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Análise do controle de processos com atraso de transporte utilizando preditor de Smith filtrado

The time delay, or dead-time, is characterized by the difference in time that passes in a system between the application of the input signal and the manifestation of its effect on the output signal. For small values of dead time, there is the possibility of using conventional controller tuning techn...

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Autor principal:	Abitante, Luiz Alexandre
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2022
Assuntos:	Kalman, Filtragem de Controle preditivo Controladores elétricos Sistemas de controle digital Kalman filtering Predictive control Electric controllers Digital control systems CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27602
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id	riut-1-27602
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spelling	riut-1-276022022-03-12T06:06:35Z Análise do controle de processos com atraso de transporte utilizando preditor de Smith filtrado Dead-time process control analysis using filtered Smith predictor Abitante, Luiz Alexandre Torrico, César Rafael Claure Torrico, César Rafael Claure Sousa, Kleiton de Morais Bernardi, Ricardo Kalman, Filtragem de Controle preditivo Controladores elétricos Sistemas de controle digital Kalman filtering Predictive control Electric controllers Digital control systems CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA The time delay, or dead-time, is characterized by the difference in time that passes in a system between the application of the input signal and the manifestation of its effect on the output signal. For small values of dead time, there is the possibility of using conventional controller tuning techniques, such as the PID, to adapt its structure and perform the control. However, in cases which the dead-time is very relevant when compared to the system time constant, the use of conventional PID controllers may not be effective. As a result, there is a need to implement more advanced control structures, such as dead time compensators. The Smith Predictor is a type of model-based dead-time compensator, and its main objective is to remove the dead-time from the feedback loop and allow the rejection of possible disturbances that may occur in the system. However, the use of the Smith Predictor presents problems in the dynamics of disturbance rejection, mainly in systems with an unstable or integrative character. A change in the original structure of the Smith Predictor theoretically allows the control of these systems to be achievable. This structure is called the Filtered Smith Predictor. Besides the disturbances in the plant, other unwanted signals can trouble the performance of the systems, and one of the alternatives to perform the filtering of these signals, without inserting a lag in the system, is the Kalman Filter, a state estimator which makes a weighting between a mathematical model and the signals from sensors. Therefore, the purpose of the work is to study the basic characteristics of the Conventional and Filtered Smith Predictor through research in the literature, to simulate the behavior of the structures for different types of system (stable, unstable and integrative) with discrete-time algorithms, and, through the union of these techniques with the Kalman Filter , do the practical implementation in a fluidic processes workbench, considering its original character (stable system of first order) and considering the manual insertion of a pole at the origin, in this system. The results obtained showed a good functioning of the Kalman filter when combined with the structure of the Smith predictor, as well as the implementation of the systems proved to be very satisfactory. Thus, the use of these techniques together is favorable, despite being susceptible to system modeling errors O atraso de transporte, ou tempo morto, é caracterizado pela diferença de tempo que transcorre em um sistema entre a aplicação do sinal de entrada e a manifestação de seu efeito no sinal de saída. Para pequenos valores de tempo morto, há a possibilidade de utilizar técnicas convencionais de sintonia de controladores, como, por exemplo, o PID, para adaptar sua estrutura e realizar o controle. Entretanto, em casos nos quais o tempo morto é muito relevante quando comparado à a constante de tempo do sistema, a utilização de controladores PID convencionais pode não ser eficaz. Com isso, surge a necessidade de implementação de estruturas de controle mais avançadas, como os compensadores de tempo morto. O Preditor de Smith é um tipo de compensador de tempo morto baseado em modelo, e seu objetivo principal é o de retirar o tempo morto da malha de realimentação e permitir a rejeição de possíveis perturbações que venham a ocorrer no sistema. Todavia, a utilização do Preditor de Smith apresenta problemas nas dinâmicas de rejeição de perturbações, principalmente em sistemas com caráter instável, ou integrador. Uma alteração na estrutura original do Preditor de Smith permite que, teoricamente, o controle desses sistemas possa ser executável. Essa estrutura é chamada de Preditor de Smith Filtrado. Além das perturbações na planta, outros sinais indesejados podem atrapalhar o desempenho dos sistemas, e uma das alternativas para realizar a filtragem desses sinais, sem que haja inserção de defasagem no sistema, é o Filtro de Kalman, um estimador de estados e que realiza uma ponderação entre um modelo matemático e a leitura de sinais proveniente de sensores. Portanto, o proposito do trabalho é o de estudar as características básicas do Preditor de Smith Convencional e Filtrado através de pesquisa na literatura, simular o funcionamento das estruturas para diferentes tipos de sistema (estável, instável e integrador) com algoritmos em tempo discreto, e, através da união dessas técnicas com o Filtro de Kalman, realizar a implementação pratica em uma bancada de processos fluídicos, considerando seu caráter original (sistema estável de primeira ordem) e considerando a inserção manual de um pólo na origem, nesse sistema. Os resultados obtidos apresentaram um bom funcionamento do filtro de Kalman quando aliado à estrutura do preditor de Smith, bem como a implementação dos sistemas se mostrou muito satisfatória. Com isso, a utilização dessas técnicas em conjunto é favorável, apesar de apresentar susceptibilidades aos erros de modelagem do sistema. 2022-03-11T15:47:56Z 2022-03-11T15:47:56Z 2021-04-13 bachelorThesis ABITANTE, Luiz Alexandre. Análise do controle de processos com atraso de transporte utilizando preditor de Smith filtrado. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Pato Branco, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27602 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Pato Branco Brasil Departamento Acadêmico de Elétrica Engenharia Elétrica UTFPR
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description	The time delay, or dead-time, is characterized by the difference in time that passes in a system between the application of the input signal and the manifestation of its effect on the output signal. For small values of dead time, there is the possibility of using conventional controller tuning techniques, such as the PID, to adapt its structure and perform the control. However, in cases which the dead-time is very relevant when compared to the system time constant, the use of conventional PID controllers may not be effective. As a result, there is a need to implement more advanced control structures, such as dead time compensators. The Smith Predictor is a type of model-based dead-time compensator, and its main objective is to remove the dead-time from the feedback loop and allow the rejection of possible disturbances that may occur in the system. However, the use of the Smith Predictor presents problems in the dynamics of disturbance rejection, mainly in systems with an unstable or integrative character. A change in the original structure of the Smith Predictor theoretically allows the control of these systems to be achievable. This structure is called the Filtered Smith Predictor. Besides the disturbances in the plant, other unwanted signals can trouble the performance of the systems, and one of the alternatives to perform the filtering of these signals, without inserting a lag in the system, is the Kalman Filter, a state estimator which makes a weighting between a mathematical model and the signals from sensors. Therefore, the purpose of the work is to study the basic characteristics of the Conventional and Filtered Smith Predictor through research in the literature, to simulate the behavior of the structures for different types of system (stable, unstable and integrative) with discrete-time algorithms, and, through the union of these techniques with the Kalman Filter , do the practical implementation in a fluidic processes workbench, considering its original character (stable system of first order) and considering the manual insertion of a pole at the origin, in this system. The results obtained showed a good functioning of the Kalman filter when combined with the structure of the Smith predictor, as well as the implementation of the systems proved to be very satisfactory. Thus, the use of these techniques together is favorable, despite being susceptible to system modeling errors
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Análise do controle de processos com atraso de transporte utilizando preditor de Smith filtrado

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