Model-based and model predictive control

Bu projede, Model Temelli Prosess Kontrol (MTK), İleri Prosess Kontrol için kuramsal bir taban sağlamak, uygun transfer fonksiyonlarını türetmek ve bu kuramsal yapıları literatürden elde edilen örneklere uygulamak üzere araştırıldı. MTK, kontrol algoritmasında belirtik olarak bir proses modelini içeren sistemlerin kontrol edilmesini hedefler. MTKʼnın temel ilkesi, kontrol bileşeni olarak prosese ait transfer fonksiyonunun tersini kullanmasıdır. Bu çalışmada, kısıtsız kontrol bileşeninin iki farklı biçimi sunulmuştur. İçsel Model Kontrol (İMK) ve Çıkarsamalı Kontrol (ÇK) teknikleriyle örneklenen transfer fonksiyonu biçimi Model Öngörülü Kontrolün (MÖK) kısıtsız optimizasyon biçimi Model temelli kontrol, geleneksel tek döngülü kontrol bileşenlerinin yerini almaz. Aksine, geleneksel yöntemleri tamamlar. Model temelli kontrol kuramı, geleneksel tek döngülü PID kontrol bileşenlerinin ayarlanması ve işletime konulmasına değerli ek katkılarda bulunur. İçsel Model Kontrol, geri dongülü kontrol bileşenlerinin tasarımına uygun bir yöntemdir. Böylelikle, kendinden kararlı bir prosesin çıktısının, belirli bir setpoint değişimine istenen şekilde yanıt vermesi sağlanmış olur. Aynı zamanda, prosesin çıktılarına doğrudan giren bozucu etkileri karşılanmasına da katkıda bulunur. Bu yöntemde, doğrusal veya doğrusallaştırılmış modeller kullanılır ve modelin belirli bölümlerinin terslerini alarak bunları prosesin kontrol bileşeni olarak devreye alır. Doğrusal bir prosesin bazı bölümlerinin tersi alınamaz. Tersi alınamayan bu etmenler, zaman gecikmeleri ve kararsızlıklar içerir. Proses modelini tersi alınabilir duruma getirebilmek için doğrusal filtreler eklenir. İMK kontrol bileşeninin olumsuz davranışını ayarlamak için filtre parametreleri kullanılabilir. İMK kontrol bileşeninin uygulamaları daha popüler duruma gelmesine rağmen standart sanayi kontrol bileşenleri olan oransal (P), oransal ve integral (PI) ve oransal ve integral, türevsel (PID) biçimlerinin kullanımına devam edilmektedir. Bu çalışmada, kısıtlı sayıda PI ve PID kontrol bileşenleri ile donanmış proseslerin İMK kontrol bileşenleri ile nasıl yaklaştırılabileceği gösterilmiştir. Öyle prosesler vardır ki, kontrol edilecek birincil değişkenin ölçülmesi zordur veya bu değiken örneklenmiş bir ölçüm olabilir ve ölçüm ve çözümleme prosesinde kayda değer gecikmeler bulunabilir. Böylece, çıkarsamalı kontrol ikincil ölçümler kullanarak birincil çıktı değişkene etki eden bozucu etkiler çıkarsanır ve karşılanır. Bu çalışmada, yalnızca kısıtsız Model Öngörülü Kontrol (MÖK) ele alınmıştır. MÖK kontrol hesaplamaları hem o an yapılan ölçümlere ve model öngörülerine dayanır. Kontrol hesaplamaları, referans olarak kabul edilen bir yörüngeye mümkün olduğu kadar yakın olacak düzeltilmiş öngörülerin elde edilmesini içerir. Böylece, bir optimizasyon kullanılır ve kontrol problemi bir optimizasyon problemine dönüştürülmüş olur. Bu durumda, kontrol gereksinmelerini kapsayan bir amaç fonksiyonu tanımlanır. Tüm kontrol fonksiyonları tek bir amaç fonksiyonuna dayandırıldığı için bu yaklaşım tek amaçlı model öngörülü kontrol olarak adlandırılır. MÖK için kullanılan dinamik model, hem fiziksel hem de deneysel olabilir. Ancak, MÖKʼ ün endüstriyel uygulamaları geleneksel olarak ayrık-zaman, doğrusal ve deneysel modeller üzerine dayandırılmıştır. Bunlar, basit transfer fonksiyonu modelleriyle hassasiyetle betimlenemeyen ve beklenmedik davranışlar gösteren kararlı proseslere uygulanmasında avantajlı bir durum yaratır. Temel dezavantajı, çok sayıdaki model parametreleridir. Bu tezde, çağdaş gelişmis proses kontrolün kuramsal altyapısının anlaşılması ve uygulayabilirlik kazanılması amaçlanmıştır. Laplaceʼın tersinin alınması zor olan birkaç proses transfer fonksiyonunun ters alma işlemleri literatürden alınmıştır. Geri kalan çok sayıdaki transfer fonksiyonlarının Laplace türetimleri ve işlemleri bu tez çalışmasında gerçekçi bir biçimde yapılmıştır