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Control predictivo no lineal:
Estado del arte
y nuevos resultados
Daniel Limón
Grupo de Estimación, Predicción, Optimización y Control
Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
XIII Simposio CEA de ingeniería de control
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 2
Outline
Stabilizing design of predictive controllers
Tracking model predictive control
Economic model predictive control
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Optimal operation of a plant
3
Larger
s
a
m
p
lin
g
t
im
e
Economic
Planning & Scheduling
Real Time Optimization
Advanced Control (MPC)
Low-level Control
PLANT
Market
Cost functions
and constraints
Economic set points
Low-level set-points
Manipulable inputs
Stationary plant model
Dynamic plant model
3
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 5
Model Predictive Control
Steady-state target
optimization
Model Predictive Control
MPC targets
Economic set points
Low-level set-points
Two layer MPC
RTO disadvantages
[Engell, 2007]
Slow reaction to process variations
Mismatches between the models of RTO and MPC
The RTO may provide inconsistent set points to the MPC
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Steady-state Target Optimization
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Problem statement
7
5
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Lyapunov function
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D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Lyapunov function
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Inherent robustness
7
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ISS for constrained systems
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 14
Inherent robustness
1
2
3
0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 5D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 15
Inherent robustness
1
2
3
0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 59
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
The optimal controller
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D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
The optimal controller
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
The optimal controller
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Stabilizing nominal MPC
Stabilizing
Terminal
Ingredients
11
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing nominal MPC
21
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing nominal MPC
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing nominal MPC
23
13
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing nominal MPC
25
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing nominal MPC
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing nominal MPC
27
15
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Stability with terminal equality constraint
29
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Stabilizing MPC without terminal constraint
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stabilizing MPC without terminal constraint
31
17
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Prediction and control horizon
33
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Local optimality
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Local optimality
35
19
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Inherent robustness of MPC
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Illustrative example
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 39
21
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ISS of nominal MPC
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 42
Outline
Stabilizing design of predictive controllers
Tracking model predictive control
Economic model predictive control
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 43
Economic
Planning & Scheduling
Real Time Optimization
SSTO
Low-level Control
PLANT
Market
Cost functions
and constraints
Economic set points
Low-level set-points
Manipulable inputs
MPC
MPC targets
Objective: regulate the system to the MPC target
The optimal predicted sequence is
computed
Receding horizon
23
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Changing set-points
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Market-driven production
Production goals
Cost functions
Operation constraints
Real Time Optimization
Disturbances
Estimation errors
Model parameters
Frequent target changes
Larger
sa
m
p
lin
g
tim
e
Economic
Planning &
Scheduling
Real Time
Optimization
Advanced Control
(MPC)
Low-level Control
PLANT
Market
Cost functions and constraintsEconomic set points
Low-level set-points
Manipulable inputs
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stability issues
Stability loss:
Redesign of the terminal conditions
Feasibility loss:
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Initial state
Initial target
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MPC for tracking
47MPC for regulation
MPC for tracking
MPC for tracking
Example:
Consider the discrete time LTI system:
Subject to the following hard constraints:
25
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 49
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 50
Consider the
target steady
state as a
decision variable
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 51
Adding a
penalization term
between the
artificial steady
state and the real
one
27
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 53
29
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 57
31
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 61
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 62
X
N
Proj
x
(
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
MPC for tracking
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Offset cost function
Extended terminal constraint
Terminal cost function
33
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stability theorem
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D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Stability for any change of the target
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Properties of the controller
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Larger domain of attraction
CSTR
Properties of the controller
Equilibrium points
DoA of MPC for regulation (N=17)
DoA of MPC for tracking (N=2)
DoA of MPC for tracking (N=10)
DoA of MPC for tracking (N=17)
67
The solutions of MPC and MPC for tracking may differ (when
both are feasible)
Reason: the artificial reference
Then the local optimality property of MPC may be lost
This can be solved by taking
35
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 69
Outline
Stabilizing design of predictive controllers
Robustness and robust design
Set-point tracking predictive control
Economic predictive control
Conclusions
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Economic optimization
Economic optimization of the steady
operation
(Economic set point)
The transient control problem is posed
as a
tracking control problem to the
MPC target
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Economic
Planning & Scheduling
Real Time Optimization
SSTO
Low-level Control
PLANT
Market
Cost functions
and constraints
Economic set points
Low-level set-points
Manipulable inputs
MPC
MPC targets
Is this the economically optimal
operation of the plant?
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Economic optimization
Tracking control to the MPC target
Economic operation of the plant
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The economic cost function
should be used to measure
the performance of the transient
Integration of SSTO in the MPC
Steady-state target
optimization
Model Precitve Control
Set-points
Economic targets
37
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Economic MPC
MPC for regulation to the setpoint
Economic MPC
The economic stage cost function is not positive definite
Existing Lyapunov stability results can not be used
Stability issues
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D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Economic MPC
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Economic MPC for changing targets
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If the economic set point changes, feasibility may be lost
Motivation:
guaranteed feasibility (MPC for tracking) + economic
optimality (Economic MPC)
MPC problem
:
39
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Example: the double integrator
Double integrator
Cost functions:
Controller parameters:
Constraints:
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D. Limon, MPC for changing economic targets.
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Example: the double integrator
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Economic optimality:
N=10
Feasibility:
N = 3
E-MPCT vs. MPCT
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 79
Future directions and open problems
Relaxation of the stabilizing design
MPC without terminal constraint (Grüne)
Economic MPC based on turnpike property (Faulwasser)
Economic MPC for non-steady operation
Reference tracking predictive control
Design of robust predictive controllers
Stochastic predictive controller
Scenario-based predictive controller
Future directions and open problems
Distributed nonlinear MPC
Multiobjective predictive control
Specialized optimization algorithms for MPC
Embedded implementation
Novel applications
41
D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.
Algunas referencias
D.Q. Mayne et al. Constrained model predictive control: Stability
and optimality, Automatica, 2000
D.Q. Mayne, Model predictive control: Recent developments and
future promise. Automatica 2014
J.B. Rawlings and D.Q Mayne. Model Predictive Control: Theory
and Design. Nob Hill Publishing 2009
D. Limon. Control predictivo de sistemas no lineales sujetos a
restricciones: Estabilidad y robustez. Tesis doctoral. Univ. Sevilla
D. Limon et al. Input-to-State Stability: a Unifying Framework for
Robust Model Predictive Control. NMPC’08
D. Limon et al. Model Predictive Control for changing economic
targets. NMPC’12
Rawlings, J. B. et al. Fundamentals of economic model predictive
control. IEEE Conference on Decision and Control (CDC), 2012.
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