TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
324
CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC TUABIN
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
FUZZY ADJUSTING PID PARAMETERS OF THE HYDROELECTRIC POWER
TURBINE GOVERNOR
Đoàn Quang Vinh
Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
Đặng Trung Thi
Công ty thủy điện Ialy
TÓM TẮT
Hiện nay, hầu hết các nhà máy thủy điện đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh
tốc độ tuabin, các bộ điều chỉnh này ít có khả năng bền vững đối với sự thay đổi tham số trong
quá trình vận hành. Bài báo này giới thiệu việc xây dựng mô hình một nhà máy thủy điện với sự
có mặt các phần tử thủy lực, máy điện và xét đầy đủ các hiệu ứng động học của hệ thống thủy
lực. Từ đó ứng dụng điều khiển mờ để điều chỉnh các tham số PID của bộ điều chỉnh tốc độ
tuabin nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và đáp ứng với sự thay đổi các tham số trong quá
trình vận hành.
ABSTRACT
Nowadays, most of the hydroelectric power has used PID controllers to regulate turbine
speed. However, these controllers are less robust with parameters changes in operation. This
paper presents the modelling of a hydroelectric power with hydraulic components and electric
machines in consideration of dynamic effects of the hydraulic system. Hence, the use of fuzzy
control to adjust PID parameters of a turbine governor is aimed to improve the control quality
and satisfy with parameters changes in operation.
1. Đặt vấn đề
Trong những thập niên gần đây điều khiển mờ phát triển khá mạnh mẽ. Ưu điểm
của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được
bộ điều khiển mà không cần biết trước cấu trúc và tham số của hệ thống một cách chính
xác, giải quyết được nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây chưa thể giải
quyết trọn vẹn. Hệ điều khiển mờ sử dụng được các kinh nghiệm vận hành đối tượng và
các xử lý điều khiển của chuyên
gia trong thuật toán điều khiển,
do vậy hệ điều khiển mờ là một
bước tiến gần tới tư duy con
người. Việc ứng dụng kỹ thuật
mờ trong thiết kế xây dựng hệ
điều khiển cho truyền động có
cấu trúc và tham số biến đổi là
hướng nghiên cứu mới mẻ, còn
nhiều tiềm năng để khai thác, là Hình 1. Cấu trúc một nhà máy thủy điện
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
325
hướng nghiên cứu có khả năng đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của hệ và khắc
phục được các nhược điểm của các hướng nghiên cứu khác.
Tuabin thủy lực cùng với các cơ cấu/bộ phận thủy lực đặc trưng động học thủy
lực phi tuyến và có đặc tính pha không cực tiểu có các tham số thay đổi theo thời gian.
Các bộ điều khiển PID được thiết kế cho một điểm làm việc đặc trưng, không thể tạo ra
sự làm việc ổn định khi có sự thay đổi đột ngột trong điều kiện làm việc hoặc trong cấu
hình của đối tượng. Sử dụng điều khiển mờ để điều chỉnh các tham số PID nhằm đạt
được chất lượng điều khiển tốt trong điều kiện có sự thay đổi tham số hệ thống là mục
đích của đề tài này.
2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát
2.1. Mô hình hóa nhà máy thủy điện
2.1.1. Mô hình phi tuyến:
Hệ thống thủy lực của
một NMTĐ điển hình, đầy đủ
gồm có: Hồ chứa nước, đường
ống dẫn nước, tháp điều áp,
đường ống áp lực, tuabin và
đường ống xả nước xuống hạ
lưu của nhà máy.
Đề tài này sẽ sử dụng
các số liệu của NMTĐ Susqueda (Tây Ban
Nha), có công suất lắp đặt (2x37MW+1x12
MW), và xét riêng một tổ máy 37MW, sử
dụng tuabin loại Francis.
Các tham số được tính từ số liệu của
NMTĐ theo các công thức trong tài liệu [7]
trình bày như ở bảng 1.
Mô hình phi tuyến [8, tr. 77] như sau:
Trong đó ()G
η
là hàm hiệu suất của tuabin xây dựng theo phương pháp bình
phương nhỏ nhất với hàm polyfit trong Matlab, số liệu lấy từ [7] như bảng 2 và bậc đa
thức là 4.
