Điều khiển bền vững hệ lò hơi-Tuabin phi tuyến nhờ bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái với mô hình dự báo tuyến tính và bộ quan sát UKF

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 33 ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG HỆ LỊ HƠI-TUABIN PHI TUYẾN NHỜ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHẢN HỒI TRẠNG THÁI VỚI MƠ HÌNH DỰ BÁO TUYẾN TÍNH VÀ BỘ QUAN SÁT UKF Phạm Văn Hùng1*, Nguyễn Đức Anh2, Vũ Tiến Thành2 Tĩm tắt: Bài báo đề xuất một phương pháp điều khiển các quá trình phi tuyến khơng liên tục bị tác động ảnh hưởng của nhiễu ồn trắng lan truyền phi tuyến trong hệ và nhiễu tải biến đổi chậm tác động ở đầu ra. Bộ điều khiển dự báo phi tuyến (NMPC) phản hồi đầu ra ở đây gồm một bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái xây dựng trên nền mơ hình dự báo xấp xỉ tuyến tính từng đoạn và một bộ lọc UKF để quan sát trạng thái. Khi áp dụng vào điều khiển hệ nồi hơi-tuabin, bộ điều khiển đề xuất này luơn đảm bảo được chất lượng bám của hệ trong tồn bộ miền làm việc của nồi hơi, chứ khơng chỉ riêng trong lân cận năm điểm làm việc như các bộ điều khiển hiện cĩ. Khả năng điều khiển bền vững hệ lị hơi-tuabin đối với nhiễu tải và nhiễu đo đã được bài báo kiểm chứng qua thực nghiệm mơ phỏng. Từ khĩa: Điều khiển dự báo phi tuyến, Bộ lọc UKF, Hệ lị hơi-tuabin. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nồi hơi-tuabin là một khâu quan trọng trong các nhà máy nhiệt điện. Để điều khiển an tồn và chất lượng hệ nồi hơi-tuabin cần cĩ một mơ hình đủ chính xác cho nĩ và một mơ hình như vậy là mơ hình cĩ dạng phi tuyến như sau [1]:   9/8 1 2 1 1 3 9/8 2 2 1 2 3 3 2 1 0.0018 0.9 0.15 (0.073 0.016) 0.1 141 (1.1 0.19) 85 x u x u u x u x x x u u x                 (1) trong đĩ:  ba đầu vào 1 2 3, , u u u lần lượt là độ mở van nguyên liệu, van điều khiển hơi cấp cho tuabin và van nước cấp.  ba biến trạng thái 1 2 3, , x x x lần lượt là áp suất bao hơi 2( )kg cm , cơng suất phát điện ( )MW và khối lượng riêng của hơi nước 3( )kg cm ,  ba đầu ra: 1 1 2 2 3 3 , 0.05(0.13073 100 / 9 67.975)cs e y x y x y x a q       (2) lần lượt là áp suất bao hơi 2( )kg cm , cơng suất phát điện ( )MW và độ chênh lệch mức nước trong bao hơi ( )m , với 3 1 3 1 2 1 1 3 (1 0.001538 )(0.8 25.6) (1.0394 0.0012304 ) (0.854 0.147) 45.59 2.514 2.096. cs e x x a x x q u x u u         Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. V. Hùng, N. Đ. Anh, V. T. Thành, “Điều khiển bền vững bộ quan sát UKF.” 34 Như vậy, mơ hình nồi hơi-tuabin (1) là một hệ đa biến cĩ tính chất phi tuyến và tương tác giữa các đầu vào ra mạnh. Vì vậy, việc thiết kế bộ điều khiển nhằm đảm bảo hệ thống vận hành trơn tru và đảm bảo an tồn trong điều kiện nhu cầu sử dụng điện năng thay đổi thường xuyên và thỏa mãn các yêu cầu chặt chẽ về cơng nghệ cần tới những phương pháp điều khiển phi tuyến. Cho đến nay đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu về phương pháp điều khiển hệ nồi hơi-tuabin với kết quả thu được khá tốt. Tuy nhiên, các cơng trình này cịn một vài hạn chế khi giải quyết bài tốn cĩ ràng buộc và điều khiển hệ thống đạt tới mọi giá trị đặt mong muốn trong miền hoạt động của hệ thống, cũng như chưa đề cập tới khả năng kháng nhiễu của bộ điều