Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí

Từ đó tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không quá phức tạp, nhưng đảm bảo được tính đáp ứng nhanh và khả năng

BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Hoàng Mai

Phản biện 1: PGS TS Lê Tiến Dũng

Phản biện 2: TS Hà Xuân Vinh

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 19 tháng 5 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại động cơ cùng công suất khác, có tính cơ động cao, công suất lớn hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh và trên các phương tiện giao thông vận tải Từ khi xuất hiện cho đến nay, động cơ tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của mình và là loại động cơ không thể thay thế trong ngành hàng không

và trong lĩnh vực tàu thủy

Các hệ thống khai thác nhiệt năng như diesel, tua bin hơi (steam turbine), tua bin khí (Gas turbine) thì tuabin khí là loại thiết

bị vận hành có hiệu suất cao nhất Đồng thời cấu trúc hệ thống nhỏ gọn và thường được dùng cho những thiết bị di động như máy bay, tàu thủy Ngày nay nhiều ứng dụng tại chỗ cũng dùng tuabin khí như nhà máy nhiệt điện tuabin khí, thiết bị quay cao tốc

2 Tính cấp thiết của đề tài

Đặc điểm cơ bản của tuabin khí là cấu tạo đơn giản, ít hỏng hóc và tuổi thọ lớn Nhược điểm của chúng là đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao và khó biến đổi thông số trực tiếp Từ đó tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không quá phức tạp, nhưng đảm bảo được tính đáp ứng nhanh và khả năng kháng nhiễu

tốt, các thay đổi tham số hệ thống, đề tài “Ứng dụng logic mờ thiết

kế bộ điều khiển tốc độ tua bin khí” được thực hiện nhằm nâng cao

chất lượng động học của bộ điều khiển tua bin khí

3 Mục tiêu của đề tài

- Mô hình hóa hệ thống tua bin khí và xây dựng hệ thống trên Matlab

- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID và mờ để thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí và kiểm tra hoạt động của hệ thống

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Là hệ thống tua bin khí

* Phạm vi nghiên cứu: Động học, nguyên lý làm việc và ứng

dụng logic mờ điều khiển tốc độ tua bin khí

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tua bin khí và các yếu tố khác liên quan đến sự làm việc của tua bin khí

- Nghiên cứu về lý thuyết mờ ứng dụng trong phi tuyến

- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tua bin khí

- Mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học: Đề tài đã nghiên cứu về mô hình tuabin

khí, ứng dụng logic mờ cho bộ điều khiển tua bin khí, có so sánh chất lượng động học để đánh giá tốt hơn so với nhiều phương pháp

PID kinh điển

* Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài này hoàn thành sẽ là một tài liệu

quan trọng nhằm phục vụ bộ điều khiển hiện nay trong các tua bin

khí để nâng cao về chất lượng và sự ổn định của các hệ thống này

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài chương mở đầu và kết luận trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về bộ điều khiển tua bin khí

Chương 2: Mô hình hóa tổ hợp tuabin khí

Chương 3: Thiết kế bô điều khiển mờ điều khiển tốc độ tua bin khí Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ 1.1 Giới thiệu chung

1.2 Cấu tạo Tuabin khí

1.2.1 Khối nén khí

1.2.2 Buồng đốt

1.2.3 Tuabin

1.2.4 Hệ thống thấp áp – cao áp

1.3 Các phương pháp điều khiển Tua bin khí hiện nay

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước

1.3.2 Các nghiên cứu nước ngoài

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA TỔ HỢP TUA BIN KHÍ

2.1 Nguyên lý hoạt động của tua bin khí

Như ở hình 1, không khí sạch (thuật ngữ chuyên môn gọi là khí khô – dry air) theo đường 1 vào máy nén , được máy nén tăng áp

và theo đường 2 để đi vào buồng đốt, tại đây nhiên liệu được phun vào và đốt cháy khí tạo áp suất cao, sau đó nhờ hệ thống nén để đẩy khí cao áp đi vào đường ống 3 để đến được tua bin, làm quay tua bin Khí xả được đưa ra đường ống 4 Tua bin quay sẽ quay trực tiếp hoặc qua hộp giảm tốc để nối với tải phía sau

