Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. LÊ LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 - 2020
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. LÊ HIẾU GIANG Hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Luận án tiến sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Tp. HCM Ngày tháng năm
3. Chương 1. MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, việc nghiên cứu các hệ thống điều khiển đa biến được quan tâm nhiều tại Việt Nam do nhu cầu cấp thiết trong việc áp dụng vào thực tế sản xuất tại nhiều nhà máy, xí nghiệp trong nước, đặc biệt là các nhà máy, xí nghiệp tách, lọc, chiết suất dầu khí, nhà máy nhiệt điện. Mặc dù hiện nay tất cả các công nghệ vận hành đều của nước ngoài nhưng nhu cầu làm chủ công nghệ, nâng cao năng lực để giảm chi phí sản xuất luôn cấp thiết. Hơn nữa, trên thế giới, hướng tiếp cận chủ yếu để điều khiển hệ đa biến là các kỹ thuật điều khiển nâng cao như điều khiển dự báo, điều khiển thông minh. Tuy nhiên, bên cạnh đó vẫn có nhiều nghiên cứu cố gắng tận dụng các kỹ thuật điều khiển cổ điển bởi sự đơn giản và hiệu quả mang lại. Để thực hiện được việc đó, cần nghiên cứu phát triển các phương pháp phân tách hệ đa biến thành nhiều vòng hồi tiếp đơn biến. Quá trình đa biến là hệ phức tạp với nhiều sự tương tác qua lại giữa các biến quá trình và biến điều khiển. Sự tương tác này làm ảnh hưởng đến sự thay đổi của các ngõ ra còn lại khi có một sự thay đổi ở một vòng điều khiển bất kỳ. Nhiều phương pháp khác nhau được để xuất để khắc phục khó khăn này của việc điều khiển hệ đa biến. Tuy nhiên, nổi bật nhất là kỹ thuật phân ly với ba phương pháp: phân ly lý tưởng, phân ly nghịch và phân ly đơn giản hóa. Dù vậy, cho đến gần đây, vẫn chưa có phương pháp điều khiển tổng quát nào cho hệ đa biến được công bố hoặc phát triển sử dụng kỹ thuật điều khiển phân ly. Chính vì vậy, việc nghiên cứu mở rộng và phát triển phương pháp thiết kế bộ điều khiển phân ly, trên cơ sở phương pháp phân tích mới, để sử dụng cho nhiều quá trình đa biến là vấn đề tác giả sẽ tập trung nghiên cứu trong luận án này. Với những nhu cầu và lý do trên, tác giả đã lựa chọn luận án “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến” cho luận án tiến sĩ này. 1.2. Mục tiêu của luận án Do phương pháp phân ly có nhiều kỹ thuật khác nhau, nên trong luận án này tác giả chỉ tập trung nghiên cứu bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa. Phương pháp đề xuất sẽ tìm ra được bản chất thực sự của quy luật phân ly các biến điều khiển bằng việc xác định chính xác từ tỷ lệ của các đặc tính vòng hở ban đầu và các yếu tố đường chéo của các dãy độ lợi tương quan động (Dynamic Relative Gain Arrays). Từ đó, một cấu trúc tổng quát, nhỏ gọn cho bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa sẽ được đề xuất. Ngoài ra, phương pháp đơn giản hóa mô hình của quá trình sẽ được đề xuất để đơn giản hóa hàm truyền của các vòng điều khiển. Từ đó, phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID dựa vào cấu trúc mô hình nội (IMC) cũng được đề xuất cho các quá trình phổ biến gồm hệ bậc 1 và bậc 2 có trễ. 1.3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 1
4. Các quá trình đa biến trên thực tế rất đa dạng và phức tạp, trong giới hạn của luận án, tác giả chỉ tập trung vào các hệ thống điều khiển quá trình với đặc tính của hệ tuyến tính hoặc gần tuyến tính (có thể xấp xỉ về dạng tuyến tính quanh điểm làm việc). Khi đó, đặc tính động của hệ có thể được mô tả bởi ma trận hàm truyền bậc n. Để đảm bảo độ tin cậy của các phương pháp đề xuất cũng như dễ dàng so sánh với các phương pháp của các tác giả khác, các mô hình toán được sử dụng trong nghiên cứu lý thuyết đều sử dụng các mô hình chuẩn nổi tiếng thế giới như: Wood and Berry (WB), Vinate Luyben (VL), Ogunnaike and Ray (OR). Phương pháp đề xuất có thể ứng dụng tổng quát cho hệ thống n ngõ vào, n ngõ ra (n×n). Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng cũng như các mô hình thực nghiệm chỉ giới hạn đến hệ 3×3. Trong mô hình thực nghiệm của tháp chưng cất, tác giả chỉ nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình tách ethanol với nước, ví dụ như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất. Mô hình toán của các mô hình thực nghiệm được tìm kiếm dựa trên phương pháp thực nghiệm (mô hình hộp đen). 1.4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu phân tích các tài liệu, các công trình đã công bố trong và ngoài nước nhằm xác định mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra. Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để thực hiện mô phỏng, kiểm chứng các quy luật điều khiển nhằm khẳng định các nghiên cứu lý thuyết, so sánh với các kết quả đã công bố khác. Nghiên cứu sự phụ thuộc của các thông số công nghệ của các quá trình điều khiển như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức. Từ đó xây dựng hàm truyền của hệ thống sử dụng phương pháp thực nghiệm. Đánh giá kết quả mô phỏng lý thuyết với số liệu thực tế sản xuất nhằm mục đích hiệu chỉnh các tham số cho đối tượng và đề xuất các giải pháp trong đo lường và điều khiển hợp lý cho hệ thống. 1.5. Điểm mới về mặt học thuật của luận án Điểm mới của luận án được xem xét ở hai khía cạnh: Tính mới: - Xây dựng được phương pháp chung làm nền tảng để điều khiển hệ thống chiếc tách có các thành phần bất định. Phương pháp này của luận án có khả năng giải quyết nhiệm vụ điều khiển hệ thống ổn định, điều khiển bám ổn định của hệ thống điều khiển cũng như khả năng kháng nhiễu quá trình. - Đề xuất phương pháp thiết kế mở rộng hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa. Bao gồm: quy luật điều khiển hệ thống đa biến, quy luật điều chỉnh hệ thống đa biến, phương pháp so sánh và phương pháp đánh giá khả năng thực thi của toàn hệ thống. - Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC) dùng cho các quá trình chuẩn như: hệ bậc một có trễ (FOPTD) và hệ bậc hai có trễ (SOPTD). Bộ điều khiển đề xuất được áp dụng cho cấu trúc đa vòng kín của hệ thống đa biến sau khi phân ly. Kết quả thực tiễn: 2
5. - Xây dụng được mô hình thực nghiệm để mô phỏng cho bộ điều khiển phân ly đa biến điển hình với các biến điều khiển như là mức, nhiệt độ, lưu lượng. - Chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các phương pháp đề xuất như hệ bồn nước (2x2) và hệ thống chưng cất hỗn hợp Ethanol và nước (3x3). - Ứng dụng được phương pháp đề xuất để thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hoá cho quá trình đa biến (2x2 và 3x3). - Xây dựng các chương trình trên Matlab để mô phỏng và điều khiển thời gian thực các quá trình đa biến (2x2 và 3x3). - Phương pháp đề xuất có thể áp dụng cho các quá trình đa biến trong thực tế 1.6. Những đóng góp của luận án Với nhiệm vụ đặt ra như trên thì luận án sẽ bổ sung thêm vào nhóm các phương pháp của bộ điều khiển phân ly đơn giản hoá cho các quá trình đa biến có một phương pháp mới mang tích tổng hợp hơn, có khả năng ứng dụng được cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Các đóng góp mới của luận án được tóm tắt như sau: - Đề xuất phương pháp thiết kế tổng quát cho hệ đa biến bậc n sử dụng phân ly đơn giản hóa. - Sử dụng phương pháp đồng nhất hệ số để đưa các thành phần của ma trận phân ly và ma trận đường chéo sau khi phân ly (D(s) và Q(s)) về các dạng chuẩn thường gặp như: hệ sớm trễ phan, hệ bậc 1 và bậc 2 có trễ. - Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC) dùng cho các quá trình chuẩn như: hệ bậc một có trễ (FOPTD) và hệ bậc hai có trễ (SOPTD). - Chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các phương pháp đề xuất, bao gồm: hệ bồn nước (2x2) và hệ thống chưng cất hỗn hợp Ethanol và nước (3x3). Từ đó, xây dựng các chương trình trên Matlab để mô phỏng và điều khiển thời gian thực các quá trình đa biến trên. Các kết quả đạt được chứng tỏ sự khả thi và tính hiệu quả của các phương pháp đề xuất. 3
