Λέντης Στέργιος ΑΕΜ:6680. Επιβλέπων: Μαδεμλής Χρήστος, Επίκουρος Καθηγητής

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΗΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗ ΑΣΑΦΟΥΣ ΛΟΓΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΒΕΛΤΙΣΤΟ ΕΛΕΓΧΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΚΤΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΕΔΗΣΗΣ ΜΕ ΥΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕΣ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΜΗΧΑΝΟΚΙΝΗΤΟΥΣ ΑΝΕΛΚΥΣΤΗΡΕΣ Λέντης Στέργιος ΑΕΜ:6680 Επιβλέπων: Μαδεμλής Χρήστος, Επίκουρος Καθηγητής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΝΙΟΣ 2014

2 1

3 Αφιερώνεται στη μνήμη του πατέρα μου Ευχαριστίες Καταρχήν, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής κ. Χρήστο Μαδεμλή, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου, στην ανάθεση της παρούσας διπλωματικής. Επίσης, ευχαριστώ θερμά τον συνεπιβλέπων και υποψήφιο διδάκτορα του τμήματος Νικόλαο Ζαμπούρ, για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγησή του, καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής. Ακόμη, οφείλω να ευχαριστήσω τους επίσης υποψήφιους διδάκτορες, Αθανάσιο Μεσεμανώλη και Νεκτάριο Καρακάση, για τις συμβουλές τους σε οτιδήποτε χρειάστηκα. Για το τέλος άφησα τους δυο σημαντικότερους ανθρώπους της ζωής μου, την μητέρα μου Βάγια και τον αδερφό μου Κώστα, οι οποίοι δεν σταμάτησαν ποτέ να πιστεύουν σε μένα και να με στηρίζουν, σε οτιδήποτε έκανα. 2

4 3

5 Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική, σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε ένα σύστημα μεταβλητής ταχύτητας ανελκυστήρα, με τη χρήση ελεγκτή ασαφούς λογικής. Στόχος της μελέτης είναι η βελτιστοποίηση ενός συστήματος ανάκτησης ενέργειας με υπερπυκνωτές, μέσω ρύθμισης της ταχύτητας του θαλάμου, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του ανελκυστήρα. Το σύστημα αυτό, αποθηκεύει όσο το δυνατόν μεγαλύτερο ποσό της ενέργειας που παράγεται κατά την πέδηση της ηλεκτρικής μηχανής του ανελκυστήρα και αποδίδει ξανά στο σύστημα την ενέργεια αυτή, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η κατανάλωση από το δίκτυο. Έχει εφαρμογή σε ηλεκτρικές μηχανές μονίμου μαγνήτη, αλλά και σε επαγωγικές, οι οποίες τροφοδοτούνται από αντιστροφέα ισχύος. Το σύστημα αυτό μπορεί να τοποθετηθεί σε καινούριες, αλλά και σε ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις ανελκυστήρων. Η διπλωματική αποτελείται από εφτά μέρη: Το πρώτο μέρος αποτελεί μια σύντομη εισαγωγή για το αντικείμενο της διπλωματικής και τους λόγους οι οποίοι οδήγησαν στην μελέτη συστημάτων εξοικονόμησης ενέργειας. Στο δεύτερο μέρος, γίνεται μια γενική θεωρητική περιγραφή της αρχής λειτουργίας ανελκυστήρων διαφόρων τεχνολογιών, με έμφαση να δίνεται στους μηχανικούς ανελκυστήρες. Αναλύονται η κίνηση και τα βασικά μεγέθη (πχ αντίβαρο) ενός μηχανικού ανελκυστήρα, ώστε να γίνει κατανοητή η ενεργειακή του συμπεριφορά και η ροή της ισχύος. Στο τρίτο μέρος, περιγράφονται τα συστήματα οδήγησης gearless ηλεκτρικών μηχανών, παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της κάθε τεχνολογίας, ως προς την εκμετάλλευση της ισχύος πέδησης. Στο μέρος αυτό, παρουσιάζονται επίσης και οι διατάξεις στις οποίες μπορεί να γίνει η αποθήκευση της ισχύος πέδησης. Το τέταρτο μέρος της διπλωματικής, αποτελεί μια εισαγωγή στις θεωρητικές έννοιες και τις βασικές αρχές της ασαφούς λογικής, πάνω στην οποία στηρίχτηκε ο σχεδιασμός του ασαφούς ελεγκτή. Παρουσιάζονται έννοιες όπως το ασαφές σύνολο, η συνάρτηση συμμετοχής και οι ασαφείς κανόνες, απαραίτητες για τον σχεδιασμό και την κατανόηση της λειτουργίας του ασαφούς ελεγκτή. Στο πέμπτο μέρος γίνεται η παρουσίαση και η θεωρητική ανάλυση της συνολικής διάταξης, η οποία σχεδιάστηκε στο Matlab/Simulink. Στο έκτο μέρος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, συγκριτικά με ένα σύστημα σταθερής ταχύτητας ανελκυστήρα με τα ίδια χαρακτηριστικά, ώστε να φανεί το πιθανό κέρδος του νέου ελέγχου που εφαρμόστηκε στο σύστημα. Στο έβδομο και τελευταίο μέρος, θα γίνει ο γενικός σχολιασμός των συμπερασμάτων που βγήκαν από τις προσομοιώσεις, ώστε να αξιολογηθεί το σύστημα ελέγχου που σχεδιάστηκε. 4

6 5

7 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Βασικές αρχές λειτουργίας ανελκυστήρων Τεχνολογίες-Τύποι ανελκυστήρων Υδραυλικοί ανελκυστήρες Μηχανικοί ανελκυστήρες Βασικά μεγέθη και ανάλυση κίνησης μηχανικού ανελκυστήρα Βασικά μεγέθη που επηρεάζουν την ενεργειακή συμπεριφορά του ανελκυστήρα Ροή ισχύος σε σύστημα μηχανικού ανελκυστήρα Δυνατότητες ανάκτησης ενέργειας σε μηχανικό ανελκυστήρα και μέσα αποθήκευσης της Διατάξεις οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών σε μηχανικό ανελκυστήρα Συμβατικό σύστημα οδήγησης με αντιστροφέα Σύστημα οδήγησης με μετατροπέα ανάκτησης ισχύος (regenerative motor drive) Σύστημα οδήγησης με χρήση αμφίδρομου μετατροπέα συνεχούς ρεύματος (KERS) Ο αμφίδρομος μετατροπέας συνεχούς ρεύματος Διατάξεις αποθήκευσης της ανακτώμενης ενέργειας Αποθήκευση της ανακτώμενης ενέργειας σε μπαταρίες Αποθήκευση της ανακτώμενης ενέργειας σε υπερπυκνωτές Σύγκριση μπαταριών και υπερπυκνωτών Βασικές αρχές της ασαφούς λογικής Εισαγωγή Θεωρητική ανάλυση ασαφούς λογικής Ασαφές σύνολο, λεκτικές μεταβλητές και συνάρτηση συμμετοχής Βασικές ιδιότητες και πράξεις ασαφών συνόλων Οι ασαφείς λεκτικοί κανόνες (fuzzy linguistic rules) Βασική δομή του ασαφούς ελεγκτή (fuzzy controller) Μοντέλο προσομοίωσης στο Matlab/Simulink Κατασκευαστικά στοιχεία εγκατάστασης Χαρακτηριστικά κτηρίου και ανελκυστήρα Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά κινητήρα Η διάταξη στο Simulink Πλήρες μοντέλο της διάταξης Μοντέλο προσομοίωσης της διάταξης KERS

8 Ο ελεγκτής του αμφίδρομου μετατροπέα (Controller) Η συστοιχία των υπερπυκνωτών (Co Ca ) Η αντίσταση πέδησης και ο πυκνωτής εξομάλυνσης (breaking chopper) Το μοντέλο του ασαφούς ελεγκτή (Fuzzy Logic Controller) Η δομή του ασαφούς ελεγκτή (Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer) Το υποσύστημα weight input of fuzzy Το υποσύστημα Speed_profile Αποτελέσματα προσομοίωσης Απόσταση μετακίνησης μεγάλη Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μεγάλο (80% του ονομαστικού) Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μέτριο (50% του ονομαστικού) Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μικρό (20% του ονομαστικού) Απόσταση μετακίνησης μέτρια Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μεγάλο (80% του ονομαστικού) Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μέτριο (50% του ονομαστικού) Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μικρό (20% του ονομαστικού) Απόσταση μετακίνησης μικρή Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μεγάλο (80% του ονομαστικού) Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μέτριο (50% του ονομαστικού) Φορτίο άξονα ηλεκτρικής μηχανής μικρό (20% του ονομαστικού) Απόσταση μετακίνησης πολύ μικρή Αρχικό επίπεδο φόρτισης υπερπυκνωτών μικρό Αποτελέσματα κινητήρα με μικρότερες ωμικές απώλειες (Rs=1Ω) Απόσταση μετακίνησης μεγάλη Απόσταση μετακίνησης μέτρια Απόσταση μετακίνησης μικρή Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Ιστοσελίδες

9 1. Εισαγωγή Η έξαρση της βιομηχανίας και της ανοικοδόμησης, συνέβαλε και στην ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη των ανελκυστήρων, καθώς οι ανάγκες για μεταφορά ανθρώπων ή φορτίων σε υψηλότερα σημεία ολοένα και αυξάνονταν. Πρωταρχικά όμως, η εξοικονόμηση της ενέργειας δεν ήταν ποτέ το κυρίαρχο ζητούμενο. Παράγοντες όπως η ασφάλεια, η άνεση και η αξιοπιστία αποτελούσαν τις βασικές προτεραιότητες για την σχεδίαση ανελκυστήρων, καθιστώντας την εγκατάσταση ενεργοβόρα και μη αποδοτική. Μάλιστα, σύμφωνα με διεθνείς μελέτες, η κατανάλωση ενέργειας των ανελκυστήρων ανέρχεται σε 3-8% της συνολικής κατανάλωσης ενός κτιρίου. Στις μέρες μας όμως, η ανάγκη προστασίας του περιβάλλοντος, λόγω εκπομπών μεγάλων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, είναι επιβεβλημένη. Επίσης η έλλειψη πόρων για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, οδηγεί σε αύξηση της τιμής της. Για τον λόγο αυτό, το ενδιαφέρον των κατασκευαστών ανελκυστήρων έχει στραφεί στην αναζήτηση τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας, ώστε να επιτευχθεί αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των συστημάτων τους. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται και προστασία του περιβάλλοντος, αλλά και εξοικονόμηση χρημάτων από τον λογαριασμό του ηλεκτρικού ρεύματος. Έτσι, η πρώτη σκέψη για την βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης του ανελκυστήρα, ήταν η εκμετάλλευση της ενέργειας που παράγεται κατά την πέδηση της ηλεκτρικής μηχανής του. Προς τον σκοπό αυτό, αναπτύχθηκαν διάφορες τεχνικές οδήγησης των ηλεκτρικών μηχανών, με συστήματα αποθήκευσης και ανάκτησης ενέργειας (Regenerative Drives). Στην παρούσα διπλωματική, σχεδιάστηκε ένα σύστημα οδήγησης της ηλεκτρικής μηχανής του ανελκυστήρα, το οποίο μέσω ενός ασαφούς ελεγκτή, αυτοπροσαρμόζει το προφίλ κίνησης του θαλάμου του ανελκυστήρα, με στόχο την βέλτιστη ενεργειακή απόδοση σε κάθε μετακίνηση. Αυτό επιτυγχάνεται σε συνδυασμό με μία διάταξη αποθήκευσης ενέργειας με συστοιχίες υπερπυκνωτών, στους οποίους αποθηκεύεται παροδικά η παραγόμενη ενέργεια πέδησης. Οι παράγοντες που καθορίζουν αυτή τη βέλτιστη επιλογή κίνησης, είναι η απόσταση και κατεύθυνση μετακίνησης, το αρχικό επίπεδο φόρτισης των υπερπυκνωτών και το βάρος του φορτίου το οποίο καλείται να μεταφέρει ο θάλαμος. Το βασικότερο τμήμα της μελέτης ήταν ο σχεδιασμός του ασαφούς ελεγκτή, καθώς μέσω αυτού επιτυγχάνονται και τα βέλτιστα αποτελέσματα. Ο σωστός σχεδιασμός του, απαιτεί πολύ καλή γνώση και εμπειρία της διαδικασίας και της λειτουργίας του συνολικού συστήματος που υπόκεινται σε έλεγχο. Σήμερα, οι τεχνολογικές εφαρμογές ελεγκτών ασαφούς λογικής είναι πολυάριθμες, ιδιαίτερα στον τομέα του αυτόματου ελέγχου και της τεχνητής νοημοσύνης, καθώς ανταποκρίνονται καλύτερα στην πραγματικότητα, εξομοιώνοντας την ανθρώπινη λογική. 8

10 9

11 2. Βασικές αρχές λειτουργίας ανελκυστήρων 2.1 Τεχνολογίες-Τύποι ανελκυστήρων Σε αυτή την ενότητα θα γίνει μια αναφορά στους τύπους των ανελκυστήρων, οι οποίοι κατηγοριοποιούνται σύμφωνα με την τεχνολογία κατασκευής τους και τον μηχανισμό κίνησής τους. Υπάρχουν και άλλες κατηγοριοποιήσεις ανάλογα με τις ανάγκες που εξυπηρετούν και ανάλογα με τον τρόπο απομνημόνευσης της κλήσης τους αλλά δεν θα γίνει περαιτέρω επέκταση. Η επιλογή του κάθε τύπου ανελκυστήρα εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θα χρησιμοποιηθεί. Υπάρχουν δυο βασικοί τύποι ανελκυστήρων: οι μηχανικοί (Traction elevators) και οι υδραυλικοί (Hydraulic elevators). Για τους υδραυλικούς θα γίνει μια απλή περιγραφή της λειτουργιάς τους ενώ για τους μηχανικούς η ανάλυση θα γίνει με περισσότερη λεπτομέρεια, καθώς το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής έχει εφαρμογή στους μηχανικούς ανελκυστήρες Υδραυλικοί ανελκυστήρες Οι υδραυλικοί ανελκυστήρες έχουν συνηθισμένη εφαρμογή σε εγκαταστάσεις κτηρίων χαμηλού ύψους (έως 6 ορόφους) λόγω χαμηλού αρχικού κόστους εγκατάστασης. Σχήμα : Τυπική δομή υδραυλικού ανελκυστήρα ατόμων (Πηγή: OILIFT S.A) 10

