طراحی و تجزیه و تحلیل کنترل کننده منطق فازي براي کنترل فرکانس بار در سیستم هاي قدرت 2 1 مهرداد احمدي کمرپشتی هدي کاظمی موسسه آموزش عالی روزبهان ساري گروه برق ساري ایران Mehrdad.ahmadi.k@gmail.com hoda.kazemi.aski@gmail.com 1 2 دانشجوي کارشناسی ارشد مهندسی برق موسسه آموزش عالی روزبهان ساري ساري ایران چکیده: روش هاي کنترل هوشمند فرآیند ها مانند کنترل منطق فازي control) (fuzzy logic موفقیت بزرگی است به خصوص در محیط تجربی نیاز چشمگیري به ارزیابی عملکرد آنها در زمان واقعی نسبت به روش هاي کنترل معمولی وجود دارد. چنین ارزیابی هایی به کنترل فرآیند هوشمندسازي کمک می کند و زمینه کاربرد هاي پیچیده تر آن ها را در جهان واقعی فراهم می سازد. در این مقاله کنترل کننده منطق فازي براي سیستم هاي قدرت با کاربرد هاي خاص طراحی شده و با کنترل کننده هاي متداول مقایسه شده است. این سیستم با استفاده از نرم افزار MATLAB شبیه سازي شده است. کلید واژه - کنترل کننده فازي کنترل فرکانس بار سیستم قدرت دو منطقه اي 1. مقدمه کنترل کننده هاي معمولی نمی توانند راه حل کلی براي مشکلات کنترلی فراهم کنند. وقتی که این فرآیند بیش از حد پیچیده شود روش هاي کنترل معمولی نمی توانند به طور کارآمد کنترل کنند. براي غلبه بر این مشکلات انواع مختلف کنترل کننده هاي PI و PID اصلاح شده مانند کنترل کننده هاي PID تطبیقی و تنظیم خودکار به تازگی توسعه یافته اند [1]. همچنین نوع غیر متداول از کنترل کننده هاي PID با استفاده از منطق فازي براي این منظور طراحی و شبیه سازي شده است. کنترل کننده هاي فازي بهتر از کنترل کننده هاي کلاسیک می باشند زیرا آنها می توانند طیف گسترده از شرایط عملیاتی را پوشش دهند و همچنین می توانند در شرایط نویزي و اختلال کار کنند. اکثر راه حل هاي کنترل خطی و غیر خطی در طی سه دهه گذشته بر پایه مدل هاي دقیق ریاضی می باشند. اکثر این سیستم ها به سختی ویا حتی غیر ممکن است توسط روابط ریاضی قدیمی توصیف شوند. ازین رو این طرح ممکن است راه حل هاي رضایت بخشی را فراهم نکند. رفتار FLC توسط یک متخصص به آسانی فهمیده می شود بعنوان دانشی که با استفاده از قواعد زبانی بیان شده است. در مقابل تي وري کنترل خطی و غیر خطی سنتی FLC بر پایه مدل ریاضی بنا نشده و به طور گسترده براي حل مشکلات در محیط هاي نا معلوم و مبهم با درجه غیر خطی بالا استفاده می شود [2]. منطق فازي یک سطح مطمي نی از هوش مصنوعی را براي کنترل کننده هاي معمولی فراهم می کند. مزایاي FLC بر کنترل کننده هاي ٥٧٣
در اینجا کنترل کننده فازي در یک سیستم کنترل حلقه بسته در نظر میگیریم. خروجی با ورودي مقایسه می شود. کنترل کننده منطق فازي شامل چهار اصل می باشد[ 3 ] : Fuzzification Rule base Inference mechanism Defuzzification معمولی به صورت زیر است: آن ها براي توسعه ارزان هستند یک طیف وسیعی از شرایط عملیاتی را پوشش می دهند به آسانی قابل تنظیم به اصطلاحات زبان طبیعی هستند. کنترل کننده هاي فازي قابلیت خود تنظیمی و همچنین تطبیق به صورت غیر خطی متغیر با زمان دارند. 