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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79248
Tipo: | Tese |
Título: | Control of industrial processes using predictors-based control structures |
Título em inglês: | Control of industrial processes using predictors-based control structures |
Autor(es): | Vasconcelos, Felipe José de Sousa |
Orientador: | Torrico, Bismark Claure |
Coorientador: | Nogueira, Fabrício Gonzalez |
Palavras-chave em português: | Atenuação de perturbações;Sistemas de tempo morto;Controle em cascata;Preditor de Smith;Controle robusto;Controle automático |
Palavras-chave em inglês: | Disturbance attenuation;Dead-time systems;Cascade control;Smith predictor;Robust control;Automatic control |
Data do documento: | 2024 |
Resumo: | Este trabalho discute a análise e o projeto de controladores baseados em preditores aplicados a processos de tempo morto estáveis, instáveis e integrativos de entrada única e saída única (SISO) e de entrada múltipla e saída múltipla (MIMO). O tempo morto é um comportamento característico de diversos processos industriais, capaz de levar o sistema a comportamentos indesejados e até mesmo à instabilidade. Quanto maior o atraso, mais difícil se torna projetar controladores eficientes, e uma maneira eficaz de enfrentar os desafios apresentados é utilizando estruturas de compensação de tempo morto (DTC). Assim, esta tese propõe novas estruturas para controladores baseados no preditor de Smith filtrado simplificado (SFSP) a fim de estender suas vantagens para processos multivariados e para processos de tempo morto linearmente variáveis (LPV). Primeiramente, propõe-se uma estrutura de controle em cascata de compensação de atraso para dois processos de primeira ordem mais tempo morto (FOPDT). O ambiente industrial possui alguns sistemas com essas características, então projetar um controlador que melhore o desempenho e a robustez desses tipos de sistemas é bastante relevante. O controlador incorpora um preditor para cada processo para gerenciar processos instáveis no domínio discreto, com o detalhe de que cada filtro de robustez é ajustado em relação à perturbação aplicada ao seu respectivo loop. Os resultados da simulação mostram que, quando comparado com outro controlador presente na literatura, o controlador proposto apresentou melhores resultados de desempenho, robustez, melhor atenuação a perturbações (principalmente no loop interno, devido à estrutura em cascata) e ruído, tanto no caso nominal quanto na presença de incertezas. Em segundo lugar, esta tese propõe uma estrutura de DTC para controle em cascata paralelo de sistemas com atraso de tempo. Para a estrutura proposta, não é necessário integradores no controlador primário. Em relação às perturbações ao sistema, um filtro de robustez é usado para rejeitar perturbações e garantir erro zero em estado estacionário. Os resultados da simulação mostram desempenho equivalente em comparação com outros trabalhos recentemente publicados e melhor rejeição a ruído. Esta tese também apresenta um compensador de tempo morto robusto para processos de duas entradas e duas saídas (TITO) com múltiplos atrasos de tempo baseado no controle preditivo generalizado (GPC). A estratégia proposta foca principalmente na rejeição de perturbações por meio de uma proposta de estrutura de preditor. Os resultados da simulação mostram melhor desempenho de rejeição de perturbações em comparação com outros compensadores de tempo morto propostos recentemente. Por fim, é proposto um método para projetar um controlador LPV para sistemas de tempo morto baseado no SFSP. A vantagem desta estrutura é que há menos parâmetros para ajustar, pois não há integrador explícito no controlador primário, que consiste apenas em um ganho LPV. Para este trabalho, o tempo de atraso é considerado fixo e incerto, portanto, é tratado como incerteza e um filtro de robustez LPV é projetado para lidar com perturbações. A principal contribuição do SFSP-LPV proposto é a possibilidade de lidar com sistemas atrasados não lineares em um framework LPV. Simulações são realizadas para sistemas estáveis e instáveis que mostram que o SFSP-LPV fornece uma resposta com melhor desempenho quando comparado a outros controladores LPV baseados no preditor de Smith publicados recentemente. |
Abstract: | This work discusses the analysis and design of predictors-based controllers applied to single-input single-output (SISO) and multiple-input multiple-output (MIMO) stable, unstable and integrative dead-time processes. Dead-time is a characteristic behavior of several industrial processes, capable of leading the system to undesired behaviors and even instability. The greater the delay, the more difficult it becomes to design efficient controllers, and an effective way to address the challenges presented is by using dead-time compensator (DTC) structures. Thus, this thesis proposes new structures for controllers based to the Simplified filtered Smith predictor (SFSP) in order to extend its advantages to multivariable processes and to linear parameter-varying (LPV) dead-time processes. First, it is proposed a delay compensator series cascade control structure for two first-order processes plus dead-time (FOPDT). The industrial environment has some systems with these characteristics, so designing a controller that improves the performance and robustness of these types of systems is quite relevant. The controller incorporates a predictor for each process to manage unstable processes in the discrete-time domain, with the detail that each robustness filter is adjusted related to the perturbation applied to its respective loop. Simulation results show that, when compared with another controller present in the literature, the proposed controller presented better performance results, robustness, better attenuation to disturbances (mainly in the internal loop, due to the cascade structure) and noise, both in the nominal case and in the presence of uncertainties. Second, it is proposed a DTC structure for parallel cascade control of systems with dead time. For the proposed structure there is no need for integrators in the primary controller. Also, a robustness filter is used to reject disturbances and guarantee zero error at a steady state. Simulation results show equivalent performance compared to other recently published work, and better rejection to noise. This thesis also presents a robust dead-time compensator for two-input two-output (TITO) processes with multiple dead time based on the generalized predictive control (GPC). The proposed strategy focus mainly in disturbance rejection by means of a predictor structure proposal. Simulation results show better disturbance rejection performance compared to other DTC in literature. Finally, it is proposed a method to design a LPV controller for dead-time systems based on the SFSP. The advantage of this structure is that there are fewer parameters to tune, as there is no explicit integrator in the primary controller, which only consists of an LPV gain. For this work, the dead time is considered fix and uncertain, so it is treated as uncertainty and an LPV robustness filter is designed in order to deal with disturbances. The main contribution of the proposed SFSP-LPV is the possibility of dealing with nonlinear systems with dead time in an LPV framework. Simulations performed for stable and unstable systems show that the SFSP-LPV provides better performance when compared to other LPV controllers based on the Smith predictor published recently. |
Descrição: | Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79248 |
ORCID do(s) Autor(es): | https://orcid.org/0000-0002-9727-204X |
Currículo Lattes do(s) Autor(es): | https://lattes.cnpq.br/0726258678682283 |
Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/3021078142448985 |
ORCID do Coorientador: | https://orcid.org/0000-0003-1935-8937 |
Currículo Lattes do Coorientador: | http://lattes.cnpq.br/5826590609995005 |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | DEEL - Teses defendidas na UFC |
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