Ứng dụng logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ

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 HĨA Mã số : 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 2 Cơng trình được hồn 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 được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 7 tháng 5 năm 2011 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đất nước ta đang trong thời kỳ hội nhập, việc học tập và ứng dụng các cơng nghệ, kỹ thuật hiện đại là một yêu cầu cấp bách thiết nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất và hiệu quả. Đĩ là một trong những con đường để thu hẹp khoảng cách giữa các quốc gia, các vùng lãnh thổ. Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta. Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nĩi chung và năng lượng điện nĩi riêng luơn luơn được coi là nghành cơng nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế. Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luơn được coi trọng một cách đặc biệt. Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành cơng nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân. Xã hội khơng ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân khơng ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới. Tốc độ phát triển của nền sản xuất cơng nơng nghiệp của một nước địi hỏi sự phát triển tương ứng của nghành cơng nghiệp điện lực. Máy phát điện đồng bộ đĩng một vai trị quan trọng trong hệ thống điện, nơi mà tính ổn định luơn được địi hỏi cao. Ổn định được điện áp đầu cực máy phát là nhờ vào các bộ ổn định điện áp máy phát. Các mạch điều khiển lơ-gic, các bộ điều khiển kinh điển PID, các hệ thống điều khiển tích hợp và điều khiển hiện đại (điều khiển mờ, điều khiển nơ-ron, điều khiển thích nghi, …) đã và đang được ứng dụng rộng rãi và mang lại nhiều kết quả thiết thực. Bộ điều khiển mờ ra đời trên cơ sở ứng dụng lơ-gic mờ là một trong những bộ điều khiển hiện đại, đang phát triển vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi, hiện đang đĩng vai quan trọng trong các hệ thống điều khiển vì đảm bảo tính khả 4 thi cao,thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật như tính bền vững và ổn định cao, dễ dàng thiết kế, dễ thay đổi, ... Với hy vọng việc ứng dụng bộ điều khiển mờ cĩ ưu điểm là cấu trúc khơng quá phức tạp, cĩ khả năng ứng dụng thực tế, đề tài: “ Ứng dụng logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ” được thực hiện nhằm nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện 2. Mục đích nghiên cứu Bộ điều khiển mờ là một trong những bộ điều khiển thơng minh, được xem là “cơng nghệ tính tốn mềm”, đang được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Mục đích nghiên cứu đề tài là ứng dụng lơ gíc mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điện. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống kích từ, máy phát điện đồng bộ của một nhà máy thủy điện Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển mờ để ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ. Đề tài cũng cố gắng sử dụng bộ thơng số thực của một nhà máy thủy điện điển hình trong nước để tính tốn, mơ phỏng và đánh giá kết quả nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mơ phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Với kết quả nghiên cứu được, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trong bộ ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ, nhằm nâng cao độ ổn định, chất lượng điện năng trong hệ thống điện. 5 6. Cấu trúc luận văn Luận văn được trình bày theo cấu trúc sau: Mở đầu Chương 1 : Tổng quan máy phát điện đồng bộ và hệ thống kích từ Chương 2: Mơ hình hố máy phát điện đồng bộ và hệ thống kích từ Chương 3: Ứng dụng logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ Chương 4 : Mơ 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 điện đồng 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 điểm và phân loại 1.2.2.1. Máy phát nhiệt điện 1.2.2.2. Máy phát thủy điện 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 cĩ điều khiển 1.3.4. Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định 1.4. Kết luận chương 1 Chương 2 : MƠ HÌNH HỐ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 2.1. Mơ hình hố máy phát điện đồng bộ 2.1.1. Mơ tả tốn học của máy phát đồng bộ Các phương trình mơ tả đặc tính pha của máy phát sẽ được chuyển sang các hệ tọa độ đảm bảo cĩ lợi về phương diện mơ tả vật lý, từ đĩ dẫn đến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống điều chỉnh. Cĩ hai loại hệ trục tọa độ được sử dụng là hệ tọa độ αβ gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq cịn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thơng rotor. Trong đề tài, sẽ chỉ tập trung phân tích và xây dựng mơ hình máy phát dựa trên hệ tọa độ dq. Ở đây trục d được gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham chiếu (pha a) một gĩc θ, dịng điện trong các pha stator là ia, ib, ic. Nếu biểu diễn các dịng điện này trong hệ tọa độ dq ta sẽ cĩ quan hệ sau.       ++−+=       ++−+−= ) 3 2 cos() 3 2 cos(cos ) 3 2 sin() 3 2 sin(sin piθpiθθ piθpiθθ cbadd cbaqq iiiki iiiki (2.1) Với kd = kq = 2/3. Ở điều kiện cân bằng dạng sin các dịng điện stator được biểu diễn như sau. Thay vào (2.1) ta viết được id và iq 7 ) 3 2 sin( ) 3 2 sin( sin pi ω pi ω ω += −= = tIi tIi tIi smc smb sma (2.2) )sin( 2 3 ) 3 2 cos() 3 2 sin() 3 2 cos() 3 2 sin(cossin θω piθpiωpiθpiωθω −=     +++−−+= tIk tItItIki smd smsmsmdd Tương tự cho iq và i0 )cos( 2 3 θω −−= tIki smqq (2.3) )( 3 1 0 cba iiii ++= (2.4) Ở điều kiện cân bằng cba iii ++ =0 do đĩ i0 = 0 Sự chuyển đổi các đại lượng pha abc sang các đại lượng dq0 cĩ thể được viết dưới dạng ma trận sau:                         +−−−− +−=           c b a q d i i i i i i )32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 2 1 2 1 2 1 3 20 piθpiθθ piθpiθθ (2.5) Và chuyển đổi ngược lại                         +−+ −−− − =           01)32sin()32cos( 1)32sin()32cos( 1sincos i i i i i i q d c b a piθpiθ piθpiθ θθ (2.6) 8 2.1.2. Mơ tả máy phát trong hệ đơn vị tương đối 2.1.3. Phân tích mơ hình máy phát ở trạng thái ổn định 2.1.4. Phương trình chuyển động quay Các phương trình chính của máy quay trong việc phân tích ổn định hệ thống hầu hết là các phương trình quán tính quay. Các phương trình này mơ tả ảnh hưởng do sự khơng cân bằng giữa mơ men điện và mơ men cơ của từng tổ máy. Phương trình gĩc quay thể hiện mối quan hệ giữa mơ men quay của trục rotor và mơ men gia tốc của nĩ, trong đĩ mơ men gia tốc quay được xác định chính bằng sai lệch giữa mơ men trục cơ và mơ men điện. Tốc độ quay của trục cơ sẽ ổn định ở giá trị hằng khi cĩ sự cân bằng giữa mơ men trục cơ và mơ men điện, tức là mơ men gia tốc bằng 0. Khi cĩ sự mất cân bằng giữa các thành phần mơ men tác động lên trục rotor máy phát thì sẽ tạo ra một mơ men gia tốc là: Ta = Tm - Te (2.71) Trong đĩ: Ta: Mơ men gia tốc Tm: Mơ men cơ Te: Mơ men điện Trong phương trình trên Tm và Te là dương. Khi đĩ phương trình chuyển động quay sẽ là: (2.72) Trong đĩ: J: Mơ men quán tính tổng hợp của máy phát và tuabin [kg.m2] mω : Vận tốc gĩc của rotor [rad/s] t: Thời gian [s] Phương trình trên cĩ thể chuẩn hĩa bằng quan hệ trong hệ đơn vị tương đối của hằng số quán tính H, được định nghĩa là động năng của ema m TTT dt dJ −==ω 9 máy quay ở tốc độ định mức trên giá trị định mức VAcb của máy điện. Gọi m0ω là vận tốc gĩc định mức, khi đĩ hằng số quán tính được viết như sau: cb m VA JH 2 0 2 1 ω = (2.73) Từ (2.73) ta viết lại biểu thức của mơ men quán tính J là cb m VAHJ 2 0 2 ω = Thay (2.74) vào phương trình (2.72) ta được em m cb m TT dt dVAH −=ω ω20 2 (2.75) Hay mcb em m m VA TT dt dH 00 / 2 ωω ω − =      (2.76) Lưu ý rằng Tcb = VAcb/ω0m. Khi đĩ phương trình chuyển động quay trong hệ đơn vị tương đối là: em r TT dt dH −=ω2 (2.77) Trong phương trình trên: 000 / / ω ω ω ω ω ω ω r f fr m m r p p === (2.78) Ở đây ωr là gĩc quay điện của rotor [rad/s], ω0 là giá trị định mức và pf là số đơi cực của máy phát. 10 Nếu δ là vị trí gĩc điện của rotor và 0δ là giá trị của nĩ tại thời điểm t=0 thì. 00 δωωδ +−= ttr (2.79) Lấy đạo hàm theo thời gian ta được rrdt d ωωω δ ∆=−= 0 (2.80) Và dt d dt d dt d rr )( 2 2 ωωδ ∆ == (2.81) dt d dt d rr )( 00 ω ω ω ω ∆ == 2 0 2 dt d dt d r ω δω =⇒ (2.82) Thay (2.82) vào (2.77) ta được em TTdt dH −=2 2 0 2 δ ω (2.83) Nếu kể đến thành phần mơ men cản điện từ tỷ lệ với tốc độ quay thì cần phải thêm vào phương trình (2.83) một thành phần tỷ lệ với độ lệch tốc độ. Do đĩ phương trình được viết lại như sau: rDem KTTdt dH ω δ ω ∆−−=2 2 0 2 (2.84) Trong đĩ: KD là hệ số cản hoặc hệ số mơ men/độ lệch tốc độ trong hệ đơn vị tương đối Từ phương trình (2.80) suy ra. 11 dt dr r δ ωω ω ω 00 1 = ∆ =∆ (2.85) Phương trình (2.84) chính là phương trình chuyển động của máy phát đồng bộ. Đây là phương trình chuyển động quay bởi vì nĩ mơ tả gĩc quay δ của rotor khi cĩ nhiễu. Thay (2.85) vào (2.84). Phương trình được viết lại dt dKTT dt dH D em δ ω δ ω 0 2 2 0 2 −−= (2.86) Nếu sử dụng các giá trị trong hệ đơn vị tương đối theo thời gian thì (2.86) trở thành: td dKTT td dH Dem δδ ω −−=2 2 02 (2.87) Trong khơng gian trạng thái địi hỏi mơ hình các thành phần phải được mơ tả bằng các phương trình vi phân bậc nhất. Do đĩ phương trình chuyển động quay (2.84) được biểu diễn bằng 2 phương trình vi phân bậc nhất như sau: )( 2 1 rDem r KTT Hdt d ω ω ∆−−=∆ (2.88) rdt d ωω δ ∆= 0 (2.89) Sơ đồ khối mơ tả phương trình (2.88), (2.89) như sau: Hình 2.3. Sơ đồ khối mơ tả phương trình chuyển động quay Σ mT DKHs +2 1 s 0ω rω∆ δ eT 12 2.1.5.Mơ hình máy phát nối với hệ thống trong nghiên cứu ổn định Trong nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống thì ta sẽ khơng sử dụng các phương trình mơ tả điện động của một máy phát độc vì nĩ chỉ cĩ ý nghĩa đối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một máy phát hoạt động độc lập. Do đĩ để phục vụ cho bài tốn đặt ra ta sẽ thực hiện mơ hình hĩa cho hệ máy phát được nối với hệ thống cĩ cơng suất rất lớn. Xét mơ hình hệ thống được mơ tả như hình 2.4 gồm một máy phát đồng bộ nối với hệ thống điện thơng qua đường dây truyền tải cĩ tổng trở Ze =Re +jXE. Bây giờ ta sẽ xem xét đặc tính của hệ thống dưới tác động của sự biến thiên từ thơng. Ảnh hưởng của cuộn dây cản dịu sẽ được bỏ qua và điện áp kích thích sẽ được giả thiết là khơng đổi. Hình 2.4. Mơ hình hệ thống cơng suất Trước tiên ta sẽ khai triển mơ hình khơng gian trạng thái của hệ thống bằng cách rút gọn các phương trình của máy phát về dạng thích hợp và sau đĩ kết hợp chúng với các phương trình lưới. Ta sẽ mơ tả thời gian là giây, gĩc là radian điện và tất cả các biến trong hệ đơn vị tương đối. 2.1.5.1. Các phương trình máy phát đồng bộ 2.1.5.2. Các phương trình lưới 2.1.6.Tuyến tính hĩa mơ hình hệ thống Từ các phương trình được