6. Chương 2. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu các kỹ thuật phân ly Hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình ngày nay là các quá trình đa biến có sự kết nối phức tạp giữa các tương tác của các tín hiệu đo lường, tín hiệu điều khiển và cũng như tín hiệu (vào – ra) của hệ thống. Khi các vòng điều khiển tương tác với nhau, mỗi vòng lặp không thể được điều chỉnh độc lập, có nghĩa là điều chỉnh bộ điều khiển của một vòng lặp sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của các vòng khác và có thể gây bất ổn cho toàn bộ hệ thống điều khiển. Điều khiển phân cấp hoặc tập trung, thường được sử dụng để giải quyết những tương tác bất lợi xuất hiện bên trong hệ thống. Để điều khiển quá trình đa biến với sự tương tác thấp, bộ điều khiển đa vòng lặp thường được sử dụng vì cấu trúc đơn giản, tính hiệu quả và hiệu suất thích hợp. Các phương pháp điều khiển phân ly phổ biến bao gồm: phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng, phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hóa, và phương pháp điều khiển phân ly nghịch. Việc lựa chọn phương pháp nào tùy thuộc phần lớn vào ưu và nhược điểm của từng phương pháp. Phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng sẽ giúp cho việc thiết kế bộ điều khiển thuận tiện do hệ thống thu được sau khi phân ly sẽ là ma trận đường chéo mà các thành phần đường chéo chính là hàm truyền của các quá trình. Tuy nhiên, phương pháp này hiếm khi được sử dụng trong thực tế do ma trận phân ly phức tạp, dễ bị ảnh hưởng bởi sai số mô hình của hệ thống. Phương pháp điều khiển phân ly nghịch cũng hiếm khi được thực hiện do cấu hình phân ly tương đối phức tạp và nhạy với sai số mô hình của hệ thống. Phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hóa được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế công nghiệp vì sự đơn giản và hiệu quả do cấu trúc phân ly đơn giản. 2.2. Phân tích và so sánh các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID đa biến dùng cho hệ thống phân ly 2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N) Có hai phương pháp: phương pháp thứ nhất được gọi là phương pháp chu kỳ liên tục được đề xuất đầu tiên năm 1942. Với mô hình có thêm thời gian trễ lần đầu tiên được đề xuất. Phương pháp thứ hai, được gọi là phương pháp đường cong đáp ứng của quá trình được đề xuất trong năm 1943 Đối với hệ đa biến, bài toán hiệu chỉnh thông số trở nên phức tạp hơn rất nhiều vì sự tương tác giữa các vòng điều khiển. Phương pháp Z-N thuần túy chỉ phù hợp với hệ đơn biến và vì thế trong trường hợp này khó có thể được áp dụng. 2.2.2. Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT) Phương pháp hiệu chỉnh BLT do Luyben đề xuất nhằm thiết kế các vòng điều khiển đơn biến cho hệ đa biến. Xét hệ đa biến như hình 2.1, ta thấy bộ điều khiển là ma trận đường chéo mà các thành phần của nó sẽ được thiết kế theo phương pháp BLT. 4
7. Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đa biến 2.2.3. Phương pháp SAT Phương pháp SAT giúp quá trình thiết kế bộ điều khiển dễ dàng hơn cho hệ đa biến, thích hợp nhất cho hệ (2 × 2). Tuy nhiên đối với hệ có thời gian trễ lớn hoặc có tính phi tuyến cao, đáp ứng của phương pháp này bị vọt lố vào dao động lớn. Vòng lặp kín với chế độ dò tự động liên tục Quá trình điều chỉnh của hệ MIMO (2 × 2) chuyển tiếp tuần tự như hình 2.2 dưới đây: Thiết lập y1 - u1 g11 y1 + e1 + + Hồi tiếp g21 (a) g12 + u2 y + 2 g22 Thiết lập - u2 g22 + e2 + y2 + y2 Hồi tiếp g12 (b) g21 + Thiết lập u1 + Bộ điều khiển g11 y1 y1 5
8. Thiết lập - u2 g11 + e2 + y1 + y1 Hồi tiếp g21 (c) g12 Thiết lập u + 1 + Bộ điều khiển g22 y2 y2 Hình 2.2 Thủ thuật điều chỉnh tuần tự cho các hệ (2 × 2) Quy trình hiệu chỉnh được mô tả thông qua các bước sau đây: Bước 1: Đầu tiên kiểm tra thông tin phản hồi giữa y1 và u1 trong khi vòng lặp 2 ở chế độ bằng tay (hình 2.2a). Căn cứ vào bước này, chúng ta cài đặt bộ điều khiển PI/PID theo phương pháp Z – N bằng thông số độ lợi và tần số tới hạn. Bước 2: Các thông số điều khiển có thể được thiết kế cho vòng lặp 2 bằng cách sử dụng các thử nghiệm hồi tiếp giữa y2 và u2 trong khi vòng lặp 1 chuyển sang chế độ tự động (hình 2.2b). Bước 3: Hồi tiếp thực nghiệm được đặt giữa y1 và u1 (hình 2.2c). Trong khi điều khiển trên vòng lặp 2 được đưa vào tự động; do đó, một bộ thông số điều khiển mới được xác định cho bộ điều khiển trong vòng lặp 1. Bước 4: Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi các thông số điều khiển hội tụ. Nếu vòng lặp 2 được đóng lại, quá trình hiệu chỉnh vòng 1. 2.3. Điều khiển phân ly quá trình đa biến Hiện nay ba phương pháp phân ly được biết đến là phân ly lý tưởng, phân ly nghịch và phân ly đơn giản hóa. Vì vậy, đây là một vấn đề tương đối phức tạp vì tất cả công nghệ đều có ưu điểm cũng như giới hạn riêng của nó. Phân ly đơn giản hóa là phương pháp phổ biến nhất, ưu điểm chính của nó chính là sự đơn giản hóa các phần tử của ma trận phân ly. Phân ly lý tưởng, phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế, nếu sử dụng được phương pháp này thì rất dễ dàng cho việc thiết kế bộ điều khiển nhưng việc hiên thực hóa bộ phân ly gặp nhiều khó khăn. Phân ly nghịch, phương pháp này cũng ít khi được thực hiện dù phương pháp này sử dụng ưu điểm của cả hai phương pháp phân ly đơn giản hóa và phân ly lý tưởng. Việc hiện thức hóa bộ phân ly nghịch là khó khăn lớn nhất của kỹ thuật phân ly nghịch. 2.3.1. Phân ly lý tưởng Sơ đồ khối bộ phân ly lý tưởng thể hiện hình 2.6 6
9. Phân ly Quá trình y1 sp1 + Gc1 D11 P11 + u m + 1 + 1 D12 P12 D21 P21 + + + u2 m2 + sp2 Gc2 D22 P22 y2 Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển phân ly hai biến Mục đích của phân ly lý tưởng là tìm bộ phân ly (푠)sao cho hàm truyền vòng hở của hệ sau khi được phân ly có dạng sau: 푃 (푠) 0 (푠) = 푃(푠) (푠) = [ 11 ] (2.1) 0 푃22(푠) Trong đó (푠) là ma trận hàm truyền của bộ phân ly (푠) (푠) (푠) = [ 11 12 ] (2.2) 21(푠) 22(푠) 2.3.2. Phân ly đơn giản hóa Sơ đồ khối bộ phân ly đơn giản hóa như hình 2.7. Ta có thể thấy về mặc cấu trúc bộ phân ly này tương tự như phân ly lý tưởng. Tuy nhiên, trong trường hợp phân ly đơn giản hóa, các phần tử đường chéo của ma trận phân ly được thiết lặp bằng 1. Do đó, ma trận phân ly có dạng như sau: Phân ly Quá trình y1 sp1 + Gc1 P11 + u m + 1 + 1 D12 P12 D21 P21 + + + u2 m2 + sp2 Gc2 P22 y2 Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ phân ly đơn giản hóa 1 (푠) (푠) = [ 12 ] (2.3) 21(푠) 1 Khi đó, 2 phần tử còn lại của ma trận phân ly: 푃 (푠) ( 푠) = − 12 12 푃 (푠) 11 (2.4) 푃21(푠) 21( 푠) = − 푃22(푠) Hàm truyền vòng hở của hệ sau khi được phân ly được tính theo phương trình sau: 7
