Model öngörülü kontrol ile denetleyici tasarımı

Model Öngörülü Kontrol (Model Predictive Control, MPC) çok değişkenli ve kısıtları olan sistemleri denetlemede kullanılan güçlü bir kontrol stratejisidir. Klasik kontrol yaklaşımlarından oldukça farklı olup yüksek tasarım yeteneklerini gerektirmektedir. Bu tez çalışmasının ana amacı MPC kontrol stratejisi ile bir DC motorun denetimini benzetim ortamında gerçekleştirmektir. Bunun için, öncelikle, bir DC motora ait gerçek parametre değerleri kullanılarak DC motorun matematiksel modellenmesi elde edilmiştir. Elde edilen modele dayalı olarak MPC kontrol stratejisi ile DC motor denetimi gerçekleştirilmiştir. MPC denetleyici ayar parametrelerinin denetim performansı üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. Tasarlanan MPC denetleyicinin performansını test etmek için, DC motorun klasik PID (Proportional-Integral-Derivative) tip denetleyici kullanılarak denetimine yönelik çalışmalar da gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, DC motorun hem akımını hem de açısal hızını kontrol etmek için kaskad kontrol yapısı kullanılmıştır. Bu yapıda, DC motorun akımını kontrol etmek için iç döngüde PI denetleyici, DC motorun hızını kontrol etmek için dış döngüde PI-P denetleyici kullanılmıştır. Kaskad kontrol yapısındaki denetleyicilerin ayar parametreleri kontrolör sentezi kullanılarak hesaplanmıştır. MATLAB/Simulink ortamında MPC araç kutusu kullanarak tasarlanan lineer MPC denetleyici ile kaskad kontrol yapısında kullanılan klasik PID tip denetleyici kapalı çevrim performansları karşılaştırılmıştır. Tasarlanan MPC denetleyicinin ve kaskad kontrol yapısındaki PID tip denetleyicilerin farklı çalışma koşullarındaki performansları incelenmiştir.

Model Predictive Control (MPC) is a very powerful control strategy that manipulates multivariable constrained systems. It is quite different from classical control and requires high design capabilities. The main aim of this thesis is to apply one of the MPC strategies to control a DC motor by simulations. For this, first of all, a mathematical model of the DC motor based on real parameter values of a DC motor has been derived. Using derived model of the DC motor, the motor has been controlled based on one of the MPC strategies. The effect of tuning parameters of MPC on the control performance has also been investigated. In order to test the performance of designed MPC, studies to control a DC motor based on classical control Proportional-Integral-Derivative (PID) has also been carried out. A cascade control scheme to control both the current and angular velocity of the DC motor has been used. In this scheme, the PI controller in the inner loop was designed to control the current of DC motor and PI-P controller in the outer loop was designed to control angular velocity of the DC motor. Tuning parameters of controllers' both in the inner and outer loop was determined using the controller synthesis approach. Closed loop performances obtained from the cascade control structure and liner MPC designed in MATLAB/Simulink environment and MPC Toolbox have been compared. Finally, the closed loop performance of the designed MPC and cascade control structure under different working conditions has been investigated.