Việc điều khiển chiều quay của tua bin được thực hiện qua van đảo chiều Trong đó hệ thống van hai hướng sẽ được điều khiển thông qua cơ cấu thủy lực để thay đổi chiều luồng khí cao áp đi vào tua bin Kết quả làm tua bin đổi chiều quay Tuy nhiên do tốc độ quay của tua bin rất lớn nên việc đảo chiều phải được thực hiện theo đặc tính hãm qua điểm zero để giảm tối đa mômen ngược trên trục quay

Hình 2.1: Bộ điều khiển tua bin khí

2.2 Mô hình toán học của hệ thống tua-bin khí (GT- Gas Turbine)

+Chu trình Brayton thực tế

Hình 2.3: Chu kỳ Brayton thực tế

Thực tế, khi làm việc, do ma sát nhiệt, truyền nhiệt qua vách ngăn đường ống nên sẽ có tổn thất áp suất từ đầu đến cuối quá trình Do đó chu trình Brayton thực tế sẽ khác một chút so với chu trình lý tưởng

Hiệu suất của các bước trong quá trình:

ŋcomp = = (2.9)

ŋturb =

=

+ Mô hình toán học của hệ thống

Xét một cấu trúc nghiên cứu cụ thể của GT như hình 2.6

Hình 2.6: Mô hình HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) của Rowen

Dựa Mô hình của một hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) ta

có mô hình khối của hệ như hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống tuabin khí

-Đường ống vào: inlet

tác giả Rowen đề xuất

Hình 2.8: Mô hình toán học của một hệ HDGT

(Heavy Duty Gas Turbine)

Dựa vào chu trình Brayton thực tế ở hình 2.3 Ta có hiệu suất của các bước trong quá trình:

Hiệu suất của máy nén: ŋcomp = = (2.32) Hiệu suất của tuabin : ŋturb =

=

(2.33)

( )(

)

( )

( )(

) ( ) (2.35)

Sử dụng công thức (2.32) và (2.34), nhiệt độ ra của buồng đốt được tính bằng công thức:

Và với công thức (2.33) và (2.35, nhiệt độ ra của tua bin được tính như sau:

T4 = T3 ( ( ) ) (2.37) Một quá trình khác ảnh hưởng đến hoạt động của HDGT là quá trình diễn ra trong buồng đốt, tức là giao đoạn 2-3 trong hình 2.2 Khi đó áp suất trong buồng đốt không đổi

sẽ cho ta các biểu thức sau

T3 = T2 + ̇ ̇

= T2 + To ̇ ̇ (2.40)

Ở đây To là ký hiệu của sự gia tăng nhiệt Trên thực tế, nhiệt độ và tỷ lệ áp suất bên trong cũng như phản ứng tổng thể của quá trình HDGT thay đổi theo tốc độ của tua bin Quá trình này là phi tuyến nên làm phức tạp thêm cho mô hình Tuy nhiên, theo mô hình của Rowen, các quá trình này được giả thiết đối với tốc độ bằng cách áp dụng giới hạn tốc độ 95% đến 107% tốc độ định mức xem ở hình 2.7 Lúc này công suất đầu ra của tuabin sẽ là:

̇ - (2.41) Phương trình trên (2.41) được viết dưới dạng khối như sau:

̇ ở tốc độ định mức Trong đó:

Hình 2.9 Bộ định vị van nhiên liệu

Bộ định vị van nhiên liệu sẽ điều khiển bộ truyền động van đến vị trí van tương ứng so với điểm đặt Trong hình 2.9, ta có thể thấy bộ định vị van kết nối với bộ truyền động van và hệ thống van

Ở thực tế mô hình HDGT có thể hoạt động với nhiên liệu lỏng và khí, các mô hình hệ thống nhiên liệu chủ yếu là hai hệ thống khác nhau với các khối tương tự Trong các HDGT lớn hơn, cả hai

hệ thống nhiên liệu đều được cung cấp thông tin phản hồi vòng bên trong để phản hồi vị trí hiện tại của van và loại bỏ sai số giữa điểm đặt và tín hiệu vị trí van Do đó, sẽ có một hằng thời gian sẽ xuất hiện, đó là b trong khối định vị van của mô hình HDGT Giá trị

thông số nhiễu của vòng phản hồi Kf = 0 và thời gian trễ c = 0 trong

mô hình được chọn theo thông số của nhà sản xuất Tuy nhiên vẫn có một hằng số thời gian trễ từ các ống dẫn nhiên liệu đến buồng đốt