10. 푃 푃 푃 − 12 21 0 11 푃 (푠) = 22 (2.5) 푃12푃21 0 푃22 − [ 푃11 ] 2.3.3. Phân ly nghịch Cấu trúc của bộ phân ly nghịch khác hẳn với hai phương pháp trên. Sơ đồ tổng quát cho hệ hai biến được thể hiện ở hình 2.8 Phân ly Quá trình y1 sp1 + Gc1 + P11 + u1 m1 + D12 P12 D21 P21 + + + u2 + m2 sp2 Gc2 P22 y2 Hình 2.8 Sơ đồ khối phân ly nghịch Bộ phân ly nghịch cũng thiết lập các thành phần đường chéo bằng 1. 1 (푠) (푠) = [ 12 ] (2.6) 21(푠) 1 Các thành phần còn lại của bộ phân ly: 푃 (푠) ( 푠) = − 12 12 푃 (푠) 11 (2.7) 푃21(푠) 21( 푠) = − 푃22(푠) Đối với phân ly nghịch, các thành phần đường chéo ma trận hàm truyền vòng hở của hệ thống sau khi thêm bộ phân ly cũng chính là các hàm truyền trên đường chéo chính của ma trận hàm truyền của quá trình. Ma trận sau khi phân ly có dạng sau: 푃 0 (푠) = [ 11 ] (2.8) 0 푃22 8
11. Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA 3.1. Hệ phân ly đa biến tổng quát Xét hệ thống đa biến bất kỳ n ngõ vào, n ngõ ra ma trận hàm truyền. Dựa vào lý thuyết cơ bản của các kỹ thuật phân ly đã đề cập, trong phần này, tác giả đề xuất phương pháp tổng quát hóa để thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa cho hệ bậc n. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển phân ly được thể hiện ở hình 3.1, trong đó, ̃ (푠) là bộ điều khiển nhiều vòng kín, D(s) là bộ phân ly. G(s) và 푸̃(푠)lần lượt là quá trình đa biến và quá trình đa biến đã được phân ly: v1 r1 - u1 y1 Gc1(s) + r2 v2 u2 y2 G (s) + c2 - D(s) G(s) . . . . . . . . . . . . . . . rn vn un yn Gcn(s) + - Gc ()s Q(s) Hình 3.1 Mô hình thuật toán hệ thống điều khiển phân ly đa biến n x n Mục tiêu của sự phân ly là để xác định ma trận phân ly D, thỏa mãn điều kiện = 푄̃, là một ma trận đường chéo: 11 1푛 11 1푛 푞11 0 [ ⋮ ⋱ ⋮ ] [ ⋮ ⋱ ⋮ ] = [ ⋮ ⋱ ⋮ ] (3.1) 푛1 푛푛 푛1 푛푛 0 푞푛푛 Khi thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa thành phần dii được mặc định là 1. Chính vì thế, ta có kết quả như sau: 푖푗 ji = , i, j = 1,2, ,n; j ≠ 푖 (3.2) 푖푖 푞 = 푖푖 ii 훬 (3.3) 푖푖 Trong đó: Cii, Cij Thành phần đường chéo và thành phần không đường chéo của ma trận phụ đại số, được xác định từ ma trận hàm truyền đạt của quá trình đa biến. Ʌ ii Dãy liên hệ động về độ lợi của ma trận hàm truyền đạt của quá trình đa biến (Dynamic Relative Gain Array) được đề xuất bởi Bristol (1979), dùng để đo mối liên hệ bên trong của các quá trình đa biến. gii: hàm truyền đạt của thành phần đường chéo thứ (ii ) của ma trận hàm truyền đạt của quá trình đa biến. 9
12. 3.1.1. Thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa cho quá trình đa biến 2x2 Xét quá trình 2x2, có hàm truyền đạt như sau: 11 12 푮 = [ ] (3.4) 21 22 Bộ phân ly được tính theo (3.2) như sau: 1 − 12 푫 = [ 11] 21 (3.5) − 1 22 Quá trình bị phân ly được xác định theo (3.3), như sau: 11 12 21 푞11 = = 11 − 훬11 22 (3.6) 푞 = 22 = − 12 21 22 훬 22 22 11 3.1.2. Thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa cho quá trình đa biến 3x3 Ma trận hàm truyền đạt chung cho hệ 3x3 được cho như sau: 11 12 13 푮 = [ 21 22 23] (3.7) 31 32 33 Ma trận phân ly được xác định theo (3.2), như sau: 1 21 31 22 33 12 32 푫 = 1 (3.8) 11 33 13 23 1 [ 11 22 ] Trong đó 11 12 13 ( 33 22 − 32 23) −( 33 21 − 31 23) −( 31 22 − 32 21) 푪 = [ 21 22 23] = [−( 33 12 − 32 13) ( 33 11 − 31 13) −( 32 11 − 31 12)] (3.9) 31 32 33 −( 22 13 − 23 12) −( 23 11 − 21 13) ( 22 11 − 21 12) Quá trình bị phân ly được xác định theo (3.3), như sau: 11 11( 22 33 − 23 32) − 12( 21 33 − 23 31) − 13( 31 22 − 21 32) 푞11 = = [ ] 훬11 22 33 − 23 32 22 22( 11 33 − 13 31) − 21( 12 33 − 13 32) − 23( 32 11 − 31 12) 푞22 = = [ ] (3.10) 훬22 11 33 − 13 31 ( − ) − ( − ) − ( − ) 푞 = 33 = [ 33 11 22 12 21 31 13 22 12 23 32 23 11 13 21 ] 33 훬 − 33 11 22 12 21 10
13. 3.2. Kỹ thuật hiện thực hóa hoạt động của bộ phân ly đơn giản hóa 3.2.1 Hiện thực hóa Yêu cầu hiện thực hóa cho bộ điều khiển là tất cả các hàm truyền thành phần phải hợp thức, nhân quả và ổn định. Đối với hệ có thời gian trễ hoặc có pha không cực tiểu, việc tính toán có thể dẫn đến các thành phần có nghiệm ze-rô dương. Hoặc như trong phương trình (3.17), khi thực hiện phép chia hai hàm truyền có thể dẫn đến hàm mũ có lũy thừa dương hay là hệ không nhân quả. Trong kỹ thuật phân ly nghịch, Garrido đề xuất giải pháp bằng cách thêm một ma trận đường chéo chứa các thành phần hàm trễ để thay đổi đặc tính trễ của các hàm truyền thành phần. Việc này gây tranh cãi vì nó thay đổi bản chất động của hàm truyền hệ thống. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phân ly đơn giản hóa và đồng thời đề xuất giải pháp vừa hạ bậc các hàm truyền phức tạp vừa giải quyết bài toán hiện thực hóa các hàm truyền thành phần. 3.2.2. Phương pháp đồng nhất hệ số Phương pháp đồng nhất hệ số được đề xuất bởi Truong và Lee, nhằm hạ bậc của các quá trình phức tạp. Trong nghiên cứu này, phương pháp này được mở rộng để hạ bậc các thành phần của ma trận phân ly đồng thời thõa mãn các yêu cầu của bài toán hiện thực hóa. Các thành phần phân ly từ phương trình (3.2) có thể được khai triển theo chuổi Maclaurin như sau: 푒 푗푖 푗푖 2 푗푖 3 4 푗푖 (푠) = 푗푖 (1 + 푠 + 푠 + 푠 ) + (푠 ) (3.11) 푗푖 푗푖 푗푖 Trong đó các hệ số được tính như sau: 푒 푗푖 = 푗푖 (0) 푒 푗푖 (0) = | 푗푖 푠 푠=0 2 푒 1 푗푖 (0) (3.12) = | 푗푖 2 푠2 푠=0 3 푒 1 푗푖 (0) = | 푗푖 6 푠3 푠=0 3.2.3. Áp dụng phương pháp đồng nhất hệ số Các khâu sớm trễ pha hoặc bậc 1 có trễ thường được sử dụng để mô tả đặc tính động của các thành phần của ma trận phân ly bởi vì sự đơn giản và đáp ứng thõa mãn được yêu cầu. . Khâu sớm trễ pha 퐾 (휏 푠 + 1) _푒 = (3.13) 휏 푠 + 1 11
14. 푗푖 푗푖 퐾 = 푗푖, 휏 − 휏 = , (휏 − 휏 )휏 = 푗푖 푗푖 푗푖 푗푖 푗푖 퐾 = 푗푖, 휏 = − , 휏 = − 푗푖 푗푖 푗푖 . Khâu sớm trễ pha có trễ 퐾 (휏 푠 + 1)푒−휃 푠 _푒 = (3.14) 휏 푠 + 1 Tương tự như trên, sau khi đồng nhất ta có các phương trình: 퐾 = 푗푖 푗푖 휃 + 휏 − 휏 = − 푗푖 1 2 푗푖 휃 + (휃 + 휏 − 휏 )휏 − 휏 휃 = 2 푗푖 (3.15) 1 휃3 휏 휃2 ( 휃2 + 휏 휃 + 휏2 − 휏 휃 − 휏 휏 ) 휏 + − 2 6 2 푗푖 = − 푗푖 Để các thành phần của ma trận phân ly dễ thực hiện, các giá trị của 휃 , 휏 , 휏 phải là các số thực dương. 3.3. Thiết kế bộ điều khiển PI/PID cho hệ thống phân ly đơn giản hóa 3.3.1. Giới thiệu 3.3.2. Phương án đề xuất Trên cơ sở cấu trúc của hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa hình 3.1, ta thấy rằng hệ thống điều khiển hồi tiếp đa biến (n x n) đã được phân ly thành một tập hợp n hệ thống đơn biến như được trình bày ở hình 3.2 - r1 u1 y1 e1 eff gc1 g11 + r2 e2 u2 y2 eff gc2 g + - 22 . . . . . . . . . rn yn en un eff gcn g + nn - Hình 3.2 Hệ thống nhiều vòng kín và mô hình phân ly thành các hệ thống đơn biến tương ứng eff Trong đó, 푖푖 là hàm truyền đạt thứ ii của từng vòng kín của hệ thống đa biến sau khi đã phân ly thành các hệ thống đơn biến tương ứng. 12