khiển. Phương pháp điều khiển thường dùng là sử dụng bộ điều khiển PID cải tiến cĩ khả năng tự động chỉnh định tham số [2]. Vì đây là bộ điều khiển tuyến tính nên người ta đã phải tuyến tính hĩa mơ hình phi tuyến (1) xung quanh các điểm làm việc. Khả năng tự chỉnh định tham số bổ sung cho PID cải tiến này dựa trên khả năng phát hiện các điểm làm việc chủ đạo của hệ nồi hơi-tuabin rồi dựa vào đĩ chọn được bộ tham số làm việc phù hợp. Ngồi ra, bộ điều khiển này chưa xử lý được các ràng buộc về tín hiệu đầu vào. Một bộ điều khiển tiên tiến khác cũng đã được giới thiệu gần đây là bộ điều khiển dự báo MPC (Model Predictive Controller), song nĩ vẫn phải dựa trên mơ hình tuyến tính được áp dụng để điều khiển hệ này. Trong tài liệu [3], các tác giả đã đề xuất phương pháp tuyến tính hĩa hệ thống nồi hơi-tuabin quanh năm điểm làm việc, sau đĩ thiết kế các bộ điều khiển dự báo MPC phản hồi đầu ra riêng lẻ cho năm hệ tuyến tính thu được. Kết quả mơ phỏng cho thấy, càng sử dụng nhiều mơ hình tuyến tính quanh điểm làm việc thì đáp ứng hệ thống càng tốt. Tuy nhiên, do sử dụng hàm mục tiêu cĩ tầm dự báo vơ hạn, phương pháp này sẽ gặp nhiều khĩ khăn khi giải quyết bài tốn cĩ ràng buộc, cũng như việc tuyến tính hĩa quanh điểm làm việc chỉ giúp hệ thống điều khiển ổn định tại một số điểm làm việc chứ khơng phải trên tồn miền hoạt động của hệ thống. Phương pháp sử dụng MPC phi tuyến [4] vào điều khiển nồi hơi-tuabin cũng đã được đề cập. Song cĩ thể thấy với các thuật tốn NMPC trình bày trong tài liệu [4], người ta khĩ cĩ thể cài đặt được chúng do cơng thức dự báo đầu ra cĩ dạng hàm hợp của nhiều hàm phi tuyến lồng vào nhau, gây khĩ khăn cho việc giải bài tốn tối ưu phi tuyến sau này, cũng như việc chọn các hàm phạt thích hợp để đảm bảo ổn định hệ phi tuyến. Để vượt qua được các khĩ khăn của các thuật tốn NMPC, sau đây bài báo này sẽ đề xuất một phương pháp điều khiển dự báo phản hồi đầu ra cĩ ràng buộc về tín hiệu điều khiển cho hệ phi tuyến nĩi chung, sau đĩ áp dụng vào điều khiển hệ nồi hơi-tuabin nĩi riêng để đánh giá chất lượng bền vững của bộ điều khiển. Phương pháp này được xây dựng dựa trên nguyên lý tách, tức là nĩ được ghép chung bộ điều khiển phản hồi trạng thái với mơ hình dự báo trạng thái tuyến tính từng đoạn, cùng với bộ quan sát trạng thái UKF (Unscented Kalman filter) cĩ tác dụng xác định trạng thái của hệ từ các tín hiệu vào ra đo được. Như vậy, bộ điều khiển này sẽ cĩ khả năng vừa giảm thiểu được sự ảnh hưởng của các nhiễu tải ở đầu ra nhờ phương pháp cực tiểu hĩa sai lệch đầu ra của bộ điều khiển phản hồi trạng thái, Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 35 vừa loại bỏ được sự ảnh hưởng của nhiễu ồn trắng nhờ bộ lọc UKF. Hơn thế nữa, bộ điều khiển đề xuất này cịn điều khiển bền vững được các hệ phi tuyến mà khơng cần tuyến tính hĩa quanh các điểm làm việc và cĩ khả năng đưa hệ nồi hơi- tuabin tới mọi giá trị đặt mong muốn trong miền làm việc của hệ thống. 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO Bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra của bài báo được xây dựng theo nguyên lý tách, nên nĩ sẽ gồm hai phần. Phần thứ nhất là điều khiển dự báo phản hồi trạng thái và phần thứ hai là quan sát trạng thái với bộ lọc UKF. 2.1. Điều khiển dự báo phi tuyến phản hồi trạng thái cĩ ràng buộc nhờ mơ hình dự báo tuyến tính Xét hệ động học phi tuyến cĩ mơ hình khơng liên tục: 1 ( , ) ( , ) k k k k kk x f x u y g x u     (3) trong đĩ,  1[ ], ... , [ ] T nkx x k x k là vector các trạng thái,  1[ ], ... , [ ] T mku u k u k là vector các tín hiệu đầu vào (biến điều khiển),  1[ ], ... , [ ] T qk y y k y k là các tín hiệu đầu ra, ( , ), ( , )k k k kf x u g x u là các vector hàm phi tuyến trơn theo kx và ku . Hiển nhiên tại thời điểm kt kT hiện tại với T là chu kỳ trích mẫu thì các giá trị trạng thái và điều khiều khiển quá khứ 1 1 2 2, , , , k k k kx u x u     là đã cĩ. Nhiệm vụ của bộ điều khiển phản hồi trạng thái được đặt ra ở đây là từ giá trị trạng thái kx đo được ở thời điểm hiện tại, phải xác định được tín hiệu điều khiển ku sao cho giá trị đầu ra k y tiệm cận được về dãy giá trị mong muốn đặt trước là kw . Ở đây, ta cĩ thể thấy ngay rằng nếu sử dụng trực tiếp phương pháp NMPC của tài liệu [4] vào điều khiển dự báo phản hồi trạng thái cho hệ (3) thì từ mơ hình phi tuyến (3), đầu ra dự báo k i y  của nĩ sẽ cĩ dạng phi tuyến phức hợp gồm hợp của nhiều hàm phi tuyến: 1( )( , , , , )k k k k ik iy g f f f x u u u         nên rất khĩ triển khai được trong bài tốn tối ưu sau này. Để tránh khĩ khăn trên, chúng tơi sẽ sử dụng một mơ hình tuyến tính xấp xỉ trong khoảng thời gian giữa hai lần trích mẫu ( 1)kT t k T   cho việc dự báo trạng thái k ix  và k iy  thay vì sử dụng trực tiếp mơ hình (3) của hệ. Trước tiên, do cĩ giả thiết ( , ), ( , )k k k kf x u g x u là các vector hàm phi tuyến, trơn theo kx và ku , nên chúng luơn xấp xỉ tuyến tính được tại thời điểm quá khứ trước đĩ là 1 1,k kx u  nhờ phép phân tích chuỗi Taylor như sau: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. V. Hùng, N. Đ. Anh, V. T. Thành, “Điều khiển bền vững bộ quan sát UKF.” 36                 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 , , 1 1 1 1 1 1 , , 1 11 ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) k k k k k k k k k k k k k k k k x u x u k kk k k k k k k k k k k k k x u x u k kk k k kk f f f x u f x u x x u u x u x A x x B u u g g g x u g x u x x u u x u y C x x D u u                                                 trong đĩ: 1 1 1 1 1 1 1 1, , , , , , , k k k k k k k k k k k k x u x u x u x u f f g g A B C D x u u u                     (4) Tiếp theo, cũng từ tính liên tục (trơn) của ( , ), ( , )k k k kf x u g x u , và khi chu kỳ trích mẫu T là đủ nhỏ, ta cịn cĩ: 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 k k k kk k k k k k k k kk k k k k A x B u A x B u x C x D u C x D u y                    Tất nhiên sai lệch sinh ra từ sự xấp xỉ trên là đủ nhỏ để cĩ thể chấp nhận được chỉ trong một chu kỳ trích mẫu. Do đĩ, ta cũng khơng nên mở rộng việc xấp xỉ trên cho nhiều chu kỳ trích mẫu, vì khi đĩ sai số xấp xỉ sẽ lớn. Vậy, khi ( 1)kT t k T   , hệ (3) cho ban đầu sẽ xấp xỉ được bởi: 1 : k kk k k k k kk kk x A x B u H y C x D u       (5) Do ở thời điểm k hiện tại, các giá trị quá khứ 1 1,k kx u  là đã biết nên bốn ma trận , , , k k k kA B C D tính theo (4) của mơ hình tuyến tính (5) đều là những ma trận hằng đã biết, hay kH là mơ hình LTI. Đến đây ta đã cĩ thể sử dụng mơ hình LTI kH trên làm mơ hình dự báo để thiết kế bộ điều khiển dự báo. Tuy nhiên, do nĩ chỉ là mơ hình xấp xỉ tuyến tính và kd { }kw k i y  ku ky kx Mơ hình dự báo mới khi cĩ thêm thành phần tích phân Hệ phi tuyến Hàm mục tiêu Mơ hình dự báo cũ Tối ưu hĩa ( 1)z z  Hình 1. Minh họa tư tưởng xây dựng mơ hình dự báo cĩ chứa thành phần tích phân. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 37 cửa sổ dự báo là hữu hạn nên rất cĩ thể sau này, khi đã điều khiển hệ vào được chế độ xác lập, hệ vẫn cịn sai lệch tĩnh, tức là mặc dù đã cĩ sai lệch đầu ra k kk e y w  tiến tới hằng số thì hằng số đĩ vẫn cịn khác 0. Để khắc phục điều này, ta sẽ bổ sung thêm vào bộ điều khiển dự báo q khâu tích phân ( 1)z z  cho tất cả q kênh đầu ra như được minh họa ở hình 1 ứng với 0kd  . Bằng cách đặt biến mới: 1 1, k k k k k kx x x u u u       (6) mơ hình dự báo cũ kH ở cơng thức (5) sẽ được chuyển đổi thành: / 1: k k kk k kH z A z B u      (7) trong đĩ:   1 , , , , k k k k k k k q k kk k q kk x A B z A B C C I D D y C I D                           (8) và  là ký hiệu của ma trận cĩ tất cả các phần tử bằng 0. Đầu ra tương ứng của hệ sẽ là: k kk kk y C z D u     Cĩ thể thấy mơ hình mới /kH trong (7) đã cĩ thêm thành phần tích phân vì với: ( 1) det( ) det ( 1) det( ) n k k k q q kn q n I A C I I A I A                    nĩ cĩ các điểm cực nằm trên đường trịn đơn vị. Tiếp theo, ta sẽ sử dụng mơ hình xấp xỉ tuyến tính LTI /kH mới này để dự báo các giá trị trạng thái tương lai , 1,2, ,k iz i N   thuộc cửa sổ dự báo hiện tại, trong đĩ N là độ rộng của cửa sổ dự báo. Từ (7) ta cĩ:  1 1 2 2 1 1 2 1 k i k i k i k i k i k ik k k k k k i i k k k i k ik k k k k k z A z B u A A z B u B u A z A B u A B u B u                                             Suy ra: 1 2 1 k i k ik kk i i i k k k i k i k ik k k k k k k k k k k y C z D u C A z C A B u C A B u C B u D u                                   Bởi vậy, nếu sử dụng ký hiệu:  1, , ,k k k Np col u u u     (9) thì tồn bộ giá trị đầu ra dự báo , 0 k i y i N    sẽ được viết chung lại thành:  1, , , kk kk k k Ncol y y y E z F p   y trong đĩ: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. V. Hùng, N. Đ. Anh, V. T. Thành, “Điều khiển bền vững bộ quan sát UKF.” 38 1 2 , k k k k kk k k k N NN k k k k k k k k kk k C D C B DC A E F C A B C A B C B DC A                                                    (10) Tiếp theo, để xác định tín hiệu đầu vào ku (và từ đĩ là ku ) ở thời điểm hiện tại kt kT sao cho hệ bám theo được tín hiệu ra mẫu kw , ta xây dựng hàm sai lệch bám trong tồn bộ cửa sổ dự báo hiện tại như sau:    1 1, , , , , ,k k k N k k k N kk k k col w w w col w w w E z F p F p            e y w với  1, , ,k k k N kkcol w w w E z  w (11) Từ đây, do hệ /kH đã cĩ thành phần tích phân nên mục đích điều khiển kk y w ban đầu sẽ thay thế được bởi việc cực tiểu hĩa hàm mục tiêu:       ( ) 2 min TT TT k k k k k k TT T T k k k k k k k p P J p Q p R p F p Q F p p R p Q Q F p p F Q F R p             e e w w w w w trong đĩ, , k kQ R là hai ma trận đối xứng xác định dương tùy chọn và tập ràng buộc P được suy ra từ các điều kiện ràng buộc về tín hiệu điều khiển ku và tốc độ ku của bài tốn điều khiển ban đầu theo cơng thức (9). Dễ thấy nhiệm vụ điều khiển mới này là hồn tồn tương đương với:  / ( ) 2 minTT Tk k k k k k