השוואה בין שתי שיטות אופטימיזציה של בקר PID עבור מערכת ויסות זרימת אוויר בתחנת הכוח חיפה

1. טכניון - מכון טכנולוגי לישראל מעבדה לבקרה השוואה בין שתי שיטות אופטימיזציה של בקר PID עבור מערכת ויסות זרימת אוויר בתחנת הכוח חיפה מנחה : ד"ר רולנד קולסקי מגישים : גרשון רובנשטיין אוהד שטיין

2. מערכת ויסות זרימת אוויר – רקע טכנולוגי

3. מודל המערכת זרימת אוויר רצויה SP [%] זרימת אוויר מצויה PV [%] מצב כפות CO [%] + תהליך (כולל השהייה) בקר PID -

4. תכנון בקר PID • הגישה הישירה (Direct design) . • תכנון פרמטרי הבקר מתבצע על ידי אופטימיזציה בחוג סגור, המבוססת על ידע של פונקצית התמסורת של התהליך. שיטה זו, הידועה גם בשם זיגלר-ניקולס, שוכללה ומומשה בתוכנה CSTPשל חברת החשמל. CSTP מבצעת אופטימיזציה על פרמטרים שלא היו חלק מהאופטימיזציה הקודמת ומוסיפה אילוצים נוספים הנובעים מהיכולות הפיסיקליות של השסתום. • PID השקול לבקר Smith Predictor . • גישה חדשנית זו, אשר תוסבר ביתר פרוט בהמשך, מתכננת את בקר ה PID כך שיתמודד עם בעיית הזמן המת. • מכיוון שבתהליך הזרמת אוויר לשרפה ישנה השהייה, אנו מצפים שבקר זה ייתן ביצועים טובים.

5. מטרת הפרויקט • תכנון בקר PID בעזרת התוכנה CSTP. • תכנון בקר PID השקול לבקר ,Smith Predictor בעזרת MATLAB. • סימולציה של התנהגות חוג הבקרה עם בקר PID שקול בהשוואה להתנהגות חוג הבקרה עםבקר PID של CSTP. • הסקת מסקנות.

6. תכנון בקר אופטימאלי בעזרת CSTPשלב א' - זיהוי התהליך בכדי למצוא פונקצית תמסורת קרובה למציאות ככל האפשר, "נחתוך" את תגובת התהליך לכניסת מדרגה באורכים שונים. המטרה בכך היא למצוא מקטע שיכיל מינימום רעש. לאחר מכן, התוכנה תחפש מודל קרוב ככל האפשר עבור המקטע שבחרנו. נחזור על תהליך זה עבור כל מקטע, ונבחר מתוך כל האפשריות את המודל הנומינלי.

7. תכנון בקר אופטימאלי בעזרת CSTPשלב ב' –אופטימיזציה של פרמטרי הבקר בשלב זה, לאחר שזיהינו את התהליך, אנו מעוניינים למצוא את הפרמטרים האופטימאליים של הבקר, עבור הקריטריונים של Overshoot, Settling Time ,Rise Time, Quality. זוהי למעשה בעיית אופטימום עם אילוצים אשר נפתרת בצורה נומרית ע"י ה CSTP, עבור כל קריטריון.

8. בעיית הזמן המת-רקע תאורטי בעיית הזמן המת בבקרה היא בעיה נפוצה. הבקר מקבל את הערך הרצוי של התהליך (דרישת המערכת) ואת הערך המצוי (מוצא התהליך) ופועל להשוואתם. הזמן המת הוא הזמן שחולף מתחילת פעולת הבקר עד לשינוי המבוקש במוצא התהליך. הבקר שלא "רואה" שינוי במוצא ממשיך לפעול בצורה נמרצת ובעצם מבצע פעולת יתר. המוצא לאחר הזמן המת ישתנה לערך הרצוי אך הבקר נתן פיצוי מוגזם על השגיאה ולכן גרם לשגיאה בכיוון השני ויהיה צורך בתיקון נוסף קטן יותר בכיוון ההפוך וכך הלאה עד להתייצבות. דבר זה הוא כמובן בזבוז גדול של משאבים בבקרה וגם דורש זמן ארוך יחסית עד להתייצבות.

9. SP [%] PV [%] + + + G(s) G(s) PI PI - - - + Ĝ0(s)-Ĝ(s) Ĝ0(s) Ĝ0(s) - בקר PID שקול תכנון בקרPID השקול לבקר Smith Predictor-רקע תאורטי SP [%] PV [%] + - מקרא G(s).התהליך……………... Ĝ(s).המודל………………. Ĝ0(s).המודל ללא השהייה …

10. + PI - Ĝ0(s)-Ĝ(s) תכנון בקרPID השקול לבקר Smith Predictor • בשלב ראשון נחשב מודל נומינלי לתהליך, כפי שראינו לעיל, ונמצא בקר PI אופטימאלי בעזרת CSTP. • בשלב השני נבצע סימולציה של התגובה הזמנית של הבקרC(s) . C(s) • בשלב השלישי, לאחר פיתוחים מתמטיים, נמצא את הפרמטרים של בקר ה-PID כך שהוא יהיה קרוב ככל האפשר לבקר C(s).

11. O.S CSTP0[%] שקול 4.25[%] סימולציה והשוואה בין בקר PID של CSTP לבין בקר השקול ל Smith Predictor • השוואת תגובת יתר

12. S.T CSTP32.6sec שקול 113.5sec סימולציה והשוואה בין בקר PID של CSTP לבין בקר השקול ל Smith Predictor 2. השוואת זמן התייצבות

13. מסקנות והמלצות • מתוך הסימולציות ניתן להסיק בברור שהבקר אשר מתוכנן ע"י תוכנת CSTP עדיף על פני הבקר השקול לSmith Predictor , עבור כל הקריטריונים שבדקנו. • לכן המלצתנו לחברת החשמל היא להשתמש בבקר של CSTP עבור תהליך הזרמת אוויר לשרפה. • התהליך עבורו השווינו את הבקרים הינו תהליך עם זמן מת קצר יחסית. • קיימת אפשרות סבירה שהבקר השקול יתגלה כיעיל עבור תהליכים עם זמן מת ארוך. אנו ממליצים לבדוק אפשרות זו.