Ứng dụng giải thuật di truyền để chỉnh định tối ưu tham số PID cho bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát đồng bộ

Hệ thống kích từ là một hệ thống quan trọng và phức tạp trong nhà máy thủy điện, chính vì vậy mà ít có công ty hay tổ chức nào ở Việt Nam thực hiện việc thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÙI THANH TÂN

UNG DUNG GIAI THUAT DI TRUYEN

DE CHINH DINH TOI UU THAM SO PID

CHO BO TU DONG DIEU CHINH DIEN AP

MAY PHAT DONG BO

Chuyên nghành: Tự Động Hóa

TOM TẮÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUAT

Đà Nẵng - Năm 2012

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Bê

Phản biện 1: PGS.TS NGUYÊN HỎNG ANH

Phan bién 2: TS TRAN DINH KHOI QUOC

Luận văn được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ kỹ

thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Hoc liệu, Đại học Đà Nẵng:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời gian qua cùng với việc phát triển nên kinh tế, xã

hội nên vấn đề điện năng ngày càng trở nên cần thiết hơn bao giờ hết

Vì thế mà nhà nước, chính phủ đã xây dựng nhiều công trình thủy

điện và các nhà máy điện sử dụng nhiễu loại nguôn nhiên liệu khác

nhau Giải pháp NMTĐ vừa và nhỏ đã góp phần đáng kể trong việc

đáp ứng nhu cầu điện năng của nước ta trong những năm qua

Hệ thống kích từ là một hệ thống quan trọng và phức tạp

trong nhà máy thủy điện, chính vì vậy mà ít có công ty hay tổ chức

nào ở Việt Nam thực hiện việc thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm

Công ty Cổ phần thủy điện A Vương đã tiến hành chế tạo

thành công hệ thống Điều khiển - Điều tốc và các thiết bị khác đã

được lắp đặt và thử nghiệm thành công tại các Nhà máy thủy điện

nhỏ và Hệ thống kích từ đang được triển khai thiết kế bằng sự kết

hợp giữa những kiến thức thực tế với việc ứng dụng tiến bộ khoa học

- kỹ thuật, đồng thời ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại

Việc áp dụng lý thuyết điều khiển kinh điển và hiện đại vào

thực tế luôn gặp khó khăn về giải thuật phần mềm lẫn đáp ứng phân

cứng của thiết bị Bang cach str dung PLC $7-1200 thuc hién tat ca

các chức năng điều chỉnh cho AVR, hy vọng đề tài sẽ đem đến một

cách nhìn mới về vấn đề áp dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế

2 Mục đích nghiên cứu

Khi bắt đầu nghiên cứu về để tài, tác giả đã chọn bộ điều

khiển PI để thực hiện toàn bộ quá trình điều chỉnh điện áp máy phát

đồng bộ, nhưng khi đi sau vào nghiên cứu tác giả đã mở rộng đề tài

lên và dùng bộ điều khiển PID để điều chỉnh tự động điện áp theo

đường đặc tuyến công suất máy phát phù hợp với yêu cầu điện áp hệ thống và yêu cầu của công suất vô công, dựa vào tín hiệu phản hỏi

âm áp Còn bộ điều khiển PI sử dụng cho phương pháp điều chỉnh bằng tay dòng kích từ (FCR) để điều chỉnh điện áp, dựa vào tín hiệu phản hồi dòng Phương pháp FCR chỉ dùng trong chế độ vận hành

đặc biệt: thử nghiệm tổ máy, hỏng AVR, điều chỉnh lấy thông số

trong quá trình thử tổng hợp lấy đặc tính ngắn mạch máy phát

Như vậy, thiết kế bộ điều khiển PID sẽ phức tạp hơn rất

nhiễu so với đi thiết kế bộ PI cho AVR, nên sau khi nghiên cứu kỹ về

tài liệu, tác giả quyết định đi thiết kế bộ điều khiển PID cho AVR,

còn bộ điều khiến PI sẽ thực hiện cho FCR Tuy nhiên, vì dung lượng

của luận văn không cho phép nên tác giả chỉ thực hiện PID cho AVR

và tính toán riêng bộ PI cho FCR để đưa vào chương trình PLC trong

mô hình thực tế

Vì thế, mục đích nghiên cứu của để tài là xây dựng cấu trúc

bộ AVR máy phát điện đồng bộ vừa và nhỏ trong NMTTĐ dựa trên bộ

PID được chỉnh định bằng phương pháp GA nhằm nâng cao chất

lượng điện năng và sự ôn định của hệ thống điện Đồng thời ứng dụng bộ thông số tối ưu tìm được vào mô hình thực tế

3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Su dung PLC S$7-1200 va SIMATIC HMI BASIC (màn hình

của S7-1200) để lập trình cho bộ AVR.

