بخشی از مقاله
چکیده
توربینهای گازی یکی از مهمترین بخشهای صنایع میباشند. آنها نقش کلیدی در صنایع هوایی، تولید توان الکتریکی و درایوهای مکانیکی برای پمپها و کمپرسورها بازی میکنند. مدلسازی و شبیهسازی توربینهای گازی همواره ابزار مناسبی برای بهینهسازی عملکرد این تجهیزات بوده است.
مدل توربین گازی میتواند جهت آشکارسازی عیبها در سیستم مورد استفاده قرار گیرد. در زمانی که اپراتورها میخواهند تا عملیات پیشگیرانه ای برای کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری انجام دهند، میتوانند از تشخیص عیب بهعنوان ابزار موثر و مهمیدر این زمینه استفاده کنند. میتوان با مانیتور کردن مناسب سیستم عیب را بموقع تشخیص داده و علاوه بر این نوع آن را تعیین و موقعیت آن را نیز شناسایی نمود.
در این مقاله با استفاده از مدل پیشنهادی روئن، به کنترل دمای توربین روشهای کنترلی مختلف نظیر الگوریتم PSO، کنترل فازی، کنترل عصبی و کنترل هیبرید فازی-عصبی بهطور جداگانه طراحی و بهکارگرفته شدند. با مقایسه پاسخ سیستم با بهکارگیری کنترلکننده هیبرید پیشنهادی نتیجه شد که استراتژی کنترلی هیبرید و فازی به میزان موثری نسبت به سایرین عملکرد بهتری دارند.
.1مقدمه
توربین گازی یک موتور احتراق داخلی است که در آن انرژی شیمیایی سوخت به انرژی مکانیکی تبدیل میشود. این توربینها به گونهای طراحی میشوند که توانایی استحصال حداکثر انرژی از سوخت را داشته باشند .[1] کاربرد توربین های گازی در تجهیزات صنایع و منابع تولید توان که در نیروگاه ها مستقر هستند در طول 50 سال گذشته به شدت افزایش یافته است. این افزایش کاربری به علت وزن پایین، فشرده بودن آن از لحاظ ساختاری، توانایی کار با چند نوع سوخت متفاوت، قالبیت اطمینان بالا، تطبیق پذیری بالا، راه اندازی سریع، هزینه های راه اندازی پایین و زمان تحویل انرژی پایین می باشد .[2] اگرچه بکارگیری این توربینها ریشه در گذشته دارد، با این حال استفاده عملی از این ادوات از سال 1930 بعنوان موتور جت و توسط فرانک وایتل1 صورت گرفته است.
روئن مدل دینامیکی ساده ای برای توربین گازی با یک شفت ارائه نمود. هد بررسی پایداری سیستم قدرت و توسعه استراتژیهای کنترلی برای توربینهای گازی بوده است . روئن سعی نمود تا مدل ساده شده ای را ایجاد کند که تمامیمشخصات توربینهای گازی و مشخصههای ژنراتور-توربین را برآورده سازد و مباحث مختلفی پیرامون عملکرد موازی توربینهای گازی، سیستمهایی که با سوخت گاز مایع فعالیت میکنند و همچنین عملکرد گاورنر مورد بحث و بررسی قرار گرفته است . مدل منتج برای مطالعات مرتبط با دینامیک سیستمهای قدرت بسیار مفید میباشد. مدل ارائه شده توسط روئن توسط بسیاری دیگر از محققین جهت ایجاد مدلهای ساده تری از توربین گازی مورد استفاده قرار گرفته است.
روئن در - 5 - مجدداٌ تلاش نموده است تا مدل ریاضیاتی ساده تر شده ای را برای توربینهای گازی در حضور سرویسهای راه انداز مکانیکی با سرعت متغیر ارائه کند.
