Luận văn: Điều khiển phân ly các quá trình đa biến dựa vào dự đoán Smith đa biến

Luận văn nghiên cứu phương pháp điều khiển phân ly cho quá trình đa biến, ứng dụng bộ dự đoán Smith đa biến để nâng cao hiệu suất và độ ổn định.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hải Yến
• Người hướng dẫn: Ts. Trương Nguyễn Luân Vũ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Điều Khiển Phân Ly Các Quá Trình Đa Biến Dựa Vào Dự Đoán Smith Đa Biến
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về điều khiển phân ly quá trình đa biến

Điều khiển phân ly quá trình đa biến là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điều khiển hiện đại. Quá trình đa biến đặc trưng bởi sự tương tác phức tạp giữa các biến điều khiển và biến được điều khiển. Trong các hệ thống công nghiệp như lọc dầu, hóa dầu, và xử lý hóa chất, hàng ngàn thông số như cấu trúc, nhiệt độ và áp lực phải được kiểm soát đồng thời. Vấn đề chính nằm ở việc một tín hiệu điều khiển có thể ảnh hưởng đến nhiều đầu ra, tạo nên sự耦合phi tuyến khó điều khiển. Do đó, phát triển phương pháp điều khiển phân ly hiệu quả trở thành nòng cốt để nâng cao chất lượng sản xuất, giảm giá thành và đảm bảo an toàn môi trường.

1.1. Đặc điểm của quá trình đa biến

Quá trình đa biến có nhiều biến điều khiển và biến được điều khiển liên kết với nhau. Sự tương tác giữa các vòng điều khiển gây ra độ trễ, dao động không mong muốn và giảm hiệu suất hệ thống. Phân tích RGA (Relative Gain Array) được sử dụng để xác định mức độ tương tác này và chọn cặp biến phù hợp cho điều khiển phân ly.

1.2. Thách thức trong điều khiển phân ly

Những thách thức chính bao gồm độ trễ truyền tải cao, nhiễu phức tạp và sự phi tuyến của hệ thống. Tác động không mong muốn từ một vòng điều khiển có thể lan truyền sang các vòng khác, làm phức tạp bài toán điều khiển và yêu cầu các phương pháp tiên tiến.

II. Phương pháp Relative Gain Array RGA để phân tích tương tác

Phương pháp RGA của Bristol là công cụ quan trọng để định lượng sự tương tác trong quá trình đa biến. RGA giúp xác định ma trận độ lợi và chỉ ra cặp biến nào nên được ghép nối với nhau để giảm thiểu tương tác. Giá trị RGA nằm trong khoảng [0,1] cho biết mức độ tương tác: giá trị gần 1 chỉ ra tương tác yếu, trong khi giá trị xa 1 biểu thị tương tác mạnh. Việc hiểu rõ cách xác định RGA và trạng thái ổn định của hệ thống là nền tảng để thiết kế các bộ điều khiển phân ly hiệu quả, đặc biệt khi kết hợp với dự đoán Smith đa biến.

2.1. Cách tính toán RGA

RGA được tính từ ma trận lợi tương đối của quá trình. Phương pháp này yêu cầu xác định đáp ứng từng biến và phân tích ảnh hưởng của từng biến điều khiển lên biến đầu ra. Kết quả RGA hướng dẫn việc chọn cấu hình điều khiển phân ly tối ưu nhất.

2.2. Ổn định vòng lặp kín

Để đạt trạng thái ổn định, hệ thống phải thỏa mãn các điều kiện liên quan đến cực và không của hàm truyền. Phân tích ổn định vòng lặp kín giúp xác định các thông số bộ điều khiển sao cho hệ thống không dao động và đáp ứng nhanh chóng.

III. Dự đoán Smith đa biến Giải pháp cho độ trễ truyền tải

Dự đoán Smith (Smith Predictor) là một kỹ thuật nổi bật để khắc phục độ trễ truyền tải trong các quá trình điều khiển. Kỹ thuật này hoạt động bằng cách dự đoán đầu ra tương lai của quá trình dựa trên mô hình toán học và sử dụng sai số dự đoán để điều chỉnh tín hiệu điều khiển. Đối với quá trình đa biến, dự đoán Smith đa biến mở rộng khái niệm này bằng cách xử lý sự tương tác giữa các biến và độ trễ khác nhau trên các kênh khác nhau. Phương pháp này cho phép giảm ảnh hưởng của độ trễ và cải thiện phản ứng của hệ thống đối với các nhiễu loạn, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển phân ly.