2. منطق فازي اصولا براي طراحی کنترل کننده منطق فازي (FLC) دو روش وجود دارد: 1 )روش تخصصی 2) روش مهندسی کنترل[ 1 ] در ابتدا ساختار کنترل کننده فازي و انتخاب پارامتر ها لازم است. طراحی و اجراي کنترل کننده منطق فازي اغلب به دانش و تجربه متخصصان و یا بینش و حرفه کارشناسان بستگی دارد. این رویکرد می تواند به ساخت یک مدل فازي یا مدل اولیه یک کنترل کننده فازي کمک کند. رویکرد بعدي کاربرد مهندسی کنترل و طراحی کنترل کننده فازي در بعضی جنبه ها شبیه طراحی هاي معمولی با انتخاب پارامتر ها بستگی به کارایی کنترل کننده دارد. شباهت FLC و کنترل کننده هاي PID و بهبود آنها در حال بررسی می باشد. کنترل فازي از قوانین منطق فازي براي به دست آوردن کاربرد هاي کنترلی استفاده می شود. قوانین فازي بر پایه قوانین کنترلی می باشد. طراحی سیستم منطق فازي بر پایه مدل ریاضی نمی باشد. کنترل کننده هاي فازي با استفاده از منطق فازي منطق بشري را پیاده کرده است که با توابع عضویت قوانین فازي و قوانین عضویت برنامه ریزي شده است. کنترل کننده هاي فازي خطا و تغییرات خطا را به عنوان تغییرات ورودي در نظر گرفته است. شکل 1 : کنترل کننده منطق فازي اصول فازي و دفازي براي تبدیل سیگنال هاي موج دار به فازي و برعکس استفاده می شود. مکانیسم ورودي با استنتاج( inference ) میدان ورودي به یک تطابقی بین جریان فازي وجود می آورد. سپس برانگیختگی ترکیب می شوند تا قوانین کنترلی را شکل دهند. کلاسیکی الف) کنترل کننده منطق فازي v/s کنترل کننده زیان هاي کنترل کننده انتگرالی قدیمی بصورت زیر خلاصه شده است:.1.2.3 آهسته هستند. ماهیت اجزاي غیر خطی سیستم قدرت را ندارند. قواعد بعضی از عوامل غیر خطی اثر گاورنر ها استفاده از نوع گرمایی توربین هاي بخار در سیستم هاي گرمایی تولید میزان فشار( GRC ) و غیره. ٥٧٤
4. زمانی که بار به طور پیوسته در طی دوره روزانه تغییر می کند به تناسب نقطه کار نیز تغییر می کند. این ویژگی اصلی سیستم قدرت می باشد. براي نتایج بهتر گین انتگرال گیر باید با هر تغییر نقطه کار به طور متوالی تغییر کند و همچنین باید مقدار بهترین نقطه کار بین کمترین فرا جهش در پاسخ دینامیکی و بهبود حالت گذراي سریع صورت بگیرد. به دست آوردن این نقطه به صورت آزمایشی نسبتا مشکل است. بنابراین یک کنترل کننده انتگرالی اساسا یک کنترل کننده ثابت است که تحت یک وضعیتی بهینه است اما در نقطه کار دیگر نا مناسب است. بنابراین یک کنترل کننده بر پایه سیستم هوشمند باید براي کنترل سیستم مناسب باشد. ب) انواع کنترل کننده هاي منطق فازي takagisugeno(ts) دو نوع عمده قوانین فازي mamadani و نامیده می شوند. در اینجا ما نوع طراحی کنترل کننده Mamadani را در نظر گرفتیم[ 4 ]. قوانین فازي ساده mamadani که حرکات ماشین را توصیف می کند به صورت زیر است: اگر سرعت بالا و شتاب پایین باشد تلفات نسبتا کم است. سرعت و شتاب متغیر هاي ورودي هستند و تلفات متغیر خروجی می باشد. "بزرگ" "کوچک" و "متعادل" ست هاي فازي هستند دو تاي اول ست فازي ورودي و آخري ست فازي خروجی نامیده می شوند. متغیر ها می توانند با علایم ریاضی نمایش داده شوند. بنابراین قوانین فازي mamadani براي یک کنترل کننده فازي شامل سه متغیر ورودي و دو متغیر خروجی می باشد که به صورت زیر توصیف شده اند: IF X1 is M1 AND X2 is M2 AND X3 is M3 THEN u1 is M4; u2 is M5,X1,x2 x3 متغیر هاي ورودي هستند و,u1 u2 متغیر هاي خروجی هستند.,M1,M2,M3,M4 M5 ست هاي فازي هستند و AND منطق فازي می باشد. قاعده مقدم نامیده می شود و نامیده می شود. فازي همان است.