15. Hình 3.3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển đơn biến hồi tiếp truyền thống Hình 3.4 Cấu trúc của hệ thống điều khiển đơn biến theo lý thuyết IMC Trong trường hợp này việc thiết kế bộ điều khiển trở nên đơn giản hơn rất nhiều khi so sánh với việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ đa biến, do bộ phân ly đơn giản hóa đã tách mối tương tác bên trong của quá trình đa biến (process interaction) và tương tác vòng kín (closed-loop interaction). Có nghĩa là ta chỉ cần thiết kế bộ điều khiển eff cho hệ đơn biến với đối tượng điều khiển là hàm truyền đạt tương đương 푖푖 3.3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển IMC-PI Theo hình 3.3 ta có: 푒 (푠) = 푖푖 là hàm truyền đạt của quá trình đơn biến. ̃ (푠), (푠), 푞(푠), (푠) lần lượt là hàm truyền đạt theo mô hình cấu trúc IMC, bộ điều khiển đơn biến, bộ lọc IMC và bộ lọc tín hiệu đầu vào. Cho rằng (푠), (푠), (푠) và (푠) lần lượt là tín hiệu điều khiển đầu ra, giá trị đặt đầu vào, tín hiệu nhiễu đầu vào và tín hiệu điều khiển. Nếu mô hình không bị sai lệch, nghĩa là (푠) = ̃ (푠), khi đó đáp ứng theo giá trị đặt (set-point) và đáp ứng khử nhiễu (disturbance) trong cấu trúc điều khiển IMC được thành lập như sau: (푠) = (푠)푞(푠) (푠) (푠) + [1 − ̃ 푞(푠)] (푠) (푠) (3.16) Mô hình của quá trình ̃ (푠) được tách làm hai phần như sau: ̃ (푠) = (푠) (푠) (3.17) Trong đó: (푠) là một phần của mô hình bao gồm các thành phần có nghiệm zero dương hoặc khâu trễ pha (non-minimum phase) và có độ lợi bằng 1. (푠) là phần còn lại của mô hình sau khi tách (푠) . Khi đó, bộ điều khiển IMC 푞(푠) được thiết kế như sau: −1 푞(푠) = (푠) (푠) (3.18) Với cấu trúc điều khiển hai bậc tự do (2 DOF) bộ lọc IMC được chọn lựa để nâng cao đáp ứng của hệ thống như sau: 13
16. ∑푣 (훽 푠 + 1) (푠) = 푖=1 푖 (3.19) (휆푠 + 1)훼 Trong đó λ là thông số điều chỉnh có thể được sử dụng để thỏa hiệp giữa hiệu quả thực thi của hệ thống và sự ổn định bền vững. Số nguyên α được lựa chọn vừa đủ lớn để làm cho bộ điều khiển IMC thực thi được (hợp thức). Ngoài ra, để nâng cao hơn nữa đáp ứng đầu ra theo giá trị đặt, việc thiết kế bộ lọc đầu vào là cần thiết. Bộ lọc đầu vào được thiết kế để khử cực gần điểm 0 (zero) trong hàm truyền đạt (푠). 1 − (푠)푞(푠)| 푠= 1, 2, , 푣 (푠) ∑푣 (훽 푠 + 1) = |1 − 푖=1 푖 | (3.20) (휆푠 + 1)훼 푠= 1, 2, , 푣 = 0 Thay công thức (3.19) vào (3.17) ta nhận được bộ điều khiển IMC như sau: ∑푣 (훽 푠 + 1) 푞(푠) = −1(푠) 푖=1 푖 (3.21) (휆푠 + 1)훼 Thay công thức (3.21) vào công thức (3.16), ta có được hàm truyền đạt vòng kín theo giá trị đặt hoặc theo nhiễu quá trình lần lượt như sau: (푠) (푠) ∑푣 (훽 푠 + 1) = 푖=1 푖 (푠) (휆푠 + 1)훼 (3.22) (푠) (푠) ∑푣 (훽 푠 + 1) = (1 − 푖=1 푖 ) (푠) (푠) (휆푠 + 1)훼 Khi đó bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng được thành lập như sau: 푞(푠) (푠) = (3.23) 1 − ̃ (푠)푞(푠) Chính vì vậy bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng để nhận được đáp ứng đầu ra mong muốn được thành lập như sau: −1(푠) ∑푣 (훽 푠 + 1) 푖=1 푖 (3.24) (푠) = 훼 푣 (휆푠 + 1) − (푠) ∑푖=1(훽푖푠 + 1) Công thức (3.24) hiện tại chưa phải là bộ điều khiển PI/PID. Do đó ta phải chuyển đổi thành bộ PI/PID thích hợp bằng việc sử dụng các kỹ thuật xấp xỉ một cách phù hợp nhất. Trong luận án này tác giả sử dụng kỹ thuật khai triển chuỗi Maclaurin và thuật toán xấp xỉ Padé [42]. Đối với hệ bậc một có trễ (FOPDT) và bậc hai có trễ (SOPDT), bộ lọc đầu vào được thiết kế một cách tuần tự như sau: γβ푠 + 1 (푠) = 훽푠 + 1 (3.25) 훾휏 푠 + 1 (푠) = 2 (휏 휏 푠 + 휏 푠 + 1) Trong đó, 0 ≤ 훾 ≤ 1 có ý nghĩa như sau: - γ=0: đáp ứng theo giá trị đặt bị chậm - γ=1: không sử dụng bộ lọc ngõ vào 14
17. - 0<γ<1: ta có thể điều chỉnh hệ số γ trực tiếp để đạt được đáp ứng theo giá trị đặt như mong muốn. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển đề xuất là bộ điều khiển PID kết hợp với bộ lọc có dạng như sau: 1 푠2 + 푠 + 1 (3.26) (푠) = 퐾 (1 + + 휏 푠) 2 휏 푠 푠 + 푠 + 1 Bằng việc so sánh công thức (3.13) và (3.14), ta sẽ xác định được các qui luật điều chỉnh bị điều khiển PID đề xuất. 3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển IMC-PID Quá trình FOPDT Nếu hàm truyền đạt tương đương là mô hình bậc một có thời gian trễ (FOPDT) có dạng như sau: 퐾푒−휃푠 (푠) = (3.27) 휏푠 + 1 Trong đó K, τ và θ đại diện cho độ lợi, hằng số thời gian và thời gian trễ của quá trình. Bộ lọc IMC được chọn lựa để nâng cao đáp ứng của hệ thống như sau: 훽푠 + 1 (푠) = (3.28) (휆푠 + 1)2 Theo đó bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín là (휏푠 + 1)(훽푠 + 1) (푠) = (3.29) 퐾[(휆푠 + 1)2 − 푒−휃푠(훽푠 + 1)] Bằng việc sử dụng phép xắp xỉ Padé 3/2 đối với hàm mũ e-θs như sau: 3휃 3휃2 휃3 1 − 푠 + 푠2 − 푠3 푒−휃푠 = 5 20 60 (3.30) 2휃 휃2 1 + 푠 + 푠2 5 20 Thay phương trình (3.29) vào (3.30) và biến đổi tương đương đưa về bộ điều khiển PID, ta có kết quả các thông số bộ điều khiển như sau: 2휃 ( ) 2휃 휃 퐾 = 5 , 휏 = , 휏 = 퐾(2휆 + 휃 − 훽) 5 8 3휃훽 휃2 4휆휃 ( − + + 휆2) 5 10 5 = − 휏 (3.31) (2휆 + 휃 − 훽) 3휃2훽 휃3 휆휃2 2휆2휃 (− + + + ) 20 60 10 5 = − 휏, = 훽, = 0 (2휆 + 휃 − 훽) Bộ lọc đầu vào được thiết kế theo công thức (3.28) như sau: 15
18. 휆 2 -θ 훽 = 휏 [1 − (1 − ) 푒 휏 ] (3.32) 휏 Hệ thống SOPDT Hệ bậc 2 có trễ là một trong những hệ thường gặp của các quá trình công nghiệp. Hàm truyền đạt có dạng tổng quát như sau: 퐾푒−휃푠 (푠) = (푠) = (3.33) (휏1푠 + 1)(휏2푠 + 1) Với mô hình trên, bộ lọc IMC thông thường được thiết kế như sau [52]: 훽 푠2 + 훽 푠 + 1 (푠) = 2 1 (3.34) (휆푠 + 1)4 Như thế bộ điều khiển IMC được xác định (휏 푠 + 1)(휏 푠 + 1)(훽 푠2 + 훽 푠 + 1) 푞(푠) = 1 2 2 1 퐾(휆푠 + 1)4 (3.35) (휏 푠 + 1)(휏 푠 + 1)(훽 푠2 + 훽 푠 + 1) ( ) 1 2 2 1 푠 = 4 −휃푠 2 퐾[(휆푠 + 1) − 푒 (훽2푠 + 훽1푠 + 1)] Kết quả của bộ điều khiển PID được xác định một cách tương tự theo qui trình nêu trên, cụ thể như sau: 훽1 훽2 퐾 = , 휏 = 훽1, 휏 = 퐾(3휆 + 휃 − 훽1) 훽1 3휃훽 휃2 6휆휃 (−훽 + 1 − + + 3휆2) 2 5 10 5 = − (휏1 + 휏2), (3휆 + 휃 − 훽1) 3휃훽 3휃2훽 휃3 3휆휃2 6휆2휃 ( 2 − 1 + + + + 휆3) 5 20 60 20 5 = − 휏1휏2 (3휆 + 휃 − 훽1) (3.36) − (휏1 + 휏2) 2휃 휃2 = , = 5 20 3 −휃 3 −휃 2 휆 휏 2 휆 휏 휏1 [(1 − ) 푒 1 − 1] − 휏2 [(1 − ) 푒 2 − 1] 휏1 휏2 훽1 = (휏1 − 휏2) 휆 3 −휃 2 휏 훽2 = 휏2 [(1 − ) 푒 2 − 1] + 훽1휏2 휏2 Đối với các hệ thống và quá trình khác, cách xác định qui luật điều chỉnh của bộ điều khiển PID kết hợp bộ lọc theo phương pháp đề xuất được thực hiện một cách tương tự như trình bày ở trên. 3.4. Đo lường, đánh giá chất lượng của các hệ thống phân ly đơn giản hóa 3.4.1. Tiêu chuẩn IAE (Integral Absolute Error) Để đánh giá và so sánh các hệ thống điều khiển khác nhau, ta thường dùng tiểu chuẩn IAE như sau: 16
19. ∞ = ∫ |푒(푡)| 푡 (3.37) 0 Trong đó, 푒(푡)là sai số giữa ngõ ra và giá trị mong muốn của hệ tại thời điểm t. Do đó, giá trị IAE được xác định càng nhỏ càng tốt. 3.4.2. Tiêu chuẩn TV (Total Variation) TV là một tiêu chuẩn đánh giá mức độ thay đổi về mặc tần số (smooth) của một tín hiệu và thường dùng để đánh giá chất lượng của các tín hiệu điều khiển. Giá trị của TV được tính theo công thức sau: ∞ = ∑| 푖+1 − 푖| (3.38) 푖=1 Trong đó, 푖và 푖+1là giá trị của tín hiệu điều khiển ở hai thời điểm liên tiếp. Giá trị TV được xác định nhỏ đến mức có thể. 3.4.3. Tiêu chuẩn độ vọt lố (Overshoot) Đối với tiêu chuẩn độ vọt lố quen thuộc của lý thuyết điều khiển, trong luận án này, tác giả sẽ xem xét ở cả hai trường hợp là vọt lố của đáp ứng khi giá trị đặt thay đổi và nhiễu thay đổi. 17
20. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA 4.1. Các mô hình của hệ thống đa biến tiêu chuẩn dùng để mô phỏng Hiện nay trên thế giới các mô hình tiêu chuẩn của các hệ thống đa biến thường được sử dụng để mô phỏng gồm những quá trình như sau:  Cột chưng cất Wood & Berry (WB). Cột WB dùng để tách Mê-tan và nước có hàm truyền đạt như sau: 12.8푒−푠 −18.9푒−3푠 푮(푠) = 16.7푠 + 1 21푠 + 1 (4.1) 6.6푒−7푠 −19.4푒−3푠 [10.9푠 + 1 14.4푠 + 1 ]  Cột chưng cất Vinante & Luyben (VL). Cột VL dùng để tách Ethanol và nước có hàm truyền đạt như sau: −2.2푒−푠 1.3푒−0.3푠 (푠) = 7푠 + 1 7푠 + 1 (4.2) −2.8푒−1.8푠 4.3푒−0.35푠 [ 9.5푠 + 1 9.2푠 + 1 ]  Cột chưng cất Ogunnaike & Ray (OR). Cột chưng cất OR dùng để tách hổn hợp giữa etan và nước được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của Ogunnaike và cộng sự , theo đó ma trận hàm truyền đạt có dạng như sau: 0.66푒−2.6푠 −0.61푒−3.5푠 −0.0049푒−푠 6.7푠 + 1 8.64푠 + 1 9.06 푠 + 1 1.11푒−6.5푠 −2.36푒−3푠 −0.01푒−1.2푠 푮(푠) = (4.3) 3.25푠 + 1 5푠 + 1 7.09푠 + 1 −9.2푠 −9.4푠 −푠 −34.68푒 46.2푒 0.87(11.61푠 + 1)푒 [ 8.15푠 + 1 10.9푠 + 1 (3.89푠 + 1)(18.8푠 + 1)] Trong phần này, phương pháp đề xuất được áp dụng cho các quá trình đa biến được giới thiệu như trên. Ngoài ra, các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển đa biến nổi tiếng sau đây được sử dụng để so sánh với phương pháp đề xuất:  Phương pháp thiết kế hiệu chỉnh BLT được đề xuất bởi Luyben.  Phương pháp thiết kế chuyển tiếp dựa trên tín hiệu hồi tiếp tự động điều chỉnh (SAT) được đề xuất bởi Loh. Những nghiên cứu so sánh này được thực hiện để chứng minh sự hiệu quả của phương pháp đề xuất. 4.2. Mô phỏng, so sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp khác 4.2.1. Điều khiển cột chưng cất Wood & Berry (WB) Theo ma trận hàm truyền đạt của cột chưng cất WB thể hiện ở công thức (4.1). Bộ phân ly đơn giản hóa được xác định theo công thức (3.5) như sau: 18
21. 1.477(16.70푠 + 1)푒−2푠 1 (푠) = 21푠 + 1 (4.6) 0.34(14.4푠 + 1)푒−4푠 1 [ 10.9푠 + 1 ] Bộ điều khiển PID được xác định theo công thức từ (3.21) và các thông số của bộ điều khiển và các chỉ số đánh giá chất lượng cho từng phương pháp so sánh được liệt kê trong bảng 4.1. Đáp ứng vòng kín theo thời gian của mỗi phương pháp thiết kế với giá trị đặt theo hàm nấc đơn vị được thực hiện tuần tự tại thời gian t = 0 và t = 200 (phút). Ta thấy rằng hệ thống điều khiển phân ly thiết kế theo phương pháp đề xuất có đáp ứng nhanh, cân bằng hơn khi so với các phương pháp khác. Hiệu quả của phương pháp đề xuất cũng được xác nhận bởi giá trị IAE nhỏ nhất thể hiện trong bảng 4.1. Hình 4.1 Đáp ứng vòng kín đối với sự thay đổi giá trị đặt theo hàm bậc thang cho cột WB (vòng 1) Hình 4.2 Đáp ứng vòng kín đối với sự thay đổi giá trị đặt theo hàm bậc thang cho cột WB (vòng 2) Bảng 4.1 Thông số của bộ điều khiển và kết quả thực thi của hệ thống WB Phương pháp Vòng 퐾 휏 휏 흀 IAE 1 0.035 0.653 0.204 5.26 Phương pháp đề xuất 11.128 2 -0.0117 0.845 0.264 8.00 1 0.375 8.29 - - BLT 56.473 2 -0.075 23.6 - - 1 0.87 3.25 - 1.11 SAT 24.297 2 -0.09 10.4 - 7.11 Lưu ý: Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 1 là: 푠2 + 푠 + 1 9.194푠 + 1 ( ) 퐹 1 푠 = 2 = 2 Bộ lọc đầu vào 푠 + 푠 + 1 0.103푠 + 0.369푠 + 1 8.275푠 + 1 (푠) = 1 9.19푠 + 1 Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 2 là: 푠2 + 푠 + 1 10.603푠 + 1 ( ) 퐹 2 푠 = 2 = 2 Bộ lọc đầu vào 푠 + 푠 + 1 0.185푠 + 0.572푠 + 1 8.48푠 + 1 2(푠) = 10.6푠 + 1 19
22. Phương pháp đề xuất dùng để thiết kế bộ điều khiển PID đa vòng kín dùng cho hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hóa. Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều quá trình đa biến trong công nghiệp. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển đề xuất có khả năng nâng cao chất lượng của đáp ứng đầu ra với trị số IAE thấp hơn rất nhiều khi so sánh với các phương pháp khác. 4.2.2. Điều khiển cột chưng cất Vinante & Luyben (VL) Theo ma trận hàm truyền đạt của cột chưng cất VL thể hiện ở công thức (4.2). Bộ phân ly đơn giản hóa được xác định theo công thức (3.5) như sau: 1 0.591 (푠) = [0.651(9.2푠 + 1)푒−1.45푠 ] (4.7) 1 9.5푠 + 1 Bảng 4.2 liệt kê kết quả tính toán, thiết kế và đo lường cho từng phương pháp so sánh. Như ta thấy ở hình 4.3 và hình 4.4, đáp ứng vòng kín của hệ thống phân ly đơn giản hóa nhanh hơn, cân bằng hơn khi so với các phương pháp BLT và SAT. Giá trị IAE nhỏ nhất của phương pháp đề xuất được thể hiện trong bảng 4.2. Hình 4.3 Đáp ứng vòng kín đối với sự thay đổi giá trị đặt theo hàm bậc thang cho cột VL (vòng 1) Hình 4.4 Đáp ứng vòng kín đối với sự thay đổi giá trị đặt theo hàm bậc thang cho cột VL (vòng 2) 20
23. Bảng 4.2 Thông số của bộ điều khiển và kết quả thực thi của hệ thống VL Phương pháp Vòng 퐾 휏 휏 흀 IAE Phương pháp đề 1 -0.29 0.272 0.085 1.6 2.69 xuất 2 0.131 0.14 0.044 1.3 1 -1.07 7.10 - - BLT 8.61 2 1.97 2.58 - - 1 -1.35 2.26 - - SAT 7.15 2 3.97 2.42 - - Lưu ý: Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 1 là: 푠2 + 푠 + 1 3.19푠 + 1 Bộ lọc đầu vào 퐹 (푠) = = 1 푠2 + 푠 + 1 0.016푠2 + 0.118푠 + 1 1.91푠 + 1 (푠) = 1 3.19푠 + 1 Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 2 là: 푠2 + 푠 + 1 3.145푠 + 1 Bộ lọc đầu vào 퐹 (푠) = = 2 푠2 + 푠 + 1 0.005푠2 + 0.09푠 + 1 1.89푠 + 1 2(푠) = 3.145푠 + 1 4.2.3. Điều khiển cột chưng cất Ogunnaike & Ray (OR) Theo ma trận hàm truyền đạt của cột chưng cất OR thể hiện ở công thức (4.3). Bộ phân ly đơn giản hóa được xác định theo công thức (3.8) và (3.9) như sau: 0.7278(20.463푠+1)푒−1.437푠 1 0.0048푒−0.203푠 (17.938푠+1) −0.159푠 (푠) = 0.352푒 1 −0.0028 (4.8) 23.238(18.29푠+1)푒−7.2209푠 −26.457(4.128푠+1)푒−6.4305푠 1 [ (17.271푠+1) (14.521푠+1) ] Trong nghiên cứu mô phỏng, phương pháp đề xuất được so sánh với phương pháp BLT và SAT. Thông số điều khiển và kết quả xác định chất lượng của cả ba hệ thống điều khiển được liệt kê ở bảng 4.3 như sau: 21
24. Bảng 4.3 Thông số của bộ điều khiển và kết quả thực thi của hệ thống OR Phương pháp vòng 퐾 휏 휏 휆 1 0.34 1.04 0.325 4.00 Phương pháp đề 2 -0.089 1.20 0.375 3.75 86.24 xuất 3 0.287 0.40 0.125 1.82 1 1.51 16.4 - - BLT 2 -0.29 18.0 - - 530.64 3 2.63 6.61 - - 1 2.71 7.44 - - SAT 2 -0.37 10.52 - - 889.73 3 4.56 3.09 - - Lưu ý: Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 1 là: 푠2 + 푠 + 1 5.96푠 + 1 Bộ lọc đầu vào 퐹 (푠) = = 1 푠2 + 푠 + 1 0.23푠2 + 0.403푠 + 1 3.57푠 + 1 (푠) = 1 5.96푠 + 1 Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 2 là: 푠2 + 푠 + 1 4.83푠 + 1 Bộ lọc đầu vào 퐹 (푠) = = 2 푠2 + 푠 + 1 0.3푠2 + 0.44푠 + 1 2.9푠 + 1 (푠) = 2 4.83푠 + 1 Bộ lọc của bộ điều khiển đề xuất vòng 3 là: 푠2 + 푠 + 1 3.04푠 + 1 Bộ lọc đầu vào 퐹 (푠) = = 3 푠2 + 푠 + 1 0.035푠2 + 0.162푠 + 1 1.823푠 + 1 3(푠) = 3.04푠 + 1 Trên cơ sở thay đổi biên độ của giá trị đặt đầu vào của các vòng kín 1, 2 và 3 là 1,1 và 1, ta xác định được đặc tính của đáp ứng đầu ra của cả ba hệ thống được thể hiện ở hình 4.5, hình 4.6 và hình 4.7 Hình 4.5 Đáp ứng vòng kín của cột chưng cất OR (vòng 1) 22
25. Hình 4.6 Đáp ứng vòng kín của cột chưng cất OR (vòng 2) Hình 4.7 Đáp ứng vòng kín của cột chưng cất OR (vòng 3) Từ kết quả mô phỏng ở bảng 4.3, hình 4.5, hình 4.6 và hình 4.7 ta thấy rằng đáp ứng đầu ra của hệ thống đề xuất có chất lượng cải thiện đáng kể khi so sánh với ba hệ thống còn lại, do đáp ứng đầu ra hầu như đã loại bỏ tác dụng của nhiễu rất đáng kể. Chính vì thế giá trị IAE của phương pháp đề xuất là rất nhỏ (86.24) khi so sánh với giá trị IAE của 2 phương pháp còn lại là (530.46 và 889.73). 23
26. CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH ỨNG DỤNG 5.1. Mô hình hóa hệ thống Để có thể thiết kế các thuật toán điều khiển cho các hệ thống điều khiển quá trình trong thực tế, đảm bảo sự ổn định và hoạt động tin cậy với các đáp ứng ngõ ra như mong muốn, việc mô hình hóa hay mô tả hệ bằng các phương trình toán (hàm truyền) là hết sức cần thiết. Thông thường có hai phương pháp trong việc mô tả toán học hệ thống: - Phương pháp lý thuyết: xây dựng mô hình dựa vào các quy luật vật lý, hóa học, sinh học để rút ra mô hình toán dưới dạng phương trình vi phân. - Phương pháp thực nghiệm: dựa vào dữ liệu thực nghiệm vào-ra của hệ thống, ta có thể đề xuất các phương pháp hoặc sử dụng các công cụ có sẵn để nhận dạng hệ thống. Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp thực nghiệm và công cụ nhận dạng của Matlab (Ident Toolbox) để đạt được mô hình toán của các hệ thống ứng dụng. Trong phương pháp này, việc lựa chọn loại tín hiệu thử cũng như cấu trúc (đặc tính) của mô hình là hết sức quan trọng. Các loại tín hiệu thử thường được dùng cho nhận dạng như sau: - Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (Pseudo random binary sequence – PRBS) - Nhiễu nhị phân tổng quát hóa (Generalized binary noise – GBN) - Tổng các sóng sin (sum of sinusoids) Dữ liệu vào-ra của hệ thống sau khi tiền xử lý như lọc nhiễu, loại bỏ offset (mức DC) được lưu trữ sử dụng cho bước nhận dạng cũng như đánh giá mô hình. Việc chọn cấu trúc mô hình phù hợp cũng là bài toán khó khăn. Tuy nhiên, do giới hạn của đề tài chỉ khảo sát các hệ thống điều khiển quá trình với các đặc trưng của hệ quán tính có trễ nên việc chọn cấu trúc mô hình cũng dễ dàng hơn. Bước cuối cùng của quá trình nhận dạng là đánh giá mô hình. Phương pháp thường dùng để đánh giá là sử dụng tín hiệu thử mới chưa dùng ở bước ước lượng thông số mô hình để đưa vào hệ thống thật cũng như mô hình nhận dạng được và tín hiệu ra ở cả hai hệ được so sánh với tiêu chí sao cho sai lệch ở ngõ ra càng nhỏ càng tốt. Quá trình được lập đi lập lại cho đến khi đạt được mô hình có độ xấp xỉ với hệ thống thật nhất. 5.2. Ứng dụng điều khiển hệ bồn nước (hệ 2x2) 5.2.1. Giới thiệu chung Hệ gồm hai bồn nước thông nhau, mỗi bồn có một dòng vào với lưu lượng được điều khiển thông qua máy bơm. Hai biến tần Yaskawa được sử dụng để điều khiển tốc độ của máy bơm. Do đó, lưu lượng nước chảy vào các bồn được điều khiển thông qua điện áp điều khiển cấp cho biến tần, điện áp 0-10 (VDC). Mỗi bồn sử dụng một cảm biến điện dung để đo mức, tín hiệu trả về là dòng chuẩn công nghiệp 4-20 (mA) thông qua điện trở 500Ω để thành điện áp tương tự 2-10 (VDC) tương ứng với mức nước 0-45 (cm). 24
27. Hình 5.1 Mô hình ứng dụng bồn nước đôi Tất các các tín hiệu tương tự vào-ra được thu thập bởi card chuyên dùng của hãng National Instrument (NI), PCI 6052e. Mô hình được điều khiển hoàn toàn bằng Matlab ở chế độ Real-Time Window Target. Mục tiêu của hệ thống là thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa cho hệ 2 ngõ vào - 2 ngõ ra. Trong đó 2 ngõ vào là 2 điện áp điều khiển cấp cho biến tần, 2 ngõ ra là chiều cao mức chất lỏng ở cả hai bồn. Bộ điều khiển phải đảm bảo đáp ứng có sai số xác lập bằng 0, thời gian đáp ứng đủ nhanh với độ vọt lố càng thấp càng tốt. Hơn nữa, với kỹ thuật phân ly đơn giản hóa, sự ảnh hưởng qua lại giữa các biến quá trình phải phải được giảm thiểu. Trong ứng dụng này, khi mức chất lỏng của một bồn thay đổi thì không ảnh hưởng đến mức chất lỏng của bồn còn lại, hoặc nếu có thì ảnh hưởng này phải không đáng kể. Lưu đồ nguyên lý hoạt động bồn nước được thể hiện ở hình 5.2. Hình 5.2 Lưu đồ nguyên lý hoạt động bồn nước 5.2.2. Mô hình hóa hệ bồn nước đôi Để đơn giản trong việc tính toán bộ phân ly cũng như thiết kế bộ điều khiển tương ứng. Tác giả sử dụng kỹ thuật xấp xỉ Padé 1/1 cho hàm truyền G(s) [32], kết quả xấp xỉ được từ mô hình nhận dạng: 11.20푒−0.83푠 0.92푒−5.185푠 푮(푠) ≃ 161.2푠 + 1 186.7푠 + 1 (5.3) 0.39푒−4.41푠 10.84푒−0.84푠 [142.96푠 + 1 40.21 푠 + 1 ] 25
28. 5.2.3. Tính toán bộ phân ly và các thông số bộ điều khiển Sử dụng kỹ thuật phân ly đơn giản hóa cho hệ 2x2 với phương trình từ (2.12) ta có các kết quả sau: Các phần tử của ma trận phân ly: ( ) 푃21 0.036 40.21푠 + 1 −3.57푠 21 = − = − 푒 (5.4) 푃22 (142.96푠 + 1) ( ) 푃12 0.082 161.2푠 + 1 −4.355푠 12 = − = − 푒 (5.5) 푃11 (186.7푠 + 1) Các phần tử của quá trình sau khi được phân ly có hàm truyền như sau: Sử dụng phương pháp khai triển Mclaurin như đề cập ở (mục 3.2) để xấp xỉ các thành phần đường chéo của ma trận sau khi phân ly (Q11 và Q22). Ta có kết quả xấp xỉ đạt được như sau: 11.1669푒−0.8525푠 푄 (푠) = (5.8) 11 160.7739푠 + 1 10.808푒−2.1803푠 푄 (푠) = (5.9) 22 38.4661푠 + 1 Dựa theo phương pháp đề xuất tìm thông số PID cho các hệ bậc 1 có trễ theo các công thức (3.31) đến (3.32), ta tính được các thông số của hai bộ điều khiển PID cho hai thành phần đường chéo của ma trận sau khi được phân ly như sau: Bảng 5.1 Thông số bộ điều khiển và bộ lọc cho hệ bồn nước Loop 퐾 휏 Bộ lọc PID Bộ lọc ngõ vào  D 2.8335푠 + 1 0.2833푠 + 1 1 1.605 0.34 0.106 = = 0.0375푠2 + 0.0215푠 + 1 2.833푠 + 1 5.801푠 + 1 0.5801푠 + 1 2 0.213 0.87 0.273 = = 0.0291푠2 + 0.1338푠 + 1 5.801푠 + 1 Sử dụng kết quả tính toán được ta mô phỏng trên Matlab: Hình 5.7 Sơ đồ Simulink của bộ điều khiển 26
29. Đáp ứng mô phỏng bồn 1 và bồn 2 như sau: Hình 5.8 Đáp ứng mô phỏng của mức Hình 5.9 Đáp ứng mô phỏng của mức nước ở bồn 1 nước ở bồn 2 5.2.4. Thực thi bộ điều khiển trên mô hình thật Sơ đồ bộ điều khiển bao gồm bộ phân ly đơn giản hóa và bộ điều khiển PID đề xuất được thể hiện trong hình 5.10. Sơ đồ Simulink này được thiết kế để chạy chế độ thời gian thực (Real-Time) của Matlab với sự hỗ trợ của Card thu thập dữ liệu PCI- 6052E của hãng NI (National Instruments). Hình 5.10 Sơ đồ Simulink của bộ điều khiển chạy chế độ Real-Time Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi giá trị đặt là 300 mm như sau: Dap ung cua bon 1 Dap ung cua bon 2 35 35 30 30 SP SP PV 25 25 PV 20 20 level (cm) 15 level (cm) 15 10 10 5 5 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time (s) time (s) Hình 5.11 Đáp ứng mức nước ở bồn 1 Hình 5.12 Đáp ứng mức nước ở bồn 2 27
30. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi giá trị đặt là 200 mm như sau: Dap ung cua bon 1 Dap ung cua bon 2 22 45 20 40 SP SP 18 PV 35 PV 16 30 14 25 12 level (cm) 20 10 level (cm) 8 15 6 10 4 5 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 time (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time (s) Hình 5.13 Đáp ứng mức nước ở bồn 1 Hình 5.14 Đáp ứng mức nước ở bồn 2 5.2.5. Nhận xét Qua quá trình thực thi bộ điều khiển phân ly cho hệ bồn nước đôi ta đạt đuợc các kết quả sau : - Nhận dạng và mô hình hóa đuợc hệ bồn nước đôi - Dựa trên mô hình nhận dạng và lý thuyết bộ điều khiển phân ly đơn giản cho hệ 2x2 mà tác giả đã nghiên cứu, tác giả tính toán được ma trận hàm truyền bộ phân ly và sử dụng phương pháp đề xuất để thiết kế bộ điều khiển PI/PID cho hệ đa biến tương ứng. - Kết quả mô phỏng thuật toán phân ly và điều khiển rất tốt. Đáp ứng mức ở cả hai bồn không có vọt lố và sai số xác lập bằng 0. - Các thông số tính toán sau khi mô phỏng được áp dụng trực tiếp trên hệ thống thật cho kết quả gần như khi mô phỏng. Đáp ứng mức chất lỏng ở cả hai bồn khi khảo sát nhiều trường hợp khác nhau cho kết quả khá tốt. 5.3. Ứng dụng điều khiển tháp chưng cất ethanol và nước (hệ 3x3) Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Ethanol - Nước là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol. 5.3.1. Thiết kế - chế tạo mô hình thực nghiệm Việc thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm được thực hiện trong Đề tài Cấp Bộ, “Nghiên cứu và chế tạo tháp chưng cất hỗn hợp Ethanol và Nước công suất 100 lít/ngày”. Dưới đây là mô hình thiết kế 3D. tháp chưng cất 28
