O projeto de estratégias de controle preditivo (MPC) com estabilidade garantida, que incorpora explicitamente a incerteza de modelo na formulação de controle, ainda permanece uma questão em aberto na literatura, embora uma ampla teoria já tenha sido desenvolvida para a síntese de algoritmos MPC robustamente estáveis. Em verdade, as soluções existentes para o problema de MPC robusto estão longe de uma etapa aceitável de implementação prática, principalmente se o sistema de processo é composto de modos integradores ou instáveis, e também apresenta atrasos de tempo (tempos mortos) entre suas variáveis de entrada e saída. Sob esta perspectiva, o objetivo principal desta tese é desenvolver uma estrutura de síntese de controladores MPC com estabilidade robusta garantida para sistemas de processo com as características integradoras ou instáveis, assim como tempos mortos entre as variáveis. Particularmente, três diferentes estratégias de MPC robusto são desenvolvidas neste trabalho. As duas primeiras referem-se a sistemas integradores com tempos mortos: o primeiro algoritmo é baseado em uma formulação de controle em dois passos, enquanto o segundo é posto como um problema de otimização de controle em um passo e a representação de modelo em variáveis de estado é mais geral do que aquela adotada na formulação do primeiro método. A terceira estratégia proposta focaliza os sistemas instáveis com tempos mortos através de uma formulação de controle em um passo. Ademais, visando o caso de implementação prática, os controladores desenvolvidos compreende os seguintes aspectos: (i) as leis de controle livre de erro permanente são obtidas sem a necessidade de incluir uma camada de otimização adicional de cálculo de estados estacionários, devido à formulação adequada de modelos em espaço de estados na forma incremental das entradas, os quais são derivados de expressões analíticas de resposta ao degrau do sistema de processo; (ii) a incerteza de todos os parâmetros do modelo, e.g. ganhos, constantes de tempo, atrasos de tempo, é considerada na formulação do problema; (iii) as provas de estabilidade robusta segundo Lyapunov são realizadas de uma forma intuitiva através da imposição de restrições terminais de igualdade e restrições de contração de custo; (iv) a inclusão adequada de variáveis de folga, que não comprometem as propriedades estabilizantes dos controladores, assegura que os problemas de otimização são sempre viáveis; (v) integração estável com camada de otimização em tempo real, visto que os controladores são projetados de tal forma a rastrear targets ótimos para algumas entradas e saídas do processo, mantendo as variáveis remanescentes dentro de faixas pré-definidas, ao invés de set-points xos. Exemplos de simulação típicos da indústria de processo são explorados para ilustrar as potenciais utilidades dos métodos propostos e demonstrar que eles podem ser aplicados em casos reais. / The design of stable model predictive control (MPC) strategies that explicitly incorporate the model uncertainty into the control formulation still remains an open issue, although a rich theory has been developed to the synthesis of robustly stabilizing MPC schemes. In fact, the existing solutions to the robust MPC problem seem far from an acceptable stage of practical imple mentations, chiey when the process system is composed of integrating and unstable poles, as well as time delays between its input and output variables. Within this perspective, the ultimate goal of this thesis is to develop a new framework for robust MPC synthesis which guarantees closed-loop stability of integrating and unstable time delay processes. On this subject, three different robust MPC strategies are developed. The two rst concerns on integrating time delay processes; the former is based on a two-step control formulation, whereas the latter is posed as a one-step control optimization problem and state-space model description is more general than that adopted in the former formulation. The third proposed strategy focuses on one-step control formulation-based unstable time delay processes. Aiming at practical implementation purposes, the controllers proposed herein comprise the following aspects: (i) the offset free control laws are obtained without the need to include an additional steady-state calculation op timization layer due to the enclosure of proper state-space models in the incremental form of the inputs, which are derived of analytical expressions of step response of the process system; (ii) the uncertainty of all model parameters, e.g. gains, time constants, time delays and so on, is considered in the problem formulation; (iii) the proofs of robust Lyapunov stability are easily carried out of an intuitive way by imposing terminal equality constraints and cost-contracting constraints; (iv) the suitable inclusion of slack variables, which does not commit the stabil ity properties of the controllers, ensure that the proposed optimization problems are always feasible; (v) stable integration with real-time optimization layer, seeing as the controllers are designed to work in the optimum target tracking scheme where they should drive the process to the optimum operating point, while maintaining the remaining inputs and outputs inside pre dened zones instead of xed set-points. Simulation examples typical of the process industry are exploited to illustrate the helpfulness of the proposed control methods and demonstrate that they can be implemented in real applications.

