1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
VÕ THANH SANG
ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2011
2
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN VĂN HIỀN
Phản biện 1: TS. Nguyễn Đức Thành
Phản biện 2: TS. Võ Như Tiến
Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ
thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 7 tháng 5 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
3
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Đất nước ta ñang trong thời kỳ hội nhập, việc học tập và ứng
dụng các công nghệ, kỹ thuật hiện ñại là một yêu cầu cấp bách thiết
nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất và hiệu quả. Đó là một trong
những con ñường ñể thu hẹp khoảng cách giữa các quốc gia, các vùng
lãnh thổ.
Năng lượng là một vấn ñề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta. Ở
bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng ñiện nói
riêng luôn luôn ñược coi là nghành công nghiệp mang tính chất xương
sống cho sự phát trển của nền kinh tế. Việc sản xuất và sử dụng ñiện
năng một cách hiệu quả luôn ñược coi trọng một cách ñặc biệt. Ý nghĩa
quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công nghiệp
then chốt này là nhằm nâng cao ñời sống của mỗi người dân. Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không
ngừng ñược nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy ñiện mới.
Tốc ñộ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước ñòi
hỏi sự phát triển tương ứng của nghành công nghiệp ñiện lực. Máy phát
ñiện ñồng bộ ñóng một vai trò quan trọng trong hệ thống ñiện, nơi mà
tính ổn ñịnh luôn ñược ñòi hỏi cao. Ổn ñịnh ñược ñiện áp ñầu cực máy
phát là nhờ vào các bộ ổn ñịnh ñiện áp máy phát.
Các mạch ñiều khiển lô-gic, các bộ ñiều khiển kinh ñiển PID, các
hệ thống ñiều khiển tích hợp và ñiều khiển hiện ñại (ñiều khiển mờ,
ñiều khiển nơ-ron, ñiều khiển thích nghi, …) ñã và ñang ñược ứng
dụng rộng rãi và mang lại nhiều kết quả thiết thực. Bộ ñiều khiển mờ ra
ñời trên cơ sở ứng dụng lô-gic mờ là một trong những bộ ñiều khiển
hiện ñại, ñang phát triển vượt bậc và ñược ứng dụng rộng rãi, hiện ñang
ñóng vai quan trọng trong các hệ thống ñiều khiển vì ñảm bảo tính khả
4
thi cao,thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật như tính bền vững và ổn ñịnh
cao, dễ dàng thiết kế, dễ thay ñổi, ...
Với hy vọng việc ứng dụng bộ ñiều khiển mờ có ưu ñiểm là cấu trúc
không quá phức tạp, có khả năng ứng dụng thực tế, ñề tài: “ Ứng dụng
logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ” ñược thực hiện
nhằm nâng cao chất lượng ñiện năng trong hệ thống ñiện
2. Mục ñích nghiên cứu
Bộ ñiều khiển mờ là một trong những bộ ñiều khiển thông
minh, ñược xem là “công nghệ tính toán mềm”, ñang ñược ứng dụng
nhiều trong ñiều khiển.
Mục ñích nghiên cứu ñề tài là ứng dụng lô gíc mờ trong ổn
ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ nhằm nâng cao chất lượng hệ
thống ñiện.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hệ thống kích từ, máy phát ñiện ñồng bộ của một nhà máy
thủy ñiện
Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là thiết kế bộ ñiều khiển mờ ñể
ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ. Đề tài cũng cố gắng sử dụng bộ
thông số thực của một nhà máy thủy ñiện ñiển hình trong nước ñể tính
toán, mô phỏng và ñánh giá kết quả nghiên cứu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm chứng trên
phần mềm Matlab/Simulink
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ñề tài
Với kết quả nghiên cứu ñược, ñề tài này mang lại ý nghĩa khoa
học và thực tiễn về vấn ñề ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ trong bộ
ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ, nhằm nâng cao ñộ ổn ñịnh, chất
lượng ñiện năng trong hệ thống ñiện.
