Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh gió tuabin trục đứng

1. Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác.
Để chuyển động năng của gió thành điện năng người ta dùng máy phát điện sử dụng tuabin gió. Trên thế giới hiện nay đang dùng 2 hệ thống máy phát sử dụng tuabin gió đó là máy phát sử dụng tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng. Hệ thống sử dụng tuabin gió trục ngang là hệ thống phát triển đầu tiên trên thế giới, hệ thống này đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như Đức, Mỹ, Tây Ban Nha .về cơ bản thì hệ thống đã hoàn thiện cả về cấu tạo, kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển. Tuy nhiên hệ thống này cũng có một số nhược điểm đó là cấu tạo, kết cấu rất cồng kềnh; cánh quạt lắp cố định với trục quay nên không điều khiển được công suất phát điện cho tải, nếu muốn ổn định công suất cho tải cần phải dùng nhiều hệ thống máy phát điện đặt ở nhiều nơi khác nhau nối ghép với nhau để bù công suất khi cường độ gió thay đổi .
Hệ thống sử dụng tuabin gió trục đứng đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay do hệ thống này khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trục ngang như là kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất cho tải một cách độc lập; điều khiển góc mở của cánh gió theo hướng gió và theo cường độ gió. Như ta đã biết nhược điểm lớn nhất của tuabin gió trục đứng là khi quay nếu các cánh gió đều mở thì một bên có tác dụng hứng gió làm tuabin quay, bên còn lại cản gió làm giảm tốc độ quay của tuabin. Một số nghiên cứu gần đây khắc phục nhược điểm đó băng cách điều khiển góc mở cánh gió thông qua việc thiết kế hình dáng động học của cánh gió hoặc dùng phương pháp che gió không cho tác động vào cánh gió ở nửa cản gió của
tuabin đối với loại có công suất nhỏ hoặc sử dụng một số cách điều khiển cơ khí như sử dụng kết cấu cam đối với loại có công suất lớn mà chưa quan tâm đến điều khiển góc mở của cánh sử dụng các bộ điều khiển bằng điện kết hợp với kết cấu cơ khí để điều khiển công suất cho tải khi hướng gió cũng như cường độ gió thay đổi. Để phát huy các ưu điểm của hệ thống tuabin gió trục đứng là điều khiển được công suất cho tải phù hợp với cường độ gió ta phải có sự kết hợp giữa điều khiển điện và cơ. Đó chính là lĩnh vực nghiên cứu của cơ điện tử và cũng là hướng mà đề tài cần nghiên cứu.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc CNH-HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa đào tạo Sau Đại học và PGS.TS Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh gió tuabin trục đứng”.
2. Mục đích của đề tài

Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch ở hiện tại và trong tương lai. Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải có các thiết bị chuyển đổi với các bộ điều khiển hợp lý.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ điều khiển mờ thích nghi và ứng dụng chúng để điều khiển cách gió của tuabin trục đứng nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và ổn định tốc độ quay của tuabin.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống cánh gió của tuabin trục đứng.

- Khảo sát các thông số của mô hình tuabin trục đứng.

- Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển.

- Thiết kế hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở logic mờ thích nghi để điều khiển cánh gió của tuabin trục đứng.

- Mô hình hoá và mô phỏng để kiệm nghiệm kết quả nghiên cứu.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

Đây là một hướng nghiên cứu mới có rất nhiều người đang quan tâm, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào hoàn chỉnh về vấn đề này.
- Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài đưa ra một phương án điều khiển mới, nâng cao chất lượng điều khiển, dễ dàng trong thiết kế và điều chỉnh hệ thống đồng thời tạo cơ hội cho hướng phát triển mới trong việc sử dụng nguồn năng lượng sạch cho hiện tại và trong tương lai.
5. Cấu trúc của luận văn

Luận án gồm 4 chương, 111 trang, 28 tài liệu tham khảo, 82 hình vẽ và đồ
thị.

