Đặt vấn đề Ngày nay, khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, các công nghệ mới gần như cập nhật hàng ngày đã đưa nền sản xuất gần như tự động hóa hoàn toàn với mục tiêu nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm. Cùng với sự phát triển của công nghệ IoT cũng như trí tuệ nhân tạo (AI), việc vận hành và quản lý dây chuyền sản xuất trở nên dễ dàng và đạt hiệu quả cao. Tuy nhiên, để nền sản xuất trong nước phát triển bền vững và có khả năng tự chủ cao, các nhà khoa học cũng cần phải tập trung nghiên cứu cơ bản để từng bước chủ động làm chủ công nghệ và có thể tự chế tạo các bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển nền công nghiệp hiện đại. Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà khoa học, nhà nghiên cứu trong nước.
Hầu hết các quá trình sản xuất trong công nghiệp ngày nay là các hệ thống đa biến phức tạp với sự kết nối và tác động lẫn nhau giữa các tín hiệu có trong hệ thống. Một hệ thống phức tạp thường bao gồm nhiều vòng điều khiển khác nhau, mỗi vòng đảm nhận điều khiển một biến có trong hệ. Tuy nhiên, do các biến có mối liên hệ lẫn nhau bởi tính chất vật lý, hóa học, …nên dẫn đến các vòng điều khiển này lại có sự ảnh hưởng lẫn nhau, có nghĩa là thay đổi thông số đầu vào của một vòng sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng của vòng điều khiển khác. Ví dụ như thay đổi nhiệt độ đặt của một vòng điều khiển sẽ ảnh hưởng đến áp suất ngõ ra của vòng điều khiển khác, hoặc trường hợp xấu nhất có thể làm hệ mất ổn định.
Để giải quyết bài toán này, hiện nay, có hai hướng tiếp cận là điều khiển tập trung (centralized) hoặc điều khiển phân cấp (decentralized). Phương pháp điều khiển tập trung và sử dụng bộ điều khiển PI/PID đa vòng lặp (multi-loop) thường được sử dụng cho các hệ đa biến với sự tương tác thấp (tác động lẫn nhau giữa các biến quá trình không đáng kể), vì cấu trúc đơn giản, tính hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này trở nên không phù hợp khi sự tác động tăng lên đáng kể. Trong trường hợp đó, một số giải thuật điều khiển nâng cao được sử dụng như điều khiển dùng mờ, mạng nơ-ron, và đặc biệt là điều 1 khiển dự báo (MPC), tuy nhiên các phương pháp này lại gặp nhiều khó khăn khi thực thi thời gian thực.
Do đó hiện nay, điều khiển phân cấp với kỹ thuật phân ly (decoupling techniques) đang được nhiều nhà nghiên cứu ưa thích. Các kỹ thuật phân ly được sử dụng để tách các biến điều khiển trong hệ thống và từ đó có thể thiết kế các vòng điều khiển độc lập đơn giản. Có nghĩa là, từ một hệ đa biến nhiều ngõ vào-ra, ta có thể chuyển thành nhiều hệ đơn biến. Bên cạnh đó, thời gian trễ cũng là một đặc tính hiện hữu trong các hệ điều khiển quá trình.
Thời gian trễ sẽ gây khó khăn trong việc khảo sát đặc tính, thiết kế bộ điều khiển cho hệ, đặc biệt là hệ đa biến với các thời gian trễ khác nhau, cũng như ảnh hưởng xấu đến đáp ứng trong hầu hết các trường hợp. Nhu cầu về việc thiết kế hệ thống điều khiển giải quyết tất cả các vấn đề trên rất thật sự cần thiết trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là các quá trình đem lại lợi ích kinh tế to lớn như phân tách và chưng cất. Các nhà nghiên cứu trong cũng như ngoài nước nỗ lực nghiên cứu phát triển trong thời gian dài nhằm duy trì và cải thiện đáp ứng đồng thời giảm tổn hao cũng như nâng cao tính ổn định bền vững trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Theo thống kê ở tài liệu [21], bộ điều khiển PID vẫn đang chiếm đa số (khoảng 90%) trong các bộ điều khiển công nghiệp.
Mặt dù đã phát triển trong thời gian dài, và cũng có nhiều phương pháp điều khiển khác được nghiên cứu và phát triển nhưng vẫn chưa có bộ điều khiển nào có thể thay thế hoàn toàn PID trong ứng dụng. Tuy nhiên, luận án này cũng sẽ đặt một hướng tiếp cận tương đối mới khi thiết kế bộ điều khiển PID, đó là điều khiển bậc phân số (fractional-order control) dựa trên nền tảng toán học tính toán phân số (fractional calculus). Một khía cạnh quan trọng khác khi thiết kế bộ điều khiển trong ứng dụng là mô hình hóa và nhận dạng hệ thống. Trong hầu hết các hệ thống thực tế ta không thể thiết kế, thử nghiệm giải thuật điều khiển trực tiếp trên đối tượng thật.
Tất cả phải tính toán mô phỏng sử dụng các công cụ phần mềm có sẵn, khi đạt được yêu cầu về chất lượng điều khiển ta mới áp dụng và tinh chỉnh trên hệ thống thật. Do đó, nhu cầu về 2 việc xây dựng các mô hình toán là thật sự cần thiết. Lý thuyết nhận dạng hệ thống đã được phát triển trong một thời gian dài và cũng có rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này từ hệ tuyến tính cho đến hệ phi tuyến. Công cụ nhận dạng hệ thống của Matlab (Ident Toolbox) cũng được phát triển khá đầy đủ, đặc biệt dành cho hệ tuyến tính và phi tuyến một ngõ vào, một ngõ ra (SISO).
