Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và công nghệ trí tuệ nhân tạo, quy trình sản xuất hiện nay ở nhiều lĩnh vực khác nhau đã bước đầu hiện thực hóa quy trình tự động hóa. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa còn có thể nâng cao đáng kể hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Hiện nay, điều khiển tự động có thể giải quyết được vấn đề lãng phí, thất thoát nguyên liệu thô trong quá trình sản xuất, gia công cơ khí. Hiệu quả sản xuất cũng được cải thiện nên lợi ích kinh tế của doanh nghiệp được cải thiện rất nhiều.
Ứng dụng trong điều khiển nhiệt độ thùng máy ép phun
Nhiệt độ thùng của máy ép phun là một thông số thiết yếu của quá trình ép phun. Kiểm soát hiệu quả nhiệt độ thùng là một phần không thể thiếu để đảm bảo chất lượng sản phẩm nhựa. Tuy nhiên, hệ thống nhiệt độ thùng của máy ép phun là một hệ thống phức tạp với công việc đa biến, rời rạc, không liên tục, độ trễ lớn, phi tuyến tính, khớp nối mạnh và sự tham gia thủ công. Do sự phức tạp của quá trình gia nhiệt, hệ thống điều khiển có độ chính xác cao. Mô hình toán học khó thiết lập, điều này khiến việc kiểm soát nhiệt độ thùng trở thành một điểm có vấn đề trong thiết kế bộ điều khiển máy ép phun. Ngoài ra, trong bộ điều khiển nhiệt độ thùng của máy ép phun, hiệu suất của bộ điều khiển, chẳng hạn như độ bền tốt và độ phức tạp thuật toán thấp, là những thông số không thể bỏ qua. Hiện nay phương pháp điều khiển PID được sử dụng chủ yếu. Điều khiển PID có nhiều ứng dụng và được sử dụng rộng rãi trong các quy trình điều khiển phi tuyến hoặc thay đổi theo thời gian. Việc khởi động ba tham số Kd, Kp, Ki trong bộ điều khiển PID sẽ dễ dàng hơn. Điều chỉnh là bộ điều khiển đơn giản nhất và đôi khi tốt nhất. Bài viết này dựa trên quá trình phát triển bộ điều khiển PID nhiệt độ thùng, từ bộ điều khiển PID tuyến tính đến bộ điều khiển PID phi tuyến, sau đó đến bộ điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron BP. Ưu điểm và nhược điểm của từng loại sẽ được giải thích tương ứng.
1. Bộ điều khiển PID tuyến tính nhiệt độ thùng
Bộ điều khiển PID không sử dụng mô hình chính xác của đối tượng được điều khiển mà chỉ sử dụng sai số giữa mục tiêu điều khiển và hành vi thực tế của đối tượng để đưa ra chiến lược điều khiển loại bỏ sai số này. Do công nghệ điều khiển PID là nguyên lý điều khiển quá trình dựa trên sai số để giảm thiểu sai sót nên nó đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong thực tiễn kỹ thuật điều khiển. Bài viết này chủ yếu nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ thùng máy ép phun Pauletta sử dụng bộ điều khiển PID tuyến tính. Nhiều thực tiễn kỹ thuật cho thấy bộ điều khiển PID tuyến tính được áp dụng cho hệ thống điều khiển nhiệt độ của thùng máy ép phun. Mặc dù có thể đạt được kết quả tốt nhưng hệ thống kiểm soát nhiệt độ là một hệ thống có độ trễ thuần túy khá lớn và các thông số của đối tượng được điều khiển rất khác nhau. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng, các yếu tố động không được mô hình hóa là đáng kể và tính phi tuyến rất nghiêm trọng. Khi phương pháp điều khiển PID hướng tới đối tượng điều khiển có nhiều yếu tố không chắc chắn bên trong và bên ngoài hơn thì phương pháp điều khiển PID tỏ ra bất lực.
2. Bộ điều khiển PID phi tuyến nhiệt độ thùng
Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ thùng máy ép phun, điều khiển PID tuyến tính chỉ xem xét thông tin bên ngoài của đối tượng được điều khiển (nhiệt độ), xác định độ hữu hạn của đối tượng được điều khiển. Đối với các đối tượng có nhiều độ không đảm bảo bên trong và bên ngoài hơn, PID tuyến tính không có tác dụng. Trong trường hợp này, cần phải thu thập và xem xét thông tin bên trong cũng như những điểm không chắc chắn bên ngoài của hệ thống và để thông tin này tham gia vào việc kiểm soát và điều chỉnh hệ thống nhằm cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống. Vì vậy, bộ điều khiển PID phi tuyến ra đời. Nó dựa trên bộ điều khiển PID tuyến tính với những cải tiến sau: Tùy theo khả năng chịu đựng của hệ thống, tính hợp lý của sự thay đổi được điều khiển và khả năng cung cấp điều khiển của hệ thống, nó được thiết lập bởi hệ thống. Điều quan trọng là phải sắp xếp một quá trình chuyển đổi phù hợp trước tiên. Quá trình chuyển tiếp được TD thực hiện, nó không chỉ đưa ra tín hiệu quá trình chuyển tiếp được sắp xếp mà còn đưa ra tín hiệu vi phân của quá trình chuyển tiếp. Nó có thể trích xuất tín hiệu vi phân của lỗi bằng TD, bộ quan sát trạng thái hoặc ESO với hiệu ứng khuếch đại nhiễu nông.
