Structuri de conducere ierarhizată a sistemelor electroenergetice Sl.dr.ing. Iulia STAMATESCU

CURS 5 Structuri de conducere ierarhizată a sistemelor electroenergetice Sl.dr.ing. Iulia STAMATESCU

Cuprins Cuprins MODULUL 5: MODULUL 4: CONDUCEREA AVANSATA A PROCESELOR INDUSTRIALE. PRINCIPII. METODE. TEHNOLOGII. STRUCTURI. ELEMENTE DE PROIECTARE ALE UNUI SISTEM DE CONDUCERE CU CP/SCPEN 2

Modulul 5: Algoritmii de conducere se pot clasifica după obiectivul final al funcţiei de reglare în două mari categorii: 1. Algoritmii de conducere conventionali sisteme de rejecţie a perturbaţiilor (cu referinţă fixă): în acest caz, SRA asigură funcţionarea procesului într-un regim staţionar fixat prin yr(t)=ct, indiferent de acţiunea perturbaţiilor aditive; sisteme de urmarire (cu referinţă variabilă): funcţia de reglare are ca efect final urmărirea cât mai fidelă de către mărimea măsurată a mărimii de referinţă; 2. Algoritmi de conducere specializati: adaptivi, optimali, fuzzy etc. 3

Modulul 5: Algoritmii de conducere se pot clasifica şi în funcţie de: a) viteza de variaţie a mărimii de la ieşire (viteza de răspuns a obiectului condus): algoritmi pentru procese lente: sunt cele mai răspândite datorită faptului că instalaţiile tehnologice industriale se caracterizează printr-o anumită inerţie; algoritmi pentru procese rapide: sunt cele destinate, de exemplu, maşinilor şi acţionărilor electrice (reglarea turaţiei motoarelor, reglarea tensiunii generatoarelor). b) numărul de intrări şi de ieşiri: algoritmi cu o singură mărime de intrare şi o singură mărime de ieşire (mărimea comandată sau mărimea reglată); algoritmi cu mai multe intrări şi ieşiri (cazul sistemelor de reglare multivariabile), 4

Modulul 5: c) natura comenzii: algoritmi cu comandă continuă, la care mărimea de ieşire a fiecarui element component este o funcţie continuă de mărimea sa de intrare; algoritmi cu acţiune discontinuă (discretă), la care mărimea de ieşire a regulatorului este reprezentată de o succesiune de impulsuri de comandă, fie modulate în amplitudine sau durată (sistemele cu impulsuri), fie codificate (cazul sistemelor numerice) d) gradul de complexitate al schemei bloc: algoritmi cu o singură buclă de reglare; algoritmi cu mai multe bucle de reglare (de exemplu sistemele de reglare în cascadă). algoritmi aferenti controlului model predictive algoritmi fuzzy 5

Modulul 5: 1) - acţiune discontinuă O structura principala simplificata a unui sistem de conducere numeric este data in figura de mai jos in care CAN are rolul de a discretiza temporal (esantionare) si valoric (cuantiza) semnalul analogic de la traductor, iar CAN permite reconstituirea din discret in analogic a marimii de comanda. yr () k CALCULATOR DE PROCES u () k 1 u () n k CNA... CNA u 1 u n EE... EE INSTALATIE TEHNOLOGICA T T y n y 1 y () n k y () k 1... CAN CAN...... 6

Modulul 5: 1) - acţiune discontinuă Pentru a se realiza aceasta compatibilitate intre CAN si EE se introduce un element de extrapolare (retinere). Analiza si sinteza unor structuri hibride se realizeaza tinandu-se cont de existenta acestor functii de esantionare si de extrapolare. Retinandu-se acest lucru, schema de mai sus se poate pune sub urmatoarea forma simplificata yr () t + - T T HR ( z ) H ( s ) H ( s) Regulator numeric (calculator) extr Element de extrapolare u (t) EE F Proces T y(t) 7