Este trabalho apresenta todos os passos para a implementação de técnicas de controle preditivo em uma coluna de destilação. Inicialmente a tese introduz basicamente o funcionamento e a meta do processo de destilação. Modelos linearizados em tempo contínuo da coluna de destilação são obtidos a partir de ensaios experimentais da coluna em diferentes pontos de operação. Com base nestes modelos, várias topologias de controladores preditivos baseados em modelo são implementadas. Um otimizador em tempo real é integrado aos controladores preditivos para a redução do custo operacional da planta. Resultados simulados e resultados experimentais de todas as topologias de controladores preditivos estudados são apresentados. / This work presents all the steps to the implementation of predictive control techniques in a distillation column. First the thesis basically introduces the working and the goal of the distillation process. Linearized models in continuous time of the distillation column are obtained from experimental tests of the column in different operating points. Based on this models, several model based predictive controllers topologies are implemented. A real time optimizer is integrated with the predictive controllers to the reduction of the plant operational cost. Simulated results and experimental results of all studied predictive controllers topologies are presented.

O projeto de estratégias de controle preditivo (MPC) com estabilidade garantida, que incorpora explicitamente a incerteza de modelo na formulação de controle, ainda permanece uma questão em aberto na literatura, embora uma ampla teoria já tenha sido desenvolvida para a síntese de algoritmos MPC robustamente estáveis. Em verdade, as soluções existentes para o problema de MPC robusto estão longe de uma etapa aceitável de implementação prática, principalmente se o sistema de processo é composto de modos integradores ou instáveis, e também apresenta atrasos de tempo (tempos mortos) entre suas variáveis de entrada e saída. Sob esta perspectiva, o objetivo principal desta tese é desenvolver uma estrutura de síntese de controladores MPC com estabilidade robusta garantida para sistemas de processo com as características integradoras ou instáveis, assim como tempos mortos entre as variáveis. Particularmente, três diferentes estratégias de MPC robusto são desenvolvidas neste trabalho. As duas primeiras referem-se a sistemas integradores com tempos mortos: o primeiro algoritmo é baseado em uma formulação de controle em dois passos, enquanto o segundo é posto como um problema de otimização de controle em um passo e a representação de modelo em variáveis de estado é mais geral do que aquela adotada na formulação do primeiro método. A terceira estratégia proposta focaliza os sistemas instáveis com tempos mortos através de uma formulação de controle em um passo. Ademais, visando o caso de implementação prática, os controladores desenvolvidos compreende os seguintes aspectos: (i) as leis de controle livre de erro permanente são obtidas sem a necessidade de incluir uma camada de otimização adicional de cálculo de estados estacionários, devido à formulação adequada de modelos em espaço de estados na forma incremental das entradas, os quais são derivados de expressões analíticas de resposta ao degrau do sistema de processo; (ii) a incerteza de todos os parâmetros do modelo, e.g. ganhos, constantes de tempo, atrasos de tempo, é considerada na formulação do problema; (iii) as provas de estabilidade robusta segundo Lyapunov são realizadas de uma forma intuitiva através da imposição de restrições terminais de igualdade e restrições de contração de custo; (iv) a inclusão adequada de variáveis de folga, que não comprometem as propriedades estabilizantes dos controladores, assegura que os problemas de otimização são sempre viáveis; (v) integração estável com camada de otimização em tempo real, visto que os controladores são projetados de tal forma a rastrear targets ótimos para algumas entradas e saídas do processo, mantendo as variáveis remanescentes dentro de faixas pré-definidas, ao invés de set-points xos. Exemplos de simulação