بخشی از مقاله
چکیده
به طور کلی ژنراتورهای توربین گازی به طور معمول در عملیات مختلفی مانند میدانهای نفتی در مناطق بیابانی، تأسیسات ساحلی و فرایندهای بیوگاز مورد استفاده قرار میگیرند. در این گونه سیستمها نوسانات بار میتواند منجر به ناپایداری این مولدها گردد. بنابراین یک استراتژی کنترلی کارامد و مقاوم به منظور حفظ پایداری سیستم در برابر این گونه نوسانات و اغتشاشات مورد نیاز میباشد. در این پژوهش جهت کنترل چنین سیستمی، یک الگوریتم تطبیقی یا خودتنظیم مبتنی بر تئوری تعامل تطبیقی در ساختار کنترل کننده PID1 را ارائه میدهیم.
این تئوری یک روش بسیار کارامد برای اجرای تکنیک گرادیان نزولی در فضای پارامترها را توسعه می دهد. این نمونه از الگوریتم تنظیم هیچ گونه نیازی به دارا بودن اطلاعات از سیستم تحت کنترل ندارد که این امر مقاوم بودن الگوریتم کنترلی را نسبت به تغییرات سیستم نشان می دهد. همچنین اجازه می دهد تا بتوان این الگوریتم تطبیقی را هم برای مدل های خطی و هم برای مدل های غیر خطی توربین گازی بکار برد. این روش تطبیقی اهداف و پارامترهای تنظیمی را با مینیمم کردن تابع خطا بدست میآورد. در انتهای پژوهش نیز به منظور نشان دادن کارایی الگوریتم پیشنهادی، این ساختار بر روی یک توربین گازی پیاده سازی شده و نتایج شبیه سازی نیز ارائه و تحلیل خواهد شد.
.1 مقدمه و مبانی نظری
ژنراتورهای توربین گازی عموماً به شبکه های کوچک متصل و یا حتی می توانند در عملیات مجزا مانند میدانهای نفتی در مناطق بیابانی، تاسیسات ساحلی و فرایندهای بیوگاز بکار گرفته شوند1]و.[2 چنین سیستمهایی میتوانند در برابر برخی اغتشاشات نسبتاً شدید ناپایدار گردند. بنابراین بکارگیری ساختارهای کنترلی موثر و کارامد و مقاوم2 در جهت حفظ پایداری سیستم و تضمین عملکرد مطلوب آنکاملاً ضروری میباشد. در غیر این صورت با ازکارافتادن اجتنابناپذیر فرایند روبرو خواهیم شد. اگرچه تئوری کنترل در دهههای اخیر دارای پیشرفتهای زیادی بوده است و استراتژی های کنترلی مختلف و پیچیدهای طراحی و پیاده سازی شدهاند اما هنوز کنترلکننده PID به عنوان یک از عمومیترین و پرکاربردترین روشهای کنترلی در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد
این عمومیت تا حد زیادی به واسطه این حقیقت است که کنترلکنندههای PID دارای ساختارهای ساده و اصول عملکرد قابل درکی هستند. علاوه بر این یک کنترل کننده PID که به خوبی ضرایب آن تنظیم شده باشد میتواند یک عملکردنسبتاً ممتاز و قابل قبولی را ارائه دهد. در این تعریف بر روی واژه تنظیم خوب ضرایب کنترل کننده PID باید تاکید گردد. چرا که عملکرد یک کنترل کننده PIDاساساً به فرایند تنظیم ضرایب خود وابسته میباشد.[5] به طور کلی ما فرایندهای تنظیم کنترل کننده PID را در دو دسته تقسیم بندی میکنیم: تنظیم اولیه خارج از خط - Off-Line - و فرایند خود تنظیم یا بر خط . - On-Line -
در این پژوهش رویکرد ما برای تنظیم کنترلکننده PID به صورت برخط و استفاده از الگوریتم خود تنظیم میباشد. در حقیقت دو دلیل وجود دارد که ما را به استفاده از الگوریتم های خود تنظیم1 برخط در ساختار کنترل کننده های PID ترغیب میکند. اول اینکه اهداف و به تبع آن ملزومات یک کنترل کننده PIDمعمولاً در طول مراحل مختلف از کنترل تغییر میکنند. این موضوع در پژوهش ما و با انتخاب شرایط مختلف کاری برای سیستم تحت کنترل به وضوح نشان داده خواهد شد.
