Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa cho các hệ thống đa biến - Luận án TS Lê Linh

Tóm Tắt BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HOÁ DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 62520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 / 2018. 0 Tóm Tắt CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. LÊ HIẾU GIANG Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.

TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Luận án tiến sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH i Tóm Tắt 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 trung thực, khách quan và chưa từng công bố trên bất cứ một công trình nào khác.HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2018. Tác giả luận án Lê Linh ii Tóm Tắt LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gởi lời cảm ơn sấu sắc nhất đến các Giáo sư hướng dẫn của tôi là PGS. Lê Hiếu Giang và PGS.

Trương Nguyễn Luân Vũ vì không chỉ là những sự chỉ dẫn và góp ý vô cùng quý báu về chuyên môn mà còn rất nhiều sự quan tâm, động viên và khích lệ của các Giáo sư trong thời gian dài làm luận án Tiến sĩ. 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 ở Khoa Cơ khí Chế tạo máy, 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. Xin dành lời cám ơn chân thành đến các Giáo sư từ Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, Đại học Khoa học Tự nhiên 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.

Sự quan tâm và giúp đỡ của nhiều bạn bè và đồng nghiệp từ Phòng, Khoa và Ban của Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM đã tạo sự thuận lợi rất lớn cho tôi trong việc hoàn thành luận án đã lưu lại trong tôi những tình cảm chân thành và nồng nhiệt. Cuối cùng và quan trọng nhất đó là sự hi sinh và tình yêu của cha mẹ, của vợ và các con đã dành cho tôi. Điều này giúp tôi có nhiều ý chí và nghị lực để vượt qua nhiều khó khăn, thử thách để tiếp tục con đường học thuật của mình.

iii Tóm Tắt ABSTRACT Recently, the decoupling control system have been widely used because it provides the high effectiveness, simplicity and safety in the operation of multivariable processes. The decoupling control methodologies are available for ideal decoupling, simplified decoupling, and inverted decoupling, with the choice of decoupling method depending largely on each methods advantages and restrictions. Ideal decoupling provides convenient controller design, since decoupled apparent processes are systematically obtained as a diagonal matrix of processes, but it is rarely used in practice due to its complicated decoupling elements, realizability problems, and sensitivity to modeling errors. Inverted decoupling is also known as feedforward decoupling and is rarely implemented, even though it can take into account the saturation of manipulated variables.

Similar to ideal decoupling, it is sensitive to modeling errors. Simplified decoupling is most widely used in industrial practice because of its robustness and simple decoupling network (i., its diagonal elements are set as unity). However, the decoupled apparent processes are intricate, which hinders controller tuning. In this thesis, the design of simplified decoupling system is introduced on the basis of the theory of decoupling control.

Firstly, the simplied decoupling network is designed on the systematical and transparent ways to neglect the closed-loop interaction for the multivariable processes by using the coefficient matching to obtain a stable, proper, and causal simplified decoupler. Accordingly, transfer functions of decoupled apparent processes can be expressed as a set of n equivalent independent processes and then derived as a ratio of the original open-loop transfer function to the diagonal element of the dynamic relative gain array. Secondly, a various kind of PI/PID controllers that are based on the Internal Model Control (IMC) scheme are systematically proposed for the proposed simplified decoupling control system to enhance the overall performance of the decoupling control system while avoiding difficulties arising from properties inherent to simplified decoupling. Many simulation studies are considered to demonstrate the simplicity and effectiveness of the proposed method.

Simulations were conducted by tuning various controllers of the multivariate processes. The results indicate that the proposed method consistently performs well with fast and well-balanced closed-loop time responses. Last but not least, the application of proposed simplified decoupling design has been implemented in the distillation column for the sepration of ethanol and water. The results were showed that the overall performance of distillation column have satified the requirement in terms of stability, fast and well-balanced output responses.

iv Tóm Tắt TÓM TẮT Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển phân ly đã được sử dụng rộng rãi vì nó mang lại hiệu quả cao, đơn giản và an toàn trong quá trình vận hành các quá trình đa biến. Các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển phân ly đa biến hiện nay bao gồm: phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng, phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hóa, và phương pháp điều khiển phân ly nghịch. Việc lựa chọn phương pháp thiết kế các hệ thống điều khiển phân ly đa biến tùy thuộc phần lớn vào lợi thế và hạn chế của từng phương pháp. Phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng sẽ giúp cho việc thiết kế bộ điều khiển thuận tiện, kể từ khi tách rời quá trình các biến điều khiển một cách rõ ràng, hệ thống thu được sẽ như là một ma trận đường chéo của các quá trình, nhưng nó hiếm khi được sử dụng trong thực tế do các yếu tố phân ly phức tạp của nó, vấn đề thực tế sử dụng và nhạy cảm với lỗi mô hình và hệ thống.