Khác với điều khiển PID tuyến tính, một hàm phi tuyến phù hợp được sử dụng để kết hợp các sai số để hình thành luật điều khiển phản hồi sai số phi tuyến mới. Bộ điều khiển PID phi tuyến được ứng dụng vào hệ thống điều khiển nhiệt độ thùng của máy ép phun. Nhiều bộ điều khiển PID phi tuyến đơn vòng điều chỉnh điện áp nguồn của từng vòng sưởi điện để kiểm soát nhiệt độ của từng phần của thùng. Do hệ thống điều khiển không cần thiết lập mô hình toán học chính xác và có thể quy tất cả các yếu tố không chắc chắn tác động lên đối tượng được điều khiển là “nhiễu loạn không xác định”, nên nó có thể được ước tính và bù bằng dữ liệu nhiệt độ được theo dõi trong thời gian thực. Để đạt được mục đích chống nhiễu tự động, sau đó thực hiện việc kiểm soát nhiệt độ theo thời gian thực tự động. Tuy nhiên, trong việc thực hiện chiến lược kiểm soát nhiệt độ, hệ thống kiểm soát nhiệt độ vẫn gặp phải một vấn đề đáng kể. Nghĩa là, nó không rõ ràng về các yếu tố động không được mô hình hóa và không mang tính dự đoán.
3. Bộ điều khiển PID cho nhiệt độ thùng dựa trên mạng nơ-ron BP
Đối với các yêu cầu kiểm soát nhiệt độ thùng máy ép phun và những thiếu sót của bộ điều khiển PID tuyến tính và bộ điều khiển PID phi tuyến, đặc biệt là đối với tính không thể đoán trước của bộ điều khiển PID phi tuyến. Bộ điều khiển kết hợp mạng nơ-ron và công nghệ điều khiển PID, có thể xấp xỉ vô cùng hệ thống phi tuyến và có lợi thế về khả năng hội tụ và dự đoán nhanh. Hơn nữa, bộ điều khiển PID nhiệt độ thùng dựa trên mạng thần kinh BP có thể rút ngắn quá trình chuyển đổi một cách hiệu quả, có độ ổn định tốt hơn và phản ứng nhanh hơn, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kiểm soát nhiệt độ thùng của máy ép phun Paulownia. Bộ điều khiển bao gồm hai phần: bộ điều khiển PID thông thường và bộ điều khiển mạng nơ-ron. Xem xét ảnh hưởng của các bộ sưởi lân cận, đầu vào của bộ điều khiển mạng thần kinh đưa ra tín hiệu phản hồi của các bộ sưởi lân cận cũng như tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi của bộ sưởi phần này. Đầu ra của bộ điều khiển mạng nơ-ron là ba tham số Kd, Kp, Ki của bộ điều khiển PID. Theo đầu vào/đầu ra của hệ thống điều khiển, ba tham số của bộ điều khiển PID được mạng thần kinh điều chỉnh theo thời gian thực để thực hiện điều khiển hiệu suất cao đối với nhiệt độ thùng.
So với điều khiển PID tuyến tính và điều khiển PID phi tuyến, điều khiển PID dựa trên mạng nơ ron BP có độ ổn định tốt hơn và đặc tính đáp ứng động nhanh. Quá trình điều chỉnh nhiệt độ ngắn. Vì mạng nơ-ron BP có khả năng học hỏi mạnh mẽ nên nó có thể liên tục trích xuất thông tin cơ bản có trong các mẫu huấn luyện để dự đoán nhiệt độ. Ngoài ra, bộ điều khiển có thể duy trì hiệu suất làm việc tốt trong trường hợp thay đổi thông số nhiệt độ, mô hình toán học không chính xác và thay đổi môi trường điều khiển. Hệ thống này rất mạnh mẽ, khiến phương pháp điều khiển có triển vọng ứng dụng tuyệt vời.
Tóm lại, việc kiểm soát nhiệt độ thùng gia nhiệt là một phần quan trọng của hệ thống điều khiển máy ép phun. Bài viết tổng hợp ba phương pháp điều khiển PID: điều khiển PID tuyến tính và điều khiển PID phi tuyến và điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron BP để đạt được chức năng điều khiển nhiệt độ hiệu suất cao. Trong số đó, hiệu suất tốt nhất là phương pháp điều khiển PID của mạng nơ-ron BP, kết hợp hiệu suất vượt trội của phương pháp điều khiển PID phi tuyến. Nó có thể đạt được sự kiểm soát nhiệt độ tốt hơn trong điều kiện có nhiều yếu tố không chắc chắn bên trong và bên ngoài. Nó có hiệu suất chống nhiễu tốt; đồng thời, phương pháp này thực hiện việc đào tạo dữ liệu nhiệt độ thông qua khả năng học tập của mạng thần kinh, có thể nhận ra dự đoán theo thời gian thực về dữ liệu trong tương lai, có thể dự đoán được, có độ tin cậy cao hơn và có giá trị thực tế cao hơn.
