Control del sistema TCLab con técnicas de control predictivo

Abstract

El objetivo de este trabajo es realizar el modelado, identificación y definición de conceptos, para diseñar el control del equipo TCLab (Temperature Control Lab), un equipo para enseñar los principios de control de forma práctica, montado en un Arduino compuesto de dos sensores de temperaturas y dos calentadores, de forma que se produce transferencia de calor entre los distintos dispositivos del TCLab. Se describe en detalle las características de este equipo. El objetivo del control es poder controlar las dos temperaturas según la referencia de temperatura deseada por el usuario. Para controlar el sistema se van a obtener los modelos de espacios de estados del TCLab, mediante las ecuaciones de balance de calor y mediante la utilización de técnicas de identificación en Matlab. Por otro lado, se van a utilizar observadores para estimar los estados de los modelos, al no ser posible medir todos los estados de nuestro sistema, optimizando los parámetros del observador de forma que los estados estimados del sistema convergen de forma rápida al estado verdadero del sistema. Se van a aplicar técnicas de control LQR (Linear Cuadratic Regulator) y MPC (Model Predictive Control), utilizando el toolbox SPCIES de Matlab para el control predictivo por modelo. De esta forma, haremos simulaciones del comportamiento y dinámicas del TCLab utilizando los modelos obtenidos. Finalmente se realizarán las pruebas necesarias en el TCLab y se validará que se logra el objetivo de control, comparando los resultados obtenidos entre las dos técnicas de control.

The objective of this paper is to introduce the modelling, identification, and definition the concepts, for the purpose of control development for the system TCLab (Temperature Control Lab), which is a system designed to teach the principles of control labs, it includes an Arduino, two temperature sensors and two heaters, mounted in a way that there is heat transfer between the devices. We describe in detail the system specifications. The objective of the controller is to follow the temperature setpoint introduced by the user. To design the controller of the system, we need to obtain the TCLab states spaces models, using the thermal balance equations and system identification techniques with MATLAB. On the other hand, we are going to use an observer to estimate the models’ states, because it isn’t possible to measure all the states of our system, optimizing the observer’s parameters in such a way, so the estimated states of the systems, converge fast to the true state of our system. We are going to apply LQR (Linear Cuadratic Regulator) and MPC (Model Predictive Control) using the toolbox SPCIES in Matlab for the predictive control. We will use the models obtained of the system to simulate the performance of the TCLab. Finally, we will test the TCLab, and we will validate if we achieve the control objective, comparing the results of the two control techniques.