Phương pháp điều khiển phân ly nghịch hiếm khi được thực hiện, mặc dù nó có thể đưa đến sự bão hòa của các biến thao tác. Tương tự như phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng, nó là nhạy cảm với lỗi mô hình và hệ thống. Phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hóa được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế công nghiệp vì sự mạnh mẽ và hiệu quả của nó vói mạng phân ly đơn giản (tức là, các yếu tố đường chéo của nó được thiết lập một cách thống nhất). Trong luận án này, việc thiết kế hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hóa được giới thiệu trên cơ sở lý thuyết về điều khiển phân ly đa biến.

Thứ nhất, đề tài thực hiện nhằm mục đích tạo ra được một cấu trúc chung, nhỏ gọn và cô đọng cho các bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa bằng cách xem xét các thuộc tính của phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hóa và ma trận nghịch đảo. Thứ hai, các bộ điều khiển PI/PID khác nhau được đề xuất dựa trên thuật toán (IMC). Các qui luật điều chỉnh giới thiệu một cách có hệ thống và phù hợp cho hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hoá nhằm tăng cường hiệu quả họat động chung của hệ thống, trên cơ sở tránh đi những khó khăn phát sinh từ các tính chất vốn có của phương pháp thiết kế. Nhiều nghiên cứu mô phỏng được xem xét để chứng minh tính đơn giản và hiệu quả của phương pháp đề xuất.

Các mô phỏng được thực hiện bằng cách điều chỉnh thông số các bộ điều khiển khác nhau của các quá trình đa biến. Các kết quả nghiên cưu chỉ ra rằng phương pháp đề xuất luôn đạt được hiệu quả tốt với đáp ứng thời gian vòng kín nhanh và cân bằng. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, việc áp dụng phương pháp thiết kế đề xuất đã được áp dụng trong thiết kế và chế tạo cột chưng cất để tách ethanol và nước. Kết quả vận hành hệ thống cho thấy hiệu suất chung của cột chưng cất đã đáp ứng yêu cầu về độ ổn định với đáp ứng đầu ra nhanh và cân bằng.

v Tóm Tắt DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BLT Biggest Log Modulus DLT The decentralized λ tuning IMC Integral Model Control IAE Integral Absolute Error ISE Integral Square Error ITAE Integral Time Absolute Error MIMO Multi-Input Multi-Output NMP Nonminimum Phase RP Robust Performance RS Robust Stability SISO Single-Input Single-Output SSV Structured Singular Value SV Singular Value VL Vinante and Luyben WB Wood và Berry ISPR Industrial-Scale Polymerization Reactor RAIS Rational Approximation of the Irational Solutions FOPDT First Order Plus Dead Time Ms Magnitude of sensitivity transfer function LS Least-Squares Ký hiệu khoa học e(s) Tín hiệu sai số liên tục Gc(s) Hàm truyền của bộ điều khiển Gp(s) Hàm truyền của quá trình xử lý Kc Điều khiển độ lợi H(s) Hàm truyền vòng lặp kín Lcm Một logarit mô đun vòng lặp đa biến p(s)(P(s)) SISO(MIMO), biểu diễn các mô hình xử lý trong đó p = 𝑝̃ (P = 𝑃̃) là giả định 𝑝̃(𝑠) (𝑃̃(𝑠)) SISO(MIMO), Mô hình xử lý 𝑝̃𝐴 (𝑠) Tất cả thông qua bởi phần tử NMP của 𝑝̃(𝑠) r(s) Biến đầu vào u(s) Biến điều khiển y(s) Biến đầu ra Ký hiệu La Mã λ Hằng số thời gian vòng lặp kín 𝜎̅ (A) Gía trị trị riêng lớn nhất của ma trận A 𝜎(A) Gía trị trị riêng nhỏ nhất của ma trận A 𝜏𝐷 Hằng số thời gian đạo hàm 𝜏𝐼 Hằng số thời gian tích phân 𝜔 Tần số 𝜔𝐵 Băng thông của vòng lặp kín Chỉ số trên H Ma trận hàm truyền đạt vòng kín vi Tóm Tắt T Chuyển vị của ma trận Ký hiệu đặc biệt ∀ Với mọi ∋ Sao cho vii Tóm Tắt MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Ngày nay, hệ thống điều khiển phân ly được sử dụng phổ biến, bởi vì nó mang lại sự hiệu quả cao trong hoạt động, sự đơn giản, an toàn trong vận hành, cũng như tính kinh tế cao trong lắp đặt và vận hành hệ thống điều khiển. Gần đây, không có phương pháp chung nhất, mở rộng cho nhiều biến nào được công bố hoặc phát triển cho hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hóa, ngọai trừ phương pháp bù tương tác tĩnh. 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 chung cho nhiều quá trình đa biến trong công nghiệp thật sự cấp thiết.