Độ trễ này được tính bằng biểu thức sau:

( ) | (2.45) Như vậy chương 2 đã trình bày cơ bản mô hình toán học của

hệ tuabin khí trong các ứng dụng thực tế Đối với các nhà máy điện, người ta dùng hệ chu trình kết hợp để tận dụng hiệu suất đuôi hơi, còn trong các hệ chuyển động như máy bay, tàu thủy thì người ta dùng hệ hở vì hạn chế của không gian bố trí thiết bị và trọng lượng

Do đó mô hình dùng để trình bày trong đề tài để xây dựng bộ điều khiển tốc độ tuabin khí sẽ là mô hình HDGT của Rowen

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID

CHO HỆ THỐNG TUABIN KHÍ 3.1 Logic mờ và điều khiển mờ

3.1.1 Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ

3.1.2 Định nghĩa tập mờ

3.1.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ

3.1.4 Suy luận mờ và luật hợp thành

3.1.5 Hệ điều khiển mờ lai (F-PID)

Qua nghiên cứu ta thấy rằng bộ điều khiển mờ có tính phi tuyến mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thời gian, có tham số rải và thời gian trễ

lớn Hiện nay việc thiết kế bộ điều khiển mờ còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm vận hành hệ thống và kiến thức chuyên gia mà chưa có được phương pháp chuẩn hoá đề thiết kế bộ điều khiển mờ

3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PID cho hệ thống tuabin khí

3.2.1 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển

Khi thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống tuyến tính, ta thấy rằng chất lượng điều khiển của hệ thống phụ thuộc vào các thông số điều khiển của bộ điều khiển PID, cụ thể là các thông số KP,

KI, KD Nhưng các hệ số của bộ điều khiển PID này chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, nhưng khi hệ thống hoạt động thì các thông số của hệ thống có thể bị thay đổi điển hình là điện trở phần ứng, momen quán tính,…do nhiều yếu

tố, trong đó yếu tố nhiệt độ và nhiễu là lớn nhất Khi đó bộ điều khiển PID sẽ không đáp ứng tốt như ban đầu, thậm chí có thể không còn đáp ứng được hệ thống Do vậy trong quá trình vận hành chúng

ta cần phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển

Có nhiều phương pháp để chỉnh định các thông số của bộ điều khiển PID như dùng mạng anfis, mạng nơron, phương pháp trượt, mờ, mờ trượt,…Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp điều khiển mờ vì tính tường minh, đơn giản và dễ kiểm nghiệm kết quả

Như vậy chúng ta sẽ thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉ định các thông số của bộ điều khiển PID trong quá trình hoạt động Ta xây dựng cấu trúc điều khiển của bộ điều khiển mờ lai PID này như sau: Đầu tiên chúng ta sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển ở vòng trong cho mạch vòng điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện một chiều, sau đó dùng bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để tự

động chỉnh định các thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển PID với các tham số KP, KI, KD được lấy từ kết quả thực nghiệm trên mô hình hóa dựa vào thuật toán Nichols Ziegler

Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống mô phỏng điều khiển bằng PID

Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp = 165 đến khi hệ thống giao động tuần hoàn Ta có kết quả đầu ra của bộ điều khiển:

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID

Đặt giá trị Kp = Ku Ta có chu kỳ giao động Tu = 4s

Sử dụng Thuật toán Nichols – Ziegler với bộ điều khiển PID cổ điển:

Kp Ki Kd

Kết quả đầu ra của bộ điều khiển PID:

