Luận án Nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển phân số cho các quá trình đa biến

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN SỐ CHO CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

Ngành:

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển phân số cho các quá trình đa biến, một lĩnh vực mới mẻ thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Trong bối cảnh các quá trình công nghiệp chủ yếu là hệ đa biến phức tạp với sự tương tác giữa các biến, bài toán điều khiển trở nên khó khăn. Tác giả đề xuất các giải pháp sử dụng bộ điều khiển bậc phân số để giải quyết vấn đề này. Các đóng góp chính của luận án bao gồm:

• Đề xuất cấu trúc điều khiển mới cho hệ đa biến, kết hợp kỹ thuật phân ly đơn giản hóa và bộ dự báo Smith để xử lý các khâu trễ. Cấu trúc này, dù phức tạp, mang lại hiệu quả vượt trội so với các phương pháp hiện có.
• Sử dụng giải thuật tối ưu hóa bày đàn (PSO) để rút gọn và đơn giản hóa các hàm truyền thành phần của ma trận phân ly, đặc biệt hữu ích khi bậc của hệ đa biến tăng cao, giúp đơn giản hóa tính toán và tăng độ chính xác.
• Nghiên cứu sâu về tính toán phân số và ứng dụng trong điều khiển, đặc biệt là bộ điều khiển PID bậc phân số (FOPID). Tác giả đề xuất hai phương pháp hiệu chỉnh thông số cho bộ điều khiển đa biến: sử dụng cấu trúc mô hình nội (IMC) cho hệ bậc thấp (2x2) và tối ưu hóa bày đàn đa mục tiêu (MOPSO) cho hệ bậc cao (3x3, 4x4), đảm bảo tiêu chí đáp ứng và ổn định bền vững. Các phương pháp này được kiểm chứng qua mô phỏng và so sánh với các mô hình chuẩn.
• Phân tích và đánh giá ổn định bền vững của các bộ điều khiển đề xuất bằng cấu trúc M-A và sai số nhân đầu ra, với kết quả mô phỏng chứng tỏ sự ổn định bền vững so với các nghiên cứu khác.
• Làm rõ khả năng ứng dụng thực tế của bộ điều khiển đề xuất và điều khiển bậc phân số thông qua thực nghiệm trên hệ bốn bồn nước liên kết. Phương pháp bình phương tối thiểu được mở rộng để nhận dạng hệ đa biến và mô hình hóa hệ bồn nước, sau đó áp dụng các phương pháp đề xuất để tìm thông số bộ điều khiển. Kết quả thực nghiệm, thực hiện trên Matlab (Real Time Window Target), chứng minh khả năng triển khai thực tế của điều khiển bậc phân số.

Mục lục chi tiết:

• Lý lịch cá nhân
• Lời cam đoan
• Lời cảm tạ
• Ký hiệu và chữ viết tắc
• Danh sách hình ảnh
• Danh sách bảng
• Tóm tắt
• Abstract
• PHẦN MỞ ĐẦU
  • 1. Đặt vấn đề
  • 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
  • 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
  • 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
  • 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
  • 6. Cấu trúc của luận án
• Chương 1. TỔNG QUAN
  • 1.1 Giới thiệu hướng nghiên cứu
  • 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu
• Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
  • 2.1 Tính toán phân số trong điều khiển
  • 2.2 Bộ điều khiển PID bậc phân số
  • 2.3 Các kỹ thuật phân ly sử dụng cho hệ đa biến
    • 2.3.1 Giới thiệu kỹ thuật phân ly
    • 2.3.2 Phương pháp phân ly đơn giản hóa (simplified decoupling)
  • 2.4 Bộ dự báo Smith đa biến
  • 2.5 Phương pháp nhận dạng hệ đa biến
    • 2.5.1 Nhận dạng hệ tuyến tính đơn biến bằng phương pháp LS
    • 2.5.2 Phương pháp phân tách hệ tuyến tính đa biến
• Chương 3. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG VÀ ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG
  • 3.1 Các tiêu chí chất lượng đánh giá hệ thống điều khiển
    • 3.1.1. Chỉ số IAE (Integral Abolute Error)
    • 3.1.2 Chỉ số ITAE (Integral of Time-weighted Absolute Error)
    • 3.1.3 Chỉ số TV (Total Variation)
    • 3.1.4 Hàm độ nhạy cực đại
  • 3.2 Phân tích ổn định bền vững cho hệ đa biến
    • 3.2.1 Cấu trúc phân tích ổn định bền vững
    • 3.2.2 Điều kiện ổn định bền vững sử dụng SSV
• Chương 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐỀ XUẤT
  • 4.1 Kết hợp phân ly đơn giản hóa với bộ dự báo Smith
  • 4.2 Thuật toán tối ưu hóa bày đàn (PSO) để rút gọn mô hình
    • 4.2.1 Giới thiệu thuật toán tối ưu hóa bày đàn
    • 4.2.2 Đề xuất sử dụng thuật toán PSO để rút gọn mô hình
  • 4.3 Các đề xuất thiết kế bộ điều khiển PI/PID bậc phân số (FOPI/FOPID)
    • 4.3.1 Đề xuất phương pháp thiết kế dựa trên cấu trúc mô hình nội (IMC)
      • 4.3.1.1 Quy luật hiệu chỉnh cho các quá trình đa biến điển hình
      • 4.3.1.2 Phân tích ổn định bền vững của bộ điều khiển đề xuất
    • 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PI/PID bậc tổng quát cho hệ đa biến bậc cao sử dụng giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu
      • 4.3.2.1 Giải thuật tối ưu hóa bày đa mục tiêu (MOPSO)
      • 4.3.2.2 Sử dụng giải thuật MOPSO thiết kế bộ điều khiển PI bậc tổng quát
      • 4.3.2.3 Phân tích ổn định bền vững của hệ thống thiết kế
• Chương 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
  • 5.1 Các bài toán mô phỏng cho các giải pháp đề xuất
    • 5.1.1 Phương pháp đề xuất áp dụng cho hệ TITO
      • 5.1.1.1 Mô hình tháp Vinante và Luyben (VL)
      • 5.1.1.2 Bộ tách dầu nặng (Heavy oil fractionator)
    • 5.1.2 Phương pháp đề xuất cho hệ đa biến bậc cao
      • 5.1.2.1 Tháp chưng cất Ogunnaike và Ray (OR)
      • 5.1.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ HVAC
  • 5.2 Thực nghiệm điều khiển phân số cho hệ đa biến
    • 5.2.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm
    • 5.2.2 Nhận dạng hệ thống sử dụng phương pháp LS
    • 5.2.3 Thiết kế bộ điều khiển
• Chương 6. KẾT LUẬN
  • 6.1. Các kết quả đạt được
  • 6.2. Hạn chế và hướng phát triển
• Các công trình đã công bố
• TÀI LIỆU THAM KHẢO