5
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn ñược trình bày theo cấu trúc sau:
Mở ñầu
Chương 1 : Tổng quan máy phát ñiện ñồng bộ và hệ thống
kích từ Chương 2: Mô hình hoá máy phát ñiện ñồng bộ và hệ thống
kích từ
Chương 3: Ứng dụng logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát
ñiện ñồng bộ
Chương 4 : Mô phỏng và nhận xét kết quả
Kết luận và kiến nghị.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
BA PHA VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ
1.1. Giới thiệu tổng quan
1.2. Máy phát ñiện ñồng bộ ba pha
1.2.1. Kết cấu và nguyên lý cơ bản 1.2.1.1. Phần tĩnh 1.2.1.2. Phần Quay 1.2.2. Đặc ñiểm và phân loại 1.2.2.1. Máy phát nhiệt ñiện 1.2.2.2. Máy phát thủy ñiện
1.3. Hệ thống kích từ
1.3.1. Hệ kích từ một chiều
1.3.2. Hệ tự kích từ xoay chiều 1.3.2.1. Hệ chỉnh lưu tĩnh 1.3.2.2. Hệ chỉnh lưu quay 1.3.3. Hệ tự kích từ 1.3.3.1. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn áp 1.3.3.2. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn hỗn hợp
6
1.3.3.3 Hệ tự kích từ chỉnh lưu hỗn hợp có ñiều khiển 1.3.4. Tác ñộng của hệ thống kích từ ñối với sự ổn ñịnh
1.4. Kết luận chương 1
Chương 2 : MÔ HÌNH HOÁ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ
2.1. Mô hình hoá máy phát ñiện ñồng bộ
2.1.1. Mô tả toán học của máy phát ñồng bộ
Các phương trình mô tả ñặc tính pha của máy phát sẽ ñược chuyển
sang các hệ tọa ñộ ñảm bảo có lợi về phương diện mô tả vật lý, từ ñó
b gắn cố ñịnh với stator và hệ
dẫn ñến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống ñiều chỉnh. Có hai loại hệ trục tọa ñộ ñược sử dụng là hệ tọa ñộ a tọa ñộ dq còn gọi là hệ tọa ñộ tựa hướng từ thông rotor. Trong ñề tài, sẽ
chỉ tập trung phân tích và xây dựng mô hình máy phát dựa trên hệ tọa
ñộ dq.
-=
+
+
+
Ở ñây trục d ñược gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham chiếu (pha a) một góc θ, dòng ñiện trong các pha stator là ia, ib, ic. Nếu biểu diễn các dòng ñiện này trong hệ tọa ñộ dq ta sẽ có quan hệ sau.
q sin
q sin(
)
q sin(
i q
i b
i c
)
ik a q
-
=
+
+
+
q cos
q cos(
)
q cos(
i d
i b
i c
ik a d
)
p 2 3 p 2 3
p 2 3 p 2 3
(2.1) -
Với kd = kq = 2/3. Ở ñiều kiện cân bằng dạng sin các dòng ñiện stator
ñược biểu diễn như sau. Thay vào (2.1) ta viết ñược id và iq
=
w
I
sin
t
i a
m
s
7
=
w sin(
I
t
)
i b
m
s
=
+
w sin(
I
t
)
i c
m
s
p 2 3 p 2 3
w
q
=
+
+
+
+
(2.2) -
k
I
t
I
t
I
t
sin
cos
w sin(
q cos(
)
)
w sin(
q cos(
)
)
i d
d
m
s
m
s
m
s
p 2 3
p 2 3
p 2 3
p 2 3
=
q
- -
k
I
t
w sin(
)
d
m
s
3 2
-
-=
q
Tương tự cho iq và i0
k
w cos(
I
t
)
i q
q
m
s
3 2
- (2.3)
=
i (
)
