Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơ - Ron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbine - máy phát thủy điện

 1 
MỞ ĐẦU 
1. Lý do chọn đề tài 
- Thủy điện là nguồn điện có được từ quá trình biến đổi năng 
lượng của nước (thủy năng) ở dạng thế năng và động năng thành cơ 
năng làm quay turbine-máy phát tạo ra điện năng. 
- Các nhà máy thủy điện làm việc trong điều kiện có chiều cao cột áp 
không ổn định cộng với nhu cầu điện năng (phụ tải của các máy phát 
điện) thay đổi trong phạm vi rộng, thì bộ điều tốc với thuật toán điều 
khiển PID (có các tham số cố định) sẽ rất khó khăn trong việc điều 
chỉnh giữ cân bằng giữa năng lượng đầu vào và đầu ra của hệ thống, 
làm cho đáp ứng có dao động lớn (hoặc có trường hợp mất ổn định). 
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài của là nhà máy thủy điện nhỏ, 
không có hồ chứa nước lớn (sử dụng thượng lưu làm hồ chứa nước). 
Với mục tiêu là thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc 
turbine thủy lực trong nhà máy thủy điện này nhằm giải quyết tốt hai 
vấn đề của hệ thống thủy điện là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải 
đầu ra, để cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống. 
Với các lý do trên, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là: Nghiên 
cứu ứng dụng mạng mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều 
khiển hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện. 
2. Mục đích của đề tài 
Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine-
máy phát thủy lực, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà 
máy thủy điện có các thông số đầu vào và đầu ra thay đổi trong phạm 
vi rộng. 
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
 Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số (chiều cao 
cột áp, công suất phụ tải điện) đến sự ổn định của hệ thống turbine-máy 
phát thủy lực trong nhà máy thủy điện có công suất nhỏ, làm việc trong 
các trường hợp chiều cao cột áp và công suất khác nhau, ở hai chế độ 
vận hành độc lập và chế độ bám lưới. 
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
Phát triển, cập nhật và ứng dụng được công cụ lý thuyết điều 
khiển hiện đại vào một đối tượng phức tạp. 
 Đề tài nghiên cứu có tính thực tiễn cao xuất phát từ yêu cầu 
thực tế về việc cần nâng cao chất lượng điện của nhà máy thủy điện 
 2 
nhỏ, góp phần ổn định và nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc 
của các thiết bị điện. 
5. Tính mới của đề tài 
Đề tài nghiên cứu có tính kế thừa, tham khảo kết quả của các 
công trình nghiên cứu của các Nhà khoa học trong và ngoài nước đã 
công bố và dự kiến các kết quả mới sẽ đạt được là: 
- Phân tích ảnh hưởng của các biến đầu vào (chiều cao cột áp) và 
biến đầu ra (công suất phụ tải) đến đáp ứng của hệ thống turbine-
máy phát thủy điện. 
- Ứng dụng lý thuyết và các công cụ điều khiển thông minh thiết kế 
bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực. 
- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế, đảm bảo yêu cầu 
tác động nhanh, chính xác, vận hành đơn giản, an toàn và có độ tin 
cây cao. 
- Xây dựng mô hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop), 
trong đó có sự trợ giúp của máy tính, các công cụ phần mềm và card 
thu thập dữ liệu đa năng NI PCI MIO 16E-1 để trao đổi dữ liệu giữa 
máy tính và thiết bị thực. Việc thiết kế mô hình, kiểm tra, khảo sát hệ 
thống với các trường hợp rủi ro xảy ra sẽ được thực hiện dễ dàng với 
độ an toàn cao, không sợ hư hỏng thiết bị do sử dụng mô hình trên 
máy tính. 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc 
Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của turbine được thực 
hiện bằng cách thay đổi năng lượng vào turbine, nó liên quan trực 
tiếp tới tiêu hao năng lượng, hiệu suất từng tổ máy và liên quan chặt 
chẽ với điều chỉnh và phân phối công suất tác dụng giữa các tổ máy 
phát và giữa các nhà máy điện. Có thể chia thành hai bộ điều tốc điển 
hình là bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi và bộ điều tốc 
với đặc tính điều chỉnh có độ dốc. 
