4 Phương pháp nghiên cứu
1.3.1Ưu điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp MPC được khởi đầu cuối những năm 70 và phát triển mạnh kể từ đó. Thuật ngữ MPC không chỉ rõ một chiến lược điều khiển cụ thể mà chỉ một dải rộng các phương pháp điều khiển sử dụng mô hình toán học của đối tượng/quá trình để tìm tín hiệu điều khiển nhờ việc tối thiểu hóa một phiến hàm mục tiêu. Những phương pháp thiết kế này dẫn tới các bộ điều khiển tuyến tính có cấu trúc tương tự nhau. Chúng ít nhiều dựa trên những tư tưởng cơ bản sau:
- Sử dụng một mô hình toán học để dự báo đầu ra của đối tượng/quá trình tại các thời điểm tong tương lai (gọi là giới hạn dự báo – horizon).
- Tính toán chuỗi tín hiệu điều khiển nhờ tối thiểu hóa một phiến hàm mục tiêu.
22
- Sách lược lùi xa (receding strategy), tức là tại mỗi thời điểm, chỉ tín hiệu điều khiển đầu tiên trong chuỗi tín hiệu điều khiển đã tính được sử dụng, sau đó giới hạn dự báo được dịch đi một bước về phía tương lai.
Các thuật toán MPC khác nhau chỉ khác ở mô hình toán học mô tả đối tượng/quá trình, nhiễu và phiếm hàm mục tiêu cần tối thiểu hóa. Do tính mở bản đầu của phương pháp MPC, nhiều công trình đã được phát triển và được thừa nhận rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu. Thành công của các ứng dụng trong điều khiển dự báo không chỉ trong công nghiệp chế biến mà còn trong rất nhiều quá trình đa dạng khác, từ điều 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 PVC, máy phát hơi nước hay động cơ servo cũng đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu khác nhau. Chất lượng tốt của những ứng dụng này cho thấy MPC có khả năng đạt được những hệ thống điều khiển hiệu quả cao, vận hành lâu dài và bền vững.
MPC thể hiện các ưu điểm nổi bật so với các phương pháp điều khiển khác, những ưu điểm được liệt kê như sau:
- MPC 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.
- MPC có thể được sử dụng để điều khiển rất nhiều quá trình, từ những quá trình có đặc tính động học đơn giản cho tới những quá trình phức tạp hơn, kể cả những hệ thống có thời gian trễ lớn hơn hoặc hệ pha không cực tiểu, hệ không ổn định.
- MPC thích hợp và dễ dàng giải quyết việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ nhiều vào nhiều ra (MIMO – Multi Input Multi Output).
- Để giảm ảnh hưởng của nhiễu và tăng độ chính xác, MPC sử dụng nguyên tắc bù sai lệch tác động đầu vào và bù nhiễu.
23
- Kết quả của bộ điều khiển dễ được áp dụng cho luật điều khiển tuyến tính. - MPC rất hiệu quả khi quỹ đạo tín hiệu đặt (trong điều khiển robot hay quá trình mẻ) đã biết trước.
- Nó 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, điều khiển MPC cũng có một số hạn chế. Một trong những hạn chế đó là mặc dù luật điều khiển được tạo ra đòi hỏi ít tính toán và dễ dàng thực hiện, nhưng các phương trình vi phân phức tạp hơn trong trường hợp bộ điều khiển PID kinh điển. Nếu quá trình động học không thay đổi, thì việc lấy vi phân của bộ điều khiển được thực hiện trước tiên, song trong trường hợp điều khiển thích nghi, tất cả những tính toán đó phải được thực hiện liên tục tại thời điểm lấy mẫu. Khi xem xét đến những điều kiện ràng buộc (constraints) 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 ngại lớn. 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 dùng cho những mục đích khác hơn là dành 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 quả đạt 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.