Luận văn thạc sĩ về điều khiển hệ phi tuyến có trễ sử dụng bộ dự báo Smith và bộ điều khiển PI mờ

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tráng Tài
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Điều Khiển Hệ Thống
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Hệ Phi Tuyến Có Trễ Với Bộ Dự Báo Smith Và PI Mờ
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• 1. TÍNH CỢP THIẾT CỬA ĐỀ TÀI
• 1.1. Cơ sở lý luận và phạm vi nghiên cứu
• 1.2. Đặc điểm khác và thực tiễn đề tài
• 2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các nghiên cứu liên quan
• 2.2. Mô hình thời gian trễ của hệ thống với bộ điều khiển MẪU
• 3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Mô hình tham số hệ thống
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển PI-MẪU
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển Smith predictor MẪU
• 3.4. So sánh và kết luận
• 4. THỬ NGHIỆM THỰC NGHIỆM
• 4.1. Bộ điều khiển PI MẪU
• 4.2. Bộ điều khiển Smith predictor MẪU
• 4.3. So sánh và kết luận
• 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến có trễ là một lĩnh vực quan trọng trong tự động hóa và điều khiển. Trong bối cảnh này, bộ dự báo Smith được áp dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển. Hệ thống có trễ thường gặp trong thực tế, dẫn đến việc giảm hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Việc sử dụng bộ điều khiển PI mờ có thể giúp cải thiện khả năng điều khiển của hệ thống trong các tình huống có độ không chắc chắn và biến động. Nghiên cứu này nhằm mục đích thiết kế và phân tích một bộ điều khiển kết hợp giữa bộ dự báo Smith và PI mờ để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển cho các hệ thống phi tuyến.

1.1. Tầm quan trọng của điều khiển phi tuyến

Điều khiển hệ phi tuyến có những thách thức đặc biệt do tính không tuyến tính của các mô hình hệ thống. Trong nhiều ứng dụng, điều khiển phi tuyến có thể mang lại hiệu suất tốt hơn so với điều khiển tuyến tính. Việc áp dụng bộ dự báo Smith trong điều khiển phi tuyến giúp giảm thiểu ảnh hưởng của độ trễ trong hệ thống, từ đó cải thiện độ ổn định và độ chính xác của quá trình điều khiển. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp giữa bộ điều khiển PI mờ và bộ dự báo Smith có thể tạo ra một phương pháp điều khiển hiệu quả cho các hệ thống có độ không chắc chắn cao.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu này bao gồm việc xây dựng mô hình hệ thống có trễ và áp dụng thuật toán điều khiển kết hợp giữa bộ dự báo Smith và PI mờ. Mô hình được thiết kế để mô phỏng các đặc tính phi tuyến và độ trễ của hệ thống. Các thông số của bộ điều khiển mờ được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất điều khiển tốt nhất. Nghiên cứu cũng sử dụng các công cụ mô phỏng như Matlab để thực hiện các thí nghiệm và phân tích kết quả. Kết quả cho thấy việc áp dụng bộ dự báo Smith trong điều khiển giúp cải thiện đáng kể độ ổn định và hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các tình huống có độ trễ lớn.

2.1. Xây dựng mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống được xây dựng dựa trên các phương trình phi tuyến và có trễ. Việc xác định các tham số của mô hình là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của quá trình điều khiển. Mô hình phi tuyến thường có nhiều trạng thái và biến thể, do đó việc áp dụng bộ điều khiển mờ giúp điều chỉnh các tham số một cách linh hoạt hơn. Các phương pháp tối ưu hóa được sử dụng để tìm ra các tham số tối ưu cho bộ điều khiển PI mờ, từ đó giúp cải thiện hiệu suất điều khiển trong các tình huống thực tế.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp bộ dự báo Smith với bộ điều khiển PI mờ mang lại hiệu suất điều khiển vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Các mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng duy trì ổn định và đáp ứng nhanh với các thay đổi trong đầu vào. Điều này cho thấy rằng bộ điều khiển mờ có thể điều chỉnh linh hoạt theo các điều kiện khác nhau của hệ thống, đồng thời cải thiện khả năng điều khiển trong các tình huống có độ không chắc chắn. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến trong các hệ thống phi tuyến có trễ.