1.1.1. Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi 
Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi có đặc điểm là 
luôn giữ được tần số (số vòng quay của turbine) cố định với mọi mức 
công suất trong giới hạn cho phép của máy phát và chỉ dùng trong 
trường hợp một tổ máy làm việc với tải độc lập hoặc tổ máy làm 
nhiệm vụ điều tần. 
1.1.2. Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc 
 3 
Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc có thể sử dụng 
khi có từ hai máy phát điện trở lên và có đặc điểm là điều chỉnh tần 
số có độ lệch xác định. Khi làm việc ở chế độ song song, tổ máy nào 
có đặc tính điều chỉnh turbine ít dốc hơn thì sẽ nhận nhiều công suất 
hơn và ngược lại. 
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 
Các công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước 
đều nhằm nâng cao độ chính xác, thông minh hóa của bộ điều khiển. 
Tuy vậy, mỗi nghiên cứu đều có ưu điểm và hạn chế trong các ứng 
dụng, đó là chưa đề cập hết các yếu tố ngẫu nhiên của tải hay biến 
động của cột nước Tất cả các công trình nghiên cứu chỉ giới thiệu 
chủ yếu về bộ điều tốc trong chế độ hoạt động độc lập (không nối 
lưới) với bộ điều khiển tần số được thiết kế từ các mô hình tuyến tính 
hóa của hệ thống thủy lực. Hầu hết các tài liệu trong nước và nước 
ngoài đều đề cấp đến việc sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống. 
1.3. Nội dung nghiên cứu 
- Phân tích xây dựng mô hình toán của đối tượng là hệ thống 
thủy lực-turbine-máy phát công suất nhỏ, có xét đến tổn thất cột áp 
trong đường ống. 
- Tổng hợp bộ điều khiển PID, PI cho mạch vòng điều khiển 
tốc độ và mạch vòng điều khiển công suất khi hệ thống vận hành ở 
các chế độ và các điều kiện làm việc khác nhau. Mô phỏng, đánh giá 
chất lượng điều khiển hệ thống trong các trường hợp đó. 
- Ứng dụng mạng nơron và mạng nơron có cấu trúc dựa trên 
hệ thống suy luận mờ ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference 
System), thiết kế bộ điều khiển PID, PI thích nghi đảm bảo có các 
thông số tự động cập nhật giá trị theo sự thay đổi các tham số đầu 
vào và đầu ra của hệ thống. 
- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế để phục vụ 
cho việc thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. 
- Xây dựng mô hình mô phỏng thực nghiệm HIL (Hardware-In-
The-Loop) để kiểm định các thuật toán điều khiển và kết quả mô 
phỏng của hệ thống trong miền thời gian thực. 
1.4. Phương pháp nghiên cứu 
- Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương 
pháp thực nghiệm trên mô hình thực. 
- Sử dụng các công cụ hỗ trợ như: mô hình toán học, lý thuyết 
điều khiển hệ thống, phân tích và thiết kế hệ thống bằng phần mềm 
 4 
trên máy tính, các mô hình vật lý và bán vật lý với các phần mềm vi 
xử lý để phân tích đánh giá và so sánh các kết quả đạt được giữa lý 
thuyết và thực nghiệm. 
1.5. Cấu trúc của luận án 
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung của luận 
án được trình bày trong 5 chương: 
Chương 1. Tổng quan: Phân tích đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc 
trong các chế độ vận hành khác nhau, đánh giá tóm tắt về các kết quả 
nghiên cứu trong và ngoài nước, những vấn đề còn tồn tại và hướng 
giải quyết của luận án. 
 Chương 2. Mô hình động học hệ thống thủy lực: Nội dung chủ yếu 
nghiên cứu về mô hình toán của các thành phần trong hệ thống thủy 
lực, trên cơ sở đó xây dựng mô hình của đối tượng. 
 Chương 3. Bộ điều khiển PID và giải pháp nâng cao chất lượng điều 
khiển hệ thống: Phân tích đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông 
qua việc mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Sau đó ứng dụng 
ANFIS và mạng nơron để thiết kế bộ điều khiển thích nghi NNC. Mô 
phỏng, so sánh chất lượng điều khiển giữa bộ điều khiển PID, PI và bộ 
điều khiển NNC. 