12 Ο μηχανισμός κίνησης βασίζεται σε έναν υδραυλικό κύλινδρο μαζί με ένα εμβολο το οποίο κινεί τον θάλαμο. Ένας ηλεκτροκινητήρας κινεί την αντλία, η οποία με τη σειρά της μεταφέρει το υδραυλικό ρευστό (λάδι) από το καζάνι προς τον κύλινδρο. Ο κύλινδρος γεμίζει με ρευστό με αποτέλεσμα το έμβολο που βρίσκεται στο εσωτερικό του να ανυψώνεται προκαλώντας έτσι την άνοδο του θαλάμου. Βαλβίδες ελέγχουν την ροή του ρευστού από και προς τον κύλινδρο εξασφαλίζοντας τον έλεγχο της κίνησης του θαλάμου. Η σχέση μεταξύ της απόστασης που διανύει το έμβολο με αυτή που διανύει ο θάλαμος εξαρτάται από τον τύπο της ανάρτησης (άμεση ή έμμεση). Άμεση ή απευθείας ανάρτηση επιτυγχάνεται απλά με την σύνδεση του άκρου του εμβόλου με το πλαίσιο του θαλάμου. Αντίθετα, η έμμεση ανάρτηση επιτυγχάνεται με τη χρήση τροχαλίας και συρματόσχοινου. Οι υδραυλικοί ανελκυστήρες λειτουργούν με μικρές ταχύτητες (κάτω από 1m/s) και σε συνδυασμό με τα μεγαλύτερα έμβολα που απαιτούνται, όσο αυξάνεται το ύψος, η χρήση τους σε κτήρια ψηλότερα των 20m είναι περιορισμένη γιατί αυξάνεται το κόστος εγκατάστασης και η κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τους μηχανικούς. Παρόλα αυτά μερικά από τα κύρια πλεονεκτήματά τους είναι η απουσία μηχανοστασίου, το μικρότερο φρεάτιο λόγω έλλειψης αντίβαρου, η μικρή συντήρηση και η δυνατότητα απεγκλωβισμού, στο αμέσως κατώτερο επίπεδο, σε περίπτωση διακοπής του ηλεκτρικού ρεύματος Μηχανικοί ανελκυστήρες Οι μηχανικοί ανελκυστήρες αποτελούν τον παλαιότερο και ταυτόχρονα πιο εξελιγμένο τεχνολογικά τύπο ανελκυστήρων. Αν και κατά κανόνα είχαν εφαρμογή σε υψηλά κτήρια, τα τελευταία χρόνια, λόγω εξέλιξης των ηλεκτρικών μηχανών και των συστημάτων οδήγησής τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλες τις εφαρμογές, ανεξαρτήτου ύψους κτηρίου, ταχύτητας ή φορτίου. 11

13 Σχήμα : Τυπική δομή μηχανικού ανελκυστήρα ατόμων (Πηγή: metroelevatorservices.com) Όπως φαίνεται και στο Σχήμα ο θάλαμος είναι αναρτημένος με συρματόσχοινα ή ιμάντες ανάρτησης από πολυουρεθάνιο τυλιγμένα γύρω από μια τροχαλία η οποία οδηγείται από την ηλεκτρική μηχανή. Τα συρματόσχοινα αποτελούνται από κλώνους και ο κάθε κλώνος από συρματίδια. Στο μέσα μέρος βρίσκεται ο πυρήνας ο οποίος είναι από ειδικό πανί ή χαλύβδινος. Υπάρχουν διάφοροι τύποι συρματόσχοινων με πιο συνηθισμένο τον τύπο Seale (Σχήμα ). Σχήμα : Συρματόσχοινο τύπου Seale 12

14 Το βάρος του θαλάμου εξισορροπείται από το αντίβαρο. Σκοπός του αντίβαρου είναι να διατηρήσει ικανοποιητική τάση στα συρματόσχοινα ώστε να αναπτύσσεται επαρκής πρόσφυση σε όλο το σύστημα ανάρτησης. Το βάρος του αντίβαρου επιλέγεται ίσο με το βάρος του άδειου θαλάμου μαζί με συρματόσχοινα και τροχαλία αυξημένο κατά 40-50% του πλήρους ωφέλιμου φορτίου του ανελκυστήρα. Η επιλογή αυτή βασίζεται στις συνθήκες λειτουργίας του ανελκυστήρα και την ανάλυση κυκλοφορίας του (elevator traffic analysis), δηλαδή τι ωφέλιμο φορτίο εμφανίζεται σε μεγαλύτερη συχνότητα. Με τον τρόπο αυτό, η ονομαστική ισχύς της ηλεκτρικής μηχανής του ανελκυστήρα είναι χαμηλότερη, αφού το μέγιστο φορτίο της μηχανής είναι το μισό απ ότι αν δεν υπήρχε το αντίβαρο. Αυτό προκύπτει ως εξής: Η δύναμη που ασκείται στην τροχαλία είναι: (2.1) Όπου: F Θ : Η δύναμη που ασκείται από τον άδειο θάλαμο μαζί με συρματόσχοινα και τροχαλία. F Ω : Η δύναμη που ασκείται από το ωφέλιμο φορτίο. F Αντίβαρου : Η δύναμη που ασκείται από το αντίβαρο. Τα παραπάνω είναι βασισμένα σε ευρωπαϊκά πρότυπα για εγκαταστάσεις ανελκυστήρων, τα οποία είναι εναρμονισμένα και κατά ΕΛΟΤ. Στα παλιότερα-συμβατικά συστήματα μηχανικών ανελκυστήρων, ο μηχανισμός κίνησης που χρησιμοποιούνταν ήταν ένας κινητήρας, συνήθως βραχυκυκλωμένου κλωβού, σε συνδυασμό με τον μειωτήρα στροφών-κιβώτιο ταχυτήτων (Σχήμα ). Ο μειωτήρας στροφών τοποθετείται ανάμεσα στην τροχαλία και τον κινητήρα και λειτουργεί, όπως λέει και το όνομά του, μειώνοντας την περιστροφική ταχύτητα της τροχαλίας, άρα και την γραμμική ταχύτητα του θαλάμου. Η μείωση της ταχύτητας της τροχαλίας, επιτρέπει την χρήση μικρότερων και φθηνότερων κινητήρων, οι οποίοι όμως μπορούν και παράγουν την απαιτούμενη ροπή αφού λειτουργούν σε υψηλότερες ταχύτητες. 13

15 Σχήμα : Κινητήρας μηχανικού ανελκυστήρα με κιβώτιο ταχυτήτων (Πηγή: trade.indiamart.com) Τα κιβώτια ταχυτήτων που χρησιμοποιούνται για τέτοιες εφαρμογές είναι δυο τύπων. Το πιο συνηθισμένο είναι το κιβώτιο τύπου ατέρμονα (worm gear box), (Σχήμα ), το οποίο όμως έχει χαμηλό βαθμό απόδοσης (50%). Σε νεότερες εγκαταστάσεις αυτό έχει αντικατασταθεί από το κιβώτιο τύπου έλικα (helical gear box), (Σχήμα ). Σχήμα : Κιβώτιο ταχυτήτων τύπου ατέρμονα (Πηγή: machinedesign.com) 14

16 Σχήμα : Κιβώτιο ταχυτήτων τύπου έλικα (Πηγή: masseycoldbeckengineering.co.uk) Στους μηχανικούς ανελκυστήρες, λόγω της εξέλιξης των συστημάτων οδήγησης (μέσω αντιστροφέα ισχύος), αλλά και των ίδιων των ηλεκτρικών μηχανών, είναι δυνατή η χρήση πολυπολικών μηχανών με σκοπό την εξάλειψη του μειωτήρα στροφών-κιβωτίου ταχυτήτων (gearless) που χρησιμοποιείται στα συμβατικά συστήματα, σε κτήρια μεσαίου μεγέθους, ο οποίος παρουσιάζει πρόσθετες απώλειες. Οι ηλεκτρικές μηχανές που χρησιμοποιούνται πλέον στις νεότερες gearless εγκαταστάσεις μηχανικών ανελκυστήρων είναι οι επαγωγικές υψηλής απόδοσης και οι σύγχρονες μονίμου μαγνήτη. Η τεχνολογία των μηχανών μονίμου μαγνήτη έχει ραγδαία ανάπτυξη, με αποτέλεσμα τα τελευταία χρόνια αυτό το είδος να αποκτά όλο και μεγαλύτερο έδαφος στην βιομηχανία ανελκυστήρων, αντικαθιστώντας τους επαγωγικούς. Αυτό οφείλεται κυρίως στην συνεχόμενη μείωση του κόστους αυτών των μηχανών αλλά και στο γεγονός ότι στις εφαρμογές των ανελκυστήρων, όπου απαιτούνται χαμηλές ταχύτητες και υψηλές ροπές, ευνοείται η χρήση των ΣΜ μονίμου μαγνήτη γιατί δίνουν την δυνατότητα διάταξης πολυπολικών μηχανών χωρίς να επηρεάζεται ο βαθμός απόδοσης. Αντίθετα, στις επαγωγικές μηχανές όσο αυξάνονται οι πόλοι μειώνεται ο βαθμός απόδοσης. Στο Σχήμα φαίνονται παραστατικά τα παραπάνω. 15

17 Σχήμα : Σύγκριση βαθμού απόδοσης επαγωγικού κινητήρα με κινητήρα μονίμου μαγνήτη συναρτήσει της ταχύτητά τους (Πηγή: Emerson Industrial Automation) Συμπερασματικά, τα πλεονεκτήματα της χρήσης του αντιστροφέα σε συνδυασμό με μια gearless σύγχρονη μηχανή μονίμου μαγνήτη (PMSM) (Σχήμα ) είναι: Η σημαντική μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας Η μικρότερη φθορά του κινητήριου μηχανισμού και των συρματόσχοινων Η προστασία της μηχανής από υπερεντάσεις Η βέλτιστη λειτουργία της μηχανής ακόμη και σε πολύ χαμηλές στροφές Ο ακριβής έλεγχος της επιτάχυνσης και της επιβράδυνσης του ανελκυστήρα για υψηλή ποιότητα κίνησης του θαλάμου Για τους παραπάνω λόγους, στην πλειοψηφία των καινούριων εγκαταστάσεων ανελκυστήρων γίνεται χρήση gearless σύγχρονων μηχανών μονίμου μαγνήτη οδηγούμενων από αντιστροφέα ισχύος. Μια τέτοια μηχανή χρησιμοποιήθηκε και στην εφαρμογή που μελετήθηκε στην παρούσα διπλωματική (Σχήμα ). 16

18 Σχήμα : Σύγχρονη μηχανή μονίμου μαγνήτη (μαζί με την τροχαλία) κατάλληλη για οδήγηση μέσω αντιστροφέα ισχύος (Πηγή: Alberto Sassi S.p.A) Στο Σχήμα φαίνεται σε διάγραμμα η ενέργεια που καταναλώνει ένα gearless σύστημα με μηχανή μονίμου μαγνήτη συγκριτικά με ένα σύστημα με κιβώτιο ταχυτήτων. Σχήμα : Σύγκριση κατανάλωσης ενέργειας μηχανής με κιβώτιο ταχυτήτων με gearless μηχανή μονίμου μαγνήτη σε συνάρτηση με το ποσοστό φορτίου στο θάλαμο. 17

19 2.2 Βασικά μεγέθη και ανάλυση κίνησης μηχανικού ανελκυστήρα Στην ενότητα αυτή θα αναφερθούν τα μεγέθη τα οποία λήφθηκαν υπόψη κατά την μελέτη της συγκεκριμένης εφαρμογής, καθώς αυτά επηρεάζουν την ενεργειακή συμπεριφορά του ανελκυστήρα. Επίσης, θα αναλυθεί η ροή ισχύος σε ένα σύστημα μηχανικού ανελκυστήρα ώστε να γίνει κατανοητό, πότε και γιατί η μηχανή του ανελκυστήρα λειτουργεί είτε ως κινητήρας είτε ως γεννήτρια Βασικά μεγέθη που επηρεάζουν την ενεργειακή συμπεριφορά του ανελκυστήρα Η ενεργειακή συμπεριφορά του ανελκυστήρα, δηλαδή πόση ενέργεια καταναλώνει ή παράγει ο κινητήριος μηχανισμός του, εξαρτάται σημαντικά από κάποιους παράγοντες, όπως η επιθυμητή ταχύτητα του θαλάμου, το φορτίο που βλέπει η μηχανή, και η απόσταση που έχει να διανύσει ο θάλαμος σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Η ταχύτητα του θαλάμου εξαρτάται άμεσα από την ακτίνα της τροχαλίας που είναι κομπλαρισμένη στον άξονα της ηλεκτρικής μηχανής (Σχήμα ), αφού εκεί είναι το σημείο της εγκατάστασης όπου η περιστροφική ταχύτητα στον άξονα της μηχανής (rpm) μετατρέπεται σε γραμμική ταχύτητα του θαλάμου (m/s). Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα από την παρακάτω σχέση του συσχετισμού των δυο ταχυτήτων: (2.2) Όπου: V: η γραμμική ταχύτητα του θαλάμου σε m/s n m : η περιστροφική ταχύτητα της μηχανής σε rpm R: η ακτίνα της τροχαλίας σε μέτρα. Επομένως, αυτή είναι η μέγιστη ταχύτητα του θαλάμου στην φάση κίνησης της μηχανής με σταθερές στροφές και περιορίζεται από τις ονομαστικές στροφές της μηχανής. Το φορτίο της μηχανής εξαρτάται από τον συσχετισμό τριών μεγεθών, όπως γίνεται αντιληπτό και από την σχέση 2.1: Ωφέλιμο βάρος Q: Αν πρόκειται για ανελκυστήρα ατόμων, όπως στην εφαρμογή που μελετήθηκε, ο αριθμός των ατόμων προσδιορίζει αυτό το μέγεθος θεωρώντας το βάρος κάθε ατόμου ίσο με 75 κιλά. Άρα: (2.3) 18