Modulul 5: 1) - acţiune discontinuă Modelul matematic structural functionand pentru un sistem liniar multivariabil caracterizat prin ecuatii cu diferente are forma : xk+ 1 = Axk ( ) + Buk ( ) ( ) ( ) = Cx( k) y k unde x, y, u, precum si matricele A, B, C sunt similare ca in continuu, dar depend si de perioada de esantionare T. Daca comanda u este constanta pe durata unei perioade de esantionare (extrapolatorul este de ordinal zero) se obtine ecuatia de stare discretizata sub forma: cu si iesirea ( + 1) = φ ( ) + Γ ( ) xk xk uk AT Aq φ = e, Γ = e B dq; T 0 q= kt + T τ ( ) = Cxk ( ) yk 8

Modulul 5: 1) - acţiune discontinuă 9

Modulul 5: 2) Reglarea in cascada Structura sistemului de reglare în cascadă este o structura de SRA cu largă aplicabilitate 10

Modulul 5: 2) Reglarea in cascada Admiţând că procesul condus poate fi descompus în subprocese interconectate cauzal, cu variabile intermediare accesibile măsurării, se poate alcătui o structură de reglare în cascadă folosind un număr de regulatoare egal cu numărul variabilelor măsurate din proces. Cele două subprocese sunt conectate cauzal, mărimea de execuţie (unică) determinând cauzal evoluţia variabilei intermediare z1, care, la rândul ei, determină cauzal evoluţia variabilei de ieşire din proces. Regulatorul RA1 este destinat reglării variabilei z1 şi compensării acţiunii perturbaţiei v1, iar regulatorul principal RA2 are rolul de a asigura realizarea funcţiei de reglare în raport cu referinţa yr, furnizând în acest scop referinţa pentru regulatorul secundar RA1. Cele două regulatoare din cadrul acestei structuri funcţionează în regim de urmărire. 11

Modulul 5: 3) - Control Model-Predictiv Un model al procesului este utilizat pentru predicția evoluției viitoare a procesului în vederea optimizării comenzii / semnalului de control. Istoric: 1979 Dynamic Matrix Control (DMC) Shell, procese multivariabilă cu constrângeri în industria petrolieră. Utilizare MPC în industrie! Practica actuală:! modele liniare obținute pe baza răspunsului indicial/impuls;! funcție obiectiv tip sumă de erori pătratice;! executat în mod supervizor.! Adecvat pentru probleme de reglare cu:! multe intrări și ieșiri;! constrângeri pe intrări, ieșiri, stări;! obiective variabile și limitări (e.g. datorate defecțiunilor).! Complexitatea de calcul și proprietățile teoretice depind de alegerea modelului, obiectivului și a constrângerilor 12

Modulul 5: 3) - Control Model-Predictiv Principiu de baza La momentul t se rezolvă o problemă de control optimal peste un orizont finit de timp N pași: Se aplică doar prima decizie optimă u*(t)! La momentul t+1, se iau și se repetă optimizarea, ș.a.! Avantajul optimizării on-line repetate: FEEDBACK!! 13

Modulul 5: 3) - Control Model-Predictiv 14

Modulul 5: 3) - Control Model-Predictiv 15

3) - Fuzzy Modulul 5: Logica fuzzy constituie o extindere a logicii booleene, care permite ca valoarea de adevăr a unei propoziții să fie reprezentată printr-un număr cuprins între 0 și 1. De asemenea, valoarea unei mărimi poate fi considerată în același timp mică și mare, dar cu grade diferite de adevăr. Logica fuzzy reprezintă legătura dintre valori exacte, precum 0.8, cu care operează un calculator, și termeni lingvistici vagi, precum mic sau mare, utilizați de om. Ea permite unui calculator să înțeleagă un limbaj natural pentru om. Prin fuzzyficare se înțelege transformarea unei valori exacte în valorile de adevăr ale propozițiilor de tipul [valoarea exactă] este [valoare lingvistică].. 16

3) - Fuzzy Modulul 5: Au fost create 3 mulțimi fuzzy: viteze mici, viteze medii și viteze mari. Oricărei valori exacte a vitezei îi corespund 3 valori logice fuzzy, date de funcțiile de apartenență la cele 3 mulțimi fuzzy. Exemplu: 17 Fig. Mulțimile fuzzy ale valorilor vitezei 45 este viteză mică. 0.75 45 este viteză medie. 0.25 45 este viteză mare. 0

