بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله برای یک مدل خطی سازی شده از توربین بادی یک کنترل کننده پیش بین مبتنی بر مدل - MPC - طراحی شده است. مدل این توربین در دو حالت بدون عیب و با عیب در سنسورهای مکانیکی شبیه سازی شده است. همچنین یک مدل از اجزای مختلف توربین بادی ایجاد شده و به سنسورهای دور ژنراتور و زاویه پیتچ عیب های پله ای در دو زمان مختلف اعمال شده است.
این عیب ها اثر خود را بر پارامتر مربوطه نشان داده و تحلیل شدهاند. سپس یک کنترل کننده تحمل پذیر خطا با استفاده از فیلتر کالمن و نوع توسعه یافته آن برای ردیابی عیب و اعمال سیگنال مناسب به کنترل کننده طراحی شده است. کار فیلتر کالمن توسعه یافته به عنوان بخش تحمل پذیرخطا، ردیابی و بازسازی سیگنال طبیعی و سالم از سیگنال معیوبی است که از سنسورها بدست می آید، است سپس خروجی فیلتر کالمن به کنترل کننده اعمال شده است. شبیه سازی در نرم افزار MATLAB نشان میدهد که کنترل کننده MPC با وجود کنترلکننده تحمل پذیر خطا عملکرد بهتری را دارد.
-1 مقدمه
بکارگیری انرژی های جدید مانند باد و نور خورشید به عنوان یک جایگزین برای سوخت های فسیلی مطرح است. از این رو تحقیقات زیادی برای بررسی استفاده از این انرژی ها انجام شده است. این تحقیقات در زمینههای مکانیک توربین بادی، تبدیل انرژی، مکانیابی برای مجموعه توربین، توزیع و انتقال و کنترل در حال انجام است. مسئله کنترل در این سیستمها بسیار مهم است زیرا میتواند زمینههای دیگر را نیز تحت تاثیر قرار دهد و همچنین رابطه مستقیمی با بازدهی دارد. از این لحاظ کنترل کنندههای مختلفی برای این سیستمها طراحی شده است.
به علت افزایش نیاز و تقاضا بر روی قابلیت اعتماد و ایمنی سیستمها و روشهای اصولی آنها برای بهبود نظارت و بازبینی به عنوان قسمتی از کنترل سراسری فرآیند، نیاز به سیستمهای تشخیص عیب احساس می شود یعنی سیستم کنترل می بایست در مقابل خطا تحمل پذیر باشد . در روشهای مبتنی بر مدل برای کشف و تشخیص نقص های یک سیستم از روش Fault Detection Diagnostic, Insulation - FDDI - استفاده میکنند که اساس آن بر تخمین خروجی فرآیند استوار است.
FDDI مبتنی بر شناسایی سیستمها نیازی به جزئیات دقیق مکانیکی سیستم ندارد بلکه با روشهای متفاوت مدل سازی و شناسایی مانند ARX ، ARMAX ،... و شبکه های عصبی و فازی خطی و غیر خطی با شرایط متفاوت کاری فرآیند کنار هم قرار داده و مقایسه می شوند. تحمل پذیری خطا یک ویژگی مهم است که به منظور دستیابی به برخی اهداف طراحی در سیستم منظور میشود . درست همانطور که یک طراحی باید بسیاری از اهداف مطلوب را برآورده سازد، باید اهدافی از قبیل قابلیت اطمینان، دسترس پذیری، امنیت، قابلیت اجرا، قابلیت اعتماد، قابلیت نگهداری و آزمون پذیری را نیز فراهم نماید.
با توجه به اینکه طراحی کنترلکنندههای پیشبین مبتنی بر مدل بیشتر با روشهای شناسایی سازگاری دارد میتواند منجر به کاهش هزینه طراحی و افزایش بازدهی کنترلکننده پیشبین به علاوه کنترل تحمل پذیر خطا شود. از عمدهترین مشکلات این روشها نیاز به مدلسازی دقیق سیستم است که گاهی اوقات امکانپذیر نیست و یا کار سادهای نمیباشد.
تحقیقات مختلفی برای کنترل تحمل پذیرخطا و ترکیب آن با کنترل کننده های دیگر برای کنترل توربین های بادی گزارش شده است. در مقاله [1] یک کنترل کننده تحمل پذیر خطای فعال برای یک توربین بررسی شده است. در این مقاله حالتهای سالم مشخص شده و کنترل کننده به گونه ای طراحی شده است که این حالت را ردیابی کند و تخطی سیستم از مسیر تعیین شده را اعلان کند. مقالات 2]و[3 نیز به عنوان یک مرجع کامل تمامی مشکلات و عیب های یک توربین را مطرح کرده است و مسائل آن را به عنوان پیشنهاد آدرس دهی کرده است.
