Estudo e projeto de sistemas de controle fuzzy Takagi-Sugeno em plantas de processos industriais

Abstract

A grande maioria das malhas de controle em plantas de produção industrial é com o clássico controle Proporcional Integral Derivativo (PID) que não necessariamente pode garantir um comportamento adequado devido à complexidade dos modelos que governam estes processos. O grande uso do controle PID é principalmente por sua facilidade de implementação. Neste trabalho, é proposto uma metodologia para abordar modelos de plantas de processos industriais com o controle Fuzzy Takagi-Sugeno (TS). Para conseguir um erro zero nas variáveis de saídas em regime permanente, um novo estado é adicionado ao sistema por meio de uma ação integral. No modelo do sistema também é considerado a saturação dos atuadores. Para acelerar a resposta do sistema é considerado uma atribuição de taxas de decaimento específico para cada variável de estado. Para resolver o problema de que em aplicações práticas, algumas ou todas as variáveis de estado não podem ser mensuráveis, um observador de estados Fuzzy TS é considerado. O projeto dos ganhos do controlador e observador foram obtidas aplicando o princípio de separação e baseado na teoria de Lyapunov utilizando Desigualdades Matriciais Lineares (LMIs). A metodologia proposta é aplicada a uma planta térmica de vapor para geração elétrica e na simulação verifica-se que os requerimentos de desenho são conseguidos para uma ampla faixa de operação.

The vast majority of control loops in industrial production plants use the classic Proportional Integral Derivative (PID) control, which cannot necessarily guarantee an adequate behavior due to the complexity of the models that govern these processes. The great use of PID control is mainly for its ease of implementation. In this work, a methodology is proposed to approach industrial process plant models with the Fuzzy Takagi-Sugeno (TS) control. To achieve zero error in steady state output variables, a new state is added to the system through an integral action. In the system model, the saturation of the actuators is also considered. To speed up the system response an assignment of specific decay rates for each state variable is considered. To solve the problem that in practical applications, some or all of the state variables cannot be measurable, a Fuzzy TS state observer is considered. The design of the controller and observer gains were obtained applying the separation principle and based on Lyapunov's theory using Linear Matrix Inequalities (LMIs). The proposed methodology is applied to a thermal steam plant for electrical generation and in the simulation, it is verified that the design requirements are met for a wide range of operation.