Comparative study between PI-AW and MPC controllers with Gaussian noise in feedback loop

The present work proposes a comparative study between the classical PI controller with Antiwindup structure (PI-AW) and aModel Predictive Control (MPC), then the control to be applied is GPC-T. These two control techniques are applied to different plants considering the following situations: Presence of saturation on the control signal, which is related to the real limitations of actuators and the Gaussian noise presence in the feedback loop. Finally, as it is well known in the process control, actuators commonly operate close to their saturation limits, e.g., speed control of an electric motor is always under the influence of the load as consequence the control signal leads the actuators close to their limits. Therefore, loss of reference may happen leading to a steady-state error, which is undesirable in the control processes. This phenomenon is called Noise Induced Tracking Error NITE. Although predictive controller GPC has shown poorer performance compared to the PI-AW one, incorporation of the T-polynomial, i.e., the well-known GPC-T controller considerably improved both disturbance rejection and noise attenuation, when saturation is included in the optimization process with constraint, i.e, decreases the NITE phenomenon. In order to verify the aforementioned analysis experimentally, it has been chosen the speed control loop of a variable reluctance motor (SRM). Such plant has been shown to be suitable for the analysis as it has intrinsic mechanical oscillations and measurement noise. Therefore, by properly choosing a reference speed, one may take the machine to operate very close to the actuators limits, emphasizing the disturbances effect and noises in the overall operation. Then the NITE phenomenon is verified and its decrease by the GPC-T controller with analytic optimization, to decrease the computational effort in the DSP. O presente trabalho propõe um estudo comparativo entre o controlador PI clássico com estrutura Anti-Windup (PI-AW) e Controle Preditivo basado em Modelo (MPC), ou seja, o controlador GPC-T. Estas duas técnicas de controle são aplicadas em diferentes plantas, considerando as seguintes situações: Presença de saturação no sinal de controle, o qual está relacionado às limitações físicas dos atuadores e à presença de ruído Gaussiano no laço de realimentação. Finalmente, como é bem conhecido no controle do processos, os atuadores geralmente operam perto de seus limites de saturação, por exemplo, o controle de velocidade de um motor elétrico está sempre sob a influência da carga, pois o sinal de controle conduz os atuadores próximos aos seus limites de operação. Portanto, tem-se perda de referência levando a um erro de estado estacionário, o que é indesejável nos processos de controle. Este é o fenômeno Erro de Rastreamento Induzido por Ruído NITE. Embora o controlador preditivo GPC tem mostrado um desempenho menor em comparação com o PI-AW, incorporação o polinômio-T, o seja o conhecido controlador GPC-T melhorou consideravelmente a rejeição de perturbações e a atenuação do ruído, quando a saturação é incluída no processo de otimização com restrição, então se diminui o fenômeno NITE. Para verificar experimentalmente a análise mencionada encima, tem sido escolhido o laço de controle de velocidade de um Motor de Relutância Variável (MRV). Essa planta mostrou ser adequada para a análise, pois possui oscilações mecânicas intrínsecas e o ruído de medição. Portanto, ao escolher corretamente uma velocidade de referência, pode-se levar a máquina a operar muito perto dos limites dos atuadores, enfatizando o efeito de distúrbios e ruídos na operação geral. Então o fenômeno NITE é verificado e sua diminuição pelo controlador GPC-T com otimização analítica para diminuir o esforço computacional no DSP.