مقالات دیگر نیز به عیب ها و قابلیت های کنترل تحمل پذیر خطا - FTC - پرداختهاند و مشخص کردهاند که ضعف روش FTC در مواجهه با این عیوب چگونه است. [4] مقالات 5]و[6 که بیشتر با موضوع این پایان نامه مرتبط هستند به ترکیب های مختلف این کنترل کننده با روش های مقاوم و پیش بین پرداخته اند و تاثیر متقابل این کنترل کننده ها و ترکیب های مختلف را بررسی کرده اند و در نهایت مدل را برای یک توربین بادی شبیه سازی کرده اند. مقالات دیگر و عموماً جدید دارای رویکردی هوشمند به مسئله کنترل تحمل پذیر خطا هستند که در ابتدای مقاله نیز کاربرد و کارهای انجام شده در کنترل تحمل پذیر خطا با روش های هوش مصنوعی را بررسی کرده اند مانند . [7]
-2 مدل سازی توربین بادی
برای انجام شبیه سازی ها ابتدا یک مدل خطی شده و یک مدل تابع تبدیل برای توربین بادی - WT - تحقیق شد. اساس این مدل بر ارتباط های بین اجزایی است که در شکل 1 دیده می- شود. ژنراتور و Pr توان نامی توربین بادی است. همچنین در شبیه سازی ها حرف r نماد مرجع و m نماد اندازه گیری ها است. در ادامه به زیر بخش های بلوک کلی شکل1 پرداخته شده است. مدل توربین شامل بخش های پره و پیتچ، سنسور و اندازه گیری، مدل راه انداز مکانیکی، مدل ژنراتور و گاورنر و مدل کنترل کننده است.
-3 بررسی سناریوهای عیب
برای دادن عیب و ایجاد آن سناریو های مختلفی وجود دارد این سناریوها می بایست با مدل مکانیکی واقعی توربین همخوانی داشته باشد. در این مقاله عموما سناریوهای عیب در سنسور مدنظر قرار گرفته است زیرا عیب در سنسورها رایجتر است. برای درک عیب، دانستن عملکرد صحیح توربین بادی اهمیت دارد. عیب های مطرح شده هر کدام دارای یک سطح خطر هستند.
این سطح می تواند سطح بالا یا جدی، متوسط و کم خطر باشد. عیب ها به صورت پله ای در زمان های متفاوت مانند 200 ثانیه، 400 ثانیه، 600 ثانیه، 900 ثانیه به بخش های اندازه گیری مانند سنسورهای دور ژنراتور و روتور - اختلاف بین سنسور روتور و دور ژنراتور خرابی در شفت را نشان می دهد یعنی شفت تاب برداشته است - اعمال شده اند. این عیب ها به صورت نویز سفید گوسی و وجود مقدار ثابت بر روی سنسورها - یعنی سنسور بایاس پیدا کرده است - مدل شده است. کار سیگنال های عیب فعال سازی حالت های معیوب است.
در بعضی از شبیه سازی هایی که انجام شده است عیب هایی هم به صورت بایاس ثابت بر روی سنسور مدل سازی شده است. در ادامه شبیه سازی سیستم در حضور چند نوع عیب بر روی سنسورهای پیتچ انجام شده است. این عیب ها در عمل به نام عیب وجود هوا در روغن سیستم هیدرولیک که منجر به عیب در عملگر می شود و عیب نشتی پمپ یا خرابی آن است. هر کدام از این عیب ها منجر به تغییر در دینامیک های سیستم می شود و منحنی مشخصه اصلی را تحت تاثیر قرار می دهد. به عنوان نمونه این عیب بر تغییرات فرکانس زاویه ای طبیعی - n, 0 - و نسبت میرایی - W - سیستم تاثیر دارد. برای طراحی کنترل کننده که به این خطاها مقاوم و تحمل-پذیر باشد شرایطی را باید داشته باشد که عبارتند از :
- 1 - تحت شرایط خطاهای با درجه کم و متوسط طبیعی کارکند.
- 2 - شرایط طبیعی با خطا در یک سنسور که ممکن است در دیگر خطاها منجر به نقصان در سیستم شود.
- 3 - حالت گذار کوتاه در طی انطباق یافتن با خطا. انطباق با خطا حالتی است که کنترل کننده برای جلوگیری از نتایج یک عیب تصمیمی - تغییر در عمل کنترلی - اتخاذ می کند.
- 4 - تلاش کنترلی صورت گرفته باید قابل استفاده باشد - به عنوان نمونه بعضی از عیب ها با تغییراتی که کنترل کننده انجام می - دهد قابل جبران سازی نیست مانند عیب های مکانیکی -
-4 سیگنال های عیب
در این بخش سیگنال های عیب ورودی به سیستم نشان داده شده است. این سیگنالها به سنسورهای پیتچ و بخش راه انداز اعمال شده اند. عیب 1 و 2 به سنسورها وارد شده اند. عیب 1 که خطای نوع مقدار مقیاس - ضرب یا تقسیم شدن خروجی سنسور - بر روی سنسور دور روتور - سرعت - و ژنراتور است که خروجی گشتاور را تحت تاًثیر قرار می دهد و منجر به اشتباه کنترل کننده در تصحیح زاویه پیتچ می شود و عیب 2 خطای ثابت در تبدیل دور روتور به ژنراتور است که در نتیجه ی تاب برداشتن شفت و ایجاد اختلاف دور بین راه انداز مکانیکی و زنراتور ایجاد می شود و منجر به خطای کنترل کننده در محاسبه فرکانس و ناپایداری شبکه می شود.
این عیب ها بر اساس مدل سازی مکانیکی و توصیف فنّی مدل توربین قابل طرح هستند. با توجه به اینکه اجرای شبیه سازی در نرم افزار کند است زمان درون نرم افزار متناسب با زمان واقعی نیست. شکل هایی که در ادامه این بخش می آید سیگنال اصلی و عیب بوجود آمده بر روی هر سیگنال است. شکل 2 سرعت باد ورودی که بر پره ها و سیستم پیتچ آن اثر می گذارد را نشان می دهد.
