algoritmos de controle para melhoria da regulação de tensão de alternadores de rotação variada

121 Pages·2017·5.72 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM COMPUTAÇÃO
APLICADA
THIAGO PROBST DE ABREU
A
LGORITMOS DE CONTROLE PARA
MELHORIA DA REGULAÇÃO DE
TENSÃO DE ALTERNADORES DE
ROTAÇÃO VARIADA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CuritibaPR
Fevereiro2017
THIAGO PROBST DE ABREU
A
LGORITMOS DE CONTROLE PARA
MELHORIA DA REGULAÇÃO DE
TENSÃO DE ALTERNADORES DE
ROTAÇÃO VARIADA
Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Computação Aplicada da Uni-
versidade Tecnológica Federal do Paraná como
requisito parcial para a obtenção do título de Mestre
emComputaçãoAplicada.
Área de concentração: Engenharia de Sistemas
Computacionais
Orientador: JoãoAlbertoFabro
Co-orientador: CarlosRaimundoErigLima
CuritibaPR
Fevereiro2017
iii
deAbreu,ThiagoProbst.
Algoritmosdecontroleparamelhoriadaregulaçãodetensãodealternadores
derotaçãovariada. Curitiba,2017. 88p.
Dissertação - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de
Pós-GraduaçãoemComputaçãoAplicada.
1. Controle de tensão de alternador 2. Regulador de tensão automática 3.
Modelomatemáticodeumalternador4. Algoritmosdecontroledetensão. I.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação
emComputaçãoAplicadaII-t.
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus Curitiba
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada – PPGCA
ATA DE DEFESA DE DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Nº 52

Aos 20 dias do mês de abril de 2017, realizou-se na sala C 301 a sessão pública de Defesa da
Dissertação de Mestrado intitulada “Algoritmos de Controle para melhoria da regulação de
Tensão de Alternadores de Rotação Variada”, apresentado pelo aluno Thiago Probst de Abreu
como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Computação Aplicada, na área de
concentração “Engenharia de Sistemas Computacionais”, linha de pesquisa “Sistemas Embarcados”.

Constituição da Banca Examinadora:

João Alberto Fabro, Dr. (Orientador e Presidente) – UTFPR ________________________________
Rogers Demonti, Dr. – UFPR ________________________________________________________
Guilherme H. K. Martini, Ms. – Progress Rail Services _____________________________________
Paulo R. Brero de Campos, Dr. – UTFPR _______________________________________________
Robson Ribeiro Linhares, Dr. – UTFPR _________________________________________________

Em conformidade com os regulamentos do Programa de Pós-Graduação em Computação
aplicada e da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, o trabalho apresentado foi
considerado __________________________ (aprovado/reprovado) pela banca
examinadora. No caso de aprovação, a mesma está condicionada ao cumprimento integral
das exigências da banca examinadora, registradas no verso desta ata, da entrega da versão
final da dissertação em conformidade com as normas da UTFPR e da entrega da
documentação necessária à elaboração do diploma, em até ____________ dias desta data.

Ciente (assinatura do aluno): ______________________________________________

(para uso da coordenação)
A Coordenação do PPGCA/UTFPR declara que foram cumpridos todos os requisitos
exigidos pelo programa para a obtenção do título de Mestre.
Curitiba PR, _____/_____/___________ ______________________________

"A Ata de Defesa original está arquivada na Secretaria do PPGCA".