3.1. Nguyên lý hoạt động của dự đoán Smith

Dự đoán Smith sử dụng mô hình bù độ trễ để ước tính giá trị tương lai. Cấu trúc bao gồm bộ điều khiển chính và mô hình quá trình. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích khi độ trễ lớn, giúp cải thiện độ ổn định và giảm thời gian ổn định.

3.2. Mở rộng cho hệ đa biến

Dự đoán Smith đa biến xử lý tương tác phức tạp bằng cách mô phỏng ma trận hàm truyền của quá trình. Kỹ thuật này kết hợp phân tích RGA để xác định độ trễ khác nhau trên các kênh và áp dụng bù độ trễ tương ứng, tạo nên điều khiển phân ly hiệu quả.

IV. Tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất và mô phỏng hệ thống

Để đánh giá hiệu quả của điều khiển phân ly quá trình đa biến, cần sử dụng các tiêu chuẩn hiệu suất khác nhau. Tiêu chuẩn IAE (Integral Absolute Error) đo lường tổng sai số tuyệt đối trong quá trình điều khiển, cho biết độ chính xác của hệ thống. Phương pháp tổng biến thiên phản ánh mức độ dao động của hệ thống khi có nhiễu loạn. Phân tích ổn định xác định xem hệ thống có duy trì ổn định dưới các điều kiện khác nhau không. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink cho phép so sánh hiệu suất giữa các phương pháp điều khiển khác nhau như điều khiển phân ly lý tưởng, phân ly đơn giản hóa và phân ly dự đoán Smith, từ đó xác định giải pháp tối ưu cho ứng dụng thực tế.

4.1. Tiêu chuẩn IAE và phương pháp đánh giá

Tiêu chuẩn IAE tính toán $\sum|e(t)|dt$ để định lượng sai số tích lũy. Phương pháp tổng biến thiên đo lường sự thay đổi của tín hiệu điều khiển, phản ánh chi phí điều hành. Những tiêu chuẩn này giúp so sánh hiệu suất các bộ điều khiển một cách định lượng.

4.2. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Mô phỏng quá trình phân ly trong Matlab cho thấy dự đoán Smith đa biến vượt trội hơn các phương pháp truyền thống. Kết quả mô phỏng chứng minh giảm thời gian ổn định, giảm dao động, và cải thiện độ ổn định của hệ thống điều khiển phân ly.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1:TỔNG QUAN. Lý do chọn đề tài .Mục đích của đề tài. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu.

5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .Quá trình tương tác và điều khiển vòng tương tác. Phân tích sơ đồ khối đối với qui trình điều khiển hai biến. Ổn định vòng lặp kín. Sự liên kết giữa biến điều khiển và biến thao tác.

Phương pháp relative gain array ( RGA) của Briston. Cách xác định của RGA. Phương pháp đạt được trạng thái ổn định ma trận độ lợi K. Kiến nghị biện pháp tương tác quá trình ghép nối.

Xem xét đặc tính động học của RGA. 23 Chương 3: PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG PHÂN LY. Điều khiển phân ly quá trình đa biến. Phân ly lý tưởng.

Phân ly đơn giản hóa. Phân ly ngược. 29 Chương 4: DỰ ĐOÁN SMITH CHO HỆ MỘT BIẾN VÀ ĐA BIẾN. Dự đoán smith cho hệ một biến.

Dự đoán smith cho hệ đa biến. 34 Chương 5: ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN DỰA VÀO DỰ ĐOÁN SMITH ĐA BIẾN. Phương pháp thực hiện. 38 Chương 6: CÁC TIÊU CHUẨN ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ ỔN ĐỊNH VÀ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY.

Tiêu chuẩn IAE. Phương pháp tổng biến thiên. Phân tích sự ổn định. 45 Chương 7: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY.

48 Chương 8: KẾT LUẬN. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 53 vii Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, vấn đề hiệu quả hoạt động, tăng năng suấtcho những quá trình sản xuất đã trở nên hết sức cấp thiết do sự cạnh tranh mạnh mẽ để đáp ứng nhanh chóng cho sự thay đổi điều kiện kinh tế như thỏa mãn những yêu cầu về môi trường, sự an toàn và chất lượng sản xuất.