[ 4 ] بخش ساختار قاعده فازي بخش اول باقیمانده Mamadani 3. مدل دینامیکی سیستم قدرت دو منطقه اي رابطه بالا قاعده نتیجه براي مدل مشکلات کنترل تولید اتوماتیک در یک سیستم قدرت با ارتباطات داخلی با تقسیم کل سیستم به مناطق کنترلی مورد مطالعه قرار گرفته است. یک "منطقه کنترلی" بعنوان یک سیستم قدرت یک قسمتی از سیستم قدرت و یا ترکیبی از سیستم ها می باشد[ 5 ]. همه ژنراتور ها در منطقه کنترلی همزمان کار می کنند و در یک گروه مرتبط شکل می یابند. ارتباطات الکتریکی داخلی هر منطقه کنترلی در مقایسه با اتصال مناطق مجاور خیلی قوي هستند. در کار حالت پایدار نرمال هر منطقه کنترلی یک سیستم قدرت تغییرات در بار را جبران می کند. هر منطقه کنترلی در یک سیستم قدرت به برقراري فرکانس و پروفایل ولتاژ در سرتاسر سیستم کمک می کند. سیستم چند منطقه اي با ارتباطات داخلی متشکل از تعدادي از مناطق کنترلی می باشدکه هر یک از آنها تغییرات با خود را جذب می کنند. جریان هاي خط بین مناطق طبق برنامه نگهداري می شوند. هدف ٥٧٥
کنترل تنظیم فرکانس هر منطقه و به طور همزمان تنظیم توان خط به صورت قراردادي می باشد. کنترل کننده انتگرالی و نسبیتی خطا هاي فرکانس و توان خط را به صفر می رساند. سیستم دو منطقه اي ) شکل ( 2 براي تحقیقات در نظر گرفته شده است. هر منطقه کنترلی با یک گاورنر سرعت توربین و سیستم قدرت با ژنراتور معادل در نظر گرفته شده است به طور مشابه توان خروجی منطقه 2 به صورت رابطه 3 می باشد: (3) با گرفتن تبدیل لاپلاس از معادلات فوق داریم [5]: (4) 4. عملکرد کنترل کننده فازي بر کنترل فرکانس بار اولین گام در طراحی یک کنترل کننده فازي تعیین متغیر هاي حالت سیستم دینامیکی می باشد که سیگنال ورودي را به کنترلر مرتبط می کند. منطق فازي از متغیر هاي زبانی به جاي متغیرهاي عددي استفاده می کند. فرآیند تبدیل متغیر هاي عددي به متغیر هاي زبانی fuzzication نامیده می شود. همانطور که در بالا ذکر شده در یک سیستم قدرت ایزوله شده خطاي کنترل منطقه اي (ACE) و مشتق ACE به عنوان ورودي به AGC فازي داده می شود. براي سیستم قدرت دو ناحیه اي دو کنترل کننده فازي شکل 2 : سیستم قدرت دو منطقه اي توان انتقالی خط در داخل یا خارج منطقه 1 به صورت رابطه 1 داده شده است: (1) که در آن δ 0 و δ 0 زوایاي ژنراتورهاي دو ناحیه V و 1 2 1 Vبه 2 ترتیب ولتاژ هاي باس 1 و 2 هستند. X 12 راکتانس خط انتقال می باشد. توان خط به صورت رابطه 2 است: (2) که در آن انتقال می باشد. باشند. غیر متمرکز استفاده می شود ) یک کنترل کننده براي هر ناحیه ). ACE1 و ACE1 سیگنال هاي خطا براي کنترل کننده فازي در ناحیه 1 و ACE2 و ACE2 براي ناحیه 2. در این مطالعه توابع عضویت مثلثاتی براي متغیر هاي ورودي و خروجی استفاده می شود. هر چقدر تعداد توابع عضویت افزایش یابد کیفیت کنترل بهبود می یابد. هر چقدر تعداد متغیر هاي زبانی افزایش یابد زمان محاسباتی و حافظه مورد نیاز افزایش می یابد. بنابراین مصالحه بین کیفیت کنترل و زمان محاسباتی براي انتخاب تعداد متغیر هاي زبانی مورد نیاز = ضریب همزمانی یا سختی الکتریکی خط T 12 F 1 و f 2 تغییرات فرکانس افزایشی در مناطق 1 و 2 می ٥٧٦
