Luận văn thiết kế và mô phỏng hệ thống Điều khiển dự báo turbine hơi

Trong luận văn này, la xem xét đến việc ứng dụng điều khiển dự báo dạng phân cấp cho đối tượng tua bin hơi trong hệ thông điêu khiến nhà máy điện.. Bé cực của luận văn Luận văn được bó c

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới thấy giáo hướng đẫn PGS.TS

Tuảng Minh Sơn, người đã giúp đỡ rất nhiệt tình và kịp thời về chuyên môn khi thực hiện luận văn lên cạnh đẩy, người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả các

Thấy cổ trong Bộ môn Điều khiển Tự động - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, những người đã truyển đại kiến thức cơ sở quý báu và cần thiết

cứu và thực hiện luận văn

Xin chân thánh cảm ơn gia đình, vợ và các con, những người đã động viên

tink than va git đố rất nhiêu trong quá trinh thực hiện luận văn.

LỜI CAM ĐOAN

Tên lôi là: Tê Việt Hùng

Sinh ngay 31 thang 08 nim 1978

Hac vién lép cao học Điểu khiển và Tự động hoá - Khóa BK2011B Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Hiện đang công tác tại Viên Thủy điện và Năng lượng tải tạo

Xăm cam doan: Đề tài ”7löết kế và và mô phỏng hệ thông diéu khién dy bao turbine

hơi” do thầy giáo, PGS.LS Hoàng Minh Sơn hướng dẫn lả công trinh của riêng tôi

Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xử rõ răng Tác giả xin cam doan tất cä những nội dung trong luận văn dúng như nội dung trong dễ cương vả yêu cầu của thây giáo hướng dẫn Nếu có vấn đê gì trong nội đưng của luận văn thì

tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

tà

Chương 2: TONG QUAN VE ĐIÊU KHIỂN DỰ BẢO .e TO

2.1 Giới thiệu chung àcnneieeirririrererrrarrriore.TÐ

2.2 Cac dạng mô hình được sử dụng trong thiết kể —

2.3 Mô hình trạng thái với thành phần tích phân mở rộng 13

2.4 Điều khiển dự báo trong một cửa số tối ưu

2.5 Điều khiển dự báo cho hệ MIMG

3.1 Giới thiêu chung về tua bia hơi co on )

3.3 Thiết lập hàm truyền và phương trình trạng thái của đối Lượng 38 3.4 Các kiến điều lốc tưa bìn hơi đã được ứng dụng 41

Chương 4: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KE MPC SU DUNG HAM LAGUERRA 47

4.3 Sử đụng hàm Laguerra trong thiết kế MPC 49

4.4 Áp đụng cho hệ thông MIMO

4.5 Giải pháp chặn tín hiệu với điều kiện ràng buộc cho hệ SISO 57

Chương 5: TITÉT KẾ BỘ DIU KIHẺN MPC CEO TƯA BIN IIGI 62

5.1 Các bước thiết kế bộ điều khiến dự bảo sử dụng ham Lagueira ớ2 5.2 Giá lập hàm truyền phương trình trạng thải của hệ thông tua bím hơi 3 5.3 Xét tinh điều khiển được va quan sat được của phương trình mở rộng 65 5.4 Thiết kế bộ diều khiển DMPĐC HHHharersaaeioooeore.GỔ 5.5 Đánh giá tính ẩn định của hệ thông với bộ điều khiển DMPC

5.6 Kết quả mô phỏng hệ thống diễu khiển dự báo Tua bin hơi.,

6.3 Khả năng mỡ rộng của luận vẫu - - 78

Thụ lục: CHUONG TRINH TINH TOÁN BO DIEU KHIEN MPC sU DUNG

JAM LAGULRRA VA MO PHONG Lit THONG TREN MATLAH 80

Hình 3.3: Sơ đồ hàm tuyên của buồng tua bím

Hình 3.4: Mô hình của buồng tạo hơi

Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của điều tốc điện thủy lực

inh 3.12: So dé nguyén lọ điều tốc điện tử

Hình 3.13: Đặc tính độ đốc (484) của âiều tố

Linh 4.1: Mạng Laguerre rời rạc hóa (Diserete Laguerre nehorl)

Hình 5.1 Đáp ứng bước của đôi tượng Ima bùn hơi - 65 Hình 5.2: Giá trị riêng được biểu diễn trên mặt phẳng phúc 67 Tinh 5.3: 118 thong diéu khién MPC mach vong kin cho tua bin hei

Hinh 5.4: Kér qua m6 phong đầu vào và đầu ra của hệ thông điều khiến dự báo với

Hình 5.5: Kết quả mô phòng đầu vào và đầu ra của hệ thông điều khiến dự bảo khi

Hình 4,6: Kết quả mô phông dẫu vào và đầu ra của hệ thông diều khiên dự báo khi

Hình 5 7: Kết quả mô phòng đầu vào và đầu ra của hệ thông điều khiẩn dự báo khi

“

Hinh 5.8: Kết quả mô phông dẫu vào và dẫu ra của hệ thông diều khiến dự bdo vei

điều kiện ràng buộc Hu„—4;Hma„—Ú.1; Aua—Ô.1; ÄMgw—=1; Hình 5 9: Két quad mô phông đầu vào và đầu ra của hệ tông điều khin dự báo với

Chương t: MO BAT 1.1 Đặt vẫn đề

Nha may điện hiện đại lá Lỗ hợp phúc tạp của hệ thống đường ống, máy múc với vô

số các mạch vòng điều khiển tương tác với nhau và hệ thông phụ trợ Tắt cả các mach vòng chính đáp ng lệnh điển khiến từ trung tâm, trung tâm điển khiến đưa ra

các diễm làm việc và điệu khiến chế độ làm việc cửa nhà máy Sơ dỗ điệu khiển

phối hợp đáp ứng yêu cầu điều khiển hệ thống nồi bơi-tua bin-may phát, hài hòa đáp ứng châm của đối tượng lò hơi với đáp ứng nhanh của tua bin-may phat, để đạt được dáp ứng nhanh và ôn định của tổ máy khi thay dỗi phụ tải hoặc nhiễu phụ tải