p P J p Q F p p F Q F R p      w (12) vì T kQw w là hằng số đã biết. Hàm mục tiêu / ( )J p cho ở cơng thức (12) cĩ dạng tồn phương, bởi vậy khi điều kiện ràng buộc P được mơ tả bằng các bất phương trình tuyến tính (trường hợp thường gặp nhất ở các bài tốn điều khiển thực tế), nghiệm tối ưu của nĩ: * /arg min ( ) p P p J p   (13) sẽ dễ dàng tìm được nhờ thuật tốn QP (quadratic programming). Nội dung phương pháp này cĩ thể tìm thấy ở tài liệu [5], thậm chí nĩ cịn đã được cài đặt thành cơng cụ chuẩn trong phần mềm MatLab, rất tiện sử dụng. Từ nghiệm tối ưu  * * * *1, , ,k k k Np col u u u     tìm được cho bài tốn tối ưu (13) ta suy ra được giá trị tín hiệu điều khiển tối ưu * ku cho hệ (3) ban đầu thơng qua phép tính ngược của (6) như sau:  * * * * *1 1 , , ,mk k k ku u u u I p        (14) và đây chính là giá trị đầu ra của bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 39 2.2. Quan sát trạng thái nhờ UKF và loại bỏ nhiễu tải nhờ bù xấp xỉ Mặc dù bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái ở trên cĩ khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tải thơng qua cực tiểu hĩa sai lệch bám trong hàm mục tiêu (12), song nĩ vẫn là một bộ điều khiển phản hồi trạng thái và bị ảnh hưởng bởi các nhiễu ồn trắng trong hệ. Để vừa cĩ thể chuyển đổi được bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái (14) thành bộ điều khiển phản hồi đầu ra, vừa cĩ thể giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ồn trắng, ta sẽ sử dụng thêm khâu quan sát UKF. Đây là bộ quan sát thích hợp cho những hệ thống cĩ nhiễu ồn trắng , k k   nằm ngay bên trong mơ hình: 1 ( , , ) ( , , ) k k k k k k kk k x f x u y g x u d        (15) với kd là ký hiệu của nhiễu tải. Nội dung UKF đã được trình bày chi tiết trong tài liệu [6]. Sau đây ta sẽ ký hiệu thuật tốn UKF đĩ như một phép biến đổi: 1UKF( , , )k k kkx u y x    Tuy nhiên, do bản chất UKF chỉ khử được nhiếu ồn trắng , k k   , khơng khử được nhiễu tải kd nên nếu áp dụng trực tiếp thuật tốn UKF để quan sát k kx x  , thì do nhiễu tải kd cĩ lẫn trong đầu ra ky , cần thiết ta phải khử bỏ được kd trong k y trước khi đưa vào UKF. Để loại bỏ nhiễu tải kd trong ky , thường là các nhiễu biến đổi chậm, ta sẽ ước lượng nĩ thơng qua M giá trị đầu ra , 1, , k i y i M    đo được ở các thời điểm trước đĩ, sau đĩ so sánh với M giá trị đầu ra ( , )k i k ik iy g x u     tương ứng cĩ được từ các giá trị trạng thái k ix   của hệ (15) lấy từ UKF, như sau:   1 1 ( , ) M k k i k ik i i d y g x u M       (16) trong đĩ, ( , )k i k ig x u   là hàm đầu ra ( )g  của hệ (15) ứng với 0 k   . Từ giá trị ước lượng này của kd , đầu ra khơng bị lẫn nhiễu tải, ký hiệu bởi ky , sẽ được ước lượng bởi:   1 1 ( , ) M k k i k ik k k k i i y y d y y g x u M          (17) và giá trị ước lượng k y này, cùng với ku sau đĩ sẽ được đưa vào UKF để xác định trạng thái k kx x  , theo nghĩa: 1UKF( , , )k k kkx u y x    . 2.3. Thuật tốn điều khiển Tổng kết lại thì bộ điều khiển bền vững phản hồi đầu ra nêu ở các mục con trên của bài báo sẽ làm việc theo trình tự các bước của thuật tốn sau: 1. Đặt 1 1: 0, 0, 0k u d    . Chọn 1, , x N M  . Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. V. Hùng, N. Đ. Anh, V. T. Thành, “Điều khiển bền vững bộ quan sát UKF.” 40 2. Chọn hai ma trận đối xứng xác định dương , k kQ R . 