 Chương 4. Xây dựng mô hình mô phỏng thực nghiệm: Xây dựng mô 
hình mô phỏng thực nghiệm HIL trong hệ thời gian thực có sự kết 
hợp giữa mô hình hệ thống được xây dựng trong máy tính với thiết bị 
thực thông qua card đa năng NI PCI MIO 16E-1. 
Chương 5 Kết quả và bàn luận: Trình bày tóm tắt các kết quả trong 
quá trình nghiên cứu, đánh giá, bàn luận về các kết quả đạt được. 
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 
2.1. Giới thiệu 
Để có cơ sở tính toán thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống, việc 
đầu tiên ta phải xác định được mô hình hệ thống thủy lực-turbine 
(gồm đường ống và turbine) và sau đó là mô hình động học của máy 
phát và hệ thống điện trong các chế độ vận hành. 
2.2 Mô hình hệ thống thủy lực - turbine 
2.2.1. Turbine thủy lực 
Turbine thủy lực là một trong những thiết bị chính trong nhà 
máy thủy điện, turbine làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng của dòng 
nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay turbine và máy phát điện. 
Tuỳ thuộc dạng năng lượng dòng chảy qua bánh xe công tác của 
turbine, người ta chia turbine thủy lực thành nhiều loại khác nhau. 
 5 
Luận án sử dụng loại turbine Francis để khảo sát và nghiên cứu vì 
loại turbine này hiện nay rất phổ biến vì nó sử dụng được trong dải 
chiều cao cột áp rộng. 
2.2.2. Mô hình tuyến tính hóa 
- Mô hình tuyến tính hóa lý tưởng: 
w
w
1( )
1 0.5
m
TB
T sPG s
T sα
−∆
= =
+∆
 (2.17) 
Trong đó: mP∆ là thay đổi công suất cơ của turbine (pu) 
α∆ là thay đổi độ mở cánh hướng (%); wT là hằng số thời gian khởi 
tạo của nước (s) 
- Mô hình tuyến tính không lý tưởng: 
23 w
11 w
( )
1
m yh
TB
b b T sPG s
b T sα
−∆
= =
+∆
 (2.22) 
Trong đó: 23 11, ,yhb b b là các hệ số phụ thuộc vào điểm làm việc cụ 
thể. 
Mô hình hệ thống thủy lực - turbin tuyến tính hóa được sử dụng để 
tính toán thông số của bộ điều khiển. 
2.2.3. Mô hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tổn 
thất cột nước 
Mô hình hệ thống thủy lực–turbine phi tuyến được xác định 
với giả thiết đường ống dẫn nước tuyệt đối cứng (thành đường ống 
không đàn hồi), nước không nén được (Hình 2.13) 
Hình 2.13 Mô hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tính tổn 
thất của cột nước 
Trong đó: V : Vận tốc của nước (pu); α : Góc mở cánh hướng 
(%); H : Cột áp thủy lực tại cánh hướng (pu); 2.lp pH f V= : Tổn thất 
 6 
cột áp tại turbine (pu); 0H : Giá trị ban đầu của cột áp (pu); tA : Hệ số 
turbine; mP : Công suất cơ của turbine (pu); NLV : Vận tốc không tải 
(pu). 
2.3 Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện 
Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện được xác 
định từ phương trình chuyển động quay của hệ turbine-máy phát và ở 
hai chế độ vận hành khác nhau: 
+ Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện trong chế độ vận 
hành độc lập có dạng như hình 2.16 
+ Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện trong chế độ vận 
hành bám lưới có dạng như hình 2.17 
CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ GIẢI PHÁP NÂNG 
CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 
3.1 Bộ điều khiển PID 
3.1.1 Các thành phần của bộ điều khiển PID 
Hàm truyền bộ điều khiển PID có dạng (3.1) [22]: 
1( ) (1 )Ic P D P D
I
KG s K K s K T s
s T s
= + + = + + (3.1) 
Luận án xác định tham số của bộ điều khiển PID theo phương pháp 
gán điểm cực. 
3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID, PI 
-Bộ điều khiển sử dụng trong mạch vòng tốc độ là bộ điều khiển PID 
-Bộ điều khiển sử dụng trong mạch vòng điều khiển công suất sử 
dụng bộ điều khiển PI, kết hợp với khâu feedfoward (Kpp). 
- Thông số của bộ điều khiển PID và PI trong các mạch vòng điều 
khiển được xác định theo phương pháp gán điểm cực (phụ lục 1, 2) 
Hình 2.16 Mô hình máy phát 
điện làm việc với tải độc lập 
Hình 2.17 Mô hình máy phát 
điện làm việc bám lưới 
 7 
3.2 Mô phỏng và kết quả 
3.2.1 Thông số mô phỏng 
Bảng thông số mô phỏng được lấy theo số liệu của nhà máy 
thủy điện Ryninh [3]. 
Để có cơ sở đánh giá chất lượng điều khiển của các bộ điều khiển 
PID, PI trong quá trình làm việc. Ta tiến hành mô phỏng hệ thống 
với mô hình phi tuyến trong các trường hợp cụ thể như sau: 
a, Hệ thống có các thông số ổn định 
+ Đáp ứng của mạch vòng tốc độ: 
Hình 3.7 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng PID tại điểm 
làm việc 00 0( , , )V Hα 
+ Đáp ứng của mạch vòng điều khiển công suất 
Hình 3.14 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều 
khiển PI tại điểm làm việc 00 0( , , )V Hα 
Kết quả mô phỏng cho thấy, trong điều kiện hệ thống có thông số ổn 
định, bộ điều khiển PID, PI có các thông số được xác định tại một 
 8 
điểm làm việc 00 0( , , )V Hα đảm bảo được yêu cầu điều khiển của hệ 
thống (thời gian đáp ứng nhanh, không dao động, không quá điều 
chỉnh, sai lệch tĩnh bằng 0) 
b, Hệ thống có các thông số thay đổi trong quá trình làm việc 
Xét các các trường hợp cụ thể sau: 
+ Trường hợp 1 (T/H1): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất) 
thay đổi, chiều cao cột áp định mức: 
- Đáp ứng của mạch vòng tốc độ: 
Hình 3.8 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển 
PID trong T/H 1 
- Đáp ứng của mạch vòng công suất: 
Hình 3.15 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều 
khiển PI trong T/H1 
+ Trường hợp 2 (T/H2): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất) 
thay đổi, chiều cao cột áp tăng 
 9 
- Đáp ứng mạch vòng tốc độ 
Hình 3.9 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển 
PID trong T/H 2 
- Đáp ứng của mạch vòng công suất: 
Hình 3.16 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều 
khiển PI trong T/H2 
+ Trường hợp 3 (T/H): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất) thay 
đổi, chiều cao cột áp giảm 
- Đáp ứng của mạch vòng tốc độ: 
 10 
Hình 3.10 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển 
PID trong T/H 3 
- Đáp ứng của mạch vòng công suất 
Hình 3.17 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều 
khiển PI trong T/H3 
Nhận xét: 
Qua các kết quả mô phỏng các mạch vòng điều khiển khi sử 
dụng bộ điều khiển PID, PI cho hệ thống turbine thủy lực, có thể 
khẳng định rằng: Khi hệ thống có các thông số đầu vào và đầu ra ổn 
định thì bộ điều khiển PID, PI hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về 
chất lượng. Nhưng trong các trường hợp hệ thống có chiều cao cột áp 
và công suất phụ tải điện thay đổi trong phạm vi rộng (20%) thì với 
bộ điều khiển PID, PI (có các thông số cố định) đáp ứng của hệ 
thống dao động mạnh, có trường hợp mất ổn định. 
 11 
3.3 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống 
3.3.1 Mục tiêu cần đạt 
Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron thích nghi kết hợp với 
ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference System) nhận dạng trực 
tiếp hệ thống turbine thủy lực phi tuyến để thiết kế bộ điều khiển 
nơron thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống 
trong các chế độ vận hành khác nhau. 