Tiền khiến đự báo dựa theo mô hinh (MPC) là một phương, pháp tiếp cận tiên tiến,

đem lại hiệu quả trong việc điều khiển nhà máy điện Trong luận văn này, la xem xét đến việc ứng dụng điều khiển dự báo dạng phân cấp cho đối tượng tua bin hơi

trong hệ thông điêu khiến nhà máy điện Tua bin hơi là một thiết bị cơ khí chuyển

ating lương hơi nước thành chuyên động quay Thiết bị yêu câu điệu chính Lốc độ quay để tránh hư hỏng vật lý tới hệ thông Gia tốc khổng được điều khiển của tua

bin sé din dén tua bin chạy quá tốc đó, đễ gây ra các hư hại với tua bỉn, phải nhân

mạnh thêm rằng tua bím hơi rất đất vì các yêu cần khắt khe về độ chính xác và chất lượng vật liệu Do đỏ có các cơ cầu điều khiển được sứ dung để én định tốc độ của

tua bin, muc dich của luận vẫn là sử dụng bộ điều khiến MDC để điều khiến tốc độ

của tua bim hơi, qua đó giúp ta hiểu rồ hơn dặc tính của bỏ diều khiển MPC

Ngoài ra, ứng dụng bộ điều khiển MPC cho điều khiển tốc độ của tua bin hơi là một

hướng đi mới, đôi hồi sự xem xét và so sánh với các tiên chuẩn về điển khiến tốc độ

tua bin hoi Mat khác, việc xây dụng bộ điều khiển MPC dựa trên công nghệ vi xứ

lý, đi hỏi khả năng tính toán lớn, trong khi tốc độ tua bin — máy phát là một đổi

tượng có đáp ứng rứưnh, do đó, câu hỏi đặt ra là tốc độ Lĩnh toán của bộ điều khiến

có đáp ứng dược yếu câu khi điều khiến tốc độ tua bin— máy phát

a

1.2 Nội dung và phương pháp thực hiện

1.3 Nội dung thực hiện:

« Nghiên cửu phương pháp thiết kẻ bộ diêu khiển dự bao dựa theo mô hình không, gian trạng thái và phương pháp thiết kế bộ điều khiển dự báo theo mô hình không,

gian trạng thải sử đụng hàm Laguerra

+ Thiết kế bộ điều khiển dự báo sử dụng hàm Laguerra dùng công cụ Matlab

* Tiên hành mô phỏng và đánh giá kế quả đạt được

1.2 Phương pháp thực

Sử đụng mê hình đối tượng tua bin hơi đã được chuẩn hóa đưới đạng đơn giản và

phương pháp thiết kế bộ điều khiển dự báo

1.3 Bé cực của luận văn

Luận văn được bó cục thành 6 chương, bao gồm các phần tôm tắt nguyên lý cơ bản

về điều khiên dự bảo, phương, án tiếp cận đối tượng tua bin hơi và chỉ tiết các bước

tiễn hành thiệt kế bộ điều khiển đự báo và mô phỏng hệ thông

Chương 1: Mở dân

Chương 2: Tổng quan vẻ diều khiển dự bảo

Chương 3: Dỏi tượng tua bản hơi

Chương 4: Phương pháp thiết kế MPC sử dumg ham Laguerra Chương 5: Thiết kế bộ điều khién MPC cho tua bin boi

Chương 6: Kết luận.

Chuong 2: TONG QUAN VE ĐIÊU KHIỂN DỰ BẢO

2.1 Giới thiệu chung

Điều khiển dự báo dụm trên mỗ hình là một phương pháp tiên tiến của điều khiển quá trình, được áp dụng trong các quả trình công nghiệp của công nghiệp hóa chất, lạc dầu từ thập niên 80 của thê kỹ 20 Nhímg năm gân đây, nó cũng được áp đụng trong các mô hình cân bằng hệ thếng nguồn điện Các bộ điều khiến dự báo dựa trên các mô hình động học của quả trình, thưởng là các mô hình tuyến tính thực nghiệm thủ nhận được qua phương pháp nhận dạng hệ thống Ưu điểm chính cia MPC là cho phép điều khiển tối ưu ở thời điểm hiện tại trong, đó có xét đến yếu tó tương, lai

Có nghĩa là nó giái bài toán tối ưu liên quan đến một cửa số thời gian xác định xửuơng giá trị điều khiển chỉ tác động tại thời điểm liệu tại MPC có khả nắng tiên doan các sự kiện trong tương lai và có những tác dộng diều khiển phủ hợp với các

sự kiện đó, bộ điều khiển PID và LQR không có khả năng tiên đoán nhu vay MPC

là một bộ điều khiến kỹ thuật số

Các mô hình được sử dụng trong MPC nhin chung có xu hướng thể hiện các

đặc tỉnh của hệ thống động học phức tạp Nói chung lả tỉnh phúc tap của thuật toán

MPC không nên ứng đụng cho các hệ thông đơn giản mà ổ đó được điều khiển rất tốt bằng bộ diéu khién PLD Bo tinh động học thưởng khó khi sử dụng bộ điều

khiến PID bao gồm các hệ thông động học cỏ độ trễ lớn và bậc cao

Mô hình MPC du bao su thay đổi trong các biến phụ thuộc của hệ thông, được mô hình hóa, là nguyên nhàn thay đối trong các biến độc lập Trong các quá

trình hóa chất biển độc lập, có thể đuợc điều chính bằng các bộ điều khiến, là điểm

lam việc của các bộ điểu khiển P1 thông thường (áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, )

hoặc các thành phân điều khiển cuỗi (van, cửa sập, ) Các biển độc lập, không thé

MPC si dung cdc gid trị đo trang thái hiền tại của đối tương, biển trang thai động học hiện tại của quả trình, cáo mô hình MPC, mục tiêu của biến quá trình và các giới lạm để tính toán sự thay đổi của các biến phụ thuộc trong lương lai Sự thay déi dé được tính toàn để giữ cho các biến phụ thuộc gần với giả trị mục tiêu khi só

sự ràng buộc của cả biến độc lập và biến phụ thuộc Bộ MPC thông thường chỉ đưa

Ta sự thay đổi dầu tiên cho mỗi một biến độc lập để thực hiện điền khiển, và lặp lại tính toàn khi có sự thay đối tiếp theo

