pha hình 3.3 53 Hình 3.3 Sự phụ thuộc e e' Như vậy, e e' phải có liên quan chặt chẽ thông qua cặp giá trị thể hình vẽ - Giả sử e(t) sai lệch tức thời theo thời gian, e'(t) hiểu giá trị sai lệch đạt đến xảy tương lai sau lần định điều khiển - Dựa theo e(t) đoán giá trị e'(t) tương lai để định điều khiển, từ giá trị e'(t) tương lai dần đến Để đạt giá trị điều khiển u(t) tác động lên đối tượng phải thay đổi có quy luật thích hợp, để giá trị e(t) tiến nhanh ổn định 3.1.4 Cơ sở điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển Mơ hình hệ điều khiển trượt kinh điển mơ tả hình 3.4 Như vậy, điều khiển trượt kinh điển phía sau khối tổng hợp tín hiệu trạng thái S khâu rơ le trạng thái Do vậy, tín hiệu điều khiển u Umax trạng thái S(e,e') nằm phía đường thẳng S=e+λe', -Umax trạng thái S(e,e') nằm phía đường thẳng S=e+λe' 54 Hình 3.4 Cơ sở hệ điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển Theo cách chọn u (Umax -Umax) đối tượng lại khâu dao động bậc khoảng thời gian yêu cầu định để e → khó thực Ta thấy giá trị tác động u phụ thuộc vào khoảng cách (R) từ điểm trạng thái S(e,e') đến mặt phẳng pha S dấu S(e,e') so với mặt phẳng pha S Chính từ đây, tat hay sử dụng khâu rơ le vị trí, ta đưa ý tưởng thành lập luật hợp thành (có sở xác định) để chọn giá trị u hợp lý dựa dấu khoảng cách từ biến trạng thái S(e,e') so với mặt phẳng pha S = e + λe' Nói cách khác, ta thành lập điều khiển mờ có đầu vào kết hợp liệu khác để chọn giá trị điều khiển u hợp lý Xét tốn điều khiển có yo=(yo, yo')T=(0, 0)T đối tượng khâu tích phân bậc 2: G(p) = p2 hay  x1' = x2 x2' = u  với y=x1 (3.11) Như vậy, với giá trị u cố định (khơng phụ thuộc vào t) ta có: x1 = x2 + c 2u Với c số phụ thuộc vào giá trị đầu x 1, x2 (3.12) 55 (3.12) phương trình quỹ đạo pha đối tượng trượt Vì có giả thiết yo=0, yo’=0 nên x1=-e, x2=e’ Xuất phát từ điểm trạng thái Q ban đầu, giả sử nằm nửa mặt phẳng phía đường chuyển đổi S, quỹ đạo pha xẻ dọc theo đường parabol (3.4) ứng với u = Umax > 0, quỹ đạo pha có xu hướng ngày tiến dần gốc tọa độ, xảy trường hợp parabol (3.12) nằm hồn tồn phía đường chuyển đổi xuất chế độ zick-zack gốc tọa độ (hiện tượng Bang Bang) Thực chất tượng trơn trượt dọc đường chuyển đổi gốc tọa độ xảy khâu rơ le vị trí có tần số chuyển đổi vơ lớn Trong trường hợp tàn số chuyển đổi khâu rơ le bị giới hạn, đường quỹ đạo pha không trượt dọc theo đường chuyển đổi mà dao động zick-zack quanh gốc tọa độ Nếu thay khâu rơ le vị trí khâu khuếch đại bão hịa sai lệch e(t) là: | e(t ) |  , với  sai số khoảng chuyển đổi liên tục Umax  Umax gây Như vậy, đường chuyển đổi s(e)=0 thay vào miền chuyển đổi | e(t ) |  , với  số thực dương thỏa mãn:  = e (3.13) Mặt khác ta biết: u= e'  + f ( y, y ' ) − y0" + K sgn(e + e' ) với K > (3.14) Tín hiệu điều khiển u với điều khiển trượt có dải băng  chọn sau: u= Trong đó:  S ( e)  + f ( y, y' ) − y0" + K h      e' + K số dương (3.15) 56   S ( e)   sgn   S (e)       =  + h     S (e)        S ( e)          S (e)         S ( e)    tức quỹ đạo cịn nằm ngồi dải băng  Như vậy,      S ( e)  sgn   = sgn( s) nên (3.7) trở thành (3.15)    Nếu đối tượng khâu tích phân kép, mơ hình G(p)= đạo yo=0 u = tín hiệu chủ p2  S ( e)  + K h      e' 3.1.5 Thuật toán tổng hợp điều khiển mờ trượt Bước 1: Chọn mặt trượt S Chọn hàm thuộc với tập mờ (nên chọn khoảng từ 3-10 tập mờ) Bước 2: Thiết kế luật điều khiển cho hệ trống rơi vào mặt trượt S=0 trì chế độ mãi Chọn hàm trượt S (e) = e'+1e Trong  chọn cho nghiệm đa thức đặc trưng p + 1 = nằm bên trái mặt phẳng phức Mặt trượt S cho phương trình S(e)=0, luật điều khiển u chọn cho sgn(S)