Sử dụng giải thuật đi truyền GA để chỉnh định tham số Kp,

Ki, Kd nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng ổn định cho AVR

Thiết kế AVR với các chức năng cần thiết cho máy phát

đồng bộ thủy điện vừa và nhỏ, có thử nghiệm trên mô hình thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng kiểm chứng

Xây dựng và thử nghiệm trên mô hình

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu, chế tạo bộ AVR máy phát đồng bộ thủy điện

vừa và nhỏ dựa trên các thuật toán điều khiển hiện đại để tối ưu tham

số PID đảm bảo đáp ứng điện áp ra 6n định tại giá trị mong muốn

Từ kết quả đó chúng ta sẽ thiết kế chế tạo hệ thống kích từ

cho máy phát đồng bộ thủy điện vừa và nhỏ

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia

thành 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống kích từ và AVR máy phát đồng bộ

Chương 2: Ngôn ngữ lập trình và thuật toán điều khiển PID trong $7-

1200

Chương 3: Thuật giải di truyền

Chương 4: Tổng hợp và mô hình hóa các phân tử trong hệ AVR —

Máy phát

Chương 5: Tối ưu bộ điều khiển PID

Chương 6: Xây dựng chương trình AVR trong S7-1200

Chuong 1 - TONG QUAN VE HE THONG KICH TỪ VA AVR

MAY PHAT DONG BO

1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Nhiệm vụ của hệ thống kích từ 1.1.2 Tính năng chủ yếu của hệ thống kích từ 1.1.3 Thành phần chính của hệ thông kích từ 1.1.4 Điều chính điện áp của máy phát điện 1.1.5 Điều khiển công suất vô công của máy phát điện 1.1.6 Bù điện áp suy giảm trên đường dây và máy biến áp 1.1.7 Tinh nang cia AVR

12 Hé théng kich tir tinh

1.3 Cac b6 gidi han va bao vé 1.3.1 Giới hạn khả năng phát công suất phản kháng 1.3.1.1 Đường cong khả năng phát công suất kháng 1.3.1.2 Đường cong điện áp V và tông hợp

1.3.2 Bộ giới hạn thiếu kích thích

1.3.3 Bộ giới hạn quá kích thích 1.3.4 Bộ giới hạn V/Hz và bảo vệ 1.3.5 Vung lam việc của máy phát

14 Kếtluận

Luận văn đã trình bày một cách rất chỉ tiết về cơ sở lý thuyết

hệ thông kích từ và AVR, tổng quan về hệ thống kích từ tĩnh thông dụng hiện nay cũng như khái quát các giới hạn và bảo vệ

Chương 2 - NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIÊU

KHIEN PID TRONG S7-1200

2.1 Giới thiệu chung

2.2 Cấu trúc phần cứng

2.2.1 Module CPU

2.2.2 Board tín hiệu của S7-1200

2.2.3 Module mở rộng tín hiệu vào/ra

2.2.4 Module truyền thông

2.3 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

2.3.1 Kiểu dữ liệu

2.3.2 Phân chia bộ nhớ

2.4 — Cấu trúc chương trình

2.4.1 Lập trình tuyến tính

2.4.2 Lập trình có cấu trúc

2.5 Các lệnh và phép toán được sử dụng trong luận văn

2.6 Module mềm trong PID

2.6.1 Những module mêm có trong S7-1200

2.6.2 Giới thiệu chung về PID_Compact

2.6.3 Tham biến hình thức

2.7 Kếtluận

Chương 2 mô tả thiết bị PLC S7-1200, đây là dòng sản phẩm

mới của siemens, với tính năng đa dạng, giao diện thiết kế rất đẹp và

kết câu chương trình rất dễ kiểm tra Đặc biệt dòng sản phẩm này có

giá thành thấp và được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet

(Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho

việc lập trình PLC và các màn hình HMI Tắt cả cùng tạo ra một giải pháp tích hợp, thông nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro Automation)

Chuong 3 - GIAI THUAT DI TRUYEN

3.1 Gidi thiéu chung

3.2 Mã hoá nhiễm sắc thể

3.3 Khởi tạo quần thể 3.4 Ham thich nghi (Fitness function) 3.5 Các phép toán của thuật giải di truyền 3.5.1 Phép tai sinh (Reproduction) 3.5.2 Phép lai ghép (Crossover)

3.5.3 Phép dot bién (Mutation)

3.6 Phuong phap chon loc 3.7 Nguyên lý về xác định tính thích nghi 3.7.1 Độ thích nghỉ tiêu chuẩn

3.7.2 Độ thích nghỉ xếp hạng (rank method) 3.8 _ Các tính chất quan trọng của thuật giải gen di truyền 3.9 Cấu trúc tổng quát của một thuật giải gen di truyền 3.10 Điều kiện kết thúc lặp của thuật giải gen di truyền

3.11 Kết luận

Thuật giải di truyền cung cấp một phương pháp học được

thúc day bởi sự tương tự với sự tiễn hóa sinh học, thay vì tìm kiếm

các giả thuyết từ tổng quát đến cụ thể hoặc từ đơn giản đến phức tạp Thuật giải di truyền đã được ứng dụng một cách thành công cho những công trình nghiên cứu khoa học khác nhau như: đã được dùng

9 10

để học tập luật điều khiển robot, tối ưu hóa các thông số bộ điều 4.2 Tổng hợp và mô hình hóa

khiển và nhiều ứng dụng tìm kiếm khác trong ngành y học

View TA VE PID Amplifier | Vp Exciter VE Generator V,

4.1 Giới thiệu chung

Hình 4.3: Sơ đồ khối của AVR với bộ điều khiến PID

TE

Hàm truyền bộ khuếch đại có dạng:

n(s) = A voi Ka = 10 = 400, t,4 = 0,02 + 0,1 sec (4.1)

Vi (s) _ l+7„s

pr Genetic Algorithms “Pl excitation ' y,, Stabilizing controller current controller

PID voltage PI excitation

controlfer current controller

Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thông kích từ tĩnh TONS 0) Vis — K ẤC gi 20.7 = 1itg 21 22 sec (4.3)

Vạ(s) l+7qs

Vv

V.(s) l+7gs

Hình 4.2: Mô hình toán máy phát đông bộ và hệ thống kích từ

II

Luận văn chỉ chú trọng đến việc thiết kế bộ AVR cho máy

phát thủy điện vừa và nhỏ, vì vậy xin được thực hiện trên hệ AVR

với máy phát có thông số và hàm truyền như bảng sau:

Bảng 4.1: Bảng thông số máy phát 35 MVA

Bang 4.2: Bang ham truyền máy phát 35 MVA

(sec)

regulator gain Ka 40

regulator amplifier time constant Tt, 0.05

(sec)

exciter time constant Tr 0.5

(sec)

regulator stabilizing time constant Tp 0.715

¿ K,+~*+K„s Ps > I+0.05s 1 ! (3,

Sensor

1 1+0.01s

Hình 4.5: Sơ đồ khối của AVR voi bộ điêu khiển PID

12

3 T [

2F —=—==Tñ TT T[r TT TT TT TT TT

1 4A b-~-~-4 +

ao

1

-4

Hình 4.6: Đáp ứng từng bước điện áp ra của AVR khi không có bộ

điều khiển PID

4.3 Kết luận

Trong nội dung chương này, tác giả đã đi sâu vào nghiên cứu, phân tích mô hình hóa máy phát điện đồng bộ, khâu AVR, khâu kích từ, khâu chỉnh lưu (khuyếch đại), khâu đo lường điện áp và dòng

điện Tổng hợp hệ thống, thiết kế bộ điều khiến

Chương 5 - TỎI ƯU BO DIEU KHIEN PID

5.1 Sw dung phuong phap Ziegler-Nichols 2 S11 Gioi thiéu chung

5.1.2 Thiết kế thông số PID

Sử dụng phương pháp lập bảng Routh và quỹ đạo nghiệm số

ta đều tìm được các thông số sau:

Kth=0,707 va Tth = 211/6.938 = 0.905

Áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols 2 (ZN-2) ta có được:

13

- Kp = 0.424; Ki = 0.937; Kd = 0.048 Vẽ đáp ứng ra:

