Advanced control strategies based on invariance set theory and economic MPCapplication to WWTP

Resumen

La creciente demanda de seguridad ambiental, eficiencia energética y altas especificaciones de calidad del producto promueven el desarrollo de algoritmos de control avanzado para mejorar el funcionamiento y el rendimiento de los procesos industriales. Motivado por el hecho de que muchos procesos industriales relevantes se caracterizan por fuertes no linealidades, incertidumbre y restricciones del modelo, y la falta de métodos generales de control lineal o no lineal para tales sistemas, el primer objetivo general de esta tesis es desarrollar una metodología rigurosa, práctica y unificada para el diseño de leyes de control para procesos no lineales con restricciones de entrada, que integra capacidades explícitas de manejo de restricciones en los diseños de controlador y proporciona una caracterización explícita de las propiedades de estabilidad y rendimiento de los controladores diseñados. El segundo objetivo es proporcionar una comprensión fundamental de la naturaleza del problema de control no lineal, así como de las limitaciones impuestas por las no linealidades y restricciones para dirigir la dinámica de tales sistemas. El objetivo final es evaluar el control y estrategias desarrolladas mediante modelos de simulación, utilizando EDAR como caso de estudio. El resto de la tesis se organiza de la siguiente manera. El capítulo 2 contiene una breve descripción de la EDAR y sus diferentes etapas de tratamiento. También presenta los detalles de tres modelos del proceso de fangos activados (ASP) que se utilizarán en los capítulos siguientes. A continuación se describen las perturbaciones que afectan al proceso, algunos índices dinámicos de calidad del efluente y las condiciones operativas requeridas para un funcionamiento adecuado. Este capítulo termina con la descripción del problema de control. El capítulo 3 presenta algunas nociones teóricas y algunas herramientas que se utilizarán en las metodologías propuestas. A partir de ahí, la tesis se compone de dos partes con estrategias de control diferentes. La primera está formada por estrategias de control basadas en el concepto de invariancia positiva y la segunda fundamentalmente por estrategias de control basadas en optimización dinámica en tiempo real. El primer controlador desarrollado en la primera parte es una ley de retroalimentación no lineal que hará que la salida siga rápidamente una entrada escalón de gran amplitud sin experimentar un sobreimpulso grande y sin los efectos adversos de saturación del actuador y asegurando la estabilidad y el cumplimiento de las restricciones. El controlador consiste en una ley de realimentación lineal calculada usando el concepto de invariancia positiva y una ley de realimentación no lineal sin ningún elemento de conmutación. La parte de realimentación lineal está diseñada para producir un sistema en lazo cerrado con una pequeña relación de amortiguación para una respuesta rápida, mientras que al mismo tiempo no excede los límites del actuador para los niveles de entrada requeridos. La ley de realimentación no lineal se utiliza para aumentar la relación de amortiguación del sistema en lazo cerrado cuando la salida del sistema se aproxima a la referencia para reducir el sobreimpulso causado por la parte lineal. El segundo controlador es un MPC en lazo cerrado utilizando conjuntos invariantes poliédricos que proporciona una solución simple a este tipo de control, garantizando la estabilidad y respetando las restricciones sobre magnitud de control y sus incrementos en ambos modos de funcionamiento del controlador dual. La solución propuesta puede tener en cuenta restricciones simétricas y asimétricas, y reduce significativamente la carga computacional asociada con el problema del MPC con restricciones. La segunda parte presenta también dos metodologías de control, la primera de ellas consiste en un nuevo Control Predictivo Generalizado en lazo cerrado no lineal basado en un GPC no lineal económico, como una técnica de control avanzada eficiente para mejorar la economía en la operación de plantas no lineales. El segundo controlador se centra en la integración de optimización dinámica económica y un controlador MPC en lazo cerrado no lineal. La arquitectura está compuesta por dos capas. La capa superior, consistente en un MPC económico que recibe información de estado e información económica dependiente del tiempo, calcula trayectorias de operación variables en el tiempo económicamente óptimas para el proceso, optimizando una función de coste económico dependiente del tiempo sobre un horizonte de predicción finito. La capa inferior utiliza un MPC en lazo cerrado no lineal para calcular acciones de control que obligan a las salidas del proceso a seguir las trayectorias recibidas desde la capa superior. En esta última metodología, se demuestra que la desviación entre el estado del sistema en lazo cerrado y la trayectoria económica que debe seguir está acotada, asegurando la estabilidad.