I. Tổng Quan về Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Hóa Hiện Đại
Năng lượng là vấn đề quan trọng trong xã hội. Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn được coi là ngành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát triển của nền kinh tế. Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách đặc biệt. Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của ngành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân. Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới. Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi sự phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực. Do đó yêu cầu ngành chế tạo máy điện có những yêu cầu cao hơn.
1.1. Lịch sử phát triển của điều khiển tự động hóa
Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và có nhiều đóng góp trong các lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: Trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng, an ninh, hàng hải, hàng không. Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành hai loại: Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến. Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định của trạng thái vòng kín. Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng các lý thuyết đặc biệt (thường dựa trên học thuyết của Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến các quá trình động học bên trong hệ thống.
1.2. Phân loại hệ thống điều khiển tự động
Khả năng đáp ứng các biến đổi chức năng khác nhau từ việc nhận dạng mô hình và việc chọn phương thức điều khiển. Khi khảo sát các hệ tuyến tính, đại đa số phần tử của nó là phần tử tuyến tính, cho nên việc phân tích và tổng hợp theo phương pháp tuyến tính chỉ đúng trong những điều kiện nhất định. Chỉ cần có một phần tử trong hệ là phi tuyến thì hệ phải được xem là phi tuyến. Hệ phi tuyến tồn tại dưới hai hình thức: Một là các khâu phi tuyến có sẵn trong hệ điều khiển đã được xem như là phần tử tuyến tính; Một khuếch đại điện tử hay bán dẫn được xem là phần tử tuyến tính vẫn có vùng kém nhạy và bão hòa, nên xét cho cùng cũng là một phần tử phi tuyến.
II. Phân Tích Bài Toán Thách Thức trong Tự Động Hóa Công Nghiệp
Với mục đích bảo tồn năng lượng trong các hệ truyền động, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những đặc điểm momen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm ứng AC thông thường. Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho momen quay tốt hơn. Trong những ứng dụng momen quay lớn, IPM đem lại rất nhiều lợi ích. Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ. Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các phương pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào việc điều khiển động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu viết tắt là KTVV) sao cho có hiệu suất và chất lượng cao.
2.1. Yêu cầu hiệu suất năng lượng trong hệ thống tự động hóa
Hiệu suất năng lượng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Việc nâng cao hiệu suất năng lượng trong các hệ truyền động sử dụng động cơ điện trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Với mục đích bảo tồn năng lượng trong các hệ truyền động, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những đặc điểm momen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm ứng AC thông thường.
2.2. Vấn đề tích hợp và điều khiển động cơ đồng bộ IPM
Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho momen quay tốt hơn. Trong những ứng dụng momen quay lớn, IPM đem lại rất nhiều lợi ích. Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ.
III. Phương Pháp Điều Khiển Phi Tuyến Hiện Đại cho Hệ Thống Tự Động
Trong thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu tổ hợp kỹ thuật , thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVV nhằm khai thác tốt những tính năng vượt trội vô cùng quý giá này. Trong khuôn khổ đề tài này, đưa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động.
3.1. Giới thiệu phương pháp thụ động Passivity based control
Để tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho momen quay tốt hơn, từ đó cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển. Sau đó được kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVV bằng mô phỏng Matlab-Simulink.
3.2. Ứng dụng thuật toán điều khiển phi tuyến hiện đại
Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho động cơ động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu). Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống. Chương 3: Áp dụng phương điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho hệ thống. Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển.
3.3. Kỹ thuật Gain Scheduling trong điều khiển quá trình
Kỹ thuật gain scheduling là một dạng đặc biệt của phản hồi phi tuyến. Tuy nó chưa có một định nghĩa chặt chẽ nào hoàn hảo về thuật ngữ gain scheduling nhưng ta có thể hiểu đó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà các tham số của nó được thay đổi như là một hàm của các điểm làm việc theo một cách đã được lập trình trước. Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling đã được trình bày trong nhiều trường hợp, các động học của quá trình thay đổi theo các điều kiện của quá trình đó, các tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi bằng các quan sát các điều kiện làm việc của quá trình đó.
IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Hiệu Quả của Hệ Thống Tự Động Hóa
Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân em cũng cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn.
4.1. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả điều khiển
Em xin trân thành cảm ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy , cô giáo khác như thầy Đặng Danh Hoằng và các các Thầy , cô giáo khác đã giúp đỡ về chuyên môn và các tài liệu làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc. Em xin trân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, ban giám hiệu trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để em hoàn thành khóa học.
4.2. Kết quả đạt được và so sánh với phương pháp khác
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc thiết kế và triển khai các hệ thống điều khiển tự động hóa tiên tiến trong công nghiệp. Qua đó, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.
V. Tương Lai của Điều Khiển Tự Động Thông Minh AI IoT
Nhiều năm trở lại đây đã có nhiều tác giả xây dựng một cách có hệ thống các công cụ và lý thuyết để giải quyết các bài toán điều khiển áp dụng cho các đối tượng phi tuyến. Tuy nhiên, không giống như hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng, nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi tuyến là không thể. Vì thế nhiều tác giả thấy rằng để lý thuyết điều khiển phi tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra thành các hệ phi tuyến riêng biệt có những tính chất nhất định, đặc trưng cơ bản cho lớp các đối tượng thuộc một hệ phi tuyến cụ thể, để rồi từ đó đi xây dựng một hệ thống lý thuyết có khả năng ứng dụng cho hệ thống phi tuyến đó.
5.1. Ứng dụng AI trong hệ thống tự động hóa
Để có thể phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến một cách thực dụng, thì đầu tiên ta phải xem xét những đối tượng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý của nó phải được tính đến từ đầu trong quá trình thiết kế. Các phương pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã được hình thành, phát triển và đạt được nhiều kết quả rất quan trọng. Đặt nền móng ban đầu phải nói đến các phương pháp điều khiển phi tuyến kinh điển như phân tích tính ổn định tuyệt đối, mặt phẳng pha, cân bằng điều hòa, điều khiển trượt
5.2. Kết hợp IoT và điều khiển quá trình thông minh
Sau đến là các phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain scheduling … và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải quyết được bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính toán. Do kỹ thuật máy tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vượt bậc, con người có khả năng tính được nhiều các phép tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trước kia thì các phương pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời
VI. Điều Khiển Bền Vững và Các Xu Hướng Nghiên Cứu Mới Nhất
Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân em cũng cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn.
6.1. Ứng dụng digital twin trong thiết kế hệ thống điều khiển
Em xin trân thành cảm ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy , cô giáo khác như thầy Đặng Danh Hoằng và các các Thầy , cô giáo khác đã giúp đỡ về chuyên môn và các tài liệu làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc. Em xin trân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, ban giám hiệu trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để em hoàn thành khóa học.
6.2. Nghiên cứu về điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc thiết kế và triển khai các hệ thống điều khiển tự động hóa tiên tiến trong công nghiệp. Qua đó, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.