20 Όπου: Ν ο αριθμός των ατόμων Βάρος θαλάμου P: Σύμφωνα με το πρότυπο του ΕΛΟΤ, το βάρος του θαλάμου μαζί με τα συρματόσχοινα, για ανελκυστήρα ατόμων υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: (2.4) Αντίβαρο: Το βάρος του οποίου είναι ίσο με: (2.5) Όπως εξηγήθηκε και στην παράγραφο Η απόσταση που έχει να διανύσει ο θάλαμος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κτιρίου, όπως είναι ο αριθμός των ορόφων και το ύψος του κάθε ορόφου. Το ύψος κάθε ορόφου εξαρτάται από τον χαρακτήρα του κτιρίου και κυμαίνεται από 3 έως 3.5 μέτρα. Τέλος ένα άλλο βασικό μέγεθος που λήφθηκε υπόψη κατά την μελέτη της κίνησης του ανελκυστήρα είναι ο μέγιστος επιτρεπόμενος χρόνος παραμονής ενός ατόμου μέσα στον θάλαμο (nominal travel time). Σύμφωνα με τα πρότυπα υπάρχουν κάποιοι μέγιστοι χρόνοι παραμονής των ατόμων μέσα στο θάλαμο και σχετίζονται με την αποφυγή αίσθησης δυσφορίας κατά την διάρκεια της μετακίνησης. Στην παρούσα μελέτη αυτός ο χρόνος λήφθηκε ίσος με 40 δευτερόλεπτα. Είναι φανερό πως οι εκάστοτε ταχύτητες επιλέχθηκαν έτσι ώστε να σέβονται το παραπάνω όριο Ροή ισχύος σε σύστημα μηχανικού ανελκυστήρα Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 2.1.2, το βάρος του αντίβαρου επιλέγεται ίσο με το βάρος του θαλάμου συν το 50% του πλήρους φορτίου του, αφού με αυτόν τον τρόπο (σύμφωνα με τη σχέση 2.1) το μέγιστο βάρος που πρέπει να μετακινήσει ο κινητήρας είναι το μισό του ωφελίμου. Επομένως, η κατανάλωση ή η παραγωγή ενέργειας από την κινητήρια μηχανή είναι ελάχιστη όταν ο θάλαμος κινείται με βάρος ίσο με εκείνο του αντίβαρου. Αντίθετα, η κατανάλωση ή η παραγωγή ενέργειας από την κινητήρια μηχανή είναι μέγιστη, όταν ο θάλαμος είναι άδειος είτε φέρει το μέγιστο φορτίο του. Το αν η μηχανή παράγει ή καταναλώνει ενέργεια εξαρτάται από την κατεύθυνση κίνησης του θαλάμου σε συνδυασμό με το φορτίο που μεταφέρει. Για παράδειγμα, όταν ο θάλαμος ανεβαίνει γεμάτος ή κατεβαίνει άδειος έχουμε μέγιστη κατανάλωση ενέργειας από την κινητήρια μηχανή, αφού η μηχανή δίνει ροπή στο σύστημα και είναι ομόρροπη με την ταχύτητα κίνησης (λειτουργία κινητήρα-ροή ισχύος προς τη μηχανή) (Σχήμα καταστάσεις Β,Γ). Αντίθετα, όταν ο θάλαμος κατεβαίνει γεμάτος ή ανεβαίνει άδειος έχουμε μέγιστη παραγωγή ενέργειας από την κινητήρια μηχανή, αφού η μηχανή βρίσκεται σε κατάσταση πέδησης και η ροπή της είναι αντίρροπη από την ταχύτητα κίνησης (λειτουργία γεννήτριας-ροή ισχύος από τη μηχανή) (Σχήμα καταστάσεις Α,Δ). Αυτή η 19

21 παραγόμενη ισχύς ονομάζεται ισχύς πέδησης, η αξιοποίηση της οποίας περιγράφεται στο κεφάλαιο 3. Σχήμα Καταστάσεις λειτουργίας ανελκυστήρα Συμπερασματικά, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω βασικά μεγέθη και τις καταστάσεις λειτουργίας ενός μηχανικού ανελκυστήρα, μπορούμε ελέγχοντας την ταχύτητα της μηχανής, άρα και του θαλάμου, να ελέγξουμε την κατανάλωση ή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να έχουμε βέλτιστη αξιοποίηση της ισχύος πέδησης. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής ένας ελεγκτής βασισμένος στην ασαφή λογική, οι θεωρητικές έννοιες της οποίας αναλύονται στο κεφάλαιο 4. 20

22 3. Δυνατότητες ανάκτησης ενέργειας σε μηχανικό ανελκυστήρα και μέσα αποθήκευσης της 3.1 Διατάξεις οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών σε μηχανικό ανελκυστήρα Όπως είδαμε στην προηγούμενη ενότητα, η χρήση διατάξεων οδήγησης ηλεκτρικών μηχανών παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι της χρήσης του μειωτήρα στροφών. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το μειωμένο κόστος τους τα τελευταία χρόνια, έχει καθιερώσει την χρήση τέτοιων διατάξεων σε όλες τις καινούργιες εγκαταστάσεις ανελκυστήρων. Σε αυτή την ενότητα θα παρουσιαστούν διάφορες μορφές τέτοιων συστημάτων, όπως τα συμβατικά μέσω αντιστροφέα (Σχήμα ), συστήματα με μετατροπέα ανάκτησης ισχύος (Σχήμα ) και τέλος θα προταθεί μία διάταξη, με χρήση αμφίδρομου μετατροπέα ισχύος, τοποθετημένου στο dc-link, για την αποθήκευση και επανεκμετάλευση της ενέργειας που παράγεται κατά την πέδηση της μηχανής (Σχήμα ). Η διάταξη αυτή ονομάζεται KERS (Kinetic Energy Recovery System) και μπορεί να εγκατασταθεί ακόμα και σε ήδη υπάρχοντα συστήματα ανελκυστήρων των οποίων η ηλεκτρική μηχανή τροφοδοτείται από αντιστροφέα ισχύος Συμβατικό σύστημα οδήγησης με αντιστροφέα Τα βασικά στοιχεία ενός συμβατικού συστήματος οδήγησης είναι ο μετατροπέας ισχύος και η διάταξη ελέγχου (Σχήμα ). Ο μετατροπέας ισχύος αποτελείται από μια ανορθωτική τριφασική γέφυρα διόδων, η οποία κάνει ανόρθωση της τάσης του δικτύου, τον πυκνωτή εξομάλυνσης, και τον αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος αποτελείται από μια τριφασική γέφυρα ελεγχόμενων ηλεκτρονικών διακοπτών (IGBTs) με αντιπαράλληλες διόδους ελεύθερης ροής για αμφίδρομή ροή της ισχύος. Η διάταξη ελέγχου αποτελείται από έναν ελεγκτή, ο οποίος συγκρίνει τα σήματα αναφοράς με τα σήματα ανάδρασης και παράγει τα κατάλληλα σήματα για την οδήγηση της κινητήριας μηχανής. Ο αντιστροφέας τροφοδοτεί έτσι την ηλεκτρική μηχανή με κατάλληλη τάση και συχνότητα, ρυθμίζοντας την επιτάχυνση την επιβράδυνση και την ταχύτητα περιστροφής, εξασφαλίζοντας ομαλή και ταχεία κίνηση του θαλάμου. 21

23 Σχήμα Συμβατικό σύστημα οδήγησης ηλεκτρικής μηχανής ανελκυστήρα μέσω αντιστροφέα Όταν η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας, όπως κατά την κάθοδο με τον θάλαμο άδειο ή την άνοδο με τον θάλαμο πλήρη, η απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύς παρέχεται από το δίκτυο μέσω της τριφασικής γέφυρας με διόδους. Αντίθετα, κατά την άνοδο του ανελκυστήρα με το θάλαμο άδειο ή την κάθοδο με τον θάλαμο πλήρη, η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια παράγοντας ηλεκτρική ισχύ πέδησης. Καθώς αυτή η ενέργεια δεν μπορεί να επιστρέψει στο δίκτυο μέσω της ανορθωτικής γέφυρας, αφού δεν επιτρέπει την αμφίδρομη ροή ισχύος, προκαλεί ταχεία αύξηση της τάσης στο dc-link. Αυτό οφείλεται στο ανάστροφο ρεύμα που περνάει μέσα από τον πυκνωτή εξομάλυνσης και δημιουργεί επικίνδυνες διακυμάνσεις της τάσης στα άκρα του. Η πιο οικονομικά συμφέρουσα λύση για το παραπάνω πρόβλημα είναι η χρήση αντίστασης δυναμικής πέδησης (R br ). Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχει την τάση του πυκνωτή και όταν αυτή υπερβεί ένα προκαθορισμένο όριο, δίνει εντολή σε ένα διακόπτη (S br ) να ανοίξει, ώστε το ρεύμα που επιστρέφει να περάσει από την αντίσταση. Έτσι η ισχύς πέδησης καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση και διατηρείται σταθερή η τάση στο dc-link. Η παραπάνω λειτουργία που ονομάζεται δυναμική πέδηση και παρουσιάζει όμως δύο σημαντικά μειονεκτήματα: 1. Η αντίσταση που απαιτείται πρέπει να έχει ισχύ ανάλογη εκείνης του κινητήρα, άρα μεγάλο βάρος και όγκο. 2. Η ενέργεια που παράγει η μηχανή κατά την πέδηση δεν αξιοποιείται, αλλά μετατρέπεται σε θερμότητα πάνω στην αντίσταση. Επομένως, αφού η μηχανή ενός ανελκυστήρα λειτουργεί ως γεννήτρια για χρονικά διαστήματα συγκρίσιμα με εκείνα που λειτουργεί ως κινητήρας, έχουμε μεγάλη σπατάλη ενέργειας. 22

24 3.1.2 Σύστημα οδήγησης με μετατροπέα ανάκτησης ισχύος (regenerative motor drive) Μια λύση που μπορεί να δοθεί στα παραπάνω δυο προβλήματα που παρουσιάστηκαν, είναι η χρήση ενός μετατροπέα ισχύος με ανάκτηση της ενέργειας (Σχήμα ), ώστε να μπορεί να γίνει επιστροφή της ισχύος στο δίκτυο. Στο σύστημα αυτό, η τριφασική ανορθωτική γέφυρα με διόδους αντικαθίσταται από ένα δεύτερο μετατροπέα με IGBTs. Ως συνέπεια, αυξάνεται η πολυπλοκότητα του συστήματος αφού χρειάζεται και πλήρης έλεγχος του μετατροπέα κατά την πέδηση. Έτσι, αυτό το σύστημα έχει σημαντικά μεγαλύτερο κόστος από το συμβατικό. Η τοποθέτηση ενός τέτοιου drive μπορεί να γίνει από την αρχή, είτε να τοποθετηθεί σε ήδη υπάρχοντα συστήματα μεταξύ του dc-link και του δικτύου, όμως αυξάνεται και πάλι πολύ η πολυπλοκότητα και κατά συνέπεια και το κόστος. Σχήμα Σύστημα οδήγησης ηλεκτρικής μηχανής ανελκυστήρα με μετατροπέα ανάκτησης ισχύος Με αυτό τον τρόπο όταν η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια, ο μετατροπέας ανάκτησης ισχύος οδηγεί την παραγόμενη ενέργεια προς το δίκτυο. Σε περίπτωση που τα λοιπά ηλεκτρικά φορτία εντός του κτηρίου του ανελκυστήρα είναι σημαντικά, μπορούν να απορροφήσουν πλήρως την παραγόμενη ενέργεια παρέχοντας στον ιδιοκτήτη σημαντική εξοικονόμηση στον λογαριασμό του ηλεκτρικού ρεύματος. Αν τα ηλεκτρικά φορτία δεν επαρκούν για την πλήρη κατανάλωση της ηλεκτρικής ισχύος πέδησης, η ενέργεια που απομένει θα μεταφερθεί στο δίκτυο αφού διέρθει μέσω του μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας 23

25 του κτιρίου. Όμως στην Ελλάδα αλλά και σε άλλες χώρες, ο πάροχος ηλεκτρικής ενέργειας δεν παρέχει μετρητή για μέτρηση της επιστρεφόμενης ηλεκτρικής ισχύος, αν δεν υπάρχει στην εγκατάσταση κάποια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (πχ. φωτοβολταϊκά). Έτσι, το οικονομικό όφελος είναι μικρότερο από το αναμενόμενο. Στο Σχήμα παρουσιάζεται ένα διάγραμμα της μεταβολής της ισχύος του ανελκυστήρα σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας. Με γκρι χρώμα παριστάνεται η ενέργεια που καταναλώνει ο ανελκυστήρας και με κόκκινο η ενέργεια που μπορεί να ανακτηθεί. Σχήμα Διάγραμμα μεταβολής της ισχύος ανελκυστήρα σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας 1 Εναλλακτική λύση στα παραπάνω προβλήματα μπορεί να δώσει μια διάταξη οδήγησης της ηλεκτρικής μηχανής του ανελκυστήρα, που ονομάζεται KERS (Kinetic Energy Recovery System) και περιγράφεται αναλυτικά στην παρακάτω υποενότητα Σύστημα οδήγησης με χρήση αμφίδρομου μετατροπέα συνεχούς ρεύματος (KERS) Η χρήση αυτής της διάταξης αντιμετωπίζει τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι άλλες διατάξεις που περιγράφηκαν παραπάνω. Αυτό γίνεται εφικτό με την αποθήκευση της ισχύος πέδησης και στην συνέχεια την ανάκτησή της από το σύστημα, καταναλώνοντας έτσι κατά το δυνατόν λιγότερη ενέργεια από το δίκτυο. Συνεπώς με αυτό τον τρόπο 1 Ως πλήρης κύκλος λειτουργίας ανελκυστήρα ορίζεται η διαδρομή από την χαμηλότερη μέχρι την υψηλότερη στάση και το αντίστροφο με ίδιες συνθήκες φορτίου. 24

26 εξασφαλίζεται οικονομικό όφελος το οποίο εξαρτάται από το ποσό της ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί και να ανακτηθεί ανάλογα με την εφαρμογή του συστήματος. Η διάταξη KERS αποτελείται από το συμβατικό σύστημα οδήγησης με αντιστροφέα όπως περιγράφηκε στην υποενότητα 3.1.1, με την προσθήκη ενός αμφίδρομου μετατροπέα συνεχούς ρεύματος (bidirectional dc-dc converter) συνδεδεμένου στο dc-link (Σχήμα ). Καθώς τα δυο σημεία σύνδεσης στο dc-link είναι διαθέσιμα σε όλους τους εμπορικά διαθέσιμους αντιστροφείς και το κύκλωμα ελέγχου του αμφίδρομου μετατροπέα συνεχούς ρεύματος εξασφαλίζει τη λειτουργία του σε πλήρη συνεργασία με τον αντιστροφέα του ανελκυστήρα χωρίς να εξαρτάται από αυτόν, η προσθήκη του αμφίδρομου μετατροπέα μπορεί να γίνει εύκολα ακόμα και σε ήδη υπάρχοντα συστήματα. Σχήμα Σύστημα οδήγησης ηλεκτρικής μηχανής ανελκυστήρα με αμφίδρομο μετατροπέα συνεχούς ρεύματος (KERS) Η ενέργεια που παράγει η μηχανή κατά την λειτουργία της ως γεννήτρια, δεν καταναλώνεται πλέον στην αντίσταση πέδησης, ούτε επιστρέφει στο δίκτυο, αλλά αποθηκεύεται προσωρινά σε κάποιο μέσο αποθήκευσης ενέργειας (πχ. μπαταρίες, συστοιχίες πυκνωτών ή υπερπυκνωτών) το οποίο είναι συνδεδεμένο με τον αμφίδρομο μετατροπέα συνεχούς ρεύματος. Η αποθηκευμένη ενέργεια αποδίδεται πίσω στη μηχανή, όταν αυτή λειτουργεί ως κινητήρας, μειώνοντας την κατανάλωση από το δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό αξιοποιείται αποδοτικά η ενέργεια πέδησης της μηχανής. 25

