Nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển phân số cho quá trình đa biến trong kỹ thuật cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM TẠ

ABSTRACT

TÓM TẮT

1. PHẦN MỞ ĐẦU

1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

1.5. Cấu trúc của luận án

1.6. Giới thiệu hướng nghiên cứu

1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.7.1. Tổng quan về tính toán phân số và ứng dụng trong điều khiển

1.7.2. Tổng quan về điều khiển phân số cho hệ đa biến

1.8. Tóm tắt Chương 1

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tính toán phân số trong điều khiển

2.1.1. Cơ sở toán học của tính toán phân số

2.1.2. Vai trò của bậc phân số trong mô tả động lực học hệ thống

2.1.3. Ứng dụng của tính toán phân số trong điều khiển

2.1.3.1. Giới thiệu bậc phân số trong hệ thống điều khiển

2.1.3.2. Mô tả toán học hệ thống sử dụng bậc phân số

2.1.3.3. Phân tích các tác động điều khiển bậc phân số tổng quát

2.1.3.4. Bộ điều khiển PID bậc phân số

2.2. Kỹ thuật phân ly đơn giản hóa

2.2.1. Phương pháp phân ly đơn giản hóa

2.3. Bộ dự báo Smith

2.3.1. Dự báo Smith cho hệ đơn biến

2.3.2. Cấu trúc bộ dự báo Smith cho hệ đa biến

2.4. Giới thiệu nhận dạng hệ thống

2.4.1. Tổng quan một số nghiên cứu về nhận dạng hệ thống

2.4.2. Nhận dạng hệ tuyến tính đa biến

2.5. Các tiêu chí chất lượng đánh giá hệ thống điều khiển

2.5.1. Chỉ số IAE

2.5.2. Chỉ số ITAE

2.5.3. Chỉ số TV

2.5.4. Hàm độ nhạy cực đại

2.6. Phân tích ổn định bền vững sử dụng cấu trúc M-Δ

2.6.1. Khái niệm ổn định bền vững

2.6.2. Ổn định bền vững cho hệ đa biến

2.6.3. Cấu trúc phân tích ổn định bền vững

2.6.4. Giá trị suy biến có cấu trúc (structured singular value)

2.6.5. Điều kiện ổn định bền vững đối với hệ đa biến có sai số nhân ngõ ra

2.7. Tóm tắt Chương 2

3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐỀ XUẤT

3.1. Kết hợp phân ly đơn giản hóa với bộ dự báo Smith

3.2. Đề xuất sử dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để rút gọn mô hình

3.2.1. Giới thiệu thuật toán tối ưu hóa bầy đàn

3.2.2. Đề xuất sử dụng thuật toán PSO để rút gọn mô hình

3.3. Các đề xuất thiết kế bộ điều khiển PI/PID bậc phân số (FOPI/FOPID)

3.3.1. Đề xuất phương pháp thiết kế dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC)

3.3.1.1. Quy luật hiệu chỉnh cho các quá trình đa điển hình

3.3.2. Phân tích ổn định bền vững của bộ điều khiển đề xuất

3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển PI/PID bậc tổng quát cho hệ đa biến bậc cao sử dụng giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu

3.3.3.1. Giải thuật tối ưu hóa bầy đa mục tiêu (MOPSO)

3.3.3.2. Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng PSO (MOPSO) thiết kế bộ điều khiển

3.3.3.3. Phân tích ổn định bền vững của hệ thống thiết kế

3.4. Tóm tắt Chương 3

4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

4.1. Các bài toán mô phỏng cho các giải pháp đề xuất

4.1.1. Phương pháp đề xuất áp dụng cho hệ TITO

4.1.1.1. Mô hình tháp Vinante và Luyben (VL)

4.1.2. Bộ tách dầu nặng (Heavy oil fractionator)

4.1.3. Phương pháp đề xuất cho hệ đa biến bậc cao

4.1.3.1. Tháp chưng cất Ogunnaike và Ray (OR)

4.1.3.2. Hệ thống điều khiển nhiệt độ HVAC

4.2. Thực nghiệm điều khiển phân số cho hệ đa biến

4.2.1. Giới thiệu mô hình thực nghiệm

4.2.2. Nhận dạng hệ bồn nước sử dụng phương pháp LS

4.2.2.1. Thu thập dữ liệu

4.2.2.2. Áp dụng phương pháp LS cho hệ đa biến (TITO)