(2.4)
i 0
a
++ i b
i c
1 3
i a
++ i b
i c
Ở ñiều kiện cân bằng =0 do ñó i0 = 0
Sự chuyển ñổi các ñại lượng pha abc sang các ñại lượng dq0 có
1
1
1
2
thể ñược viết dưới dạng ma trận sau:
p 2
p 2
=
2 +
2 q
q
q
cos
cos(
)
cos(
)
3
3
2 3
i a i b i
i 0 i d i q
c
p 2
p 2
+
(2.5) -
q
q
q
sin
sin(
)
sin(
)
3
3
- - - -
q
q
Và chuyển ñổi ngược lại
cos
sin
1
i
i
a
d
p
p
-
2
2
=
q
q
)
1
)
sin(
cos(
i
q
3
3
p
p
i
i b i c
2
2
0
q
q
+
+
(2.6) - - -
)
1
)
sin(
cos(
3
3
-
8
2.1.2. Mô tả máy phát trong hệ ñơn vị tương ñối
2.1.3. Phân tích mô hình máy phát ở trạng thái ổn ñịnh
2.1.4. Phương trình chuyển ñộng quay
Các phương trình chính của máy quay trong việc phân tích ổn
ñịnh hệ thống hầu hết là các phương trình quán tính quay. Các phương
trình này mô tả ảnh hưởng do sự không cân bằng giữa mô men ñiện và
mô men cơ của từng tổ máy. Phương trình góc quay thể hiện mối quan
hệ giữa mô men quay của trục rotor và mô men gia tốc của nó, trong ñó
mô men gia tốc quay ñược xác ñịnh chính bằng sai lệch giữa mô men
trục cơ và mô men ñiện. Tốc ñộ quay của trục cơ sẽ ổn ñịnh ở giá trị
hằng khi có sự cân bằng giữa mô men trục cơ và mô men ñiện, tức là
mô men gia tốc bằng 0.
Khi có sự mất cân bằng giữa các thành phần mô men tác ñộng lên
trục rotor máy phát thì sẽ tạo ra một mô men gia tốc là:
(2.71)
Ta = Tm - Te Trong ñó:
Ta: Mô men gia tốc Tm: Mô men cơ Te: Mô men ñiện Trong phương trình trên Tm và Te là dương. Khi ñó phương trình chuyển ñộng quay sẽ là:
w d m dt
w
(2.72) - J == TTT m a e
: Vận tốc góc của rotor [rad/s]
Trong ñó: J: Mô men quán tính tổng hợp của máy phát và tuabin [kg.m2] m t: Thời gian [s]
Phương trình trên có thể chuẩn hóa bằng quan hệ trong hệ ñơn vị
tương ñối của hằng số quán tính H, ñược ñịnh nghĩa là ñộng năng của
9
w
m0 như sau:
=
H
máy quay ở tốc ñộ ñịnh mức trên giá trị ñịnh mức VAcb của máy ñiện. Gọi là vận tốc góc ñịnh mức, khi ñó hằng số quán tính ñược viết
1 w 2 J 0 m VA 2 cb
(2.73)
=
J
VA cb
2 w
H 2 0 m
Từ (2.73) ta viết lại biểu thức của mô men quán tính J là
=
Thay (2.74) vào phương trình (2.72) ta ñược
VA cb
T m
T e
w d m dt
2 H w 2 0 m
- (2.75)
Hay
m
2
H
w w
T e w
d dt
/
=
0
m
T m VA cb
0
m
- (2.76)
Lưu ý rằng Tcb = VAcb/ω0m.
Khi ñó phương trình chuyển ñộng quay trong hệ ñơn vị tương ñối
r
=
là:
2
H
T m
T e
w d dt
- (2.77)
w
/
p
r
f
r
m
w
=
=
=
Trong phương trình trên:
r
w w
w w
w
/
p
f
0
m
0
0
(2.78)
Ở ñây ωr là góc quay ñiện của rotor [rad/s], ω0 là giá trị ñịnh mức
và pf là số ñôi cực của máy phát.
d
Nếu d là vị trí góc ñiện của rotor và
10
0
là giá trị của nó tại thời
d
=
w
w
+
d
ñiểm t=0 thì.
t
tr
0
0
- (2.79)
d
=
w
w
w
Lấy ñạo hàm theo thời gian ta ñược
r
D= 0
r
d dt
- (2.80)
w
Và
d
(
)
r
r
=
=
d 2 2
d dt
dt
w d dt w
w
D (2.81)
d
(
)
r
r
=
w
=
w
0
0
d dt
dt
d 2
d
=
⇒
D
2
w
w d r dt
dt
0
(2.82)
=
Thay (2.82) vào (2.77) ta ñược
T m T e
d 2 2
2 w
dH dt
0
- (2.83)
Nếu kể ñến thành phần mô men cản ñiện từ tỷ lệ với tốc ñộ quay
thì cần phải thêm vào phương trình (2.83) một thành phần tỷ lệ với ñộ
=
w
lệch tốc ñộ. Do ñó phương trình ñược viết lại như sau:
T m
KT e
D
r
d 2 2
2 w
dH dt
0
D - - (2.84)
Trong ñó:
KD là hệ số cản hoặc hệ số mô men/ñộ lệch tốc ñộ trong hệ ñơn vị tương ñối
Từ phương trình (2.80) suy ra.
r
w
=
r
w w
0
0
D D (2.85) 11 d 1= d w dt
Phương trình (2.84) chính là phương trình chuyển ñộng của máy
phát ñồng bộ. Đây là phương trình chuyển ñộng quay bởi vì nó mô tả góc quay d của rotor khi có nhiễu.
=
Thay (2.85) vào (2.84). Phương trình ñược viết lại
T m
T e
d 2 2
2 w
dH dt
d dK D w dt
0
0
- - (2.86)
Nếu sử dụng các giá trị trong hệ ñơn vị tương ñối theo thời gian thì
=
(2.86) trở thành:
w H
2
0
T m
KT e
D
d 2 2
d td
d d td
- - (2.87)
Trong không gian trạng thái ñòi hỏi mô hình các thành phần phải
ñược mô tả bằng các phương trình vi phân bậc nhất. Do ñó phương
trình chuyển ñộng quay (2.84) ñược biểu diễn bằng 2 phương trình vi
w
d
r
w
=
KT
)
T ( m
e
D
r
1 H 2
dt
d
=
w
w
phân bậc nhất như sau: D D - - (2.88)
0
r
d dt
D (2.89)
eT
w
Sơ ñồ khối mô tả phương trình (2.88), (2.89) như sau:
w
r
d
0
Σ
2
1 DKHs +
s
D
mT
Hình 2.3. Sơ ñồ khối mô tả phương trình chuyển ñộng quay
12
2.1.5.Mô hình máy phát nối với hệ thống trong nghiên cứu ổn ñịnh
Trong nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ của hệ thống thì ta sẽ không
sử dụng các phương trình mô tả ñiện ñộng của một máy phát ñộc vì nó
chỉ có ý nghĩa ñối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một máy phát hoạt ñộng
ñộc lập. Do ñó ñể phục vụ cho bài toán ñặt ra ta sẽ thực hiện mô hình
hóa cho hệ máy phát ñược nối với hệ thống có công suất rất lớn.
Xét mô hình hệ thống ñược mô tả như hình 2.4 gồm một máy phát
ñồng bộ nối với hệ thống ñiện thông qua ñường dây truyền tải có tổng
trở Ze =Re +jXE.
Bây giờ ta sẽ xem xét ñặc tính của hệ thống dưới tác ñộng của sự
biến thiên từ thông. Ảnh hưởng của cuộn dây cản dịu sẽ ñược bỏ qua và
BU
tU V
ñiện áp kích thích sẽ ñược giả thiết là không ñổi.
G
=
+
Z
jX
eq
R E
E
Infinite Bus
Hình 2.4. Mô hình hệ thống công suất
Trước tiên ta sẽ khai triển mô hình không gian trạng thái của hệ
thống bằng cách rút gọn các phương trình của máy phát về dạng thích
hợp và sau ñó kết hợp chúng với các phương trình lưới. Ta sẽ mô tả
thời gian là giây, góc là radian ñiện và tất cả các biến trong hệ ñơn vị
tương ñối. 2.1.5.1. Các phương trình máy phát ñồng bộ 2.1.5.2. Các phương trình lưới 2.1.6.Tuyến tính hóa mô hình hệ thống
Từ các phương trình ñược tổng hợp như ở trên. Mô hình hệ thống tuyến
tính ñược mô tả dưới dạng sơ ñồ khối như hình 2.7
13
2.2. Mô hình hoá hệ thống kích từ
2.2.1. Mô hình hóa các thành phần của hệ thống kích từ
2.2.2. Tổng hợp mô hình hệ thống kích từ
Từ việc phân tích mô hình các thành phần chi tiết, mô hình cấu
trúc của hệ thống kích từ hoàn chỉnh ñược trình bày trên hình 2.14. Mô
hình hệ thống kích từ này theo tiêu chuẩn IEEE ñược kí hiệu là ST1A.