27 Η αντίσταση πέδησης είναι απαραίτητη για δύο λόγους. Πρώτον για λόγους ασφαλείας σε περίπτωση διακοπής της τάσης του δικτύου, ιδιαίτερα κατά το διάστημα ανάκτησης της ισχύος αφού χάνεται η ικανότητα δυναμικής πέδησης αν δεν υπάρχει η αντίσταση. Και δεύτερον για την απορρόφηση της περίσσειας ισχύος, όταν η ανακτώμενη ισχύς είναι μεγαλύτερη της ικανότητας αποθήκευσης του αποθηκευτικού μέσου. Σε κάθε περίπτωση, η αντίσταση πέδησης έχει ισχύ πολύ μικρότερη από εκείνη που χρησιμοποιείται στο συμβατικό σύστημα οδήγησης (Σχήμα ) και κατά συνέπεια είναι μικρότερη σε όγκο, βάρος και αξία. Επιπλέον, ο έλεγχος της αντίστασης πέδησης στο σύστημα KERS επιτελείται από τον αντιστροφέα. Βλέπουμε λοιπόν, πως με τη χρήση της διάταξης KERS, η εξοικονόμηση ενέργειας από τον μηχανικό ανελκυστήρα επιτυγχάνεται με την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγει η μηχανή του ανελκυστήρα κατά τα διαστήματα πέδησής της, ώστε να επαναχρησιμοποιηθεί στα διαστήματα λειτουργίας της μηχανής ως κινητήρας Ο αμφίδρομος μετατροπέας συνεχούς ρεύματος Στην παρούσα διπλωματική, χρησιμοποιήθηκε αμφίδρομος μετατροπέας χωρίς γαλβανική απομόνωση, ο οποίος αποτελείται από τον συνδυασμό ενός μετατροπέα υποβιβασμού της τάσης (buck, step-down) και ενός μετατροπέα ανύψωσης της τάσης (boost, step-up), η κυκλωματική δομή του οποίου παρουσιάζεται στο σχήμα [5], [6] Σχήμα : Κυκλωματική δομή αμφίδρομου μετατροπέα Οι διακόπτες S 1 και S 2 υλοποιούν τον μετατροπέα υποβιβασμού και ανύψωσης αντίστοιχα και αποτελούνται από ένα IGBT (Τ 1,2 ) και μια αντιπαράλληλη δίοδο (D 1,2 ), όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Ο αμφίδρομος μετατροπέας αποτελείται επίσης και από μια αυτεπαγωγή και στην έξοδό του συνδέεται η συστοιχία των υπερπυκνωτών. 26

28 Ο αμφίδρομος μετατροπέας εκτελεί λειτουργία υποβιβασμού της τάσης κατά την φόρτιση των υπερπυκνωτών και άγουν οι Τ 1, D 2 και λειτουργία ανύψωσης της τάσης κατά την εκφόρτιση των υπερπυκνωτών και άγουν οι Τ 2, D 1. Όμως, η αλλαγή στη φορά της ισχύος είναι απαραίτητο να γίνεται με ομαλό τρόπο, επομένως, με ομαλό τρόπο πρέπει να γίνεται και η μετάβαση από την λειτουργία του υποβιβασμού στη λειτουργία ανύψωσης της τάσης. Για να εξασφαλιστεί αυτό, θα πρέπει η οδήγηση των διακοπτών να γίνεται με συμπληρωματικούς παλμούς. Έτσι, θεωρώντας πως ο διακόπτης S 1 έχει σχετική διάρκεια αγωγής D, ο διακόπτης S 2 θα έχει σχετική διάρκεια αγωγής 1-D. Ακόμη, με αυτό τον τρόπο ελέγχου των διακοπτών, η ροή του ρεύματος στην επαγωγή είναι πάντα συνεχής. Επομένως, ο μετατροπέας λειτουργεί με συνεχή αγωγή του ρεύματος (continuous conduction mode, CCM). Άρα, σε μια διακοπτική περίοδο Τ s, είτε άγει ο S 1 με τον S 2 σε αποκοπή είτε το αντίστροφο. Οι κυματομορφές της παραπάνω λειτουργίας του μετατροπέα παρουσιάζονται στο σχήμα Οι τάσεις στην είσοδο και στην έξοδο του μετατροπέα συνδέονται με την σχέση: Η σχέση 3.1 ισχύει σε κάθε συνθήκη λειτουργίας του μετατροπέα και αφού είναι ίδια με την εξίσωση του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, ο αμφίδρομος μετατροπέας αντιμετωπίζεται ως μετατροπέας υποβιβασμού της τάσης. (3.1) 27

29 Σχήμα : Κυματομορφές λειτουργίας αμφίδρομου μετατροπέα: (α) Λειτουργία υποβιβασμού τάσης με θετικό ρεύμα, (β) Λειτουργία ανύψωσης τάσης με αρνητικό ρεύμα, (γ) Λειτουργία υποβιβασμού τάσης με αμφίδρομη ροή του ρεύματος. Λειτουργία υποβιβασμού της τάσης με θετικό ρεύμα i L (Σχήμα (α)): Στο διάστημα t on άγει το IGBT T 1 και το ρεύμα στην επαγωγή αυξάνεται. Με την μετάβαση του παλμού G 1 στο μηδέν, το ρεύμα i L μεταβαίνει από το Τ 1 στην δίοδο D 2 και μειώνεται γραμμικά. Το ρεύμα i L ρέει μέσω της D 2 σε όλο το t off. Το IGBT T 2 παρόλο που 28

30 ενεργοποιείται από τον παλμό G 2 δεν φέρει ρεύμα. Κατά τις χρονικές στιγμές των μεταβάσεων έχουμε απώλειες σβέσης και έναυσης στα Τ 1 και D 2. Λειτουργία ανύψωσης της τάσης με αρνητικό ρεύμα i L (Σχήμα (β)): Στο διάστημα t on αλλά και στη διάρκεια του νεκρού χρόνου t d, άγει η δίοδος D 1 και το ρεύμα αυξάνεται κατά απόλυτη τιμή. Τη χρονική στιγμή που ενεργοποιείται ο παλμός G 2, το ρεύμα μεταβαίνει από τη δίοδο D 1 στο IGBT T 1, προκαλώντας απώλειες σβέσης και έναυσης αντίστοιχα. Διακοπτικές απώλειες έχουμε επίσης κατά την μετάβαση του ρεύματος από το IGBT T 2 στην δίοδο D 1, την χρονική στιγμή μηδενισμού του παλμού G 2. Λειτουργία υποβιβασμού με αμφίδρομη ροή του ρεύματος i L (Σχήμα (γ)): Σε αυτή την λειτουργία, έχουμε υποβιβασμό της τάσης στο χρονικό διάστημα που το ρεύμα στην επαγωγή είναι θετικό (i L >0) και ανύψωση της τάσης στο χρονικό διάστημα που το ρεύμα στην επαγωγή είναι αρνητικό (i L <0). Καθώς η μέση τιμή του ρεύματος είναι θετική έχουμε φόρτιση των υπερπυκνωτών, αντίθετα αν η μέση τιμή του ρεύματος ήταν αρνητική θα είχαμε εκφόρτιση των υπερπυκνωτών. Διακοπτικές απώλειες προκαλούνται μόνο κατά τις χρονικές στιγμές μετάβασης μεταξύ των διακοπτών S 1 και S 2. Οι μεταβάσεις κατά τις χρονικές στιγμές μηδενισμού του ρεύματος δεν προκαλούν διακοπτικές απώλειες. Η χρήση της επαγωγής στον αμφίδρομο μετατροπέα είναι απαραίτητη για τον περιορισμό της κυμάτωσης του ρεύματος στους υπερπυκνωτές, ώστε να αποφευχθεί η υπερθέρμανσή τους. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή του ρεύματος. Η κυμάτωση του ρεύματος στην επαγωγή ορίζεται από την σχέση: (3.2) Θεωρώντας την τάση εισόδου V dc σταθερή, η κυμάτωση του ρεύματος αποκτά την μέγιστη τιμή για D=0.5. Η τιμή της αυτεπαγωγής που εξασφαλίζει κυμάτωση μικρότερη από ΔΙ L ampere δίνεται από τον παρακάτω τύπο: (3.3) 29

31 Συμπερασματικά, η αλλαγή της φοράς του ρεύματος i L και της ισχύος επιτυγχάνεται με τον έλεγχο του κύκλου λειτουργίας των διακοπτών του μετατροπέα. Όταν ο κύκλος λειτουργίας D του διακόπτη S 1 είναι μεγαλύτερος από την τιμή του κύκλου λειτουργίας για μηδενικό ρεύμα στην επαγωγή D 0, (D>D 0 ), που ορίζει η σχέση: (3.4) τότε το ρεύμα στην επαγωγή είναι θετικό και ο μετατροπέας φορτίζει τους υπερπυκνωτές (υποβιβασμός τάσης). Αντίθετα, όταν D<D 0 το ρεύμα στην επαγωγή είναι αρνητικό και έχουμε εκφόρτιση των υπερπυκνωτών (ανύψωση τάσης). Τα παραπάνω φαίνονται παραστατικά στο σχήμα : Σχήμα : Έλεγχος του ρεύματος Ι L με τον κύκλο λειτουργίας των διακοπτών 3.2 Διατάξεις αποθήκευσης της ανακτώμενης ενέργειας Για την αποθήκευση και επανεκμετάλευση της παραγόμενης ενέργειας πέδησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διατάξεις μπαταριών, πυκνωτών ή υπερπυκνωτών. Οι διατάξεις αυτές παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και ιδιαιτερότητες, όπου σύμφωνα με αυτά γίνεται η επιλογή της κατάλληλης διάταξης για κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή. Στην ενότητα αυτή, θα περιγραφούν αυτές οι διατάξεις ώστε να δικαιολογηθεί η επιλογή που έγινε στην υπό μελέτη εφαρμογή, αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής. 30

32 3.2.1 Αποθήκευση της ανακτώμενης ενέργειας σε μπαταρίες Οι κυριότεροι τύποι μπαταριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση της ισχύος πέδησης είναι: Ιόντων Λιθίου (LiON) Υδρίδιο μετάλλων νικελίου (NiMH) Μολύβδου οξέος (Lead acid) Νικελίου-Καδμίου (NiCd) Η κύρια λειτουργία των μπαταριών είναι να μετατρέπουν την χημική ενέργεια σε ηλεκτρική και αντίστροφα. Αποτελούνται από ένα δοχείο κατασκευασμένο από μονωτικό υλικό με ηλεκτρολύτη, μέσα στο οποίο βυθίζονται τα ηλεκτρόδια. Τα βασικά χαρακτηριστικά των μπαταριών είναι: η χωρητικότητά τους (Ah), η μέση τάση λειτουργίας τους (V), η ειδική ενέργεια κατά βάρος (Wh/kg), το ειδικό κόστος ενέργειας ($/Wh), το ειδικό κόστος ισχύος ($/kw) και οι κύκλοι λειτουργίας. Οι μπαταρίες παρουσιάζουν μικρό ειδικό κόστος ενέργειας λόγω της μεγάλης πυκνότητας ενέργειας που μπορούν να αποθηκεύσουν ανά μονάδα βάρους. Αντίθετα, έχουν μεγάλο ειδικό κόστος ισχύος αφού δεν παρουσιάζουν τόσο υψηλή πυκνότητα ισχύος (W/kg), πράγμα που τις κάνει να μην έχουν ικανότητα διαχείρισης υψηλής ισχύος. Επίσης, οι μπαταρίες έχουν μικρό αριθμό κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, που σημαίνει ότι μειώνεται η απόδοσή τους με την πάροδο του χρόνου, άρα έχουν μικρή διάρκεια ζωής (2-3 έτη). Τέλος, χρειάζεται έλεγχος ρεύματος στο κύκλωμα των μπαταριών για την αποφυγή υπερφορτίσεων και υπερθέρμανσης, καθώς υπάρχει κίνδυνος έκρηξης και πυρκαγιάς Αποθήκευση της ανακτώμενης ενέργειας σε υπερπυκνωτές Πολλά από τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι μπαταρίες αντιμετωπίζονται με τη χρήση συστοιχιών από πυκνωτές και ακόμη καλύτερα από υπερπυκνωτές (supercapacitors ή ultracapacitors). Οι υπερπυκνωτές, ως στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας, είναι εμπορικά διαθέσιμοι από το 1996 και συνεχίζουν να εμφανίζουν σταθερή ανοδική πορεία. Λόγω της συνεχής εξέλιξης των υλικών από τα οποία είναι κατασκευασμένοι, το κόστος τους μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, που σημαίνει ολοένα και αυξανόμενη χρήση τους στη βιομηχανία, σε ηλεκτρικά οχήματα, σε εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και γενικότερα σε εφαρμογές παροδικής αποθήκευσης και επαναχρησιμοποίησης της ενέργειας. Ιδιαίτερα, ο συνδυασμός των υπερπυκνωτών και μπαταριών, εξασφαλίζει σε πολλές εφαρμογές ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας υψηλής ισχύος και βαθμού απόδοσης, με μεγάλη ενεργειακή διαθεσιμότητα. Η βασική αρχή λειτουργίας των υπερπυκνωτών είναι ίδια με αυτή των συμβατικών πυκνωτών. Οι συμβατικοί πυκνωτές αποτελούνται από δύο παράλληλους μεταλλικούς οπλισμούς που διαχωρίζονται με κάποιο διηλεκτρικό και χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες: 31

33 τους ηλεκτρολυτικούς, τους ηλεκτροστατικούς και τους ηλεκτροχημικούς. Οι πυκνωτές και των τριών αυτών κατηγοριών, αποθηκεύουν ενέργεια με τη μορφή ηλεκτροστατικού πεδίου, λόγω της διαφοράς ηλεκτρικού φορτίου στους οπλισμούς τους. Στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές οι οπλισμοί έχουν την μορφή λεπτών αγώγιμων ταινιών με μεγάλο μήκος, οι οποίες τυλίγονται. Μεταξύ των δύο αγώγιμων ταινιών παρεμβάλλεται το διηλεκτρικό υλικό. Και οι υπερπυκνωτές χωρίζονται σε τρία ήδη ανάλογα με τον τρόπο που αποθηκεύουν την ενέργειά τους: τους ηλεκτροχημικούς ή ηλεκτρικούς διπλού στρώματος (Electrochemical Double Layer Capacitors, EDLCs), τους ψευδοπυκνωτές (Pseudocapacitors) και τέλος τους υβριδικούς (Hybrid) που αποτελούν ένα συνδυασμό των προηγούμενων δύο. Από αυτούς, οι πλέον διαδεδομένοι εμπορικά είναι οι EDLCs. Σε αυτού του τύπου υπερπυκνωτές, τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται από πορώδη άνθρακα, ο οποίος εμφανίζει επιφάνεια περίπου 2000 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο βάρους. Μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων τοποθετείται ένας πορώδης διαχωριστής, ενώ ο χώρος πληρούται από ένα ηλεκτρολύτη (Σχήμα ). Τα αρνητικά ιόντα του ηλεκτρολύτη συγκεντρώνονται στο ηλεκτρόδιο που φέρει θετικό δυναμικό και αντίστοιχα τα θετικά ιόντα στο ηλεκτρόδιο που φέρει αρνητικό δυναμικό. Έτσι σχηματίζονται δύο ηλεκτροχημικές διπλές στρώσεις (Helmholtz layers), στην ενδοεπιφάνεια ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη, στις οποίες αποθηκεύεται η ενέργεια. Το είδος του ηλεκτρολύτη καθορίζει την τάση του υπερπυκνωτή και την εσωτερική αντίσταση σειράς του. 32

