Control structures and optimal sensor/actuator allocation: application in active noise control

Abstract

Aquesta tesi presenta treball original i aplicat en l'àrea del control i la col·locació de sensors/actuadors (S/A) en sistemes de Control Actiu de Soroll (ANC). Primer, s'han aplicat tècniques de control i identificació robustes per a aconseguir ANC. La fase d'identificació està basada en una proposta d'identificació robusta orientada al control, considerant descripcions del sistema tant paramètriques com no-paramètriques, així com quantificant la incertesa. El disseny del controlador compara les estructures de control feedback (FB), feedforward (FF) i híbrida (FB/FF). El controlador feedback és sintetitzat i avaluat en el marc del control robust, i s'ha dissenyat utilitzant control òptim H∞ plantejat com un problema de sensibilitats mixtes. El controlador FF és un identificador adaptatiu, basat en l'algorisme σ robustament normalitzat. S'han desenvolupat dues propostes per a decidir quina de les estructures de control és més eficient, aplicades a un conducte de 4 metres amb soroll de banda ampla. A més a més, s'han mostrat de manera explícita els compromisos entre identificació i control, les limitacions inherents a un llaç de control feedback, així com qüestions relatives a la implementació de sistemes ANC. També s'han tractat altres qüestions com la relació entre acompliment, ordre del controlador, models paramètrics/no-paramètrics i implementació en processadors digitals de senyal (DSP), així com s'han comparat resultats teòrics i experimentals en el conducte. Les llacunes que encara resten entre teoria i pràctica en aquest tipus d'aplicacions també s'han resumit. D'altra banda, en aquest treball també es tracta el problema de com quantificar la col·locació de sensors i actuadors, amb la finalitat de controlar un sistema físic determinat. La mesura per a determinar la millor localització de S/A es basa en un criteri de llaç tancat orientat al control, el qual optimitza tant acompliment com qüestions pràctiques d'implementació. Aquesta mesura hauria de calcular-se abans del disseny, implementació i prova del controlador. La utilització d'aquesta mesura minimitza la prova combinatòria de controladors en totes les possibles combinacions de S/A. Per a aconseguir-ho, s'han definit diferents mesures que pesen l'acompliment potencial en llaç tancat, la robustesa, el número de condició de la planta (guanys relatius entrada/sortida (I/O)) així com altres qüestions d'implementació, com l'ordre del controlador. Aquestes poden calcular-se utilitzant software estàndard, tant per a models d'una-entrada-una-sortida (SISO) com per a models de múltiples-entrades-múltiples-sortides (MIMO) i poden aplicar-se a múltiples problemes d'enginyeria, ja siguin mecànics, acústics, aeroespacials, etc. En aquest treball, aquests resultats també s'han il·lustrat amb l'aplicació ANC presentada i validat amb dades experimentals. Com a resultat d'aplicar aquestes mesures, s'obté la localització de S/A que aconsegueix la millor atenuació del soroll en llaç tancat amb el menor ordre possible del controlador.

Esta tesis presenta trabajo original y aplicado en el área del control y la colocación de sensores/actuadores (S/A) en sistemas de Control Activo de Ruido (ANC). Primero, se han aplicado técnicas de control e identificación robustas para conseguir ANC. La fase de identificación está basada en una propuesta de identificación robusta orientada al control, considerando descripciones del sistema tanto paramétricas como no-paramétricas, así como cuantificando la incertidumbre. El diseño del controlador compara las estructuras de control feedback (FB), feedforward (FF) e híbrida (FB/FF). El controlador feedback es sintetizado y evaluado en el marco del control robusto, y se ha diseñado utilizando control óptimo H∞ planteado como un problema de sensibilidades mixtas. El controlador FF es un identificador adaptativo, basado en el algoritmo σ robustamente normalizado. Se han desarrollado dos propuestas para decidir cual de las estructuras de control es más eficiente, aplicadas a un conducto de 4 metros con ruido de banda ancha. Además, se han mostrado de manera explícita los compromisos entre identificación y control, las limitaciones inherentes a un lazo feedback, así como cuestiones relativas a la implementación de sistemas ANC. También se han tratado otras cuestiones como la relación entre desempeño, orden del controlador, modelos paramétricos/no-paramétricos e implementación en procesadores digitales de señal (DSP), así como se han comparado resultados teóricos y experimentales en el conducto. Las lagunas que aún quedan entre teoría y práctica en este tipo de aplicaciones también se han resumido. Por otra parte, en este trabajo se trata también el problema de como cuantificar la colocación de sensores y actuadores, con la finalidad de controlar un sistema físico determinado. La medida para determinar la mejor localización de S/A se basa en un criterio de lazo cerrado orientado al control, el cual optimiza tanto desempeño como cuestiones prácticas de implementación. Esta medida debería calcularse antes del diseño, implementación y prueba del controlador. La utilización de esta medida minimiza la prueba combinatoria de controladores en todas las posibles combinaciones de S/A. Para conseguirlo, se han definido distintas medidas que pesan el desempeño potencial en lazo cerrado, la robustez, el número de condición de la planta (ganancias relativas entrada/salida (I/O)) y otras cuestiones de implementación, como el orden del controlador. Éstas pueden calcularse utilizando software estándar, tanto para modelos de una-entrada-una-salida (SISO) como para modelos de múltiples-entradas-múltiples-salidas (MIMO) y pueden aplicarse a múltiples problemas ingenieriles, ya sean mecánicos, acústicos, aeroespaciales, etc. En este trabajo, estos resultados también son ilustrados con la aplicación ANC presentada y validados con datos experimentales. Como resultado de aplicar estas medidas, se obtiene la localización de S/A que consigue la mejor atenuación de ruido en lazo cerrado con el menor orden posible del controlador.

This thesis presents novel and applied work in the area of control and sensor/actuator (S/A) allocation in Active Noise Control (ANC) systems. First, robust identification and control techniques to perform ANC have been applied. The identification phase is based on a control-oriented robust identification approach that considers both parametric and nonparametric descriptions of the system, and quantifies the uncertainty. The controller design compares the feedback (FB), feedforward (FF) and hybrid (FB/FF) control structures. The feedback control is synthesized and evaluated in the robust control framework, and it is designed using H∞ optimal control as a mixed-sensitivity problem. The FF controller is an adaptive identifier, based on the robustly normalized σ-algorithm. Two approaches are developed to decide which control structure is more efficient on a 4-m duct example with broadband noise. In addition, the compromises between identification and control, the inherent limitations of feedback and implementation issues in ANC are explicitly pointed out. Relations between performance, controller order, parametric/nonparametric models and digital signal processor (DSP) implementation are discussed. Theoretical and experimental results on the duct are compared. The gaps that still remain between theory and practice in this type of applications, are also outlined. Furthermore, this work considers the problem of quantifying the location of sensors and actuators in order to control a certain physical system. The measure to determine the best S/A location is based on a closed loop control-oriented criteria, which optimizes overall performance and practical implementation issues. In addition, it should be computed before the actual controller is designed, implemented and tested. The use of this measure minimizes the combinatorial controller testing over all possible S/A combinations. To this end, several measures have been defined which weight the potential closed-loop performance, robustness, plant condition number (input/output (I/O) relative gains) and implementation issues, such as the controller order. These may be computed with standard software, either for Single Input Single Output (SISO) models or Multiple Input Multiple Output (MIMO) models, and may be applied to many engineering problems: mechanics, acoustics, aerospace, etc. Here, these results are also illustrated with the prior ANC example and validated against experimental data. The outcome of applying these measures is the selection of the S/A location which achieves the best closed loop noise attenuation with the lowest possible controller order.