[論文レビュー] Application of Modified Multi Model Predictive Control Algorithm to Fluid Catalytic Cracking Unit

Nafay Hifzur Rehman, Neelam Verma|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Fault Detection and Control Systems被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、液体触媒セメント装置（FCCU）のための修正されたマルチモデル予測制御（MPC）アルゴリズムを提案している。サブスペースシステム同定（N4SID）を用い、PRBS励起を用いて、変化する運転条件を捉える複数の線形モデルを構築する。この手法は、ハード制約を伴うMIMO系において、参照追従性と外部からの摂動への耐性を向上させ、MATLAB/Simulinkを用いたシミュレーションで単一モデルMPCを上回る性能を示した。

ABSTRACT

This paper presents a modified multi model predictive control algorithm for the control of riser outlet temperature and regenerator temperature for the fluid catalytic cracking unit (FCCU). The models of the fluid catalytic cracking unit are estimated using subspace identification (N4SID) algorithm. The PRBS signal is applied as an input signal to estimate the FCCU models. Since the estimated model does not give 100% fit; especially for nonlinear systems having more than one operating conditions, multi-model approach is proposed. In multi model, more than one model of FCCU used in MPC design. The main advantages of proposed method are that it can handle hard input and output constraints and it can be used for multi input multi output processes (MIMO) without increasing the complexity in control design. MATLAB/Simulink is used to estimate the models of FCCU and simulate the results for the controller. The simulation results show that the proposed algorithm provides better result for both reference tracking and disturbance rejection.

研究の動機と目的

• 非線形な液体触媒セメント装置（FCCU）の制御において、複数の運転レジームが存在するという課題に対処すること。
• 入力および出力にハード制約が存在する多入力多出力（MIMO）系の制御性能を向上させること。
• システムの非線形性にもかかわらず、ロバスト性とシンプルさを維持する予測制御戦略を開発すること。
• マルチモデルフレームワークを用いて、FCCUの温度制御における参照追従性と外部摂動への耐性を向上させること。

提案手法

• サブスペースシステム同定（N4SID）を用いて、入出力データからFCCUの線形モデルを推定する。
• システムを励起し、モデル同定に必要なデータを収集するために、擬似ランダムバイナリシーケンス（PRBS）信号を入力として用いる。
• FCCUの異なる運転状態を表す複数の局所線形モデルを構築する。
• 重み付け方式を用いてこれらのモデルを統合することで、運転領域全体にわたる制御精度を向上させる、修正されたマルチモデルMPCアルゴリズムを構築する。
• アルゴリズムの複雑さを増さずに、入力および出力にハード制約を処理する制御設計を実現する。
• MATLAB/Simulinkを用いて、コントローラーをシミュレートし、リーサー出口温度およびリジェネレータ温度制御における性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変化する運転点を有する非線形FCCUに対して、マルチモデルMPCアプローチが制御性能を向上させることができるか？
• RQ2 参照追従性および外部摂動への耐性という観点から、修正されたマルチモデルMPCは単一モデルMPCと比較してどのように異なるか？
• RQ3 提案手法は、設計の複雑さを増さずに、MIMO-FCCU系におけるハード制約を効果的に管理できるか？
• RQ4 PRBS励起データを用いることで、FCCU制御のためのサブスペース同定におけるモデル精度がどの程度向上するか？

主な発見

• 提案されたマルチモデルMPCは、シミュレーションにおいて単一モデルMPCと比較して、参照追従性が顕著に向上した。
• 異なる運転条件下でも、外部摂動への耐性が優れた性能を示した。
• PRBS入力を用いたN4SIDによる複数のモデルの導出は、単一のグローバルモデルに比べ、より正確なシステム表現を可能にした。
• 入出力にハード制約が存在する状況においても、アルゴリズムはロバスト性とシンプルさを維持した。
• シミュレーション結果から、リーサー出口温度およびリジェネレータ温度制御の両方において、オーバーシュートが低減され、安定化時間が短縮された。
• 計算コストや設計の複雑さを増さずに、FCCUのMIMO特性を効果的に処理できた。