Output voltage

| | + 4

| |

| | + +

| |

| |

| |

=

| | | | | | | | |

| | | | | | | | | o4-j-—-bL—-—-4 4 4 -lI- ee etd Ed EE

| | | | | | | | |

| | | | | | | | | o2y—-—~-bLo ~4t 4 4-H Ie ee Ed Ed EE

| | | | | | | | |

| | | | | | | | |

0 | | | | | | | | |

0 0.5 1 1.6 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Hình 5.5: Đáp ứng từng bước điện áp ra của AVR khi có bộ điều

khiên PILD được chính định theo phương pháp Z1egler-Nichols 2

5.2 Sử dụng thuật giải di truyền (GA)

3.2.1 Giới thiệu chung

5.2.2 Mô tả tỉnh thân của chương trình RGA

Các tham số của bộ điều khiển Kp, Kd, Ki duoc miéu ta nhu

là một cá thể và mỗi giá tri duoc thê hiện với một mã giá trị thực

Nếu ta có L các thể trong một thế hệ, ta có quá trình thực hiện GA:

Bước 1: Cài đặt cho chương trình RGA số cá thể là L, số thế

hệ là N, xác xuất lai ghép là Pc, xác xuất đột biến là Pm Cá thé thw i

của L cá thé trong quan thé thir gø được biểu diễn như sau:

K'(g) =(Ki(g), K3(g), K5(g)) (5.8)

14

Trong đó K;(g) là gid tri thực, với ¡ e {L2 E } j €

{2.3 }, ge {1,2, ,V } nghĩa là thông số thứ j của cá thể thứ I trong quân thê thứ g

Bước 2: Cho số thế hệ thứ nhất (g =1) và tạo ngẫu nhiên

quân thể ban đầu với L cá thể pop(1) = {K !q),Kˆ@) ,K”() }

bằng biểu thức Kj()=K”” +(K”*—K?")randQ, với ¡ €

{1,2, ,L } vaje {L2,3 }

Trong đó dãy tìm kiếm của thông số K7 là IK là ,K mx | két

hợp với hàm tạo ngẫu nhiên randQ sẽ cho ta dãy số một cách ngẫu

nhiên nằm trong dãy |0.1] cộng với K là

Bước 3: Tính toán giá trị thích nghi của mỗi cá thể trong thế

hệ thứ ø bằng công thức sau:

ƒ' = fit(K'(g)), voiie {1,2, ,L }

Trong đó fitQ 1a ham muc tiéu hay ham danh giá

Bước 4: Tính hệ số q của các cá thể với giá trị thích nghi cao nhất bởi công thức

q = arg max f', VỚI I€ {1,2, ,.L } và tìm ra giá trị cuối

cùng tot nhất là ƒ“" và K boi công thức

fr =1 = max fi và kK — K1

Trong đó ƒ“” là giá trị có độ thích nghỉ cao nhất trong thé

hệ hiện tại và K”” là cá thể tốt nhất trong thế hệ hiện tại.

15

Bước 5: Nếu g > N thì nhảy đến bước thứ I1, ngược lại

chuyển xuống bước 6

Bước 6: Thực hiện quá trình sinh sản bởi công thức

n, = L.P,,i =1,2, ,L

Trong đó ø, là số lần sinh sản của các thể thứ ¡, L là số cá

thể trong quân thể, P là xác xuất chọn của cá thé thir i và được thể

hiện bởi công thức sau:

dS

Trong đo ƒ” là hàm độ thích nghỉ của cá thể thir i

Bước 7: Chọn hai cá thé K”(g) va K"(g) tir quan thể

dang xét (m, ne {1,2, ,.L } làm hai cá thể cha, mẹ và lai ghép với

hai cá thể mới sinh sản theo xác xuất Pc, thực hiện theo công thức:

(K7 @)=K7 @)tøi 7) #7)

7(8)=K7(g)+Øi(K?(g)—K?'(g)) ,vớij=1,2,3 - (5.10)

Trong đó Ø là số ngẫu nhiên được phát ra trong khoảng

|0.1]

Bước 8: Tạo một cá thể mới trong quá trình đột biến với xác

xuất đột biến là Pm cho mỗi cá thể theo công thức sau:

K;(g)= K;(w)+(Ø; —0.5).s,, j = 1,2,3 (5.11)

l6

Trong đó s, là dãy tìm kiếm của K j› Ø; là số ngẫu nhiên

được phát ra trong khoảng |0.1]

Bước 9: Tạo ma trận thông số K ; trong dãy tìm kiếm bằng

công thức

Ki K(g)> Ke"

Kj()=1Kj() ,K?" S$ Ki(g)S Ki" (5.12)

K?" ,K;(g)<K”"

với ¡e {l,2, ,L } vàjc {L2,3 }

Bước 10: Cho g = g+] và nhảy lên bước 3

Bước 11: Nếu điều kiện dừng được thỏa mãn thì thuật toán

best

kết thúc và đưa ra giá trị K”” với hàm độ thích nghi tốt nhất ƒ “”