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

CHưƠNG MỞ ĐẦU 11

1. Lý do chọn đề tài 11

2. Mục đích của đề tài 12

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 13

5. Cấu trúc của luận văn 13

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LưỢNG GIÓ VÀ MÁY
PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 14

1.1 ĐÔI NÉT VỀ LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CỦA

MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 14

1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió 14

1.1.2 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió 17

1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện 17

1.2 NĂNG LưỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LưỢNG

GIÓ – TUABIN GIÓ 19

1.2.1 Tuabin gió 19

1.2.2 Máy phát điện trong tuabin gió 22

1.2.3 Gió và năng lượng trong gió 23

1.3 KẾT LUẬN CHưƠNG 1 26

Chương 2: KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUABIN GIÓ VÀ PHưƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁNH GIÓ CỦA TUABIN TRỤC
ĐỨNG 28

2.1 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC TUABIN GIÓ 28

2.1.1 Động lực học cánh gió tuabin 28

2.1.2 Động lực học của rotor 30

2.2 PHưƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁNH GIÓ CỦA TUABIN

TRỤC ĐỨNG 32

2.2.1 Lý luận chung 32

2.2.2 Phương pháp xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió

trục đứng 35

2.3 KẾT LUẬN CHưƠNG 2 38

Chương 3: TỔNG QUAN CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 39

3.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 39

3.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 39

3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến 39

3.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 41

3.2.1 Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ 41

3.2.2 Định nghĩa tập mờ 41

3.2.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ 43

3.2.4 Suy luận mờ và luật hợp thành 44

3.2.5 Bộ điều khiển mờ 47

3.2.6. Hệ điều khiển mờ lai (F-PID) 49

3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 51

3.3.1 Giới thiệu tổng quan 51

3.3.2. Tổng hợp điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ưu
cục bộ (Phương pháp Gradient) 54

3.3.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở ổn định

tuyệt đối 59

3.3.4. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết

Lyapunov 61

3.3.5 Điều khiển mờ thích nghi 65

3.3.6 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch 66

3.4 KẾT LUẬN CHưƠNG 3 66

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH GIÓ
CỦA TUABIN TRỤC ĐỨNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ 68

4.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG 68

4.1.1 GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG 69

4.1.2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG SỬ DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN

KINH ĐIỂN 69

4.1.2.1 Tổng hợp hệ thống dùng bộ điều khiển PID kinh điển 69
điển

4.1.2.2 Tổng hợp hệ thống dùng bộ điều khiển thích nghi kinh 71


4.2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

THÍCH NGHI 73

4.2.1 KHÁI NIỆM 73

4.2.1.1 Định nghĩa 73

4.2.1.2 Phân loại 74

4.2.1.3 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ 74

4.2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ỔN ĐỊNH 76

4.2.2.1 Cơ sở lý thuyết 76

4.2.2.2 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi 82

4.2.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍCH NGHI KINH ĐIỂN 86

4.2.3.1 Đặt vấn đề 86

4.2.3.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ 88

4.2.4 XÂY DỰNG CƠ CẤU THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH

MẪU CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 94

4.2.4.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)

dùng lý thuyết thích nghi kinh điển 94

4.2.4.2 Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu ra bộ điều

khiển mờ 96

4.2.4.3 Sơ đồ điều khiển thích nghi mờ theo mô hình mẫu

(MRAFC) 97

4.2.4.4 Sơ đồ điều khiển thích nghi mờ kiểu truyền thẳng (FMRAFC) 98

4.2.5 THIẾT KẾ KHỐI MỜ CƠ BẢN 99

4.2.5.1 Sơ đồ khối mờ 99

4.2.5.2 Định nghĩa tập mờ 99

4.2.5.3 Xây dựng các luật điều khiển “Nếu Thì” 101

4.2.5.4 Chọn luật hợp thành 103

4.2.5.5 Giải mờ 104

4.2.6 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 104

KÊT LUÂN VA KIÊN NGHI 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110


DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ


Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19

Hình 1.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13

Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm

1800

Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo

Hình 1.5 Máy phát Gedser, công suất 200kW

Hình 1.6 H- rotor

Hình 1.7 Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Hình 1.8 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và

lưới

Hình 1.9 Tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng MFKĐBNK

Hình 1.10 Biến thiên của tốc độ gió và năng lượng gió theo thời gian

Hình 1.11 Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và 

Hình 1.12 Hàm xác suất phân bố cho Rayleigh với tốc độ gió trung bình 7 m/s Hình 1.13 Đương cong công suất của tuabin gió 50kW điều khiển theo tốc độ gió Hình 2.1 Đường cong biểu diễn Kp
Hình 2.2 Các lực tác dụng lên cánh gió