31. Hình 5.15 Mô hình thiết kế 3D Hình 5.16 Mô hình tháp tháp chưng cất chưng cất Ethanol và Nước 5.3.2. Lưu đồ thiết bị (P&ID) của tháp chưngcất PC TC2 Thiết bị ngưng tụ TC4 V1 N1 FC2 R4 V2 N2 Thùng Phân V3 FV3 N3 dòng V4 N4 B2 LC2 V5 N5 Tháp chưng cất R2 V7 FC1 FV1 R3 LC1 B3 B1 TC3 V6 Sản phẩm đáy Sản phẩm đỉnh TC1 R1 Thùng nguyên liệu Nước Hình 5.18. Lưu đồ mô hình hệ thống tháp chưng cất Ethanol và Nước Trong đó: V1, V2, V3, V4, V5, V6 và V7 Là Van ON-OFF R1, R2, R3 và R4 Là điện trở gia nhiệt FV1, FV2 và FV3 Là Van tuyến tính N1, N2, N3, N4 và N5 Là số tray tháp chưng cất FC1, FC2 Là bộ điều khiển lưu lượng TC1, TC2, TC3 và TC4 Là bộ điều khiển nhiệt độ LC1, LC2 Là bộ điều mức B1, B2 Là bơm định lượng B3 Là bơm ly tâm 29
32. 5.3.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển của hệ thống Lưu đồ nguyên lý hoạt động tháp chưng cất Ethanol và Nước được thể hiện ở hình 5.18. Mô hình được điều khiển bằng Matlab sử dụng Real Time Window Target với sự hỗ trợ của card PCIe 6323. Các tín hiệu vào, ra như sau: MCB L N 220 VAC Monitor Nguồn +24 GND CPU MATLAB 0 – 10 VDC (Bộ điều khiển 1 – 5 VDC Tải trở Bộ chuyển Bộ công Thermocouple 1 y phân ly) u 0~220 VAC đổi 3 3 suất 1 0 – 10 VDC Real Time 1 – 3 VDC Tải trở Bộ chuyển Bộ công Thermocouple 2 y Window Target u 0~220 VAC đổi 2 2 suất 2 4 – 20 mA 0 – 5 VDC 4 – 20 mA 0 – 10 VDC Cảm biến Dòng PCIe 6323 Áp sang Van tuyến y AI1 AO1 u lưu lượng sang áp 1 1 dòng tính AI2 AO2 AI3 AO3 GND Hình 5.19 Sơ đồ khối bộ điều khiển 5.3.5. Kết quả điều khiển  Mô phỏng sử dụng Matlab Sau khi nhận dạng mô hình tháp chưng cất dựa vào 3 biến quá trình: nhiệt độ bồn  D đáy, nhiệt độ và lưu lượng dòng cấp liệu, ta có các thành phần đường chéo của ma trận hàm truyền (sau khi phân ly) có dạng như sau: 10.139푒−34.4752푠 푄 (푠) = (5.18) 11 1127.9푠 + 1 6.6232푒−2.581푠 푄 (푠) = (5.19) 22 145.1837푠 + 1 0.0082푒−20.8159푠 푄 (푠) = (5.20) 33 58.1358푠 + 1 Sử dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID đề xuất cho hệ bậc 1 có trễ (FOPTD) ta tìm được các thông số của bộ điều khiển và bộ lọc tương ứng cho cả ba vòng điều khiển. Tất các các thông số được tổng hợp trong bảng 5.2 Bảng 5.2 Thông số bộ điều khiển và bộ lọc cho tháp chưng cất Loop 퐾  I Bộ lọc PID Bộ lọc ngõ vào 18.5997푠 + 1 1 0.1302 14.9208 4.6628 185.9973푠 + 1 = = 185.997푠 + 1 5.3434푠2 + 47.5395푠 + 1 3.9147푠 + 1 2 0.0454 1.0324 0.3226 39.1469푠 + 1 = = 39.1469푠 + 1 0.7751푠2 + 0.2897푠 + 1 4.862푠 + 1 3 31.5357 8.3264 2.6020 48.6172푠 + 1 = = 48.617푠 + 1 2.8436푠2 + 14.3204푠 + 1 30
33. Dựa trên các thông số điều khiển bảng 5.2, tác giả thiết kế bộ điều khiển sử dụng phân ly đơn giản hóa và bộ điều khiển PID sử dụng Simulink của Matlab. Sơ đồ bộ điều khiển thể hiện ở hình 5.22. Hình 5.22 Sơ đồ Simulink của bộ điều khiển chạy chế độ Real-Time Các kết quả mô phỏng đạt được như mô tả ở hình 5.23, hình 5.24 và hình 5.25. Hình 5.23 Đáp ứng nấc nhiệt độ của bồn đáy Hình 5.24 Đáp ứng nấc nhiệt độ dòng cấp liệu 31
34. Hình 5.25 Đáp ứng nấc của lưu lượng cấp liệu Từ các hình (5.23) – (5.25) ta thấy đáp ứng mô phỏng cho kết quả rất tốt. Sai số tính theo tiêu chuẩn đã đề cập ở mục 3.4, IAE = 812.2369; không có độ vọt lố trong cả 3 đáp ứng. Đây là cơ sở quan trọng để tác giả thực thi bộ điều khiển trên mô hình thật.  Điều khiển thời gian thực Trong trường hợp này sơ đồ Simulink được cài đặt chạy chế độ thời gian thực (Real-Time Window Target). Do đó khối “OUT TO COLLUMN” thực chất là xuất các tín hiệu điều khiển thông qua Card thu thập dữ liệu (PCI 6323e) để điều khiển trực tiếp đối tượng thật. Khối “ANALOG IN” được sử dụng để đọc các tín hiệu từ cảm biến (nhiệt độ đáy, nhiệt độ dòng cấp liệu và lưu lượng cấp liệu). Hình 5.26 Sơ đồ Simulink của bộ điều khiển chạy chế độ Real-Time Hình 5.27, hình 5.28 và hình 5.29 là quá trình thực thi bộ điều khiển trên hệ thống thật cũng như dữ liệu được thu thập trong 1000(s). Từ đồ thị ta thấy các thông số công nghệ của quá trình chưng cất Ethanol và nước được điều khiển rất tốt. Các đáp ứng thể hiện tương tự như kết quả mô phỏng đạt được, chứng tỏ quá trình mô hình hóa và tính toán phân ly hiệu quả. Để giảm thời gian chưng cất nên nồng đồ cồn ngõ vào được pha loãng khoảng 60%, cồn ngõ ra sau một lần chưng cất được khoảng 90% (chưa có hồi lưu). 32
35. Hình 5.27 Kết quả điều khiển biến nhiệt độ bồn đáy khi mô phỏng và thực nghiệm Hình 5.28 Kết quả điều khiển biến nhiệt độ cấp liệu khi mô phỏng và thực nghiệm 33
36. Hình 5.29 Kết quả điều khiển biến lưu lượng cấp liệu khi mô phỏng và thực nghiệm Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy các thông số công nghệ của quá trình chưng cất Ethanol và Nước được điều khiển rất tốt. Các đáp ứng thể hiện tương tự như kết quả mô phỏng đạt được, chứng tỏ quá trình mô hình hóa và tính toán phân ly hiệu quả. Sự sai lệch giữa đáp ứng thật và mô phỏng chủ yếu do sai số mô hình trong quá trình nhận dạng hệ thốngl Do điều kiện thực tế, tác giả không thể so sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp khác đã đề cập trong phần mô phỏng. Tuy nhiên, để tăng tính thuyết phục về hiệu quả của bộ điều khiển đề xuất, tác giả đã so sánh kết quả mô phỏng trên mô hình nhận dạng được với kết quả thực nghiệm trên tháp chưng cất thực tế. Từ hình 5.37, ta nhận thấy hình dạng đáp ứng của các ngõ ra tương đồng nhau. Chỉ tiêu chất lượng tính theo tiêu chuẩn đánh giá sai số, IAE = 1771. Mặc dù giá trị này gấp đôi giá trị IAE mô phỏng, nhưng điều này hoàn toàn thực tế vì đáp ứng mô phỏng ở trạng thái xác lập luôn không đổi nên Δe sẽ bằng 0. Điều này có nghĩa là giá trị IAE mô phỏng chủ yếu phản ảnh sai số của quá trình quá độ. Còn trong bài toán thực nghiệm, giá trị thật của ngõ ra luôn thay đổi, kể cả ở trạng thái xác lập (thay đổi nhỏ), điều này sẽ dẫn đến giá trị IAE tăng cao. 34
37. Một số hình ảnh mô tả kết quả đạt được sau quá trình chưng cất. Nồng đồ Ethanol trước khi chưng cất Nồng đồ Ethanol sau khi chưng cất Hình 5.30 Kết quả thực thi bộ điều khiển trước và sau khi chưng cất Hình 5.31 Tháp chưng cất đang vận hành 5.3.6. Nhận xét Qua quá trình ứng dụng các nghiên cứu lên hệ thống tháp chưng cất tự chế tạo, tác giả đã đạt được các kết quả sau: − Dựa vào khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng đến thành phần nồng độ đầu ra của quá trình chưng cất, tác giả đã mô hình hóa và nhận dạng hệ thống với 3 biến chính: nhiệt độ bồn đáy, nhiệt độ cấp liệu và lưu lượng cấp liệu. Từ đó, động học hệ thống có thể được mô tả bởi ma trận hàm truyền 3×3. − Áp dụng các nghiên cứu về bộ phân ly cho hệ 3×3 đã trình bày ở chương lý thuyết, tác giả đã tính toán ma trận phân ly cho hệ 3 biến và giải quyết được 2 vấn đề quan trọng nhất của bài toán phân ly là vấn đề nhân quả (causality) và hiện thực hóa (realization). − Sử dụng phương pháp đề xuất để thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống sau khi phân ly. − Các kết quả tính toán được áp dụng trực tiếp lên hệ thống thật và đạt kết quả khá tốt ở 3 biến điều khiển là nhiệt độ bồn đáy, lưu lượng cấp liệu và nhiệt độ gia nhiệt dòng cấp liệu. − Sản phẩm đạt được tăng nồng độ từ gần 600 đầu vào thành hơn 900 chỉ sau một lần chưng cất (chưa hồi lưu). 35
38. CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1. KẾT LUẬT Luận án đề xuất phương pháp xây dựng bộ phân ly đơn giản hóa cho hệ đa biến. Phương án đề xuất mang tính tổng quát và có khả năng ứng dụng cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Bên cạnh đó phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC) cho các hệ điển hình cũng được đề xuất. Phương pháp đề xuất đưa ra được các công thức tường minh tính toán các thông số của bộ điều khiển PID. Hơn nữa, các bộ lọc nối tiếp với bộ điều khiển tương ứng với các đặc tính quá trình khác nhau cũng được thiết kế nhằm cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống. Xu hướng sử dụng bộ lọc trong cấu trúc bộ điều khiển được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Các kết quả đạt được của luận án được tóm tắt dựa trên hai khía cạnh: Tính mới: Xây dựng được phương pháp chung làm nền tảng để điều khiển hệ thống đa biến phức tạp. Đề xuất phương pháp thiết kế mở rộng hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa. Bao gồm: quy luật điều khiển hệ thống đa biến, quy luật điều chỉnh hệ thống đa biến, phương pháp so sánh và phương pháp đánh giá khả năng thực thi của toàn hệ thống. Phương pháp này của luận án có khả năng giải quyết nhiệm vụ điều khiển hệ thống ổn định, điều khiển bám ổn định của hệ thống điều khiển cũng như khả năng kháng nhiễu quá trình. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển đa biến nhiều vòng lặp PI/PID kết hợp với các bộ lọc tương ứng dùng cho các hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hóa. Tác giả cũng đã tính toán các trường hợp cụ thể cho các hệ 2x2, 3x3 và từ đó xây dựng các chương trình mô phỏng kết quả đạt được trên Matlab. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất cho kết quả tốt hơn hẳn các phương pháp nổi tiếng khác về khả năng bám sát giá trị đặt cũng như khả năng kháng nhiễu quá trình của hệ thống. 36
39. Kết quả thực tiễn: Xây dụng được các mô hình thực nghiệm để kiếm chứng các phương pháp đề xuất bao gồm hệ bồn nước (2x2) và tháp chưng cất hỗn hợp Ethanol và nước (3x3). Để có thể áp dụng được các kết quả lý thuyết, mô hình toán mô hình thực nghiệm cần phải đạt được. Do giới hạn nghiên cứu của luận án, các lý thuyết nhận dạng và mô hình hóa hệ thống không được đề cập chuyên sâu. Tác giả sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với toolbox nhận dạng của Matlab để xây dựng các mô hình thực nghiệm. Để tăng cường tính thuyết phục của mô hình, các thiết bị sử dụng đều có chuẩn công nghiệp và chuyên dụng, đặc biệt các card DAQ cho hệ 2x2 và 3x3 của hãng National Instrument (NI). Thuật toán điều khiển cho hệ thống được xây dựng trên Matlab ở chế độ thời gian thực (Real Time Window Target). Kết quả điều khiển cho thấy đáp ứng của các hệ đáp ứng được các tiêu chí đề ra về bám sát giá trị đặt cũng như khả năng kháng nhiễu quá trình. Đặc biệt tháp chưng cất Ethanol và nước có khả năng ứng dụng cao, và tác giả có trong nhóm nghiên cứu đã bảo vệ thành công đề tài cấp Bộ về mô hình tháp chưng cất này. Các mô hình bồn nước và tháp chưng cất được tác giả thiết kế với quy mô phòng thí nghiệm và hiện đang phục vụ việc giảng dạy và nghiên cứu tại bộ môn Cơ điện tử, Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố. Hồ Chí Minh. 6.2. KIẾN NGHỊ Với khả năng ứng dụng cao nên bộ điều khiển đề xuất có thể đưa vào hệ thống chưng cất công nghiệp cũng như chưng cất các lại nước hoa và tinh dầu khác như: hương Bưởi, hương Chanh, hương Dừa Các mô hình thực nghiệm có thể đưa vào giảng dạy sau đại học và nghiên cứu. Dựa trên các mô hình này có thể phát triển các thuật toán phân ly khác, đặc biệt là phân ly nghịch, hoặc các phương pháp điều khiển khác đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu như: điều khiển dự báo (Model Predictive Control – MPC), điều khiển phân số (Fractional Control). Dựa trên phương pháp đề xuất, tác giả và nhóm nghiên cứu cũng sẽ mở rộng ứng dụng cho các hệ bậc cao hơn như hệ 4x4. 37
40. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU STT Nội dung 1 T. N. L. Vu, L. H. Giang, Linh Le; “A New Analytical Design Based On The Effect Of Closed-Loop Interaction In Multi-Loop Control Systems” Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, Viet Nam, pp.609-615, 2014. 2 T. N. L. Vu, L. H. Giang, Linh Le; “Analytical Design Of Advanced Imc- Pid Controller For The Disturbance Rejection Of First-Order Plus Dead Time Processes” Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, Viet Nam, pp.616-622, 2014. 3 T. N. L. Vu, L. H. Giang, Linh Le; “Design Of Simplified Decoupling Smith Control Scheme For Multivariable Process With Multiple Time Delays ” Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, Viet Nam, pp.623-628, 2014. 4 Lê Linh, Trương Nguyễn Luân Vũ, Lê Hiếu Giang. Design of multi-loop controller for simplified decoupling system. Proceedings of the 4th National Conference on Mechanical Science &Technology, HCMC November 6th, 2015, vol. 2, pp. 23-29. 5 Lê Linh, Trương Nguyễn Luân Vũ, Lê Hiếu Giang; “Design of IMC-PID Controller Cascaded Filter for Simplified Decoupling Control System” International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol:10, No:7, 2016, Singapore. 6 Lê Hiếu Giang, Trương Nguyễn Luân Vũ, Lê Linh; “Analytical Design of IMC-PID Controller for Ideal Decoupling Embedded in Multivariable Smith Predictor Control System” International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol:10, No:7, 2016 , Singapore. 7 Trương Nguyễn Luân Vũ, Lê Hiếu Giang, Lê Linh; “Fractional-Order PI Controller Tuning Rules for Cascade Control System” International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering Vol:10, No:7, 2016, Singapore. 8 Truong Nguyen Luan Vu, Le Hieu Giang, Le Linh, and Vo Lam Chuong; “Advanced IMC-PID Controller Design for the Disturbance Rejection of First Order Plus Time Delay Processes” , International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), Ho Chi Minh City, Vietnam, 2017. 9 Truong Nguyen Luan Vu, Le Hieu Giang, Le Linh, Vo Lam Chuong, Phan Tan Hai; “ Thiết kế bộ điều khiển pid cho quá trình không ổn định bậc hai có thời gian trễ”. Ho Chi Minh City University Of Teachnolory And Education, Vietnam. 38
41. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN STT Cấp Nội dung nghiên cứu Mã đề tài/ Chủ trì/ nghiên bảo vệ tham cứu gia Cấp Thiết kế, chế tạo mô T2015-28/ 1 Chủ trì trường hình lò sấy đã bảo vệ Thiết kế bộ điều khiển Cấp IMC-PID kết hợp với bộ lọc T2016-27TĐ/ 2 trường Chủ trì cho hệ thống điều khiển đã bảo vệ trọng điểm phân ly đơn giản hóa Cấp Thiết kế bộ điều khiển T2016-76TĐ/ Tham 3 trường PI phân số cho hệ thống điều đã bảo vệ gia trọng điểm khiển tầng Thiết kế phân tích bộ Cấp điều khiển IMC-PID kết hợp T2016-29TĐ/ Tham 4 trường bộ lọc cho hệ thống phân ly đã bảo vệ gia trọng điểm lý tưởng nhúng trong hệ thống dự bao Smith đa biến. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa để nâng B2015.22.02/ Tham 5 Cấp bộ cao tính ổn định bền vững và đã bảo vệ gia hiệu quả hoạt động của các quá trình đa biến trong công nghiệp Nghiên cứu và chế tạo tháp chưng cất hỗn hợp B2017.SPK.05/ Tham 6 Cấp bộ ethanol và nước công suất đã bảo vệ gia 100 lít/ngày 39