3.3.2 Cơ sở lý thuyết 
Thực hiện giải pháp dựa trên các cơ sở lý thuyết: 
- Cấu trúc và thuật toán huấn luyện mạng nơron nhân tạo 
- Mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ thống suy luận mờ (ANFIS) 
3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc 
turbine thủy lực 
 Kết hợp bộ nhận dạng ANFIS và một nơron có cấu trúc theo 
thuật toán PID (PI) nhằm tạo ra một bộ điều khiển thích nghi cho đối 
tượng là mô hình turbine thủy lực phi tuyến có tham số thay đổi (như 
chiều cao cột áp, công suất phụ tải điện). Ngoài chức năng nhận 
dạng, ANFIS còn ước lượng độ biến thiên của đáp ứng theo tín hiệu 
điều khiển làm cơ sở để tính toán các gradient của giải thuật cập nhật 
trực tuyến bộ trọng số của một nơron tuyến tính. Tức là, thông số của 
bộ điều khiển PID, PI sẽ được điều chỉnh thích nghi trong quá trình 
điều khiển nhờ giải thuật huấn luyện trực tuyến mạng nơron nhân 
tạo. Cấu trúc mạch vòng điều khiển được xây dựng như hình 3.22 
Hình 3.22 Cấu trúc mạch vòng điều khiển khi sử dụng NNC 
- Bộ nhận dạng trực tiếp đối tượng sử dụng mạng nơron có cấu trúc 
dựa trên hệ thống suy luận mờ ANFIS (4-4-4-4-1), với phương pháp 
huấn luyện kết hợp giữa lan truyền ngược và bình phương sai lệch 
nhỏ nhất. 
 12 
- Bộ điều khiển NNC là một nơron có cấu trúc theo thuật toán của bộ 
điều khiển PID (hoặc PI với mạch vòng điều khiển công suất) có cấu 
trúc như hình 3.25. 
Hình 3.25 Cấu trúc bộ điều khiển PID nơron (NNC) 
Trong đó các trọng số wij của mạng nơron sẽ được cập nhật thích nghi 
trong quá trình làm việc của hệ thống theo phương pháp gradient 
descent (có sự kết hợp giữa tín hiệu sai lệch với tốc độ biến thiên của 
đáp ứng theo tín hiệu điều khiển (thông tin Jacobi được tính từ bộ 
nhận dạng ANFIS)) điều đó cũng có nghĩa là các thông số của bộ điều 
khiển PID nơron được cập nhật thích nghi theo sự thay đổi của đối 
tượng. 
Tín hiệu điều khiển: 
11 1 1
12 2 2
13 3 3
( )( 1) ( ) ( )+ ( ) +( )
( )
 + ( )+ ( ) ( )
( )
 ( )+ ( ) ( )
kp m
ki m
kd m
y k
u k u k w k e k e e
u k
y k
w k e k e e
u k
y k
w k e k e e
u k
η
η
η
 ∂
+ = + ∆ ∆ ∂ 
 ∂ ∆ ∆ + ∂ 
 ∂
+ ∆ ∆ ∂ 
 (3.109) 
3.3.7 Mô phỏng và kết quả 
Sử dụng bộ điều khiển NNC thay cho bộ điều khiển PID, PI ở 
các mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vòng điều khiển công suất 
tương ứng, trong các trường hợp hệ thống có các thông số thay đổi. 