Hình 2.3 Tác động của gió lên các cánh

Hình 2.4 Mô hình tuabin gió trục đứng 5 cánh

Hình 2.5 Phân tích động lực học cánh gió

Bảng 2.1 Góc cánh điều khiển ở các vị trí khác nhau

Hình 2.6 Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị trí khác nhau

Hình 3.1 Một số dạng hàm liên thuộc

Hình 3.2 a) Hợp hai tập mờ b) Giao hai tập mờ c) Phép bù
Hình 3.3 Mô tả hàm liên thuộc của mệnh đề điều kiện

Hình 3.4 Mô tả hàm liên thuộc của mệnh đề kết luận Hình 3.5 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ Hình 3.6 Ví dụ về cách xác định miền G
Hình 3.7 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

Hình 3.8 Giải mờ theo phương pháp điểm trung bình tâm

Hình 3.9 Bộ điều khiển mờ động

Hình 3.10 a) Nguyên lý điều khiển mờ lai

b) Vùng tác động của các bộ điều khiển Hình 3.11 Vùng tác động của các bộ điều khiển. Hình 3.12 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thích nghi Hình 3.13 Điều chỉnh hệ số khuếch đại
Hình 3.14 Điều khiển theo mô hình mẫu
Hình 3.15 Điều khiển tự chỉnh
Hình 3.16 Cấu trúc mô hình mẫu song song
Hình 3.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình
Hình 3.18 Phương pháp thích nghi thông số
Hình 3.19 Phương pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung Up2
Hình 3.20 Minh hoạ phương pháp Lyapunov với việc khảo sát tính ổn định.
Hình 3.21 Sơ đồ khối hệ MRAS dựa trên lý thuyết Lyapunov cho đối tượng bậc nhất
Hình 3.22 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Hình 3.23 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
Hình 4.2 Cấu trúc khối điều khiển cánh gió
Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí góc cánh
Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng PID Hình 4.5 Kết quả mô phỏng với tốc độ gió V=V0
Hình 4.6 Kết quả mô phỏng với tốc độ gió V thay đổi
Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng bộ ĐK thích nghi theo mô hình truyền thẳng
Hình 4.8 Sơ đồ khối thích nghi kinh điển dựa trên lý thuyết Lyapunov
Hình 4.9 Kết quả mô phỏng với giá trị đặt không đổi
Hình 4.10 Kết quả mô phỏng với giá trị đặt thay đổi
Hình 4.11 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp. Hình 4.12 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp. Hình 4.13 Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi.
Hình 4.14 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi. Hình 4.15 Hàm liên thuộc với 7 tập mờ.
Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán tổng hợp hàm mờ cơ sở ξ(e). Hình 4.17 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ 2 đầu vào. Hình 4.18 Định nghĩa hàm thuộc cho các biến vào - ra. Hình 4.19 Luật hợp thành tuyến tính.
Bảng 4.1 Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính. Hình 4.20 Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính. Hình 4.21 Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành.
Hình 4.22 Kết quả của phép lấy Max-Min trong ô suy luận. Hình 4.23 Các vùng trong ô suy luận.
Hình 4.24 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K. Hình 4.25 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra. Hình 4.26 Cấu trúc hệ FMRAFC.
Hình4.27 Sơ đồ khối mờ cơ bản

Hình 4.28 Các luật hợp thành.

Hình 4.29 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ.

Hình 4.30 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển cánh gió tuabin với bộ điều khiển mờ thích nghi.
Hình 4.31 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ thích nghi.

Hình 4.32 Sự thay đổi của hệ số khuếch đại đầu ra K theo luật Lyapunov.

Hình 4.33 Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển thích nghi kinh điển

Hình 4.34 Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ thích nghi

Hình 4.35 Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển thích nghi kinh điển và mờ

thích nghi