بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود عملکرد ديناميکي در کنترل توليد اتوماتيک نيروگاه هاي برق آبي با حضور کنترل کننده فازي
چکيده - کنترل کننده هاي کلاسيک (بويژه PI) نتوانند عملکرد مطلوبي جهت حذف نوسانات و کاهش فراجهش ايجاد شده فراهم کنند و درصورت انتخاب مناسب پارامترهاي آن ، ممکن است سيستم به ازاي تغييرات حاصله در سيستم قدرت ، دچار ناپايداري شود.با توجه به بررسي عملکرد کنترلر PID، ترجيح داده شده است تا در اين مقاله علاوه بر پياده سازي کنترلر PID، يک کنترلر Fuzzy-PID نيز طراحي و پياده سازي شود. در ادامه جهت بهبود عملکرد کنترل کننده از يک ساختار فازي به همراه توابع عضويت مناسب استفاده شده است . مزيت استفاده از ساختار فازي جهت ايجاد ساختاري منعطف براي تحليل خطا بوده است . در مقايسه با کنترلر غير فازي، کنترکننده فازي قادر است در حضور اغتشاش زمان نشست سيستم را بهبود ببخشد و به علاوه بالازدگي کمتري داشته باشد. براي نشان دادن کارآيي کنترل کننده PID فازي طراحي شده ، واحد توليد برق آبي تک ماشينه و نيز دو ماشينه مدل سازي و با اعمال سيستم کنترل تکميلي با حضور کنترل کننده PID فازي و بهره گيري از نرم افزار MATLAB.SIMULINK، نتايج به ازاي اغتشاش هاي اعمالي تحليل خواهد شد.
کليد واژه - کنترل توليد اتوماتيک ، کنترل کننده فازي ،کنترل کننده PID ،واحد هاي برق آبي
١- مقدمه
در اين مقاله کنترل کننده فازي TSK نوع تناسبي انتگرال گير مشتق گير (FLPIDC) براي بکارگيري کنترل توليد اتوماتيک AGC سيستم هاي چند ناحيه اي بهم پيوسته طراحي شده است . با توجه به کاربرد روز افزون کنترلرهاي صنعتي و توسعه سيستم هاي قدرت و پيشرفت هايي که اخيرًا در تکنولوژي صورت گرفته است ، نياز به ارائه روشي که با استفاده از آن بتوان کنترلر PID را به خوبي طراحي کرد احساس مي شود. بدين منظور با استفاده از منطق فازي که روشي کارا براي طراحي کنترلر سيستم هاي داراي عدم قطعيت است ، کنترلر PID طراحي مي شود.در حالت کلي کنترلرهاي PI نسبت به کنترلرهاي PD بيشتر استفاده مي شوند. زيرا کنترلرهاي PD قادر به حذف خطاي حالت ماندگار نيستند [١]. اگرچه کنترلر PI براي سيستم هاي مرتبه بالا عملکرد حالت گذراي ضعيفي دارند. براي به دست آوردن عملکرد بهتر از کنترل کننده PID فازي استفاده مي شود [٢و١]. در [٣] کنترل کننده PID غيرخطي با استفاده از قوانين Takagi-Sugeno طراحي شده است و همچنين پايداري محلي سيستم کنترل PID فازي نيز بررسي شده است . نشان داده شده که اين کنترل کننده بسيار مقاوم بوده و همچنين در مقايسه با کنترلر PID خطي زمان خيزش و نشست کمتري دارد و مقدار فراجهش نيز کاهش يافته است .در [٤] طي دو مرحله کنترل کننده PID فازي تنظيم شده است ؛ در سطح بالاتر تنظيم غيرخطي به منظور آشکارسازي مشخصات غيرخطي خروجي فازي انجام شده است ، و در سطح پايين تر تنظيم خطي کنترل کننده صورت پذيرفته است . باتوجه به نکات مطرح شده در بالا براي بهبود عملکرد يک کنترل کننده PID نياز به طراحي طرح کنترلي است که بتوان ضرايب آنرا به نحوي تعيين کرد که در برابر هر اغتشاشي و هر سيستمي کارايي مناسبي داشته باشد. در اين رساله ما با استفاده از روش هاي ذکر شده در بالا کنترلر PID فازي را براي نيل به اين اهداف طراحي ميکنيم . و ميکوشيم تا با ارائه روشي مناسب روش هاي ذکر شده در بالا را بهبود ببخشيم .در اين مقاله ، کنترل کننده PID فازي جهت کنترل اتوماتيک توليد سيستم چند ناحيه اي طراحي شده است . مقادير بهينه گين هاي کنترل کننده فازي بکار رفته براي سيستم برق آبي با استفاده از فازي سازي TSK بدست آمده است . پاسخ سيستم در حضور اين کنترل کننده کاهش بالازدگي و کاهش زمان نشست سيستم مي باشد. و در شبيه سازي از نرم افزار مطلب استفاده شده است . نتايج شبيه سازي شامل بکارگيري کنترل کننده فازي سيستم چند ناحيه اي و همچنين نتايج حاصل از بکارگيري کنترل کننده فازي در سيستم چند ناحيه اي مي باشد. و در بررسي هاي سيستم چند ناحيه اي نتايج حاصل از شبيه سازي هاي کنترل کننده PID با کنترل کننده فازي مقايسه شده است .