Đề tài này cũng sẽ mở rộng các kỹ thuật nhận dạng cho hệ đơn biến để sử dụng cho hê đa biến nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra (MIMO). Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Dựa trên các vấn đề đã đề cập trên, trong luận án này nghiên cứu sinh (NCS) sẽ nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển bậc phân số cho các hệ đa biến. Phương pháp đề xuất cũng sẽ được kiểm chứng trên một mô hình thực nghiệm. Nhiệm vụ cụ thể của nghiên cứu như sau: - Tìm hiểu kỹ thuật phân ly cho hệ đa biến.
Đề xuất giải pháp cải tiến phương pháp tính toán để thuận tiện hơn trong việc tính toán thiết kế hệ phân ly. - Đề xuất cấu trúc điều khiển mới cho hệ đa biến nhằm cải thiện đáp ứng của hệ không những khi giá trị đặt thay đổi mà còn khi bị ảnh hưởng bởi nhiễu quá trình. Bên cạnh đó còn có khả năng loại bỏ ảnh hưởng của đặc tính trễ trong quá trình thiết kế. Đánh giá ổn định bền vững của cấu trúc điều khiển đề xuất.
- Nghiên cứu bộ điều khiển PID bậc phân số, từ đó đề xuất các quy luật hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID bậc phân số cho hệ đa biến. - Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp đề xuất trên lý thuyết. Đề xuất phương pháp nhận dạng hệ đa biến để có mô hình toán phục vụ việc thiết kế các bộ điều khiển. Kiểm chứng kết quả trên mô hình thực nghiệm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính trong luận án là hệ đa biến và bộ điều khiển bậc phân số. Hệ đa biến là hệ thống có nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra và rất phổ biến trong lĩnh 3 vực điều khiển quá trình. Rõ ràng, hệ không vuông là trường hợp tổng quát của hệ đa biến nhưng sẽ gặp khó khăn trong việc tính toán các ma trận không vuông. Tuy nhiên trong điều khiển quá trình đa biến, ta hoàn toàn có thể lựa chọn số biến điều khiển bằng và phù hợp nhất để điều khiển số ngõ ra mong muốn, các biến còn lại được xem là nhiễu quá trình.
Do đó, để đơn giản hóa trong việc thiết kế bộ điều khiển, hệ vuông thường được sử dụng hơn và rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ đa biến đều liên quan đến hệ vuông. Trong luận án này, NCS cũng giới hạn chỉ nghiên cứu hệ đa biến vuông, và do đó ma trận hàm truyền sẽ là ma trận vuông, tổng quát sẽ có dạng n×n. Về nghiên cứu lý thuyết của hệ đa biến NCS sẽ tổng quát cho hệ bậc n. Tuy nhiên, theo khảo sát ở các nghiên cứu mô phỏng được công bố trên thế giới, hầu như chỉ giới hạn cho hệ 4×4.
Việc thiết kế bộ điều khiển tổng quát cho tất cả hệ đa biến có bậc khác nhau là vấn đề rất khó. Do đó trong luận án này, NCS cũng chỉ để xuất các phương án thiết kế khác nhau cho hệ bậc thấp (2×2) và các hệ bậc cao hơn (3×3 và 4×4) trong phần nghiên cứu mô phỏng. Để thuận tiện việc mô phỏng và so sánh với các phương pháp đã công bố khác, NCS sẽ sử dụng các mô hình chuẩn trong các tài liệu đã công bố cho các hệ đa biến trên. Trong bước thiết kế, NCS luôn phân tích và đánh giá ổn định bền vững của hệ thống điều khiển dưới sự tác động của sai số mô hình, việc này đảm bảo cho phương pháp đề xuất có khả năng triển khai ứng dụng cao.
Do đó, phần thực nghiệm của đề tài chủ yếu đánh giá khả năng điều khiển thời gian thật của bộ điều khiển bậc phân số, nên không mất tính tổng quát, NCS chỉ kiểm chứng cho hệ 2×2. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Mục tiêu chính của luận án là thiết kế bộ điều khiển bậc phân số cho hệ đa biến. Do đó, để đảm bảo tính mới của nội dung nghiên cứu, NCS sẽ khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan gần đây từ các tạp chí quốc tế uy tín trong lĩnh vực nghiên cứu. 4 Sau quá trình phân tích đánh giá các nghiên cứu trước, NCS đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể và những vấn đề cần phải giải quyết trong luận án.
Dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển cũng như điều khiển bậc phân số, NCS đề xuất các giải pháp khác nhau để điều khiển cho các hệ đa biến khác nhau. Các phương pháp đề xuất được mô phỏng đánh giá đồng thời cũng so sánh với các phương pháp nổi bật khác từ các nghiên cứu đã công bố trên các tạp chí có uy tín. Bên cạnh đó, mô hình thực nghiệm hệ bồn nước liên kết (quadrature tank) cũng sẽ được xây dựng nhằm minh chứng cho khả năng ứng dụng thực tiễn của các phương pháp đề xuất. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu đã đạt được được tóm tắt thành các nội dung chính như sau: • Ý nghĩa khoa học: - Phân tích sự cần thiết của bậc phân số trong việc mô tả đặc tính động học của một số phương trình nổi tiếng.
Từ đó lý giải sự cần thiết của tính toán phân số trong lĩnh vực điều khiển.