Khi nhiều quá trình thực tế không tuyển tính, người ta thường xem xét đến việc tuyến linh hóa xap xỉ trong giới hạn vận hành nhỏ Phương án tiếp cận MPC tuyến tỉnh hẻa được sử dụng trang phân lớn các ứng đụng với cơ câu phản hồi của

bộ bù MPC cho sai lệch dụ báo bởi sự sai lệch cầu trúc giữa mỗ hình và quá trình

Trong các bộ diễu khiển dự báo dựa trêa mô hình với các mô hình tuyến tinh, nguyên lý xếp chống đại số tuyến tính có khả năng ánh hưởng tới sự thay đổi trong,

các biển phức hợp độc lập, được công thêm vào khi dự béo dap ứng của các biến

phụ thuộc Điều đó làm dơn giản hóa vấn dé diéu khiển thành việc tính toán dại số trực tiếp của các ma trận một cách nhanh chóng và bền vững

Khi mô hình tuyến tỉnh không đủ chính xác để thể hiện thành phần phi tuyên của quá trình thực tế Một số phương pháp Hiếp cận được sứ dụng Trong vải trường

hop, các biến quá trình có thể được chuyển đối trước hoặc sau mô hình tuyến tỉnh

hoa để giảm các thành phần phi tuyển Quá trình có thể được điều khiển với bộ _MEC phi tuyến sử đụng trực tiếp mô hình phí tuyển trong ứng dụng diều khiển Mô hình phí tuyến có thế đưới đạng mô hình thực nghiệm (VD: mạng trí tuệ nhân tạo) tioặc mô hình động học có độ trưng thực cao đựa trên cơ sở cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng

Nguyên tắc chung khi thiết lê bộ điều khiến dự báo

1 Dựa trên mô hình quá trình, biểu diễn dấy giả trị dâu ra (biến dược điều khiển) trong tương lai phụ thuộc dầy giá trị đầu vào (biến điều khiển) và đầu

ra đo được

2, Xác định hàm mục tiêu dựa trên tác động điều khiển trong tương lai và sai

lệch điều khiến đự báo (tín hiệu chủ đạo trong tương lai có thế biết trước),

3 Tim day giá trị diễu khiển tỗi ưu trong Lương lại để tối thiểu hóa hàm mục tiêu, với một số điều kiện ràng buộc

4 Đưa ra lác động điền khiển sử dựng giá trị đầu tiên trong đấy lim được

5 trong chu kỳ điều khiển tiếp theo: Do giá trị đầu ra và lặp lại quy trình từ

bước 3

Tình 2.1: Một dạng diều khiến dự bảo dựa theo mô hình

2.2 Các dạng mô hình được sử dụng trong thiết kẻ

Có ba phương thức tiếp cân dẻ thiết kế bộ điều khiên diz bao, mdi phương, 'pháp tiếp cận sử dụng một cầu trúc mồ hình duy nhất

Trong các dạng thức của bộ diễu khiển dự báo trước dây, mỏ hình dap ứng, xung hữu han (finite impulse response - LIR) và đáp ứng bước nháy rất phổ biến

Thuật toán thiết kế đựa trên mồ hình FTR/đáp ứng bước nhãy bao gêm dang diéu

khiển mø trận động hoc (DMC) (Cuter ad Eamaker, 1979) và DMC toàn phương

(Garcia and Morshedi, 1986) Mô hình kiểu FTR thu lút các kỹ sư quá trình bởi cầu trúc mô hinh đưa ra mô tả rõ rang về trễ thời gian, đáp ứng thời gian và hệ số khuyến dại của quá trinh Tuy nhiên, nó bị bạn chế với các đối tượng ổn đnhh và thường yêu câu bậc của mô hình cao Cầu trúc mô hình này thường yêu câu 30 tới

60 hệ 5 dap ứng xung phụ thuộc vào quả trình động học và lựa chọn khoảng thời gian lấy mẫu

Mô hình hàm truyền đạt đưa ra mô tả chỉ tiết hơn về quá trình động hoc va

có thể ứng đụng cho cã đối tượng én định và không ốn định Điền hinh của bộ điều khiển dự báo dựa trên mô hình hảm truyền đạt lá thuật toán điều khiển dự báo của

Peterka (Peterka, 1984) và thuật toán điều khiến đự báo tổng quát (GPC) của Clarke

và các công sự (Clake eL aL,1987) Bộ điển khiển đự báo dụa trên mỗ hình hàm

truyền thường ít được sử dụng với các đối tượng điều khiển đa biến

Một đạng không gian trạng thái của GPC được Ordys and Clarke (1993) Va

nó trở lên phổ biến trong các phương pháp thiết kế bộ điều khiển dy bảo sử dụng,

không gian trang thai (Ricker, 1991, Rawhngs and Muske, 1993, Rawlings,

2000,Macviejowski, 2002) Trong khuôn khổ của luận văn, xm giới thiệu phương pháp thiết kế sứ dụng mô hình không gian trạng thải trong miễn thời gian rời rac,

nó phù hợp với việc thiết kế bộ điều khiển đự báo cho đổi tượng đa biến hoặc đổi

Hệ thông điều khiển dự báo dựa theo mé hình dược thiết kế theo mô hình toán của đối tượng, Mô hình toán được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển được lây theo mô hình không gian trạng thái, các thông tin yêu cầu tức thời cho việc

dự bảo dược thể hiện bằng biến trạng thái ở thời diêm hiện tại

Để đơn giãn, ta đặt giả thiết với hệ một vào một ra (single-input and single-

oulput — SISO), được mỗ tâ như sau:

trong đỏ là biên đầu vào, y là biến đâu ra, x„ là véc tơ biến trạng thải với kích

thước mị

Lấy sai phân hai về của (1.1) ta có:

xufk L1) — xu ()= Âg Sa ( — xu — 1) Ô Bụ (M2 — uất — 1))

