Controle preditivo multi-rate para eficiência energética em sistema de controle via rede sem fio

• Main Author: Fakir, Felipe [UNESP]
• Other Authors: Universidade Estadual Paulista (UNESP)
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Estadual Paulista (UNESP) 2017
• Subjects: Sistemas de controle via redes sem fio; Otimização energética; Model predictive controller; Controle multi-rate; Wireless networked control systems; Power optimization; Multi-rate control
• Online Access: http://hdl.handle.net/11449/150992

Submitted by Felipe Fakir null ([e-mail]) on 2017-06-27T07:01:28Z No. of bitstreams: 1 FFAKIR Dissertação vFinalFichaCataAta.pdf: 2064786 bytes, checksum: 158a935a636b9dbf9e59618a35b4c8ef (MD5) === Approved for entry into archive by Luiz Galeffi ([e-mail]) on 2017-06-28T19:39:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 fakir_f_me_bauru.pdf: 2064786 bytes, checksum: 158a935a636b9dbf9e59618a35b4c8ef (MD5) === Made available in DSpace on 2017-06-28T19:39:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 fakir_f_me_bauru.pdf: 2064786 bytes, checksum: 158a935a636b9dbf9e59618a35b4c8ef (MD5) Previous issue date: 2017-06-01 === A tecnologia de comunicação wireless vem se tornando parte fundamental do cotidiano das indústrias de processos, onde o uso de transmissores wireless aplicados à monitoração e controle já é uma realidade. A arquitetura de Sistema de Controle via Rede Sem Fio (WNCS) possui vantagens em relação às arquiteturas tradicionais ponto-a-ponto e às arquiteturas de redes cabeadas devido à facilidade de instalação, configuração e manutenção. No entanto, a evolução desta tecnologia introduziu novos desafios para a implementação da malha de controle fechada por um instrumento wireless como as não linearidades, perda de pacote de dados e restrições da comunicação de dados nas redes sem fio. Outro fator crítico relacionado à implementação de WNCSs é a fonte de energia limitada destes transmissores, que possuem vida útil dependente da quantidade de acessos e dados transmitidos. Este trabalho apresenta o estudo e o desenvolvimento de um controlador preditivo multi-rate como alternativa para melhorar a eficiência energética em aplicações industriais de WNCSs. A estratégia proposta não necessita receber constantemente os valores reais das variáveis do processo transmitidos pelos transmissores wireless, pois o controlador preditivo baseado em modelo (MPC) se utiliza do submodelo interno das variáveis de processo para estimar os valores das variáveis quando estas não são transmitidas. Dessa forma, uma diminuição da frequência de transmissão de dados na rede sem fio pode ser obtida e, consequentemente uma redução do consumo energético dos dispositivos sem fio. Resultados de simulações em diferentes condições de operação de um WNCS multivariável de controle de tanques acoplados demonstram que o MPC multi-rate possui características de robustez e é efetivo para aplicações de WNCS, garantindo requisitos de controle e estabilidade mesmo com a diminuição da frequência de transmissão de dados de realimentação na rede sem fio. Adicionalmente, resultados do consumo energético dos dispositivos do WNCS mostraram que o MPC multi-rate proporciona uma economia de energia de até 20% das baterias dos transmissores wireless. Uma análise da eficiência energética do WNCS é apresentada através do estudo dos limites operacionais do controlador MPC multi-rate considerando a relação de compromisso entre o período de amostragem dos dispositivos sem fio e o desempenho de controle do WNCS. === Wireless communication technology has become a fundamental part of the everyday life of process industries, where the use of wireless transmitters for monitoring and control is already a reality. The architecture of Wireless Networked Control Systems (WNCSs) has advantages over point-to-point and wired networks architectures due to the ease of installation, configuration and maintenance. However, the evolution of this technology has introduced new challenges to the implementation of the closed loop control with a wireless instrument as nonlinearities, packet losses and data communication constraints in the wireless networks. Another critical factor related to implementation of WNCSs is the energy source of these transmitters, which have limited lifetime dependent on the amount of access and data transmitted. This work presents the study and the development of a multi-rate predictive controller as an alternative to improve energy efficiency in industrial applications of WNCSs. The proposed strategy does not need to frequently receive updated process variables transmitted by wireless transmitters, because the model predictive controller (MPC) uses the internal submodel of the process variables to estimate the variables values when they are not transmitted. Thus, a decrease in the frequency of data transmission on the wireless network can be obtained and consequently a reduction of energy consumption of wireless devices. Simulation results for different operating conditions of a multivariable WNCS of coupled tanks shows that the multi-rate MPC provides robustness and it is effective for WNCS applications, ensuring control and stability requirements even with the reduction of the transmission frequency of the feedback data in the wireless network. In addition, energy consumption results from the WNCS devices showed that MPC multi-rate provides 20% of energy economy as it is effective in saving the energy expenditure of the wireless transmitter’s battery. An energy efficiency analysis of the WNCS is presented by studying the operating limits of the multi-rate MPC controller considering the compromise relationship between the sampling period of the wireless devices and the control performance of the WNCS.