Do đó yêu cầu về hiệu suất đã trở thành nòng cốt trong việc nâng cao chất lượng sản xuất, giảm giá thành. Để làm được điều này chúng ta cần phải tích hợp nhiều quá trình điều khiển, máy móc, thiết bị phức tạp. Mặt khác, những tác động không mong muốn phát sinh trong quá trình điều khiển như nhiễu cũng trở nên phức tạp do nó được truyền tải từ hệ thống này sang hệ thống khác. Ví dụ như hệ thống lọc dầu hoặc hóa dầu, hàng ngàn qui trình tham biến như cấu trúc, nhiệt độ, và áp lực phải xác định và phải điều khiển.Vì vậy,vấn đề điều khiển để thỏa mãn được hầu hết các yêu cầu trênđã trở nên quá khó đối với những quá trình điều khiển đơn giản trước đây khi mà ta chỉ xem có một giá trị điều khiển ngõ ra và một giá trị ngõ vào.

Vậy để giải quyết được những vấn đề này chúng ta cần nghiên cứu những chu trình điều khiển phức tạp hơn với đa tham số ngõ vào và ngõ ra để từ đó ta có thể thiết kế những bộ điều khiển có thể điều chỉnh các tham biến này cho phù hợp. Để có một cách nhìn tổng quát hơnchúng ta sẽ đi xem xét một số hệ thống điều khiển đa biến sau: Một ví dụ chung cho qui trình điều khiển với hai tín hiệu điều khiển đã được trình bày ởHình 1. Những ví dụ này minh họa tính năng đặc trưng của hệ điều khiển đa biến, cụ thể là sự hiện diện của quá trình tương tác, cái mà mỗi biến điều khiển có thể tác động tới cả hai giá trị điều khiển. 1 Chúng ta xem xét tương tác bên trong hệ thống ở Hình 1.Có hai hệ thống hơi nước chứa loại A và B pha trộn với nhau để tạo ra một sản phẩm với tốc độ dòng chảy là w và thành phần x.

Vì vậy khi ta tác động vào mỗi thành phần lưu lượng wa và wb thì sẽ tác động tới cả hai w và x.1a: Hệ thống trộn khí. Tương tự như vậy, xét lò chưng cất ởHình 1.1b, khi ta điều chỉnh tốc độ dòng chảy trào ngược R hoặc lưu lượng hơi nước S sẽ tác động tới cả hai thành phần của sản phẩm chưng cất xd và dưới thành phần xb.1b: Hệ thống tháp chưng cất Hay lò phân cách chất khí và lỏng trong Hình 1.1c, nếu ta điều chỉnh lưu lượng khí G sẽ có tác động trực tiếp tới áp suất P, làm nó chậm hơn và gián tiếp tác động tới mức 2 chất lỏng h bởi vì sự thay đổi áp suất trong thùng sẽ có xu hướng thay đổi lưu lượng chất lỏng L và ngoài ra tác động tới h. Ngược lại, điều chỉnh biến điều khiển khác như L sẽ trực tiếp tác động tới h nhưng chỉ tác động nhỏ và gián tiếp tác động tới P.1c: Hệ thống tách chất lỏng và khí Từ những ví dụ này cho ta thấy khi tương tác đáng kể xảy ra, việc lựa chọn phương án có hiệu quả nhất có thể không được rõ ràng. Cụ thể, trong hệ thống trộncó nên điều chỉnh giá trị điều khiển warồi điều chỉnh giá trị điều khiển lưu lượng wb hoặc ngược lại? Vậy chúng ta làm sao để xác định cấu hình điều khiển đa vòng lặp nào sẽ hiệu quả hơn? Giải quyết được những câu hỏi trên ta sẽ có câu trả lời cho những vấn đề điều khiển đa biến hiện nay.

Vì vậy, hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu bằng những phương pháp khác nhau như ( Luyben 1986; Campo và Morari 1994; Lee at al,2004; Truong và Lee, 2010a, 2010b) nhưng những phương pháp này được đánh giá có tính thực thi kém đối với những chu trình có tương tác đáng kể. Một phương pháp được đánh giá có nhiều ưu việt hiện nay đó là phương pháp phân ly đa biến( Luyben 1970, Waller 1974, Garrido et al. Hầu hết các nghiên cứu này chỉ xem xét ở phân ly đa biến với hai tín hiệu điều khiển ngõ ra và hai ngõ vào. Tuy nhiên, nhiều quá trình đa biến trong lý 3 thuyết điều khiển cũng như trong thực tế sản xuất công nghiệp bao gồm nhiều hơn hai tín hiệu ngõ vào và ngõ ra.

