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 l
ực, 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

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

c
dU
xx
dt
==

;
71
t
dU
xx
dt
==

;
2
87
2
t
dU
xx
dt
==

.
ec
T
wc
T
wp

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 số Tr
ị
số Tham số Tr
ị
số
T
wc
9
,
15
[
s
]
f
p1
0
,
0475
[p
u
]
T
w

u
]
T
g
0
,
5
[
s
]
nl
U

0
,
13
[p
u
]
z
p
3
,
95 T 225
[
s
]
C
s
140

() ()
()
7
31 0 6 7
02 233
w
2
5
1
41
2
5
1
5
2
3
31 0 6 7 2 36
4
5
8
6
2
7
8
1
.12
1
.
().
().

T
x
xx fCxx fCxx
x
TC
x
x
x
x
T
x
η
π
−− −
−−
−−+ −
⎛⎞
⎜⎟
−
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎡⎤
−−−−+
⎣⎦
⎜⎟
=
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟

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

(1)
2
2. .
p
wc
fxx
fx x x
T
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟

=
⎩


()
G
uu
=
(2)
Trong đó:
1
.
s
Cs
0
f
1
p
f
2p
f
Π
Σ
Q
H
Π
t
A
Σ
G

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

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

uuu
yygxu
⎧
=−
⎪
=−
⎨
⎪
=−
⎩



;
*
1
*
*
n
x
x
x
⎛⎞
⎜⎟
=
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
#
và

∂
=
⎜⎟
∂
⎝⎠
(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∈ \

I
, T
D
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


R
, K
D
, 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


K
R
, K
D
0
µ
1
S B

S
M
S
M P
1 2 3 4 5 6
α

µ
Luật chỉnh định K
R:

de(t)/dt NB

NM NS ZE PS PM PB

NB B B B B B B B


)
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
Hình 8. Cấu trúc khối PID-FC

Hình 9. Cấu trúc khối FC

H
ình 7. Mô hình xâ
y
dựn
g
tron

Khi thay đổi các tham số của hệ thống, cụ thể trong trường hợp này là tham số
Twp, Tep; đáp ứng tốc độ của mô hình PID-FC gần như không đổi, trong khi đó đáp
ứng tốc độ của mô hình PID bị thay đổi rất nhiều. Ứng với sự thay đổi này, đáp ứng tốc
độ đối với mô hình PID là dao động nhiều, thời gian quá độ rất lớn (hình 11) và thậm
chí mất ổn định (hình 13). Lý do là khi có sự thay đổi thông số khi mô hình hóa hoặc
trong khi vận hành, làm dịch chuyển điểm làm việc xác lập mà các thông số PID không
thay đổi trong trường hợp này dẫn đến dao động hoặc mất ổn định. Còn đối với mô hình
PID-FC nhờ sự chỉnh định mờ thông số PID mà thích nghi được với sự thay đổi này,
giúp cho bộ điều khiển bền vững trong các điều kiện trên.
4. Kết luận
Bài báo đã giới thiệu mô hình hóa một nhà máy thủy điện với sự tham gia đầy
đủ các phần tử thủy lực, máy điện. Trên cơ sở mô mình đó, áp dụng kỹ thuật điều khiển
mờ để chỉnh định các tham số PID cho bộ điều tốc nhà máy thủy điện. Với những ưu
điểm của điều khiển mờ, phương pháp điều khiển trên đã khắc phục được điểm yếu của
điều khiển PID kinh điển-đó là khả năng bền vững trước sự thay đổi của các tham số
của hệ thống trong quá trình mô hình hóa cũng như trong quá trình vận hành. Kết quả
mô phỏng cũng cho thấy chất lượng điều khiển khá tốt trước nhiễu tải, nhiễu đo lường
và nhiễu hệ thống. Đây là một hướng nghiên cứu mới triển vọng và có khả năng ứng
dụng vào thực tiễn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt

[1] Nguyễn Doãn Phước , Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội, 2007.
[2] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội, 2007.
[3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB khoa học và
kỹ thuật, Hà Nội, 2002.
Hình 14. Đáp ứng tốc độ theo tải và nhiễu
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010