Çok girişli çok çıkışlı kısıtlamalı sistemlerin öngörülü kontrol uygulamaları
Predictive control applications of multi input multi output constrained systems
Yazar: ERKAN KAPLANOĞLU
Danışman: PROF. DR. SELÇUK VAROL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bağımlılık Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
ÖZETÇOK GİRİŞLİ ÇOK ÇIKIŞLI KISITLAMALI SİSTEMLERİNÖNGÖRÜLÜ KONTROL UYGULAMALARISon senelerde özellikle kimya endüstrisinde, çok değişkenli kontrol teknikleriartan endüstriyel bir önem kazanmıştır. Endüstriyel sistemlerde birden fazla giriş vebirden fazla çıkışlı sistemler kullanıldığından, böyle sistemlerin kontroluygulamalarında çeşitli problemlerle karşılaşılmaktadır. Bu tip sistemlere çok girişliçok çıkışlı sistemler (Multi Input-Multi Output-MIMO) denilmektedir. MIMOsistemler fiziksel kısıtlamaları içermektedir. Bu kısıtlamalar eyleyici sınırlarındandolayı girişlerde olabildiği gibi, aynı zamanda da güvenlik, ürün kalitesi ve verimlilikgereksinimleri sebebiyle çıkışlarda da olabilmektedir. Herhangi bir kontroluygulamasında bu kısıtlamaların göz önünde bulundurulması önem arz etmektedir.Geleneksel süreç kontrolörleri, basınç, sıcaklık, sıvı seviyesi ve akış gibideğişkenlerin her birini ayrı ayrı kontrol etmektedir. Bu durum, süreç otomasyonuiçin ideal bir çözüm değildir. Bütün değişkenleri aynı anda kontrol edebilen tek birkontrolör tasarlanması arzu edilir. Yukarıda bahsedilen problemleri ortadankaldırmak için, sistemin çıkışını öngören bir anlayışa dayalı öngörülü kontrolalgoritması, önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir.Bu çalışmada öncelikle, MIMO sistemler analiz edilmiş ve bazı çok değişkenlikontrol algoritmaları hakkında bilgi sunulmuştur. Çok değişkenli kontrol kavramınıgösterebilmek amacıyla, bir klasik dörtlü tank uygulaması, çok değişkenli yörüngetakipli etkileşimsiz (decoupling) PI kontrolörü kullanılarak yapılmıştır. Öngörülükontrolün uygulandığı, iki giriş iki çıkıştan oluşan (Two Input Two Output-TITO )bir basınç-sıvı seviye tank sistemi tasarlanmış ve kurulmuştur. Deneysel verileredayalı, sistemin matematiksel modeli çıkarılmış ve test edilmiştir. Giriş çıkışilişkileri kullanılarak transfer fonksiyon parametreleri gerçek zamanda1hesaplanmıştır. Elde edilen modelin açık çevrim cevabı, sistemin gerçek zamanlıcevabı ile karşılaştırılmıştır. Model öngörülü kontrol hakkında bilgi verilmiş ve bualgoritmaların MIMO sistemler için kapsamının nasıl genişletildiği ve kısıtlamalarınnasıl ilave edildiği izah edilmiştir. Öngörülü kontrol yapısından dolayı kısıtlamalarkolaylıkla ele alınabilmiş ve model öngörülü kontrol algoritması basınç-sıvı seviyesistemimize uygulanabilmiştir. Tasarlanan kontrolörün sonuçları klasik çokdeğişkenli kontrol algoritması olan etkileşimsiz PI kontrolör ile karşılaştırılmış,deneysel ve benzetim sonuçları sunulmuştur. Yapılan deneysel çalışmalar sonucundamodel öngörülü kontrol(MPC) basınç-seviye tank sistemini istenilen kabul edilebilirsınırlar içinde kontrol ettiği görülmüştür. Etkileşimsiz PI kontrolörlekarşılaştırıldığında, etkileşimsiz PI kontrolörün de MPC gibi sistemi, değişkenreferanslar altında başarıyla kontrol ettiği gözlenmiştir. Ancak kısıtlamalar gözönüne alındığında Model Öngörülü kontrolörün etkileşimsiz PI kontrolöre göre dahasağlıklı çalıştığı tespit edilmiştir.Temmuz, 2006 Erkan KAPLANOĞLU2

Abstract:
ABSTRACTPREDICTIVE CONTROL APPLICATIONS OF MULTIINPUT MULTI OUTPUT CONSTRAINED SYSTEMSRecently, multivariable control techniques have received increased industrialinterest especially in chemical industry. But various problems are encountered inmultivariable control applications since most industrial process have multi input andmulti output with interactions in between. Such systems are called Multi Input MultiOutput (MIMO) systems. Also physical constraints exist in MIMO systems. Theseconstraints can be on the input due to actuator limitation as well as on the outputsand also can be due to safety, product quality and efficiency requirements. In anycontrol application it is important to take these constraints into consideration. In theconventiona l controllers each variable is controlled separately such as pressure,temperature, liquid level, flow etc. This is not ideal solution for the processautomation. It is desired to design a single controller to control all the variablesimultaneously. To handle the above mentioned problems predictive controlalgorithm which is based on the prediction of the system output has become a majorresearch area.In this study, we first analyses of the MIMO systems and information onsome multivariable algorithms were presented. A classical Quadruple Tankapplication was performed using classical multivariable trajectory tracking PIcontroller to illustrate the concepts in multivariable control. A pressure- liquid levelsystem which has two input and two outputs (TITO) has been designed and build onwhich predictive control has been applied. A mathematical model for the processsystem based on experimental results was derived and tested. Transfer functionparameters calculated in real-time using the input-output relation. The open loopresponse of the obtained model was compared to the real- time open loop response ofthe system. Information of model predictive control algorithms were given, how1these algorithms were expanded for MIMO systems and the how constraints wereincorporated was explained. Due to the structure of predictive control, constraintshave been easily defined and model predictive control algorithm has been easilyapplied to our pressure- level system. The designed results of the controller werecompared with results of decoupling PI which is a classical multivariable controltechnique, experimental and simulation results were presented. The experimentalresults show that model predictive controller (MPC) controls the pressure- level tanksystem in desired limits. When compared with PI controller also satisfactorilycontrols the system as MPC under variable references. But when the constraints wereconsidered the MPC controller works better than PI controller.