7. Bố cục và nội dung của luận án
1.2.2 Tổng quan về phương pháp điều khiển
Nghiên cứu ứng dụng và phát triển các thuật toán điều khiển cho WTS vẫn đang được quan tâm hiện nay. Tổng quan ta có thểchia làm hai nhóm chính như sau:
a) Điều khiển tuyến tính
Có thểnói, trước đây đa phần các bộđiều khiển cơ bản trong công nghiệp đều là các bộđiều khiển tuyến tính. Nhiều phương pháp của điều khiển nâng cao được phát triển vềtư tưởng từ lý thuyết điều khiển tuyến tính. Trong các nhà máy, kết quả khảo sát cho thấy vẫn đang áp dụng các bộđiều khiển kinh điển PID [17], [24], [25], [26], [27], [28], [29] với yêu cầu công nghệ nhất định thì các bộđiều khiển này vẫn đang hoạt động đảm bảo các yêu cầu đặt ra, thuật toán dễdàng được cài đặt trong các bộ điều khiển đang được áp dụng. Tuy nhiên bên cạnh đó, các bộđiều khiển được thiết kếcho đối tượng có mô hình toán học với giả thiết tham sốkhông đổi, dẫn tới bộđiều khiển chưa đáp ứng tốt với sự bất định và biến thiên của tham số trong mô hình. Để cải thiện chất lượng bộ điều khiển tuyến tính người ta có thể kết hợp với các bộ bù như sau:
+ Phương pháp bù sai lệch mô hình: Trong thực tế hiện nay, để cải thiện các chất lượng cho các bộđiều khiển tuyến tính, bằng kinh nghiệm các kỹsư vận hành tại các nhà máy sẽ tính toán bộ bù cho lực căng Tsum bằng tổng các Ti được bù theo nguyên lý bù sai lệch mô hình Hình 1.16, với các bộ bù này đã cải thiện đáng kể chất lượng cho điều khiển. Tuy nhiên với mỗi công nghệđòi hỏi bộ bù phải được tính toán và thử nghiệm đểcó điểm bù tối ưu.
+ Phương pháp điểu khiển loại bỏ nhiễu chủđộng ADRC (Active Disturbance Rejection Control): Phương pháp ADRC so với phương pháp PID truyền thống là chỉ cần ít thông tin vềđối tượng ta đã có thểtính toán được bộđiều khiển [30], [31], [32], [33], . Việc ước tính trực tuyến của trạng thái mới này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng (Extended State Observer – ESO). Bộ quan sát này có nhiệm vụ theo dõi và ước lượng các nhiễu tác động trực tiếp, các sai số của việc mô hình hóa đối tượng so với thực tế. Nhờcác ưu điểm như dễ chỉnh định, cho đáp ứng nhanh và tính bền vững khi tham sốquá trình thay đổi, bộđiều khiển loại bỏ nhiễu chủđộng đang được quan tâm nghiên cứu để thay thế cho bộđiều khiển PID truyền thống. Nghiên cứu [34] sử dụng bộ quan sát mở rộng ESO để quan sát các thành phần phi tuyến và nhiễu để từđó đưa mô hình về dạng tuyến tính và thiết kế điều khiển.
Hình 1.17 Cấu trúc điều khiển ADRC (nguồn: [34])
Mặc dù các bộ điều khiển tuyến tính được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, có cấu trúc điều khiển phân tán, dễ thực hiện, chi phí thấp. Tuy nhiên chưa phù hợp khi tham số mô hình biến thiên hoặc có nhiễu tác động. Khó tổng hợp bộ điều khiển và xét ổn định cho cả hệ dạng MIMO [35], [36], [37], [38], [39], [40]. Đặc biệt khi vận hành phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm hiệu chỉnh của kỹ sư.
b) Điều khiển phi tuyến:
Với mô hình hệ cắt cuộn lại một đoạn, các giải pháp điều khiển phi tuyến hiện đại như điều khiển trượt, điều khiển mờ [41], [42], [43], [44], [35], [45], [46]... đã được áp dụng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của các WTS.
+ Phương pháp điều khiển bền vững trong đó phải kể đến phương pháp trượt [47], [48] đây là phương pháp có ưu điểm là bền vững với các yếu tố nhiễu đầu vào, ít nhạy với sự biến thiên của tham sốđầu vào, có khảnăng kháng nhiễu tốt, đặc biệt đáp ứng động lực học nhanh. Tuy nhiên với yêu cầu sai số nhỏ khi điều khiển lực
căng cho mô hình lựa chọn, kết quả mô phỏng theo nghiên cứu trên vẫn có độ quá điều chỉnh cao (Hình 1.18), có độquá điều chỉnh khoảng 10%. Hơn nữa, chưa nêu rõ giải pháp khắc phục hiện tượng chattering, hiện tượng này đặc biệt sẽảnh hưởng đến việc triển khai bộđiều khiển số trên thiết bị thật.
Hình 1.18 Đáp ứng lực căng khi áp dụng phương pháp trượt (nguồn: [49])
+ Điều khiển thông minh: Điều khiển mạng nơ ron có khảnăng học, xấp xỉ hàm phi tuyến, khử sai số [44], [50] thực hiện tích hợp hiệu quả cho những ứng dụng thời gian thực. Đã có nhiều nghiên cứu theo hướng này như [51], tuy nhiên cấu trúc tương đối phức tạp, khi áp dụng phải tính đến cả khả năng cài đặt thuật toán trên thiết bị. Điều khiển mờ [52], [53] cũng được đã được nghiên cứu áp dụng cho WTS, với ưu điểm cấu trúc đơn giản dễ thực thi, không cần nhiều thông tin đầy đủ vềđối tượng, nhược điểm là phải dựa trên kinh nghiệm điều khiển của chuyên gia.
+ Điều khiển thích nghi: Rất nhiều nghiên cứu gần đây đã có những công bố về các cấu trúc điều khiển thích nghi cho WTS. Trong đó thiết kế bộđiều khiển sử dụng kỹ thuật back-stepping gần đây được nghiên cứu và công bố. Có thể thấy thuật toán điều khiển back-stepping theo các nghiên cứu [20], [21], [50], [54], [55] và [56] cho WTS đã phần nào cho thấy chất lượng và tính ổn định của hệđược đảm bảo, kết quả thực hiện cho lực căng có độquá điều chỉnh rất nhỏ (1%) và như (Hình 1.19).
Việc thiết kế theo phương pháp back-stepping này có nhiều ưu điểm, đầu tiên đây là hệ quả của ổn định Lyapunov, nên không cần xét ổn định. Tuy nhiên khi áp dụng kỹ thuật này bộđiều khiển phải khắc phục được hiện tượng nhạy với đạo hàm biến thiên [57].