[論文レビュー] Model Predictive Control (MPC) Applied To Coupled Tank Liquid Level System

Med. Essahafi|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2014

Advanced Control Systems Optimization被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、状態空間表現を用いて多次元入力多次元出力（MIMO）システムとしてモデル化された2タンク液体レベル系に対して、モデル予測制御（MPC）戦略を提案する。MPCコントローラーは、摂動に対しても両タンクの液体レベルを制御するように設計されており、シミュレーションにより優れた安定性と摂動抑制性能を示し、効果的な多変数制御を実現している。

ABSTRACT

Coupled Tank system used for liquid level control is a model of plant that has usually been used in industries especially chemical process industries. Level control is also very important for mixing reactant process. This survey paper tries to presents in a systemic way an approach predictive control strategy for a system that is similar to the process and is represented by two liquid tanks. This system of coupled Tank is one of the most commonly available systems representing a coupled Multiple Input Multiple Output (MIMO) system. With 2 inputs and 2 outputs, it is the most primitive form of a coupled multivariable system. Therefor the basic concept of how the coupled tanks system works is by using a numerical system which it operates with a flow control valve FCV as main control of the level of liquid in one tank or both tanks. For this paper, MPC algorithm control is used which will be developed below. And it is focuses on the design and modelling for coupled tanks system. The steps followed for the design of the controller are: Developing a state space system model for the coupled tank system then design an MPC controller for the developed system model. And study the effect of the disturbance on measured level output. Note that the implementation Model Predictive Controller on flow controller valve in a Coupled Tank liquid level system is one of the new methods of controlling liquid level.

研究の動機と目的

• 共通の産業的MIMOプロセスモデルである結合タンク系に対する体系的な制御戦略の開発を目的とする。
• 2入力2出力の2タンク液体レベル系に対するモデル予測コントローラー（MPC）の設計を目的とする。
• 制御系における測定液体レベル出力に及ぼす摂動の影響を分析することを目的とする。
• MPCが結合的で多変数的な液体レベルダイナミクスを管理する上で実用的かつ効果的であることを実証することを目的とする。
• 類似した産業的プロセス制御応用におけるMPC実装の基盤フレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• 各タンクの質量収支方程式に基づいて、結合タンク系の状態空間モデルを構築する。
• 流体の流量則を用いて、流入および流出の関係を含めたシステムダイナミクスを導出する。
• 状態空間モデルを用いて将来のシステム行動を予測し、制御入力を最適化するMPCコントローラーを設計する。
• 制約条件と多変数相互作用を処理するために、移動ホライズン最適化アプローチを用いてMPCアルゴリズムを実装する。
• さまざまな摂動条件下でのコントローラー性能をシミュレーションし、ロバストネスを評価する。
• 液体レベルを両タンクで制御する主なアクチュエータとして、流量制御弁（FCV）を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデル予測制御（MPC）戦略を、代表的なMIMOプロセスとしての2タンク液体レベル系に効果的に適用する方法は何か？
• RQ2 MPCで制御される結合タンク系において、外部摂動が液体レベル出力に及ぼす影響は何か？
• RQ3 多変数結合効果が存在する状況下でも、MPCコントローラーは安定性と性能をどのように維持するか？
• RQ4 2入力2出力の物理的液体レベル制御システムにMPCを実装する際の主な設計上の考慮事項は何か？
• RQ5 このシステム構成において、従来の制御手法と比較してMPCが優れた摂動抑制を提供できるか？

主な発見

• MPCコントローラーは、通常運転条件下でも両タンクの液体レベルを正常に制御し、効果的な多変数制御を実現した。
• コントローラーは強力な摂動抑制能力を示し、外部の摂動に対してもセットポイント追従を維持した。
• 状態空間モデルは、結合タンク系の動的挙動を正確に表現しており、信頼性の高いMPC設計を可能にした。
• シミュレーション結果から、MPCが入力・出力制約を処理しながらもシステムの安定性を維持できることを確認した。
• 流量制御弁へのMPCの実装により、両タンクの液体レベルが正確かつ連携して制御された。
• 本研究では、産業応用における結合液体レベル系に対して、MPCが実用的で効果的な制御戦略であることが確認された。