Mô hình máy kích từ loại ST1A mô tả một hệ thống chỉnh lưu nguồn có
ñiều khiển và công suất kích từ ñược cung cấp thông qua một máy biến
VREF
VRmax
UR
Efd
U1
U2
Ue
áp từ ñiện áp ñầu ra máy phát.
- + ∑
+
1 RsT+1
A sT
A
VRmi
∑ - U3
K +1
sK +1
F sT F
Ut
Hình 2.14. Hệ thống kích từ loại ST1A
[
=
y
E
K
fd
4
fd
K +
1
3 pT 3
d
+
y
2.3. Tổng hợp mô hình hệ thống (cid:1) Các phương trình máy phát nối với hệ thống ]d D - D D
K
= KT 1 e
2
fd
D D D
d
+
y
= KU
t
5
6
fd
w
D D D 14 K
d
r
w
(
KT
)
2
H
T m
e
D
r
dt w =
d
w
D D - D - D
p
0
r
D D
=
(cid:1) Các phương trình mô tả hệ thống kích từ ST1A
U
U
1
t
+
1 sT
1
R
=
D D
E
(
U
)
fd
1
K +
A sT
1
A
D -
Từ các phương trình ñược tổng hợp như trên, mô hình hệ thống
K4
Exiter
y
ñược mô tả dưới dạng sơ ñồ khối như hình 2.15.
d
w
w
fd
aTD
+
- Σ
K2
+
fdED
2
R s
K +1
A sT
1 DKHs +
A
mTD + eTD Σ -
Σ +
K 3 + 1 sT 3
K1
K6
D D D refU + Σ
+
+
K5
Σ
tUD
1 RsT+1
- 1UD Voltage transducer
Hình 2.15. Mô hình hệ thống tuyến tính rút ra từ nhiễu loạn hệ thống
2.4. Các thông số máy phát và hệ thống kích từ
2.5. Kết luận chương 2
15
Chương 3: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ỔN ĐỊNH
ĐIỆN ÁPMÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
3.1. Giới thiệu chung
3.1.1. Định nghĩa tập mờ
3.1.2. Một vài dạng hàm liên thuộc thường ñược sử dụng
3.2. Xây dựng mô hình mờ cho ñối tượng
Hiện nay có hai quan ñiểm về mô hình mờ thường ñược sử dụng.
Đó là mô hình mờ Mamdani và mô hình mờ Sugeno.
3.2.1. Mô hình mờ Mamdani
Phương pháp suy diễn mờ của Mamdani ñược coi là phương
pháp luận phổ biến nhất. Phương pháp này ñược Sbrahim Mamdani
giới thiệu lần ñầu vào năm 1975 dựa trên các tài liệu của Lofti Zadeh
1973 về các thuật toán mờ. Từ ñó ñến nay, quá trình suy diễn mờ ñã
thay ñổi tuy nhiên chúng vẫn giữ ñược các ý tưởng cơ bản nhất.
Mô hình mờ Mandani gồm ba thành phần:
Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa
thành, khối luật mờ và khối giải mờ (fuzzifiers), khối hợp
(defuzzifiers). Ta có thể biểu diễn mô hình mờ Mamdani như hình 3.1. 3.2.1.1. Khâu mờ hóa 3.2.1.2. Khâu thực hiện luật hợp thành 3.2.1.3. Khâu giải mờ 3.2.1.4. Tối ưu hoá hệ thống 3.2.2. Mô hình mờ Sugeno
Đầu ra y
Đầu vào X
Giải mờ
Khối hợp thành
Khối mờ hóa (fuzzifiers)
Khối luật mờ
16
Hình 3.1 Sơ ñồ khối chức năng của bộ ñiều khiển mờ
3.2.3. So sánh hai loại mô hình
- Mô hình Sugeno
+ Hiệu quả tính toán cao.
+ Thích hợp với các công nghệ tuyến tính (ví dụ bộ ñiều khiển PID).
+ Thích hợp với các kỹ thuật tối ưu và thích nghi.
+ Bảo ñảm tính liên tục của mặt phẳng ñầu ra.
+ Thích hợp với việc phân tích toán học
- Mô hình Mamdani
+ Trực giác, dễ hiểu
+ Được thừa nhận rộng rãi
+ Gần gũi với ñời sống
3.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển mờ
3.3.1. Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ
Về nguyên tắc, hệ thống ñiều khiển mờ cũng không có gì khác
so với các hệ thống ñiều khiển tự ñộng thông thường khác. Sự khác biệt
ở ñây chính là bộ ñiều khiển mờ làm việc có tư duy như "bộ não" dưới
dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng ñịnh làm việc với hệ thống ñiều khiển
mờ do ñó cũng có thể ñược coi như là một hệ thống mạng neuron hay
17
ñúng hơn là một hệ thống ñiều khiển ñược thiết kế mà không cần biết
trước mô hình của ñối tượng. Bộ ñiều khiển mờ gồm có các thành phần
sau (hình 3.8)
m
e
u
B'
Luật ñiều khiển
y
x
e
u
Giao diện ñầu vào Thiết bị hợp Giao diện ñầu ra
Bộ ñiều khiển
Đối tượng ñiều khiển
-
Thiết bi ño lường
Hình 3.8. Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ cơ bản
3.3.2. Nguyên tắc tổng hợp bộ ñiều khiển mờ
3.3.3. Các bước thực hiện khi xây dựng bộ ñiều khiển mờ
Đối với bộ ñiều khiển mờ theo mô hình Mamdani
- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra
- Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra
+ Xác ñịnh miền giá trị vật lý cho các biến ngôn ngữ vào/ra
+ Xác ñịnh số lượng tập mờ cần thiết
+ Xác ñịnh kiểu hàm liên thuộc
+ Rời rạc hoá các tập mờ
- Xây dựng các luật ñiều khiển (các mệnh ñề hợp thành)
18
- Chọn thiết bị hợp thành mờ (max-Min hay sum-Min,...)
- Chọn phương pháp giải mờ
- Tối ưu hệ thống
Đối với bộ ñiều khiển mờ theo mô hình Sugeno:
- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra.
- Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra.
+ Xác ñịnh miền giá trị vật lý cho các biến ngôn ngữ vào/ra
+ Xác ñịnh số lượng tập mờ cần thiết
+ Xác ñịnh kiểu hàm liên thuộc
+ Rời rạc hoá các tập mờ
- Xây dựng các luật ñiều khiển, có nghĩa là chọn các hệ số ci (i = 1,2,3,...,n) cho từng luật Nếu ..... thì của bộ ñiều khiển
3.4. Ứng dụng Logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng
bộ
3.4.1. Xác ñịnh các biến vào ra
Bộ ñiều khiển mờ ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh ñiện áp máy
phát, theo kinh nghiệm thì bộ mờ gồm có hai ñầu vào và một ñầu ra
hình 3.9
.- Đầu vào thứ 1 là sai lệch giữa giá trị ñặt và giá trị thực của hệ thống,
ñại lượng này ñược ký hiệu là E.
