Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly cho hệ thống đa biến, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp.

• Tác giả: Lê Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hiếu Giang
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bộ điều khiển phân ly

Bộ điều khiển phân ly là một trong những phương pháp quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống đa biến. Hệ thống này thường gặp trong các ứng dụng kỹ thuật cơ khí, nơi mà sự tương tác giữa các biến quá trình và biến điều khiển là rất phức tạp. Việc thiết kế bộ điều khiển phân ly giúp tách biệt các vòng điều khiển, từ đó giảm thiểu sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các biến. Theo nghiên cứu, có ba kỹ thuật phân ly chính: phân ly lý tưởng, phân ly nghịch và phân ly đơn giản hóa. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng phân ly đơn giản hóa được xem là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng thực tiễn nhờ vào tính đơn giản và hiệu quả của nó.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nhu cầu nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển đa biến ngày càng tăng cao, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, hóa chất và năng lượng. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển dự báo hay điều khiển thông minh là cần thiết, nhưng việc tận dụng các kỹ thuật điều khiển cổ điển như PID cũng không kém phần quan trọng. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các phương pháp phân tách hệ đa biến thành các vòng hồi tiếp đơn biến, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

II. Phân tích các phương pháp thiết kế bộ điều khiển

Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích và so sánh các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID cho hệ thống phân ly. Các phương pháp như Ziegler-Nichols, BLT và SAT đã được khảo sát kỹ lưỡng. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, nhưng cũng tồn tại những hạn chế nhất định. Việc áp dụng các phương pháp này trong thực tiễn đòi hỏi phải có sự điều chỉnh và tối ưu hóa để phù hợp với từng loại hệ thống cụ thể. Đặc biệt, phương pháp phân ly đơn giản hóa đã cho thấy khả năng ứng dụng cao trong việc thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống đa biến.

2.1. So sánh các phương pháp điều khiển

Phương pháp Ziegler-Nichols thường được sử dụng để thiết lập các thông số ban đầu cho bộ điều khiển PID, nhưng có thể dẫn đến sự không ổn định trong một số trường hợp. Trong khi đó, phương pháp BLT và SAT cung cấp các cách tiếp cận khác nhau để điều chỉnh bộ điều khiển, nhưng yêu cầu kiến thức sâu về hệ thống. Việc so sánh các phương pháp này cho thấy rằng phân ly đơn giản hóa có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp, nhờ vào khả năng tách biệt các vòng điều khiển.

III. Thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa

Thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa cho các quá trình đa biến là một trong những điểm nhấn của luận án. Tác giả đã phát triển một phương pháp tổng quát để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống n×n dựa trên mối quan hệ của dãy độ lợi tương quan động (DRGA). Phương pháp này không chỉ giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế mà còn nâng cao tính ổn định và hiệu quả của hệ thống. Việc áp dụng các bộ lọc trong thiết kế cũng đã được chứng minh là có tác dụng tích cực trong việc cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống.

3.1. Phương pháp thiết kế

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa được xây dựng dựa trên việc xác định chính xác các yếu tố đường chéo của dãy độ lợi tương quan động. Điều này cho phép thiết lập một cấu trúc tổng quát cho bộ điều khiển, từ đó dễ dàng điều chỉnh các thông số để phù hợp với từng loại hệ thống. Kết quả cho thấy rằng phương pháp này không chỉ đơn giản hóa quá trình thiết kế mà còn cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển của hệ thống.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng

Kết quả thực nghiệm từ việc áp dụng bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa cho các mô hình thực nghiệm như hệ bồn nước và tháp chưng cất đã cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp. Các mô hình này được xây dựng trên nền tảng Matlab với chế độ thời gian thực, cho phép kiểm tra và đánh giá chất lượng điều khiển trong các điều kiện thực tế. Kết quả cho thấy rằng bộ điều khiển đề xuất đáp ứng tốt các tiêu chí về bám sát giá trị đặt và khả năng kháng nhiễu, từ đó khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Việc áp dụng bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa trong các hệ thống thực tế như tháp chưng cất hỗn hợp ethanol và nước đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả. Kết quả điều khiển cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các tiêu chí đề ra, đồng thời mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng các phương pháp điều khiển trong công nghiệp. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành, từ đó tạo ra giá trị kinh tế cao cho các doanh nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết và lý do chọn luận án Hiện nay, việc nghiên cứu các hệ thống điều khiển đa biến được quan tâm nhiều tại Việt Nam do nhu cầu cấp thiết trong việc áp dụng vào thực tế sản xuất tại nhiều nhà máy, xí nghiệp trong nước, đặc biệt là các nhà máy, xí nghiệp tách, lọc, chiết suất dầu khí, nhà máy nhiệt điện. Mặc dù hiện nay tất cả các công nghệ vận hành đều của nước ngoài nhưng nhu cầu làm chủ công nghệ, nâng cao năng lực để giảm chi phí sản xuất luôn cấp thiết. Hơn nữa, trên thế giới, hướng tiếp cận chủ yếu để điều khiển hệ đa biến là các kỹ thuật điều khiển nâng cao như điều khiển dự báo, điều khiển thông minh.

