بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به اهمیت روزافزون توربینهای گازی در صنایع مختلف و همچنین ضرورت طراحی یک سیستم کنترل مناسب برای توربین گازی به عنوان قلب تپنده این صنعت، در سالهای گذشته تحقیقات گستردهای در این زمینه صورت گرفته است.
به منظور طراحی سیستم کنترل توربینهای گازی، از متغیرهای کنترلی متعددی می توان بهره جست، اما در این میان دبی سوخت ورودی به محفظه احتراق، به دلیل تاثیرگذاری قابل توجه آن بر تمامی پارامترهای عملکردی موتور نظیر دور روتور، نسبت فشار کمپرسور، مصرف سوخت ویژه و دمای ورود به توربین گزینه ای مناسب محسوب می شود.
در این مقاله به بررسی و طراحی یک کنترلر مدل پیش بین در قالب یک حلقه بسته کنترلی پرداختهایم که میتوان آنرا یک روش نوین کنترلی دانست که در آن، کنترل برمبنای بهینهسازی صورت میگیرد. برای این منظور ابتدا در به بیان مفاهیم کنترل پیشبین و سپس به مسئله کنترل توربین گازی با معیارهای عملکرد مختلف پرداخته شده است، سپس مروری بر پیشینه تحقیق محققان در زمینه طراحی و کنترل توربینBهای گازی پرداخته شده است. در ادامه ویژگیهای دینامیکی توربین گازی مورد استفاده بررسی قرار گرفته و نحوه اصول و مفاهیم اصلی کنترل پیش بین مبتنی بر مدل شرح داده شده است. در پایان نتایج مربوطه ارائه گردیده است. نتایج حاکی از عملکرد رویکرد پیشنهادی میباشد.
.1 مقدمه
توربین گازی یک ماشین دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می کند. امروزه توربینهای گاز جدا از تولید برق به خاطر خصوصیات ویژه ای که دارند می تواند در موارد دیگری مثل موتورهای جت، در هواپیماها برای تأمین نیروی محرکه هواپیما و نیرویجلوبرندگی به کار رود یا مثلاً جهت به گردش درآوردن یک پمپ قوی به کار رود
تصور عموم از توربین گازی موتور هواپیما میباشد که یکی از پرکاربردترین نوع توربین گازی میباشد. هر واحد توربین گازی شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است.
بخشی از انرژی مکانیکی تولید شده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و مانده انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز ی، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند - توربوژنراتور - ، به هوا سرعت دهد - توربوجت و توربوفن - و یامستقیماً - یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده - به همان صورت مصرف شود - توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن - با توجه کاربردها و جایگاه ویژه توربینهای گازی در صنایع مختلف طراحی یک سیستم کنترل مناسب برای توربین های گازی ضروری می باشد. از سویی دیگر باید متذکر شد که توربین گازی و کار بر روی سیستم کنترل آن مستلزم شناخت فرآیند های آن میباشد
.2 بیان مسئله
با توجه به اهمیت روز افزون توربینهای گازی در صنایع مختلف و همچنین ضرورت طراحی یک سیستم کنترل مناسب برای توربین گازی به عنوان قلب تپنده این صنعت، در سالهای گذشته تحقیقات گستردهای در این زمینه صورت گرفته است. به منظور طراحی سیستم کنترل توربینهای گازی، از متغیرهای کنترلی متعددی می توان بهره جست، اما در این میان دبی سوخت ورودی به محفظه احتراق، به دلیل تاثیرگذاری قابل توجه آن بر تمامی پارامترهای عملکردی موتور نظیر دور روتور، نسبت فشار کمپرسور، مصرف سوخت ویژه و دمای ورود به توربین گزینه ای مناسب محسوب می شود. لازم به ذکر است که برخی از پارامترهای مذکور باید در یک محدوده کاری مشخصی عمل نمایند. بنابرین باید یک سیستم کنترلی مناسب اتخاذ کرد تا پارامترها را در محدوده قابل قبول نگه دارد از سویی دیگر توربین گاز، دارای رفتاری پیچیده، غیر خطی و متغیر با زمان بوده که پارامترهای آن با تغییر شرایط کاریدائماً در حال تغییر می باشند.
به طور کلی روش های متعددی برای طراحی سیستم کنترل سوخت توربین گاز وجود دارد که می توان آنها را به دو دسته خطی و غیرخطی تقسیم نمود. بدیهی است که با توجه به طبیعت غیرخطی توربینهای گازی، بکارگیری روش های کنترلی غیرخطی می تواند نتایج دقیق تری نسبت به رو های خطی در پی داشته باشد. در میان روش های غیر خطی مرسوم، روش مدل پیش بین به دلیل برخورداری از انعطاف پذیری بالا، اعمال قید های دینامیکی نظیر قید روی متغیرهای حالت و کنترلی و غیرخطی بودن رفتار سیستم توربین گاز، گزینه مناسبی محسوب می شود.
