www.mechconf.com ١

30 mm25 mm

با كنترلر V94.2بهبود رفتار غير خطي سيستم توربين گازي هوشمند

سعيد سيد طبايي، ١مسعود مرادي ايران, تهران, دانشگاه شاهد, دانشكده فني

چكيده

در اين رابطه عملكرد . مولد برق در مقابل تغييرات بار از موضوعات مورد عالقه محققين استتثبيت دور توربين گازي بهينه شده توسط آلگوريتم هاي PIDبعنوان مرجع مورد استفاده قرار گرفته و عملكرد آن با كنترل PIDكنترلر پايه

دهنده سازي ازدحام ذرات شتاب دهنده، آلگوريتم بهينه سازي ازدحام ذرات شتاب سازي ازذحام ذرات، آلگوريتم بهينه بهينههاي تطبيقي يافته، و كنترلر فازي بهينه شده با الگوريتم ازدحام ذرات، و سيستم استنتاج فازي مبتني بر شبكه بهبود

(ANFIS) دهند كه در كنترل سازي نشان مي نتايج حاصل از شبيه. سازي ازدحام ذرات مورد بررسي قرار مي گيرد با بهينهسازي ازدحام ذرات و كنترلر فازي، و در كنترل طراحي شده توسط بهينه PIDبا فيدفوروارد ناشي از اختالل بار، كنترلر

باشند، لذا راحي شده داراي عملكرد بهتري نسبت به ساير كنترلرها ميبدون فيدفووارد ناشي از اختالل بار كنترلر فازي ط .تر هستند اين كنترلرها براي كنترلر سرعت توربين گازي مناسب

سازي سيكل تركيبي، كنترلر هوشمند، بهينه ،V94.2توربين گازي : كلمات كليدي

مقدمه .1

در محفظه . شود تا وارد محفظه احتراق گردد هاي گازي ابتدا هوا در بخشي به نام كمپرسور فشرده مي در توربيناين . نمايد شود و توليد سيال با انرژي جنبشي باال مي هاي فسيلي، هواي فشرده تزريقي گرم مي احتراق با سوزاندن سوخت

كار توليد شده صرف چرخاندن . كمك آن كار مكانيكي توليد نمايد شود تا به هاي توربين هدايت مي سيال به سمت پرههاي گازي از سه بخش اصلي كمپرسور، محفظه طور كلي توربين به. گردد هاي ديگر مانند ژنراتور مي كمپرسور هوا و دستگاه

ي فسيلي به انرژي ها هدف اصلي در يك توربين گاز، تبديل انرژي نهفته در سوخت. احتراق، و توربين تشكيل شده استدر اين قسمت بخش اعظمي از . افتد اين تبديل در قسمتي از توربين گاز به نام توربين اتفاق مي.باشد مكانيكي و كار مي

در واقع، توربين . شود توربين گاز انتقال داده ميشود و اين انرژي به محور انرژي گازهاي حاصل از احتراق گرفته ميفظه احتراق قرار گرفته و وظيفه تبديل انرژي گرمايي گازهاي خروجي از محفظه احتراق را به قسمتي است كه بعد از مح

هاي با جريان گردشي و توربين: ها وجود دارند دو نوع متداول از اين نوع توربين .انرژي مكانيكي و كار برعهده دارد

1، تھراندانشگاه شاھد, دانشکده فنی

masoud.moradi94shahed@yahoo.com

www.mechconf.com ٢

هاي با جريان در واقع در توربين. باشد نها ميكه تفاوت اصلي آنها در جهت عبور سيال از آ ١هاي جريان محوري توربينهاي با جريان گردشي، جهت حركت گازهاي خروجي عمود بر امتداد ورود گازهاي داغ و در توربين گردشي، جهت حركت

هاي با جريان به عبارت ديگر در توربين. هاي با جريان محوري، اين جهت، موازي گازهاي داغ ورودي است در توربيندر حالي كه در . شود باشد كه باعث حركت و چرخش توربين مي جريان گازها به سمت درون و شعاعي ميگردشي، ها باعث چرخش آنها شوند و با برخورد به پره هاي با جريان محوري، گازها در موازات محور مركزي توربين وارد مي توربين

.]1[شوند شده و سپس بدون تغيير مسير از توربين خارج مي

مدل توربين با سيكل تركيبي .2

اين مدل شامل سه حلقه كنترلي سرعت، . اي از توربين گازي را معرفي نمود مدل ساده 1982روون در سال 2هدايت ورودي مدل توسعه يافته خود را با افزودن كنترل پره 1992سال روون در . باشد دما و شتاب مي

نيروگاه سيكل تركيبي كه شامل يك توربين گازي و يك توربين بخار است، . كمپرسوري جريان محوري كامل نمودر، دهد، و شامل يك كمپرسو محور را نشان مي-سيكل تركيبي تك 1شكل . تواند باعث افزايش راندمان گردد مي

.باشد ، توربين بخار و يك ژنراتور مي٣محفظه احتراق، توربين گازي، بويلر بازيافت حرارتيفرستد، محفظه احتراق هوا و سوخت را كند و آن را به محفظه احتراق مي كمپرسور هوا را فشرده مي