Ta đặt sai phân của biến trạng thái băng,

Au(k L1)— xu (k L1) — xu (; đấy (ÈỊ— xe ( — Xa (E— 1)

Và sai phâu của biến điều khiển là

Au(l)= w() — u(k — 1)

Đây là các gia số cũn biển số x„) và u(t) Do vậy, sai phẩm của phương lrình trang thai:

Ag 11)=.A,4x, độ L B„4ug0 (1-3)

Nhe rang dau vào của mỏ hình wang thái bây giờ là 4u) Bước kế tiếp là kết nói

Ax, (k) toi dau ra p(k) Dé lam được điều đỏ, một véc tơ không gian trạng thái được chọn nhủ sai

© Xt gia bi riêng của mô hình mở rộng

"Phương trình đặc trưng dạng đa thức của mô hình mở rộng là:

AI — Am on,

pÚ) = dot(al — A) = det" A My

=(—1) det@1 — A„)

Vi vay, giá trị riêng của mô hình mở rông là sự kết hợp giá trị riêng của mô

hình đối tượng va giá trị riêng, ¿ — 7 Diéu đỏ có nghĩa là có thành phân tích phân

đã được đưa vào mô hình ruỡ rộng,

2.4 Điều khiển dụ báo trong một cửa số tỗi ưu

Dựa vào công thủc của mô hình toán, bước kê tiếp trong việc thiết kế hệ thông điều khiển dự báo là tính toán dầu ra dụ báo của đối tượng vỏi tín liệu điều khiển tương lai như là biến điểu chỉnh Việc dự bảo nảy năm trong một cửa số (phạm vị) tối ưu Ta sẽ kiếm tra việc thực luện tối uu trong cửa số đó, với giả thiết tại thời điểm thứ kị và độ dài của cửa sỏ tối ưu là Np (như là số là

lay mẫu), Để

đơn gián ta xét hệ S1SO, sau đó mở rộng két qué voi hé MIMO

2.4.1 Dự báo biến trạng thái và biến đầu ra

Giả sử ở thời điểm lây mẫu &„ È, >0, véc tơ biển trạng thải x/#)} có thê đa được, biến

trang thai x(t) cung cấp thông tin của hiện tại Quỹ đạo tương lai được chỉ ra bởi

Auth), Auk, +1), , 4utk, + Ne — 1)

Trong đó Ne được gọi là tầm điều khiến, thể hiện số các thông số được sử đụng để

xrắm bắt được quỹ đạo điều khiển tương lại Với thông Em của x(k), biến trạng thái tương lại được dự báo cho Ap số lần lẫy mẫu, Np được gọi là tâm dix bao, Np cling

lá độ đải của cửa số tối ưu Biên trạng thái tương lai được biểu điễn như sau

xứ: TĨ | kì, xứ +2 | k), «ụ xứ + m| &), let Np RD

Trong đó xứ; 'm | k) là biến trạng thải được dự báo ở thời điểm &, :z với thông tin cửa đối lượng ö thời điểm hiện lại x&jJ Tam điểu khiến Ne được chọn nhỏ hơn

“hoặc bing tim dy bao Np

Tựa vào mô hình không gian trạng thái (1, B, Cj, biến trạng thái tương lai được tính

toán tuần tự sử dụng bộ thông số điểu khiển trơng tương lại:

xí +1 | kà— AxJ+ BAu(k)

xi 12| k)= Axfk 11 | kì BA 1 1)= 4 x(R)L ABAu(k): Bau, |)

xtk, | Np kj— A’ x(k) | AM BAuth) | AY OBA, U

Từ các biến trạng thái được dự báo, biển đâu ra được đự báo được thay thể bằng:

yík +1 | kj= CAxfi J+ CBAufk)

Cáo véo tơ được định nghĩa như sau:

Y -lyf +1 k) vức +2 | ded ví, +3 | bad an yee + Np | kf

AU =fAutk) Auth, | 1) Auth; \2) Auth, | Ne- DY"

Trong trường hợp hệ thông một dẫu vào và một đầu ra, kích thước của Y là Ấp và

kích thước của 1 là Me Ta ghép (1.5) và (1.6) với nhau, ta có ma trận rút gọn:

tiêu, sau đó, được đưa vào trong thiết kế đề tìm véo tơ tham số điền khiến tốt nhất

AU mà hàm sai lệch giữa điểm làm việc và đầu ra dự bảo là nhề nhất

Giá thiết véc tơ chủa thông tia điểm làm việc là

Np

R =Ĩ11 1Ïr@&)

Ta có hàm chỉ phí J, phân ánh mục tiêu điều khiển như sau:

Trong đó số hạng thứ nhất liên quan dến giá trị sai lệch nhỏ nhất giữa dầu ra dự báo

và tín hiệu điểm làm việc thí số hạng thứ hai phản ánh sự xem xét được đưa ra liên quan đến độ lớn của hảm mục tiêu có giá trị nhỏ nhất có thê, # là ma trận đường, chéo có dạng & = twlwcawe(hy 2 0), trong dor, được sử dụng như là tham số điểu

chỉnh cho việc biên điễn mạch vòng kín mong muốn Trong trường hợp zy = D,

ham chỉ phí (1.8) chuyển sang dạng mà không cần quan tâm đến đỏ lớn của 4, ma

mục tiêu lúc này giám sai lệch (Ñ, — Y}T(H, — Y) đến mức nhỏ nhất có thể, Trong,

trường hợp f„ lớn, hảm chỉ phí chuyển sang dạng mà ta phải xem xét cần thận độ

lớn của 4U và giảm (I, — ¥)"(R, — Y) một cách thận trọng,

Dé lim 4 tôi tru để 7 nhỏ nhật, ta viết lại deci dang

T=(R,— F3(kD) (R, — Fr(k))) — 20UT O"(R, — Fx(k)))

