Design of a hysteresis predictive control strategy with engineering application cases

Abstract

This doctoral thesis exposes the development of a redesigned Predictive Control strategy that uses hysteresis to improve the performance of the controlled systems in different fields of application. The approach may use one of the three hysteresis models presented in this thesis. Moreover, the hysteresis may be used as a modulation stage or as a reference trajectory generator. The first step in the methodology of this research will be to validate the hysteresis dynamic model that will be used within the control scheme. Due to the three exposed hysteresis models have the same constitution , it is assumed that the test of one is enough to guarantee the validation of the other two hysteresis systems. This validation consists on implementing the hysteresis model in an experimental platform to confirm that the model is indeed feasible. Later, it will be seen that this application is within the scope of renewable energies. Once the hysteresis model is validated, the proposed strategy is developed. This is an Adaptive-Predictive control scheme with a modulation stage for the control signal. This stage employs hysteresis to improve the functioning of the adaptive phase and in general the entire closed-loop performance. lt will be shown how the use of this modulation scenario salves the parametric drift problem commonly present in some adaptive based controlled systems. Additionally, a fault detection system within the Adaptive-Predictive control scheme is also proposed and validated through a numerical simulation. Furthermore, it will be seen how the hysteresis also can be used as a model to generate the reference trajectory needed to accomplish the control objective. Finally, the proposed strategy is implemented in a varied set of control systems to validate it. These control systems are: a nonlinear Van der Poi oscillator, a nonlinear base-isolated system, a DC-DC buck converter, and a single-phase inverter.

Esta tesis doctoral expone el desarrollo de una estrategia de Control Predictivo rediseñada que utiliza histéresis para mejorar el rendimiento de los sistemas controlados en diferentes campos de aplicación. Este esquema de control puede utilizar uno de los tres sistemas de histéresis presentados en esta tesis. Además, la histéresis se puede utilizar como etapa de modulación o como generador de trayectorias de referencia. El primer paso en la metodología de esta investigación será validar el modelo dinámico de histéresis que se utilizará dentro del esquema de control. Debido a que los tres modelos de histéresis expuestos tienen la misma constitución, se asume que la prueba de uno es suficiente para garantizar la validación de los otros dos modelos de histéresis. Esta validación consiste en implementar el modelo de histéresis en una plataforma experimental para confirmar que este es realmente factible. Posteriormente, se verá que esta aplicación está dentro del ámbito de las energias renovables. Una vez validado el modelo de histéresis, se desarrolla la estrategia propuesta. Es decir, un esquema de control Adaptativo-Predictivo con una etapa de modulación para la señal de control. Esta etapa emplea histéresis para mejorar el funcionamiento de la fase adaptativa y, en general, de todo el rendimiento del sistema en lazo cerrado. Se mostrará cómo el uso de este etapa de modulación resuelve el problema de la deriva paramétrica comúnmente presente en algunos sistemas basados en control adaptativo. Adicionalmente, también se propone y valida un sistema de detección de fallos dentro del esquema de control Adaptativo-Predictivo mediante una simulación numérica. Además, se verá cómo la histéresis también se puede utilitzar como modelo para generar la trayectoria de referencia necesaria para lograr el objetivo de control. Finalmente, la estrategia propuesta se implementa en un conjunto variado de sistemas de control para validarla. Estos sistemes de control son: un oscilador Van der Poi no lineal, un sistema no lineal de base aisladora, un convertidor Buck DC-DC y un inversor monofásico.