بخشی از مقاله
چکیده - کنترل دقیق سطح آب درام بویلر باعث عملکرد ایمن و مناسب بویلر و توربین بخار میشود. امروزه اغلب از کنترلکننده PID براي کنترل آن استفاده میشود؛ اما تغییرات سطح آب در درام بویلر، غیرخطی، متغیر با زمان و چندمتغیره است و استفاده از کنترلکننده PID میتواند موجب ناپایداري سیستم و عدم دستیابی به نتیجه مطلوب گردد. به همین منظور در این مقاله بر اساس مدل ریاضی تنظیمکننده سطح آب درام بویلر، کنترلکننده PID فازي نوع-2 بازهاي - IT2F-PID - براي تنظیم بهینه پارامترهاي کنترلکننده PID طراحی و با استفاده از نرمافزار MATLAB شبیهسازيشده است.
سپس نتیجه با کنترلکنندههاي کلاسیک و PID فازي نوع- - T1F-PID - 1 مقایسه شده است. مقایسه نتایج نشان میدهد که کنترلکننده PID فازي نوع-2 بازهاي، ویژگیهاي سیستم کنترل سطح درام ازجمله زمان نشست و میزان فراجهش را بهطور قابلتوجهی بهبود میبخشد و درنتیجه سطح آب را پایدار نگه میدارد . در ادامه معیار خطاي IAE و ISE نیز براي این کنترلکنندهها محاسبهشده است که نتیجه آن، برتري کنترلکننده PID فازي نوع-2 بازهاي را تأیید میکند.
-1 معرفی
در عملکرد بویلر، کنترل سطح آب از اهمیت ویژهاي برخوردار است .[1] سطح آب درام یک شاخص مهم براي تضمین ایمنی و پایداري عملکرد بویلر هاي صنعتی است. درصورتی که سطح آب در مخزن بخار پایین بیاید، آب کافی در داخل لولهها قرار نداشته و ممکن است براثر افزایش دماي لولهها خسارتهاي بسیار سنگینی ازلحاظ مسائل فنی و مالی متوجه نیروگاه شود.
درصورتیکه سطح آب در داخل مخزن بخار بالا رود، جداسازي آب و بخار بهدرستی انجام نمیگیرد و موجب انتقال آب و ناخالصیهایی در سیستم بخار شده و بازدهی بویلر را کاهش میدهد. بنابراین نگهداري سطح آب در محدوده مجاز براي افزایش کیفیت بخار خروجی از بویلر، کاهش فرسایش و خرابی تجهیزات و بهبود عملکرد سیستم مهم است .[2]
هدف از کنترل سطح آب بویلر، کنترل دبی جریان آب تغذیه و ایجاد تعادل با جریان بخار و کمک به حفظ تغییرات سطح آب درام در محدوده مجاز است .[3] در حال حاضر اغلب از روش کنترلی PID به علت سادگی و کاربرد آسان، براي کنترل سطح آب درام استفاده میشود [4]، اما درصورتیکه سیستم تحت کنترل غیرخطی بوده و یا داراي عدمقطعیت باشد، کنترلکننده PID بهطور کامل پاسخگو نیست.
بنابراین روشهاي دیگري موردنیاز است تا بتوان پارامترهاي کنترلی را بهطور دقیق تنظیم کرد. استفاده از منطق فازي راهی است که میتوان سیستمها را هوشمند ساخت. مدلهاي فازي در استدلال به شیوه انسان عمل میکنند و بهجاي اعداد از اصطلاحات کلامی استفاده میکنند. این روش براي مسائلی که ازلحاظ استنتاج پیچیده هستند و یا اطلاعات ناقصی از سیستم در اختیار باشد، بهکاربرده میشود .[5]
پروفسور لطفی عسکر زاده در سال 1965براي اولین بار مجموعههاي فازي را مطرح کرد .[6] با استفاده از این مجموعهها میتوان عدمقطعیت و ابهام را مدل کرد. در دنیاي واقعی منابع زیادي از عدمقطعیت در مواجهه با سیستمهاي فازي وجود دارد 7]،.[8 مجموعههاي فازي نوع-2 بهعنوان توسعهیافته مجموعههاي فازي، راهکاري براي مواجهه با این عدمقطعیتها است که توسط پروفسور زاده در سال 1975 معرفی گردید.[9] مجموعههاي فازي نوع-2 داراي درجه عضویتهاي فازي هستند و در برخورد با عدمقطعیتها توانایی مدل سازي و کاهش اثر آنها را دارند.
در ادامه، بخشهاي مختلف مقاله بدینصورت تنظیمشده است: بخش دوم کنترلکننده PID و نحوه محاسبه پارامترهاي k ، k و k را موردبررسی قرار میدهد . مراحل طراحی کنترلکنندههاي PID فازي نوع-1 و نوع-2 بازهاي در بخش سوم بیانشدهاند. بخش چهارم شامل شبیهسازي و نتایج آن است. در بخش پنجم نیز نتیجهگیري آورده شده است.
-2 کنترلکننده PID
کنترلکننده PID بهطور گسترده در بسیاري از فرآیندهاي خودکار صنعتی بهکاربرده میشود. این کنترلکننده عملیات تناسب، انتگرال و مشتق را بر روي سیگنال خطا انجام میدهد. عمل تصحیح میتواند فرآیند را بهسرعت تنظیم کند تا خطا را در کمترین مقدار نگه دارد. براي تنظیم پارامترهاي PID روشهاي مختلفی وجود دارد که زیگلر-نیکولز یکی از آنهاست.