a. Đáp ứng của mạch vòng điều khiển tốc độ khi sử dụng NNC 
+ Trường hợp 1 (Chiều cao cột áp ổn định, phụ tải thay đổi đột 
ngột) 
- Đáp ứng mạch vòng tốc độ như hình 3.33: 
 13 
Hình 0.1 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển 
NNC trong T/H1 
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.34: 
Hình 0.2 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển 
NNC trong T/H1 
+ Trường hợp 2: (Chiều cao cột áp tăng, phụ tải thay đổi đột 
ngột) 
- Đáp ứng mạch vòng tốc độ như hình 3.35: 
 14 
Hình 0.3 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng NNC trong 
T/H2 
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.36: 
Hình 0.4 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển 
NNC trong T/H2 
+ Trường hợp 3: (Chiều cao cột áp giảm, phụ tải thay đổi đột ngột) 
- Đáp ứng mạch vòng tốc độ như hình 3.37 
 15 
Hình 0.5 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển 
NNC trong T/H3 
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.38 
Hình 0.6 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển 
NNC trong T/H3 
 16 
So sánh chất lượng điều khiển mạch vòng tốc độ giữa hai bộ điều 
khiển PID và NNC trong cùng điều kiện làm việc được cho trong 
bảng 3.7 
Bảng 0.1 Thông số chất lượng của bộ điều khiển PID và NNC trong 
mạch vòng tốc độ 
b. Đáp ứng của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng NNC 
+ Trường hợp 1: 
- Đáp ứng công suất như hình 3.44 
Hình 0.7 Đáp ứng của mạch vòng công suất với khi sử dụng bộ điều 
khiển NNC trong T/H1 
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.45 
 17 
Hình 0.8 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển 
NNC trong T/H1 
+ Trường hợp 2: 
- Đáp ứng công suất như hình 3.46 
Hình 0.9 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều 
khiển NNC trong T/H2 
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.47 
 18 
Hình 0.10 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển 
NNC trong T/H2 
+ Trường hợp 3: 
- Đáp ứng công suất như hình 3.48: 
Hình 0.11 Đáp ứng của mạch vòng công suất với khi sử dụng bộ 
điều khiển NNC trong T/H3 
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.49 
 19 
Hình 0.12 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển 
NNC trong T/H3 
Thông số chất lượng của bộ điều khiển PI và NNC (trong cùng điều 
kiện làm việc) khi máy phát vận hành nối lưới được cho trong bảng 
3.8. 
Bảng 0.2 Thông số chất lượng điều khiển của bộ PI và bộ NNC trong 
chế độ nối lưới 
3.4 Kết luận chương 3 
Khi hệ thống turbine thủy lực có các thông số ổn định (hoặc thay 
đổi nhỏ) trong quá trình làm việc thì sử dụng bộ điều khiển PID, PI hoàn 
toàn đáp ứng được yêu cầu chất lượng đề ra. Sử dụng bộ điều khiển 
PID, PI trong các trường hợp hệ thống có chiều cao cột áp và phụ tải 
điện thay đổi trong phạm vi rộng (thường gặp ở các thủy điện nhỏ) cho 
đáp ứng dao động mạnh (có trường hợp mất ổn định). 
 20 
Bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên ANFIS nhận dạng 
trực tiếp hệ thống kết hợp với nơron có cấu trúc PID và PI đã khắc phục 
được các hạn chế của các bộ điều khiển PID, PI, nâng cao được chất 
lượng điều khiển trong các trường hợp hệ thống turbine thủy lực phi 
tuyến có yếu tố bất định. 
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ 
PHỎNG THỬ NGHIỆM 
4.1 Thiết lập mô hình hệ thống hardware-in-the-loop (HIL) 
Hệ thống mô phỏng HIL là cách thức mô phỏng được sử dụng 
trong việc phát triển và kiểm tra các hệ thống thời gian thực. HIL 
trong luận án gồm hai quá trình song song, đó là quá trình mô phỏng 
hệ thống hoàn toàn như mô phỏng "off-line" và kết hợp với quá trình 
hoạt động của các thiết bị trong miền thời gian thực qua card đa năng 
NI PCI MIO 16E-1. Thiết bị thực ở đây là bộ điều tốc điện-thủy lực 
thực tế, và các cảm biến đo vị trí xi lanh. 