+AUT(O @ + RAV

Vi phân bậc một của hảm chỉ phí J:

sp = —27(ïy — Fx(E))) + 2(8F ® + R)AU

Điều kiện cần để nh nhất khi

Np

Đột #, = Í11 1Ì 1a sò RY = kyr (k;)

Giải pháp tối ưu của tín hiệu diều khiển cé quan hệ với tia hiệu điểm lam việc và biển trạng thải theo phương trình sau:

AU = (@' ®+ R) 1#@f(R,r(kj) — Fx(,)) (1.10)

2.4.3, Điều khiển hôi truy

_Dủ tham số tôi ưu 4U chửa các tin hiệu điều khiển Au(h,),4u(k, 11), Auƒk, 12), u( +ÐNe —1), với nguyên lý điều khiển hội truy, ta chỉ thục hiện lây mẫu tín hiện dầu tiên cũa chuối tì hiệu diễn khiển (22: 4z(&J) và bố qua phản côn lại của chuối

đó Dến chu kỷ lây mẫy tiếp theo, giá trị đo gần nhất dưới dang véc to trang thai x(k,

>1), được sử đụng để tỉnh toán chuỗi tín hiều điền khiến mới Quả trinh nảy được lặp lại trong thời gian thực được gọi lả luật điều khiến hồi truy

+hâng đối cho hệ thẳng bất biến theo thời gian Theo nguyên lý điều khiến hỏi truy,

ta chỉ lây thành phân dâu tiên của 4 ở thời điểm &; như là gia số diễu khiển, vì vậy:

Ne

AuCk;) = [16.0] (@7 © + R) 1(@7TR,r(2) — ® Fx(k2))

Trong đó

Ky là thành phần đầu tién cia (67 ® + R) 1@TÑ,

Kmmpe Va hang đầu tiên của (#7 ® + R) 1@TƑ

Phương trình (1.11) lả bộ điều khiển phản hỏi trạng thái tuyển tính bất biển theo

thời gian, véc tơ hệ số khuyến đại điêu khiến phân hải trạng thái là K„„ De đó, với

Boi vị cầu trúc đặc biệt của ma trận Ở và 4, cội cuối cia F là gidng voi Ry, [1

1 1] do dé &, là giống với hàng cuối của Ä„„ Với vée to biến trạng thai +x()~Ƒ4x„(RJ” y@Ö†”, và với dịnh nghĩa về K,, ta có thê viết

Ene EE: Ky}

trong do Ấ, tương ứng với hệ số khuyên dại phản hỏi liên quan dén 4x, (4), va K, Tương ứng với hệ số khuyến đại phản hỏi liên quan đến /) Từ đó ta có sơ đồ khỏi mạch vòng kin cho hệ thống điều khiển dự bảo như binh 2.2 Se dé thé hiện câu trúc phán hồi trạng thái cho bộ điều khiển dự báo dựa theo mô hình rời rạc (DMPC)

1

bên trong phép tích phân, với mô dun +——7 mae thể hiện phép tích phân trong miền rời

rac theo thời gian

Hình 2.2: Sơ đồ khối bệ thông điều khiển dụ báo rời rạo theo thời gian

2.5 Diều khiến dự báo cho hệ MLMƠ

Trong phản trước, dễ đơn giản cho việc mình họa hệ thông điều khiển dự báo, ta thiết kế dự trên hệ thống một đầu vào và một đầu ra Phương, pháp thiết kế đó có thẻ thục sự được mỡ rộng cho hệ thống nhiều đầu vào và nhiều đầu ra mà không cần quá nhiều sự bổ xung, bởi vị nó van được biểu điển đưới dạng phương trình trạng,

thái

2.5.1 Đạng tổng quát của mã hình

Giả thiết đối tượng có m đầu vào, đ đầu ra và ở, trạng thái Ta cũng giả thiết rằng số

đầu ra íL hơn hoặc bằng số đầu vào (g@ <mJ Nến số đầu ra lớn hơn số đầu vào, ta

không thẻ điểu khiển dược mỗi một dầu ra do dược một cách độc lập với sai lệch

R 8

trạng thái ổn dịnh điểm không, Ở dang tổng quát của vấn dẻ diều khiển đự bảo, ta cũng có thể đưa tin hiệu ổn và tin hiệu nhiễu vào đề giải quyết

Trong đó œ@ là tín hiệu nhiễu đầu vào, giả thiết là chuỗi tích phân nhiều ồn trắng, Điều dò có nghĩa là đầu vào nhiều œ(&) có giả trị trung bình bằng không, chuối én trắng (k) có phương trình sai phân

Tử (1.14), ta có một phương trinh khác như sau:

xmÍk )= Auxu(k-lJ+ Bua(k-1T Bumfk-1) (1.17)

Dit 44,(K)— Xp (BX, (le — 1)

va Aufkj= uh) ufk 1)

sau dé tou (1.14) cho (1.17) dẫn tới

By +1)= AuAs„ (E)+ B„Au(f)~ B„£ đJ

Theo mỗi quan hệ giữa dầu ra y(k) và biến trang thái Ax„(k), suy ra

AvŒ 1= CuAxy (E L1)= C„AyAx, (1 C„BuAufÐ L C„Bá e (R) Trong dé 4y +2) ye +1) — yth)

Chọn véc tơ biển trạng thái mới x(k) =f4y,, (A) (ke) J", ta od:

steed) xŒ) _—

Bal L2 =] ES as I+ L5] Jace + [Jeo

£

— -

CE) = [Dm Foe] [en (1.18

Trong đỏ 1,„„ là ma trận đơn vị với kích thước gx4, với g là số đầu ra, và (1, là ma

tran không có kích thước 4 x m Trong (1.18), Ay, B„, C„ lần lượt có kích thước ma

trận là nị X Hạ, m % m VÀ 8X

Dé dơn gián hòa, ta biểu diễn (1.18) dưới đạng như sau:

xí +l)= Ax()+ Bau(R)+ B,e (R

3.5.1 Giá trị riêng của mô hình mở rộng

Phương trình dặc trưng dạng da thức của mô hình mở rộng là:

A) = act |*

=(A-—124et(1 — Am)

Như vậy thay bằng việc xóc dịnh thuộc tính của dịnh thức của ma trận dang tam

giác ở phần thấp, ta xác định thuộc tính của ma trận đường chéo Vi vậy, giá trị riêng của mô hình mở rộng là sự kết hợp giá trị riêng của mô hình đối lượng và 4 giá trị riêng, Ả — 7 Điều đỏ có nghĩa là ø thành phần tích phân đã được dưa vào mô hình mở rộng, cũng có nghĩa là ta đã sử đụng các tác động tính phân cho hệ thông

MPC

2.5.3 Tĩnh diều khiển được và quau sát dược của mồ hình mở rộng

Boi vì mô hình đối tượng ban đầu được mở rộng với các bộ tích phân và thiết kế

MPC dược thực hiện dựa trên mỏ bình không gian trạng thải mở rộng, nó rất quan

trọng cho việc thiết kể hệ thống điều khiến rằng mỏ hình mở rộng không trở nên không điều khiển được và không quan sal được, đặc biệt là đối với các khâu động, học không ổn dịnh của hệ thống Điều khiển được là diễu kiện tiên quyết cho hệ thông điều khiển đự bảo để đạt được việc thực hiện điều khiển mạch vòng kin nhụ nong muốn và quan sát được là điêu kiện tiên quyết cho việc thiết kê thành công bộ quan sát Luy nhiên, các điều kiện nảy có thể được nới lống với các yêu cầu về khd

năng ổn định được và khả năng phái hiện được nêu chỉ xem xét tính dn định của

ổn định, Chế độ én dinh & dây có nghĩa là các giá trị riềng tương ứng nằm hoàn

toàn trong vòng tron don vi)

Bởi vì mô hình mỡ rộng, có thêm các thánh phân tích phân, ta cản kiểm tra xem ở điều kiện nào các yếu tổ được thêm vào đó có thẻ điều khiển được Cách đơn giản nhật là đựa vào giả thiết về thực thi tối giản Nó được phát biếu như sau (theo

Linping Wang (2009), Model Predictive Control System Design and Implementation Using MATLAB):

Dinh nghia: Mot thuc thi (realization) của hàm truyền dạt G2) là bất kỳ một bộ ba không gian trạng thải /4,,C) mà G(z)— C4 — 4J 7H, Nêu một bộ ba /1,,C) tên

tại thì G(s) được gọt là thực hiện được Một thực In (4,8,2 được gọi là thựo thì tối

giản của ham truyền dạt nếu không cỏ kích thước (ma trận) nhỏ hơn với bộ ba dã

3

Một Hực thị tố giản có tính chất đặc biệt được phát biểu trơng định lý dưới đây:

Định lý 1: Một thực thi tối giãn có cá tính điều khiển được và quan sát được

Với thông tìu cơ ban nay, chimg ta định hưởng đưa ra điểu kiện mà mô hình mở rộng có cả tính điều khiển được va quan sat được thông qua tham số của thực thị tôi

giản

Định lý 2: Giả thiết mô hình hệ thông (4„,B,„C„J) có cả tỉnh chất điều khiến được,

có hàm truyền G„ (2) với thực thì tối giản, trong đó:

thông G„ (2) không có điểm không ở z=1

2.5.4 Giải pháp điều khiển dự bao cho bệ thông MIMO

Tịnh nghĩa véc tơ Ÿ và véc tơ 4 như sau

4U =[AufkjT duk, +1)7 Auđ +ÁMe TF

Y -D@, 1L1|kJTvứ, L2| k) vứt (3 kJT ví Np gE

Tựa vào mô hình không gian trang thái /4,B,C), biên trang thái tương lai dược tính

toán tuần tự sử dụng bộ tham số điều khiển trong tương lai

xi +1 | k)— AxfE)+ BAu@kJ+ Bạe

xí, !2|k)=Axf& l1, k)! BAnf, 11)! Bu£(k, Fk)

=A2x(kjJ+ ABuQj)+ BAu(k, — 1)

| ABse (6) | Bye (h, 11 | kd

+0 Bautk, +.Neo— I +A Bye tk)

1a Re eT | kept | Bue fh | Np— 2 |)

Với giả tết e (&) là chuỗi én trắng có giá trị trung bình bằng không, giả trị dự báo

của e (#, +i| &) ở lần lây mẫn tương lai ï được giả thiết bằng không Dự báo biến

trang thải và biên đâu ra được tình toán như là giá trị mơng muốn cửa biển lương tùng, vi vậy, ảnh hưởng của nhiều dén gia trị dự báo là bằng không Tử đỏ ta có;

Y =TxŒ}# ĐAU Trong đó

cate catetp cave? calves“ caNe-we

Gia số điều khiển tôi tu bên trong cửa số tối ưu có đạng:

AU = (0T ® + R)1(@TR (ky) — ® Fx(E2))

Trong đỏ, @f © có kích thước mNcxmNG và @TƑ có kích thước mNexn và ĐỀ R„

có kích thước bằng với ø hàng cuỗi cùng của ®TPƑ, Ma trần trọng số Ñ là mua trận khối với m khối và có kích thước bằng với kích thước của $P? ®

Tín hiệu điểm làm việc z(ÈJ_ /r(&) ryŒk)

tới hệ thông nhiều đầu ra

-~ z/ÀJT như là ø tin hiệu điểm làm việc

Trong do J, và Ø„ là ma liận đơn vị va ma tra không có kích thuởc zz xem

Trên đây là những ý tưởng cơ bản về bộ điều khiên dự bảo dựa trên mô hình rởi rạc thời gian Trước khi đi sâu hơn vào phương pháp tiếp cân bộ điều khiển dự báo sử dụng hàm Lapuerra, để dàng tính toán trên máy tỉnh với các đối tượng dỏi hồi tắm dit bao lon, ta di vao tim hiểu đổi tượng điều khiển của luận văn này, đối tượng tua

in hoi.