بين گازي را به حركت درمي اين گاز تور. گردد سوزانده، و باعث باال رفتن دما و باال رفتن فشار گاز داخل آن ميبه حركت ده، و توربين بخار را بويلر بازيافت حرارتي مقدار انرژي را از اگزوز توربين جمع كر. ]3[، و ]2[آورد باشد كه حدود دو سوم هاي خروجي توربين گازي و توربين بخار مي توان خروجي نيروگاه، مجموع توان. آورد درمي

.]2[ دهند آن را توربين گازي و بقيه آن را توربين بخار تشكيل مي

]٢[ يبشكل سيكل تركي - 2شكل

1 Axial Flow 2 Inlet Guide Vane 3 Heat Rocovery Boiler

www.mechconf.com ٣

مدل سيكل تركيبي توربين گازي - 2ل شك

:آيد ميدست ، از رابطه زير به)Td( شود، دماي خروجي كمپرسور از آنجا كه هوا فشرده مي

)1(1

1

c

id

xTT

)2(1

0

WPx r

نرخ فشار كمپرسور، ، Pr0نرخ دماي كمپرسور، xبازده كمپرسور، ɳcدماي ورودي به كمپرسور يا دماي محيط، Tiاي گونه بهW نرخ جريان هوا وY جريان هوا . باشد نسبت گرماي ويژه ميW به دماي محيطTi و فشار اتمسفرPa صورت زير به

:وابسته است)3(0

0 i

i

a

aT

T

P

PWW

.فرض شده است Pa=Pa0باشد، و دهنده مقدار نسبي مي نشان "0"، )3(در رابطه :دهد رابطه زير دماي ورودي توربين گازي را نشان مي

)4()( 00W

WTTTT

f

dfdf

دماي تخليه كمپرسور، و مقدار جريان Td0دماي داخلي توربين گازي، و Tf0جريان سوخت ، و Wfكه در رابطه فوق .سوخت در مقايسه با جريان هوا ناچيز است

:نمايد رابطه زير دماي اگزوز توربين گازي را بيان مي)5(

111

tfe

xTT

ذيل صورت باشد، و متغيرهاي دماي خروجي به بازده توربين است، و جريان گاز اگزوز با جريان هوا برابر مي ɳtكه در آن :گردند نرماليزه مي

)6(273

,273

00 f

f

f

e

ee

T

TT

T

TT

دهد نمايش مي) PIDكنترلر ساده +به همراه كنترلر فيدفوروارد ناشي از اختالل بار (، مدل سيكل تركيبي را 2شكل mm 25ها، توربين گازي، بقيه بلوك .باشد توان، كنترل دما، كنترل سوخت و كنترل هوا مي/ كه شامل چهار بلوك كنترل سرعت

www.mechconf.com ٤

متغيرهاي ورودي و خروجي هر يك از . كنند توربين بخار، بويلر بازيافت حرارتي، محور رتور و مبدل دما را معرفي ميرا مطابق بار اعمالي و انحراف سرعت رتور Fdسوخت توان، سيگنال/ بلوك كنترل سرعت. اند شده ها در نشان داده بلوك

)1-N( بلوك كنترل دما، دماي .نمايد تعيين ميTe گيري دماي اندازه. كند تا آسيبي به توربين گازي نرسد را محدود ميدر بلوك Fdسيگنال سوخت . باشد مي Tcمقايسه شده است، خروجي آن سيگنال كنترل دماي Trبا دماي مرجع Tˊeشده

انتخاب ،كمترين مقدار مقدار كمتر، توسط بلوك انتخاب .مقايسه شده است Tcكنترل سوخت با سيگنال كنترل دماي نمايد تا به مقدار دماي را تنظيم مي Wبلوك كنترل هوا، جريان هواي . باشد مي Wfگرديده و خروجي آن جريان سوخت

.]2[گردد هاي قابل تنظيم كمپرسور تنظيم مي جريان هوا توسط پره. اگزوز مطلوب برسدبا استفاده از Wو جريان هواي Te ،Tf ،Tdباشد، دماهاي مي Ti، و دماي ورودي W، جريان هواي Wfسوخت جريان

:گردد بنابراين، انرژي شبكه وارد شده به توربين گازي از رابطه زير محاسبه مي. اند روابط زير تعيين شده)7()}(){(0 WTTTTkE idefg

.گردد تبديل مي Pgبه توان Tcdاين انرژي بعد از يك تاخير زماني . يك ثابت است k0كه در آن :آيد دست مي شده توسط بويلر بازيافت حرارتي و توربين بخار از رابطه زير به آوري انرژي جمع

)8(1 WTkE es

توان خروجي Psو Pgبا مجموع . يابد تغيير مي Psبه توان Tbو Tmاين انرژي بعد از تاخير زماني . مقدار ثابت است k1كه وجود داشته باشد، سرعت رتور تغيير PLو توان بار Pmاگر اختالفي بين توان خروجي . آيد دست مي به) Pm(نيروگاه