١-١- جبران ساز افت گذرا
تابع انتقال توربين آبي به دليل اينرسـي آب ، ذاتـاً داراي فاز غير مينيمم مـي باشـد. بنـابراين ، هرگونـه تغييـر پلـه در موقعيت دريچه ، عکس العمل منفي بر توان خروجـي تـوربين دارد. بـا اسـتفاده از ارزش اسـمي بـراي پارامترهـاي تنظـيم کننده سرع ، توربين و ماشين نشان مي دهد که بـه منظـور داشتن يک سيستم پايدار، ثابت تنظيم دائمي تنظـيم کننـد سرعت بايد ٢٠٪ باشد[٥]. با اين حال ، ايـن ضـريب معمـولاً حدود ٥٪ بوده و باعث ميشود که حاشيه بهره و حاشيه فـاز هر دو منفي شوند و در نتيجه ، پاسخ سيسـتم بـا يـک تغييـر کوچک در بار، ناپايدار خواهد شد [٥]. بعدها پيشـنهاد شـده که يک جبران ساز همانطور که در شـکل ٢ نشـان داده شـده است در تنظيم کننـده سـرعت گنجانـده شـود. تـابع انتقـال جبران ساز در زير آورده شده مي باشد:
که TR و RT با روابط آمده در مرجع [١] به صورت زير محاسبه ميشود:
١-٢ - سيستم چن ماشيني
اگر چه طراحي هر کنترلر مکملي در يک سيستم تک ماشيني منطقاً بهترين مکان براي شروع ارزيابي کنترلر مي باشد، ولي بررسيهاي بيشتري بر روي مدل چند ماشيني انجام شده است . دياگرام جعبه اي خطي براي يک سيستم چندماشيني که گسترش داده شده ي شکل ١ مي باشد، با در نظر گرفتن اثر نيرو خط تاي در شکل ٣ نشان داده شده مي باشد [٦].
شکل ١: نمودار جعب اي توربين ، تنظيم کننده ، بار و دستگاه [٦].
شکل ٢: سيستم قدرت آبي با جبران ساز افت گذرا [٦].
شکل ٣ : نمودار جعبه اي سيستم دو ماشيني شامل توربين ها، تنظيم کننده ها، بار و دستگاه ها [٦].
١-٣- کنترلرهاي معمولي PI
به منظور اينکه هميشه فرکانس سيستم را در ارزش اسمي آن داشته باشيم ، معمولاً يک عملگر کنترل مکمل مانند يک کنترلر PI در قالب KI/S، مورد نياز مي باشد. اين امر در شکل ٤ و ٥ براي سيستم هاي SMIB و چندماشيني نشان داده شده است . همانطور که ديده ميشود اين کنترلر مکمل ، نوع سيستم را افزايش ميدهد و با اين کار تضمين ميکند که خطاي حالت پايدار براي يک تغيير پله در بار، همواره صفر خواهد بود [٦]. KI بهره ي کنترلر بايد به گونه اي انتخاب شود که شکل خوبي از پاسخ گذرا به دست آيد. اين مقدار نميتواند بيش از حد بزرگ باشد، زيرا باعث بي ثباتي ميشود [٧،٦]. اگرچه تکنيک هاي مختلفي براي انتخاب KI وجود دارد اما هيچ تضميني براي يافتن پاسخ مطلوب به ويژه هنگامي که پارامترهاي سيستم تغيير ميکنند، وجود ندارد.در مورد حالت چند ماشيني انتخاب ضريب Bi، به نام ثابت فراواني در منطقه ي کنترلي معادله خطا نيز مهم مي باشد.