của tua bin — may phat Sau đó, mô hình hóa các quá trinh động học đó đề phục vụ

cho bài loán điều khiển Và một phần không thể thiếu là việc nắm bắt nguyên lý của các bộ điều tốc đã được sử dụng và các đặc tỉnh quan trọng của điều tốc để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiến đự báo MPC điêu khiến tốc độ quay của tua bin

3.1 Giới thiệu chung về tua bin hơi

Tua bin hơi nước là thiết bị chuyển hóa năng lượng nhiệt từ hơi nước áp lực cao

thành cơ năng làm quay trục trục rô tô Mô hình hiện đại cia lua bm hei được phát

munh béi Sir Charles Parsons vảơ năm 1884

Béi vi tua bin tao ra chuyển động quay nó đặc biệt phủ hợp cho việc sử dung trong

đệ thống phát điện, khoảng 90% hệ thông phát diện trên thể giỏi six dung tua bin hoi

nude, Tua bin hoi nước là một loại động cơ nhiệt, mà cho đến ngày nay nó có sử dụng cầu trúc nhiêu tằng (chía chẳng) theo hơi nước, nó là kết quả của quá trình cải tiễn hiệu suất nhiệt động, học

3.2 Cấu tạo và nguyên lý vận hành

Tua bin hei bao gồm một trục quay lắp theo phương tắm ngang trong một xy lánh Mặt ngoài của khối quay có gắn nhiên cánh quạt nghiêng tỏa ra như nan hoa bánh

xe Hơi nước áp lực cao được đưa vào xy lanh qua một loạt vời gắn xung quanh mặt

trong của xy lanh,

Khi hơi nước vào xy lanh, nó giấn nở Nhiệt năng của bơi nước là động năng của

phân tử hơi nước Năng lượng nay được truyền cho trục qua các cánh quạt nghiêng,

Cảnh quạt chuyên đông khi dược hơi nude dây, khiến trục quay theo Tốc độ quay thay đổi tủy theo nhiệt độ và áp suất hơi nước

Tua bin hơi nước dược chế tạo bằng vật liễu mới có khả năng hoạt động ở nhiệt độ

và ấp suất rất cao Kiểu dàng của cảnh quạt tua bin là một nhân tố quan trọng

Tình thức tua bin hơi mước đơn giãn nhất là tua bin xung lực, trong đó các cảnh giỏ giống như những chiếc chén nhỏ Hơi nước phóng thích nẵng lượng của nó khả nó

chạm vào các cảnh gid cua tua bin am trục quay và hơi nước sau đó mat gan hết

trăng lượng

‘Tua bin phản kích, lần đầu tiên được Sir Charles Parsons phát mình vào cuối thể ky

XD, cho phép hơi nước thổi qua một loạt cảnh giỏ có định và linh hoạt Khi qua các cảnh gió, hơi nước tự động giãn nỗ Có nghĩa là năng lượng hơi nước được sử dụng hiệu quả hơn vả luỗng hơi nước nhanh hơn hơi nước trong tua bìn xung lực

gấp hai lần Có thế đạt được hiệu năng cao hơn bằng cách cho việc truyền năng,

lượng điển ra Irong một số giai đoạn riêng lẻ thay vì củng một lúc Quy trình này

được gọi là “chia chặng”, ngày nay cầu trúc này được sử dụng cho tất cả tua bin

hoi

Trong phương pháp chủa chặng thông thường nhất, hơi nước di qua một loạt cảnh

giỏ nghiêng có đướng kinh lớn dần LIei nước đẩy vào các cảnh gió nhỏ nhất trước,

Những lua bìn lớn theo phương pháp này đi thêm mội bước Hai hoặc ba bộ cảnh

giỏ tua bìn được lắp đặt trên cùng một trục Mỗi chặng được lang kin trong mét xy

lanh riêng rẽ Chăng đầu tiền thường có những cánh gió xưng lực và sử dụng hơi xước cno áp Sau khi hơi nước đi qua chăng đầu tiên, nó được lập trưng vả rung

nóng lại tới khi nó có đủ năng lượng để đây cánh gió tua bin trưng áp Rồi hơi nước

được dẫn đến tua bin ha ap Các tua bin kiéu nay được gọi là tua bin đa hợp

30

Hinh 3.1: Đường dẫn hơi nước bên trong một tua bìn hơi đa hợp

3.3 Mô hình hóa đổi tượng

Đặt giả thiết tô máy phát điện là tổ máy chạy độc lập, không nôi lưới Như vây, khi phụ tải thay đổi sé lam thay đổi tốc độ quay của máy phát Như nhiệm vụ của luận văn đã nêu ở trên, ta sẽ xây dựng bộ điều khiên dự báo MPC đáp ứng yêu cầu ôn định tốc đồ quay clia tua bin, trong đó sự biến động phụ tải được coi lả nhiều của quá trình Tử đỏ, mục tiêu của việc mô hình hóa đổi tượng là tuyển tỉnh hỏa mô hình đổi tượng, van điều tốc, buông tạo hơi, buông tua bin, với đổi tượng tua bún

có hai khâu gia nhiệt lại, để có được

mô hình đổi tượng trong đỏ bao gồm các yêu tốc đầu vào, các trạng thái ảnh hưởng

hơi được lựa chọn la tua bin hoi đa hợp nồi

đến đầu ra tốc độ của tổ máy

3.3.1 Mô hình hóa buồng hơi tua bin

Giả thiết ta cỏ buồng tua bin nhu hinh 3.2, trong do Q,, Qour lan lượt là lưu luong hoi nude vao va ra khdi budng tua bin va J7 là thê tích của buông tua bìn

31

tu —= ¬ F v —+ sour

1lình 3.2: Buéng tua bin

Ta có phương trình cân bằng trọng lượng trong miền liên tục, tương ứng với bình

3.2 như sau:

aw

Trong dó, W là trọng lượng của hơi nước (kg) tương ứng với thể tích hơi mước Vom’) trong buéng tua bin,

