Odsek za sisteme in vodenje

Inštitut Jožef Stefan

Poenostavljeni eksplicitni prediktivni regulator

Vodja projekta:

prof. dr. Stanko Strmčnik

Trajanje:

1.5.2009 - 30.4.2012

Financiranje:

ARRS - Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (L2-2342), s sofinanciranjem Inea d.o.o.

Povzetek:

Cilj projekta je razvoj sledilnega eksplicitnega (parametričnega) prediktivnega regulatorja (EPR), primernega za industrijsko uporabo, in njegov preizkus v obliki pilotne študije v industrijskem okolju.

Prediktivno vodenje (PV oz. MPC) je družina naprednih regulacijskih algoritmov, ki temelji na sprotni optimizaciji prihodnjega poteka regulacijskih signalov na podlagi modela procesa z upoštevanjem omejitev. PV je ena izmed redkih naprednih metod teorije vodenja, ki se je dobro uveljavila v industrijski praksi. Zaradi računske zahtevnosti sprotne optimizacije je potrebna zmogljiva strojna oprema; uporaba je mogoča le z relativno dolgimi časi vzorčenja.

Z nedavno odkrito eksplicitno izvedbo PV se računsko breme sprotne optimizacije prenese v fazo načrtovanja regulatorja. S tem je omogočena izvedba regulatorja na običajni industrijski strojni opremi, področje uporabe pa se razširi tudi na procese s hitro dinamiko.

Obstoječe izvedbe EPR izhajajo iz osnovnih teoretičnih raziskav. Večinoma so osredotočene na temeljni problem regulacije stanj procesa k koordinatnemu izhodišču ob predpostavki merljivosti stanj procesa, ki v praksi ni realna. V praksi je pomembno sledenje referenčnim signalom izhodov v prisotnosti motenj, ki delujejo na proces. Zato so potrebne razširitve modela. Žal znani algoritmi parametrizacije v povezavi s pristopi razširitve modela še niso povsem zanesljivi in pri računanju particij z modeli višjih dimenzij včasih prihaja do težav. Primerjali bomo različne možnosti izvedbe sledilnega regulatorja (integracija pogreška ali ocenjevanje motnje, z ali brez uporabe ocenjevanja delovne točke) in izbrali najprimernejšo za zanesljivo izvedbo regulatorja.

Raziskovali bomo možnosti zmanjšanja računske zahtevnosti v fazi načrtovanja. To je izrednega pomena s stališča širitve področja uporabnosti EPR. Računsko breme namreč eksponentno narašča z dimenzijami problema, tako da znani algoritmi parametrizacije še niso uporabni za vodenje multivariabilnih procesov ali za teoretično naprednejše pristope. Analizirali bomo učinkovitost različnih znanih metod (združevanje regij, ortogonalna aproksimacija, interpolacija, sprotno računanje particije). Iskali bomo tudi nove možnosti tvorbe poenostavljene particije. Obetavna možnost je nova oblika pristopa z dvojnim vzorčenjem, pri kateri omejitve in prihodnje spremembe regulirnega signala razporedimo redkeje po horizontu. To predvidoma mogoča uporabo kratkega časa vzorčenja brez preobsežnega števila regij in slabe numerične pogojenosti.

Pomembna tema raziskav bo analiza lastnosti zaprtozančnega sistema z izbranim sledilnim EPR. Na njeni podlagi lahko jamčimo za zanesljivo in predvidljivo delovanje regulatorja, saj s simulacijskim preizkušanjem ni mogoče pokriti vseh možnih okoliščin uporabe. EPR omogoča vpogled v naravo regulacijskega zakona, ki je pri klasičnem prediktivnem regulatorju prikrita. Poudarek bo na lokalni linearni analizi zaprtozančnega sistema (LLA). Z LLA je mogoče analizirati dinamične lastnosti sistema, kar je zlasti pomembno pri uglaševanju regulatorja za hkratno učinkovito sledilno delovanje, izločanje različnih tipov motenj, dušenje šuma in robustnost na odstopanje modela od dejanske dinamike procesa. Slednja je zlasti pomembna zato, ker je zaprtozančni sistem sledilnega EPR s kombinacijo regulatorja in ocenjevalnika stanja lahko preobčutljiv na odstopanje modela.

Za uporabo z EPR bomo poskušali nadgraditi postopek "Loop Transfer Recovery" (LTR), ki sistematično rešuje ta problem. Algoritme bomo v fazah razvoja simulacijsko preizkušali na realističnih simulacijskih modelih dejanskih naprav, predvidoma na primerih regulacije tlaka v vakuumski komori in regulacije temperature hladilne vode v kogeneracijski napravi. V okviru demonstracijske aplikacije v industrijskem okolju bomo eksperimentalno preizkusili najobetavnejše različice regulatorja; najprej z uporabo razvojnega okolja, nato bomo eksperimente ponovili z regulatorjem na PLK.