típicos da indústria de processo são explorados para ilustrar as potenciais utilidades dos métodos propostos e demonstrar que eles podem ser aplicados em casos reais. / The design of stable model predictive control (MPC) strategies that explicitly incorporate the model uncertainty into the control formulation still remains an open issue, although a rich theory has been developed to the synthesis of robustly stabilizing MPC schemes. In fact, the existing solutions to the robust MPC problem seem far from an acceptable stage of practical imple mentations, chiey when the process system is composed of integrating and unstable poles, as well as time delays between its input and output variables. Within this perspective, the ultimate goal of this thesis is to develop a new framework for robust MPC synthesis which guarantees closed-loop stability of integrating and unstable time delay processes. On this subject, three different robust MPC strategies are developed. The two rst concerns on integrating time delay processes; the former is based on a two-step control formulation, whereas the latter is posed as a one-step control optimization problem and state-space model description is more general than that adopted in the former formulation. The third proposed strategy focuses on one-step control formulation-based unstable time delay processes. Aiming at practical implementation purposes, the controllers proposed herein comprise the following aspects: (i) the offset free control laws are obtained without the need to include an additional steady-state calculation op timization layer due to the enclosure of proper state-space models in the incremental form of the inputs, which are derived of analytical expressions of step response of the process system; (ii) the uncertainty of all model parameters, e.g. gains, time constants, time delays and so on, is considered in the problem formulation; (iii) the proofs of robust Lyapunov stability are easily carried out of an intuitive way by imposing terminal equality constraints and cost-contracting constraints; (iv) the suitable inclusion of slack variables, which does not commit the stabil ity properties of the controllers, ensure that the proposed optimization problems are always feasible; (v) stable integration with real-time optimization layer, seeing as the controllers are designed to work in the optimum target tracking scheme where they should drive the process to the optimum operating point, while maintaining the remaining inputs and outputs inside pre dened zones instead of xed set-points. Simulation examples typical of the process industry are exploited to illustrate the helpfulness of the proposed control methods and demonstrate that they can be implemented in real applications.

Este trabalho apresenta todos os passos para a implementação de técnicas de controle preditivo em uma coluna de destilação. Inicialmente a tese introduz basicamente o funcionamento e a meta do processo de destilação. Modelos linearizados em tempo contínuo da coluna de destilação são obtidos a partir de ensaios experimentais da coluna em diferentes pontos de operação. Com base nestes modelos, várias topologias de controladores preditivos baseados em modelo são implementadas. Um otimizador em tempo real é integrado aos controladores preditivos para a redução do custo operacional da planta. Resultados simulados e resultados experimentais de todas as topologias de controladores preditivos estudados são apresentados. / This work presents all the steps to the implementation of predictive control techniques in a distillation column. First the thesis basically introduces the working and the goal of the distillation process. Linearized models in continuous time of the distillation column are obtained from experimental tests of the column in different operating points. Based on this models, several model based predictive controllers topologies are implemented. A real time optimizer is integrated with the predictive controllers to the reduction of the plant operational cost. Simulated results and experimental results of all studied predictive controllers topologies are presented.