Av. Sete de Setembro, 3165 • Fone: [phone] • 80.230-901 Curitiba PR • http://www.ppgca.ct.utfpr.edu.br
v
Dedico este trabalho ao meu
avô, Paulo, que apesar do tempo
enfraquecê-lo lentamente, seus
ensinamentos estarão sempre
comigo.
vi
Agradecimentos
Agradeço à minha família, por me dar força nos momentos de dificuldade e
dúvida. Aos meus orientadores, João Fabro e Carlos Erig Lima, pelas valiosas conversas
econselhos. Aosmeusamigos,pelapaciênciaepelosmomentosdedescontração.
vii
Resumo
Estadissertaçãoapresentaumestudoeavaliaçãodealgoritmosdecontrolepara
a melhoria da regulação de tensão de alternadores de rotação variada. Muitos algoritmos
de controle de tensão de geradores são apresentados pela literatura, porém poucos são os
trabalhos que mostram resultados confiáveis o suficiente para garantir que sejam utiliza-
dos em qualqueraplicação deste tipo. Além disso, o problema de mudança de rotação do
geradornãoéabordadopelaliteratura,fatomarcanteemaplicaçõesdegeradoresnasáreas
navais e ferroviárias. Portanto, um estudo comparativo faz-se necessário, considerando
algumas métricas pré-definidas, para que uma técnica seja escolhida e então aplicada e
avaliadaemumreguladorautomáticodetensão,AVR(AutomaticVoltageRegulator),di-
gitalcontroladoporumsistemaembarcadoemumgeradorreal. Esteestudoéapresentado
neste trabalho, que avalia dois algoritmos de otimização de controlador PID com ajuste
off-line,oalgoritmodeotimizaçãoporenxamedepartículasouPSO(ParticleSwarmOp-
timization), e o algoritmo genético ou GA (Genetic Algorithm). O ajuste do controlador
é realizado em um ambiente de simulação, onde o modelo matemático do alternador é
obtido,atravésdeensaios,paraqueasintoniadocontroladorsejaamaiscorretapossível.
Os algoritmos são comparados considerando o tempo de subida, tempo de estabilização,
erroemregime,sobressinaletempodesintoniacomométricas,obtendoumamelhorres-
posta do PSO comparando-a com o GA através de simulações, e validando-a, através de
comparaçãocomumalgoritmojáutilizado,emumAVRdigitalemumgeradorreal.
Palavras-chave: Controle de tensão de alternador, Regulador de tensão automática, Mo-
delomatemáticodeumalternador,Algoritmosdecontroledetensão.
viii
Abstract
This work presents a study of control algorithms to improve the voltage regulation of va-
ried rotation alternators. Many voltage control algorithms are presented in the literature,
but most of them do not present enough results to guarantee their usage in locomotive
applications. In addition, the generator speed change is not addressed on the mathema-
tical models used in voltage regulation control algorithms in the literature. Therefore, a
comparative study is necessary, following some pre-defined metrics, so that a technique
couldbeproposedandthenappliedandevaluatedinadigitalAutomaticVoltageRegula-
tor(AVR)controlledbyanembeddedsysteminarealgenerator. Thisstudyevaluatestwo
PIDcontrolleroptimizationalgorithmswithoff-linetuning,PSO(ParticleSwarmOptimi-
zation) and GA (Genetic Algorithm). The controller tuning is performed in a simulation
environment, where the mathematical model of the alternator is obtained through tests.
The algorithms are compared considering the rise time, settling time, steady-state error,
overshoot and tuning time as comparison metrics. A better response from the PSO is
obtained through simulations, and this response is validated in a digital AVR on a real
generator.
Keywords: Alternatorvoltagecontroller,Automaticvoltageregulator,Alternatormathe-
maticalmodel,Voltagecontrolalgorithms.
Sumário
Resumo vii
Abstract viii
ListadeFiguras xii
ListadeTabelas xiii
ListadeSímbolos xiv
ListadeAbreviações xvi
1 Introdução 1
1.1 TrabalhosCorrelatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 JustificativadoProjeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 EstruturadoTrabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 RevisãoBibliográfica 12
2.1 ConceitosIntrodutórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 GeradorElétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 PrincípiodeFuncionamentodoGeradorSíncrono . . . . . . . . . 17
2.2.2 ModeloMatemáticodoGeradorSíncrono . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 AlgoritmosdeControle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 AlgoritmoGenético(GA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 AlgoritmoOtimizaçãoporEnxamedePartículas(PSO) . . . . . 26
2.3.3 ControladorPID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.4 FunçãodeFitness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
ix
x
3 Metodologia 31
3.1 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 Desenvolvimento 35
4.1 AlgoritmosdeControledeTensãodeAlternadores . . . . . . . . . . . . 35
4.2 CritériosdeAvaliaçãodosAlgoritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Sobressinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2 Tempodesubida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.3 Tempodeestabilização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.4 Erroemregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.5 Tempodesintonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 AvaliaçãodosModelosMatemáticosEscolhidos . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 ModeloAlternadorRealxModeloSimulado . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 AmbientedeSimulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 Definiçãodopadrãodevariaçãoderotação . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5 Resultados 66
5.1 Comparaçãoentrealgoritmosdeotimização . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 Implementaçãoetestescomoalternadorreal . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6 Conclusão 78
6.1 Discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 TrabalhosFuturos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
A 92
A.1 CódigodoArquivoGen_Ctrl_Tensao.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.2 CódigodoArquivoPSO_Gen_Ctrl.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.3 Pseudo-códigocommalhadecontrolePIDimplementadoemliguagemC 96
B 98
B.1 TabelaDadosAlternadorReal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
B.2 TabelaDadosAlternadorSimulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101