ضريب فراواني Bi بايد به اندازه ي کافي بزرگ باشد تا هر منطقه بتواند به کنترل فرکانس کمک کند. Kundur [١٥] پيشنهاد داده که اين ضريب از معادله به دست آيد که در آن Ri و Di به ترتيب ثابت تنظيم و نسبت ميرايي سيستم i ام ميباشند. يک کنترلر جديد PID در بخش بعدي ارائه شده به اين منظور که مطمئن شويم که تمام نيازهاي عملکرد ارائه شده در بخش ٣ درست هستند.
شکل ٤: نمودار جعبه اي يک سيستم SMIB با کنترلر PI [٦].
شکل ٥: نمودار جعبه اي يک سيستم چند ماشيني با کنترلر PI [٦].
کنترل کننده PI به طور معمول در مسير رو به جلو قرار داده شده ، همانند آنچه توسط پولين [٨] استفاده شده است شکل ٦ با اين حال ، در بحث LFC، هدف اصلي اين است که با ايجاد يک تغيير پله در بار ثبات را در سيستم ايجاد کرد. بنابراين ، در عمل همانطور که در شکل ٤و ٥ نشان داده شده مي باشد، کنترلر PI در مسير فيدبک براي قرار مي گيرد.از آنجا که توربين آبي ذاتا يک سيستم فاز غير حداقلي مي باشد، باعث ميشود که فرارفت تغييرات خط تاي نيرو به سرعت رشد کرده و در نتيجه پاسخ سيستم را ممکن مي باشد ناپايدار کند. به منظور کاهش دامنه اين نوسانات ، بهره ٠,١ براي عملگر انتگرالي به دست آمده است .شکل ٧ را ببينيد.
شکل ٦ : مسير رو به جلو براي کنترلر PD و PI. [٦].
شکل ٧: سيستم چند ماشيني با کنترلر جديد [٦].
مطالعات شبيه سازي بر روي سيستمي با ژنراتور سه حالته که توسط دسته اي از معادلات ديفرانسيل غير خطي بر مبناي معادلات پارک مدل شده است ، انجام گرديد [٩].
مدل شبيه سازي شامل محدودکننده رشد معمول و بهره اشياء در نيروگاه است . براي مثال يک سيستم قدرت داده شده از [١٠] رادر نظر بگيريد (ضميمه ب ) براي يک کنترلر PI معمول توسط روش داده شده در [٥] مي توان فهميد با که بهترين انتخاب است و موجب داشتن بهترين عملکرد مي شود. ثابت فرکانس باياس خواهد بود، همانطور که توسط کندور [٥] پيشنهاد شده است .توسط روش MPRS پارامترهاي کنترلر PID به صورت زير خواهد بود:
براي سيستم A :
براي سيستم B :
شبيه سازي براي سه حالت صورت گرفته است : حالت اول : هر دو سيستم بدون اغتشاش بار
حالت دوم : سيستم A برابر صفر و سيستم B برابر ١٠%.
حالت سوم : УPL هر دو سيستم A و B برابر ١٠%.
١-٢- ١-٣-١- نتايج شبيه سازي حالت اول :
شکل ٨ و ٩ به ترتيب تغييرات سرعت سيستم A و B را در حالت بدون تغييرات بار نمايش مي دهند. با توجه به تغييراتي که هر دو سيستم در جمع کننده هاي حلقه هاي کنترلي خواهند داشت ، مسلما مشاهده مي شود که اندازه خروجي سرعت دو سيستم با هم متفاوت است و مقياس محور عمودي نشان دهنده اين اختلاف مي باشد.
شکل ٨ : تغييرات سرعت سيستم A با با کنترلر PID