[pt] Objetiva-se, nesse trabalho, formular e testar numericamente uma perspectiva computacional, baseada em elementos de controle robusto e indices de desempenho H2, para a sintese de controladores de dimensão finita (DF) para sistemas lineares de dimensão infinita (DI) correspondentes a certas equações de evolução parabólicas e, especialmente, a uma versão simplificada da equação do calor. A abordagem aqui utilizada é a de usar modelos aproximantes de DF (modelos nominais) e limitantes superiores nas normas H (infinito) dos erros de aproximação correspondentes nas funções de transferência de DI em questão, de modo que o procedimento de síntese baseie-se apenas em funções de transferência racionais e os controladores resultantes sejam de DF.Mais especificamente, uma classe de controladores que asseguram a estabilidade do sistema em malha fechada envolvendo o sistema de DI em questão e definida tomando-se as soluções ótimas de problemas H2 (infinito) nos quais o funcional de custo (H2) nominal é minimizado sobre os controladores nominalmente estabilizantes, sob uma restrição (H infinito) de margem de estabilidade mínima definida por um parâmetro de projeto escalar denotado por micro. A obtenção de um controlador é então feita pela escolha do valor de micro de modo a minimizar um limitante superior (calculado apenas com base em funçõess racionais) sobre o funcional de custo calculado no sistema de DI original. Esse procedimento é ilustrado por exemplos numéricos envolvendo a versão simplificada da equação do calor. / [en] A computational perspective based on robust control tools is presented for the H2 synthesis of finite-dimensional controllers for linear, stable, distributed-parameter systems corresponding to certain evolution equations. The approach pursued here relies on finite-dimensional approximations and error bounds on the H (infinite) norms of the corresponding errors on transfer functions so that the resulting synthesis procedure solely depends on rational transfer functions, thereby yielding finite-dimensional controllers. More specifically, a class of stabilizing controllers for a given infinite-dimensional system is defined taking optimal solutions of H2 / H (infinite) problems - i.e., a nominal H2 cost is minimized over controllers which satisfy a nominal stability margin defined by a scalar parameter micro. A controller is then obtained by choosing micro in such a way as to minimize an upper bound on the value taken by the cost functional on the original infinite-dimensional system. This procedure is illustrated by simple numerical examples involving the (simplified) heat equation in one dimension.

Orientador: Edvaldo Assunção / Resumo: Neste trabalho é proposta a resolução do problema do regulador linear quadrático (Linear Quadratic Regulator - LQR) via desigualdades matriciais lineares (Linear Matrix Inequalities - LMIs) para sistemas lineares e invariantes no tempo sujeitos a incertezas politópicas, bem como para sistemas lineares sujeitos a parâmetros variantes no tempo (Linear Parameter Varying - LPV). O projeto dos controladores é baseado na realimentação derivativa. A escolha da realimentação derivativa se dá devido à sua fácil implementação em certas aplicações como, por exemplo, no controle de vibrações. Os sinais usados na realimentação são aceleração e velocidade, sendo obtidos por meio de acelerômetros. Por meio do método proposto é possível obter condições LMIs para a síntese de controladores que garantam a estabilização do sistema em malha fechada, sendo que os controladores possuem desempenho otimizado. Para a formulação das condições LMIs, uma função de Lyapunov do tipo quadrática é utilizada. Exemplos teóricos e simulações são utilizados como forma de validação dos métodos propostos, além de mostrar que os novos resultados apresentam condições menos conservadoras. Além disso, ao final é apresentada uma implementação prática em um sistema de suspensão ativa, produzida pela Quanser®. / Abstract: The resolution of linear quadratic regulator (LQR) problem via linear matrix inequalities (LMIs) for linear time-invariant systems subject to polytopic uncertainties, as linear systems subjects to linear parameter varying (LPV), is proposed in this work. The controllers' designs are based on the state derivative feedback. The aim to the choice of the state derivative feedback is your easy implementation in a class of mechanical systems, such as in vibration control, for example. The signals used for feedback are acceleration and velocity, it is obtained by means of accelerometers. Through the proposed method it is possible to obtain LMIs conditions for the synthesis of controllers that guarantee the stabilisation of the closed-loop system, being that the controllers have optimised performance. For the LMIs conditions formulations, a Lyapunov function of type quadratic is used. As a form of validation, theoretical examples and simulations are performed, besides to show that the new results are less conservative. Furthermore, a practical implementation in an active suspension system, produced by Quanser®, is performed. / Mestre