به نظر نویسندگان مقاله، این موضوع - ایجاد شرایط مختلف کاری برای سیستمهای تحت کنترل - برای بسیاری از سیستمهای واقعی کاملاً درست است. برای مثال ما اغلب قصد داریم که یک سیستم دارای سرعت پاسخ گذرای بالایی باشد، و سپس بعد از آن تاکید زیادی را بر روی کاهش خطای حالت ماندگار داریم. در حقیقت زمان گذرای سریع و خطای حالت ماندگار کوچک از جمله اهداف کنترلی هستند که در تضاد هم می باشند و نیاز به تنظیمات مختلفی برای پارامترهای کنترل کننده PID دارند.
رویکرد پیشنهادی در این پژوهش مبتنی تئوری تعامل تطبیقی میباشد6]و.[7 با استفاده از این تئوری سیستم کنترلی به چهار زیر سیستم شامل پلنت یا فرایند، کنترل تناسبی، انتگرالی و مشتقگیر تجزیه میشود. پارامترهای کنترل کننده PID شامل K p و K I و K D به عنوان تعاملات میان این چهار زیر سیستم محسوب میشوند. سپس یک الگوریتم تطبیقی کلی مبتنی بر تئوری تعامل تطبیقی برای تأمین خود تنظیمی این ضرایب شامل K p و K I و K D اعمال میشود. با استفاده از این الگوریتم می توان هر گونه وابستگی سیستمکنترلی به فرایند تحت کنترل را کاملاً حذف نمود و از این رو همین ویژگی این الگوریتم را بسیار منحصربفرد نموده و آن را قابل اعمال به انواع مختلفی از سیستم ها به خصوص توربین های گازی به علت ساختار خاص آنها میکند. در ادامه به مدل سازی نمونه ای از توربین گازی تک محوره پرداخته میشود.
.2 مدل سازی ریاضی توربین گازی
دیاگرام بلوکی ساده شده برای یک توربین گازی تک محوره به همراه بلوک کنترل و سیستم سوخت در شکل - 1 - نشان داده شده است. گاورنر سرعت ساختار اولیه کنترل توربین گازی میباشد . در واقع این بخش بر روی خطای سرعت عمل میکند و از یک کنترل کننده تناسبی مستقیم تشکیل شده است و خروجی آن متناسب با خطای سرعت میباشد.
شکل .1 بلوک دیاگرام تابع انتقال یک توربین گازی تک محوره
یک توربین گازی با توجه به نیاز به یک کسر قابل توجهی از سوخت مجاز به منظور حمایت از خودکفایی در شرایط بی باری نسبت به توربین بخار دارای تفاوت میباشد. این میزان تقریبا 23% می باشد. سیستم سوخت دارای دو ثابت زمانی می باشد که یکی از آنها مرتبط با سیستم موقعیت یابی شیر گاز می باشد.
ثابت زمانی دوم ثابت زمانی حجمی است که مرتبط با انشعابهای توزیع سوخت گاز و لوله کشی میباشد. مشخصههای گشتاور توربین گازیبا توجه به جریان سوخت و سرعت توربین اساساً خطی میباشند.
ثابت زمانی روتور به عنوان زمان لازم برای روتور به منظور دو برابر شدن سرعت تعریف میشود به طوریکه نرخ اولیه تغییرات سرعت بعد از حذف گشتاور بار مجاز، حفظ شود. سرعت روتور با سرعت مرجع مقایسه شده و سپس خطای موجود به گاورنر سرعت اعمال میگردد. در جدول - 1 - برخی پارمترهای مدل در نظر گرفته شده برای توربین به همراه مقدار عددی آنها را نشان میدهد.
جدول :1 پارامترهای توربین گازی تک محوره به همراه مقادیر عددی پارامترها
.3 تئوری تعامل تطبیقی
در تئوری تعامل تطبیقی، یک سیستم پیچیده شامل N زیرسیستم را در نظر میگیرد که هر یک از این زیر سیستمها عامل نامیده میشود. هر عامل - N : {1, 2, ..., N} - n دارای یک سیگنال خروجی قابل انتگرال گیری y n و یک سیگنال ورودی قابل انتگرال گیری x n دارد.
همچنین فرض میشود که مشتق Frechet از Fn وجود دارد. علاوه بر این فرض میکنیم که هر عامل یک سیستم تک ورودی و تک خروجی است. یک تعامل میان دو عامل شامل یک وابستگی تابعی - معمولا غیر انحصاری - از ورودی یکی از عامل ها روی خروجی های دیگر می شود و توسط یک اتصال حامل اطلاعات به نام c مرتبط می باشد. مجموعه تمامی این اتصالات با C نمایش داده می شود. ما فرض می کنیم که حداکثر یک اتصال از یک عامل به عامل دیگر وجود دارد. اجازه دهید که prec عاملی باشد که خروجی آن توسط اتصال c هدایت شده است و postc عاملی که ورودی آن به سیگنال هدایت شده توسط اتصال c وابسته می باشد.