3.1. Phân tích hiệu suất điều khiển

Phân tích hiệu suất điều khiển cho thấy rằng hệ thống điều khiển kết hợp giữa bộ dự báo Smith và PI mờ có thể giảm thiểu độ trễ và cải thiện độ chính xác. Các chỉ số hiệu suất như thời gian phản hồi, độ ổn định và độ chính xác đã được cải thiện rõ rệt. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển mờ không chỉ giúp điều chỉnh các tham số trong quá trình điều khiển mà còn cải thiện khả năng thích ứng với các biến đổi trong hệ thống. Điều này chứng minh rằng nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc kiểm soát và ước lượng thời gian trễ trong hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò then chốt để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của quá trình sản xuất. Theo ước tính, thời gian trễ trong các hệ thống công nghiệp có thể dao động từ vài giây đến hàng chục giây, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển và hiệu quả vận hành. Luận văn tập trung nghiên cứu thuật toán ước lượng và kiểm soát thời gian trễ trong hệ thống điều khiển PID, đặc biệt là ứng dụng bộ điều khiển Smith Predictor và các biến thể thích nghi nhằm cải thiện chất lượng điều khiển trong môi trường có trễ thời gian.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình ước lượng thời gian trễ chính xác, thiết kế bộ điều khiển PI-Mức (PI-M) và Smith Predictor thích nghi, đồng thời đánh giá hiệu quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều khiển có trễ thời gian trong khoảng từ 1 đến 5 giây, áp dụng cho các quy trình công nghiệp tại một số địa phương trong nước.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu sai số điều khiển, cải thiện độ ổn định và tăng tốc độ phản hồi hệ thống, góp phần nâng cao năng suất và giảm chi phí vận hành. Các chỉ số hiệu suất như ITAE (Integral of Time-weighted Absolute Error) và ITSE (Integral of Time-weighted Squared Error) được sử dụng làm metrics đánh giá hiệu quả điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển PID truyền thống và mô hình Smith Predictor cho hệ thống có trễ thời gian. Smith Predictor là một bộ điều khiển dự báo, giúp bù trừ trễ thời gian trong hệ thống bằng cách sử dụng mô hình quá trình và mô hình trễ để cải thiện hiệu suất điều khiển.

Ngoài ra, nghiên cứu còn sử dụng các mô hình phi tuyến như mô hình Hammerstein và Wiener để mô phỏng các đặc tính phi tuyến của hệ thống thực tế. Các khái niệm chính bao gồm:

• Thời gian trễ (Time Delay): Khoảng thời gian giữa tín hiệu đầu vào và phản hồi đầu ra của hệ thống.
• Bộ điều khiển PI-M: Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân được thiết kế đặc biệt cho hệ thống có trễ.
• Smith Predictor thích nghi: Phiên bản nâng cao của Smith Predictor có khả năng tự điều chỉnh tham số dựa trên dữ liệu thực tế.
• ITAE và ITSE: Các chỉ số đánh giá sai số tích phân có trọng số thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ hệ thống điều khiển thực nghiệm sử dụng PLC S7-1200 kết nối với Matlab thông qua KEPServerEx, cho phép thu thập tín hiệu đầu vào và đầu ra với độ chính xác cao. Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng 1000 điểm dữ liệu thu thập trong quá trình vận hành thực tế.

Phương pháp phân tích bao gồm xây dựng mô hình toán học dựa trên mô hình hồi quy tuyến tính và phi tuyến, sử dụng thuật toán tối ưu hóa để ước lượng tham số mô hình và thời gian trễ. Các bộ điều khiển PI-M và Smith Predictor thích nghi được thiết kế và mô phỏng trên Matlab Simulink, sau đó thực hiện kiểm thử trên hệ thống thực tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và thực nghiệm, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ước lượng thời gian trễ chính xác: Thuật toán ước lượng thời gian trễ dựa trên mô hình hồi quy tuyến tính và phi tuyến cho kết quả sai số trung bình dưới 0.1 giây, giảm 30% so với phương pháp truyền thống.

2. Hiệu quả bộ điều khiển PI-M: Bộ điều khiển PI-M thiết kế cho hệ thống có trễ thời gian đạt ITAE giảm 25% và ITSE giảm 20% so với bộ điều khiển PI thông thường, giúp hệ thống phản hồi nhanh hơn và ổn định hơn.

3. Smith Predictor thích nghi cải thiện chất lượng điều khiển: Phiên bản thích nghi của Smith Predictor giảm thời gian ổn định hệ thống xuống còn khoảng 15 giây, nhanh hơn 40% so với Smith Predictor truyền thống.

4. Mô hình phi tuyến mô phỏng chính xác đặc tính hệ thống: Mô hình Hammerstein và Wiener giúp mô phỏng đặc tính phi tuyến của hệ thống với sai số dự báo dưới 5%, hỗ trợ hiệu quả trong việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các cải tiến trên là do việc kết hợp mô hình toán học chính xác với thuật toán thích nghi giúp bộ điều khiển tự điều chỉnh tham số phù hợp với điều kiện thực tế, giảm thiểu ảnh hưởng của trễ thời gian và phi tuyến. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này cho thấy sự vượt trội trong việc giảm sai số và tăng tốc độ phản hồi.

Biểu đồ so sánh ITAE và ITSE giữa các bộ điều khiển PI, PI-M và Smith Predictor thích nghi minh họa rõ ràng hiệu quả vượt trội của phương pháp đề xuất. Bảng tổng hợp thời gian ổn định và sai số điều khiển cũng cho thấy sự cải thiện đáng kể.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống công nghiệp có trễ thời gian, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển PI-M và Smith Predictor thích nghi trong các hệ thống công nghiệp có trễ thời gian nhằm giảm sai số điều khiển và tăng độ ổn định, ưu tiên áp dụng trong vòng 6 tháng tới tại các nhà máy sản xuất quy mô vừa và lớn.

2. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển thích nghi để đảm bảo vận hành hiệu quả, dự kiến tổ chức các khóa đào tạo trong 3 tháng đầu năm.

3. Phát triển phần mềm hỗ trợ mô phỏng và ước lượng thời gian trễ tích hợp với PLC và SCADA nhằm tự động hóa quá trình hiệu chỉnh bộ điều khiển, hoàn thành trong vòng 1 năm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng mô hình phi tuyến và thuật toán thích nghi cho các hệ thống điều khiển phức tạp hơn như hệ thống đa biến và có nhiễu lớn, thực hiện trong giai đoạn tiếp theo của dự án nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển tự động: Nắm bắt kiến thức về thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống có trễ thời gian, áp dụng trực tiếp trong công việc vận hành và bảo trì.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành tự động hóa: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình và thuật toán ước lượng thời gian trễ, làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

3. Quản lý kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất: Hiểu rõ lợi ích và cách thức triển khai các giải pháp điều khiển tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

4. Nhà phát triển phần mềm công nghiệp: Áp dụng các thuật toán và mô hình trong phát triển phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Smith Predictor là gì và tại sao lại quan trọng trong điều khiển hệ thống có trễ thời gian?
   Smith Predictor là bộ điều khiển dự báo giúp bù trừ trễ thời gian trong hệ thống, từ đó cải thiện độ ổn định và tốc độ phản hồi. Ví dụ, trong các quy trình hóa chất có trễ lớn, Smith Predictor giúp giảm thiểu dao động đầu ra.

2. Ước lượng thời gian trễ được thực hiện như thế nào trong nghiên cứu này?
   Nghiên cứu sử dụng mô hình hồi quy tuyến tính và phi tuyến kết hợp thuật toán tối ưu để ước lượng thời gian trễ dựa trên dữ liệu thực tế thu thập từ hệ thống điều khiển.

3. Bộ điều khiển PI-M khác gì so với bộ điều khiển PI truyền thống?
   PI-M được thiết kế đặc biệt cho hệ thống có trễ thời gian, giúp giảm sai số tích phân có trọng số thời gian (ITAE) và tăng tốc độ ổn định so với PI truyền thống.

4. Mô hình phi tuyến Hammerstein và Wiener được ứng dụng như thế nào?
   Hai mô hình này mô phỏng đặc tính phi tuyến của hệ thống, giúp thiết kế bộ điều khiển thích nghi chính xác hơn, đặc biệt trong các hệ thống có đặc tính không tuyến tính rõ rệt.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả có thể được triển khai thông qua việc tích hợp bộ điều khiển PI-M và Smith Predictor thích nghi vào PLC hiện có, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành và bảo trì để đảm bảo hiệu quả vận hành.

Kết luận

• Thuật toán ước lượng thời gian trễ đạt độ chính xác cao, giảm sai số trung bình dưới 0.1 giây.
• Bộ điều khiển PI-M và Smith Predictor thích nghi cải thiện đáng kể các chỉ số ITAE và ITSE, tăng tốc độ ổn định hệ thống.
• Mô hình phi tuyến Hammerstein và Wiener hỗ trợ mô phỏng chính xác đặc tính hệ thống thực tế.
• Giải pháp đề xuất có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp có trễ thời gian từ 1 đến 5 giây.
• Đề xuất triển khai và đào tạo kỹ thuật viên trong vòng 6-12 tháng để nâng cao hiệu quả vận hành.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt cho các hệ thống có trễ thời gian. Để tiếp tục phát triển, cần thực hiện các thử nghiệm mở rộng và phát triển phần mềm hỗ trợ tích hợp. Mời quý độc giả và chuyên gia trong ngành tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển trong thực tế.