43 2
4
( ) | 1,7783. - 4,4784. + 3,1593. - 0,7300. + 0,9491
n
GGGGG
η
==
2.1.2. Mô hình trạng thái phi tuyến:
Đặt các biến quá trình như sau: 1t
x
U
=
; 2r
x
H=; 3c
x
U
=
; 4r
x
ω
=; 5
x
G=;
63
c
dU
xx dt
==
; 71
t
dU
xx dt
==
; 2
87 2
t
dU
xx dt
==
.
ec
T
wc
T
wp
T
ep
T
2p
f
0
1p
f
s
C
,
cc
UQ
,
s
s
UQ
,
tt
UQ
202Qll
H
HH++
1Ql
H
H+
r
H
t
H
0
H
Hình 2. Phân bố tham số và biến quá trình chính
Bảng 1. Trị số của các tham số NMTĐ Susqueda
Tham sốTr
ị
sốTham số Tr
ị
số
T
wc
9
,
15
[
s
]
f
0
,
0475
[p
u
]
T
w
p
0
,
82
[
s
]
f
2 0
,
089
[p
u
]
T
ep
0
,
208
[
s
]
A
t
1
,
67
[p
u
]
T
g
0
,
5
[
s
]
nl
U 0
,
13
[p
u
]
z
p
3
,
95 T 225
[
s
]
C
s
140
[
s
]
H 4
[
s
]
f
0
0
,
005
[p
u
]
D 0
,
01
[p
u
]
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
326
Khai triển từ các phương trình vi phân, ta được hệ 8 phương trình vi phân mô tả
trạng thái phi tuyến của nhà máy điện:
() ()
()
()
()
() ()
()
7
31 0 6 7
02 233
w
2
51
41
2
5
1
5
2
3
31 0 6 7 2 36
4
58
62
7
8
1.12..
1.
().
..().
222
1.
1..12.. 2...
.
.
s
s
p
c
load t
nl
G
g
sps
wc s
wp
x
xx fCxx
C
Hxfxx
T
PxA xD xxU
HHH x
x
ux
xT
x
xx fCxx fCxx
xTC
xx
x
xT
x
η
π
−− −
−−
−−+ −
⎛⎞
⎜⎟ −
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟ ⎡⎤
−−−−+
⎣⎦
⎜⎟
=
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
()
()
()
() () ()
()
22
2
1
21 718
222
5
22
55
11
57
32 23
555
2
2
67 031
06 7 0 6 7
.
11
.. . 8..
8.() 3.()
32 .. . ..1
..
2.
4.2. .12..
.
p
ep wp ep
GG
G
wp g ep wp g
s
wp s wc s
x
xf xxx
TT xT
ux ux
xx
ux x
TT x T TT x x
xx fxx
fx x fCx x
TC TC
π
π
⎛⎞
⎛⎞
−+ +++
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
⎛⎞
⎛⎞
−−
−− − + +
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
⎡−−
−−+ − −
⎢
⎣
()
236
03 1 8
(1)
2..
2. . p
wc
fxx
fx x x
T
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎢
⎜⎟
⎤
⎜⎟
⎛⎞
+− +
⎥
⎜⎜⎟ ⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎦
⎝⎠
2.1.3. Mô hình trạng thái tuyến tính lân cận điểm làm việc:
Hệ phi tuyến (1) được đưa về dạng phương trình trạng thái:
(, )
(, )
x
fxu
ygxu
=
⎧
⎨=
⎩
()
G
uu
=
(2)
Trong đó:
1
.
s
Cs
0
f
1
p
f
2p
f
Π
Σ
Q
H
Π
t
A
Σ
G
Π
Σ
Σ Σ
s
U
Π
2l
H
Π
Abs
0
H
c
Q
c
U
s
Q
r
H
t
U
NL
U
1l
H
r
H
t
H
t
H
t
U
t
Q
0l
H
()G
η
Π
load
P
Σ
1
2.
H
s
D
r
ω
Abs
w
1
.
c
Ts
Σ
mec
P
.tanh( . )
pep
Z
Ts
s
H
G
u
1
s
1
g
T
Σ
G
Hình 3. Mô hình phi tuyến NMTĐ với hàm hiệu suất ()G
η
Bảng 2. Trị số hàm hiệu suất
theo vị trí van hướng
[]Gpu
[]PMW ()[ ]Gpu
η
0,130 13,10 0,8922
0,180 13,60 0,9012
0,250 14,20 0,9107
0,360 14,50 0,9111
0,411 15,30 0,9113
0,603 27,30 0,9180
0,664 30,15 0,9048
0,752 30,20 0,8410
0,800 30,75 0,8174
0,850 31,30 0,7874
0,896 31,80 0,7610
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
327
H
ình 5. Phương pháp chỉnh định mờ
tham số bộ điều khiển PID
(,)
x
fxu=
là hệ các phương trình vi phân (1).