.]3[، و ]2[باشد نيز ثابت زماني رتور مي Ti. يابد مي

)PSO١(سازي ازدحام ذرات آلگوريتم بهينه .3

هاي تكاملي است كه از طبيعت الهام سازي و از جمله آلگوريتم سازي ازدحام ذرات يك تكنيك بهينه آلگوريتم بهينهسازي مبتني بر قوانين احتمال است كه توسط دكتر ابرهارت و دكتر اين آلگوريتم يك تكنيك بهينه. گرفته شده استآلگوريتم . ها در پيدا كردن غذا، الهام گرفته شده است دگان يا ماهيارائه شد و از رفتار اجتماعي پرن 1995كندي، در سال

PSO روز كند، سپس براي يافتن جواب بهينه در فضاي مسئله با به هاي تصادفي شروع به كار مي با يك گروه از جوابب معرف وضعيت مكاني و كه به ترتي vidو xidچند بعدي با دو مقدار صورت هر ذره به. پردازد ها به جستجو مي كردن نسل

، آپديت موقعيت 3شكل .Error! Reference source not found. شود ام هستند، تعريف ميiام از ذره dسرعت مربوط به بعد .]4[دهد و سرعت يك ذره را نمايش مي

:باشد به صورت رابطه زير مي PSOروز رساني موقعيت و سرعت آلگوريتم روابط به)9()()( 2211

1 k

i

k

ii

k

i

k

i xgbestrandcxpbestrandcWvv

)10(11 ki

k

i

k

i vxx

1 Particle Swarm Optimization

www.mechconf.com ٥

و rand1ضرايب يادگيري، c2و c1ام، kام در تكرار iموقعيت فعلي ذره xikام، kام در تكرار iسرعت فعلي ذره vikكه در آن، rand2 1و 0اعداد تصادفي بين ،W ،وزنه اينرسيpbesti بهترين فرد از ذرهi ،امgbesti 5[باشند بهترين جامع ، مي[ ،

]6[ ،]7[

شكل آپديت موقعيت وسرعت ذرات - 3شكل

(APSO١)دهنده سازي ازدحام ذرات شتاب بهينه .4

APSO يك نسخه ساده شده ازPSO كه در حالي. باشد يافته توسط يانگ مي توسعهPSO از بهترين فرد و بهترينسازي با توجه اين ساده. نمايد تنها از بهترين جمع، استفاده مي APSOكند، آلگوريتم جمع براي آپديت سرعت استفاده مي

تواند با مقدار تصادفي جايگزين رو مي شود، از اين ها استفاده مي حل به اين واقعيت كه بهترين فرد براي افزايش تنوع در راه :گردد ام به صورت رابطه زير آپديت ميiدر نتيجه، سرعت ذره شود،

)11()(1 k

i

k

i

k

i xgbestvv

هرچند، . شود م طبق معدله فوق آپديت مياiموقعيت ذره . باشد مي [0,1]شده در بردار يكنواخت توزيع εكه در آن، :باشد منظور افزايش همگرايي بيشتر، آپديت موقعيت به شكل زير مي به)12()1(

1 gbestxx kik

i

بنابراين، . باشد شود، بنابراين نيازي به سرعت نمي معرفي مي 12تنها با رابطه APSOشود، طور كه ديده مي همان :رابطه زير را پيشنهاد نمود APSOمنظور عملكرد بهتر يانگ به

)13(00kyk yوe

.]8[شوند انتخاب مي β 7.~1.=، و y ϵ [0,1] ،=.5~.1 0αكه

(IAPSO٢)دهنده سازي ازدحام ذرات شتاب بهينه .5

1 Accelerated Particle Swarm Optimization 2 Improved Accelerated Particle Swarm Optimization

www.mechconf.com ٦

:گردد صورت زير بيان مي به IAPSOرابطه موقعيت در)14()()())(1(

1 k

i

k

i

k

i Rkgbestkpkx

.باشد شده مي بردار يكنواخت توزيع Rكه )15()(

max

minmaxmax k

kk

)16()2

sin()()(max

minmaxmink

kk

.]8[باشد مي الگوريتمبيشترين تكرار در kmaxو :سازي است هاي بهينه كار رفته براي آلگوريتم شاخص عملكرد به 17رابطه

)17()(

200

100

dttetITAE

PIDكنترلر .5

مشاهده شد كه 1989عمل آمده در سال هاي به بر طبق بررسي. هاي اوليه كنترل است يكي از استراتژي PIDكنترلر گير در زمينه تحليل و طراحي با وجود توسعه چشم. ]9[هستند PIDهاي كنترل از نوع درصد حلقه 90بيش از هنوز هم تقريباً حرف اول را در كاربردهاي PIDهاي كننده پيشرفته در چندين دهه گذشته، كنترلهاي كنترل سيستمعالوه بر سادگي، هزينه پايين، كارايي و راحتي تعمير و نگهداري، از مقاومت نسبتاً PIDكنترلرهاي . زنند مي صنعتي

با مطالعه پاسخ 1تالش اوليه به منظور توسعه يك مدل اختالل كوچك ]11[در .]10[ها برخوردارند معيني خوبي در برابر نامنظور آلگوريتم كرم شبتاب براي اولين بار به. فركانسي از يك نيروگاه توربين گازي سيكل تركيبي صورت گرفته است

