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Type: Tese
Title: Contributions on model-based controllers applied to dead-time systems
Authors: Almeida Filho, Magno Prudêncio de
Advisor: Torrico, Bismark Claure
Co-advisor: Nogueira, Fabrício Gonzalez
Keywords: Sistemas com atraso de transporte;Controle baseado em modelo;Compensadores de tempo morto;Controle preditivo generalizado
Issue Date: 2020
Citation: ALMEIDA FILHO, Magno Prudêncio de. Contributions on model-based controllers applied to dead-time systems. 2020. 133 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2020.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este trabalho apresenta a análise e o projeto de controladores baseados em modelos aplicados ao controle de sistemas SISO (entrada e saída únicas) e MIMO (múltiplas entradas e múltiplas saídas), estáveis, instáveis e integradores com atraso de transporte. O atraso de transporte, que aparece em muitos processos industriais, é um problema bastante desafiador na área de controle de processos, já que pode levar o sistema de malha fechada a um comportamento oscilatório ou até mesmo à instabilidade. Quanto mais longo o atraso, mais difícil é lidar com ele, e uma solução para esse problema consiste em usar estruturas compensadoras de tempo morto (DTC). Assim, inicialmente, este trabalho propõe novas diretrizes para o ajuste de um DTC simplificado com foco em processos industriais. As novas diretrizes utilizam diferentes pólos no filtro de robustez do DTC a fim de considerar o compromisso entre atenuação de ruído, rejeição de perturbações e robustez em malha fechada. Além disso, também é proposta uma extensão para espaço de estados da estrutura simplificada do DTC. A estrutura proposta possui poucos parâmetros de ajuste e pode ser aplicada a sistemas de tempo contínuo e discreto. Além disso, permite melhorar a rejeição de distúrbios casados e não-casados para sistemas lineares invariantes no tempo (LTI) com atraso de transporte. Uma implementação baseada em FSA (finite spectrum assignment) é utilizada para garantir a estabilidade interna do controlador proposto em espaço de estados. Essa é uma abordagem inovadora na literatura de DTC para garantir uma implementação internamente estável para sistemas não-Hurwitz em malha aberta. Embora a estrutura simplificada do DTC em espaço de estados seja útil para lidar com sistemas MIMO, os controladores preditivos baseados em modelos (MPCs) possuem algumas vantagens em relação à esse tipo de processos, especialmente para o caso de sistemas MIMO não-quadrados e com múltiplos atrasos. Portanto, este trabalho apresenta uma estrutura DTC baseada no controlador preditivo generalizado (GPC) capaz de lidar com sistemas MIMO não-quadrados e com múltiplos atrasos. Finalmente, este trabalho também apresenta uma estratégia de controle simplificada baseada no GPC e aplicada a sistemas TISO (duas entradas e uma única saída) em um contexto econômico quando as duas entradas são de natureza diferentes, gerando custos operacionais diferentes. Através de simulações e experimentos práticos, mostra-se que as abordagens propostas apresentam melhores resultados em relação ao controle de processos com atraso de transporte do que outros trabalhos recentes da literatura.
Abstract: This work addresses the analysis and design of model-based controllers applied to the control of single-input single-output (SISO) and multiple-input multiple-output (MIMO) stable, unstable and integrative dead-time systems. Dead-time, which appears in many industrial processes, is a rather challenging issue in the process control area since the transport delay can lead the closed-loop system to undesired oscillatory behaviour or even instability. The longer the delay, the more difficult it is to cope with it, and one solution to this problem consists of using dead-time compensator (DTC) structures. Thus, initially, this work proposes new guidelines for the tuning of a simplified DTC focusing on industrial processes. The new guidelines employ different poles in the robustness filter of the DTC in order to consider the trade-off between noise attenuation, disturbance rejection performance and overall closed-loop robustness. Furthermore, an extension of the simplified DTC structure for state-space systems is also proposed. The proposed structure has few adjustment parameters and can be applied to both continuous and discrete-time systems. Moreover, it allows improving rejection of both matched and unmatched unknown disturbances for linear time-invariant (LTI) systems with input delay. It is worth to highlight that finite spectrum assignment (FSA) based implementation is used in order to guarantee the internal stability of the proposed state-space controller, which is a novel strategy in the DTC literature for guaranteeing a safe implementation for non Hurwitz open-loop systems. Although the simplified DTC state-space structure is useful for dealing with MIMO systems, it is well known that model predictive controllers (MPCs) can yield some advantages when dealing with such class of processes, specially in the case of non-square and multiple-delay systems. Therefore, a generalized predictive control (GPC) based DTC structure that can deal with aforementioned issues is also developed. Finally, this work also presents a simplified control strategy based on GPC that is applied to two-inputs single-output (TISO) systems in an economic context when the two inputs are from different nature, thus yielding different operating costs. Through simulations and practical experiments, it is shown that the proposed approaches present better results in the control of dead-time processes than other recent works from the literature.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/61844
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