بخشی از مقاله
چکیده
امروزه موتورهاي اشتعال جرقهاي به عنوان محرك اصلی سیستمهاي تولید برق پراکنده بشمار میروند. پایداري فرکانس برق تولیدي ژنراتور در سیستمهاي قدرت از اهمیت بسیاري برخوردار است. از آنجاییکه پایداري فرکانس برق تولیدي وابسته به پایداري سرعت موتور محرك میباشد، کنترل سرعت موتور در این سیستمها، امري ضروري است. در موتورهاي اشتعال جرقهاي کنترل سرعت موتور، با تنظیم میزان هواي ورودي به سیلندر توسط دریچهي گاز صورت میگیرد. امروزه کنترلکنندههاي الکترونیکی جهت تنظیم میزان گشودگی دریچهي گاز استفاده میگردد.
در این مقاله مدلسازي موتور به کمک نرمافزار GT-Power صورت گرفته و طراحی کنترل کنندهي PID1 که ضرایب آن توسط الگوریتم ژنتیک بهینه سازي شده در محیط سیمولینک2 نرم افزار متلب3 انجام میشود. انطباق نتایج مدلسازي موتور بردادههاي تجربی، صحت مدل طراحی شده در نرم افزار GT-power را نشان میدهد.
عملکرد کنترلکنندهي پیشنهادي با نتایج کنترلکنندهي شرکت گاما تکنولوژي4 مقایسه شده است. نتایج بدست آمده، عملکرد مناسب کنترلکنندهي پیشنهادي را نشان میدهد.
مقدمه
توسعهي ساخت نیروگاههاي کوچک و توجه به مسائل زیست محیطی در دنیا باعث شده که مصرف کنندههاي انرژي و تولیدکنندههاي آن به سمت تجهیزات راندمان بالا رود. امروزه با پیشرفتی که در زمینهي سیستمهاي CHP5 صورت گرفته با تولید همزمان برق و حرارت و سرمایش راندمان تولید به بالاي 85 درصد رسیده است.
محرك اولیه که عمدتا در سیستمهاي تولید همزمان - - CHP استفاده میشود عبارتند از توربینهاي بخار، توربینهاي گازي و موتورهاي رفت و برگشتی، که در بین اینها موتورهاي رفت و برگشتی به دلیل راندمان بالا بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. محرك هاي گاز سوز از نوع اشتعال جرقهاي می باشند.
مسألهي کنترل توان و فرکانس یکی از موضوعات اساسی در طراحی و بهرهبرداري سیستمهاي قدرت بوده و
امروزه با توجه به گسترش ابعاد و تغییر ساختار و پیچیدگی سیستم هاي قدرت ضرورت آن بیش از پیش احساس میشود.
موتور اشتعال جرقهاي وظیفهي تأمین دور ثابت براي ژنراتور مورد استفاده جهت تولید توان با فرکانس و ولتاژ ثابت را بر عهده دارد. از این رو جهت کنترل دور موتور به ازاي بارهاي مختلف و بارهاي ناگهانی که از طریق شبکهي برق به ژنراتور وارد میشود، باید میزان هواي ورودي به موتور از طریق کنترل میزان گشودگی دریچه هوا صورت بگیرد. در موتورهاي قدیمی این کنترل کاملا بصورت دستی و مکانیکی صورت میگرفت اما با گسترش کنترلکنندههاي الکترونیکی، با کنترل زمان جرقه، زمان باز و بسته شدن سوپاپها، تنظیم نسبت سوخت به هوا، تزریق سوخت و کنترل دریچهي هوا، میتوان کنترل دقیقتري بر موتور داشت. مصرف سوخت، کنترل سرعت موتور، رسیدن به حداکثر گشتاور و حداقل آلایندگی از جمله پارامترهاي مهمی هستند که در کنترلکنندههاي امروزي مورد توجه قرار میگیرند. تحقیقاتی که تاکنون انجام گرفته بیشتر در زمینهي کنترل فرکانس و توان در توربینهاي گازي بوده است
همچنین در مراجع ]۵[ و ]۶[ تحقیقاتی در زمینهي کنترل دریچهي هوا در موتورهاي بنزینی وگازي در دور آرام صورت گرفته است.
صفیخانی در مرجع [7] در زمینه کنترل مد لغزشی دریچه ي گاز تحقیقی به انجام رساندهاند که در آن هدف صرفًا کنترل دریچهي گاز بوده نه کنترل سرعت. همچنین شرکت گاما تکنولوژي از نرم افزار بهینهسازي Frontier جهت طراحی مناسب کنترلکنندهي دریچهي گاز استفاده نمودهاند
در این مقاله هدف اصلی طراحی کنترلکنندهي سرعت موتور اشتعال جرقهاي جهت پایداري فرکانس برق تولیدي میباشد. بدین منظور کنترل کننده PID طراحی شده و ضرایب کنترلکننده توسط الگوریتم تکاملی ژنتیک بهینهسازي شده است تا بتواند میزان گشودگی دریچهي هوا را طوري کنترل کند که به ازاي بارهاي مختلف و بارهاي ناگهانی شبکه پایداري فرکانس برقرار شود. در خاتمه نتایج این مقاله با نتایج شرکت گاما تکنولوژي مقایسه میگردد.
مدلسازي موتور
مدلهاي ریاضی بسیاري جهت تحلیل عملکرد چرخههاي موتور تکامل یافته است. این مدلها شامل مدلهاي احتراق، مدلسازي حرکت سیال داخل سیلندر و ورود و خروج جریان از سیلندر میباشد. بسیاري از محققان جهت سادهسازي تحقیق و بررسی چند پارامتر محدود از مدلهاي ریاضی ساده یا تقریبی استفاده میکنند.
از طرف دیگر براي بررسی دقیق عملکرد موتور و شبیهسازي رفتار موتور، مدلهاي نرمافزاري توسعه یافته اند. نرم افزار GT-Power شرکت گاما تکنولوژي به عنوان ابزاري قدرتمند جهت بررسی و آنالیز بخشهاي مختلف موتور مورد توجه شرکتهاي سازنده این نوع موتورها و محققان قرار گرفته است.
در این مقاله جهت شبیهسازي عملکرد موتور اشتعال جرقهاي از این نرمافزار استفاده می شود. شکل 1 مدل موتور تک سیلندر اشتعال جرقهاي شبیهسازي شده را نشان میدهد. همانطور که در شکل 1 دیده میشود، مدل شبیهسازي شده شامل دریچهي ورودي هوا، دریچهي throttle، انژکتور، سوپاپهاي ورودي و خروجی، سیلندر و دریچه خروجی گاز و قسمت CrankShaft جهت انتقال گشتاور تولیدي به ژنراتور میباشد.
جدول :1 مشخصات موتور مورد بررسی
از نتایج مهم این مدلسازي، نمودار فشار دما و نرخ آزادسازي انرژي بر حسب زاویهي لنگ میباشد که میتواند براي بهینهسازي محاسبهي توان خروجی مورد استفاده قرار گیرد.
شکلهاي 2 و 3 به ترتیب مشخصههاي دما و فشار ، نرخ آزادسازي انرژي را بر حسب زاویهي لنگ نشان میدهد که مطابق با نتایج تجربی موتورهاي اشتعال جرقهاي است.
شکل :1 مدل موتور در محیط GT-Power
شکل :2 نمودار فشار و دما بر حسب زاویهي لنگ
شکل :3 نمودار نرخ آزادسازي انرژي
مدلسازي این نرمافزار بر اساس معرفی مشخصات هندسی و پارامترهاي عملکردي موتور و بر اساس مدلسازي شبه بعدي ترمودینامیکی براي سیلندر و کلیهي زیر سیستمهاي موتور شامل پورتهاي ورودي و خروجی سیال، انژکتورها و قسمت انتقال قدرت میباشد. مشخصات موتور مورد بررسی در جدول 1 آورده شده است.
الگوریتم ژنتیک
در الگوریتم ژِنتیک، الگوریتمهاي جستجو از مکانیزمهاي انتخاب طبیعی الهام می گیرند. در الگوریتم ژنتیک مجموعهاي از متغیرهاي طراحی توسط رشتههایی با طول ثابت یا متغیر کدگذاري میشوند که در سیستمهاي بیولوژیکی آنها را کروموزم یا فرد مینامند. هر کروموزم از تعدادي متغیر طراحی، که می تواند بصورت اعشاري یا باینري باشد، تشکیل شده است که ژن نامیده میشوند. هر کروموزم، یک نقطه پاسخ در فضاي جستجو را نشان میدهد. الگوریتمهاي وراثتی فرایندهایی تکراري میباشند که هر مرحلهي تکراري را نسل و مجموعهي پاسخها در هر نسل را جمعیت نام نهادهاند. این الگوریتمها با تولید نسل آغاز میشوند، بدین صورت که جمعیت اولیه بصورت تصادفی یا انتخابی از بین فضاي جستجو انتخاب میشود.