برای طراحی کنترلکنندههای توربینهای گازی روشهای مختلفی توسط محققین پیشنهاد شده است. بسیاری از این روشها برای توربینهای گازی بهکارگرفته شده در جتها پیاده سازی شده اند. از جمله این پژوهشها میتوان به طراحی کنترل کننده مقاوم سرعت توسط مولن در [6] و پیاده سازی کنترل بهینه توسط وات در [7] اشاره نمود. در زمینه توربینهای گازی بهکارگرفته شده در سیستمهای قدرت میتوان به پیاده سازی کنترل تطبیقی توسط کمپرول در [8] اشاره نمود. در این روش که برای سیستمهای متغیر با زمان مناسب میباشد، کنترل همزمان دمای احتراق و سرعت در حضور تغییرات بار انجام شده است. در مرجع [9] کنترل کننده مقاوم ∞ برای کنترل سرعت یک واحد توربین گازی 1.5 مگاواتی بهکارگرفته شده است.
.2 روشهای پیشنهادی
در طراحی کنترل کنندههای کلاسیک از معادلات دینامیکی سیستم استفاده می شود. ولی امروزه استفاده از روشهای هوشمند این امکان را فراهم کرده است تا علاوه بر استفاده از معادلات دینامیکی بتوان از دادههای ورودی و خروجی سیستم و دانش خبره انسانی جهت اهداف طراحی استفاده نمود. البته تشریح یک سیستم با استفاده از معادلات دینامیکی بنابر دلایلی مانند پیچیدگی و گستردگی سیستم همواره میسر نمی باشد و لذا به ناچار می بایست از منابع دیگرکه حاوی اطلاعات سیستم می باشند، استفاده نمود.
لذا در این بخش برخی از الگوریتم های هوشمند نظیر فازی، شبکه های عصبی و حرکت جمعی ذرات معرفی گردیده تا در بخش بعد از آنها برای کنترل سیستم استفاده نماییم.
.1-2 کنترل کننده فازی
یکی از روشهای کنترل هوشمند، کنترل فازی است که عملکرد آن بر اساس منطق فازی می باشد. از جمله مزایای این کنترل کنندهها می توان عملکرد قابل فهم، سادگی طراحی و صرفه اقتصادی آنها را نام برد. از آنجا که این قبیل کنترل کنندهها بر اساس استراتژی کنترل انسانی عمل می کنند، لذا درک عملکرد آنها، حتی برای کسانی که زمینه ای در طراحی کنترل کنندهها ندارند، براحتی امکان پذیر میباشد.
شکل 1 بلوک دیاگرام اجزای یک کنترل کننده فازی را نمایش می دهد. در این شکل اپراتور انسانی در هر لحظه از زمان ورودیها u - t - را مشاهده می کند و عملکردی y - t - را در خروجی تعریف می کند. ورودیها می توانند ولتاژ، جریان و... باشند و خروجی نیز می تواند قطع و وصل یک کلید، بالابردن درجه دما و... باشد.
شکل :1 تعریف سیستم کنترل فازی
همانطور که اشاره شد ورودی کنترل کننده، خطا می باشد. اغلب اوقات نیاز به ورودیهای بیشتری برای ایجاد پایگاه قوانین فازی موثر می باشد. این اطلاعات برای هدایت خروجی سیستم به سمت نقطه مرجع کافی نیست. در اینجا متغیرهای ورودی - ̇ و - برای ایجاد پایگاه قوانین مورد استفاده قرار میگیرند. پایگاه قواعد فازی مورد استفاده در این تحقیق در جدول 1 برای متغیرهای فازی با توابع عضویت نشان داده شده در شکل 2 و 3 مشاهده میشود.
در این جدول PB مخفف Positive Big ، PS مخفف Positive Small، ZE مخفف Zero، NS مخفف Negative Small و NB مخفف Negative Big تعریف می شوند.
جدول :1 پایگاه قواعد فازی تعریف شده برای کنترل کننده فازی مشتق خطا
