[논문 리뷰] Model Predictive Control (MPC) Applied To Coupled Tank Liquid Level System

Med. Essahafi|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 05.

Advanced Control Systems Optimization인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 상태공간 표현을 사용하여 다중입력다중출력(MIMO) 시스템으로 모델링한 이중tank 액위 시스템에 대해 모델 예측 제어(MPC) 전략을 제안한다. MPC 컨트롤러는 외란이 존재하는 상황에서도 양측 탱크의 액위를 조절하도록 설계되었으며, 개선된 안정성과 외란 제거 능력을 보여주는 시뮬레이션을 통해 효과적인 다변수 제어를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공통적인 산업용 MIMO 공정 모델인 결합된 탱크 시스템을 위한 체계적인 제어 전략을 개발하기 위해.
• 두 입력과 두 출력을 갖는 이중탱크 액위 시스템을 위한 모델 예측 제어기(MPC)를 설계하기 위해.
• 통제된 시스템에서 측정된 액위 출력에 대한 외부 외란의 영향을 분석하기 위해.
• 결합된 다변수 액위 동역학을 관리하는 데 있어 MPC의 실현 가능성과 효과성을 입증하기 위해.
• 유사한 산업 공정 제어 응용 분야에 대한 MPC 구현 기반 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 각 탱크에 대한 질량 보존 방정식을 기반으로 결합 탱크 시스템의 상태공간 모델을 수립하기 위해.
• 유량 흐름 원리를 사용하여 유동 및 배출 관계를 포함한 시스템 동역학을 유도하기 위해.
• 미래 시스템 행동을 예측하고 제어 조치를 최적화하기 위해 상태공간 모델을 기반으로 MPC 컨트롤러를 설계하기 위해.
• 제약 조건과 다변수 상호작용을 처리하기 위해 이동 최적화 영역 접근 방식을 사용하여 MPC 알고리즘을 구현하기 위해.
• 다양한 외란 조건 하에서의 제어 성능을 평가하기 위해 안정성 평가를 위한 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 액위를 조절하기 위한 주요 액추에이터로 유량 제어 밸브(FCV)를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 모델 예측 제어(MPC) 전략을 다변수 공정의 대표 사례인 이중탱크 액위 시스템에 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 MPC로 제어되는 결합 탱크 시스템에서 외부 외란은 액위 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 MPC 컨트롤러는 다변수 상호작용 영향이 존재하는 상황에서도 안정성과 성능을 유지하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 두 입력과 두 출력을 갖는 물리적 액위 제어 시스템에 MPC를 구현할 때 고려해야 할 주요 설계 사항은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템 구성에서 전통적인 제어 방법에 비해 MPC가 더 뛰어난 외란 제거 성능을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• MPC 컨트롤러는 정상 작동 조건 하에서 양측 탱크의 액위를 성공적으로 조절하여 효과적인 다변수 제어를 입증하였다.
• 컨트롤러는 외부 교란이 존재함에도 불구하고 설정값 추적 성능을 유지하는 강력한 외란 제거 능력을 보였다.
• 상태공간 모델은 결합 탱크 시스템의 동적 거동을 정확하게 표현하여 신뢰할 수 있는 MPC 설계를 가능하게 하였다.
• 시뮬레이션 결과는 MPC가 입력 및 출력 제약 조건을 처리하면서도 시스템 안정성을 유지할 수 있음을 확인하였다.
• 유량 제어 밸브에 MPC를 구현함으로써 양측 탱크의 액위를 정밀하고 조율된 방식으로 제어할 수 있었다.
• 본 연구는 산업 응용 분야에서 결합 액위 시스템에 대해 MPC가 실현 가능하고 효과적인 제어 전략임을 확인하였다.