Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc nâng cao hiệu quả điều khiển các hệ thống phức tạp như bồn nước – nhiệt độ ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các hệ thống điều khiển công nghiệp chiếm tỷ lệ lớn trong các quy trình sản xuất, đòi hỏi các bộ điều khiển có khả năng thích ứng và chính xác cao. Luận văn tập trung nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển bậc phân số dựa trên mô hình nội (IMC) cho hệ bồn nước – nhiệt độ, một hệ thống MIMO phổ biến với đặc tính phi tuyến và nhiều biến nhiễu. Mục tiêu chính là thiết kế bộ điều khiển kết hợp bộ lọc bậc phân số và bộ điều khiển PID truyền thống, sử dụng phương pháp hiệu chỉnh IMC để tối ưu hóa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM trong giai đoạn từ tháng 9/2023 đến tháng 5/2024. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ thống điều khiển, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng bộ điều khiển bậc phân số trên các thiết bị công nghiệp phổ biến như PLC, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ điều khiển tự động trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: điều khiển mô hình nội (IMC) và điều khiển bậc phân số (Fractional Order Control - FOC). IMC cung cấp cấu trúc điều khiển với mô hình toán học nội suy song song, giúp tối ưu hóa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu. Bộ điều khiển IMC-PID được xây dựng bằng cách hiệu chỉnh các tham số PID dựa trên mô hình nội, kết hợp với bộ lọc thông thấp để đảm bảo tính ổn định và bền vững. Điều khiển bậc phân số mở rộng bộ điều khiển PID truyền thống bằng cách thêm các tham số bậc phân số cho khâu tích phân và đạo hàm, giúp cải thiện khả năng điều khiển các hệ thống có đặc tính phi tuyến và động học phức tạp. Các khái niệm chính bao gồm: toán tử đạo hàm/tích phân bậc phân số, phương pháp xấp xỉ toán tử bậc phân số trong miền rời rạc (PSE, CFE), và mô hình toán học hệ bồn nước – nhiệt độ với các biến đầu vào/ra đặc trưng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô hình thực nghiệm bồn nước – nhiệt độ tại phòng thí nghiệm, bao gồm các tín hiệu lưu lượng nước, công suất gia nhiệt, nhiệt độ và chiều cao mực nước. Cỡ mẫu dữ liệu thu thập trong khoảng thời gian thực nghiệm từ tháng 9/2023 đến tháng 5/2024, với các phép đo được thực hiện liên tục và có kiểm soát. Phương pháp phân tích bao gồm: xây dựng mô hình toán học tuyến tính hóa hệ thống, thiết kế bộ điều khiển IMC-PID và bộ điều khiển bậc phân số dựa trên IMC, áp dụng các thuật toán xấp xỉ toán tử bậc phân số trong miền rời rạc bằng các phương pháp PSE và CFE để hiện thực hóa trên PLC S7-1200 sử dụng ngôn ngữ lập trình SCL. Quá trình nghiên cứu được chia thành các giai đoạn: nhận dạng đặc tính hệ thống, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển, triển khai trên phần cứng PLC, và đánh giá hiệu quả điều khiển qua các thí nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ điều khiển FO-IMC-PID trong ổn định mực nước: Bộ điều khiển FO-IMC-PID cho thấy khả năng bám theo tín hiệu đặt mực nước với sai số trung bình nhỏ hơn 15% so với bộ điều khiển PID truyền thống. Thời gian quá độ giảm khoảng 20%, đồng thời khả năng kháng nhiễu được cải thiện rõ rệt.

  2. Khả năng điều khiển nhiệt độ vượt trội: Khi áp dụng bộ điều khiển FO-IMC-PID, nhiệt độ nước trong bồn ổn định nhanh hơn 25% so với bộ điều khiển FOPID và 30% so với PID truyền thống, với sai số nhiệt độ trung bình dưới 2ºC trong điều kiện nhiễu biến đổi.

  3. Độ chính xác của các phương pháp xấp xỉ toán tử bậc phân số: Phương pháp CFE cho kết quả hội tụ nhanh hơn và sai số toàn phương trung bình (MSE) thấp hơn khoảng 10% so với phương pháp PSE khi sử dụng bộ nhớ hữu hạn L=20. Tuy nhiên, thời gian tính toán của PSE thấp hơn, phù hợp với các hệ thống có giới hạn tài nguyên.

  4. Khả năng triển khai trên PLC: Bộ điều khiển FO-IMC-PID được hiện thực hóa thành công trên PLC S7-1200, với kết quả đo thực tế cho thấy sai số tín hiệu điều khiển dưới 5% so với mô phỏng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong môi trường công nghiệp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất điều khiển là do bộ lọc bậc phân số cung cấp thêm tham số chỉnh định, giúp điều chỉnh linh hoạt hơn đáp ứng hệ thống, đồng thời mô hình nội IMC giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sai số mô hình và nhiễu quá trình. So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả tương đồng hoặc vượt trội, đặc biệt trong việc ứng dụng bộ điều khiển bậc phân số trên phần cứng PLC, một điểm hạn chế trong nhiều nghiên cứu trước đây. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng tín hiệu đặt và nhiễu, bảng so sánh sai số MSE giữa các phương pháp xấp xỉ, và đồ thị so sánh thời gian quá độ của các bộ điều khiển, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của đề tài.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bộ điều khiển FO-IMC-PID trên các hệ thống công nghiệp: Khuyến nghị các doanh nghiệp và nhà máy áp dụng bộ điều khiển này cho các hệ thống bồn chứa và gia nhiệt nhằm nâng cao độ ổn định và tiết kiệm năng lượng, với lộ trình thử nghiệm trong 6 tháng đầu tiên.

  2. Phát triển phần mềm hỗ trợ hiệu chỉnh tham số bộ lọc bậc phân số: Động viên các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ phát triển công cụ hiệu chỉnh tự động dựa trên dữ liệu thực tế, giúp tối ưu hóa nhanh chóng các tham số bộ điều khiển, dự kiến hoàn thành trong vòng 1 năm.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về điều khiển bậc phân số: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển mới, đảm bảo hiệu quả vận hành lâu dài, thực hiện trong vòng 3 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển bậc phân số cho các hệ thống phi tuyến phức tạp khác: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục phát triển và thử nghiệm trên các đối tượng như hệ thống nhiệt lạnh, xử lý nước thải, nhằm đa dạng hóa ứng dụng, với kế hoạch nghiên cứu 2 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư điều khiển và tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về bộ điều khiển bậc phân số và phương pháp hiệu chỉnh IMC, áp dụng vào thiết kế và vận hành hệ thống điều khiển công nghiệp.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu sâu hơn về điều khiển bậc phân số và ứng dụng thực tế.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và nhà máy công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sai số và tăng độ bền của hệ thống điều khiển bồn nước – nhiệt độ.

  4. Sinh viên cao học và thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển: Học tập phương pháp thiết kế bộ điều khiển hiện đại, kỹ thuật xấp xỉ toán tử bậc phân số và triển khai trên phần cứng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển bậc phân số khác gì so với PID truyền thống?
    Bộ điều khiển bậc phân số mở rộng PID bằng cách thêm các tham số bậc phân số cho khâu tích phân và đạo hàm, giúp điều chỉnh linh hoạt hơn và cải thiện hiệu suất điều khiển các hệ thống phi tuyến và có động học phức tạp.

  2. Tại sao sử dụng mô hình nội (IMC) trong thiết kế bộ điều khiển?
    IMC giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sai số mô hình và nhiễu quá trình, đồng thời cung cấp cấu trúc điều khiển dễ hiệu chỉnh, cân bằng tốt giữa bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu.

  3. Phương pháp xấp xỉ nào phù hợp để triển khai bộ điều khiển bậc phân số trên PLC?
    Phương pháp CFE cho kết quả hội tụ nhanh và chính xác hơn, nhưng PSE có ưu điểm về thời gian tính toán thấp hơn, do đó lựa chọn phụ thuộc vào khả năng xử lý của phần cứng.

  4. Bộ điều khiển FO-IMC-PID có thể áp dụng cho các hệ thống khác ngoài bồn nước – nhiệt độ không?
    Có, bộ điều khiển này có thể mở rộng ứng dụng cho nhiều hệ thống công nghiệp khác có đặc tính phi tuyến và nhiễu phức tạp như hệ thống nhiệt lạnh, xử lý nước thải, hoặc các quy trình sản xuất tự động.

  5. Làm thế nào để hiệu chỉnh tham số bộ lọc bậc phân số trong thực tế?
    Tham số được hiệu chỉnh dựa trên mô hình nội và các tiêu chí về thời gian đáp ứng, sai số ổn định, đồng thời có thể sử dụng các công cụ mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm để tối ưu hóa.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công bộ điều khiển bậc phân số dựa trên mô hình nội, kết hợp bộ lọc bậc phân số và PID truyền thống, nâng cao hiệu quả điều khiển hệ bồn nước – nhiệt độ.
  • Phương pháp xấp xỉ toán tử bậc phân số trong miền rời rạc bằng PSE và CFE được triển khai thành công trên PLC, chứng minh tính khả thi trong môi trường công nghiệp.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển FO-IMC-PID vượt trội hơn so với bộ điều khiển PID và FOPID truyền thống về độ ổn định, thời gian đáp ứng và khả năng kháng nhiễu.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng và phát triển công cụ hỗ trợ hiệu chỉnh tham số nhằm nâng cao tính ứng dụng thực tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế tại các nhà máy, đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng cho các hệ thống công nghiệp phức tạp hơn.

Hãy áp dụng và phát triển bộ điều khiển bậc phân số dựa trên mô hình nội để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy cho hệ thống điều khiển công nghiệp của bạn ngay hôm nay!