الگوریتم ژنتیک بر هدایت عملیات جستجو به طرف نقاط بهینه از روشهاي آماري بهره میبرد. در فرایند انتخاب طبیعی، جمعیت موجود به تناسب برازندگی افراد آن، براي نسل بعد انتخاب میشود.
سپس عملگرهاي ژنتیکی شامل انتخاب، پیوند، جهش و دیگر عملگرهاي احتمالی اعمال می شوند و جمعیت جدید بوجود می آید.
جمعیت جدید جایگزین جمعیت پیشین می شود و این چرخه ادامه می یابد. معمولا جمعیت جدید برازندگی بیشتري نسبت به جمعیت قبلی دارد. جمعیت جدید جایگزین بدان معنی است که از نسلی به نسل بعد برازندگی بهبود مییابد. هنگامی جستجو نتیجه بخش خواهد بود که به حداکثر نسل مورد نظر رسیده باشد یا همگرایی حاصل شود یا به عبارتی دیگر معیارهاي توقف برآورده گردد. معمولا شرط توقف به صورت تعداد تکرار ثابت نسل تعریف می شود یا اینکه جمعیت از حد معینی یکنواختتر گردد.
الگوریتم ژنتیک براي جستجویی موثر، فقط به مقادیر تابع هدف نیاز دارد و دانستههاي از پیش تعیین شده را نادیده میگیرند. به همین دلیل اینگونه الگوریتمها نسبت به دیگر روشهاي جستجو، روشهاي مناسبتري جلوه میکنند.
طراحی کنترلکننده
کنترلکننده تناسبی انتگرالی- مشتقگیر PID از دههي 1950 تاکنون، شناخته شدهترین و پرکاربردترین مکانیزم فیدبک بوده و بطور وسیعی در کنترل پروسههاي صنعتی مختلف، مورد استفاده قرار گرفته است. کنترل کننده ي PID بصورت رابطهي - 1 - تعریف می شود:
دور موتور هر لحظه توسط سنسور اندازهگیري شده و به کنترلکننده داده میشود.
یکی از ویژگیهاي منحصر به فرد نرم افزار GT-Suite، قابلیت کوپل شدن این نرمافزار با سمولینک نرم افزار متلب میباشد. همانطور که در بخش قبل مطرح شد، شبیهسازي موتور در نرم افزار GT-Suite صورت گرفته است و کنترلکننده در محیط سیمولینک طراحی شده است.
در موتورهاي اشتعال جرقهاي مقدار هواي ورودي به منیفولد ورودي و در نتیجه ي آن مقدار توان تولید شده به شدت به موقعیت دریچهي گاز بستگی دارد. بنابراین به منظور تنظیم خودکار مقدار هواي ورودي به موتور از کنترل کنندههاي الکترونیکی جهت تنظیم دقیق زاویهي گشودگی دریچهي گاز استفاده میشود.
در این مقاله هدف کنترل پایداري فرکانس برق تولیدي ژنراتور میباشد، به همین دلیل دور موتور باید در 1800 دور بر دقیقه ثابت باقی بماند. شکل 4 کنترلکنندهي طراحی شده در سیمولینک را نشان میدهد.
اجراي الگوریتم و مقایسهي نتایج
در این مقاله مدل موتور در نرم افزار GT-Suite و کنترلکننده در سیمولینک و پیاده سازي الگوریتم ژنتیک در نرمافزار متلب صورت گرفته است. ضرایب کنترلکنندهي PID به عنوان متغیرهاي الگوریتم ژنتیک در نظر گرفته شده و تابع هزینه طوري طراحی شده است که زمان نشست و بیشینهي فراجهش پاسخ سرعت موتور نسبت به بارهاي مختلف و تغییرات بارها ناگهانی کمینه شود.
در شکلهاي 5 تا 7 نتایج حاصل با نتایج شرکت گاما تکنولوژي مقایسه شده است. نتایج حاصل عملکرد مطلوب کنترلکنندهي طراحی شده را نشان میدهد.
شکل 5 و 6 به ترتیب نمودار پایداري سرعت موتور در توان 3500 وات و در بار کامل ژنراتور یعنی 7000 وات را نشان میدهد.
همچنین جهت بررسی عملکرد کنترلکنندهي پیشنهادي نسبت به بارهاي ناگهانی، تغییر بار ناگهانی از 3500 وات به 6500 وات بررسی شده است. شکل 7 نتیجهي شبیهسازي را نشان میدهد.
شکل : 4 مدل سیمولینک کنترلکننده ي طراحی شده