3. Gán 1k kx x   và tính kz theo (8), trong đĩ 1ky  được thay bởi 11 kky d   . 4. Tính w theo (11), , , ,k k k kA B C D     theo (4), (8) và , k kE F theo (10). 5. Tìm *p nhờ thuật tốn QP và từ đĩ xác định * ku theo (14). Gửi * ku tới hệ (3) để điều khiển. 6. Đo giá trị đầu ra từ hệ thống k y và ước lượng kd theo (16), ky theo (17). 7. Gửi * ku và ky tới bộ lọc UKF để cĩ kx  . 8. Gán : 1k k  và quay về 2. 3. ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KHIỂN HỆ NỒI HƠI-TUABIN VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH BỀN VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN Để áp dụng thuật tốn đã đề xuất cho hệ lị hơi-tuabin, ta rời rạc hĩa mơ hình liên tục phi tuyến (1), mà lúc này tín hiệu đầu ra ( )y t cho ở cơng thức (2) cịn cĩ thêm nhiễu ồn trắng ( )t và nhiễu tải ( )d t , với chu kỳ trích mẫu T như sau:     9/8 1 1 2 1 1 3 9/8 2 2 2 1 2 3 3 3 2 1 1 2 3 [ 1] [ ] ( 0.0018 [ ] [ ] 0.9 [ ] 0.15 [ ]) [ 1] [ ] (0.073 [ ] 0.016) [ ] 0.1 [ ] [ 1] [ ] 141 [ ] (1.1 [ ] 0.19) [ ] / 85 [ ] [ ] 0.05 0.13073 [ ] 100 / k cs e x k x k T u k x k u k u k x k x k T u k x k x k x k x k T u k u k x k x k y x k x k a q                       9 67.975 kk d            (18) Hình 2. Đáp ứng hệ thống đối với nhiễu tải 10%. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 41 Hình 3. Đáp ứng hệ thống đối với nhiễu tải 40%. Tiếp theo, ta xây dựng bộ điều khiển theo các bước thuật tốn đã trình bày ở trên cho hệ (18) rồi thực hiện mơ phỏng với các tham số: 20, 1[ ], 100, (2 , 80 , 0.2) , , k n kN T s M Q diag I R I k       cùng các điều kiện ràng buộc cho tín hiệu điều khiển: 0 [ ] 1iu k  ,    0.007 , 2 , 0.05 0.007 , 0.02 , 0.05 T TT ku      cũng như giá trị đặt  129.6 , 105.8 , 0.64 , T kw k  , và thu được các kết quả như ở các hình từ hình 2 đến hình 5. Hình 4. Nhiễu đo dạng ồn trắng cĩ trong các đầu ra (bên trái) và đáp ứng của hệ thống (bên phải). Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. V. Hùng, N. Đ. Anh, V. T. Thành, “Điều khiển bền vững bộ quan sát UKF.” 42 Hình 5. Tín hiệu đầu vào (bên phải) và đáp ứng hệ thống (bên trái) khi cĩ cả nhiễu tải và nhiễu đo. Hình 2 là kết quả mơ phỏng ứng với nhiễu tải 10% so với giá trị đặt và ở hình 2 là kết quả ứng với kd bằng 40% giá trị đặt. Nĩ cho thấy bộ điều khiển đã khử được gần như hồn tồn loại nhiễu này. Nhiễu tải càng tăng, thời gian quá độ càng dài, cụ thể là khi nhiễu tải chỉ bằng 10% tín hiệu đặt, thời gian quá độ xấp xỉ 100s , nhưng khi nhiễu tải tăng đến 40% , thời gian quá độ lên đến gần 550s , như được nhận thấy ở hình 3. Hình 4 là kết quả mơ phỏng khi hệ cĩ nhiễu ồn trắng trong hệ. Kết quả này cho thấy bộ điều khiển phản hồi đầu ra được đề xuất cùng với UKF bên trong nĩ cũng đã loại bỏ được hồn tồn sự ảnh hưởng của loại nhiễu này. Cuối cùng, hình 5 là kết quả mơ phỏng trong trường hợp hệ thống bị tác động đồng thời bởi cả nhiễu tải và nhiễu đo. Nĩ cho thấy tín hiệu điều khiển ku đã thỏa mãn điều kiện ràng buộc kèm theo và mặc dù đáp ứng đầu ra 3 y cĩ chậm hơn với trường hợp hệ thống chỉ cĩ nhiễu tải hoặc nhiễu đo, song đã khử được gần như hồn tồn đồng thời cả hai loại nhiễu trên. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất một thuật tốn điều khiển dự báo phản hồi đầu ra cho hệ phi tuyến khơng liên tục trên nền mơ hình dự báo tuyến tính xấp xỉ từng đoạn và bộ quan sát UKF. Chất lượng bền vững, khả năng kháng nhiễu tải và nhiễu ồn trắng của bộ điều khiển đã được kiểm chứng trên hệ lị hơi-tuabin. Kết quả mơ phỏng cho thấy khả năng đảm bảo chất lượng điều khiển bám của bộ điều khiển luơn đúng trong tồn bộ miền trạng thái của hệ thống chứ khơng phải chỉ trong lân cận các điểm làm việc như những bộ điều khiển MPC trước đây được giới thiệu ở tài liệu [3]. Tuy nhiên, các khẳng định về khả năng bền vững của bộ điều khiển trên mới được kiểm chứng qua kết quả mơ phỏng. Vấn đề chứng minh chặt chẽ về lý thuyết sẽ là cơng việc nghiên cứu tiếp theo của chúng tơi. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 43 Cuối cùng, nhĩm tác giả xin được gửi lời cám ơn đến PGS. Hồng Minh Sơn, chủ nhiệm đề tài AUN/SEEK-NET đã hỗ trợ chúng tơi nghiên cứu và GS. Nguyễn Dỗn Phước, GS. Shinji Hara về các buổi đàm luận, gợi ý chuyên mơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. R.D.Bell, K.J. Åstrưm. “Dynamic Models for Boiler Turbine Alternator Units: DataLogs and Paramter Estimation for 160MW Unit”. Lund Institute of Technology,1987,TRFT-3192. [2]. S. Zhang, CW. Taft, J. Bentsman, A. Hussey, B. Petrus. “Simultaneous gains tuning in boiler/turbine PID-based controller clusters using iterative feedback tuning methodology”. ISA Trans. 2012; 51: 609–21. [3]. Xiao Wu, Jiong Shen, Yiguo Li. “Control of Boiler-turbine Coordinated System Using Multiple-model Predictive Approach”. 2010 8th IEEE International Conference on Control and Automation Xiamen, China, June 9- 11, 2010. [4]. LarsGrüne, JürgenPannek. “Nonlinear predictive control: Theory and Algorithms”. Springer-Verlag, London, 2011. [5]. Nocedal,J. and Wright,S.J. (1996): “Numerical Optimization”. Springer-New York. [6]. Rambabu Kandepu, Bjarne Foss, Lars Imsland. “Applying the unscented Kalman filter for nonlinear state estimation”. Journal of Process Control 18 (2008) 753–768. ABSTRACT ROBUST CONTROL OF BOILER-TURBINE SYSTEM USING OUTPUT FEEDBACK MODEL PREDICTIVE CONTROLLER WITH RECEDING PREDICTIVE LTI MODEL AND UNSCENTED KALMAN FILTER (UKF) In this paper, an approach to control the nonlinear discontinuous systems in the presence of disturbance, which has low rate of change as load disturbance and rapid rate of change as measurement noise propagating in nonlinear system is proposed. The feedback (MPC) model predictive controller includes a state variables feedback MPC controller using receding Linear Time Invariant (LTI) predictive model and a Unscented Kalman Filter (UKF). The information from UKF is used for estimating load disturbance and for rejecting measurement noise. The simulation results by application to the boiler-turbine system shows that the proposed controller ensures the system tracking performance not only around five operating points as given controllers as usual but also overall the operating range of system. Keywords: NMPC, UKF, Boiler-Turbine system. Nhận bài ngày 14 tháng 06 năm 2016 Hồn thiện ngày 29 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: 1Đại học Cơng nghiệp Hà Nội; 2Đại học Bách khoa Hà Nội. *Email: heroxp1812@gmail.com