Ứng dụng MPC trong hệ thống điều khiển nhiệt độ

Bài viết Ứng dụng MPC trong hệ thống điều khiển nhiệt độ áp dụng điều khiển dự báo (MPC) để tăng chất lượng điều khiển và tăng khả năng thích nghi với nhiều đối tượng lò nhiệt khác nhau, cũng như kiểm soát các ràng buộc điều khiển.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng MPC trong hệ thống điều khiển nhiệt độ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 1 1 ỨNG DỤNG MPC TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ APPLYING MPC CONTROLLER IN TEMPERATURE CONTROL SYSTEM Trần Thái Anh Âu, Trương Thị Bích Thanh Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; ttaau@dut.udn.vn; ttbichthanh@gmail.com Tóm tắt - Lò nhiệt công nghiệp có đặc trưng chung là tính trễ và biến Abstract - Industrial furnace is characterized by a time delay and thiên chậm. Do đó, trong công nghiệp bộ điều khiển PID được sử slow response. Therefore, PID controller is commonly used for dụng phổ biến trong điều khiển nhiệt độ, vì tính ổn định và dễ cài đặt temperature control, due to its stability and easy installation. của nó. Tuy nhiên, vấn đề với PID là tinh chỉnh các tham số PID để However, with PID, we have to refine PID parameters corresponding thích nghi với việc điều khiển nhiều chế độ hoặc tham số đối tượng to different control cases, or variability of process parameters. có sự biến thiên, cũng như cài đặt các ràng buộc của tín hiệu điều Moreover, an issue arises in PID controller is how to set constraints khiển vào bộ điều khiển. Trước những vấn đề đó, bài báo áp dụng for controller signals. For those issues, this article proposes a method điều khiển dự báo (MPC) để tăng chất lượng điều khiển và tăng khả based on Model Predictive Control (MPC) for improving performance năng thích nghi với nhiều đối tượng lò nhiệt khác nhau, cũng như of the controller and capability to adapt to different temperature kiểm soát các ràng buộc điều khiển. Kết quả mô phỏng của bài báo objects, as well as control signal constraints. Simulation results of sẽ được so sánh với kết quả của bộ điều khiển PID kinh điển về một MPC control are compared with the results of PID in terms of số chỉ tiêu chất lượng, đặc biệt là độ quá điều chỉnh và thời gian đáp performance indices, especially overshoot, response time for ứng với các giá trị đặt khác nhau. Qua đó, bộ điều khiển dự báo sẽ different set point values. It is observed that MPC for temperature cho thấy cho các chỉ tiêu chất lượng điều khiển tốt. process control provides better performance indices. Từ khóa - điều khiển dự báo; quá điều chỉnh; thời gian đáp ứng; Key words - Model Predictive Control; over shoot; response time; điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân; ràng buộc. PID controller; constraints. 1. Đặt vấn đề 2.1. Xây dựng bài toán Các bộ trao đổi nhiệt, hay các lò nhiệt có đặc điểm khá Cho mô hình trạng thái của hệ thống một tín hiệu vào đặc biệt là biến thiên chậm, và có tính trễ về đặc tính thời và một tín hiệu ra như sau: gian [1], [2]. Để điều khiển ổn định nhiệt độ cho các đối ( + 1) = ( )+ ( ) (1) tượng này trong thực tế công nghiệp từ rất lâu đời, PID luôn là sự lựa chọn ưu tiên do cấu trúc khá đơn giản và dễ cài đặt ( )= ( ) trong thực tế [3], [4], [5]. Tuy nhiên, trong bộ điều khiển Ở đây, là tín hiệu điều khiển, là tín hiệu đầu ra, PID, hiện tượng “Windup” do tương tác của khâu tích phân là biến trạng thái. Ta chuyển mô hình về dạng phù hợp với trong bộ PID và sự bão hòa có thể gây ra sai lệch tĩnh khá mục tiêu thiết kế. lớn, làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bộ điều khiển Ta dễ dàng có được: PID. Do đó đã có nhiều nghiên cứu khắc phục hiện tượng ∆ ( + 1) = ( + 1) − ( ) này [6], [7]. Tuy nhiên, việc kiểm soát các ràng buộc tín hiệu điều khiển cũng như việc tinh chỉnh PID khi điều khiển bám = ( ) − ( − 1) tín hiệu đặt khác nhau, hay tham số đối tượng thay đổi vẫn + ( ) − ( − 1) còn là hạn chế của bộ điều khiển PID. Với những vấn đề đó, ∆ ( + 1) = ∆ ( )+ ∆ ( ) phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control-MPC), với những tính năng điều khiển ( + 1) − ( ) = ( + 1) − ( ) tốt hơn đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây = ∆ ( + 1) [8], [9]. Trong bài báo này, nhóm tác giả đưa ra phương pháp = ∆ ( )+ ∆ ( ) điều khiển dự báo theo mô hình có ràng buộc áp dụng cho ∆ ( ) mô hình đối tượng lò nhiệt có trễ. Đặt: ( ) = ( ) Nội dung bài báo sẽ được chia thành các mục như sau: Ta có, mô hình trạng thái mới như sau: Trong mục 2, nhóm tác giả sẽ giới thiệu về phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình và các phương trình toán 0 học liên quan. Tiếp theo, mô tả toán học về đối tượng lò ( + 1) = ( )+ ∆ ( ) (2) 1 nhiệt sẽ được trình bày trong mục 3. Các kết quả mô phỏng sẽ được trình bày trong mục 4. Mục 5 sẽ tóm tắt một số kết ∆ ( ) ( ) = [0 1] = ( ) luận của bài báo. ...