CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DỰA THEO MÔ HÌNH 1. Giới thiệu chung. Vài thập kỉ gần đây, cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, tốc độ của vi xử lý ngày càng được cải thiện đáng kể đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của ngành điều khiển tự động trong việc ứng dụng máy tính để điều khiển nâng cao cho các quá trình công nghệ. Với hơn 2000 hệ thống công nghiệp, hiện nay, điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control - MPC) là kỹ thuật điều khiển quá trình nâng cao được ứng dụng nhiều nhất trong các quá trình công nghiệp.
Giống như các sự kiện khác, ý tưởng về MPC đã xuất hiện rất lâu từ trước khi nó trở nên thông dụng (Propoi - 1963; Rafal và Steven – 1968; Nour Elin – 1971). Ban đầu, MPC được ứng dụng trong công nghiệp dưới các hình thức và tên gọi khác nhau, từ rất lâu trước khi có những hiểu biết thấu đáo về các đặc tính lý thuyết của nó. Những nghiên cứu lý thuyết về MPC bắt đầu phát triển từ giữa những năm 80, đặc biệt là sau khi hai phân xưởng của Shell được xây dựng (Prett và Morari – 1987; Prett et al. Những hiểu biết về các tính chất của MPC được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu nòng cốt (Morari và Garcia – 1982; Rawlings và Muke – 1993) hiện nay đã được xây dựng thành một khung sườn mạnh và có ý nghĩa thực tế cho cả các ứng dụng và lý luận.
MPC có lẽ là giải pháp tổng quát nhất cho thiết kế bộ điều khiển trong miền thời gian, có thể áp dụng cho hệ tuyến tính cũng như phi tuyến, đặc biệt là khi mà tín hiệu đặt là biết trước. Ngoài ra, MPC cũng có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc. Các thuật toán MPC khác nhau chỉ không giống nhau ở mô hình toán học mô tả đối tượng/quá trình, ồn nhiễu và phiếm hàm mục tiêu cần tối thiểu hóa. Trang 10 Do tính khả mở của phương pháp MPC, nhiều công trình đã được phát triển và được thừa nhận rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu.
Thành công của các ứng dụng điều khiển dự báo không chỉ có trong công nghiệp chế biến mà còn trong rất nhiều quá trình đa dạng khác, từ điều khiển robot cho tới gây mê lâm sàng. Các ứng dụng MPC trong công nghiệp xi măng, tháp sấy, tháp chưng cất, công nghiệp PVC, máy phát hơi nước hay động cơ servo cũng đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu khác nhau. Chất lượng tốt của những ứng dụng này cho thấy MPC có khả năng đạt được những hệ thống điều khiển hiệu quả cao, vận hành lâu dài và bền vững. MPC thể hiện một loạt các ưu điểm so với các phương pháp điều khiển khác, trong đó nổi bật là: • Nó đặc biệt hấp dẫn với những người sử dụng có kiến thức hạn chế về lý thuyết điều khiển bởi vì những khái niệm đưa ra đều rất trực quan, đồng thời việc điều chỉnh tương đối dễ dàng.
• Nó có thể được sử dụng để điều khiển rất nhiều quá trình, từ những quá trình có đặc tính động học đơn giản cho tới những quá trình phức tạp hơn, kể cả những hệ thống có thời gian trễ lớn hoặc hệ pha không cực tiểu, hệ không ổn định. • Nó thích hợp cho điều khiển các hệ nhiều vào nhiều ra (MIMO) • Có khả năng tự bù thời gian trễ. • Dễ dàng thực hiện luật điều khiển tuyến tính cho bộ điều khiển trong trường hợp không hạn chế đầu vào/ ra. • Nó rất hiệu quả khi quỹ đạo tín hiệu đặt (trong điều khiển robot hay quá trình mẻ) đã biết trước.
• Nó hoàn toàn là một phương pháp luận “mở” dựa trên những nguyên tắc cơ bản nhất định, cho phép những mở rộng trong tương lai. Trang 11 Tuy nhiên, kỹ thuật MPC cũng có một số hạn chế. Một trong những hạn chế đó là mặc dù luật điều khiển được tạo ra đòi hỏi ít tính toán và dễ dàng thực hiện, song trong trường hợp điều khiển thích nghi, những tính toán đó phải được thực hiện liên tục tại mỗi thời điểm lấy mẫu. Khi xem xét đến những điều kiện ràng buộc thì khối lượng tính toán thậm chí còn lớn hơn.
Tuy nhiên, với năng lực tính toán sẵn có của máy tính như hiện nay, vấn đề này đã không còn gây trở ngại đáng kể. Chúng ta biết rằng, rất nhiều máy tính điều khiển các quá trình công nghiệp không sử dụng hết hiệu suất tính toán của chúng và thời gian sử dụng của máy tính thường dành cho những mục đích khác hơn là dành cho thuật toán điều khiển (như truyền thông, hội thoại với người vận hành, cảnh báo, ghi chép,. Hạn chế lớn nhất của MPC là sự cần thiết một mô hình thích hợp cho đối tượng/quá trình bởi vì rõ ràng, sai lệch giữa đối tượng/quá trình thực với mô hình sử dụng ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả đạt được. Khái niệm điều khiển dự báo dựa theo mô hình.
MPC là bộ điều khiển làm việc trên nguyên tắc so sánh tín hiệu ra dự báo của đối tượng với tín hiệu đặt đã biết nhằm đưa ra các quyết định điều khiển (có xét đến các điều kiện ràng buộc) để hệ thống có thể phản ứng trước khi những thay đổi (của tín hiệu đặt) bắt đầu xảy ra, và do đó tránh được ảnh hưởng của trễ lên đáp ứng của đối tượng. Mặc dù các mô hình MPC có những điểm khác nhau, mỗi loại có những đặc trưng riêng, nhưng tất cả các hệ thống MPC đều dựa trên cơ sở tính toán các đầu vào cho quá trình bằng cách giải bài toán tối ưu online. Bài toán tối ưu này dựa trên cơ sở mô hình đối tượng và các giá trị đo quá trình. Các giá trị đo được từ quá trình đóng vai trò là thành phần hồi tiếp trong cấu trúc MPC.
Trang 12 Tư tưởng chính của bộ điều khiển dự báo theo mô hình là: • Sử dụng một mô hình toán học để dự báo đầu ra của đối tượng/quá trình tại các thời điểm trong tương lai (gọi là miền giới hạn dự báo). • Luật điều khiển phụ thuộc vào những hành vi được dự báo. • Chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai trong giới hạn điều khiển sẽ được tính toán thông qua việc tối thiểu hóa một phiếm hàm mục tiêu. • Sử dụng sách lược lùi xa: tức là tại mỗi thời điểm chỉ tín hiệu điều khiển đầu tiên trong chuỗi tín hiệu điều khiển đã tính toán được sử dụng, sau đó giới hạn dự báo lại được dịch đi một bước về phía tương lai.
Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển dự báo theo mô hình. Lưu đồ thuật toán MPC. Tại thời điểm tk, bộ điều khiển nhận các giá trị đo của quá trình và dựa vào các đầu ra dự báo kết hợp với các điều kiện ràng buộc để giải bài toán tối ưu nhằm đưa ra các tác động điều khiển tối ưu hiện tại và tương lai (trong giới hạn điều khiển). Chỉ có tác động điều khiển tối ưu hiện tại được đưa tới đối tượng điều khiển.
Sau đó quá trình trên được lặp lại với t=tk+1, tức là giới hạn dự báo được dịch đi một bước về phía tương lai. Các khối chức năng của bộ điều khiển dự báo theo mô hình. Thuật toán điều khiển dự báo Mô hình Hàm mục dự báo tiêu r Tạo tín w Tối ưu u Đối tượng y hiệu hóa điều khiển Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo.
Bộ điều khiển gồm 2 đầu vào là tín hiệu đặt r và tín hiệu đo đầu ra y. Các khối chức năng trong bộ điều khiển như sau: 1. Khối tạo “Tạo tín hiệu chuẩn”. Một ưu điểm của điều khiển dự báo là nếu tín hiệu chủ đạo ở tương lai đã biết trước, hệ thống có thể phản ứng trước khi những thay đổi bắt đầu xảy ra, do đó tránh được ảnh hưởng của trễ lên đáp ứng của đối tượng/quá trình.
Trong nhiều ứng dụng, tín hiệu chủ đạo tương lai r (t + k ) là biết trước, như điều khiển robot, động cơ servo hoặc điều khiển mẻ. Ngay cả trong những ứng dụng mà tín hiệu chủ đạo là hằng số, chất lượng hệ thống vẫn được cải thiện đáng kể nhờ biết trước các thời điểm thay đổi của giá trị đặt để có sự điều chỉnh phù hợp. Thuật toán MPC thường sử dụng một quĩ đạo quy chiếu w(t+k) làm tín hiệu để điều khiển đầu ra của đối tượng bám theo nó.1) Trang 15 α là hệ số hiệu chỉnh (0≤α≤1) có ảnh hưởng đến đáp ứng động học của hệ thống. Dạng quĩ đạo quy chiếu ứng với hai giá trị α khác nhau trong trường hợp tín hiệu chủ đạo r(t+k) không đổi: r (t + k ) w1 ( t + k ) w2 ( t + k ) y ( t) t Hình 1.
Quĩ đạo quy chiếu Giá trị α càng nhỏ thì quỹ đạo w1 càng bám nhanh vào tín hiệu chủ đạo. Ngược lại, khi α lớn thì quỹ đạo quy chiếu w 2 bám chậm hơn nhưng trơn hơn. Khối “Mô hình”. Là mô hình dự báo của đối tượng cần điều khiển khi nhận đầu vào là chuỗi giá trị đầu ra đo được ở thời điểm hiện tại và các thời điểm trước đó.
Đầu ra của mô hình này là dãy tín hiệu ra dự báo tại các thời điểm tương lai trong giới hạn dự báo đã biết. Mô hình đối tượng/quá trình đóng vai trò quyết định trong bộ điều khiển. Mô hình phải phản ánh đúng động học của quá trình để có thể dự báo chính xác đầu ra tương lai cũng như phải đủ đơn giản để thực hiện. Có nhiều loại mô hình: Các mô hình thông thường Mô hình đáp ứng xung: Trang 16 Đầu ra có quan hệ với đầu vào thông qua biểu thức tổng quát như sau: ∞ y(t ) = ∑ gi u(t − i) i= 1 (1.2) với gi là đầu ra ở thời điểm lấy mẫu thứ i khi quá trình được kích thích bởi một xung đơn vị (xem hình).
Nếu tổng này chỉ lấy hữu hạn N giá trị (do đó chỉ biểu diễn được các quá trình ổn định không chứa thành phần tích phân) thì ta có: N y( t) = ∑ gi u( t − i) = G( z−1 ) u( t) i=1 (1.3) với G ( z −1 ) = g1 z−1 + g2 z−2 + + gN z− N , z = esT , T là hằng số thời gian lấy mẫu. Tín hiệu ra dự báo được tính bởi: N ˆ (t + k | t) = ∑ gi u( t + k − i | t) = G( z−1 ) u( t+ k| t) y i=1 (1.