عملكرد كنترلرهاي كالسيك از جمله . گيرد هاي كنترلي مورد استفاده قرار مي كردن بهره منظور بهينه كنترل فركانس بهبا هم )ID(گير مشتق-گير و انتگرال )PID(گير مشتق-گير انتگرال-، تناسبي)PI(گير انتگرال-، تناسبي)I(كنترلر تناسبي

طور ها به در كارخانه PIDكنترلرهاي .يگر كنترلرها داردعملكرد بهتري نسبت به د PIDمقايسه شده است، و كنترلر سازي ازدحام ذرات ضرايب در اين كار، آلگوريتم بهينه. گيرند زيرا ساده و مقاوم هستند گسترده مورد استفاده قرار مي

كنترلر فركانس بار مبتني بر ]12[در .]5[نمايد هيدروليكي تنظيم مي-را براي يك سيستم سرو الكترو PIDكنترلر سازي باشد، با استفاده از آلگوريتم بهينه براي كنترل فركانس كه يكي از مسائل مهم در سيستم توان مي PIDكنترلر

براي . پردازد به كنترل موقعيت دريچه سيستم سيلندر در كاوشگر هيروليكي مي ،]6[. گردد ازدحام ذرات، كنترل ميمورد استفاده قرار PIDسازي ازدحام ذرات براي تنظيم ضرايب كنترلر رسيدن به عملكرد عالي از سيستم غير خطي، بهينه

.گرفته است

1 Small Perturbation

www.mechconf.com ٧

PIDساختار كنترلر - 4شكل

.

، PIDكننده شود در كنترل طور كه مشاهده مي همان. دهد را در اين مطالعه نشان مي PID، ساختار كنترلر 4شكل با سه kd، و kp ،kiدر اين كنترلر ضرايب .باشد مي (e(tگير سيگنال خطاي و مشتق گير ورودي عمليات تناسبي، انتگرال

.گردد تنظيم مي IAPSO، و PSO ،APSOسازي آلگوريتم بهينه)18()0

dt

de(t)kdτe(τke(t)ku(t) d

tip

كنترلر فازي .6

قلب يك سيستم فازي يك پايگاه دانش بوده كه از . باشند هايي مبتني بر دانش يا قواعد مي هاي فازي، سيستم سيستمآنگاه فازي -اگراي از قواعد دست آوردن مجموعه نقطه شروع يك سيستم فازي به. آنگاه فازي تشكيل شده است- قواعد اگر

.]13[ باشد از دانش افراد خبره يا دانش حوزه مورد بررسي مييك . داده شده است Error! Reference source not found.4كار رفته در اين مطالعه، در ساختار كنترلر فازي به

قوانين . باشد سازي مي سازي، موتور استنتاج، پايگاه قانون، و ديفازي هاي مختلف فازي كنترلر فازي معموالً شامل قسمت .]13[توانند با دانش انسان خبره، و همچنين تجربه توسعه يابند فازي ميسازي تابع هدف ارائه شده منظور نرخ افزايش همگرايي و مينيمم به DPSO1يك آلگوريتم جديد مبتني بر ]14[در

بهترين تركيباتي از ضرايب شتاب، وزنه ٢صورت ديناميكي كند تا به اين آلگوريتم عملكرد جديدي را استفاده مي. استهاي سازي از بهره نظور بهينهم مرتبه كسري به Fuzzy-PIDدر اين كار، كنترلر . اينرسي و اندازه جمعيت را انتخاب نمايد

به روش جدول Fuzzy-PID، يك كنترلر ]15[. محور ارائه شده است-كنترلر و بهبود عملكرد نيروگاه سيكل تركيبي تك PSO-Fuzzy_PID، كنترلر ]16[در . اند گير نرمااليز شده هاي تناسبي و مشتق نمايد، در اين كار بهره يرا معرفي م 3بهره، زمان خيز، زمان نشست و باالزدگي ITAE ،ITSEزي با استفاده از معيارهايي چون منظور كنترل سرعت توربين گا به

براي تنظيم محدوده گين كنترلر مورد سازي ازدحام ذرات ، از آلگوريتم بهينه]17[در . مورد استفاده قرار گرفته استمدل سيگنال بزرگ و سيگنال كوچك توربين گازي . كار بردن تكنيك فازي جدول بهره، استفاده شده است استفاده با به

نيكولز، جدول بهره فازي، و -هاي زيگلر توسط روش PIDدر اين طرح، كنترلر . مدل روون را مورد بررسي قرار داده است .]18[گردد تنظيم مي SA4الگوريتم

1 Dynamic Particle Swarm Optimization 2 Dynamically 3 Gain-Scheduling 4 Simulated Annealing

www.mechconf.com ٨

هاي اين كنترلر ورودي. دهد ا نشان ميكنترلر فازي ، كه از دو ورودي و دو خروجي تشكيل شده است ر 5شكل . باشند گير مي هاي تناسبي و مشتق هاي آن بهره ، و خروجي )∆e(و مشتق خطاي سرعت توربين )e(خطاي سرعت

، PS=، متبت كوچكPM=، مثبت متوسطPB=مثبت بزرگ(صورت اصطالحات زباني براي هر يك از متغير زباني بهمكانيزم استنتاج مبتني بر . انتخاب شده است) NB=، منفي بزرگNM=سط، منفي متوNS=، منفي كوچكZO=صفر