Hệ thống mô phỏng HIL được triển khai như hình 4.1 
Hình 0.1 Mô hình tổng quan hệ thống mô phỏng HIL 
4.2. Kết quả thực nghiệm 
Quá trình thực nghiệm được tiến hành ở các chế độ vận hành 
và các điều kiện khác nhau của hệ thống với các bộ điều khiển PID, 
PI, NNC. Kết quả cụ thể: 
+ Kết quả thực nghiệm ở chế độ vận hành độc lập 
 21 
Hình 4.15 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng 
bộ điều khiển PID trong T/H1 
Hình 4.16 Đặc tính thực của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều 
khiển NNC trong T/H1 
Hình 4.17 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng 
bộ điều khiển PID trong T/H2 
 22 
Hình 4.18 Đặc tính thực của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều 
khiển NNC trong T/H2 
+ Kết quả thực nghiệm ở chế độ vận hành nối lưới 
Hình 4.23 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng công suất khi sử 
dụng bộ điều khiển PI trong T/H1 
Hình 4.24 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng công suất khi sử 
dụng bộ điều khiển NNC trong T/H1 
 23 
Hình 4.25 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng công suất khi sử 
dụng bộ điều khiển PI trong T/H2 
Hình 4.26 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng công suất khi sử 
dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2 
4.3. Kết luận chương 4 
- Bộ điều tốc điện-thủy lực được thiết kế đảm bảo hoạt động tin cậy, 
chắc chắn và chính xác. 
- Quá trình thực nghiệm được tiến hành với cả hai bộ điều khiển PID 
(PI) và bộ điều khiển NNC ở chế độ máy phát làm việc với tải độc 
lập và máy phát nối lưới. Qua đó cho thấy, trong điều kiện hoạt động 
có biến đầu vào là chiều cao cột áp và biến đầu ra là phụ tải điện thay 
đổi hoặc thay đổi giá trị công suất đặt, đáp ứng của hệ thống khi sử 
dụng bộ điều khiển NNC cho chất lượng điều khiển tốt hơn nhiều so 
với khi sử dụng bộ điều khiển PID, PI (Đáp ứng ít dao động, lượng 
quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh nhỏ) 
 24 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
KẾT LUẬN 
Luận án đã có những đóng góp khoa học cụ thể sau: 
- Xây dựng mô hình tuyến tính hóa và mô hình phi tuyến (có xét đến 
tổn thất cột áp trong đường ống) cho nhà máy thủy điện không có hồ 
chứa lớn, không có tháp điều áp. 
- Thiết kế bộ điều khiển phản hồi tuyến tính PID, PI cho hệ thống 
vận hành ở chế độ làm việc với phụ tải độc lập (mạch vòng điểu 
khiển tốc độ) và chế độ vận hành nối lưới (mạch vòng điều khiển 
công suất). 
- Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển 
PID, PI trong các trường hợp hệ thống có các tham số thay đổi như: 
công suất phụ tải điện, công suất đặt, chiều cao cột áp. 
- Thiết kế bộ điều khiển nơron thích nghi NNC (PID-nơron, PI-nơron 
có các thông số cập nhật trực tiếp theo sự thay đổi tham số của hệ 
thống) ứng dụng vào điều khiển hệ thống turbine thủy lực trong các 
trường hợp hệ thống thủy lực có các thông số thay đổi trong phạm vi 
rộng cho kết quả tốt. 
- Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế đảm bảo hoạt 
động tin cậy, chắc chắn và chính xác phục vụ cho quá trình thực 
nghiệm, kiểm tra, đánh giá chất lượng của các bộ điều khiển trong 
miền thời gian thực. 
- Xây dựng mô hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop), 
trong đó sử dụng phần mềm Matlab để tính toán bộ điều khiển và 
card đa năng NI PCI MIO 16E-1 để trao đổi dữ liệu giữa máy tính và 
thiết bị thực nên việc thiết kế, tính toán các phần tử đều được thực 
hiện trong phần mềm sẽ đơn giản và dễ dàng hơn khi phải thiết kế 
mạch thực mà vẫn đảm bảo được độ chính xác. Kết quả thực nghiệm 
trên bộ điều tốc thực tế đã chứng minh được tính ưu việt của bộ điều 
khiển NNC so với bộ điều khiển PID, PI tuyến tính về các yêu cầu 
chất lượng điều khiển hệ thống điện, tạo ra khả năng ứng dụng cao 
vào thực tế. 
KIẾN NGHỊ 
Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và phát triển bộ điều khiển NNC để 
có thể ứng dụng vào sản xuất thực tế trong các nhà máy thủy điện.