روش زیگلر-نیکولز در سال 1942 توسط جان جی زیگلر و ناتانیل نیکولز معرفیشده است. در این روش در ابتدا گینهاي k و k روي صفر تنظیم میشوند. مقدار گین k افزایش داده میشود تا زمانی که به گین نهایی - - k برسد و خروجی فرآیند شروع به نوسان کند k .[11] مقدار 3/51 و دوره نوسان - - p مقدار 9/8 به دست میآید. در جدول - 1 - چگونگی محاسبه پارامترهاي PID به روش زیگلر-نیکولز آورده شده است.
-3 کنترلکننده PID فازي نوع-1 و نوع-2 بازهاي
باگذشت زمان و مستهلک شدن تجهیزات، کنترلکنندههاي PID پاسخ مطلوبی به نوسانات سطح درام نمیدهند و ازآنجاییکه تنظیم مجدد کنترلکنندههاي PID کار بسیار پیچیده و زمان بري است، لزوم وجود کنترلکننده هایی که عملکرد آنها مشمول گذشت زمان نمیشود، مطرح میگردد .[12] ازاینرو کنترل کنندههاي فازي میتوانند در چنین شرایطی عملکرد بسیار خوبی داشته باشند.
کنترلکننده منطق فازي بهصورت الگوریتمی است که اطلاعات متخصص را به استراتژي کنترل اتوماتیک تبدیل میکند .[5] سیستمهاي کنترل فازي سیستمهایی بر اساس قوانین IF-THEN هستند و میتوانند جایگزین یک اپراتور انسانی متخصص شوند. توابع عضویت مجموعههاي فازي نوع-2 نسبت به فازي نوع-1 از یک بازه بهجاي یک عدد براي تعریف درجه عضویت استفاده میکنند که سبب ایجاد درجه آزادي بیشتري براي کنترل نامعینیها و عدم قطعیت میشود.
اگر هیچ عدم قطعیتی در سیستم وجود نداشته باشد، مجموعه فازي نوع-2 به مجموعه فازي نوع-1 تبدیل میشود. مانند سیستمهاي منطق فازي نوع-1 یک سیستم منطق فازي نوع 2- شامل فازي سازي، قوانین، موتور استنتاج فازي و پردازنده خروجی است. پردازنده خروجی شامل کاهشدهنده نوع و نافازيساز است. از کاهشدهنده نوع، یک مجموعه فازي نوع-1 و از نافازيساز یک عدد ترد - crisp - حاصل میشود.
عملکرد مجموعه فازي نوع-2 با عملکرد مجموعه فازي نوع-1 یکسان است. یک سیستم فازي نوع-2 در صورتی یک سیستم فازي بازهاي است، که عملکرد فازي آن مانند دو تابع عضویت نوع-1 باشد. این توابع بهصورت تابع عضویت بالایی - UMF - و تابع عضویت پایینی - LMF - هستند که در شکل - 1 - نشان دادهشدهاند. UMF و LMF اثر عدمقطعیتها را محدود میکنند .[13]
سیستمهاي منطق فازي نوع-2 براي مدلسازي و کنترل سیستمهاي غیرخطی به علت قابلیت ذاتیشان در تخمین توابع غیرخطی بهکاربرده میشوند. به دلیل اینکه تفاوت فازي نوع-1 و نوع-2 بازهاي تنها در توابع عضویت آنهاست و نحوه طراحی ساختار هر دو به یک صورت است، جهت پیادهسازي کنترلکننده PID فازي براي نوع-1 و نوع-2 بازهاي به یک طریق عمل میکنیم. ساختار کنترلکننده PID فازي سطح آب درام بویلر در شکل - 2 - نشان دادهشده است.
معادله - 3 - خطاي سطح آب را مشخص میکند . y - k - میزان سطح آب تعیینشده است. هنگامیکه میزان y - k - بالاتر از y - k - باشد، سطح آب فعلی بالاتر از سطح آب تعین شده است و خطا منفی است. هر چه سطح آب فعلی بالاتر رود، خطاي منفی بزرگتري ایجاد میشود. در عوض وقتی که میزان y - k - پایینتر از y - k - باشد، سطح آب فعلی پایینتر از سطح آب تعیینشده است و خطاي مثبت ایجاد می شود . هر چه میزان سطح آب فعلی پایینتر باشد، خطاي مثبت نیز بزرگتر میشود.
معادله - 4 - تغییرات خطاي سطح آب را نشان میدهد. اگر سطح آب در مرحله k بالاتر از مقدار در مرحله k − 1 باشد، بدین معنی است که تغییرات دبی آب افزایشیافته است. بهعبارتدیگر سطح آب فعلی بالاتر از حالت قبلی است و خطا منفی است .[2] خروجیهاي کنترلکننده فازي برابر است با میزان تغییر در بهره تناسبی ، انتگرال گیر و مشتق گیر که جهت تنظیم بهینه پارامترهاي تنظیمکننده PID بهکاربرده میشود.
ارزشهاي زبانی متغیرهاي ورودي و خروجی بهصورت {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} تعریف میشوند که به ترتیب به معنی }منفی بزرگ، منفی متوسط، منفی کوچک، صفر، مثبت کوچک، مثبت متوسط، مثبت بزرگ{ هستند. توابع عضویت فازي نوع-1 براي متغیرهاي ورودي بهصورت گوسین و براي متغیرهاي خروجی بهصورت مثلثی در بازه [-6 6] در نظر گرفتهشدهاند. توابع عضویت وروديها و خروجیهاي فازي نوع-2 بازهاي، بهصورت گوسین در بازه [-6 6] انتخاب شده و ساختار فازي ممدانی نیز بهکار گرفتهشده است. در جداول 2، 3 و 4 مجموعه قوانین فازي نشان دادهشدهاند.
