Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÊ LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ S K A0 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2020 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: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Phản biện 1: PGS.TS Võ Tường Quân Phản biện 2: PGS.TS Lê Thanh Danh Phản biện 3: PGS.TS Đặng Văn Nghìn LÝ LỊCH CÁ NHÂN I THƠNG TIN CÁ NHÂN Họ tên: LÊ LINH Phái: Nam Ngày tháng năm sinh: 04/04/1976 Tại: Đắk Lắk QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO II - 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 III - Q TRÌNH CƠNG 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 Tp.HCM, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Lê Linh i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Các kết nghiên cứu trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học Tp.HCM, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Linh ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian dài nghiên cứu đến luận án hoàn thành Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lê Hiếu Giang, PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình thực luận án, điều truyền cho cảm hứng nguồn động lực lớn để hoàn thành luận án Tôi xin đặc biệt gởi lời cảm ơn đến q Thầy, Cơ Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM dành nhiều thời gian để giảng dạy, truyền đạt tri thức khoa học quý báu cho từ học đại học Những tri thức mãi theo suốt đời làm khoa học Tơi xin dành lời cám ơn chân thành đến 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 Đại học Việt Đức dành thời gian quý báu để giảng dạy cho lời khuyên có giá trị thời gian hoàn thành luận án Cuối tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới gia đình hi sinh vợ dành cho tôi, bạn bè đồng nghiệp không ngừng động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án iii 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 - 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 TÓM TẮT Hệ đa biến trình phức tạp với tương tác lẫn biến trình, biến điều khiển Việc làm q trình phân tích thiết kế điều khiển cho hệ đa biến trở nên khó khăn phức tạp Để khắc phục khó khăn này, có hai hướng nghiên cứu chính: sử dụng phương pháp điều khiển đại điều khiển dự báo, điều khiển thông minh; hai tận dụng kỹ thuật điều khiển đơn biến điển điều khiển PID phổ biến công nghiệp Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương án thiết kế điều khiển phân ly cho trình đa biến nhằm tách hệ đa biến phức tạp thành vòng điều khiển đơn biến đơn giản thiết kế điều khiển PID cho vòng điều khiển tương ứng Phương án đề xuất mang tính tổng qt có khả ứng dụng cho hệ đa biến khác Hiện nay, có ba kỹ thuật phân ly bao gồm phân ly lý tưởng, phân ly nghịch phân ly đơn giản hóa Tác giả tìm hiểu ưu nhược điểm phân ly từ chọn phân ly đơn giản hóa làm hướng nghiên cứu luận án Phân ly đơn giản hóa với ưu điểm đơn giản ma trận phân ly, thành phần đường chéo đơn vị, bền vững có sai số mơ hình lựa chọn thích hợp cho ứng dụng thực tế Trong luận án này, tác giả phát triển phương pháp thiết kế phân ly đơn giản hóa tổng quát cho hệ đa biến bậc n dựa mối quan hệ dãy độ lợi tương quan động (Dynamic Relative Gain Array) hàm truyền ma trận hàm truyền hệ đa biến Bên cạnh đó, phương pháp hiệu chỉnh thơng số điều khiển PID dựa cấu trúc mơ hình nội (IMC) cho hệ điển hình đề xuất Phương pháp đề xuất đưa công thức tường minh tính tốn thơng số điều khiển PID Trong đó, có hai điểm bật 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 xác đặc tính động hệ thống vi ... luận án ? ?Nghiên cứu thiết kế điều khiển phân ly dùng cho hệ thống đa biến? ?? cho luận án tiến sĩ 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án đề xuất phương pháp việc thiết kế điều khiển phân ly cho q... nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương án thiết kế điều khiển phân ly cho trình đa biến nhằm tách hệ đa biến phức tạp thành vòng điều khiển đơn biến đơn giản thiết kế điều khiển PID cho vòng điều khiển. .. việc điều khiển hệ đa biến Tuy nhiên, bật kỹ thuật phân ly với ba phương pháp: phân ly lý tưởng, phân ly nghịch phân ly đơn giản hóa Ngày nay, điều khiển phân ly sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển