- Điều khiển hệ thống được hiểu là bài toán can thiệp vào đối tượng điều khiển để hiệu chỉnh, để biến đổi sao cho nó được chất lượng mong muốn.
- Định nghĩa tối ưu hóa: Trong điều khiển hệ thống, thường gặp bài toán chọn các tham số điều khiển trong số những tham số thích hợp sao cho hệ thống đạt được chất lượng một cách tốt nhất. Bài toán đó được gọi là điều khiển tối ưu tĩnh, hay còn gọi là tối ưu hóa. [3].
Hình 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển dự báo
Điều khiển dự báo ra đời cách đây khoảng vài thập kỷ (từ những năm 1960 và đã có nhiều ứng dụng thành công trong công nghiệp) (Richalet, 1993). Hiện nay điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong việc điều khiển quá trình. Bộ điều khiển dự báo dùng một mô hình để đoán trước đáp ứng tương lai của đối tượng điều khiển tại các thời điểm rời rạc trong một phạm vi dự báo (Prediction horizon) nhất định. Dựa vào đáp ứng dự báo này, một thuật toán tối ưu hoá được sử dụng để tính toán chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai trong phạm vi điều khiển (Control horizon) sao cho sai lệch giữa đáp ứng dự báo bởi mô hình và tín hiệu chuẩn cho trước là tối thiểu. Phương pháp điều khiển dự báo là phương pháp tổng quát thiết kế bộ điều khiển trong miền thời gian có thể áp dụng cho hệ tuyến tính cũng như hệ phi tuyến.
20
Điều khiển dự báo là phương pháp điều khiển được áp dụng chủ yếu cho các quá trình. Chất lượng hệ thống điều khiển dự báo được xác định hoàn toàn trên cơ sở bài toán tối ưu hóa và thuật toán tìm nghiệm tối ưu cho bài toán đó.
Hình 2.1 mô tả cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo. Nó gồm ba phần chính như sau:
- Hàm mục tiêu Q (p ). Hàm mục tiêu này được xây dựng theo nguyên tắc là nghiệm tối ưu của nó phải làm cho tổng
i = 0,1,2,…, M −1 giữa tín hiệu ra tương lai
[k, k + M), kể từ thời điểm k hiện tại, và tín hiệu đặt wk+i , đạt giá trị nhỏ nhất. - Mô hình dự báo được sử dụng để xác định xấp xỉ các tín hiệu đầu ra yˆk+ i
từ giá trị đầu vào quá khứ tương ứng tính tại thời điểm k + i , tức là xác định:
yˆ k+i = ϕi (u k ,..., u k +i−1 ) .
- Thuật toán tìm nghiệm bài toán tối ưu. Cho cùng một bài toán tối ưu có nhiều thuật toán tìm khác nhau. Tuy nhiên phù hợp với điều khiển dự báo hơn cả là những thuật toán giải tích hoặc các thuật toán lặp mang tính trực tuyến, có tốc độ hội tụ nhanh. [2].
Các phương pháp trong điều khiển dự báo:
b) Điều khiển dự báo theo hệ tuyến tính
Bộ điều khiển dự báo sẽ được gọi là tuyến tính nếu mô hình dự báo là tuyến tính. Hệ LTI (tuyến tính tham số hằng) có bốn mô hình toán tương đương nhau là:
• Hàm trọng lượng gk
• Hàm quá độ hk
• Hàm truyền đạt G (z)
• Mô hình trạng thái
Tương ứng cũng sẽ có bốn mô hình dự báo và từ đó là bốn phương pháp điều khiển dự báo tuyến tính khác nhau, bao gồm:
• Điều khiển dự báo theo mô hình MAC (Model Algorithmic Control)
• Ma trận động học điều khiển DMC (Dynamic Matrix Control)
21
• Điều khiển dự báo tổng quát GPC (Generalized Predictive Control)
• Bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái [2]. b) Điều khiển dự báo phản hồi trạng thái hệ song tuyến
Điều khiển dự báo phản hồi trạng thái hệ song tuyến được áp dụng cho từng bài toán riêng biệt, cụ thể là:
• Điều khiển ổn định hệ
• Điều khiển bám tín hiệu mẫu ở đầu ra