3) - Fuzzy Modulul 5: Utilizarea logicii fuzzy în domeniul conducerii proceselor are avantajul că permite specificarea comportării regulatorului prin reguli de tip dacă atunci, numite reguli de control. Exemplu: Dacă nivelul în rezervor este scăzut, atunci se crește debitul de intrare. Nu este necesară cunoașterea cu precizie a funcționării sistemului condus, ci este suficientă cunoașterea unor dependențe calitative, precum: Dacă debitul de intrare crește, atunci nivelul în rezervor va crește.. De aceea, regulatoarele automate fuzzy sunt recomandate pentru procese ale căror modele matematice sunt greu de obținut sau prea complexe, acestea fiind dificil de controlat prin mijloace convenționale. 18

3) - Fuzzy Modulul 5: Fig. Structura unui regulator fuzzy 19 Etapele parcurse pentru determinarea comenzii: fuzzyficare transformarea valorilor exacte ale mărimilor de intrare în seturi de valori logice fuzzy aplicarea regulilor de control pentru determinarea unui set de valori logice fuzzy pentru mărimea de ieșire defuzzyficare transformarea valorilor logice fuzzy într-o valoare exactă a mărimii de ieșire (u)

Modulul 5: 3) Proiectarea unui regulator automat fuzzy Reglarea temperaturii unui lichid folosind un reșou electric Fig. Reprezentare a sistemului controlat 20

Modulul 5: 3) - Fuzzy mărimea de referință (r) temperatura dorită mărimea măsurată și reglată (y) temperatura lichidului comanda (u) creșterea (sau scăderea) puterii reșoului Cum ar controla procesul un expert uman? Fig. 4. Expertul uman plasat în locul regulatorului eroarea e(t) = r - y(t) viteza de variație în timp a erorii de(t)/dt = -dy(t)/dt 21

3) - Fuzzy Modulul 5: Formularea regulilor de control a) Dacă e este mare, negativă și de/dt este mică, negativă, atunci u trebuie sa fie mare, negativă b) Dacă e este zero și de/dt este mică, pozitivă, atunci u trebuie să fie mică, pozitivă c) Dacă e este mică, pozitivă și de/dt este mică, pozitivă, atunci u trebuie să fie medie, pozitivă 22 Fig. Câteva stări posibile ale sistemului controlat

3) - Fuzzy Modulul 5: Regulatorul fuzzy dispune de aceleași informații ca și un regulator convențional de tip PD. Fig. Mărimile de intrare și de ieșire ale regulatorului fuzzy Acronim Valoare lingvis0că LN Large Nega0ve mare, nega0v MN Medium Nega0ve mediu, nega0v SN Small Nega0ve mic, nega0v ZE Zero zero SP Small Posi0ve mic, pozi0v MP Medium Posi0ve mediu, pozi0v LP Large Posi0ve mare, pozi0v Tabelul Valorile lingvistice posibile pentru e, de/dt și u 23

3) - Fuzzy Am considerat că e și de/dt pot avea fiecare 7 valori lingvistice (VL). Rezultă 49 de combinații posibile. Se pot scrie maxim 49 reguli de forma: Modulul 5: Dacă e este VL1 și de/dt este VL2, atunci u este VL3. e \ de/dt LN MN SN ZE SP MP LP LP ZE SP MP LP LP LP LP MP ZE ZE SP MP LP LP LP SP MN SN ZE SP MP LP LP ZE LN MN SN ZE SP MP LP SN LN LN MN SN ZE SP MP MN LN LN LN MN SN ZE ZE LN LN LN LN LN MN SN ZE Tabelul Regulile de control sub formă compactă 24

3) - Fuzzy Modulul 5: Stabilirea mulțimilor fuzzy și funcțiilor de apartenență Fig. Mulțimile fuzzy pentru e și de/dt 25 Fig. Mulțimile fuzzy pentru u

Modulul 5: 26 3) - Fuzzy Performanțele regulatorului fuzzy depind de: regulile de control implementate numărul de mulțimi fuzzy și gradul lor de suprapunere caracteristicile funcțiilor de apartenență metoda de defuzzyficare folosită Un regulator fuzzy dispune de un număr mare de parametri, ale căror valori influențează puternic performanțele de reglare. Acordarea regulatorului pentru un proces este relativ dificilă deoarece implică adesea numeroase experimente urmate de ajustări ale parametrilor. Regulatoarele fuzzy se remarcă prin faptul că permit implementarea regulilor de control într-un mod intuitiv. Spre deosebire de regulatoarele convenționale, sunt caracterizate de flexibilitate ridicată. Nu au o structură fixă, ci pot fi oricât de complexe este necesar. Acordarea pentru un anumit proces este dificilă datorită numărului mare de parametri ce trebuie stabiliți, care influențează puternic performanțele de reglare. Sunt potrivite pentru controlul sistemelor complexe (neliniare, nestaționare), pentru care este dificilă aplicarea tehnicilor clasice.

Modulul 6 1. Elemente preliminarii privind conceperea si realizarea sistemelor informatice destinate conducerii proceselor industriale prin CP/SCPEN Activitatea (proces) de concepere (proiectare) Activitate (proces) de realizare Finalizarea produs informatic Tema de proiectare (studiu preliminar, studiu de fezabilitate, studiu tehnicoeconomic,etc.) Proiectarea logica de ansamblu si de detaliu. Proiectrea tehnica de ansamblu si de detaliu. Elaborare programe. Integrare si testare. Punerea in functiune/ experimentare. Exploatare si intretinere. 27

Modulul 6 1. Elemente preliminarii privind conceperea si realizarea sistemelor informatice destinate conducerii proceselor industriale prin CP/SCPEN 28

Modulul 6 2. Sisteme de comunicatii pe liniile electrice. Sistemul BPL (Broandband over Power Line) Sistemul de comunicaţii pe liniile de energie electrică, cunoscut sub acronimele: Power Line Communication (PLC), Broadband over Power Line (BPL) pentru a sublinia serviciile broadband şi Power Line Telecommnunication (PLT) pentru a sublinia serviciile de telecomunicaţii, foloseşte conductoarele reţelei electrice de distribuţie pentru transferul de date şi voce. Tehnologia PLC include comunicaţii pe liniile electrice de bandă largă (BPL) cu rate de transfer uneori peste 1 Mb/s şi comunicaţii pe liniile electrice de bandă îngustă (NPL Narrowband over Power Lines) cu rate de transfer mult mai mici. Benzile de frecvenţă utilizate de tehnologia PLC sunt între 3 148,5 khz, pentru aplicaţii de bandă îngustă şi 1 30 MHz, pentru aplicaţiile de bandă largă. Viteza de transmisie a datelor este mai mare de 10 Mb/s, mergând până la 200 Mb/s cu echipamente de ultimă generaţie. 29 PLC reprezinta o alternativa de competitivitate fata de costurile actuale ale ADSL. Competitivitatea costurilor oferite de PLC va creste pe masura ce preturile echipamentelor PLC vor scadea in viitor.

Modulul 6 2. Sisteme de comunicatii pe liniile electrice. Sistemul BPL (Broandband over Power Line) 30

Modulul 6 2. Sisteme de comunicatii pe liniile electrice. Sistemul BPL (Broandband over Power Line) Tehnologia BPL este capabila sa ofere mai multe avantaje si anume: este o tehnologie de acces de banda larga a carei functionalitate si eficienta au fost demonstrate prin proiecte realizate la nivel mondial; utilizeaza o infrastructura deja existenta; suportul folosit (reteaua de alimentare cu energie electrica) este omniprezenta atat in interiorul cat si in exteriorul cladirilor; instalarea si punerea in functiune a conexiunilor folosind aceasta tehnologie este rapida; permite asigurarea mai multor servicii folosind acelasi suport: alimentarea cu ebnergie electrica, servicii de Internet, servicii de voce; faciliteaza un trafic amplu si o viteza foarte ridicata a transmisiilor, iar costurile sunt reduse, comparativ cu servicii similare calitativ, dar bazate pe alte tipuri de tehnologie; largirea bazei instalate determina, cu certitudine, o reducere a costurilor implicate; internet-ul prin BPL este mai atractiv decat Internet-ul prin cablu TV, atat din punctul de vedere al investitiei suportate de abonat, cat si ca profit. 35