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 thống 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 trong phạm vi mô hình bồn nước – nhiệt độ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM, với thời gian từ tháng 09/2023 đến tháng 05/2024. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác và tính ổn định 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 (Internal Model Control - IMC) và điều khiển bậc phân số (Fractional Order Control - FOC). IMC là phương pháp điều khiển sử dụng mô hình toán học của hệ thống để thiết kế bộ điều khiển, giúp cân bằng giữa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu. Bộ điều khiển IMC-PID được xây dựng dựa trên việc hiệu chỉnh các tham số PID truyền thống thông qua mô hình nội, kết hợp với bộ lọc thông thấp bậc phân số nhằm tăng tính linh hoạt trong điều chỉnh thời hằng và bậc bộ lọc. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Bộ điều khiển PID truyền thống: gồm các thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm.
  • Bộ lọc bậc phân số: mở rộng bộ lọc thông thấp truyền thống bằng cách cho phép bậc bộ lọc là số thực, giúp cải thiện đáp ứng tần số và độ ổn định.
  • Phương pháp xấp xỉ toán tử bậc phân số: sử dụng các khai triển như Power Series Expansion (PSE) và Continuous Fraction Expansion (CFE) để chuyển đổi toán tử đạo hàm/tích phân bậc phân số từ miền liên tục sang miền rời rạc, phù hợp với triển khai trên thiết bị số như PLC.
  • Mô hình toán học hệ bồn nước – nhiệt độ: mô hình MIMO với bốn đầu vào (lưu lượng nước bơm, công suất gia nhiệt, nhiệt độ nước bơm vào, độ mở van xả) và hai đầu ra (chiều cao mực nước, nhiệt độ nước trong bồn).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô hình thực nghiệm bồn nước – nhiệt độ tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các chuỗi dữ liệu tín hiệu điều khiển và đáp ứng hệ thống thu thập qua cảm biến siêu âm và cảm biến nhiệt độ, với thời gian lấy mẫu phù hợp để đảm bảo độ chính xác. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu liên tục trong các điều kiện vận hành khác nhau nhằm bao quát các trạng thái của hệ thống. Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ mô phỏng Matlab/Simulink kết hợp thư viện FOMCOM để kiểm tra hiệu quả bộ điều khiển bậc phân số. Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Xác định và tuyến tính hóa mô hình toán học của hệ thống.
  • Thiết kế bộ điều khiển IMC-PID truyền thống và bộ lọc bậc phân số dựa trên IMC.
  • Xấp xỉ toán tử bậc phân số sang miền rời rạc bằng PSE và CFE để triển khai trên PLC S7-1200 sử dụng ngôn ngữ lập trình SCL.
  • Thí nghiệm thực tế trên phần cứng PLC để kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả điều khiển.
  • Đánh giá kết quả thông qua các chỉ số như sai số toàn phương trung bình (MSE), đáp ứng tần số và khả năng kháng nhiễu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ lọc bậc phân số trong cải thiện đáp ứng hệ thống: Bộ lọc bậc phân số cung cấp thêm hai tham số chỉnh định là thời hằng và bậc bộ lọc, giúp cải thiện độ ổn định và giảm sai số theo dõi tín hiệu đặt. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số toàn phương trung bình (MSE) giảm khoảng 15% so với bộ lọc bậc nguyên truyền thống.

  2. Khả năng xấp xỉ toán tử bậc phân số trên PLC: Phương pháp CFE cho kết quả hội tụ nhanh hơn và chính xác hơn so với PSE, với MSE thấp hơn khoảng 20% khi sử dụng bộ nhớ hữu hạn L=10. Tuy nhiên, PSE vẫn được ưu tiên khi tài nguyên phần cứng hạn chế do tính đơn giản trong tính toán.

  3. So sánh hiệu suất điều khiển giữa FO-IMC-PID, FOPID và PID truyền thống: Bộ điều khiển FO-IMC-PID thể hiện khả năng bám theo tín hiệu đặt tốt hơn, với thời gian ổn định giảm khoảng 10-12% và khả năng kháng nhiễu tăng 18% so với PID truyền thống. FOPID cũng cải thiện so với PID nhưng phức tạp hơn trong việc chỉnh định tham số.

  4. Triển khai thực tế trên PLC: Thí nghiệm trên PLC S7-1200 cho thấy bộ điều khiển FO-IMC-PID hoạt động ổn định, đáp ứng tín hiệu điều khiển chính xác với sai số đo thực tế dưới 5%, phù hợp với yêu cầu 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 để điều chỉnh đáp ứng tần số, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tần số cao và sai số mô hình. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển bậc phân số trong các hệ thống công nghiệp phức tạp, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc triển khai trên thiết bị PLC phổ biến. Việc sử dụng phương pháp xấp xỉ CFE và PSE cho phép cân bằng giữa độ chính xác và hiệu suất tính toán, phù hợp với giới hạn phần cứng thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh đáp ứng tín hiệu đặt và đáp ứng kháng nhiễu của các bộ điều khiển, cũng như bảng tổng hợp MSE và thời gian ổn định, giúp minh họa rõ ràng ưu điểm của bộ điều khiển FO-IMC-PID.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bộ điều khiển FO-IMC-PID trên các hệ thống công nghiệp MIMO: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu là nâng cao độ ổn định và khả năng kháng nhiễu, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp sản xuất và nhà máy tự động hóa.

  2. Phát triển phần mềm hỗ trợ hiệu chỉnh tham số bộ lọc bậc phân số: Động từ "phát triển", nhằm giảm thiểu độ phức tạp trong chỉnh định tham số, thời gian 6-9 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và công ty phần mềm điều khiển.

  3. Đào tạo kỹ sư vận hành và bảo trì về công nghệ điều khiển bậc phân số: Động từ "tổ chức", mục tiêu nâng cao năng lực vận hành hệ thống điều khiển mới, thời gian 3-6 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo và trường đại học.

  4. Nâng cấp phần cứng PLC để hỗ trợ tính toán bậc phân số hiệu quả hơn: Động từ "nâng cấp", nhằm tăng hiệu suất xử lý và giảm độ trễ, thời gian 12 tháng, chủ thể là nhà sản xuất thiết bị và các đơn vị vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư điều khiển tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về bộ điều khiển bậc phân số và phương pháp IMC để áp dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển bậc phân số và mô hình nội.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và nhà máy tự động hóa: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng tính ổn định của các hệ thống bồn nước, nhiệt độ và các hệ thống tương tự.

  4. Nhà phát triển phần mềm và phần cứng điều khiển công nghiệp: Tham khảo các phương pháp xấp xỉ toán tử bậc phân số và kỹ thuật triển khai trên PLC để phát triển sản phẩm mới phù hợp với xu hướng công nghệ hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển bậc phân số khác gì so với bộ điều khiển PID truyền thống?
    Bộ điều khiển bậc phân số mở rộng bộ PID bằng cách cho phép bậc tích phân và đạo hàm là số thực, giúp điều chỉnh linh hoạt hơn đáp ứng tần số và cải thiện độ ổn định. Ví dụ, trong nghiên cứu, bộ lọc bậc phân số giúp giảm sai số toàn phương trung bình khoảng 15%.

  2. Tại sao cần sử dụng mô hình nội (IMC) trong thiết kế bộ điều khiển?
    IMC giúp cân bằng giữa khả năng bám theo tín hiệu đặt và kháng nhiễu, đồng thời đơn giản hóa quá trình hiệu chỉnh tham số. Luận văn đã áp dụng IMC để hiệu chỉnh bộ PID truyền thống, nâng cao hiệu quả điều khiển.

  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 đơn giản hơn và phù hợp với phần cứng có giới hạn tài nguyên. Nghiên cứu đã thử nghiệm cả hai và đánh giá ưu nhược điểm cụ thể.

  4. Bộ điều khiển FO-IMC-PID có thể áp dụng cho những hệ thống nào ngoài bồn nước – nhiệt độ?
    Bộ điều khiển này phù hợp với các hệ thống MIMO có đặc tính phi tuyến và nhiễu phức tạp như hệ thống nhiệt, động cơ servo, turbine gió, giúp cải thiện độ ổn định và khả năng kháng nhiễu.

  5. Làm thế nào để hiệu chỉnh tham số bộ lọc bậc phân số trong thực tế?
    Tham số bao gồm thời hằng và bậc bộ lọc được điều chỉnh dựa trên yêu cầu về tốc độ đáp ứng và khả năng kháng nhiễu. Việc này có thể thực hiện thông qua mô phỏng và thử nghiệm thực tế, đồng thời cần phần mềm hỗ trợ để giảm độ phức tạp.

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 với bộ PID truyền thống, nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống bồn nước – nhiệt độ.
  • Phương pháp xấp xỉ toán tử bậc phân số bằng PSE và CFE được triển khai hiệu quả trên PLC, chứng minh tính khả thi trong ứng dụng công nghiệp.
  • Bộ điều khiển FO-IMC-PID cho thấy ưu điểm vượt trội về thời gian ổn định và khả năng kháng nhiễu so với bộ điều khiển PID truyền thống và FOPID.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng điều khiển bậc phân số trong các hệ thống công nghiệp phức tạp khác.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế rộng rãi, phát triển phần mềm hỗ trợ hiệu chỉnh và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Hãy áp dụng những kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và độ ổn định cho hệ thống điều khiển công nghiệp của bạn ngay hôm nay!