براي هريك از متغيرهاي ورودي توابع عضويت به شكل مثلثي، و براي هر يك از متغيرهاي . باشد تكنيك ممداني ميتيب در توابع عضويت براي هر يك از متغيرهاي ورودي و خروجي به تر. باشد خروجي توابع عضويت به شكل گوسي مي

.]20[، ]19[، ]15[اند نمايش داده شده Error! Reference source not found.7و 6شكل جدول قوانين براي كنترل . باشد قانون فازي براي شرايط عملكردي سيستم سيكل تركيبي مي 49شامل كنترلر فازي

در اين . نشان داده شده است Error! Reference source not found.2و Error! Reference source not found.1سرعت در تحقيق پارامترهاي فازي از جمله توابع عضويت مثلثي در ورودي

سازي ازدحام ذرات بهينه گير توسط آلگوريتم كنترلر انتگرال هاي فازي و ضريب هاي بهره 1و گوسي در خروجي، مقياس .گردند ، به صورت جدول بهره تنظيم ميمقالههاي كنترلر فازي در اين بهره. گردد تنظيم مي

كنترلر فازي – 6شكل

هاي كنترلر فازي تابع عضويت براي ورودي – 7شكل

1 Scaling

www.mechconf.com ٩

- هاي كنترلر فازي تابع عضويت براي خروجي – 8شكل

قوانين فازي مربوط به بهره تناسبي كنترلر فازي – 1جدول ė

NB NM NS ZO PS PM PB

e

NB S S S S S S S

NM B B S S S B B

NS B B B S B B B

ZO B B B B B B B

PS B B B S B B B

PM B B S S S B B

PB S S S S S S S

گير کنترلر فازی قوانين فازی مربوط به بھره مشتق – ٢جدول

ė NB NM NS ZO PS PM PB

e

NB B B B B B B B

NM S B B B B B S

NS S S B B B S S

ZO S S S B S S S

PS S S B B B S S

PM S B B B B B S

PB B B B B B B B

www.mechconf.com ١٠

توربين گازي در شرايط بدون فيدفوروارد ناشي از اختالل بار )e(براي انحراف سرعت PSOتابع عضويت كنترلر فازي تنظيم شده با : 8شكل

توربين گازي در شرايط بدون فيدفوروارد ناشي از اختالل بار )e∆(براي انحراف سرعت PSOتابع عضويت كنترلر فازي تنظيم شده با : 8شكل ANFISكنترلر .7

. نشان داده شده است Error! Reference source not found.10كار برده شده در اين تحقيق، در به ANFISساختار .باشد مي jاليه ام درi، معرف خروجي گره Oij. گردد از پنج اليه تشكيل مي ANFISشبكه

]٢١[ ANFISساختار كنترلر – 10شكل

Oi .نمايد را مشخص مي )A )A1,A2,B1,B2، درجه عضويت از مجموعه فازي 1

)19(2,1),(1 ixAO ii

)20(4,3),(21 ixBO ii

:در اليه دوم داريم

www.mechconf.com ١١

)21(2,1),()(2 iyBxAwO iiii

.باشد يك قانون مي 1دهنده قدرت فايرينگ در اين اليه هر يك از خروجي گره نشان .باشد ام به همه قوانين ميiنسبت قدرت فايرينگ قوانين Nدر اليه سوم، هر گره

)22(2,1,21

3

iww

wwO iii

.باشد خروجي اين اليه، مرحله نرمااليز قوانين كردن مي .نمايد ام به كل خروجي را محاسبه ميiدر اليه چهارم، هر گره سهم قانون

)23(2,1),(4 icybxawzwO iiiiiii

عنوان پارامترهاي بخش پارامترهاي اين اليه به. باشند مجموعه پارامترها مي )ai,bi,ci(خروجي اليه سوم، و iwطوري كه به . گردند شناخته مي 2تالي

.]21[كند هاي ورودي محاسبه مي در اليه پنجم، آخرين گره، خروجي نهايي را به عنوان مجموع سيگنال)24(

5

i i

i ii

i

i

iiw

zwzwO

وتور توسط اين عملكرد م. بدون جاروبك طراحي كرده است DCبراي موتور ANFIS، يك كنترلر مبتني بر ]22[، با شاخص عمكردهايي از جمله PIDكننده ضرايب كالسيك، كنترلرفازي تنظيم PIكنترلر و كنترلرهاي ديگر نظير

براي ANFIS، پارامترهاي ]23[در .نمايد زدگي، زمان خيزش، و خطاي حالت ماندگار را مقايسه مي باالزدگي، پايينسازي ازدحام ذرات، هاي تبديل موجك، بهينه ،تركيب روش]24[. هاي ديناميكي غير خطي جديد تنظيم شده است سيستم

مدت در يك بازار -هاي برق كوتاه بيني قيمت هاي تطبيقي را در رابطه با پيش و سيستم استنتاج فازي مبتني بر شبكه. گردد با تتظيم پارامترهاي توابع عضويت آن، استفاده مي ANFISعملكرد منظور بهبود به PSOاز . نمايد رقابتي معرفي مي