- Đầu vào thứ 2 là ñạo hàm ñộ sai lệch ñại lượng này ñược ký hiệu là
DE
- Đầu ra là ñiện áp vào bộ chuyển ñổi ñiện áp, ñại lượng này ñược ký
hiệu là U
3.4.2. Xác ñịnh tập mờ 3.4.2.1. Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào/ra
Xác ñịnh ñược các miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào và ra:
+ Sai lệch E ñược chọn trong miền giá trị [-0.1,0.1]
19
+ Đạo hàm DE ñược chọn trong miền giá trị [-0.5,0.5]
+ Đầu ra U có miền giá trị nằm trong khoảng [-1,1] Hình 3.9. Các biến vào ra bộ ñiều khiển mờ 3.4.2.2. Giá trị tập mờ
Xác ñịnh số lượng tập mờ (các giá trị ngôn ngữ) cần thiết cho
các biến: Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi
biến nên nằm trong khoảng từ 3 ñến 10 giá trị. Nếu số lượng ít hơn 3 thì
quá thô và ít có ý nghĩa vì không thực hiện ñược việc lấy vi phân. Nếu
lớn hơn 10 thì quá mịn con người khó có khả năng cảm nhận quá chi ly,
bao quát hết các trường hợp xảy ra và ảnh hưởng ñến bộ nhớ, tốc ñộ
tính toán. Vì vậy, chọn số lượng tập mờ cho biến ñầu vào E là 7, DE là
{NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}.
{NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}.
{NL, ZE, PL}.
3 và biến ñầu ra là 7, cụ thể như sau: + E ˛ + U˛ + DE ˛ Trong ñó ký hiệu:
20
+ NL : Âm nhiều
+ NM : Âm vừa
+ NS :Âm ít
+ ZE : Zero
+ PL : Dương nhiều
+ PM : Dương vừa
+PS :Dương ít 3.4.2.3. Xác ñịnh hàm liên thuộc
Hàm liên thuộc là vấn ñề cực kỳ quan trọng và rất khó nói
chính xác. Nhưng trong kỹ thuật ñiều khiển thường ưu tiên chọn hàm
liên thuộc kiểu hình tam giác hoặc hình thang. Các loại này có biểu
thức ñơn giản, tính toán dễ dàng, tuy nhiên các hàm liên thuộc này chỉ
gồm các ñoạn thẳng nên không mềm mại ở các ñiểm gãy.
3.5. Xây dựng các luật ñiều khiển
Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có ñược, kinh
nghiệm, và dựa vào ñặc tính quá ñộ thường gặp của hệ thống ñiều khiển
dùng PID (Hình 3.13)
Hình 3.10. Xác ñịnh tập mờ cho biến vào E
21
Hình 3.11. Xác ñịnh tập mờ cho biến vào DE
Hình 3.12. Xác ñịnh tập mờ cho biến ra U
Hình 3.13. Xây dựng các luật ñiều khiển
3.6. Tối ưu hoá hệ thống
3.7. Kết luận chương 3
22
Chương 4 : MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ
4.1. Cơ sở lý thuyết bộ ñiều khiển PID
4.2. Xây dựng bộ ñiều khiển PID ổn ñịnh ñiện áp máy phát
4.3. Sơ ñồ mô phỏng với bộ ñiều khiển PID
Hình 4.3. Sơ ñồ mô phỏng với bộ PID
4.3.1. Sơ ñồ cấu trúc của máy phát ñiện ñồng bộ
4.3.2. Bộ kích từ
4.3.3. Bộ cảm biến ñiện áp 4.4. Sơ ñồ mô phỏng với bộ ñiều khiển Mờ
Hình 4.7. Sơ ñồ mô phỏng với bộ ñiều khiển mờ
4.5. Thông số và các kết quả mô phỏng
23
4.5.1.Các thông số mô phỏng
Duong dac tinh dien ap ung voi bo dieu khien PID
1.4
PID
1.2
1
) t
U
( t
a h p
0.8
y a m c u c
u a d
0.6
p a
i
n e D
0.4
0.2
0
0.5
1
1.5
2
3
3.5
4
4.5
5
0
2.5 Thoi gian(s)
4.5.2.Kết quả mô phỏng với bộ ñiều khiển PID
Hình 4.8.Đặc tính ñiện áp ñầu cực máy phát với bộ ñiều PID
4.5.3. Tín hiệu sai lệch
Tin hieu sai lech voi bo dieu khien PID
1.2
PID
1
0.8
0.6
h c e