الگوریتم کنترل پیشبین، یک روش کارا برای مقابله با چنین سیستمهای پیچیدهای است که در آن حالت آینده سیستم بنا به اندازهی افق پیشبینی، از قبل مشخص میباشد. حال بایستی خروجی کنترلکننده را چنان تعیین نمود تا خروجی پیشبینی شده فرآیند تاحد ممکن به حالت مبنا نزدیک باشد
روش کنترل پیشبین توانایی کنترل سیستمهای تکورودی-تکخروجی و چندورودی-چندخروجی در حالتهای پیوسته و گسسته را دارا میباشد. مهمترین ادعای این الگوریتم در اعمال آن به سیستم غیرخطی و توانایی کنترل آنها با وجود قید روی متغیر های حالت و کنترلی میباشد. قابلیت کنترل سیستمهای غیرخطی، که تغییرپذیر با زمان نیز می-باشند، و در شرایطی که محدودیتهای متنوع بر متغیرهای سیستم مد نظر باشد، این کنترلکنندهها را بصورت یک روش متمایز و برتر از دیگر روشها میسازد.
.3 مدل سازی و کنترل توربین های گازی
با توجه به اهمیت روز افزون توربین های گازی در صنایع مختلف و ضرورت طراحی یک سیستم کنترل مناسب برای توربینهای گازی به عنوان قلب تپنده این صنعت، در سال های گذشته تحقیقات گسترده ای در این زمینه صورت گرفته است
در مقاله [16] به طراحی و ارزیابی دو نوع کنترل کننده فازی با هدف کنترل فشار در محفظه احتراق پرداخته شده است. کنترل کننده نوع اول بر اساس تنظیم توابع عضویت و قواعد فازی - مبتنی بر آزمون و خطا - و کنترل کننده نوع دوم بر اساس نوعی روش هندسی، طراحی شده است. در نهایت هر دو نوع کنترل کننده با مدل غیرخطی موتور آزمایش شده و نتایج آن با نتایج کنترل کننده تناسبی- انتگرالی نیز مقایسه گردیده است. اما نکته حائز اهمیت آن است که مدل ارائه شده یک مدل نسبتا دقیقی نبوده و از سویی دیگر چون کنترلر فازی نسبت به دینامیک تا حدودی مقاوم است اهمیت این موضوع به خوبی آشکار نگردیده است. مهمترین مسئله در شبیه سازی ، فهم چگونگی عملکرد فرآیند میباشد. بههمین دلیل معادلات دینامیک و ترمودینامیک حاکم بر توربین گاز باید به صورت صحیح استخراج گردد.
در مراجع [7-6] مدل سازی مناسبی از یک توربین گاز با توان پایین صورت گرفته است که برای شبه سازی مناسب میباشد. پس از استخراج مدل باید محدودیت های سیستم را بخوبی شناسایی نموده و در سیستم کنترلی اعمال نماییم. در مراجع [7-4] قیدهای روی سیستم ذکر گردیده است که برای درک بهتر طراحی و کنترل سیستم نیاز می باشد. پس از استخراج مدل و شناسایی قیدها نیاز به یک کنترلر کارا بوده و همان طور که در مراجع [15-9] ذکر شده، روش کنترل مدل پیش بین به دلیل برخورداری از انعطاف پذیری بالا، اعمال قید های دینامیکی نظیر قید روی متغیرهای حالت و کنترلی و غیرخطی بودن شدید رفتار سیستم توربین گاز یک کنترلر مناسب بوده، که در این پژوهش به عنوان الگوریتم کنترلی در نظر گرفته شده است.
.4 کنترل مدل پیش بین
کنترل پیش بین، نامی است که به شکلی از کنترل که در آن پیش بینی رفتار یک سیستم در فرمولبندی آن نقش دارد اطلاق می شود و زمانی که کارایی بهتری نسبت به آنچه که از کنترل غیرپیش بین به دست آمده است مورد نیاز باشد به آن پرداخته می شود. این حالت سیستم هایی را شامل میشود که رفتار آینده آنهاکاملاً متفاوت از چیزی است که از رفتار فعلی آنها دریافت می شود. به طور مثال سیستم های با تأخیر زمانی، سیستمهای مرتبه بالا، سیستم های با میرایی ضعیف و غیر مینیمم فاز از این نوع سیستم ها هستند.
درهر گام کنترلی، کنترل پیش بین یک دنباله حلقه باز از تنظیمات متغیرهای تصمیم را به منظور بهینهسازی رفتار آینده سیستم محاسبه میکند که در نهایت دنباله ای از متغیرهای ورودی مناسب در افق تعریف شده برای کنترل جهت اعمال به سیستم به دست می آید
.5 کنترل پیش بین بر مبنای بهینه سازی
بهینهسازی برخط در قالب یک فرآیند کنترلی حلقه بسته را میتوان یک روش نوین در مقوله کنترل سیستمهای صنعتی دانست که در آن کنترل، برمبنای بهینهسازی صورت میگیرد. این ساز وکار کنترلی، همانند آن چیزی است که در رویکرد کنترل پیشبین مدل انجام میشود.
در کنترل پیشبین، ابتدا، یک مسیر حلقه باز با حل یک مسئله کنترل بهینه مقید در یک بازه زمانی مشخص و محدود بدست میآید که شرایط اولیه آن مطابق با شرایط کنونی متغیرهای حالت در نظر گرفته میشود. سپس، کنترلهای بهینه محاسبه شده، در بخش کوچکی از بازه زمانی مذکور بر سیستم دینامیکی اعمال میگردد. با تکرار این فرآیند، یک حلقه کنترلی ایجاد میشود.