34 Σχήμα Κατασκευαστική δομή υπερπυκνωτών ηλεκτροχημικού διπλού στρώματος (EDLCs) Επειδή το μέγεθος των ιόντων είναι εξαιρετικά μικρό, το πάχος του ηλεκτρολύτη είναι πολύ μικρότερο σε σχέση με το πάχος του διηλεκτρικού στους συμβατικούς πυκνωτές. Αυτό, σε συνδυασμό με τα πορώδη ηλεκτρόδια εξασφαλίζει στους υπερπυκνωτές πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα ανά μονάδα επιφάνειας, σε σχέση με εκείνη των συμβατικών πυκνωτών. Αξίζει να σημειωθεί πως οι υπερπυκνωτές δεν έχουν θεωρητικά πολικότητα, καθώς τα δύο ηλεκτρόδιά τους είναι κατασκευασμένα από το ίδιο υλικό. Παρόλα αυτά, ορίζεται από τους κατασκευαστές πολικότητα στους ακροδέκτες τους, γιατί περιορίζεται σημαντικά η διάρκεια ζωής των υπερπυκνωτών, σε περίπτωση που η φορά της τάσης που εφαρμόζεται δεν είναι σταθερή. Τα κατασκευαστικά αυτά χαρακτηριστικά προσδίδουν στους υπερπυκνωτές μια σειρά από πλεονεκτήματα όπως: η ικανότητα διαχείρισης υψηλής ισχύος, εξαιτίας της μικρής εσωτερικής αντίστασης, δηλαδή ικανότητα ταχείας φόρτισης και εκφόρτισης, οι ελάχιστες 33

35 απαιτήσεις συντήρησης, η λειτουργία σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, από -40 ο C έως +65 ο C, η σημαντική αντοχή σε υπερφόρτιση και υπερθέρμανση και ο μεγάλος αριθμός κύκλων φόρτισης εκφόρτισης. [10], [11] Σύγκριση μπαταριών και υπερπυκνωτών Από την παραπάνω περιγραφή των μπαταριών και των υπερπυκνωτών γίνονται αντιληπτά οι ιδιαιτερότητες και τα χαρακτηριστικά τους. Συγκρίνοντας αυτά τα χαρακτηριστικά των υπερπυκνωτών με τις ευρέως διαδεδομένες και χρησιμοποιούμενες μπαταρίες NiMH (Nickel Metal Hydride) και ιόντων λιθίου (LiON),(Πίνακας ), παρατηρούμε πως το ειδικό κόστος ενέργειας ($/Wh) των υπερπυκνωτών είναι αρκετά υψηλό, σε σχέση με τις μπαταρίες, εξαιτίας της πολύ μικρότερης ικανότητας για αποθήκευση ενέργειας. Αντίθετα, το ειδικό κόστος ισχύος ($/kw) είναι μικρότερο συγκρινόμενο με εκείνο των μπαταριών κάθε τύπου. Στοιχείο Ειδική ενέργεια (Wh/kg) Ειδικό κόστος ενέργειας ($/Wh) Ειδικό κόστος ισχύος ($/kw) Κύκλοι λειτουργίας Υπερπυκνωτής Μπαταρία NiMH Μπαταρία LiON Πίνακας Σύγκριση υπερπυκνωτών με μπαταρίες NiMH και LiON Επομένως οι υπερπυκνωτές παρουσιάζουν υψηλή πυκνότητα ισχύος (W/kg) σε σχέση με τις μπαταρίες, αλλά μικρότερη ως προς τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, γεφυρώνοντας έτσι το μεταξύ τους χάσμα, ως προς τις επιδόσεις ειδικής ενέργειας και ισχύος. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα Ragone (Σχήμα ), όπου φαίνονται συγκριτικά αυτές οι ιδιότητες μεταξύ μπαταριών πυκνωτών και υπερπυκνωτών. Το διάγραμμα Ragone παρουσιάζει την ενεργειακή πυκνότητα ως προς την πυκνότητα ισχύος για τις διάφορες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. 34

36 Σχήμα Διάγραμμα Ragone (Πηγή: Wikipedia) Στις μπαταρίες η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται σε χημικές διεργασίες. Για το λόγο αυτό ο αριθμός των κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης είναι περιορισμένος. Αντίθετα, στους υπερπυκνωτές η ενέργεια αποθηκεύεται ηλεκτροστατικά, μέσω διαχωρισμού φορτίων, με αποτέλεσμα ο αριθμός των κύκλων λειτουργίας να είναι πολύ μεγαλύτερος. Τα παραπάνω κάνουν τους υπερπυκνωτές να έχουν και πολύ μεγαλύτερη αξιοπιστία και διάρκεια ζωής αλλά και να είναι φιλικότεροι προς το περιβάλλον. Τέλος, είναι φανερό, πως οι υπερπυκνωτές είναι κατάλληλοι για εφαρμογές σε παλμικά φορτία, όπως σε ένα ανελκυστήρα, στα οποία απαιτείται η παροχή υψηλής ισχύος για μικρό χρονικό διάστημα. Για τους λόγους αυτούς, στην παρούσα διπλωματική, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθούν συστοιχίες υπερπυκνωτών EDLCs για την αποθήκευση και επαναχρησιμοποίηση της ισχύος πέδησης. 35

37 4. Βασικές αρχές της ασαφούς λογικής Σε αυτή την ενότητα θα γίνει μια αναφορά στις βασικές αρχές της ασαφούς λογικής (fuzzy logic), πάνω στην οποία βασίζεται το Ασαφές Σύστημα Ελέγχου (Fuzzy Control System) το οποίο υλοποιήθηκε για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματικής. Αρχικά θα γίνει μία εισαγωγή, όπου θα γίνει αναφορά στον δημιουργό αυτής της θεωρίας και παράλληλα θα δοθεί μια ερμηνεία της ασαφούς λογικής συγκριτικά με την Αριστοτέλεια δυαδική ή δίτιμη λογική, φανερώνοντας τα πλεονεκτήματά της στη σχεδίαση συστημάτων. Έπειτα, θα περιγραφούν έννοιες όπως τα ασαφή σύνολα (fuzzy sets), οι συναρτήσεις συμμετοχής (membership functions), και οι ασαφείς λεκτικοί κανόνες (fuzzy linguistic rules), υπόβαθρο για τον σχεδιασμό του ασαφούς συστήματος ελέγχου. Τέλος, θα περιγραφεί η βασική δομή και λειτουργία ενός τέτοιου ελεγκτή. 4.1 Εισαγωγή Το 1965 ο καθηγητής Lotfi A. Zadeh διατύπωσε στην εργασία του για πρώτη φορά τη θεωρία της ασαφούς λογικής υποστηρίζοντας ότι οι περισσότερες ανθρώπινες σκέψεις είναι ασαφείς, και ότι η δυαδική λογική δεν είναι σε θέση να προσομοιώσει αυτό τον τρόπο σκέψης. Ο L.A.Zadeh ήταν ουσιαστικά αυτός που έθεσε τα θεμέλια της ασαφούς λογικής, ανοίγοντας παράλληλα το δρόμο και για τις πρακτικές εφαρμογές της, ιδιαίτερα στον έλεγχο συστημάτων. Τα συστήματα ασαφούς λογικής καταφέρνουν να εξομοιώσουν καλύτερα την ανθρώπινη συμπεριφορά-νοημοσύνη καθώς και τις φυσικές γλωσσικές έννοιες και έτσι συχνά αναφέρονται ως ένα είδος συστημάτων με τεχνητή νοημοσύνη. Μετά από τις φυσιολογικές αρχικές αμφισβητήσεις της νέας θεωρίας, σύντομα ακολούθησαν οι τεχνολογικές εφαρμογές της ασαφούς λογικής, κυρίως στα δυναμικά μηγραμμικά συστήματα ελέγχου, όπου τα συμβατικά μαθηματικά μοντέλα δεν ανταποκρίνονταν ικανοποιητικά. [3] Με τον παραδοσιακό τρόπο η σχεδίαση ενός ελεγκτή είναι βασισμένη στην απόλυτη περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου του συστήματος προς έλεγχο. Στα πραγματικά συστήματα όμως, τις περισσότερες φορές, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ή δεν υπάρχει το ακριβές μαθηματικό μοντέλο που να εκφράζει τον τρόπο συνάρτησης της εξόδου από τις εισόδους του συστήματος. Έτσι ένα ευφυές σύστημα είναι απαραίτητο, το οποίο μέσω ενός συνόλου απλών λεκτικών κανόνων (linguistic rules), μπορεί να μοντελοποιήσει την γνώση και την εμπειρία ενός πεπειραμένου χρήστη. Με τον τρόπο αυτό διαμορφώνεται ένα σύστημα βασισμένο στη γνώση (knowledge based system) το οποίο οδηγεί σε απλούστερα μοντέλα που είναι πιο εύχρηστα και πιο κοντά στην ανθρώπινη λογική. 36

38 Η ασαφής λογική είναι μια πλειότιμη επέκταση της κλασσικής δίτιμης Αριστοτέλειας λογικής και βασίζεται στην επέκταση της έννοιας του κλασσικού συνόλου, που ορίζεται στο δίτιμο σύνολο {0,1}. Δηλαδή, αντί μια μεταβλητή να παίρνει μόνο δυο τιμές 0 και 1, να μπορεί να παίρνει άπειρες τιμές στο κλειστό διάστημα [0,1]. Επομένως, η ασαφής λογική δέχεται ότι ένα στοιχείο έχει τη δυνατότητα και να ανήκει και να μην ανήκει σε ένα σύνολο ανάλογα με τον βαθμό συμμετοχής του σε αυτό, σε αντίθεση με την κλασσική λογική όπου υπάρχει σαφής διάκριση των στοιχείων που ανήκουν σε ένα σύνολο από αυτά που δεν ανήκουν. [3] Η παραπάνω περιγραφή εισάγει την έννοια του ασαφούς συνόλου. 4.2 Θεωρητική ανάλυση ασαφούς λογικής Ασαφές σύνολο, λεκτικές μεταβλητές και συνάρτηση συμμετοχής Ασαφές σύνολο ονομάζεται ένα σύνολο του οποίου τα όρια δεν είναι απόλυτα καθορισμένα και το οποίο περιέχει στοιχεία με διαφορετικούς βαθμούς συμμετοχής σε αυτό. [1] Για να γίνει πιο κατανοητή η έννοια του ασαφούς συνόλου, θα γίνει σύγκρισή του με το κλασσικό σύνολο (crisp set), με την βοήθεια ενός παραδείγματος. Όταν χωρίζουμε το ύψος των ανθρώπων σε κατηγορίες-κλάσεις, έχουμε συνήθως κλάσεις όπως Κοντός: [1,50-1,70 m], Μέτριος: [1,71-1,9 m], Ψηλός: [1,91-2,1 m]. Παρατηρούμε ότι ενώ τα ύψη 1,70 και 1,71 είναι γειτονικά και συγγενέστερα απ ότι π.χ. τα 1,55 και 1,70, παρόλα αυτά διαμερίζονται κλασσικά σε τελείως ξένες κατηγορίες. Παρατηρούμε λοιπόν μια αβεβαιότητα η οποία γίνεται μέγιστη στο σύνορο μεταξύ δύο διαφορετικών ασαφών καταστάσεων. Μέσω των παραδοσιακών-κλασσικών συνόλων αυτή η αβεβαιότητα αγνοείται. Τέτοιες αδυναμίες έκφρασης ασαφών δεδομένων και καταστάσεων καλύπτονται βέλτιστα μέσω των ασαφών συνόλων και ειδικότερα μέσω των ασαφών λεκτικών μεταβλητών (linguistic variables) που χαρακτηρίζουν κάθε ασαφές σύνολο. Αυτές οι λεκτικές μεταβλητές διευκολύνουν βαθμιαίες μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών ασαφών καταστάσεων, μέσω των οριακών επικαλύψεων (overlaps) (Σχήμα ) και συνεπώς έχουν την ικανότητα να εκφράζουν και να αποδίδουν καλύτερα την αβεβαιότητα ή την υποκειμενικότητα, συγκριτικά με τις κλασσικές μεταβλητές. Επομένως, ανταποκρίνονται καλύτερα στην λήψη αποφάσεων σύμφωνα με την ανθρώπινη λογική. [2] 37

39 Σχήμα : Ασαφής μεταβλητή Ύψος με ασαφή διαμέριση και επικαλύψεις Οι καμπύλες που παρουσιάζονται στο σχήμα και περιγράφουν τα ασαφή σύνολα ως προς το υπερσύνολο αναφοράς (universe of discourse) 2, είναι οι γραφικές παραστάσεις των συναρτήσεων συμμετοχής. Μια συνάρτηση συμμετοχής, η οποία συνήθως συμβολίζεται με το γράμμα μ, είναι μια καμπύλη η οποία ορίζει σε ποιο βαθμό κάθε στοιχείο του ασαφούς συνόλου αντιστοιχίζεται σε ένα βαθμό συμμετοχής, στο κάθε ασαφές υποσύνολο, από το 0 μέχρι το 1 και ορίζεται ως εξής: Όπου Χ το υπερσύνολο αναφοράς. Η μορφή των συναρτήσεων συμμετοχής ποικίλει ανάλογα με την εφαρμογή. Οι συνηθέστερες μορφές συναρτήσεων συμμετοχής είναι (Σχήμα ): (4.1) η τριγωνική: 0 x a x a a x b b a tri_mf(x)= c x b x c c b 1 x c (4.2) Οι παράμετροι α, b, c καθορίζουν τις τρεις κορυφές της τριγωνικής συνάρτησης συμμετοχής. 2 Ως υπερσύνολο αναφοράς (universe of discourse) ορίζεται το σύνολο στο οποίο παίρνει τιμές η κάθε ασαφής μεταβλητή (πεδίο ορισμού συναρτήσεων συμμετοχής). 38

