Estrategias de control predictivo para compensación de perturbaciones (predictive control strategies for disturbance compensation)

Resum

La compensación de perturbaciones es una de las tareas más importantes en cualquier sistema de control. La presencia de perturbaciones provoca continuas correcciones del sistema controlado para minimizar su influencia. El uso de estrategias clásicas de control por adelanto para rechazo de perturbaciones a menudo conduce a la generación de señales de control agresivas que, en muchas situaciones, están relacionadas directamente con aspectos económicos o de seguridad. Hay muchos sistemas de control afectados por perturbaciones que requieren una situación de compromiso entre la minimización del efecto de perturbaciones en la variable controlada y cambios violentos de la señal de control Esta tesis doctoral realiza contribuciones en el campo de técnicas de control predictivo, las cuales incluyen un mecanismo implícito de compensación de perturbaciones. Las técnicas de control desarrolladas están divididas en dos estrategias, las cuales están orientadas a mejorar el rechazo frente a perturbaciones así como gestionar de forma adecuada la reducción del esfuerzo de control. La primera estrategia está relacionada con el control basado en eventos, que permite disminuir el esfuerzo de control al precio del rendimiento y la precisión del control. La estructura de control basada en eventos considera tres configuraciones independientes: con banda muerta del sensor, con banda muerta del actuador y el esquema completo. La primera configuración combina el algoritmo Control Predictivo Generalizado (Generalized Predictive Control, GPC) con la técnica de muestreo basado en eventos. El principal beneficio de esta combinación es una importante reducción de esfuerzo de control manteniendo el rendimiento del sistema de control en un nivel aceptable. La segunda configuración considera la banda muerta del actuador en la etapa de diseño del algoritmo GPC. El objetivo principal de esta configuración es limitar el número de actuaciones del sistema controlado. Con el objetivo de alcanzar las propiedades de control deseadas se aplica el marco teórico de los sistemas híbridos para modelar la banda muerta virtual del actuador. La banda muerta está modelada como restricciones de entrada del sistema y está incluida en el procedimiento de optimización del algoritmo GPC. Por último, se introduce una estructura de control completa basada en eventos, donde las bandas muertas del sensor y del actuador están activas simultáneamente. El algoritmo resultante es fácilmente implementable y permite establecer un compromiso entre el rendimiento y el esfuerzo de control. La segunda estrategia de control considera la estimación de perturbaciones y su aplicación al mecanismo de predicción de GPC. Inicialmente, se analizan diferentes técnicas de predicción de perturbaciones, y cómo las estimaciones futuras de las perturbaciones pueden incluirse en el diseño GPC. Posteriormente, se demuestra que el algoritmo GPC sin restricciones con compensación implícita de perturbaciones puede ser interpretado como un esquema de control clásico en bucle cerrado con control por adelanto, donde la característica principal está en que la acción por adelanto contiene los términos correspondientes a valores futuros de perturbaciones medibles. También se demuestra que el algoritmo GPC clásico no siempre puede eliminar el efecto de perturbaciones medibles, incluso en los casos en que se disponga de un modelo exacto de perturbaciones y de una predicción fiel de la perturbación a lo largo del horizonte de predicción. Para superar este problema, se propone una regla de diseño particular, que permite al controlador GPC eliminar el efecto de perturbaciones. Finalmente, las estrategias desarrolladas se combinan en una estructura de control global que puede estructurarse según los requisitos del proceso y sintonizada para obtener la precisión de control deseada con un esfuerzo de control acotado. El algoritmo resultante permite establecer un compromiso entre el rendimiento del sistema y el número de eventos de entrada y salida del proceso de forma individual. Adicionalmente, se usa a lo largo de esta tesis el proceso de control climático de un invernadero para ilustrar los conceptos elaborados y evaluar los resultados teóricos mediante simulación. Los resultados obtenidos muestran que aplicando los esquemas de control desarrollados es posible obtener un compromiso deseado entre rendimiento y esfuerzo de control. Se demuestra que, para aplicaciones donde el rechazo de perturbaciones es prioritario, el diseño extendido de la acción por adelanto del GPC mejora significativamente los resultados obtenidos. Por otro lado, combinando el control basado en eventos desarrollado con el diseño extendido de GPC, se obtiene una estructura de control útil para sistemas donde se admite una tolerancia en el seguimiento de consignas. En este caso, se reduce el esfuerzo de control y éste puede ser ajustado utilizando las bandas muertas del sensor y/o actuador para alcanzar la sensibilidad deseada.