(, )ygxu= phụ thuộc vào tín hiệu ra của hệ. Ở đây ta quan tâm đến tốc
độ của tuabin, vì vậy:
4
yx= (3)
Xung quanh điểm làm việc *
(, )
Gxl
x
u, với giả thiết các sai lệch so với trạng
thái xác lập đủ nhỏ để có thể bỏ qua các thành phần bậc cao, khi đó có thể mô tả hệ
bằng phương trình trạng thái tuyến tính [1]:
G
G
dx
A
xBu
dt
yCxDu
⎧=+
⎪
⎨
⎪=+
⎩


(4)
Trong đó:
*
*
(, )
GGGxl
Gxl
xxx
uuu
yygxu
⎧=−
⎪=−
⎨
⎪=−
⎩
;
*
1
*
*
n
x
x
x
⎛⎞
⎜⎟
=⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
# và
(
)
Gxl Gxl
uu= (5)
Với các ma trận A,B,C,D là các ma trận Jacobi của các vectơ hàm (, )
G
f
xu ,
(, )
G
g
xu tại điểm làm việc đang xét (ma trận hằng): [1]
B11 là ma trận nhiễu tải:
*
11
,Gxl
PL xu
f
Bu∆
⎛⎞
∂
=⎜⎟
∂
⎝⎠
(6)
Khi đó (4) có thể mô tả lại như sau: 11GPL
G
dx Ax Bu B u
dt
yCxDu
∆
⎧=+ +
⎪
⎨
⎪=+
⎩


(7)
Mô hình tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc được giới thiệu ở hình 4 có các
ma trận A, B, C, D với kích thước như sau
88
x
A∈\, 81
x
B
∈\, 81
11
x
B∈\, 18
x
C∈\, D
∈
Θ.
Hình 4. Cấu trúc mô hình trạng thái tuyến tính lân cận điểm làm việc
2.2. Chỉnh định mờ tham số PID bộ điều
tốc:
2.2.1. Phương pháp chỉnh định mờ tham số
bộ điều khiển PID:
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào
việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của sai
lệch de(t)/dt, các tham số K
P, TI, TD của bộ
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
328
điều khiển PID sẽ được tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ của Zhao,
Tomizuka và Isaka [3].
Một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu ra u(t) có mô hình toán học như sau:
() () () ()
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡+ττ+= ∫teTde
T
1
teKtu D
t
0
I
R (8)
hoặc
()
sK
s
K
KsG D
I
RPID ++= (9)
trong đó: I
R
1K
K
T=
và R
D
DK
K
T=
2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định thông số PID
a) Xác định biến ngôn ngữ
Bộ chỉnh định mờ có 2 đầu vào là e(t) và de(t)/dt và ba đầu ra là KR, KD, α có
các giới hạn xác định theo [3].
Trong đó:
D
R
I
D
I
K
K
K
T
T
.
2
α
α
=⇒= nên xem như gồm 3 bộ chỉnh định mờ nhỏ.
Định nghĩa các tập mờ vào ra:
{}
PBPMPSZENSNMNBe =
{}
()de t NB NM NS ZE PS PM PB
dt =
{}
BSK R=
{}
BSKD=
{
}
BMMSS=
α
Hình 6. Định nghĩa các tập mờ vào ra
b) Xây dựng luật hợp thành
Bảng 3. Luật chỉnh định
K R, KD
0
µ
1
S B
S
M
S
M P
1 2 3 4 5 6
α
µ
Luật chỉnh định KR:
de(t)/dt
NB
NM NS ZE PS PM PB
NB B B B B B B B
NM S B B B B B S
e(t) NS S S B B B S S
ZE S S S B S S S
PS S S B B B S S
PM S B B B B B S
PB B B B B B B B
Luật chỉnh định KD:
de(t)/dt
N
B
N
M
N
SZEPSPMPB
NB S S S S S S S
N
MB B S S S B B
e
(
t
)
N
SB B BSBBB
ZE B B B B B B B
PS B B B S B B B
PM B B S S S B B
PB S S S S S S S
Luật chỉnh định α:
de(t)/dt
N
B
N
M
N
S ZE PS PM PB
NB S S S S S S S
N
M MS MS S S S MSMS
e
(
t
)
N
S M MS MS S MS MS M
ZE B M MS MS MS M B
PS M MS MS S MS MS M
PM MS MS S S S MSMS
PB S S S S S S S
0 -1 1
e, de/dt
N
B NM NS ZE PS PM PB
µ