40 η τραπεζοειδής: 0 x a x a a x b b a trap_mf(x)= 1 b x c d x c x d d y 1 x d (4.3) Οι παράμετροι α, b, c, d καθορίζουν τις συντεταγμένες των τεσσάρων κορυφών του τραπεζίου. η γκαουσιανή: gauss_mf(x)=e 1 x c ( ) 2 2 (4.4) Η συνάρτηση Gauss είναι συμμετρική και περιγράφεται πλήρως από τα c και σ. Το c καθορίζει το κέντρο της Γκαουσιανής κατανομής, δηλαδή το σημείο στο οποίο εστιάζεται η συνάρτηση συμμετοχής. Το σ είναι η τυπική απόκλιση της κατανομής και ελέγχει τη διασπορά, δηλαδή το εύρος της συνάρτησης συμμετοχής. Σχήμα : Διάφορες μορφές συναρτήσεων συμμετοχής Συνοψίζοντας, μια ασαφής μεταβλητή (π.χ. ύψος), μπορεί να περιγραφεί από τις λεκτικές μεταβλητές (π.χ. κοντός, μέτριος, ψηλός). Σε κάθε μία από τις λεκτικές μεταβλητές αντιστοιχεί ένα ασαφές σύνολο που περιγράφεται από την συνάρτηση συμμετοχής του. 39

41 4.2.2 Βασικές ιδιότητες και πράξεις ασαφών συνόλων Οι βασικές ιδιότητες των ασαφών συνόλων είναι: α-τομή (a-cut): Είναι ένα κλασσικό σύνολο Α α που περιλαμβάνει όλα τα χ τα οποία έχουν βαθμό συμμετοχής τουλάχιστον α, δηλαδή:, α [0, 1] (4.5) Στήριγμα (support): Είναι το σύνολο όλων των στοιχείων για τα οποία έχουμε μ(χ)>0, δηλαδή: (4.6) Ύψος (height): Είναι η μέγιστη τιμή της συνάρτησης συμμετοχής μ(χ) που συμβαίνει πάνω σε όλο το υπερσύνολο αναφοράς Χ, δηλαδή: (4.7) Οι βασικές πράξεις μεταξύ των ασαφών συνόλων, έστω Α,Β, περιγράφονται με βάση τις πράξεις επί των συναρτήσεων συμμετοχής τους μ Α (χ), μ Β (χ) και είναι οι εξής: Ένωση (Σχήμα ): Συμβολίζεται ως και ορίζεται ως εξής: (4.8) Σχήμα : Ένωση ασαφών συνόλων Α, Β Τομή (Σχήμα ): Συμβολίζεται ως και ορίζεται ως εξής: (4.9) 40

42 Σχήμα : Τομή ασαφών συνόλων Α, Β Συμπλήρωμα (Σχήμα ): Δυο ασαφή σύνολα καλούνται συμπληρωματικά όταν: (4.10) Σχήμα : Συμπλήρωμα ασαφούς συνόλου Α Οι ορισμοί των βασικών τελεστών μεταξύ των ασαφών συνόλων, αποτελούν ουσιαστικά επεκτάσεις των αντίστοιχων εννοιών της κλασσικής θεωρίας συνόλων. Η διαφορά τους έγκειται στο γεγονός ότι ενώ στην κλασσική θεωρία ο βαθμός συμμετοχής περιορίζεται στις τιμές {0, 1}, στην ασαφή θεωρία συνόλων μπορεί να παίρνει τιμές στο διάστημα [0, 1]. 41

43 4.2.3 Οι ασαφείς λεκτικοί κανόνες (fuzzy linguistic rules) Το ασαφές σύστημα είναι ένα σύνολο από IF-THEN ασαφείς κανόνες, οι οποίοι αποτελούν την βάση της γνώσης (knowledge base) και αντιστοιχίζουν λέξεις εισόδους, σε λέξεις εξόδους. Οι ασαφείς κανόνες είναι λεκτικές-γλωσσικές εκφράσεις της μορφής: IF x is A AND y is B THEN z is C Όπου x, y είναι οι ασαφείς μεταβλητές είσοδοι του συστήματος, z η ασαφής μεταβλητή έξοδος και A, B, C οι λεκτικές μεταβλητές (ασαφή σύνολα). Ο σύνδεσμος AND εκφράζει την ασαφή τομή μεταξύ των ασαφών συνόλων. Άλλοι λογικοί τελεστές είναι οι OR και NOT και εκφράζουν την ασαφή ένωση και άρνηση αντίστοιχα. Ο αριθμός των ασαφών μεταβλητών (εισόδων) και των ασαφών συνόλων, καθορίζουν τον αριθμό των ασαφών λεκτικών κανόνων που θα συνθέτουν το ασαφές σύστημα ελέγχου. Δηλαδή, αν έχουμε n εισόδους με m ασαφή σύνολα η καθεμιά στον άξονά της, τότε προκύπτουν m n κανόνες, με την προϋπόθεση το σύστημα να έχει μια έξοδο. [2] Βασική δομή του ασαφούς ελεγκτή (fuzzy controller) Οι μετρητικές διατάξεις των συστημάτων δίνουν φυσικές-καθορισμένες (crisp) μετρήσεις, επομένως οι είσοδοι του ασαφούς ελεγκτή, αλλά και η έξοδός του, θα είναι φυσικέςκλασσικές μεταβλητές. Άρα για την λειτουργία του ασαφούς ελεγκτή, είναι απαραίτητες δυο διαδικασίες, ώστε οι μεταβλητές εισόδου του να είναι ασαφείς και η έξοδος που θα δίνει να είναι μια καθορισμένη-κλασσική τιμή. Αυτές είναι η ασαφοποίηση (fuzzification) των εισόδων του ελεγκτή και η από-ασαφοποίηση (defuzzification) της εξόδου του. Ο ασαφής ελεγκτής αποτελείται από τρία μέρη όπως φαίνεται και παρακάτω στο σχήμα Αυτά είναι ο Ασαφοποιητής (Fuzzifier), η Διαδικασία Εξαγωγής Αποτελεσμάτων (Inference Unit) και ο Αποασαφοποιητής (Defuzzifier). [1] Σχήμα Βασική δομή ασαφούς ελεγκτή 42

44 Α. Ασαφοποιητής: Στο στάδιο της ασαφοποίησης, ο ασαφοποιητής μετατρέπει τις φυσικές μεταβλητές της διαδικασίας σε ασαφείς. Οι είσοδοι του συστήματος ασαφοποιούνται, στην περιοχή ορισμού τους, από προκαθορισμένα ασαφή σύνολα με λεκτικές μεταβλητές. Η συνάρτηση συμμετοχής και ο βαθμός συμμετοχής εξαρτώνται από την ακρίβεια που έχει οριστεί κατά τη σχεδίαση του συστήματος. Β. Διαδικασία εξαγωγής αποτελεσμάτων: Στο στάδιο αυτό πραγματοποιείται ανίχνευση όλων των ασαφών κανόνων στη βάση γνώσης, με σκοπό να υπολογιστεί ο βαθμός συμμετοχής. Οι κανόνες με μικρό βαθμό συμμετοχής συμβάλουν ελάχιστα στην τελική απόφαση, ενώ οι κανόνες με μεγάλο βαθμό συμμετοχής είναι οι κυρίαρχοι. Τα τελικά ασαφή σύνολα εξόδου εξαρτώνται από τον τύπο της συνεπαγωγής που θα επιλεγεί. Οι δημοφιλέστερες συνεπαγωγές είναι οι συνεπαγωγές του Mamdani και του Larsen. Οι συνεπαγωγές κατά Mamdani χρησιμοποιούν το καρτεσιανό γινόμενο τομής { ενώ οι συνεπαγωγές κατά Larsen το καρτεσιανό αλγεβρικό γινόμενο { }. Επίσης υπάρχει και η συνεπαγωγή Sugeno η οποία παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με τη συνεπαγωγή Mamdani. Η κύρια διαφορά τους σχετίζεται με τις συναρτήσεις συμμετοχής της εξόδου, οι οποίες είναι γραμμικές ή σταθερές. Έτσι δεν απαιτείται διαδικασία αποσαφήνισης. Το μοντέλο Sugeno είναι καταλληλότερο για μαθηματική ανάλυση ενώ το μοντέλο Mamdani είναι πιο διαισθητικό και προσεγγίζει καλύτερα την ανθρώπινη λογική. Γ. Αποασαφοποιητής: Το τελευταίο στάδιο ενός ασαφούς ελεγκτή είναι η απόασαφοποίηση (defuzzification) της ασαφούς εξόδου σε σαφή-καθορισμένη τιμή. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές από-ασαφοποίησης. Η επιλογή της κάθε μιας μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην ταχύτητα και την ακρίβεια του ασαφούς ελεγκτή. Οι συνηθέστερες μέθοδοι από-ασαφοποίησης είναι οι ακόλουθες: Αποασαφοποίηση κέντρου βάρους (Center of Area, COA): Αυτή είναι η συνηθέστερη και αποτελεσματικότερη μέθοδος αποασαφοποίησης. Στην τεχνική αυτή, υπολογίζεται το κέντρο βάρους όλων των συναρτήσεων συμμετοχής, του αριθμού των κανόνων που έχουν ενεργοποιηθεί, σταθμισμένων με τον βαθμό εκπλήρωσης (degree of fulfillment) κάθε κανόνα. Το τελικό αποτέλεσμα στην περίπτωση που οι συναρτήσεις είναι συμμετρικές είναι: (4.11) Ένα πιθανό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι ευνοεί τις κεντρικές τιμές του συνόλου αναφοράς (universe of discourse) και αυτό λόγω της πολυπλοκότητας του συστήματος μπορεί να οδηγήσει σε αρκετά αργούς κύκλους συνεπαγωγής αποτελεσμάτων. Αποασαφοποίηση μεγίστου και μέσου όρου μεγίστων (Mean of Maxima, MOM): Ένας απλός τρόπος αποασαφοποίησης της εξόδου είναι να πάρουμε εκείνη την κλασσική τιμή του ασαφούς συνόλου εξόδου, όπου η συνάρτηση συμμετοχής της εξόδου παρουσιάζει μέγιστο. Δηλαδή, εκείνο το στοιχείο με τον μεγαλύτερο βαθμό συμμετοχής. Αν 43

45 υπάρχουν περισσότερα στοιχεία που παρουσιάζουν μέγιστο βαθμό συμμετοχής, τότε λαμβάνεται ο μέσος όρος των τιμών αυτών, δηλαδή: (4.12) Η μέθοδος αυτή είναι πιο γρήγορη από την COA και επιπλέον επιτρέπει στον ελεγκτή να πιάσει τιμές κοντά στα άκρα του συνόλου αναφοράς. Παρόλα αυτά, μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν λαμβάνει υπόψη το συνολικό σχήμα της συνάρτησης συμμετοχής της ασαφούς εξόδου. [2] Τέλος, υπάρχουν και άλλες μέθοδοι αποασαφοποίησης, παραλλαγές των παραπάνω βασικών μεθόδων. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου αποασαφοποίησης, είναι υποκειμενική και εξαρτάται κάθε φορά από το ποια ανταποκρίνεται καλύτερα στις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής. Γενικά, ο σχεδιασμός ενός καλού ασαφούς ελεγκτή, απαιτεί πολύ καλή γνώση και εμπειρία της διαδικασίας και της λειτουργίας και του συνολικού συστήματος που υπόκεινται σε έλεγχο. Η γνώση αυτή μπορεί να αποκτηθεί αναλύοντας τις αποκρίσεις του συστήματος δίνοντας τις κατάλληλες εισόδους. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε πολλαπλές φορές, κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής, προκειμένου να κατανοηθεί πλήρως η συμπεριφορά του συστήματος και να σχεδιαστεί σωστά ο ασαφής ελεγκτής. 44

46 5. Μοντέλο προσομοίωσης στο Matlab/Simulink Στο κεφάλαιο αυτό θα αναφερθούν αρχικά τα κατασκευαστικά στοιχεία της εγκατάστασης του μηχανικού ανελκυστήρα, όπως το βάρος του θαλάμου και του αντίβαρου, το ύψος του κτιρίου και τα χαρακτηριστικά του κινητήρα, ώστε να γίνονται περισσότερο κατανοητά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, καθώς αυτές έγιναν για συγκεκριμένη εφαρμογή. Έπειτα, θα γίνει περιγραφή της διάταξης η οποία σχεδιάστηκε στην εργαλειοθήκη του Matlab 2013a, Simulink, για της ανάγκες των προσομοιώσεων της παρούσας διπλωματικής και την εξαγωγή των αποτελεσμάτων. 5.1 Κατασκευαστικά στοιχεία εγκατάστασης Χαρακτηριστικά κτηρίου και ανελκυστήρα Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις, σχεδιάστηκε έτσι ώστε να μπορεί να έχει εφαρμογή σε διάφορες εγκαταστάσεις ανελκυστήρων, με διαφορετικά χαρακτηριστικά η κάθε μια, με την αλλαγή ελάχιστων παραμέτρων του μοντέλου. Παρόλα αυτά, η συγκεκριμένη μελέτη υλοποιήθηκε για κτίριο και εγκατάσταση ανελκυστήρα ατόμων με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, τα οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα : Αριθμός ορόφων κτηρίου 10 Ύψος ορόφου 3m Ύψος κτηρίου 30m Μέγιστος αριθμός ατόμων 8 Ωφέλιμο φορτίο (Σχ. 1.3) 600kg Βάρος θαλάμου κ συρματόσκοινων (Σχ. 1.4) 500kg Αντίβαρο (Σχ. 1.5) 800kg Μέγιστος χρόνος παραμονής στο θάλαμο 40sec Πίνακας : Χαρακτηριστικά κτηρίου και ανελκυστήρα 45