l i
a s
i
u e h
i
n T
0.4
0.2
0
-0.2
0
0.5
1
1.5
2
3
3.5
4
4.5
5
2.5 Thoi gian(s)
Hình 4.9. Tín hiệu sai lệch với bộ ñiều khiển PID
24
4.5.4.Kết quả mô phỏng với bộ ñiều khiển Mờ
Duong dac tinh dien ap ung voi bo dieu khien Mo
1.4
Fuzzy
1.2
1
) t
U
0.8
0.6
i
( t a h p y a m c u c u a d p a n e D
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
3
3.5
4
4.5
5
2.5 Thoi gian(s)
Hình 4.10.Đặc tính ñiện áp ñầu cực máy phát với bộ ñiều Mờ
Tin hieu sai lech voi bo dieu khien Mo
1.2
Fuzzy
1
0.8
0.6
h c e
l i
i
a s u e h
i
0.4
n T
0.2
0
-0.2
0
0.5
1
1.5
2
3
3.5
4
4.5
5
2.5 Thoi gian(s)
Hình 4.11. Tín hiệu sai lệch với bộ ñiều khiển Mờ
4.5.5. Tín hiệu sai lệch
25
4.6. Kết luận chương 4
Với kết quả mô phỏng ở trên ta nhận thấy rằng với bộ ñiều
khiển mờ như ñã thiết kế thì chất lượng ñiện ñiện áp của máy phát ñiện
luôn ổn ñịnh
Kết quả mô phỏng thu ñược hoàn toàn phù hợp với các kết quả
nghiên cứu lý thuyết, ñiều này chứng tỏ rằng thuật toán và cách thức
xây dựng bộ ñiều khiển mờ là ñúng ñắn và chính xác.
Sai lệch tĩnh, ñộ quá ñiều chỉnh, thời gian quá ñộ, số lần dao ñộng của
hệ truyền ñộng ñều tốt, nhất là ñộ quá ñiều chỉnh và thời gian quá ñộ rất
nhỏ.
Kết quả mô phỏng một lần nữa ñã minh chứng và khẳng ñịnh
rằng lý thuyết ñiều khiển mờ hoàn toàn có thể ñảm ứng ñược yêu cầu
chất lượng ñiều khiển của hệ truyền ñộng
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt
nghiệp:“Ứng dụng Logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện
ñồng bộ” tôi ñã ñạt ñược một số kết quả sau:
Mô hình hóa ñược hệ thống gồm máy phát ñược nối với hệ
thống .
Nghiên cứu hệ thống kích từ
Sử dụng bộ ñiều khiển kinh ñiển ñể ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp
ñầu cực máy phát ñiện ñồng bộ.
Nghiên cứu và ứng dụng Logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp
Xây dựng mô hình mô phỏng ñể kiểm chứng trên phần mềm
Matlab-Simulink
Với kết quả trên, cho thấy mô hình thiết kế ñảm bảo tốt các yêu
cầu về chức năng ñiều khiển. Khi sử dụng bộ ñiều khiển PID ta thấy
26
cho ñáp ứng kết quả tốt, việc sử dụng bộ ñiều khiển mờ trong ổn ñịnh
ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ cũng cho ñược kết quả tương tự. Đây là
cơ sở quan trọng ñể có thể tiến hành thử nghiệm với mô hình trong
thực tế.
Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn này chỉ
mới giải quyết ñược các vấn ñề trên cơ sở lý thuyết về hệ thống tự ñộng
ổn ñịnh ñiện áp. Mô hình mô phỏng hoạt ñộng cho kết quả tốt. Một
trong những hạn chế nữa là trong luận văn này chỉ xét cho hệ thống
gồm một máy phát ñộc lập nối lưới và sử dụng bộ ñiều khiển PID và bộ
ñiều khiển Mờ ñộc lập với nhau, nhưng trong thực tế, các máy phát
trong một nhà máy luôn hoạt ñộng song song với nhau và việc kết hợp
bộ ñiều khiển truyền thống và bộ ñiều khiển hiện ñại nhằm nâng cao
chất lượng cho hệ thống. Do ñó ñể có thể sử dụng các bộ ñiều khiển
này vào thực tiễn thì ta cần phải xem xét ñến trường hợp này, và ñây
cũng là một hướng phát triển tiếp theo của ñề tài
