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

Mục lục chi tiết

• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
• LÝ LỊCH CÁ NHÂN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết và lý do chọn luận án
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án
• 1.6. Kết quả thực tiễn
• 1.7. Bố cục luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu các kỹ thuật phân ly
• 2.2. Phân tích và so sánh các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID đa biến dùng cho hệ thống phân ly
• 2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N)
• 2.2.2. Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT)
• 2.2.3. Phương pháp SAT
• 2.3. Khảo sát các mô hình chuẩn và các phương pháp điều khiển
• 2.4. Điều khiển phân ly quá trình đa biến
• 2.4.1. Phân ly lý tưởng
• 2.4.2. Phân ly đơn giản hóa
• 2.4.3. Phân ly nghịch
• 2.5. So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp phân ly
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA
• 3.1. Hệ phân ly đa biến tổng quát
• 3.2. Thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa cho quá trình đa biến 2x2
• 3.3. Thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa cho quá trình đa biến 3x3
• 3.4. Kỹ thuật hiện thực hóa hoạt động của bộ phân ly đơn giản hóa
• 3.4.1. Phương pháp đồng nhất hệ số
• 3.4.2. Áp dụng phương pháp đồng nhất hệ số
• 3.5. Thiết kế bộ điều khiển PI/PID cho hệ thống phân ly đơn giản hóa
• 3.5.1. Phương án đề xuất
• 3.6. Đo lường, đánh giá chất lượng của các hệ thống phân ly đơn giản hóa
• 3.6.1. Tiêu chuẩn IAE (Integral Absolute Error)
• 3.6.2. Tiêu chuẩn TV (Total Variation)
• 3.6.3. Tiêu chuẩn độ vọt lố (Overshoot)
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA
• 4.1. Các mô hình của hệ thống đa biến tiêu chuẩn dùng để mô phỏng
• 4.2. Mô phỏng, so sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp khác
• 4.2.1. Điều khiển cột chưng cất Wood & Berry (WB)
• 4.2.2. Điều khiển cột chưng cất Vinante & Luyben (VL)
• 4.2.3. Điều khiển cột chưng cất Ogunnaike & Ray (OR)
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH ỨNG DỤNG
• 5.1. Mô hình hóa hệ thống
• 5.2. Ứng dụng điều khiển hệ bồn nước (hệ 2x2)
• 5.2.1. Giới thiệu chung
• 5.2.2. Mô hình hóa hệ bồn nước đôi
• 5.2.3. Tính toán bộ phân ly và các thông số bộ điều khiển
• 5.2.4. Thực thi bộ điều khiển trên mô hình thật
• 5.3. Ứng dụng điều khiển tháp chưng cất Ethanol và Nước (hệ 3x3)
• 5.3.1. Thiết kế - chế tạo mô hình thực nghiệm
• 5.3.2. Lưu đồ thiết bị (P&ID) của tháp chưng cất
• 5.3.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển của hệ thống
• 5.3.4. Mô hình hóa tháp chưng cất sử dụng phương pháp thực nghiệm
• 5.3.5. Kết quả điều khiển
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Chế tạo tháp chưng cất
• Phụ lục 2: Chương trình Matlab sử dụng trong Luận án

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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến" được nghiên cứu sinh Lê Linh thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số: 9520103), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Hiếu Giang và PGS. Trương Nguyễn Luân Vũ (hoàn thành tháng 10 năm 2020).