Với giả thiết lưu lượng bơi nước ra khôi tna bin ty 16 viii ap aul, trong buông tua

P là áp suất biển thiên trong buộng tua bi

Po la ap suat ctia buồng tua bìn ở trạng thải ổn định

Ø¿ là lưu lượng đâu ra ổn dinh ofa tua bin tng với áp suất ôn định Pạ

Giá thiết rằng nhiệt độ trong, buồng tua bữa không thay đổi, ta có

aw aw dP a fi\aP

Trong đó v là thê tích riêng của hơi nước trong tua bin

Với giá thiết bó qua tổn hao công suất trong buông tua bin và lực ma sát của trục

tua bin ta có lưu lượng hơi tỷ lệ với đỏng công suất hơi, với /*zy là công suất đâu

vào của buông tua bìn (EWO, „là công suất đầu trục tua bìm — máy phát (hay công, suất đầu ra của buồng tua bin - kW), ta có thể biểu điễn công thức như sau:

Budng tua bin

Linh 3.3: Sơ đồ hàm truyền của budng tua bin

Nhu vay tng voi mdi buéng tua bin, ta có một mô hình như hình 3.3, tương ứng với

các hằng số thời gian 7 tùy theo kết cầu của buồng tua bín

33

3.2.2 Mô hình buông Lạo hơi và Ống ấp lực cao

Giữa van điền khiển và tua bin áp lực cao có một buồng tạo hơi, buồng này tạo ra thời gian trễ giữa sự thay dỗi lưu lượng chay qua van và lưu lượng chạy qua tua bin cao áp (Giá thiết độ trễ của van điều khiển la không đáng kể) Mô hình toàn trong

tình 3.3 thể hiện sự ảnh hưởng đó với hằng số thời gian 7z

Hơn nữa, treng sơ để mô hình có xem xét đến tồn thất trên đường dng cao áp dẫn từ

xôi hơi đến van điều khiển Giả thiết Pạo là là ấp suất không đổi của nội hơi, Pylà áp

suất biến thiên qua van điều khiển Xa; là hệ số tổn thất trên đường ống Lưu lượng chạy vào buông tạo hơi như sau:

They = PeylPse — Kpntten’)

Giả thiết bỏ qua tốn thất trên đường ống áp lục từ nỗi hơi dén budng tua bin cao áp, 1a có mô hình buồng tạo hơi như sau:

Từ (3.4) và (3.5) kết hợp với giả thiết lựa chọn mô hình tua bì da hợp nổi liếp với

"hai khâu gia nhiệt lại, ta có sơ đỏ

Hinh 3.6: M6 hinh tuyén tinh xdp xi

Trong đỏ, tá có cáo thông số Lưn bản như sau

Tow Ting sé tao hoi (thời gian xả hơi nước từ van điều khiển tới buồng siêu cao

Teo Hang số thời giam điểm cuối (thời gian xã hơi nước lừ buồng trung áp tới

buông hạ áp) Thông thường 7¿¿—0.3+0.53

Ty: Phân số công suật của phần tua bìn siêu cao áp

3

Fi,: Phân số công suất của phan tua bin cao ap

Foy Phan sé céng suất của phần tua bin trrng áp

;„: Phân số công suất của phan tua bin ha dp

Ö là hằng số quản tỉnh của máy phát (s),

+ là tốc độ quay của máy phat (rpm);

ð là gốc quay của máy phát (rad),

2» là công suất đầu trục máy phát (KW},

P, 1a céng suất phát ra của máy phát (€W);

iu điễn vi phân của tốc độ (3.6) trong pu, ta od

đAw _ 1 AP — AP,

Bén canh dé khi xem xét mỗi liên hệ giữa phụ tãi và tàn số máy phat, ta thay rang phy tai cỏ yếu tổ tổng hợp, bao gồm các tái thuận trở, như đến chiều sóng, tải nhiệt

-P,là công suất phụ tải thuận trở (kW)

2Ð là hệ số suy giảm tải;

Daw là công suất phụ tãi phụ thuộc tân sổ

Tệ số suy giảm tải thể hiện tỷ lệ phần trầm thay dỗi tải so với lÿ lệ phần trăm thay đổi tần số, VD: 2=1.2, có nghĩa lả khi tần số thay đổi 1% thì tái phụ thuộc tin số thay đối 1.2% So đỏ khối thế hiện công thức (3

Hinh 3.8: Mé hinh mdy phat ri gon

‘Tu so dé mé hinh tua bin trong hinh 3.5 và và mồ hình máy phat trong hinh 3.8, ta

có mô hình của hệ thống tua bím máy phát như hình 3.9, trong đó đầu vào của hệ thống, là áp lực qua van diễu khiển, dầu ra là têc độ quay của mây phát, công suất của phụ tài thuận trở P;„„¿ được coi là nhiễu của quả trình

đặt G149) là hàm truyền của khâu tua bì siêu cao áp,

(72(sJ là hàm truyền của khâu tua bin cao áp,

G3(sJ là hàm truyền của khâu tua bị trung áp;

38

G4(s) là bàm truyền của khâu tua bin hạ áp,

G(s) là bàm truyền của khâu máy phát;

39

Trên cơ sở phương, pháp tiếp cận thiết kế bộ diễu khiển dự báo dựa trên các giá trị

đo của biển trạng thải để dự bảo và điều khiển hệ thông, do đỏ ta xây dựng phương trình trạng thái dựa trên gác biển trạng thái có thể đo được của hệ thông,

Dặt các biển theo thời gian như trong hình 3.9:

uự) là đầu vào áp suất của tua bín hơi:

(Ø là tốc dộ quay của mày phát,

swt) la céng suất của phụ tải,

xσj Tà áp suất đầu vào buông 1ua bìn siêu cao áp;

+20 là áp suất đầu vào buông tua bản cao áp;

xâ(0 là áp suất đâu vào buông bua bán trung áp;

+40 là áp suất đâu vào buông tua bin ha ap;