47 5.1.2 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά κινητήρα Ο κινητήριος μηχανισμός που χρησιμοποιήθηκε για την συγκεκριμένη εφαρμογή που μελετήθηκε, είναι μια σύγχρονη μηχανή μονίμου μαγνήτη τύπου gearless G300-T0 της εταιρίας Alberto Sassi S.p.A. με ενσωματωμένη την τροχαλία στον άξονά της. Η μηχανή εικονίζεται στο σχήμα και οι λόγοι της συγκεκριμένης επιλογής περιγράφηκαν στην παράγραφο Η μηχανή έχει τα ακόλουθα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τα οποία παρουσιάζονται στον πίνακα : Ονομαστική Ισχύς (P ον ) 4.5kW Ονομαστική Τάση (V ον ) 400V Ονομαστικό Ρεύμα (Ι ον ) 12.4A Ονομαστική Ροπή (Τ ον ) 230Nm Ονομαστικές Στροφές (n ον ) 159rpm Αριθμός πόλων (p) 16 Ροπή αδράνειας (J m ) 1 kgm 2 Ακτίνα τροχαλίας (r) 0.12m Αντίσταση στάτη (R s ) 3.8 Ω Πίνακας : Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά μηχανής Σημείωση: Εξετάστηκε και μια ηλεκτρική μηχανή με παρόμοια τεχνικά χαρακτηριστικά και αντίσταση στάτη 1 Ω. 5.2 Η διάταξη στο Simulink Σε αυτή την ενότητα θα γίνει η παρουσίαση και η περιγραφή του μοντέλου που σχεδιάστηκε, για την μελέτη του αντικειμένου της παρούσας διπλωματικής. Αρχικά, παρουσιάζεται το πλήρες μοντέλο της διάταξης στο περιβάλλον του Simulink, και στη συνέχεια, περιγράφονται τα στοιχεία που το απαρτίζουν, ώστε να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας του Πλήρες μοντέλο της διάταξης Το πλήρες μοντέλο της διάταξης που σχεδιάστηκε παρουσιάζεται στο σχήμα Η κύρια λειτουργία της διάταξης αυτής είναι η βέλτιστη αξιοποίηση του συστήματος ανάκτησης ενέργειας (KERS), δηλαδή η καλύτερη εκμετάλλευση της ενέργειας που ρέει από και προς τους υπερπυκνωτές. Ο έλεγχος της ροής ενέργειας, προκειμένου να επιτευχθεί ο 46

48 παραπάνω στόχος, γίνεται ρυθμίζοντας το προφίλ ταχύτητας του ανελκυστήρα, λαμβάνοντας υπόψη διάφορες παραμέτρους του συστήματος. Για τον λόγο αυτό, σχεδιάστηκε ένα σύστημα μεταβλητής ταχύτητας του ανελκυστήρα, μέσω ενός ασαφούς ελεγκτή (Fuzzy Logic Controller). Ο ασαφής ελεγκτής θα δίνει το ιδανικό προφίλ κίνησης ως αναφορά, την οποία θα πρέπει να ακολουθήσει η μηχανή, ανάλογα με τις συνθήκες κίνησης του θαλάμου και την κατάσταση φόρτισης των υπερπυκνωτών. Στη συνέχεια, ο έλεγχος της ταχύτητας, πραγματοποιείται μέσω ενός PI ελεγκτή (Speed Controller) και του διανυσματικού ελέγχου της μηχανής (VECT), ο οποίος παράγει τους παλμούς των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα. Τα κέρδη του PI ελεγκτή ταχύτητας επιλέχθηκαν έπειτα από μια σειρά δοκιμών και προσομοιώσεων. Δεν θα γίνει επεξήγηση της λειτουργίας του διανυσματικού ελέγχου και της τεχνικής υλοποίησης του αντιστροφέα, καθώς αυτά θεωρούνται γνωστά και δεν αποτελούν το βασικό αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής. Σχήμα : Πλήρες μοντέλο της διάταξης σε περιβάλλον Simulink Στο πλήρες μοντέλο που παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήμα, διακρίνεται και η διάταξη ισχύος KERS, συνδεδεμένη στο dc-link, μέσω της οποίας γίνεται η αποθήκευση και η επαναχρησιμοποίηση της ισχύος πέδησης, με την χρήση υπερπυκνωτών. Η αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας της διάταξης KERS και του ασαφούς ελεγκτή γίνεται στις επόμενες υποενότητες. 47

49 5.2.2 Μοντέλο προσομοίωσης της διάταξης KERS Το μοντέλο προσομοίωσης της διάταξης εξοικονόμησης ενέργειας αποτελείται από τον αμφίδρομο μετατροπέα συνεχούς ρεύματος 3 (bidirectional dc-dc converter) συνδεδεμένο στο dc-link, τον ελεγκτή του μετατροπέα (Controller) και την συστοιχία των υπερπυκνωτών, η οποία μοντελοποιείται στο εικονίδιο Co-Ca, όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα : Μοντέλο προσομοίωσης της διάταξης KERS στο Simulink Στην διάταξη αυτή εφαρμόζονται τεχνικές για τον έλεγχο της τάσης των υπερπυκνωτών στα επιτρεπτά όρια λειτουργίας (230V-460V), για την αποφυγή υπερεντάσεων στην επαγωγή, χαμηλής τάσης στο dc-link, όπως και αρχικής εκκίνησης του συστήματος με αφόρτιστους υπερπυκνωτές. Στο εικονίδιο breaking chopper του παραπάνω σχήματος μοντελοποιείται η αντίσταση πέδησης και ο πυκνωτής εξομάλυνσης της τάσης στο dc-link Ο ελεγκτής του αμφίδρομου μετατροπέα (Controller) Οι συμπληρωματικοί παλμοί οδήγησης των διακοπτών του αμφίδρομου μετατροπέα G 1 και G 2 παράγονται από τον Controller που φαίνεται στο σχήμα Η δομή του παρουσιάζεται στο σχήμα Από τα εικονίδια του Controller ψηφιακά υλοποιούνται μόνο τα Hci, Hcu και ENABLE, με συχνότητα δειγματοληψίας 20KHz. Οι υπόλοιπες λειτουργίες του ελεγκτή υλοποιούνται αναλογικά. 3 Η θεωρητική περιγραφή του αμφίδρομου μετατροπέα έγινε στην υποενότητα του κεφαλαίου 3. 48

50 Σχήμα : Μοντελοποίηση του ελεγκτή (εικονίδιο Controller) Το εικονίδιο Hci υλοποιεί τον PI ελεγκτή του ρεύματος. Στο σχήμα ο συντελεστής Κi αντιστοιχεί στο αναλογικό κέρδος Κp του PI, ενώ ο πολλαπλασιασμός Ki wzi αντιστοιχεί στο ολοκληρωτικό κέρδος ΚI του PI ελεγκτή. Το σήμα εξόδου u ci του PI ελεγκτή ρεύματος περιορίζεται, ώστε ο κύκλος λειτουργίας των διακοπτών να βρίσκεται στην περιοχή από 20% έως 92% και με τη χρήση μιας διάταξης anti-windup αποτρέπεται ο κορεσμός του ολοκληρωτή. Οι είσοδοι αυτού του ελεγκτή είναι το ρεύμα της επαγωγής φιλτραρισμένο από αναλογικό φίλτρο 2 ης τάξης με συχνότητα αποκοπής ω i =2 π 2000r/s και την αναφορά του ρεύματος στην επαγωγή που παράγει ο ελεγκτής τάσης Hcu. Σχήμα : PI ελεγκτής του ρεύματος (εικονίδιο Hci) 49

51 Οι παλμοί παράγονται από το σήμα u ci μέσω του εικονιδίου PWM (Σχήμα ). Οι παλμοί με τον κατάλληλο κύκλο λειτουργίας, προκύπτουν από την σύγκριση του σήματος εισόδου u ci με ένα τριγωνικό σήμα πλάτους ±10V και συχνότητας 20kHz. Σχήμα : Παραγωγή των παλμών PWM (εικονίδιο PWM) Ο ελεγκτής της τάσης στο dc-link, ο οποίος παράγει την αναφορά του ρεύματος στην επαγωγή, με την μέγιστη τιμή του να περιορίζεται στα ±10Α, υλοποιείται στο εικονίδιο Hcu, η δομή του οποίου παρουσιάζεται στο σχήμα Πρόκειται για έναν PI ελεγκτή που έχει την ίδια μορφή με τον PI ελεγκτή του ρεύματος, με την διαφορά ότι η τιμή του κέρδους Kp δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας του συστήματος. Σχήμα : PI ελεγκτής της τάσης στο dc-link (εικονίδιο Hcu) Πιο συγκεκριμένα, σε λειτουργία της μηχανής από τον αμφίδρομο μετατροπέα, το κέρδος Kp του ελεγκτή παίρνει την τιμή Ku1 =-0.07, ενώ σε λειτουργία της μηχανής από το δίκτυο, το κέρδος Kp του ελεγκτή παίρνει την τιμή Ku2 = Το κέρδος ΚI ισούται με KI=Kp wzu. Η τιμή του συντελεστή wzu είναι σταθερή και ίση με 8r/s. Η επιλογή του κατάλληλου κέρδους πραγματοποιείται μέσω του διακόπτη Sw1, ανάλογα με την τιμή της τάσης στο dc-link. Ειδικότερα, το κέρδος Kp παίρνει την τιμή Ku1 όταν η τάση στο dc-link υπερβεί τα 580V και 50

52 την τιμή Ku2 όταν η τάση μειωθεί κάτω από τα 550V. Η τάση αναφοράς ρου ελεγκτή είναι σταθερή και επιλέχθηκε ίση με 580V. Το εικονίδιο Hcu εκτός από τον PI ελεγκτή τάσης περιλαμβάνει και ψηφιακά φίλτρα δεύτερης τάξης με συχνότητα αποκοπής 200Hz, τα οποία φιλτράρουν την τάση εξόδου u 0 και την τάση του dc-link u dc. Ακόμη, ο διακόπτης Sw2 θέτει το ρεύμα αναφοράς της επαγωγής στην τιμή +6Α, όταν η τάση εξόδου μειωθεί κάτω από τα 210V. Ο διακόπτης Sw2 λειτουργεί σε συνδυασμό με τον παλμό S από το εικονίδιο ENABLE. Το εικονίδιο ENABLE παράγει το σήμα απενεργοποίησης των διακοπτών του μετατροπέα (ΕΝ), όταν το επιβάλλουν οι τιμές των τάσεων u 0 και u dc. Η δομή του εικονιδίου ENABLE παρουσιάζεται στο σχήμα : Σχήμα : Παραγωγή σήματος ΕΝ και παλμού S (εικονίδιο ENABLE) Το σήμα απενεργοποίησης των διακοπτών (ΕΝ) παράγεται όταν: Η τάση στο dc-link είναι μικρότερη από 480V. Η τάση εξόδου αυξηθεί πάνω από 460V και η αναφορά του ρεύματος στην επαγωγή είναι θετική, δηλαδή έχουμε φόρτιση των υπερπυκνωτών (λειτουργία γεννήτριας). Η τάση εξόδου μειωθεί κάτω από τα 230V και η αναφορά του ρεύματος στην επαγωγή είναι αρνητική, δηλαδή έχουμε εκφόρτιση των υπερπυκνωτών (λειτουργία κινητήρα). Επιπλέον, μια άλλη λειτουργία του ελεγκτή είναι, όταν η τάση εξόδου μειωθεί κάτω από τα 210V, μέσω του παλμού S, οι διακόπτες του μετατροπέα λειτουργούν με έλεγχο υστέρησης ρεύματος, που υλοποιείται στο εικονίδιο Pulse. Ταυτόχρονα, ο διακόπτης Sw2 στο εικονίδιο 51

53 Hcu θέτει την αναφορά του ρεύματος στην επαγωγή στα +6Α, απενεργοποιώντας τον ελεγκτή τάσης. Στο εικονίδιο Pulse, παράγονται οι συμπληρωματικοί παλμοί οδήγησης των διακοπτών του αμφίδρομου μετατροπέα, με νεκρό χρόνο 2μs (Σχήμα ). Σχήμα : Παραγωγή συμπληρωματικών παλμών οδήγησης (G1, G2) και έλεγχος υστέρησης ρεύματος στην επαγωγή Ο διακόπτης Sw1 του παραπάνω σχήματος, ανάλογα με την κατάσταση του παλμού S, επιλέγει είτε τους παλμούς PWM για την οδήγηση των διακοπτών (κανονική λειτουργία μετατροπέα), είτε τον έλεγχο των διακοπτών με υστέρηση ρεύματος στην επαγωγή εντός των ορίων από 3Α έως 6Α (φόρτιση υπερπυκνωτών) Η συστοιχία των υπερπυκνωτών (Co Ca ) Η συστοιχία των υπερπυκνωτών του αμφίδρομου μετατροπέα μοντελοποιείται στο εικονίδιο Co Ca, όπως εικονίζεται στο σχήμα Οι υπερπυκνωτές έχουν συνολική ονομαστική χωρητικότητα 0.5F και ισοδύναμη αντίσταση σειράς 2Ω. Παράλληλα με τους υπερπυκνωτές συνδέεται ένα ηλεκτρολυτικός πυκνωτής αλουμινίου Ca με ολική χωρητικότητα 1467μF και ισοδύναμη αντίσταση σειράς 90mΩ. Επίσης, στο εικονίδιο Co Ca μετράται η τάση των υπερπυκνωτών (u 0 ), η οποία φιλτράρεται από ένα αναλογικό φίλτρο δεύτερης τάξης με συχνότητα αποκοπής ω u0 =2π 200r/s. Το φιλτραρισμένο αυτό σήμα της τάσης των υπερπυκνωτών οδηγείται στον Controller. 52

54 Σχήμα : Συστοιχία υπερπυκνωτών και μέτρηση της τάσης εξόδου (εικονίδιο Co Ca) Η συστοιχία των υπερπυκνωτών περιγράφεται με βάση ένα ισοδύναμο κύκλωμα τριών βαθμίδων RC, κατάλληλο για υψηλές συχνότητες (Σχήμα ). Σχήμα : Ισοδύναμο κύκλωμα υπερπυκνωτών τριών βαθμίδων Με R epr συμβολίζεται η ισοδύναμη παράλληλη αντίσταση των υπερπυκνωτών, η οποία εκφράζει το ρεύμα διαρροής, το οποίο προκαλεί την αργή αυτοεκφόρτιση των υπερπυκνωτών με το χρόνο. Οι αντιστάσεις R 1, R 2, R 3 αντιπροσωπεύουν την ισοδύναμη αντίσταση σειράς R esr, η οποία εκφράζει την ικανότητα παροχής ισχύος και τις απώλειες ισχύος των υπερπυκνωτών. Ο αριθμός των βαθμίδων εξαρτάται από την επιθυμητή ακρίβεια, σε σχέση με την μέγιστη συχνότητα λειτουργίας των υπερπυκνωτών. Βέβαια, όσο αυξάνεται ο αριθμός των βαθμίδων, τόσο πολυπλοκότερη είναι η διαδικασία ορισμού των τιμών τους και όσο αυξάνεται η συχνότητα λειτουργίας, τόσο μειώνεται και η χωρητικότητα των υπερπυκνωτών (σχεδόν γραμμικά, Σχήμα ). [12] 53