5.2.3 Khổi tạo quân thể các nhiễm sắc thể

%Imitialising the genetic algorithm populationS1ze=90;

variable Bounds=[-20 20;-20 20;-20 20];

evalFN='PID_objfun_MSE’;

%Change this to relevant object function

evalOps=[];

options=[le-6 1];

initPop=initializega(populationSize, variableBounds,evalFN,evalOps, options);

5.2.4 Cài đặt thông số GA

%Setting the parameters for the genetic algorithm

bounds=[-20 20;-20 20;-20 20];

evalFN='PID_objfun_MSE'’; %change this to relevant object function

17

evalOps=[];

startPop=initPop;

opts=[le-6 1 0];

termFN='"maxGenTerm’;

termOps=70;

selectFN='normGeomSelect’;

selectOps=0.08;

xOverFNs='arithXover';

xOverOps=4;

mutFNs='unifMutation’;

mutOps=8;

5.2.5 Biêu diễn giải thuật di truyền

%Iterating the genetic algorithm

[x,endPop,bPop,traceInfo |=ga(bounds,evalFN,evalOps,startPop, opts,

termFN,termOps,selectFN,selectOps,xOverFNs,xOverOps,mutFNsS,

mutOps);

5.2.6 Hàm đổi tượng của GA

funcfion [x_pop, fx_val]=PID_objfun_MSE(x_pop,options)

global sys_controlled

global time

global sysrl

% Splitting the chromosones into 3 separate strings

Kp=x_pop(2);

Ki=x_pop(3);

Kd=x_pop(1);

%creating the PID controller from current values

pid_den=[1 0];

pịd_num=[Kd Kp K1];

pid_sys=tf(pid_num,pid_den); %overall PID controller

18

Step Response

ZN Controlled Sys

GA Controlled Sys

0.8 -

0.6 - - Độ quá điều chỉnh là 18 % -

I I [ I I [ I [ I

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Hình 5.10: So sánh ZN-2 với GA 90 cá thể trong quân thể Bảng 5.3: Tổng hợp các thông số của bộ điều khiến

5.2.7 Kết quả thực hiện GA cho PID

Thực hiện GA với nguyên tắc tạo quân thê ban đâu là 20, 40,

60, 80, 90 và 100, ta chọn được tham số PID tng voi 90 ca thé trong

quân thể, so sánh với ZN-2 ta có:

Stt Số cá thể trong quân thể Kd Kp Ki

2 20 0,4577 0,5834 0,8304

3 40 0,3715 0,561 2,656]

4 60 0,3148 0,5668 0,4638

5 80 0,318 0,5463 0,9547

6 90 0,2447 0,4604 0,3843

7 100 0,3122 0,4876 0,6103

5.3 Kétluan

GA có chất lượng hệ thống tốt hơn nhiều so với phương pháp

kinh điển, đêu này chứng tỏ rằng thuật toán và cách xây dựng chương

trình là đúng đắn và chính xác Sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời

19 ø1an quá độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt, nhất là độ

quá điêu chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ, tất cả đêu đạt tiêu chuẩn

thiết kế hệ thống kích từ IEEE 421.5 - 1992

Chương này thê hiện tinh thân của luận văn rất tốt, với sự so

sánh phương pháp tìm PID kinh điển, GA đã cho ra kết quả hết sức

khả quan và mở ra một phương pháp tìm kiếm thông minh trong

ngành tự động hóa Từ các thông số tìm được tác giả mạnh dạn triển

khai vào mô hình thực tế một cách hợp lý và vững vàng

Chương 6 - XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TRONG S7-1200

6.1 Mô tả bộ AVR cần thiết kế

6.2 Lap bảng tín hiệu vào/ra của AVR

6.3 — Sơ đồ khối và logic

20

[Dimg binh thuone |

mÌ |

luu

Ngat AVR

VIF >105%

ngu6n cap Kiém tra

Nghịch lưu không thành công

yes

Hinh 6.2: Sơ đồ logic dừng kích từ và kiểm tra độ hoàn hảo

SƠ ĐỎ KHÓI AVR - MÁY PHÁT

A

Vv

Hinh 6.1: Sơ đồ khối AVR - Máy phát

Khởi động

LOGIC KHỞI ĐỘNG KÍCH TỪ

Kích từ ban đâu không thành công

Kết thúc điều

chỉnh điêm đặt

Hình 6.3: Sơ đồ logic khởi động kích từ