Controlador cuadrático lineal con acción de control por adelanto y estabilidad robusta para hornos solares
Enviado: 11-02-2024
|Aceptado: 25-09-2024
|Publicado: 30-05-2024
Derechos de autor 2024 Igor Mendes Lima Pataro, Juan D. Gil, José L. Guzmán, João M. Lemos, Manuel Berenguel
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Descargas
Palabras clave:
Control de hornos solares, Control óptimo, LQT, Rechazo a perturbaciones, Filtro de Kalman
Agencias de apoyo:
CNPq
Fundacão para a Ciência e a Tecnologia
Resumen:
La energía solar representa una fuente renovable, versátil y confiable que puede emplearse en experimentos de resistencia de materiales mediante el uso de hornos solares. En este artículo se examina la aplicación de controladores óptimos basados en seguimiento cuadrático lineal con acción de control por adelanto (LQT-FF, por sus siglas en inglés, Linear Quadratic Tracking-FeedForward) para el control de hornos solares utilizados en pruebas de estrés térmico de materiales. El controlador LQT-FF propuesto se fundamenta en estudios previos que ofrecen una solución analítica basada en un modelo lineal del horno solar, reduciendo en este caso el coste computacional del algoritmo de control óptimo. La contribución principal de este trabajo radica en la formulación incremental de este modelo, incorporando un integrador artificial a los estados originales. Además, se utiliza el análisis de estabilidad robusta para sintonizar el LQT-FF considerando el estimador de estados en lazo cerrado. El correcto funcionamiento del controlador propuesto se ha verificado sobre un modelo no lineal del horno solar SF60 de la Plataforma Solar de Almería. Los resultados obtenidos suponen un avance significativo en los controladores óptimos existentes en la literatura, ya que el controlador LQT-FF resulta en una ley de control óptima con rechazo de perturbaciones formulada mediante una forma incremental de las entradas, la cual elimina el error de seguimiento de referencia con una sintonía estable para todo el rango de operación de la planta. Por otro lado, esta ley de control se puede implementar eficientemente y con menor esfuerzo computacional, lo que resulta crucial para su implementación.
Citas:
Anderson, B. D. O., Moore, J. B., 1990. Optimal Control: Linear Quadratic Methods. Prentice-Hall, Inc., USA.
Berenguel, M., Camacho, E., Garcia-Martin, F., Rubio, F., 1999. Temperature control of a solar furnace. IEEE Control Systems Magazine 19 (1), 8-24. https://doi.org/10.1109/37.745762
Beschi, M., Berenguel, M., Visioli, A., Guzm'an, J. L., Yebra, L. J., 2013a. Implementation of feedback linearization GPC control for a solar furnace. Journal of Process Control 23 (10), 1545-1554. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2013.02.002
Beschi, M., Berenguel, M., Visioli, A., Yebra, L., 2013b. Constrained control strategies for disturbance rejection in a solar furnaces. Control Engineering Practice 21 (10), 1410-1421. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2013.06.011
Beschi, M., Padula, F., Visioli, A., 2016. Fractional robust PID control of a solar furnace. Control Engineering Practice 56, 190-199. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2016.04.005
Beschi, M., Visioli, A., Berenguel, M., Roca, L., 2013c. A feedback linearization-based two-degree-of-freedom constrained controller strategy for a solar furnace. In: IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. pp. 3228-3233. https://doi.org/10.1109/IECON.2013.6699645
Camacho, E. F., Berenguel, M., Rubio, F. R., Mart'ınez, D., 2012. Control of Solar Energy Systems. Springer, London, England. https://doi.org/10.1007/978-0-85729-916-1
Castillo, A., Garcia, P., Albertos, P., 2022. Reguladores basados en observadores de perturbaciones: principios de funcionamiento y métodos de dise˜no. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 19 (4), 343-355. https://doi.org/10.4995/riai.2022.16856
Costa, B. A., Lemos, J. M., 2009. An adaptive temperature control law for a solar furnace. Control Engineering Practice 17 (10), 1157-1173. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2009.05.001
Costa, B. A., Lemos, J. M., 2016. Optimal control of the temperature in a solar furnace. Optimal Control Applications and Methods 37 (3), 466-478. https://doi.org/10.1002/oca.2113
Costa, B. A., Lemos, J. M., Guillot, E., Olalde, G., Rosa, L., Fernandes, J. C., 2008. An adaptive temperature control law for a solar furnace. In: 2008 16th Mediterranean Conference on Control and Automation. pp. 1054-1059. https://doi.org/10.1109/MED.2008.4602113
Costa, B. A., Lemos, J. M., Rosa, L. G., 2011. Temperature control of a solar furnace for material testing. International Journal of Systems Science 42 (8), 1253-1264. https://doi.org/10.1080/00207721.2011.588894
Doyle, J., Stein, G., 1979. Robustness with observers. IEEE Transactions on Automatic Control 24 (4), 607-611. https://doi.org/10.1109/TAC.1979.1102095
Franklin, G. F., Powell, J. D., Emami-Naeini, A., 2006. Feedback Control of Dynamic Systems. Addison-Wesley Longman Publishing Co., Boston, MA, USA.
Gil, J. D., Roca, L., Berenguel, M., sep. 2020. Modelado y control autom'atico en destilaci'on por membranas solar: fundamentos y propuestas para su desarrollo tecnol'ogico. Revista Iberoamericana de Autom'atica e Inform'atica industrial 17 (4), 329-343. https://doi.org/10.4995/riai.2020.13122
Lemos, J. M., Neves-Silva, R., Igreja, J., 2014. Adaptive Control of Solar Energy Collector Systems. Springer, London, England. https://doi.org/10.1007/978-3-319-06853-4
Lemos, J. M., Pinto, L. F., 2012. Distributed linear-quadratic control of serially chained systems: Application to a water delivery canal. IEEE Control Systems Magazine 32 (6), 26-38. https://doi.org/10.1109/MCS.2012.2214126
Lewis, F. K., Vrabie, D., Syrmos, V. L., 2012. Optimal Control. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey. https://doi.org/10.1002/9781118122631
Martins, M. A., Odloak, D., 2016. A robustly stabilizing model predictive control strategy of stable and unstable processes. Automatica 67, 132-143. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2016.01.046
Martín, M., 2022. Challenges and opportunities of solar thermal energy towards a sustainable chemical industry. Computers & Chemical Engineering 165, 107926. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2022.107926
Müller-Trefzer, F., Niedermeier, K., Fellmoser, F., Flesch, J., Pacio, J., Wetzel, T., 2021. Experimental results from a high heat flux solar furnace with a molten metal-cooled receiver sommer. Solar Energy 221, 176-184. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.03.066
Pataro, I. M. L., Gil, J. D., Americano da Costa, M. V., Guzm'an, J. L., Berenguel, M., 2022. A stabilizing predictive controller with implicit feedforward compensation for stable and time-delayed systems. Journal of Process Control 115, 12-26. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2022.04.017
Pataro, I. M. L., Gil, J. D., Guzmán, J. L., Berenguel, M., Lemos, J. M., 2023. Optimal control of solar collector fields based on linear quadratic controller with accessible disturbance. In: 2023 European Control Conference (ECC). pp. 1-6. https://doi.org/10.23919/ECC57647.2023.10178132
