Implementación de controladores predictivos en LabVIEW

Abstract

El objetivo de este proyecto es la implementación de un Control Predictivo Basado en Modelo en la plataforma de programación LabVIEW. Por ello, nos vamos a centrar en la resolución de problemas de optimización cuyo coste sea cuadrático. Esta resolución se va a realizar mediante algoritmos de optimización tales como el ISTA y el FISTA. Estos algoritmos van a ser implementados tanto para problemas de optimización con matrices no diagonales como para problemas de optimización con restricciones de igualdad. La gran ventaja que se obtiene del uso de estos algoritmos es la facilidad de implementación que presentan para así poder ser aplicados en computadores de bajas prestaciones. El tiempo de convergencia de dichos algoritmos será comparado con la función quadprog de MATLAB. El MPC tendrá asociado el Steady-State Target Optimization, que permitirá realizar el cálculo de la referencia alcanzable a partir de una referencia deseada. Este cálculo es también un problema de optimización pudiéndose obtener de forma alternativa una solución factible al SSTO sin resolver dicho problema de optimización. De igual forma, el MPC cuenta con un observador de estado del cual a partir de las medidas de la planta estime el estado actual del sistema a controlar. Tanto el observador de estado como el SSTO tendrán asociados filtros con el fin de evitar perder la factibilidad del problema de optimización al producirse cambios bruscos en la referencia. A modo de comprobación y para realizar la implementación completa del MPC, se simulará junto con un sistema. El sistema elegido para la simulación será la planta de los 4 tanques que se encuentra en el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, de la que se conocen tanto su modelo lineal como su modelo no lineal. Esta implementación en LabVIEW se hará mediante una DLL programada en lenguaje C que contenga tanto a la función que simula el controlador predictivo como a la función que simula el modelo no lineal de dicha planta.

The aim of the project is to implement a Model Based Predictive Control on LabVIEW. Therefore, we will focus on solving optimization problems whose cost is quadratic. Resolving will be performed by using optimization algorithms such as ISTA and FISTA. These optimization algorithms will be implemented for both optimization problems with non diagonal matrices and with matrices with equalily restrictions. The greatest advantage of using the previously mentioned algorithms is the ease of implementing them into low end computers. The convergence time of these algorithms will be later compared with the quadprog function of MATLAB. The MPC will be associated with the Steady-State Target Optimization, which will allow the calculation of a reachable reference from a desired reference. Since this calculation is an optimization problem as well, there could be an alternative solution feasible to the SSTO without solving the optimization problem. Likewise, the MPC has a state observer which can estimate the state of the given system from the measurement of the plant. Both the state observer and the SSTO will be associated to filters amied to avoid the loss of the feasibility of the optimization problem due to sudden changes in the reference. A simulation system will be used to accomplish a full implementation and checking of the MPC. The simulation system that was chosen for this purpose is the quadruple tank system belonging to the Systems and Automatic Egineering Department, of whom the linear and nonlinear models are known. Implementing in LabVIEW wil be done through a DLL programmed in C programming language containing both the function simulating the predictive controller and the function simulating the non-linear model of such a plant.