Analytical design of feedback compensators based on Robustness/Performance and Servo/Regulator trade-offs. Utility in PID control applications

Zusammenfassung

Tot i la seva senzillesa, la idea de la realimentació negativa (o "feedback" en anglès) és extremadament poderosa i ha tingut un gran impacte en la societat des de la revolució industrial ençà. En l'actualitat, els sistemes de control estan a tot arreu. A la indústria de processos, per exemple, s'encarreguen de mantenir les variables d'interès aprop dels valors de consigna. Encara més, els sistemes de control han de garantir aquests objectius tot i la presència d'incertesa en el procés i l'existència de pertorbacions. En aquest sentit, la realimentació representa un mecanisme essencial alhora de millorar tant la qualitat com l'eficiència energètica en molts processos de fabricació. El tema cabdal d'aquesta tesi consisteix en el disseny analític de compensadors (també anomenats controladors) fent servir l'esquema convencial en realimentació unitària. El marc adoptat és del control lineal i invariant en el temps (LTI). Encara que la realitat és de naturalesa no lineal, la simplificació al cas lineal no suposa una restricció greu ja que, localment, sempre podem considerar l'aproximació lineal del procés sota control. Posteriorment, el rang d'operació del compensador es pot extendre fent servir algun procediment de control adaptatiu. Des del punt de vista del disseny del controlador, l'escenari considerat planteja, entre d’altres, dos compromisos fonamentals. D'una banda, el controlador haurà de sel·leccionar-se per tal d'assolir un bon balanç entre rendiment i robustesa de modelat. D'altra banda, existeix també un conflicte entre el rendiment tipus "regulatori" (rebuig de pertorbacions) i el rendiment tipus "servo" (seguiment de la consigna), essent de vegades convenient trobar-ne un equilibri entre aquests dos modes de funcionament. L'objectiu d'aquesta tesi és proporcionar procediments de disseny analítics basats en un model de la planta i els compromisos de robustesa/rendiment i servo/regulació. A diferència d'altres mètodes, els procediments presentats eximeixen el dissenyador d'haver de pensar pesos o models de referència adients. A més, els paràmetres de sintonia tenen un significat intuitiu per tal de simplificar l'ajustament dels paràmetres del controlador. Com que els controladors de tipus Proporcional-Integral-Derivatiu (PID) continuen sent els més emprats en la pràctica, s'ha considerat l'aplicació a aquest tipus particular de controlador. Per últim, val a dir que l'apropament analític d'aquesta tesi permet determinar, de manera explícita, com els diferents compromisos considerats afecten l'el·lecció final del controlador. Aquesta característica, creiem, és també valuosa des del punt de vista docent.