بيني انرژي باد نقش كليدي در پيش. اي به همراه دارد امروزه در پرتغال افزايش انرژي بادي در شبكه برق، مشكالت عمدهبراي ANFISدحام ذرات، و سازي از روش ارائه شده تركيبي از آلگوريتم بهينه. مقابله با اين مشكالت خواهد داشت

سازي ازدحام ذرات در تنظيم ، از آلگوريتم بهينه]25[. ]21[باشد مدت نيروي باد در پرتغال مي-بيني كوتاه پيشرا ANFIS، نحوه بسته شدن كنترلر 11شكل . كند براي سيستم تعليق خودرو استفاده مي ANFISپارامترهاي كنترلر

.دهد نمايش ميو يك خروجي ) خطاي سرعت و مشتق خطاي سرعت(طراحي شده كه داراي دو ورودي ANFISدر اين كار، كنترلر

سازي خروجي از تنظيم پارامترهاي كنترلر فازي نوع ممداني توسط آلگوريتم بهينه /هاي ورودي باشد، توسط داده مي. دهد كار رفته در اين كنترلر را نشان مي ، توابع بهError! Reference source not found.12. آيد دست مي ازدحام ذرات به

هاي ورودي ، مقياس)ميانگين و واريانس(در اين سيستم عبارتند از پارامترهاي توابع گوسي PSOموارد تنظيم شده توسط گير در طرح بدون گير در طرح فيدفورواردو يك كنترلر انتگرال ترلر انتگرالدو كن(گير و خروجي، و ضرايب كنترلر انتگرال ).فيدفوروارد در نظر گرفته شده است

1 Firing Strength 2 Consequent

www.mechconf.com ١٢

ANFISبراي كنترلر (e∆)و (e)هاي توابع عضويت به ترتيب براي ورودي – 11شكل

ANFISكنترلر – 12شكل

سازي نتايج و شبيه .8

.دهد ، نمودار تغييرات بار را نشان مي13شكل

www.mechconf.com ١٣

تغييرات بار نمايش – 13شكل

ترتيب براي كنترلرهاي را به )N-1(گازي حاصل از انحراف سرعت رتور توربينسازي نتايج شبيه 15، و شكل 14شكل PID شود كنترلر طور كه مالحظه مي همان. دهند نشان ميناشي از اختالل بار و كنترلرهاي فازي در شرايط فيدفورواردPID تنظيم شده توسطPSO و در ) 0،0065(و كنترلر فازي در لحظه افت بار كمترين مقدار ماكزيمم انحراف سرعت

با . باشد نسبت به ساير كنترلرها مي) 0،0065(براي كنترلر فازي و ) PID )0،006لحظه افزايش بار اين مقدار براي كنترلر داراي مقدار كمتر و تغييرات PSOطراحي شده توسط PIDتوان گفت كه چون در لحظه افت بار كنترلر اين حال مي

باشد، تر مي اسبباشد، اين كنترلر در لحظه افت بار براي كنترلر سرعت توربين گازي من تري نسبت به كنترلر فازي مي آرامولي در لحظه افزايش بار ميزان ماكزيمم انحراف سرعت توربين توسط اين دو كنترلر تقريباً با هم برابر است و كنترلر فازي

توان گفت كه كنترلر فازي در شرايط افزايش باشد، لذا مي مي PIDتري نسبت به كنترلر داراي تغييرات انحراف سرعت نرم .باشد تر مي عت توربين گازي مناسببار براي كنترلر سر

سازي در شرايط فيدفوروارد ناشي از اختالل بار هاي بهينه طراحي شده توسط آلگوريتم PID، ضرايب كنترلر 3جدول .باشند متغيرهاي قابل تنظيم بلوك فيدفوروارد ناشي از اختالل بار مي M2و M1، ضرايب 3در جدول . دهد را نشان مي

سازي در شرايط هاي بهينه توسط آلگوريتم طراحي شده PIDنمودار انحراف سرعت توربين گازي حاصل از كنترلرهاي - 14شكل

فيدفوروارد ناشي از اختالل بار

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (s)

Pow

er

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 2000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

Time (s)

Devia

tion o

f R

oto

r S

peed

PSO-PID

APSO-PID

IAPSO-PID

www.mechconf.com ١٤

در شرايط فيدفوروارد ناشي از اختالل بار فازي طراحي شدهنمودار انحراف سرعت توربين گازي حاصل از كنترلرهاي - 15شكل

در شرايط فيدفوروارد ناشي از اختالل بار PIDضرايب كنترلر - 3 جدولAlgorithm

PID

Coefficient

PSO-Tuned PID

APSO-Tuned PID

IAPSO-Tuned

PID

Kp 192 136.8 203.9

Ki 373 324.2 326.75

Kd 79.6 148.5 117.29

M1 .55 1.2 1.2

M2 .46 1.2 1.2

ترتيب براي را به )N-1(انحراف سرعت رتور توربين گازي سازي حاصل از نتايج شبيه 17، و شكل 16شكل طور كه مالحظه همان. دهند نشان مي ناشي از اختالل بار و كنترلرهاي فازي در شرايط بدون فيدفوروارد PIDكنترلرهاي

ر افت بار مربوط به كنترلر فازي طراحي شده توسط د) 0،025(گردد كمترين مقدار ماكزيمم انحراف سرعت رتور ميPSO ًاز آنجا كه انحراف سرعت رتور با طراحي . باشد مي 0،02، و در افزايش بار اين مقدار براي همه كنترلرها تقريبا تر براي رسيدن به حالت و زمان سريع تر انحراف سرعت، داراي تغييرات نرم PSOكننده فازي توسط آلگوريتم كنترل

طراحي شده PID، ضرايب كنترلر 4جدول . ترند ماندگار دارد، لذا اين كنترلر براي كنترل دور سرعت توربين گاز مناسب .دهد سازي در شرايط بدون فيدفوروارد ناشي از اختالل بار را نشان مي هاي بهينه توسط آلگوريتم

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 2000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.01

Time (s)

Devia

tion o

f R

oto

r S

peed

FUZZY

PSO-ANFIS

www.mechconf.com ١٥

سازي در شرايط هاي بهينه توسط آلگوريتم PIDنمودار انحراف سرعت توربين گازي حاصل از كنترلرهاي طراحي - 16شكل

فيدفوروارد بدون اختالل بار

سازي ازدحام ذرات در بهينه نمودار انحراف سرعت توربين گازي حاصل از طراحي كنترلرهاي فازي توسط آلگوريتم - 17شكل

ناشي از اختالل بارشرايط فيدفوروارد

اختالل بار فيدفوروارد ناشي از در شرايط بدون PIDضرايب كنترلر - 4جدول Algorithm

PID

Coefficient

PSO-Tuned

PID

APSO-Tuned

PID

IAPSO-Tuned

PID

Kp 155.9 169.6 210

Ki 60.6 58.4 93.3

Kd 317.8 236.2 227.2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Time (s)

Devia

tion o

f R

oto

r S

peed

PSO-PID

APSO-PID

IAPSO-PID

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 2000

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Time (s)

Devia

tion o

f R

oto

r S

peed

PSO-FUZZY

PSO-ANFIS

www.mechconf.com ١٦

گيري نتيجه .9

هاي توسط آلگوريتم ANFIS، كنترلر فازي، و كنترلر PIDدر اين مقاله، كنترلرهاي مختلفي از قبيل كنترلرهاي كنترلر فازي . طراحي گرديده است V94.2منظور بهبود عملكرد سرعت سيستم توربين گازي سازي ازدحام ذرات به بهينه

. اند صورت جدول بهره طراحي گرديده گير تشكيل شده كه به قانون و خروجي آن از دو بهره تناسبي و مشتق 49داراي از معيار . آيد دست مي به PSOقانون است كه از طريق كنترلر فازي طراحي شده توسط آلگوريتم 4داراي ANFISكنترلر ITAE در طراحي كنترل با فيدفوروارد ناشي از اختالل . سازي استفاده گرديده است هاي بهينه سازي آلگوريتم براي بهينه

و كنترلر فازي، و در طراحي كنترل بدون فيدفوروارد كنترل فازي عملكرد PSOطراحي شده توسط PIDبار كنترلر .تر هستند ازي مناسببهتري نسبت به ساير كنترلرها دارند، لذا براي كنترل دور توربين گ

مراجع .9

.1383 ،"يگاز يها نيتورب" .فيپردازان شر دهيگروه مهندسان ا .]1[[2]. Kakimoto, N. and K. Baba, Performance of gas turbine-based plants during frequency

drops. IEEE transactions on power systems, 2003. 18(3): p. 1110-1115.

[3]. Mantzaris, J. and C. Vournas, Modelling and stability of a single-shaft combined cycle

power plant. International Journal of Thermodynamics, 2007. 10(2): p. 71-78.

-يكننده عصب كنترل يبا طراح يگاز يها نيسرعت در تورب ميتنظ". مسرچشمه، يصادق .مموال، .مدهبان پور، .]4[ .95خرداد ،"يفاز

[5]. Tandan, N. and A. Kuldeep Kumar Swarnkar, Tuning of PID Controller using PSO and

ITS Performances on Electro-Hydraulic Servo System. International Journal of Modern Trends

in Engineering and Research (IJMTER), 2015. 2(04): p. 233-235.

[6]. Ye, Y., et al., Position control of nonlinear hydraulic system using an improved PSO based

PID controller. Mechanical Systems and Signal Processing, 2017. 83: p. 241-259.

[7]. Rahi, O., A. Chandel, and M. Sharma, Optimization of hydro power plant design by

particle swarm optimization (PSO). Procedia Engineering, 2012. 30: p. 418-425.

[8]. Guedria, N.B., Improved accelerated PSO algorithm for mechanical engineering

optimization problems. Applied Soft Computing, 2016. 40: p. 455-467.

نيرالدي، انتشارات دانشگاه خواجه نص"MATLAB طيدر مح رلركنت يمهندس" .م ،يمحسن .ج ان،ي ينيروش .]9[ .1393 وريشهر ،يطوس

. يطوس نيرالديانتشارات دانشگاه خواجه نص ،"رهيكنترلر چندمتغ يها ستميس يو طراح ليتحل" .خاكي صديق، ع .]10[ .1393 ريت

[11]. Saikia, L.C. and S.K. Sahu, Automatic generation control of a combined cycle gas turbine

plant with classical controllers using firefly algorithm. International Journal of Electrical Power

& Energy Systems, 2013. 53: p. 27-33.

www.mechconf.com ١٧

[12]. Sharma, D. and B. Kumar, PSO optimized PID controller for load frequency control.

