I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu
Luận văn tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển bậc phân thức dựa trên mô hình nội (IMC) cho hệ thống bồn nước nhiệt độ. Mục tiêu chính là thiết kế và triển khai bộ điều khiển này trên thiết bị công nghiệp như PLC, nhằm cải thiện hiệu suất điều khiển trong các hệ thống công nghiệp. Bộ điều khiển bậc phân thức kết hợp với mô hình nội mang lại sự linh hoạt trong điều chỉnh tham số, giúp hệ thống đạt được sự cân bằng giữa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu.
1.1. Vấn đề nghiên cứu
Điều khiển bậc phân thức (FOC) là một hướng nghiên cứu mới, khắc phục các hạn chế của điều khiển bậc nguyên. Với sự phát triển của công nghệ, việc ứng dụng FOC vào các hệ thống công nghiệp trở nên khả thi hơn. Luận văn này tập trung vào việc xấp xỉ các toán tử bậc phân thức để triển khai trên PLC, tận dụng sức mạnh phần cứng và tính phổ biến của thiết bị này.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế bộ điều khiển bậc phân thức dựa trên mô hình nội và ứng dụng nó vào hệ thống bồn nước nhiệt độ. Nghiên cứu cũng hướng đến việc triển khai bộ điều khiển trên PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình SCL, nhằm kiểm chứng tính hiệu quả và khả thi của phương pháp.
II. Mô hình toán học và phương pháp điều khiển
Luận văn trình bày chi tiết mô hình toán học của hệ thống bồn nước nhiệt độ, bao gồm các phương trình cân bằng khối lượng và nhiệt lượng. Hệ thống được mô tả là một hệ MIMO với các biến đầu vào và đầu ra phức tạp. Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội (IMC) kết hợp với bộ điều khiển bậc phân thức được đề xuất để cải thiện hiệu suất điều khiển.
2.1. Mô hình mực nước
Phương trình cân bằng khối lượng được sử dụng để mô tả sự thay đổi mực nước trong bồn. Lưu lượng nước xả được tính toán dựa trên phương trình Bernoulli và đặc tính của van. Mô hình này giúp xác định mối quan hệ giữa lưu lượng nước bơm vào và chiều cao mực nước trong bồn.
2.2. Mô hình nhiệt độ
Phương trình cân bằng nhiệt lượng được sử dụng để mô tả sự thay đổi nhiệt độ trong bồn. Nhiệt lượng từ bộ gia nhiệt và nhiệt độ nước bơm vào được tính toán để xác định nhiệt độ nước trong bồn. Mô hình này giúp hiểu rõ quá trình truyền nhiệt trong hệ thống.
III. Thiết kế và triển khai bộ điều khiển
Luận văn đề xuất bộ điều khiển bậc phân thức dựa trên mô hình nội, kết hợp với bộ lọc thông thấp bậc phân số. Bộ điều khiển này được thiết kế để tận dụng khả năng chỉnh định tham số linh hoạt, giúp hệ thống đạt được sự cân bằng giữa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu. Bộ điều khiển được triển khai trên PLC sử dụng các phương pháp xấp xỉ như CFE và PSE.
3.1. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển được thiết kế dựa trên mô hình nội (IMC), kết hợp với bộ lọc thông thấp bậc phân số. Các tham số của bộ điều khiển được chỉnh định thông qua quy trình thiết kế IMC, mang lại sự linh hoạt trong điều chỉnh và cải thiện hiệu suất điều khiển.
3.2. Triển khai trên PLC
Bộ điều khiển được triển khai trên PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình SCL. Các phương pháp xấp xỉ như CFE và PSE được sử dụng để chuyển đổi các toán tử bậc phân thức từ miền liên tục sang miền rời rạc, giúp bộ điều khiển hoạt động hiệu quả trên thiết bị công nghiệp.
IV. Kết quả và đánh giá
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển bậc phân thức dựa trên mô hình nội mang lại hiệu suất điều khiển tốt hơn so với các phương pháp truyền thống. Bộ điều khiển này giúp hệ thống đạt được sự cân bằng giữa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu, đồng thời cải thiện độ ổn định của hệ thống.
4.1. Điều khiển mực nước
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển bậc phân thức giúp hệ thống đạt được sự ổn định mực nước nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống. Bộ điều khiển này cũng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu quá trình.
4.2. Điều khiển nhiệt độ
Bộ điều khiển giúp hệ thống đạt được nhiệt độ mong muốn một cách chính xác và ổn định. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu của hệ thống.