است. براي برسی AGC در مناطق جدا شده هفت متغیر زبانی 5. نتایج و شبیه سازي براي متغیر هاي ورودي و خروجی انتخاب شده است. این متغیر ها در جدول 1 نشان داده شده است. جدول 1: متغیر هاي زبانی[ 6 ] کنترل کننده فازي طراحی شده در بالا به دو ناحیه سیستم قدرت اعمال شده است. پاسخ سیستم با کنترل کننده هاي معمولی ها PI (AGC) و نوع تکمیل شده کنترل کننده مقایسه شده است. شبیه سازي سیستم با استفاده از سیمولینک متلب و جعبه ابزار fuzzy logic toolbox و همچنین شکل موج به صورت شکل 9 8 7 6 و 10 نشان داده شده است: می باشند: ACE و توابع عضویت کنترل فازي به صورت شکل 3 و 4 شکل 3: خطاي ACE کنترل کننده فازي[ 7 ] شکل 5: سیستم قدرت دو منطقه اي بدون کنترل کننده شکل 4: عمل کنترل ٥٧٧
س: شکل 6: انحراف فرکانس در سیستم دو منطقه اي شکل 8: انحراف فرکانس در کنترلر PI یستم دو منطقه اي با کنترل کننده شکل 9: انحراف فرکانس در FLC شکل 7 6. نتیجه گیري کنترل کننده منطق فازي براي کنترل فرکانس بار در مناطق جدا از هم و سیستم هاي قدرت با ارتباطات داخلی دو منطقه اي طراحی شده است. عملکرد سیستم دینامیکی با استفاده از کنترل کننده فازي و PI کنترلر مشاهده می شود. ٥٧٨
مزیت اصلی کنترل کننده فازي سادگی در طراحی آن می باشد. یکی از ویژگی هاي اساسی کنترل کننده فازي این است که فرآیند می تواند بدون دانش در زمینه دینامیک کنترل شود. با شبیه سازي ثابت کردیم که کنترل کننده فازي از کنترل کننده هاي معمولی بهتر است اما مستلزم این است که تغییرات در بار به طور دقیق پیش بینی شوند. کنترل کننده هاي فازي تقویتی در جاهایی که طراحی دقیق و یا پیش بینی تغییرات بار در سیستم مشکل است استفاده می شوند. با توجه به شکل ها مشاهده می شود که کنترل کننده فازي رفتار بسیار مناسب تري نسبه به کنترل کننده PI دارد و همچنین مقدار overshoot و فرکانس در کنترل کننده فازي نسبت به کنترل کننده PI و کنترل کننده هاي معمولی کاهش یافته است. مراجع [1] G. Chen, Conventional and fuzzy PID controllers: an overview, International Journal of Intelligent and Control Systems, 1, 1996, pp. [2] H. Ying, Fuzzy Control and Modeling: Analytical Foundations and Applications.Wiley-IEEE Press, 2000. [3] Journal of Science and Technology 12 (02 ) December 2011. [ 4 ]طراحی کنترلکنندههاي فازي [5] Dynamics and Control of Electric Power Systems Lecture 227-0528-00, ITET ETH G oran Andersson EEH - Power Systems Laboratory ETH Z urich February 2012 [6] World Academy of Science, Engineering and Technology 60 2011. [7] Gazi University Journal of Science GU J Sci 24(4):805-816 (2011). ٥٧٩