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID

Qua kết quả mô phỏng điều khiển trên ta thấy rằng với bộ điều khiển PID thì thời gian quá độ là 22 giây Về chỉ tiêu độ quá điều chỉnh, khi sử dụng bộ điều khiển PID độ quá điều chỉnh lên đến 0.05% con số này rất nhỏ, đây là một thông số tốt, làm cho quá trình mở máy hệ thống truyền động điện an toàn Về sai lệch tĩnh thì phương pháp điều khiển PID không có, đáp ứng tốt với yêu cầu của hệ thống Tuy nhiên khi tăng tham số nhiễu lên thì bộ điều khiển dần mất ổn định

Sau khi thiết kế bộ điều khiển PID, dựa vào các thông số KP,

KI, KD để xây dựng bộ điều khiển mờ Đầu vào bộ điều khiển mờ này là sai lệch (kí hiệu là e) của tốc độ đặt so với tốc độ thực tế của

hệ thống tuabin khí và đạo hàm sai lệch de/dt (kí hiệu là de)

Đầu ra của bộ điều khiển mờ là các hệ số KP, KI, KD Để điều khiển hệ thống đóng mở van nhiên liệu của buồng đốt tua bin khí

3.2.2 Tính toán các thông số của bộ điều khiển mờ lai PID

Mờ hóa

- Giá trị đặt [0÷1] tương đương với tỷ lệ đóng mở van nhiên liệu [0÷100] (%)

Luật hợp thành

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 Sơ đồ hệ thống mô phòng bằng mờ PID

Trong luận văn này tác giả lấy thông số của Tuabin với công suất 172 MW để mô phỏng Đây là tuabin đơn hệ HDGT với khí sạch làm nhiên liệu chính (áp suất bao quanh 1 atm, độ ẩm tương đối 60% và nhiệt độ 15o

).Cần lưu ý rằng các tính toán sau đây, tổn thất

áp suất trong bộ lóc khí vào và quá trình đốt nhiên liệu được bỏ qua

Bảng 4.1:Thông số định danh mô hình hệ HDGT

Nhiệt dung của khí trong quá trình nén C ph kJ/kgK 1.1569

Hiệu suất của tuabin: Từ công thức (2.35) cùng với dữ liệu

trong các bảng I và II, ta tính được nhiệt độ ra tua bin T4s trong quá

trình đẳng nhiệt như sau:

xh(oc) ( )

̇

( )

( ) (4.1)

T4s(oc)

(4.2) Hiệu suất tua bin theo công thức (2.10) là:

Ở đây Nhiệt độ đầu ra của máy nén được tính từ công thức

(2.40): T2(oc) T3(oc) – ŋcomb ̇ ̇

1100 – 0.99 x

x (4.7) Hiệu suất đốt cháy của buồng đốt gần như tuyệt đối Với hiệu suất 0,99 được giả định cho hệ thống buồng đốt trong luận văn này

Theo (2.9) Ta có hiệu suất của máy nén là:

ŋc

Từ các thông số cho hoạt động định mức của tuabin ở Bảng

I Ta có, xh và xc được tính như sau:

xh 15.4

xc 15.4

Từ công thức (2.42) và (2.43) có thể được sử dụng để tính các thông số khối công suất cơ của tua bin trong hình 2.6 như sau:

Và lưu lượng định mức cũng để xác định nhiệt độ xả tuabin

Từ công thức (2.45) tham số nhiệt độ xả D được tính như sau:

Bảng 4.3:Lượng nhiên liệu tối thiểu để duy trì buồng đốt và hoạt

động không tải

Lưu lượng nhiên liệu tối thiểu để duy trì buồng đốt kg/s ~ 1.5

Bảng 4.4:Dữ liệu để tính độ trễ hệ thống nhiên liệu

Bảng 4.5: Dữ liệu để tính độ trễ của khâu xả máy nén

Hệ thống nhiên liệu: Hằng số thời gian trễ của hệ thống nhiên liệu có thể bằng 0 nếu điều kiện nhiệt động lực học của hệ thống nhiên liệu cho một điểm hoạt động điển hình được biết đến Khi vận hành với nhiên liệu khí, các phép đo gần đây về tính chất nhiệt động học metan được sử dụng để tính các biến đổi mật độ do

sự thay đổi áp suất [12] [từ công thức (19) và Bảng IV]: