Luận án tiến sĩ của Lê Linh: Thiết kế điều khiển phân ly hệ thống đa biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. LÊ LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp. Hồ Chí Minh 10 - 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. LÊ LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103 Hướng dẫn khoa học: 1.

LÊ HIẾU GIANG 2. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: luan an luan an LÝ LỊCH CÁ NHÂN I. THÔNG TIN CÁ NHÂN Họ và tên: LÊ LINH Phái: Nam Ngày tháng năm sinh: 04/04/1976 Tại: Đắk Lắk II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 1994 – 2000: sinh viên Ngành Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

Hồ Chí Minh. - Từ 2002 – 2005: Học viên Cao học Ngành Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ 2000 – 2003: Giảng Viên thỉnh giảng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

Hồ Chí Minh. - Từ 2004 – nay: Giảng Viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.HCM, ngày 30 tháng 10 năm 2020. Lê Linh i luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn.

Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trên bất cứ một công trình khoa học nào.HCM, ngày 30 tháng 10 năm 2020. Tác giả luận án Lê Linh ii luan an LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài nghiên cứu đến nay luận án đã được hoàn thành. Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy giáo hướng dẫn PGS. Lê Hiếu Giang, PGS.

Trương Nguyễn Luân Vũ đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án, những điều này đã truyền cho tôi cảm hứng và nguồn động lực lớn để hoàn thành luận án. Tôi xin đặc biệt gởi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM đã dành nhiều thời gian để giảng dạy, truyền đạt những tri thức khoa học quý báu cho tôi từ khi học đại học cho đến nay. Những tri thức sẽ mãi mãi theo tôi trong suốt cuộc đời làm khoa học của mình.

Tôi xin dành lời cám ơn chân thành đến các Thầy giáo Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. HCM, Đại học kỹ thuật công nghệ Tp.HCM và Đại học Việt Đức đã dành thời gian quý báu của mình để giảng dạy và cho những lời khuyên rất có giá trị trong thời gian hoàn thành luận án. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và sự hi sinh của vợ và các con đã dành cho tôi, cũng như các bạn bè đồng nghiệp không ngừng động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận án này.

iii luan an ABSTRACT Multivariable systems are complicated processes due to interactions between process variables and control variables. This makes it difficult to analyze and design controllers for the systems. To overcome this problem, there are currently two main research directions: the first is to adopt advanced control methods such as model predictive control, or intelligent control; the second is to take advantages of typical single-variable control techniques, such as the well-known PID controller, which is very common in the industry today. In this thesis, the author proposes an approach to controller designs for multivariable processes, which is called decoupling techniques, to convert them into multi-loop systems and designs PID controllers for those corresponding control loops.

The proposed method is general and applicable to different multivariable systems. Currently, there are three kinds of decoupling techniques, including ideal decoupling, inverted decoupling, and simplified decoupling. The author studies the advantages and disadvantages of them and then chooses the simplified decoupling as the main research direction in the thesis. The simplified decoupling with the advantages of the simplicity of the decoupler matrix, the diagonal elements are set to units, and the robustness due to model errors is the most appropriate choice for practical applications.

In this dissertation, the author develops a method to design the simplified decoupling for a general multivariable system (n×n) based on the relationship of the Dynamic Relative Gain Array (DRGA) of transfer functions in the system’s transfer function matrix. In addition, the analytical tuning rules for the parameters of the PID controllers based on internal model control (IMC) for some standard processes are also proposed. In particular, there are two prominent points in the suggested method: - The approximation technique for a delay term adopting the Padé 3/2 approximation to improve correctness and dynamic behavior of a system. iv luan an - Applying the filters in series with the controllers in order to enhance the system responses.

The proposed controller is compared with other well-known controllers such as BLT and SAT on different multivariable processes to verify the effectiveness in terms of servomechanism (set-point changes) and regulator (disturbance changes) problems. Common methods to evaluate the quality of the control system are also applied such as absolute integral error (IAE), and total variation (TV) of control signals. Simulation results show that the proposed method outperforms the existing methods. Moreover, two corresponding experimental models are also built, including a coupled-tank (2×2) and a distillation column for separating ethanol and water (3×3).

In order to apply the theoretical results, the controller structures are designed in Simulink/Matlab in Real Time Window Target mode with support of the dedicated DAQ card of National Instrument. The results show that the system responses meet the control criteria in both set-point changes and disturbance changes. Moreover, the distillation column also has high practical applicability. v luan an TÓM TẮT Hệ đa biến là quá trình phức tạp với sự tương tác lẫn nhau giữa các biến quá trình, và các biến điều khiển.

Việc này làm quá trình phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ đa biến trở nên khó khăn và phức tạp. Để khắc phục khó khăn này, hiện nay có hai hướng nghiên cứu chính: một là sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển dự báo, hoặc điều khiển thông minh; hai là tận dụng các kỹ thuật điều khiển đơn biến điển hình như bộ điều khiển PID hiện đang rất phổ biến trong công nghiệp. Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương án thiết kế bộ điều khiển phân ly cho các quá trình đa biến nhằm tách hệ đa biến phức tạp thành các vòng điều khiển đơn biến đơn giản và thiết kế bộ điều khiển PID cho các vòng điều khiển tương ứng đó. Phương án đề xuất mang tính tổng quát và có khả năng ứng dụng cho các hệ đa biến khác nhau.

Hiện nay, có ba kỹ thuật phân ly chính bao gồm phân ly lý tưởng, phân ly nghịch và phân ly đơn giản hóa. Tác giả tìm hiểu ưu và nhược điểm của các bộ phân ly và từ đó chọn phân ly đơn giản hóa làm hướng nghiên cứu chính trong luận án. Phân ly đơn giản hóa với ưu điểm về sự đơn giản của ma trận phân ly, thành phần đường chéo bằng đơn vị, và sự bền vững khi có sai số mô hình là sự lựa chọn thích hợp nhất cho các ứng dụng thực tế. Trong luận án này, tác giả phát triển phương pháp thiết kế bộ phân ly đơn giản hóa tổng quát cho hệ đa biến bậc n dựa trên mối quan hệ của dãy độ lợi tương quan động (Dynamic Relative Gain Array) của các hàm truyền trong ma trận hàm truyền của hệ đa biến.

Bên cạnh đó, phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển PID dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC) cho các hệ điển hình cũng được đề xuất. Phương pháp đề xuất đưa ra được các công thức tường minh tính toán các thông số của bộ điều khiển PID. Trong đó, có hai điểm nổi bật trong phương pháp đề xuất là: - Xấp xỉ bậc cao cho khâu trễ sử dụng công thức xấp xỉ Padé 3/2 nhằm cải thiện độ chính xác và đặc tính động của hệ thống vi luan an - Áp dụng các bộ lọc nối tiếp với bộ điều khiển tương ứng cho các quá trình khác nhau nhằm cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống. Bộ điều khiển đề xuất được so sánh với các bộ điều khiển nổi tiếng khác như BLT và SAT trên các hệ đa biến khác nhau nhằm kiểm chứng khả năng điều khiển khi giá trị đặt thay đổi cũng như nhiễu quá trình thay đổi.

Các phương pháp phổ biến để đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển cũng được áp dụng như sai số tích phân tuyệt đối (IAE), tổng của sự thay đổi (TV) của tín hiệu điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất cho kết quả vượt trội so với các phương pháp hiện hữu. Hơn nữa, hai mô hình thực nghiệm tương ứng cũng được xây dựng bao gồm hệ bồn nước (2x2) và tháp chưng cất hỗn hợp Ethanol và Nước (3x3). Để có thể áp dụng được các kết quả lý thuyết, thuật toán điều khiển cho hệ thống được xây dựng trên Matlab với chế độ thời gian thực (Real Time Window Target) với bộ DAQ chuyên dùng của hãng National Instrument.

Kết quả điều khiển cho thấy đáp ứng của các hệ đáp ứng được các tiêu chí đề ra về bám sát giá trị đặt cũng như khả năng kháng nhiễu quá trình. Đặc biệt tháp chưng cất Ethanol và Nước có khả năng ứng dụng thực tiễn cao. vii luan an MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH CÁ NHÂN. i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CẢM ƠN .vi MỤC LỤC.

viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .xi DANH MỤC HÌNH. xiii DANH MỤC BẢNG .xvi CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết và lý do chọn luận án. Mục tiêu nghiên cứu.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án .3 Kết quả thực tiễn. Bố cục luận án .4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

Tổng quan về tình hình nghiên cứu các kỹ thuật phân ly.6 viii luan an 2. Phân tích và so sánh các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI/PID đa biến dùng cho hệ thống phân ly. Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N). Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT) .4 Phương pháp SAT .5 Khảo sát các mô hình chuẩn và các phương pháp điều khiển.

Điều khiển phân ly quá trình đa biến. Phân ly lý tưởng. Phân ly đơn giản hóa. Phân ly nghịch.

So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp phân ly .