Tuy nhiên, bên cạnh đó vẫn có nhiều nghiên cứu cố gắng tận dụng các kỹ thuật điều khiển cổ điển bởi sự đơn giản và hiệu quả mang lại. Để thực hiện được việc đó, cần nghiên cứu phát triển các phương pháp phân tách hệ đa biến thành nhiều vòng hồi tiếp đơn biến. Bên cạnh đó, quá trình đa biến là hệ phức tạp với nhiều sự tương tác qua lại giữa các biến quá trình và biến điều khiển. Sự tương tác này làm ảnh hưởng đến sự thay đổi của các ngõ ra còn lại khi có một sự thay đổi ở một ngõ ra bất kỳ.

Nhiều phương pháp khác nhau được để xuất để khắc phục khó khăn này của việc điều khiển hệ đa biến. Tuy nhiên, nổi bật nhất là kỹ thuật phân ly với ba phương pháp: phân ly lý tưởng, phân ly nghịch và phân ly đơn giản hóa. Ngày nay, điều khiển phân ly cũng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, bởi vì sự đơn giản cũng như mang lại hiệu quả cao trong hoạt động. Điều đó dẫn đến hiệu quả kinh tế cao trong lắp đặt và vận hành hệ thống sản xuất.

Dù vậy, cho đến gần đây, vẫn chưa có phương pháp điều khiển tổng quát nào cho hệ đa biến được công bố hoặc phát triển sử dụng kỹ thuật điều khiển phân ly. Chính vì vậy, việc nghiên cứu mở rộng và phát triển phương pháp thiết kế bộ điều khiển phân ly, trên cơ sở phương pháp phân tích mới, để sử dụng cho nhiều quá trình đa biến là vấn đề tác giả sẽ tập trung nghiên cứu trong luận án này. 1 Với những nhu cầu và lý do trên, tác giả đã lựa chọn luận án “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến” cho luận án tiến sĩ này. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của luận án là đề xuất một phương pháp mới trong việc thiết kế bộ điều khiển phân ly cho quá trình đa biến.

Luận án sẽ góp phần nâng cao độ ổn định, hiệu quả làm việc và an toàn trong vận hành, cũng như các tính năng hoạt động khác của các quá trình đa biến trong hệ thống điều khiển. Do phương pháp phân ly có nhiều kỹ thuật khác nhau, nên trong luận án này tác giả chỉ tập trung nghiên cứu bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa. Phương pháp đề xuất sẽ tìm ra được bản chất thực sự của quy luật phân ly các biến điều khiển bằng việc xác định chính xác từ tỷ lệ của các đặc tính vòng hở ban đầu và các yếu tố đường chéo của các dãy độ lợi tương quan động (Dynamic Relative Gain Arrays). Từ đó, một cấu trúc tổng quát, nhỏ gọn cho bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa sẽ được đề xuất Ngoài ra, phương pháp đơn giản hóa mô hình của quá trình sẽ được đề xuất đồng thời để mang lại sự thực thi tốt nhất cho bộ điều khiển.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu Các quá trình đa biến trên thực tế rất đa dạng và phức tạp, trong giới hạn của luận án, tác giả chỉ tập trung vào các hệ thống điều khiển quá trình, đặc biệt là lĩnh vực chưng cất. Để đảm bảo độ tin cậy của các phương pháp đề xuất cũng như dễ dàng so sánh với các phương pháp của các tác giả khác, các mô hình toán được sử dụng trong nghiên cứu lý thuyết đều sử dụng các mô hình chuẩn nổi tiếng thế giới như: Wood and Berry (WB), Vinate Luyben (VL), Ogunnaike and Ray (OR). Phương pháp đề xuất có thể ứng dụng tổng quát cho hệ thống n ngõ vào, n ngõ ra (n×n). Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng cũng như các mô hình thực nghiệm chỉ giới hạn đến hệ 3×3.

Trong mô hình thực nghiệm của tháp chưng cất, tác giả chỉ nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình tách Ethanol với Nước, ví dụ như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất. 2 Mô hình toán của các mô hình thực nghiệm được tìm kiếm dựa trên phương pháp thực nghiệm (mô hình hộp đen). Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu phân tích các tài liệu, các công trình đã công bố trong và ngoài nước nhằm xác định mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra. Sử dụng phần mềm mô phỏng hiện đại và đủ mạnh Matlab-Simulink để thực hiện mô phỏng, kiểm chứng các quy luật điều khiển nhằm khẳng định các nghiên cứu lý thuyết, so sánh với các kết quả đã công bố khác.

Nghiên cứu sự phụ thuộc của các thông số công nghệ của các quá trình điều khiển như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức. Từ đó xây dựng hàm truyền của hệ thống sử dụng phương pháp thực nghiệm. Đánh giá kết quả mô phỏng lý thuyết với số liệu thực tế sản xuất nhằm mục đích hiệu chỉnh các tham số cho đối tượng và đề xuất các giải pháp trong đo lường và điều khiển hợp lý cho hệ thống. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án Với nhiệm vụ đặt ra như trên thì luận án sẽ bổ sung thêm vào nhóm các phương pháp của bộ điều khiển phân ly đơn giản hoá cho các quá trình đa biến có một phương pháp mới mang tích tổng hợp hơn, có khả năng ứng dụng được cho các hệ thống điều khiển phức tạp.

Đóng góp của luận án được xem xét ở hai khía cạnh:  Tính mới - Xây dựng được phương pháp chung làm nền tảng để điều khiển hệ thống chiếc tách có các thành phần bất định. Phương pháp này của luận án có khả năng giải quyết nhiệm vụ điều khiển hệ thống ổn định, điều khiển bám ổn định của hệ thống điều khiển cũng như khả năng kháng nhiễu quá trình. - Đề xuất phương pháp thiết kế mở rộng hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa. Bao gồm: quy luật điều khiển hệ thống đa biến, quy luật điều chỉnh hệ thống đa biến, phương pháp so sánh và phương pháp đánh giá khả năng thực thi của toàn hệ thống.

3 - Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC) dùng cho các quá trình chuẩn như: hệ bậc một có trễ (FOPTD) và hệ bậc hai có trễ (SOPTD). Bộ điều khiển đề xuất được áp dụng cho cấu trúc đa vòng kín của hệ thống đa biến sau khi phân ly.  Kết quả thực tiễn - Xây dụng được mô hình thực nghiệm để mô phỏng cho bộ điều khiển phân ly đa biến điển hình với các biến điều khiển như là mức, nhiệt độ, lưu lượng. - Chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các phương pháp đề xuất như hệ bồn nước (2x2) và hệ thống chưng cất hỗn hợp Ethanol và Nước (3x3).

- Ứng dụng được phương pháp đề xuất để thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hoá cho quá trình đa biến (2x2 và 3x3). - Xây dựng các chương trình trên Matlab để mô phỏng và điều khiển thời gian thực các quá trình đa biến (2x2 và 3x3). - Phương pháp đề xuất có thể áp dụng cho các quá trình đa biến trong thực tế 1. Bố cục luận án Nội dung luận án được trình bày trong 5 chương với 9 Bảng biểu và 60 Hình.

Các công trình nghiên cứu khoa học bao gồm các bài báo hội nghị và tạp chí trong và ngoài nước, danh mục các công trình nghiên cứu có liên quan, tài liệu tham khảo và các phụ lục cũng được liệt kê trong luận án. Bố cục cụ thể của luận án được phân chia như sau: Chương 1: Giới thiệu về nội dung nghiên cứu, phạm vi giới hạn nghiên cứu và đồng thời tổng kết lại các kết quả đạt được về khoa học cũng như thực tiễn của luận án. Chương 2: Nghiên cứu tổng quan về nội dung nghiên cứu. Các phương pháp thường dùng để điều khiển hệ đa biến, ưu và nhược điểm của từng phương pháp.

Nghiên cứu tổng quát các kỹ thuật phân ly dùng cho hệ đa biến. Chương 3: Phương pháp đề xuất thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa tổng quát cho hệ đa biến bậc n. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dựa theo cấu trúc mô hình nội (IMC) với kỹ thuật xấp xỉ Padé 3/2 cho khâu trễ. 4 Chương 4: Trong chương này, các mô hình chuẩn nổi tiếng bao gồm các hệ 2x2 và 3x3 được sử dụng để mô phỏng và phân tích tính hiệu quả và chất lượng của cấu trúc điều khiển đề xuất.

Một số tiêu chuẩn đánh giá chất lượng phổ biến được sử dụng. Chương 5: Trình bày những ứng dụng bộ điều khiển đề xuất vào các hệ thống thật bao gồm hệ bồn nước đôi, hệ (2 x 2) và tháp chưng cất Ethanol và Nước, hệ (3 x 3). Để có thể áp dụng được các phương pháp thiết kế lý thuyết, các mô hình toán của hệ thống thật cũng được nhận dạng sử dụng công cụ nhận dạng nổi tiếng của Matlab. Chương 6: Kết luận Phụ lục: Các tính toán thiết kế liên quan đến luận án và các chương trình sử dụng trong luận án.

Tác giả đã đề xuất phương pháp thiết kế và thực thi bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa bằng cách phân ly các biến điều khiển được áp dụng trên các hệ thống thật bao gồm: hệ bồn nước và hệ thống tháp chưng cất tự chế tạo. Đáp ứng của hệ thống cũng như chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu đề ra. Điều đó minh chứng rõ ràng rằng bộ điều khiển đề xuất hoàn toàn có khả năng áp dụng vào thực tiễn. 5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hệ thống điều khiển phân ly đa biến được đề xuất trên cơ sở thuật toán phân ly nhằm mục đích tách hệ điều khiển đa biến thành hệ đơn biến đa vòng và áp dụng các kỹ thuật điều khiển nổi tiếng cho hệ đơn biến.