55 Σχήμα : Τυπική μείωση χωρητικότητας υπερπυκνωτή με την συχνότητα Για τον αμφίδρομο μετατροπέα έχει επιλεγεί διακοπτική συχνότητα 20kHz. Επομένως, σε αυτή τη συχνότητα η χωρητικότητα των υπερπυκνωτών ουσιαστικά μηδενίζεται, άρα, η κυμάτωση της τάσης δεν περιορίζεται επαρκώς, με κίνδυνο υπερφόρτισης και υπερθέρμανσής τους. Μεγαλύτερο, όμως, κίνδυνο για τους υπερπυκνωτές αποτελεί η μεγάλη ευαισθησία που παρουσιάζουν στην κυμάτωση του ρεύματος υψηλής συχνότητας και αυτό οφείλεται στην μεγάλη ισοδύναμη αντίσταση σειράς R esr που έχουν. Η κυμάτωση του ρεύματος προκαλεί αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας των υπερπυκνωτών με αποτέλεσμα την μείωση της διάρκειας ζωής τους. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιείται ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής αλουμινίου Ca, ο οποίος παρουσιάζει μικρή αντίσταση σειράς και λειτουργεί ως φίλτρο για τον περιορισμό της κυμάτωσης του ρεύματος. Τέλος, μια άλλη ιδιαιτερότητα των υπερπυκνωτών είναι πως η χωρητικότητά τους μειώνεται σχεδόν γραμμικά με την μείωση της τάσης τους. Έτσι, απαιτείται λειτουργία κοντά στην ονομαστική τάση λειτουργίας τους, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη αποθήκευση ενέργειας. Για το λόγο αυτό πραγματοποιείται έλεγχος της τάσης των υπερπυκνωτών, με επιτρεπτά όρια λειτουργίας από 230V έως 460V. Τα όρια αυτά της τάσης των υπερπυκνωτών καθορίζουν την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας αλλά και τα όρια της μέγιστης ισχύος φόρτισης ή εκφόρτισης των υπερπυκνωτών, αφού το μέγιστο ρεύμα στην επαγωγή έχει περιοριστεί στα 10Α, όπως φαίνεται από τις παρακάτω σχέσεις: (5.1) έως (5.2) 54

56 Καθώς η ονομαστική ισχύς του κινητήρα είναι 4.5kW, είναι φανερό γιατί έγιναν οι συγκεκριμένες επιλογές των ορίων τάσης και ρεύματος. Πρέπει όμως να τονιστεί, πως τα όρια της τάσης περιορίζονται κυρίως από την τάση εισόδου του μετατροπέα, γιατί αυτή επηρεάζει τον κύκλο λειτουργίας των διακοπτών. Σημειώνεται πως το παραπάνω μοντέλο των υπερπυκνωτών που σχεδιάστηκε, προσομοιώνει μια πραγματική διάταξη που αποτελείται από δύο παράλληλους κλάδους, ο καθένας από διακόσιους υπερπυκνωτές, σε συνδεσμολογία σειράς. Είναι πλέον φανερό, πως τα όρια τάσης και ρεύματος των υπερπυκνωτών, περιορίζουν και την ικανότητά τους για αποθήκευση ενέργειας και παροχή ισχύος. Για το λόγο αυτό είναι αναγκαίο το σύστημα μεταβλητής ταχύτητας που σχεδιάστηκε, ώστε να αξιοποιεί βέλτιστα την ανακτώμενη ενέργεια Η αντίσταση πέδησης και ο πυκνωτής εξομάλυνσης (breaking chopper) Η αντίσταση πέδησης είναι απαραίτητη, όταν κατά την διάρκεια πέδησης η τάση στο dc-link υπερβεί μια καθορισμένη τιμή, για την προστασία του πυκνωτή εξομάλυνσης. Αυτό συμβαίνει όταν οι υπερπυκνωτές είναι πλήρως φορτισμένοι και ο έλεγχος τους δεν επιτρέπει την ροή ισχύος προς αυτούς ή όταν αυτοί δεν μπορούν να απορροφήσουν όλη την παραγόμενη ισχύ. Έτσι, η ισχύς πέδησης καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση πέδησης. Σχήμα : Αντίσταση πέδησης και πυκνωτής εξομάλυνσης (εικονίδιο breaking chopper) 55

57 Ο έλεγχος υλοποιείται μέσω ενός αναλογικού ελεγκτή (Proportional controller) ο οποίος δίνει σήμα σε ένα διακόπτη να κλείσει μόλις η τάση στο dc-link ξεπεράσει την τιμή των 730V και δίνει εντολή να ανοίξει όταν η τάση πέσει κάτω από τα 710V. Η τιμή της αντίστασης που επιλέχθηκε είναι 75Ω και είναι η αντίσταση Rbr στο σχήμα Επιλέχθηκε να έχει ισχύ ανάλογη του κινητήρα για λόγους ασφαλείας. Ο πυκνωτής εξομάλυνσης είναι ένας πυκνωτής μεγάλης χωρητικότητας και χρησιμοποιείται για το φιλτράρισμα της τάσης στο dc-link. Η τιμή της χωρητικότητάς του επιλέχθηκε ίση με 590μF. Πρόκειται για τον πυκνωτή Cbus στο σχήμα Το μοντέλο του ασαφούς ελεγκτή (Fuzzy Logic Controller) Έχοντας αναλύσει με λεπτομέρεια την διάταξη του συστήματος στις παραπάνω ενότητες, είναι πλέον φανερό, πως η ποσότητα της ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί ή να αποδοθεί, εξαρτάται από τα όρια μέγιστης ισχύος φόρτισης ή εκφόρτισης των υπερπυκνωτών (Σχ. 5.2) και από την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει ή παράγει η ηλεκτρική μηχανή του ανελκυστήρα. Είναι γνωστό, πως η ισχύς μιας ηλεκτρικής μηχανής, είναι συνάρτηση της περιστροφικής ταχύτητας και του φορτίου που ασκείται στον άξονά της. Κατ επέκταση, η ισχύς της ηλεκτρικής μηχανής του ανελκυστήρα, εξαρτάται από την ταχύτητα και από το ωφέλιμο φορτίο του θαλάμου, το οποίο μπορεί να είναι διαφορετικό σε κάθε μετακίνηση. Όμως, κατά την διάρκεια μιας μετακίνησης το φορτίο του θαλάμου παραμένει σταθερό. Έτσι, ρυθμίζοντας την ταχύτητα του θαλάμου, δηλαδή της μηχανής, ρυθμίζουμε την ισχύ της, ώστε να είναι προσαρμοσμένη στην αντίστοιχη ισχύ φόρτισης ή εκφόρτισης των υπερπυκνωτών. Αυτό πρακτικά σημαίνει, ότι μπορεί να υλοποιηθεί ένας αλγόριθμος που θα ρυθμίζει κατάλληλα την ταχύτητα, ώστε να καταναλώνεται το λιγότερο δυνατόν από το δίκτυο, κατά την λειτουργία της μηχανής ως κινητήρα και να φορτίζονται όσο το δυνατόν καλύτερα οι συστοιχίες των υπερπυκνωτών, κατά την λειτουργία της μηχανής ως γεννήτρια. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου, σχεδιάστηκε ο ασαφής ελεγκτής που φαίνεται στο σχήμα

58 Σχήμα : Διαδικασία παραγωγής προφίλ ταχύτητας αναφοράς Στο παραπάνω σχήμα φαίνονται οι είσοδοι του ασαφούς ελεγκτή, οι οποίες είναι: η απόσταση που έχει να διανύσει ο θάλαμος σε μέτρα (x), η κατάσταση φόρτισης των υπερπυκνωτών (State Of Charge, SOC), (καθορίζεται από την τάση των υπερπυκνωτών Uo) και το βάρος του ωφέλιμου φορτίου του θαλάμου σε κιλά (weight) και η έξοδός του (v), η οποία είναι η ταχύτητα σε m/s, η οποία θα έχει ο θάλαμος κατά την φάση της κίνησης με σταθερή ταχύτητα. Σημειώνεται πως στα εικονίδια m/s_to_rpm γίνεται μετατροπή της γραμμικής ταχύτητας του θαλάμου σε περιστροφική σύμφωνα με την σχέση 2.2, για να μπορεί να λειτουργήσει σωστά ο Speed controller, με βάση τα κέρδη που έχουν επιλεγεί. Επίσης, διακρίνονται και τα εικονίδια weight input of fuzzy και Speed_profile, των οποίων η χρησιμότητα και η λειτουργία θα εξηγηθεί στις επόμενες υποενότητες Η δομή του ασαφούς ελεγκτή (Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer) Σε αυτή την παράγραφο θα αναλυθεί η διαδικασία σχεδιασμού του ασαφούς ελεγκτή στο Simulink, σύμφωνα με τις θεωρητικές έννοιες που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 4. Η σχεδίαση του ασαφούς ελεγκτή πραγματοποιήθηκε μέσω του εργαλείου FIS Editor του Matlab (Σχήμα ). 57

59 Σχήμα : Fuzzy Inference System Editor Στον FIS Editor δημιουργείται η δομή του ασαφούς ελεγκτή, επιλέγονται δηλαδή ο αριθμός των μεταβλητών εισόδου και εξόδου που θα έχει το σύστημα, επιλέγεται ο τρόπος με τον οποίο θα γίνουν η πράξεις μεταξύ των ασαφών συνόλων, ο τρόπος συνεπαγωγής, συνάθροισης και η μέθοδος αποασαφοποίησης. Οι επιλογές φαίνονται στο σχήμα Ο τύπος της συνεπαγωγής επιλέγεται κατά την δημιουργία του fuzzy αρχείου. Εδώ επιλέχτηκε η συνεπαγωγή του Mamdani. Στη συνέχεια η δημιουργία των συναρτήσεων συμμετοχής για κάθε μεταβλητή εισόδου αλλά και για την έξοδο του ασαφή ελεγκτή, γίνεται στον Membership Function Editor. Για την μεταβλητή εισόδου x, που είναι η απόσταση που διανύει ο θάλαμος, δημιουργήθηκαν τέσσερεις συναρτήσεις συμμετοχής, οι οποίες ορίζουν τέσσερα ασαφή σύνολα με λεκτικές μεταβλητές: VL (very low), low, med (medium) και high, όπως φαίνεται στο σχήμα

60 Σχήμα : Συναρτήσεις συμμετοχής μεταβλητής εισόδου x Στο παραπάνω block, ορίζεται επίσης και το υπερσύνολο αναφοράς (universe of discourse), δηλαδή το πεδίο ορισμού της μεταβλητής εισόδου. Για την μεταβλητή x επιλέχθηκε [0 35] μέτρα. Για την μεταβλητή εισόδου SOC, δημιουργήθηκαν τρείς συναρτήσεις συμμετοχής, με λεκτικές μεταβλητές: low, med, high. Το υπερσύνολο αναφοράς για αυτή τη μεταβλητή είναι τα επιτρεπτά όρια της τάσης των υπερπυκνωτών [ ] Volt. (Σχήμα ) 59

61 Σχήμα : Συναρτήσεις συμμετοχής μεταβλητής εισόδου SOC Για την μεταβλητή εισόδου weight, δημιουργήθηκαν έξι συναρτήσεις συμμετοχής με λεκτικές τιμές: NB (negative big), NM (negative medium), NS (negative small), PS (positive small), PM (positive medium), PB (positive big). Το υπερσύνολο αναφοράς για αυτή την μεταβλητή είναι [ ] κιλά. Ο αριθμός 600 είναι το μέγιστο ωφέλιμο φορτίο του θαλάμου του ανελκυστήρα σε κιλά. Ο λόγος που η μεταβλητή weight λαμβάνει και αρνητικές τιμές, είναι για να αντιλαμβάνεται ο ελεγκτής την λειτουργία της ηλεκτρικής μηχανής ως γεννήτρια. Έτσι, θετικό βάρος σημαίνει λειτουργία κινητήρα και αρνητικό λειτουργία γεννήτριας. Τα παραπάνω παρουσιάζονται στο σχήμα

62 Σχήμα : Συναρτήσεις συμμετοχής μεταβλητής εισόδου weight Τέλος, για την μεταβλητή εξόδου v, δημιουργήθηκαν τρείς συναρτήσεις συμμετοχής με λεκτικές μεταβλητές: low, med, high (Σχήμα ). Το υπερσύνολο αναφοράς ορίστηκε στο διάστημα [ ] m/s. Το κατώτατο όριο προσδιορίζεται με βάση τον μέγιστο χρόνο παραμονής των ατόμων μέσα στο θάλαμο, ενώ το ανώτατο προσδιορίζεται από την ονομαστική ταχύτητα της ηλεκτρικής μηχανής του ανελκυστήρα. 61

63 Σχήμα : Συναρτήσεις συμμετοχής μεταβλητής εξόδου v Η μορφή των συναρτήσεων συμμετοχής όλων των μεταβλητών, το πεδίο ορισμού της κάθε συνάρτησης συμμετοχής αλλά και το ποσοστό των οριακών επικαλύψεων, επιλέχθηκε σύμφωνα με την εμπειρία του σχεδιαστή μετά από μια σειρά δοκιμών προκειμένου να επιτευχθούν ικανοποιητικότερα αποτελέσματα. Όλη αυτή η διαδικασία του καθορισμού των εισόδων και των εξόδων του ασαφούς ελεγκτή αλλά και των συναρτήσεων συμμετοχής, αποτελεί την διαδικασία της ασαφοποίησης (fuzzification). Το επόμενο και τελευταίο στάδιο σχεδίασης του ασαφούς ελεγκτή, είναι η δημιουργία της βάσης της γνώσης (knowledge base), η ο ποία αποτελείται από τους ασαφείς κανόνες. Αυτό πραγματοποιείται μέσω του Rule Editor (Σχήμα ). Δημιουργήθηκαν συνολικά 72 κανόνες για την κάλυψη όλων των περιπτώσεων λειτουργίας του συστήματος του ανελκυστήρα. Σημειώνεται πως ο αριθμός των κανόνων εξαρτάται από τον αριθμό των ασαφών μεταβλητών και των ασαφών υποσυνόλων που έχουν δημιουργηθεί. 62

64 Σχήμα : Οι ασαφείς κανόνες του ελεγκτή (knowledge base) Για τον καθορισμό των κανόνων ή της βάσης της γνώσης, προηγήθηκε μεγάλος αριθμός προσομοιώσεων, δίνοντας στο σύστημα χειροκίνητα αντιπροσωπευτικές τιμές ταχυτήτων ώστε να εκτιμηθεί σε ποιες περιπτώσεις έχουμε τα ζητούμενα αποτελέσματα Το υποσύστημα weight input of fuzzy Κατά την σχεδίαση του συστήματος, θεωρήθηκε πως ο ανελκυστήρας διαθέτει αισθητήριο που μετρά το βάρος του ωφέλιμου φορτίου. Προκειμένου όμως ο ασαφής ελεγκτής να αντιλαμβάνεται και να διαχωρίζει την λειτουργία γεννήτριας από την λειτουργία κινητήρα, σχεδιάστηκε το υποσύστημα weight input of fuzzy, του οποίου η δομή παρουσιάζεται στο σχήμα