[논문 리뷰] Application of Modified Multi Model Predictive Control Algorithm to Fluid Catalytic Cracking Unit

Nafay Hifzur Rehman, Neelam Verma|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 12.

Fault Detection and Control Systems인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유동층 촉매 분해 단위(FCCUs)를 위한 수정된 다중모델 예측제어(MPC) 알고리즘을 제안한다. PRBS 입력을 사용한 부분공간 시스템 식별(N4SID)을 통해 다양한 운전 조건을 반영하는 다수의 선형 모델을 구축한다. 이 방법은 하드 제약 조건이 존재하는 다중입력다중출력(MIMO) 시스템에서 참조 추적성과 외란 저항성을 향상시키며, MATLAB/Simulink를 사용한 시뮬레이션에서 단일모델 MPC보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비선형 유동층 촉매 분해 단위(FCCUs)의 제어 과제를 해결하기 위해 다수의 운전 영역을 고려한다.
• 하드 입력 및 출력 제약 조건이 존재하는 다중입력다중출력(MIMO) 시스템의 제어 성능을 향상시킨다.
• 시스템의 비선형성에도 불구하고 강건성과 단순성을 유지하는 예측제어 전략을 개발한다.
• 다중모델 프레임워크를 활용해 FCCU 온도 제어의 참조 추적성과 외란 저항성을 향상시킨다.

제안 방법

• 입력-출력 데이터로부터 FCCU의 선형 모델을 추정하기 위해 부분공간 시스템 식별(N4SID)을 사용한다.
• 시스템을 자극하고 모델 식별을 위한 데이터를 수집하기 위해 의사난수 이진열(PRBS) 신호를 입력으로 적용한다.
• FCCU의 다양한 운전 조건을 표현하기 위해 다수의 국소 선형 모델을 구축한다.
• 가중치 기반 방식으로 이러한 모델들을 조합하여 다중모델 MPC 알고리즘을 수정함으로써 운영 영역 전반에서 제어 정확도를 향상시킨다.
• 알고리즘의 복잡도를 증가시키지 않으면서도 입력 및 출력에 대한 하드 제약 조건을 처리한다.
• MATLAB/Simulink를 사용하여 컨트롤러를 시뮬레이션하고 리저 서라운드 온도 및 재생기 온도 제어 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 운전점이 존재하는 비선형 FCCU에 대해 다중모델 MPC 접근 방식이 제어 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 참조 추적성과 외란 저항성 측면에서 수정된 다중모델 MPC는 단일모델 MPC보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 제안된 방법은 설계 복잡도를 증가시키지 않으면서도 MIMO FCCU 시스템의 하드 제약 조건을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ4 PRBS 자극 데이터를 활용한 부분공간 식별에서 모델 정확도 향상 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 다중모델 MPC는 단일모델 MPC보다 시뮬레이션에서 참조 추적 성능이 뚜렷이 향상됨을 확인하였다.
• 다양한 운전 조건 하에서도 컨트롤러가 뛰어난 외란 저항 능력을 보였다.
• PRBS 입력을 사용한 N4SID를 통해 유도된 다수의 모델은 단일 글로벌 모델보다 더 정확한 시스템 표현을 가능하게 하였다.
• 입력 및 출력에 하드 제약 조건이 존재하더라도 알고리즘이 강건성과 단순성을 유지하였다.
• 시뮬레이션 결과, 리저 서라운드 온도 및 재생기 온도 제어에서 오버슈트 감소와 더 빠른 수면 시간이 관찰되었다.
• 이 방법은 계산 또는 설계 복잡도를 증가시키지 않으면서도 FCCU의 MIMO 특성을 효과적으로 처리하였다.