4.2.2.3. Đánh giá mô hình nhận dạng

4.2.3. Thiết kế bộ điều khiển

4.3. Tóm tắt Chương 4

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1. Các kết quả đạt được

5.2. Hạn chế và hướng phát triển

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC I

PHỤ LỤC II

PHỤ LỤC III

PHỤ LỤC IV

I. Mô hình hóa và điều khiển phân số

Mô hình hóa và điều khiển phân số là hai khái niệm trọng tâm trong nghiên cứu này. Mô hình hóa đề cập đến việc xây dựng các mô hình toán học để mô tả các quá trình đa biến trong kỹ thuật cơ khí. Điều khiển phân số là một phương pháp tiên tiến, sử dụng các bộ điều khiển có bậc phân số để cải thiện hiệu suất hệ thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp hai phương pháp này để giải quyết các bài toán phức tạp trong điều khiển hệ thống đa biến.

1.1. Mô hình hóa hệ thống đa biến

Mô hình hóa hệ thống đa biến đòi hỏi việc xây dựng các mô hình toán học chính xác để mô tả các tương tác giữa các biến trong hệ thống. Các mô hình này thường được biểu diễn dưới dạng ma trận hàm truyền, giúp phân tích và thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả. Trong nghiên cứu này, mô hình hóa được áp dụng để mô tả các quá trình công nghiệp phức tạp, như hệ thống bồn nước và tháp chưng cất.

1.2. Điều khiển phân số trong kỹ thuật cơ khí

Điều khiển phân số là một phương pháp mới, sử dụng các bộ điều khiển có bậc phân số để cải thiện hiệu suất hệ thống. Các bộ điều khiển này, như FOPID (Fractional-Order PID), cho phép điều chỉnh linh hoạt hơn so với các bộ điều khiển truyền thống. Nghiên cứu này đề xuất các phương pháp thiết kế và tối ưu hóa các bộ điều khiển phân số để áp dụng trong kỹ thuật cơ khí.

II. Phân tích hệ thống và tối ưu hóa

Phân tích hệ thống và tối ưu hóa là các bước quan trọng trong việc thiết kế và cải thiện hiệu suất của các hệ thống điều khiển. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp như phân tích động lực học và tối ưu hóa bầy đàn để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

2.1. Phân tích động lực học hệ thống

Phân tích động lực học là quá trình nghiên cứu các đặc tính động học của hệ thống, bao gồm các yếu tố như thời gian trễ và tương tác giữa các biến. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp như phân tích M-Δ để đánh giá độ ổn định bền vững của hệ thống. Các kết quả phân tích giúp xác định các thông số điều khiển tối ưu cho hệ thống đa biến.

2.2. Tối ưu hóa bầy đàn trong điều khiển

Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên hành vi của các đàn động vật. Nghiên cứu này đề xuất sử dụng PSO để rút gọn các mô hình toán học và tối ưu hóa các thông số điều khiển. Phương pháp này giúp giảm thiểu độ phức tạp tính toán và cải thiện độ chính xác của các bộ điều khiển phân số.

III. Ứng dụng thực tế và kết quả thực nghiệm

Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn đưa ra các ứng dụng thực tế trong kỹ thuật cơ khí. Các kết quả thực nghiệm được thực hiện trên các hệ thống như bồn nước và tháp chưng cất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp đề xuất.

3.1. Ứng dụng trong hệ thống bồn nước

Hệ thống bồn nước là một ví dụ điển hình của quá trình đa biến trong kỹ thuật cơ khí. Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp mô hình hóa và điều khiển phân số để thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả. Các kết quả thực nghiệm cho thấy các bộ điều khiển phân số có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống.

3.2. Kết quả thực nghiệm trên tháp chưng cất

Tháp chưng cất là một hệ thống phức tạp với nhiều biến tương tác lẫn nhau. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích hệ thống và tối ưu hóa để thiết kế các bộ điều khiển phân số. Các kết quả thực nghiệm chứng minh rằng các bộ điều khiển này có thể đạt được độ ổn định cao và hiệu suất vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

Luận án tiến sĩ: Mô hình hóa và điều khiển phân số cho các quá trình đa biến trong kỹ thuật cơ khí