Do đó vấn đề nghiên cứu để mở rộng cho những chu trình đa biến với n ͯ n tín hiệu ngõ ra và ngõ vào đã trở nên rất cấp thiết. Vì những lý do trên , tác giả chọn đề tài nghiên cứuđiều khiển phân ly các quá trình đa biến dựa vào dự đoán Smith đa biến. Mục đích của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất một phương pháp mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển phân ly cho hệ thống, quá trình đa biến trong công nghiệp ngày nay trên cơ sở thuâ ̣t toán dự đoán Smith đa biế n. Đề tài sẽ góp phần nâng cao độ ổn định, hiệu quả làm việc và an toàn trong vận hành, cũng như các tính năng hoạt động khác của các hệ thống, quá trình đa biến trong công nghiệp.

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài Nhiệm vụ của đề tài Đề tài đươ ̣c thực hiê ̣n để giải quyế t các vấ n đề như sau : - Đề xuất phương pháp 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 quá trình hở chức năng ban đầu và các yếu tố đường chéo của các dãy liên hệ tỉ lệ động (Dynamic Relative Gain Arrays). - Tìm ra các mối liên hệ quan trọng giữa hệ thống điều khiển đa biến theo dự đoán Smith đa biế n và hê ̣ thố ng điề u khiể n phân ly đa biế n. - Thiế t kế các bô ̣ điề u khiể n đa biế n trên cơ sở các mố i liên hê ̣ đã trình bày ở trên. - Ứng dụng phương pháp đề xuấ t để điề u khiể n các quá trình đa biế n điể n hình trong công nghiê ̣p và hàn lâm hiê ̣n nay.

- Đề xuấ t phương pháp so sánh có tin ́ h công bằ ng và hiê ̣u quả. Giới hạn của đề tài Đề tài thực hiê ̣n để tim ̀ ra mô ̣t ph ương pháp mới , có hiệu quả t rong viê ̣c xây dựng và thiế t kế hê ̣ thố ng điề u khiể n phân ly kế t hơ ̣p với lý thuyế t dự đoán Smith đa biế n. Phƣơng pháp nghiên cứu - Dựa vào những nghiên cứu, đánh giá cho tới thời điểm hiện tại của các kết quả nghiên cứu khác có liên quan đến đề tài này trên thế giới và Việt Nam, cũng như trên cơ sở xác định ưu, nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu trước đó, đề tài này được thực hiện để phát triển ưu thế và hạn chế nhược điểm của các nghiên cứu trước đó. - Đề tài này được thực hiện trên cơ sở kế thừa và phát triển mới.

Tác giả sẽ cố gắng hoàn thành nghiên cứu này trên cơ sở phải thõa mãn những tiêu chí cơ bản như sau: tính mới mẽ, tính sáng tạo, tính logíc, tính hệ thống, và tính ứng dụng. - Số liệu của đề tài được xử lý bằng phần mềm Matlap 2011a và các hình được vẽ bằng phần mềm Autocad 2007. 5 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đểnghiên cứu chiến lược điều khiển đa biến bằng phương pháp điều khiển phân ly ta xem xét vấn đề chính đó là quá trình tương tác đa biến trong chu trình điều khiển.Quá trình tƣơng tác và điều khiển vòng tƣơng tác Xem xét một số sơ đồ khối hệ thống điều khiển đa biến Hình 2. Để thuận tiện hơn ta giả thiết số biến thao tác bằng với số lượng biến điều khiển.

Vấn đề điều khiển đa biến vốn dĩ phức tạp hơn nhiều so với điều khiển đơn biến bởi vì sự tương tác trong chu trình diễn ra giữa biến điều khiển và biến thao tác. Nếu giá trị thao tác u1 thay đổi, sẽ tác động tới tất cả giá trị điều khiển y1, y2, y3… Bởi vì luôn tồn tại tương tác trong chu trình vì vậy sự lựa chọn một liên kết tốt nhất cho biến điều khiển và biến thao tác cho mục đích điều khiển vòng lặp đa biến là một nhiệm vụ khó. Đặc biệt, vấn đề điều khiển với n biến điều khiển và n biến thao tác thì có thể có n! cấu hình điều khiển vòng lặp đa biến. 6 Nhiễu Chu trình r điều y khiển Hình 2.1 a Chu trình điều khiển với một tín hiệu ngõ vào, một tín hiệu ngõ ra và đa tác động nhiễu Nhiễu r1 Chu trình y1 điều r2 y2 khiển Hình 2.1 b Chu trình điều khiển với hai tín hiệu ngõ vào, hai tín hiệu ngõ ra và đa tác động nhiễu Nhiễu r1 y1 Chu trình r2 điều y2 ⋮ ⋮ rn khiển yn Hình 2.