European Journal of Advances in Engineering and Technology, 2015. 2(11): p. 43-48.

،يطوس نيرالديدانشگاه خواجه نص ،"،يو كنترل فاز يفاز يها ستميس" .د ،يونياف .ن صفارپور،. م تشنه لب، .]13[ .1394 وريشهر

[14]. Haji, V.H. and C.A. Monje, Fractional order fuzzy-PID control of a combined cycle power

plant using Particle Swarm Optimization algorithm with an improved dynamic parameters

selection. Applied Soft Computing, 2017. 58: p. 256-264.

[15]. Zhao, Z.-Y., M. Tomizuka, and S. Isaka, Fuzzy gain scheduling of PID controllers. IEEE

transactions on systems, man, and cybernetics, 1993. 23(5): p. 1392-1398.

[16]. Mansourabad, A.M., M.T.H. Beheshti, and M. Simab, A Hybrid PSO Fuzzy PID controller

for gas turbine speed control. International journal of Control and automation, 2013. 6(2): p.

13-24.

[17]. Sedghizadeh, S. and S. Beheshti, Particle swarm optimization based fuzzy gain scheduled

subspace predictive control. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2018. 67: p.

331-344.

[18]. Balamurugan, S., N. Janarthanan, and K.V. Chandrakala, Small and large signal modeling

of heavy duty gas turbine plant for load frequency control. International Journal of Electrical

Power & Energy Systems, 2016. 79: p. 84-88.

[19]. Kanagasabai, N. and N. Jaya, Fuzzy gain scheduling of PID controller for a MIMO

process. International Journal of Computer Applications, 2014. 91 )10.(

[20]. Ferdiansyah, I., E. Purwanto, and N.A. Windarko, Fuzzy Gain Scheduling of PID (FGS-

PID) for Speed Control Three Phase Induction Motor Based on Indirect Field Oriented Control

(IFOC). EMITTER International Journal of Engineering Technology, 2016. 4(2): p. 237-258.

[21]. Pousinho, H.M.I., V.M.F. Mendes, and J.P.d.S. Catalão, A hybrid PSO–ANFIS approach

for short-term wind power prediction in Portugal. Energy Conversion and Management, 2011.

52(1): p. 397-402.

[22]. Premkumar, K. and B. Manikandan, Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System based speed

controller for brushless DC motor. Neurocomputing, 2014. 138: p. 260-270.

[23]. Al-Dunainawi, Y., M.F. Abbod, and A. Jizany, A new MIMO ANFIS-PSO based NARMA-

L2 controller for nonlinear dynamic systems. Engineering Applications of Artificial

Intelligence, 2017. 62: p. 265-275.

[24]. Catalão, J.P.d.S., H.M.I. Pousinho, and V.M.F. Mendes, Hybrid wavelet-PSO-ANFIS

approach for short-term electricity prices forecasting. IEEE Transactions on Power Systems,

2011. 26(1): p. 137-144.

[25]. Kothandaraman, R. and L. Ponnusamy, PSO tuned adaptive neuro-fuzzy controller for

vehicle suspension systems. Journal of advances in information technology, 2012. 3(1): p. 57-63.

پيوست

)2شكل (جدول مربوط به پارامترهاي مدل سيكل تركيبي – 5جدول

www.mechconf.com ١٨

value Parameter

303 Ambient temperature (k) Ti0 390 Nominal Compressors discharge temperature (c) Td0 1085 Nominal gas turbine inlet temperature (c) Tf0 532 Nominal exhaust temperature (c) Te0 11.5 Nominal compressor pressure ratio Pr0 1.4 Ratio of specific heat γ .85 Compressor efficiency cɳ .85 Turbine efficiency tɳ .00303 Gas turbine output coefficient (1/k) K0 .000428 Steam turbine output coefficient (1/k) K1 12 Gain of radiation shield T2 15 Time constant of radiation shield (s) T3 2.5 Time constant of thermocouple (s) T4 3.3 Time constant of temperature control (over heat) (s) T5 .4699 Temperature control (over heat) integration rate (s) Tt 1.2 Temperature control upper limit Tcmax 0 Temperature control lower limit Tcmin 1.5 or 1.4 Fuel control upper limit Fdmax 0 Fuel control lower limit Fdmin .77 Ratio of fuel adjustment K3 .23 Fuel valve lower limit K6 .05 Valve positioner time constant (s) Tv .4 Fuel system time constant (s) Tf .05 Ratio valve time constant (s) Tr

115 or 200 or 247 Time constant of Tf control (s) T6 1 Air valve upper limit gmax 0 Air valve lower limit gmin .2 Gas turbine time constant (s) Tcd 5 Steam turbine time constant (s) Tm 20 Heat recovery boiler time constant (s) Tb 18.5 Turbine rotor Inertia constant (s) TI 2 Upper limit of block (airflow) wmax .5 Lower limit of block (airflow) wmin