tổng hợp như ở trên. Mơ hình hệ thống tuyến tính được mơ tả dưới dạng sơ đồ khối như hình 2.7 tU V EEeq jXRZ += G BU Infinite Bus 13 2.2. Mơ hình hố hệ thống kích từ 2.2.1. Mơ hình hĩa các thành phần của hệ thống kích từ 2.2.2. Tổng hợp mơ hình hệ thống kích từ Từ việc phân tích mơ hình các thành phần chi tiết, mơ hình cấu trúc của hệ thống kích từ hồn chỉnh được trình bày trên hình 2.14. Mơ hình hệ thống kích từ này theo tiêu chuẩn IEEE được kí hiệu là ST1A. Mơ hình máy kích từ loại ST1A mơ tả một hệ thống chỉnh lưu nguồn cĩ điều khiển và cơng suất kích từ được cung cấp thơng qua một máy biến áp từ điện áp đầu ra máy phát. Hình 2.14. Hệ thống kích từ loại ST1A 2.3. Tổng hợp mơ hình hệ thống
Các phương trình máy phát nối với hệ thống [ ]δψ ∆−∆ + =∆ 4 3 3 1 KE pT K fdfd fde KKT ψδ ∆+∆=∆ 21 Efd Ue VRmax VRmiA A sT K +1 RsT+1 1 ∑ ∑ F F sT sK +1 U3 U1 VREF U2 - + + - UR Ut 14 fdt KKU ψδ ∆+∆=∆ 65 r rDem r p KTT dt dH ωωδ ω ω ∆=∆ ∆−∆−∆∆ 0 )(2
Các phương trình mơ tả hệ thống kích từ ST1A )( 1 1 1 1 1 U sT KE U sT U A A fd t R ∆− + = ∆ + =∆ Từ các phương trình được tổng hợp như trên, mơ hình hệ thống được mơ tả dưới dạng sơ đồ khối như hình 2.15. Hình 2.15. Mơ hình hệ thống tuyến tính rút ra từ nhiễu loạn hệ thống 2.4. Các thơng số máy phát và hệ thống kích từ 2.5. Kết luận chương 2 δ∆ mT∆ s Rω ω∆ + fdE∆ RsT+1 1 DKHs +2 1 aT∆ Σ Σ K2 3 3 1 sT K + K1 A A sT K +1 K4 eT∆ Σ - + + - + Σ Σ K6 K5 + + - + fdψ∆ tU∆ 1U∆ refU Exiter Voltage transducer 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 được sử dụng 3.2. Xây dựng mơ hình mờ cho đối tượng Hiện nay cĩ hai quan điểm về mơ hình mờ thường được sử dụng. Đĩ là mơ hình mờ Mamdani và mơ hình mờ Sugeno. 3.2.1. Mơ hình mờ Mamdani Phương pháp suy diễn mờ của Mamdani được coi là phương pháp luận phổ biến nhất. Phương pháp này được Sbrahim Mamdani giới thiệu lần đầu vào năm 1975 dựa trên các tài liệu của Lofti Zadeh 1973 về các thuật tốn mờ. Từ đĩ đến nay, quá trình suy diễn mờ đã thay đổi tuy nhiên chúng vẫn giữ được các ý tưởng cơ bản nhất. Mơ hình mờ Mandani gồm ba thành phần: Sơ đồ khối của bộ điều khiển gồm cĩ 4 khối: khối mờ hĩa (fuzzifiers), khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (defuzzifiers). Ta cĩ thể biểu diễn mơ hình mờ Mamdani như hình 3.1. 3.2.1.1. Khâu mờ hĩa 3.2.1.2. Khâu thực hiện luật hợp thành 3.2.1.3. Khâu giải mờ 3.2.1.4. Tối ưu hố hệ thống 3.2.2. Mơ hình mờ Sugeno 16 Khối mờ hĩa (fuzzifiers) Khối hợp thành Giải mờ Khối luật mờ Đầu vào X Đầu ra y Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ 3.2.3. So sánh hai loại mơ hình - Mơ hình Sugeno + Hiệu quả tính tốn cao. + Thích hợp với các cơng nghệ tuyến tính (ví dụ bộ điều khiển PID). + Thích hợp với các kỹ thuật tối ưu và thích nghi. + Bảo đảm tính liên tục của mặt phẳng đầu ra. + Thích hợp với việc phân tích tốn học - Mơ hình Mamdani + Trực giác, dễ hiểu + Được thừa nhận rộng rãi + Gần gũi với đời sống 3.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ 3.3.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ Về nguyên tắc, hệ thống điều khiển mờ cũng khơng cĩ gì khác so với các hệ thống điều khiển tự động thơng thường khác. Sự khác biệt ở đây chính là bộ điều khiển mờ làm việc cĩ tư duy như "bộ não" dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng định làm việc với hệ thống điều khiển mờ do đĩ cũng cĩ thể được coi như là một hệ thống mạng neuron hay 17 đúng hơn là một hệ thống điều khiển được thiết kế mà khơng cần biết trước mơ hình của đối tượng. Bộ điều khiển mờ gồm cĩ các thành phần sau (hình 3.8) 3.3.2. Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 3.3.3. Các bước thực hiện khi xây dựng bộ điều khiển mờ Đối với bộ điều khiển mờ theo mơ hình Mamdani - Định nghĩa tất cả các biến ngơn ngữ vào ra - Định nghĩa tập mờ (giá trị ngơn ngữ) cho các biến vào/ra + Xác định miền giá trị vật lý cho các biến ngơn ngữ vào/ra + Xác định số lượng tập mờ cần thiết + Xác định kiểu hàm liên thuộc + Rời rạc hố các tập mờ - Xây dựng các luật điều khiển (các mệnh đề hợp thành) Hình 3.8. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản Bộ điều khiển Đối tượng điều khiển Thiết bi đo lường x e u y Giao diện đầu vào Thiết bị hợp e µ B' Giao diện đầu ra Luật điều khiển u - 18 - Chọn thiết bị hợp thành mờ (max-Min hay sum-Min,...) - Chọn phương pháp giải mờ - Tối ưu hệ thống Đối với bộ điều khiển mờ theo mơ hình Sugeno: - Định nghĩa tất cả các biến ngơn ngữ vào ra. - Định nghĩa tập mờ (giá trị ngơn ngữ) cho các biến vào/ra. + Xác định miền giá trị vật lý cho các biến ngơn ngữ vào/ra + Xác định số lượng tập mờ cần thiết + Xác định kiểu hàm liên thuộc + Rời rạc hố các tập mờ - Xây dựng các luật điều khiển, cĩ nghĩa là chọn các hệ số ci (i = 1,2,3,...,n) cho từng luật Nếu ..... thì của bộ điều khiển 3.4. Ứng dụng Logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ 3.4.1. Xác định các biến vào ra Bộ điều khiển mờ được sử dụng để điều chỉnh điện áp máy phát, theo kinh nghiệm thì bộ mờ gồm cĩ hai đầu vào và một đầu ra hình 3.9 .- Đầu vào thứ 1 là sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực của hệ thống, đại lượng này được ký hiệu là E. - Đầu vào thứ 2 là đạo hàm độ sai lệch đại lượng này được ký hiệu là DE - Đầu ra là điện áp vào bộ chuyển đổi điện áp, đại lượng này được ký hiệu là U 3.4.2. Xác định tập mờ 3.4.2.1. Miền giá trị vật lý của các biến ngơn ngữ vào/ra Xác định được các miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào và ra: + Sai lệch E được chọn trong miền giá trị [-0.1,0.1] 19 + Đạo hàm DE được chọn trong miền giá trị [-0.5,0.5] + Đầu ra U cĩ miền giá trị nằm trong khoảng [-1,1] Hình 3.9. Các biến vào ra bộ điều khiển mờ 3.4.2.2. Giá trị tập mờ Xác định số lượng tập mờ (các giá trị ngơn ngữ) cần thiết cho các biến: Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngơn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lượng ít hơn 3 thì quá thơ và ít cĩ ý nghĩa vì khơng thực hiện được việc lấy vi phân. Nếu lớn hơn 10 thì quá mịn con người khĩ cĩ khả năng cảm nhận quá chi ly, bao quát hết các trường hợp xảy ra và ảnh hưởng đến bộ nhớ, tốc độ tính tốn. Vì vậy, chọn số lượng tập mờ cho biến đầu vào E là 7, DE là 3 và biến đầu ra là 7, cụ thể như sau: + E ∈ {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}. + U∈ {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}. + DE ∈ {NL, ZE, PL}. Trong đĩ 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 định hàm liên thuộc Hàm liên thuộc là vấn đề cực kỳ quan trọng và rất khĩ nĩi chính xác. Nhưng trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác hoặc hình thang. Các loại này cĩ biểu thức đơn giản, tính tốn dễ dàng, tuy nhiên các hàm liên thuộc này chỉ gồm các đoạn thẳng nên khơng mềm mại ở các điểm gãy. 3.5. Xây dựng các luật điều khiển Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra cĩ được, kinh nghiệm, và dựa vào đặc tính quá độ thường gặp của hệ thống điều khiển dùng PID (Hình 3.13) Hình 3.10. Xác định tập mờ cho biến vào E 21 3.6. Tối ưu hố hệ thống 3.7. Kết luận chương 3 Hình 3.11. Xác định tập mờ cho biến vào DE Hình 3.12. Xác định tập mờ cho biến ra U Hình 3.13. Xây dựng các luật điều khiển 22 Chương 4 : MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 4.1. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID 4.2. Xây dựng bộ điều khiển PID ổn định điện áp máy phát 4.3. Sơ đồ mơ phỏng với bộ điều khiển PID 4.3.1. Sơ đồ cấu trúc của máy phát điện đồng bộ 4.3.2. Bộ kích từ 4.3.3. Bộ cảm biến điện áp 4.4. Sơ đồ mơ phỏng với bộ điều khiển Mờ 4.5. Thơng số và các kết quả mơ phỏng Hình 4.3. Sơ đồ mơ phỏng với bộ PID Hình 4.7. Sơ đồ mơ phỏng với bộ điều khiển mờ 23 4.5.1.Các thơng số mơ phỏng 4.5.2.Kết quả mơ phỏng với bộ điều khiển PID 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thoi gian(s) Di e n ap da u cu c m a y ph at (U t) Duong dac tinh dien ap ung voi bo dieu khien PID PID 4.5.3. Tín hiệu sai lệch 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thoi gian(s) Ti n hi eu sa i l ec h Tin hieu sai lech voi bo dieu khien PID PID Hình 4.8.Đặc tính điện áp đầu cực máy phát với bộ điều PID Hình 4.9. Tín hiệu sai lệch với bộ điều khiển PID 24 4.5.4.Kết quả mơ phỏng với bộ điều khiển Mờ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thoi gian(s) Di en ap da u cu c m ay ph at (U t) Duong dac tinh dien ap ung voi bo dieu khien Mo Fuzzy 4.5.5. Tín hiệu sai lệch 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Thoi gian(s) Ti n hi e u sa i l ec h Tin hieu sai lech voi bo dieu khien Mo Fuzzy Hình 4.10.Đặc tính điện áp đầu cực máy phát với bộ điều Mờ Hình 4.11. Tín hiệu sai lệch với bộ điều khiển Mờ 25 4.6. Kết luận chương 4 Với kết quả mơ phỏng ở trên ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển mờ như đã thiết kế thì chất lượng điện điện áp của máy phát điện luơn ổn định Kết quả mơ phỏng thu được hồn tồn phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết, điều này chứng tỏ rằng thuật tốn và cách thức xây dựng bộ điều khiển mờ là đúng đắn và chính xác. Sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ. Kết quả mơ phỏng một lần nữa đã minh chứng và khẳng định rằng lý thuyết điều khiển mờ hồn tồn cĩ thể đảm ứng được yêu cầu chất lượng điều khiển của hệ truyền động KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp:“Ứng dụng Logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ” tơi đã đạt được một số kết quả sau: Mơ hình hĩa được hệ thống gồm máy phát được nối với hệ thống . Nghiên cứu hệ thống kích từ Sử dụng bộ điều khiển kinh điển để điều khiển ổn định điện áp đầu cực máy phát điện đồng bộ. Nghiên cứu và ứng dụng Logic mờ trong ổn định điện áp Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink Với kết quả trên, cho thấy mơ hình thiết kế đảm bảo tốt các yêu cầu về chức năng điều khiển. Khi sử dụng bộ điều khiển PID ta thấy 26 cho đáp ứng kết quả tốt, việc sử dụng bộ điều khiển mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ cũng cho được kết quả tương tự. Đây là cơ sở quan trọng để cĩ thể tiến hành thử nghiệm với mơ hình trong thực tế. Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu cĩ hạn, luận văn này chỉ mới giải quyết được các vấn đề trên cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động ổn định điện áp. Mơ hình mơ phỏng hoạt động cho kết quả tốt. Một trong những hạn chế nữa là trong luận văn này chỉ xét cho hệ thống gồm một máy phát độc lập nối lưới và sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Mờ độc lập với nhau, nhưng trong thực tế, các máy phát trong một nhà máy luơn hoạt động song song với nhau và việc kết hợp bộ điều khiển truyền thống và bộ điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống. Do đĩ để cĩ thể sử dụng các bộ điều khiển này vào thực tiễn thì ta cần phải xem xét đến trường hợp này, và đây cũng là một hướng phát triển tiếp theo của đề tài