Trong thực tế sản xuất tại các nhà máy tách, lọc, chiết suất dầu khí và nhà máy nhiệt điện, các quá trình đa biến (Multi-Input Multi-Output - MIMO) có sự tương tác qua lại phức tạp giữa các biến quá trình và biến điều khiển. Sự thay đổi ở một ngõ ra bất kỳ đều ảnh hưởng trực tiếp đến các ngõ ra còn lại, khiến việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển gặp nhiều trở ngại. Để xử lý tương tác này, hai hướng tiếp cận chính được áp dụng: sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại (như điều khiển dự báo, điều khiển thông minh) hoặc tận dụng các kỹ thuật điều khiển đơn biến kinh điển như bộ điều khiển PID nhờ tính đơn giản và hiệu quả vận hành. Trong nhóm kỹ thuật phân ly nhằm tách hệ đa biến thành các vòng hồi tiếp đơn biến độc lập, có ba phương pháp chính gồm phân ly lý tưởng, phân ly nghịch và phân ly đơn giản hóa. Tuy nhiên, phân ly lý tưởng và phân ly nghịch có ma trận phức tạp và rất nhạy với sai số mô hình. Trong khi đó, kỹ thuật phân ly đơn giản hóa dù có ưu thế về tính bền vững nhưng trước đây chưa có phương pháp thiết kế tổng quát cho hệ đa biến bậc $n \times n$ kết hợp với các công thức giải tích xác định thông số PID tường minh.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm các nội dung cụ thể sau:

1. Đề xuất một phương pháp mới thiết kế bộ điều khiển phân ly cho quá trình đa biến, tập trung vào kỹ thuật phân ly đơn giản hóa nhằm nâng cao độ ổn định, hiệu quả làm việc và an toàn vận hành.
2. Tìm ra bản chất quy luật phân ly các biến điều khiển thông qua việc xác định chính xác tỷ lệ của các đặc tính vòng hở ban đầu và các yếu tố đường chéo của dãy độ lợi tương quan động (Dynamic Relative Gain Array - DRGA), từ đó xây dựng cấu trúc tổng quát, nhỏ gọn cho bộ phân ly đơn giản hóa của hệ $n \times n$.
3. Đề xuất phương pháp đơn giản hóa mô hình và quy tắc chỉnh định thông số bộ điều khiển PI/PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (Internal Model Control - IMC) cho các hệ thống điển hình, sử dụng xấp xỉ Padé bậc 3/2 cho khâu trễ và bổ sung bộ lọc nối tiếp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các hệ thống điều khiển quá trình đa biến có tương tác chéo giữa các kênh đo lường và điều khiển.
• Phạm vi nghiên cứu: Về mặt lý thuyết, phương pháp được xây dựng tổng quát cho hệ thống có $n$ ngõ vào và $n$ ngõ ra ($n \times n$). Về mặt mô phỏng, nghiên cứu áp dụng trên các mô hình chuẩn quốc tế gồm hệ 2 vào - 2 ra ($2 \times 2$) như tháp chưng cất Wood & Berry (WB), Vinante & Luyben (VL), Wardle & Wood (WW) và hệ 3 vào - 3 ra ($3 \times 3$) như tháp chưng cất Ogunnaike & Ray (OR). Về mặt thực nghiệm, nghiên cứu giới hạn trên hai mô hình vật lý: hệ bồn nước đôi ($2 \times 2$) và mô hình tháp chưng cất tách hỗn hợp Ethanol và Nước ($3 \times 3$) được chế tạo thực tế, khảo sát các biến công nghệ gồm nhiệt độ, lưu lượng, áp suất và mức chất lỏng. Mô hình toán của đối tượng thực nghiệm được xây dựng bằng phương pháp nhận dạng thực nghiệm (mô hình hộp đen).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các giải pháp điều khiển hệ đa biến thành hai nhóm chính: phương pháp điều khiển tập trung thuần túy và mạng lưới phân ly kết hợp bộ điều khiển đa vòng lặp.

Đối với nhóm phương pháp tập trung thuần túy, Wang và các cộng sự (1998, 2000) đã đề xuất thiết kế bộ điều khiển trong miền tần số cho hệ đa biến tổng quát với mục tiêu đáp ứng nhanh, sử dụng giải thuật đệ quy bình phương cực tiểu (recursive least squares) để đơn giản hóa ma trận hàm truyền.

Đối với nhóm điều khiển đa vòng lặp kết hợp phân ly hoặc chỉnh định độc lập, tác giả điểm lại các kỹ thuật:

• Phương pháp Ziegler-Nichols (Z-N) mở rộng: McAvoy (1983) đã phát triển quy tắc Z-N cho hệ đa biến, thử nghiệm trên tháp Wood & Berry, tuy nhiên ảnh hưởng tương tác giữa các vòng kín vẫn khiến đáp ứng dao động và kém ổn định.
• Phương pháp điều chỉnh biên độ lớn nhất (Biggest Log Modulus Tuning - BLT): Do Luyben (1986) đề xuất cho hệ đa biến có thời gian trễ lớn. Phương pháp này tính toán thông số Z-N cho từng vòng đơn, sau đó dùng hệ số hiệu chỉnh $F$ trong khoảng $[2 \div 5]$ để điều chỉnh biên độ vòng lặp kín đạt giá trị cực đại $L_{cm} = 20 \log_{10} |W / (W+1)| = 2n\text{ (dB)}$, với $n$ là bậc hệ thống (+4 dB cho hệ $2 \times 2$, +6 dB cho hệ $3 \times 3$). BLT cân bằng giữa ổn định và tốc độ đáp ứng nhưng quy trình tính toán phụ thuộc nhiều vào thử nghiệm thực nghiệm và đáp ứng khi có nhiễu chưa tối ưu.
• Phương pháp Relay feedback: Åström và Hägglund (1984, 1995), Shen Yu (1998) và Ho cùng các cộng sự (1997) sử dụng rờ-le hồi tiếp để xác định độ lợi giới hạn, đáp ứng tần số và biên độ cực đại đáp ứng tần số vòng kín ($M_p$ trong khoảng $1.0 \div 1.4$) làm cơ sở chỉnh định PID đa vòng.
• Phương pháp dò tự động tuần tự (Sequential Auto Tuning - SAT): Do Shen và Yu (1998) đề xuất cho hệ $2 \times 2$, thực hiện chỉnh định từng vòng lặp trong khi vòng lặp kia chuyển sang chế độ tự động và đưa vào trọng số giá trị đặt $\beta \in [0, 1]$ để giảm độ vọt lố.
• Phương pháp thiết kế PI giải tích của Truong và Lee (2010, 2013): Dựa trên tương tác vòng kín và ma trận độ lợi tương đối (Relative Gain Array - RGA) kết hợp khai triển chuỗi Maclaurin ma trận độ nhạy $S(s)$ và ma trận vòng kín $H(s)$, đưa ra bảng công thức tính $K_{ci}$ và $\tau_{Ii}$ cho các mô hình bậc một có trễ (FOPDT) và bậc hai có trễ (SOPTD) có bộ lọc bậc thấp $f(s) = 1/(\lambda_{ci}s + 1)^{r_i}$ với $r_i=1$.

Về các kỹ thuật phân ly, tác giả tổng hợp các kết quả so sánh từ Gagnon (1998), Garrido (2011, 2013), Morari và các cộng sự (1987, 1989), cùng Shinskey (1988). Các nghiên cứu này chỉ ra rằng: phân ly lý tưởng đưa ma trận hệ thống sau phân ly về dạng ma trận đường chéo nhưng có cấu trúc bộ phân ly phức tạp và rất nhạy với sai số mô hình; phân ly nghịch khó hiện thực hóa về mặt vật lý; trong khi phân ly đơn giản hóa có các phần tử đường chéo bằng đơn vị, cấu trúc gọn và độ ổn định cao hơn khi mô hình có sai số.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết là: Hầu hết các bộ phân ly đơn giản hóa hiện hữu chỉ tập trung cho hệ 2 biến ($2 \times 2$). Luận án xây dựng phương pháp tổng quát hóa bộ phân ly đơn giản hóa cho hệ $n \times n$ dựa trên dãy độ lợi tương quan động (DRGA), đồng thời khắc phục khuyết điểm đáp ứng chậm của hệ có trễ bằng cách tích hợp xấp xỉ Padé 3/2 và bộ lọc nối tiếp trong quy tắc thiết kế PID-IMC giải tích tường minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các khái niệm và cơ sở lý thuyết điều khiển học quá trình:

• Mô hình ma trận hàm truyền đạt của hệ đa biến: Xét hệ thống $n \times n$ có dạng $Y(s) = P(s)U(s)$. Bộ phân ly $D(s)$ được đặt trước đối tượng sao cho hệ thống tương đương $G(s) = P(s)D(s)$ trở thành một ma trận đơn biến đa vòng mà các thành phần chéo chiếm ưu thế và tương tác chéo bị triệt tiêu.
• Dãy độ lợi tương quan động (DRGA) và RGA: Dựa trên tương quan giữa các phần tử của ma trận hàm truyền tại tần số làm việc, xác định quy luật ghép cặp và triệt tiêu ảnh hưởng chéo.
• Cấu trúc điều khiển mô hình nội (IMC): Thiết kế bộ điều khiển đơn biến cho từng vòng sau phân ly, sau đó biến đổi cấu trúc IMC tương đương về bộ điều khiển PID kinh điển.
• Kỹ thuật xấp xỉ khâu trễ: Thay vì sử dụng xấp xỉ Padé bậc 1 hoặc khai triển Taylor bậc 1 thông thường, tác giả áp dụng công thức xấp xỉ Padé 3/2 cho thành phần thời gian trễ $e^{-\theta s}$ nhằm biểu diễn chính xác hơn đặc tính pha và biên độ ở miền tần số trung bình và cao.
• Bộ lọc nối tiếp: Thiết kế các bộ lọc bổ trợ mắc nối tiếp với bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng quá độ và khả năng lọc nhiễu tần số cao.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm sự kết hợp giữa giải tích toán học, mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng:

• Phương pháp giải tích: Sử dụng phương pháp đồng nhất hệ số và khai triển đại số để dẫn xuất công thức giải tích tường minh tính toán các tham số tỉ lệ ($K_c$), thời gian tích phân ($\tau_I$) và thời gian vi phân ($\tau_D$) của bộ điều khiển PID cho các mô hình chuẩn FOPDT và SOPTD.
• Phương pháp mô phỏng: Xây dựng thuật toán trên phần mềm Matlab/Simulink, chạy kiểm chứng đáp ứng bước nhảy với bài toán bám giá trị đặt (servomechanism) và bài toán kháng nhiễu tải (regulator) trên các mô hình chuẩn Wood & Berry, Vinante & Luyben, Ogunnaike & Ray; đối chứng kết quả với phương pháp BLT và SAT.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo hai hệ thống vật lý tại phòng thí nghiệm gồm hệ bồn nước đôi ($2 \times 2$) và tháp chưng cất hỗn hợp Ethanol - Nước ($3 \times 3$). Tác giả sử dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm hộp đen thông qua công cụ nhận dạng của Matlab để xác định ma trận hàm truyền từ dữ liệu vào-ra của cảm biến và cơ cấu chấp hành. Sau đó, thuật toán điều khiển phân ly và PID được thực thi thời gian thực bằng Matlab ở chế độ Real-Time Windows Target thông qua card thu thập dữ liệu (DAQ) của National Instruments (NI).

Chất lượng của hệ thống điều khiển được định lượng qua ba tiêu chuẩn:

• Sai số tích phân tuyệt đối (Integral Absolute Error - IAE): $$IAE = \int_{0}^{\infty} |e(t)| dt$$
• Tổng biến thiên của tín hiệu điều khiển (Total Variation - TV): $$TV = \sum_{i=1}^{\infty} |u_{i+1} - u_i|$$
• Độ vọt lố (Overshoot - $OS%$).

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm: ma trận hàm truyền chuẩn được công bố từ các tài liệu kinh điển (Wood & Berry, Vinante & Luyben, Ogunnaike & Ray, Wardle & Wood) và chuỗi dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến mức, cảm biến lưu lượng trên các mô hình vật lý tự chế tạo.

Nội dung chính theo từng chương

Luận án gồm 6 chương nội dung chính kèm theo danh mục công trình, tài liệu tham khảo và hai phần phụ lục tính toán, chế tạo và mã nguồn chương trình.

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu làm chủ công nghệ điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp trong nước (như chiết tách dầu khí, hóa chất, nhiệt điện). Tác giả xác lập mục tiêu nghiên cứu là xây dựng phương pháp tổng quát thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa cho hệ $n \times n$ dựa trên DRGA và công thức tường minh PID-IMC; giới hạn phạm vi nghiên cứu đến hệ $3 \times 3$ trong mô phỏng và thực nghiệm; khái quát phương pháp luận, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình.

Chương 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 phân tích cơ sở lý thuyết về điều khiển đa biến và điểm luận các công trình đã công bố. Tác giả khảo sát chi tiết ba kỹ thuật chỉnh định kinh điển: phương pháp Ziegler-Nichols (chu kỳ liên tục 1942 và đường cong đáp ứng 1943), phương pháp điều chỉnh BLT của Luyben, phương pháp SAT của Shen và Yu, cùng giải pháp điều khiển PI đa biến của Truong và Lee. Đồng thời, tác giả khảo sát và lập bảng so sánh ưu nhược điểm của ba kỹ thuật phân ly chính:

Tiêu chí	Phân ly lý tưởng	Phân ly đơn giản hóa	Phân ly nghịch
Cấu trúc ma trận	Phức tạp, phụ thuộc đầy đủ vào các phần tử $P_{ij}(s)$	Đơn giản, các phần tử đường chéo $D_{ii}(s) = 1$	Trung bình, gồm các vòng lặp chéo phản hồi
Độ nhạy sai số mô hình	Rất cao, dễ mất ổn định khi có sai số tham số	Thấp, độ bền vững cao hơn trước sai số mô hình	Khá nhạy với sai số mô hình
Khả năng hiện thực hóa	Khó thực hiện trong thực tế công nghiệp	Dễ dàng cài đặt và vận hành trên thiết bị thực tế	Khó khăn trong việc hiện thực hóa vật lý
Đặc tính vòng hở sau phân ly	Thu được ma trận đường chéo hoàn toàn	Phân ly các tương tác chính, cấu trúc gọn	Tương tự phân ly lý tưởng nhưng phức tạp mạch vòng

Từ kết quả so sánh này, tác giả luận chứng việc lựa chọn kỹ thuật phân ly đơn giản hóa làm hướng đi trọng tâm của luận án.

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa

Chương 3 là phần đóng góp lý thuyết cốt lõi của tác giả, bao gồm:

• Xây dựng mô hình thuật toán điều khiển phân ly đa biến tổng quát $n \times n$. Thiết lập công thức tính toán ma trận phân ly đơn giản hóa $D(s)$ cho hệ $2 \times 2$ và hệ $3 \times 3$ dựa trên mối quan hệ giữa các hàm truyền và phần tử đường chéo của DRGA.
• Ứng dụng kỹ thuật hiện thực hóa hoạt động của bộ phân ly đơn giản hóa bằng phương pháp đồng nhất hệ số để khử các thành phần bậc cao phi nhân quả.
• Đề xuất quy tắc thiết kế bộ điều khiển PI/PID cho từng vòng đơn sau phân ly dựa trên cấu trúc IMC: sử dụng công thức xấp xỉ Padé bậc 3/2 cho khâu trễ $e^{-\theta s}$ thay vì các xấp xỉ bậc thấp, đồng thời thiết kế bộ lọc nối tiếp $f(s)$ phù hợp với bậc của đối tượng.
• Dẫn xuất các công thức giải tích tường minh xác định $K_c, \tau_I, \tau_D$ cho các đối tượng FOPDT và SOPTD, giúp loại bỏ việc phải dò tìm thông số bằng phương pháp thử - sai.
• Thiết lập hệ thống tiêu chuẩn đánh giá định lượng IAE, TV và độ vọt lố để kiểm tra hệ thống.

Chương 4: Nghiên cứu mô phỏng và phân tích chất lượng của hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hóa

Tác giả thực hiện mô phỏng kiểm chứng phương pháp đề xuất trên phần mềm Matlab/Simulink và đối chứng với phương pháp BLT và SAT trên ba mô hình công nghệ chuẩn:

1. Tháp chưng cất Wood & Berry (WB, hệ $2 \times 2$ tách Methanol - Nước): $$P_{WB}(s) = \begin{bmatrix} \frac{12.8 e^{-s}}{16.7s + 1} & \frac{-18.9 e^{-3s}}{21s + 1} \ \frac{6.6 e^{-7s}}{10.9s + 1} & \frac{-19.4 e^{-3s}}{14.4s + 1} \end{bmatrix}$$
2. Tháp chưng cất Vinante & Luyben (VL, hệ $2 \times 2$): Khảo sát đáp ứng vòng kín với sự thay đổi giá trị đặt bậc thang và nhiễu tải.
3. Tháp chưng cất Ogunnaike & Ray (OR, hệ $3 \times 3$): Mô phỏng kiểm chứng đáp ứng trên cả 3 vòng điều khiển khi thay đổi giá trị đặt và tác động nhiễu.

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất cho đáp ứng bám giá trị đặt nhanh hơn, giảm biên độ dao động, triệt tiêu tương tác chéo hiệu quả và có chỉ số IAE, TV thấp hơn đáng kể so với phương pháp BLT và SAT.

Chương 5: Mô hình ứng dụng

Chương 5 hiện thực hóa các kết quả lý thuyết trên hai hệ thống vật lý thực nghiệm:

• Ứng dụng trên hệ bồn nước đôi ($2 \times 2$): Mô tả nguyên lý hoạt động, cấp tín hiệu kích thích ngõ vào cho hai máy bơm để thu thập dữ liệu đáp ứng mức nước. Áp dụng công cụ nhận dạng thực nghiệm xây dựng mô hình toán dạng hàm truyền, tính toán bộ phân ly đơn giản hóa và thông số PID theo công thức ở Chương 3. Tiến hành chạy thực nghiệm thời gian thực (Real-Time) với các giá trị đặt mức nước $200\text{ mm}$ và $300\text{ mm}$, kết quả thực nghiệm bám sát mô phỏng.
• Ứng dụng trên mô hình tháp chưng cất Ethanol - Nước ($3 \times 3$): Thiết kế 3D, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, xây dựng lưu đồ công nghệ P&ID và tích hợp cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cùng cơ cấu chấp hành. Tác giả nhận dạng thực nghiệm 3 kênh vào - ra gồm: nhiệt độ bồn đáy, nhiệt độ dòng cấp liệu và lưu lượng dòng cấp liệu. Thiết lập sơ đồ khối Simulink Real-Time kết nối qua card DAQ National Instruments. Kết quả kiểm tra mẫu nồng độ trước và sau chưng cất khẳng định hệ thống điều khiển vận hành ổn định và đạt chỉ tiêu công nghệ phân tách.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt lý thuyết giải tích và kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý; nêu rõ các kiến nghị về việc áp dụng phương pháp vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được trình bày rõ ở hai khía cạnh lý luận và thực tiễn:

Về mặt lý luận (tính mới):

• Xây dựng được phương pháp chung làm nền tảng điều khiển hệ thống chiết tách có các thành phần bất định, giải quyết đồng thời yêu cầu ổn định hệ thống, bám sát giá trị đặt và khả năng kháng nhiễu quá trình.
• Đề xuất phương pháp thiết kế mở rộng hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa cho hệ thống đa biến tổng quát $n \times n$ dựa trên mối quan hệ của dãy độ lợi tương quan động (DRGA) của các hàm truyền trong ma trận hệ thống.
• Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC) kết hợp xấp xỉ Padé bậc 3/2 cho khâu thời gian trễ và tích hợp bộ lọc nối tiếp, đưa ra các công thức giải tích tường minh tính toán thông số điều khiển cho các mô hình chuẩn FOPDT và SOPTD.

Về mặt thực tiễn:

• Xây dựng và chế tạo thành công hai mô hình thực nghiệm kiểm chứng gồm: hệ bồn nước đôi ($2 \times 2$) và hệ thống tháp chưng cất tách hỗn hợp Ethanol và Nước ($3 \times 3$).
• Nhận dạng thành công mô hình toán học thực nghiệm (mô hình hộp đen) cho các đối tượng thực dựa trên dữ liệu đo lường các biến công nghệ như mức nước, nhiệt độ và lưu lượng.
• Xây dựng các chương trình mô phỏng và điều khiển thời gian thực trên môi trường Matlab/Simulink (Real-Time Windows Target) kết nối với card DAQ chuyên dụng của hãng National Instruments.
• Ứng dụng thành công thuật toán đề xuất để điều khiển ổn định hệ bồn nước và hệ thống tháp chưng cất thực nghiệm, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế trong sản xuất công nghiệp.

Về giải pháp và kiến nghị đề xuất: Luận án kiến nghị áp dụng phương pháp phân ly đơn giản hóa đề xuất vào các quá trình công nghệ tương tự trong các nhà máy lọc hóa dầu, chiết xuất và nhiệt điện nhằm thay thế các giải pháp điều khiển ngoại nhập phức tạp, giúp giảm chi phí đầu tư và nâng cao năng lực làm chủ công nghệ trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và giới hạn nghiên cứu được tác giả công bố trong văn bản, luận án có các hạn chế sau:

• Về quy mô kiểm chứng: Mặc dù phương pháp phân ly đơn giản hóa được xây dựng lý thuyết cho hệ tổng quát $n \times n$, các mô phỏng và mô hình thực nghiệm trong luận án mới chỉ dừng lại ở quy mô hệ $2 \times 2$ (bồn nước đôi, tháp WB, tháp VL) và hệ $3 \times 3$ (tháp chưng cất Ethanol - Nước, tháp OR), chưa kiểm chứng trên các hệ thống có số chiều lớn hơn ($n \ge 4$).
• Về phương pháp xây dựng mô hình: Mô hình toán của hai hệ thống thực nghiệm được xác định bằng phương pháp nhận dạng thực nghiệm tuyến tính hóa cục bộ (mô hình hộp đen FOPDT/SOPTD) quanh điểm làm việc tĩnh, chưa xem xét mô hình phi tuyến toàn cục khi hệ thống làm việc trong dải thay đổi trạng thái rộng.
• Về đối tượng công nghệ: Mô hình thực nghiệm tháp chưng cất chỉ khảo sát quá trình phân tách hỗn hợp hai cấu tử gồm Ethanol và Nước với các thông số nhiệt độ, lưu lượng, áp suất; chưa mở rộng khảo sát các hỗn hợp đa cấu tử phức tạp hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: mở rộng áp dụng thực nghiệm thuật toán phân ly cho các hệ thống đa biến bậc cao ($n \times n$ với $n > 3$), nghiên cứu tích hợp cơ chế chỉnh định thích nghi trực tuyến tham số bộ phân ly khi điểm làm việc của hệ thống thay đổi lớn, và thử nghiệm giải thuật trên các dây chuyền sản xuất công nghiệp liên tục.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Hóa học: Luận án cung cấp tài liệu hệ thống về lý thuyết điều khiển đa biến, phương pháp giải tích phân ly ma trận và quy trình chuyển đổi cấu trúc IMC sang PID kinh điển.
• Giảng viên đại học: Có thể sử dụng nội dung Chương 2, Chương 3 và Chương 4 làm bài giảng chuyên đề hoặc giáo trình tham khảo cho các môn học Điều khiển quá trình, Điều khiển đa biến và Nhận dạng hệ thống.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành tại các nhà máy công nghiệp (lọc hóa dầu, chiết xuất, nhiệt điện, chế biến thực phẩm): Luận án cung cấp các giải pháp cấu hình bộ phân ly đơn giản hóa trên các bộ điều khiển khả trình hoặc phần mềm điều khiển công nghiệp mà không đòi hỏi phần cứng tính toán phức tạp như các phương pháp điều khiển hiện đại.

Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:

• Chương 3: Khung lý thuyết thiết kế phân ly đơn giản hóa tổng quát và các công thức giải tích tính thông số PID-IMC dựa trên xấp xỉ Padé bậc 3/2.
• Chương 5 và Phụ lục 1: Bản vẽ thiết kế 3D, sơ đồ lưu đồ thiết bị (P&ID), quy trình nhận dạng thực nghiệm và sơ đồ kết nối card DAQ NI với Matlab Real-Time Windows Target.
• Phụ lục 2: Toàn bộ mã nguồn chương trình Matlab tính toán bộ phân ly và mô phỏng hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn kỹ thuật phân ly đơn giản hóa thay vì phân ly lý tưởng hoặc phân ly nghịch? Trong Chương 2, tác giả phân tích và dẫn chứng các nghiên cứu của Gagnon (1998), Garrido (2011) và Morari (1987) cho thấy: phân ly lý tưởng và phân ly nghịch có ma trận tính toán phức tạp, khó hiện thực hóa bằng thiết bị vật lý và đặc biệt rất nhạy với sai số mô hình (dễ gây mất ổn định khi thông số đối tượng trôi dạt). Ngược lại, phân ly đơn giản hóa có ma trận phân ly với các phần tử đường chéo bằng đơn vị ($D_{ii} = 1$), cấu hình đơn giản, dễ cài đặt trên thiết bị thực tế và có độ bền vững cao hơn trước các sai số mô hình.

2. Điểm cải tiến kỹ thuật nổi bật trong phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID theo cấu trúc IMC của luận án là gì? Tác giả đề xuất hai điểm nổi bật trong Chương 3: (1) Sử dụng công thức xấp xỉ Padé bậc 3/2 cho khâu trễ $e^{-\theta s}$ thay vì các xấp xỉ bậc 1 thông thường, giúp cải thiện độ chính xác và đặc tính động học của hệ thống ở dải tần số làm việc; (2) Tích hợp thêm các bộ lọc mắc nối tiếp với bộ điều khiển tương ứng cho từng quá trình để nâng cao chất lượng đáp ứng quá độ và khả năng lọc nhiễu.

3. Các mô hình hệ thống đa biến chuẩn nào được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng giải thuật? Trong Chương 2 và Chương 4, tác giả sử dụng bốn mô hình chuẩn quốc tế gồm: tháp chưng cất Wood & Berry (WB, hệ $2 \times 2$), tháp chưng cất Vinante & Luyben (VL, hệ $2 \times 2$), tháp Wardle & Wood (WW, hệ $2 \times 2$) và tháp chưng cất Ogunnaike & Ray (OR, hệ $3 \times 3$).

4. Hai hệ thống thực nghiệm được chế tạo trong luận án là gì và được điều khiển bằng công cụ nào? Trong Chương 5, hai hệ thống thực nghiệm được xây dựng gồm: mô hình hệ bồn nước đôi (hệ $2 \times 2$ điều khiển mức nước) và mô hình tháp chưng cất tách hỗn hợp Ethanol và Nước (hệ $3 \times 3$ điều khiển nhiệt độ bồn đáy, nhiệt độ cấp liệu và lưu lượng cấp liệu). Cả hai hệ thống đều được điều khiển thời gian thực bằng phần mềm Matlab/Simulink ở chế độ Real-Time Windows Target thông qua card thu thập dữ liệu chuyên dụng (DAQ) của hãng National Instruments.

5. Luận án sử dụng những tiêu chuẩn định lượng nào để đánh giá và so sánh chất lượng điều khiển? Tác giả sử dụng ba chỉ số định lượng trong Chương 3 và Chương 4: sai số tích phân tuyệt đối (IAE - Integral Absolute Error) để đánh giá độ chính xác bám tín hiệu đặt và kháng nhiễu; tổng biến thiên tín hiệu điều khiển (TV - Total Variation) để đánh giá độ mượt của tín hiệu điều khiển và mức độ hao mòn cơ cấu chấp hành; và độ vọt lố (Overshoot - $OS%$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Lê Linh đã giải quyết bài toán điều khiển hệ thống đa biến thông qua việc phát triển phương pháp thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa tổng quát cho hệ $n \times n$ dựa trên dãy độ lợi tương quan động (DRGA). Đồng thời, tác giả đã xây dựng thành công các công thức giải tích tường minh xác định thông số bộ điều khiển PID dựa trên cấu trúc IMC kết hợp xấp xỉ Padé bậc 3/2 cho khâu trễ và bộ lọc nối tiếp. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được kiểm chứng định lượng qua mô phỏng trên các mô hình tháp chưng cất chuẩn (WB, VL, OR) và thực nghiệm thời gian thực trên hai mô hình vật lý tự chế tạo (hệ bồn nước đôi $2 \times 2$ và tháp chưng cất Ethanol - Nước $3 \times 3$), chứng minh tính ổn định, khả năng bám giá trị đặt, khả năng kháng nhiễu và tiềm năng ứng dụng thực tế của giải pháp đề xuất.

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.