Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) là một công cụ mạnh cho điều khiển các quá trình công nghiệp, đặc biệt là các quá trình phi tuyến, nhiều vào – nhiều ra. Bộđiều khiển MPC có lẽ là giải pháp tổng quát nhất cho thiết kế bộđiều khiển trong miền thời gian, có thể áp dụng cho hệ tuyến tính cũng như phi tuyến, đặc biệt là khi mà tín hiệu
đặt là biết trước. Ngoài ra bộ điều khiển MPC cũng có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển có các điều kiện ràng buộc. Tuy nhiên, do sử dụng các điều kiện ràng buộc, nên rất khó chứng minh được tính ổn định và bền vững. Về mặt lý thuyết của hệ MPC, mặc dù hầu hết các ứng dụng được tổng kết đều cho thấy độ ổn định nhất
định. Đây có thể nói là một trở ngại để MPC được phổ biến rộng rãi hơn trong lĩnh vực nghiên cứu về điều khiển. Mặc dù vậy, những kết quả mới đầy hứa hẹn hiện nay cho phép chúng ta nghĩđến việc mở rộng hơn nữa kỹ thuật điều khiển này trong tương lai.
Tư tưởng chính của bộđiều khiển dự báo theo mô hình là: - Luật điều khiển phụ thuộc vào những hành vi được dự báo.
- Sử dụng một mô hình toán học để dự báo đầu ra của đối tượng/quá trình tại các thời
điểm trong tương lai (gọi là miền giới hạn dự báo).
- Chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai sẽđược tính toán thông qua việc tối thiểu hóa một phiếm hàm mục tiêu.
- Sử dụng sách lược lùi xa, tức là tại mỗi thời điểm chỉ tín hiệu điều khiển đầu tiên trong chuỗi tín hiệu điều khiển đã tính toán được sử dụng, sau đó giới hạn dự báo lại
55
Hình 3.1 Sơđồ khối hệ thống điều khiển dự báo
Các thuật toán MPC khác nhau chỉ không giống nhau ở mô hình toán học mô tả đối tượng/quá trình, ồn nhiễu và phiếm hàm mục tiêu cần tối thiểu hóa. Do tính khả
mở của phương pháp MPC, nhiều công trình đã được phát triển và được thừa nhận rộng rãi trong công nghiệp và trong nghiên cứu. Thành công của các ứng dụng điều khiển dự báo không chỉ trong công nghiệp chế biến mà còn trong rất nhiều quá trình
đa dạng khác nữa, từđiều khiển robot cho tới gây mê lâm sàng (y học). Các ứng dụng MPC trong công nghiệp xi măng, tháp sấy, tháp chưng cất, công nghiệp hóa chất, lò hơi nước hay động cơ servo cũng đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu khác nhau. Kết quảđiều khiển tốt của những ứng dụng này cho thấy MPC có khả năng cho ra đời những hệ thống điều khiển có chất lượng, hiệu qủa, vận hành lâu dài và bền vững.
Phương pháp điều khiển MPC thể hiện một loạt các ưu điểm so với các phương pháp điều khiển khác, trong đó nổi bật là:
- Đặc biệt hấp dẫn với những người sử dụng có kiến thức hạn chế về lý thuyết
điều khiển bởi vì những khái niệm đưa ra đều rất trực quan, đồng thời việc điều chỉnh tương đối dễ dàng.
56
đặc tính động học đơn giản cho tới những quá trình phức tạp hơn, kể cả những hệ
thống có thời gian trễ lớn hoặc hệ pha không cực tiểu, hệ không ổn định. - Thích hợp cho điều khiển các hệ nhiều vào, nhiều ra (MIMO)
- Có khả năng tự bù thời gian trễ.
- Dễ dàng thực hiện luật điều khiển tuyến tính cho bộđiều khiển trong trường hợp không ràng buộc hạn chếđầu vào/ ra.
- Rất hiệu quả khi quỹđạo tín hiệu đặt (trong điều khiển robot hay điều khiển mẻ)
đã biết trước.
- Hoàn toàn là một phương pháp luận “mở” dựa trên những nguyên tắc cơ bản nhất định, cho phép những mở rộng trong tương lai.
Tuy nhiên, kỹ thuật MPC cũng có một số hạn chế. Một trong những hạn chếđó là mặc dù luật điều khiển được tạo ra đòi hỏi ít tính toán và dễ dàng thực hiện, song những tính toán đó phải được thực hiện liên tục tại mỗi thời điểm lấy mẫu. Khi xem xét đến những điều kiện ràng buộc thì khối lượng tính toán thậm chí còn lớn hơn. Tất nhiên, với năng lực tính toán sẵn có của máy tính như hiện nay, vấn đề này đã không còn trở nên thiết yếu. Chúng ta biết rằng, rất nhiều máy tính điều khiển các quá trình công nghiệp không sử dụng hết hiệu suất tính toán của chúng và thời gian sử dụng của máy tính thường giành cho những mục đích khác hơn là giành cho thuật toán điều khiển (như truyền thông, hội thoại với người vận hành, cảnh báo, ghi chép, ...). Mặc dù vậy, hạn chế lớn nhất của MPC là sự cần thiết một mô hình thích hợp cho đối tượng/quá trình bởi vì rõ ràng, sai lệch giữa đối tượng/quá trình thực với mô hình sử
dụng ảnh hưởng rất nhiều đến kết quảđạt được. Thực tế, MPC đã chứng tỏ là một giải pháp có thể chấp nhận trong điều khiển các quá trình công nghiệp, mặc dù nó vẫn còn thiếu những kết quả lý thuyết ở những điểm quan trọng như tính ổn định và bền vững.
57