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Control predictivo no lineal: Estado del arte y nuevos resultados

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1

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

(2)

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)

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

(4)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Problem statement

7

(5)

5

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Lyapunov function

9

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Lyapunov function

(6)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 11

Inherent robustness

(7)

7

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 13

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 5

(8)

D. 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 5

(9)

9

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

The optimal controller

17

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

The optimal controller

(10)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

The optimal controller

19

Stabilizing nominal MPC

Stabilizing

Terminal

Ingredients

(11)

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

(12)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stabilizing nominal MPC

23

(13)

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

(14)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stabilizing nominal MPC

27

(15)

15

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stability with terminal equality constraint

29

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stabilizing MPC without terminal constraint

(16)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stabilizing MPC without terminal constraint

31

(17)

17

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Prediction and control horizon

33

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Local optimality

(18)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Local optimality

35

(19)

19

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 37

Inherent robustness of MPC

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Illustrative example

(20)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 39

(21)

21

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 41

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

(22)

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)

23

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Changing set-points

45

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 constraints

Economic 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:

46

Initial state

Initial target

(24)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

MPC for tracking

47

MPC for regulation

MPC for tracking

MPC for tracking

Example:

Consider the discrete time LTI system:

Subject to the following hard constraints:

(25)

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

(26)

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)

27

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 53

(28)
(29)

29

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados. 57

(30)
(31)

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

(

(32)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

MPC for tracking

63

Offset cost function

Extended terminal constraint

Terminal cost function

(33)

33

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stability theorem

65

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Stability for any change of the target

66

Properties of the controller

(34)

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)

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

70

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?

(36)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Economic optimization

Tracking control to the MPC target

Economic operation of the plant

71

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)

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

73

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Economic MPC

(38)

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Economic MPC for changing targets

75

If the economic set point changes, feasibility may be lost

Motivation:

guaranteed feasibility (MPC for tracking) + economic

optimality (Economic MPC)

MPC problem

:

(39)

39

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Example: the double integrator

Double integrator

Cost functions:

Controller parameters:

Constraints:

77

D. Limon, MPC for changing economic targets.

D. Limon. MPC no lineal: estado del arte y nuevos resultados.

Example: the double integrator

78

Economic optimality:

N=10

Feasibility:

N = 3

E-MPCT vs. MPCT

(40)

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)

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.

81

(42)

¡Muchas gracias!

Referencias

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