PLC ile NMPC uygulaması

Model öngörülü kontrol tekniği ilk olarak endüstride birbirlerinden bağımsız olarak Shell firmasıdaki Cutler ve Ramaker ve Adersa firmasında çalışan Richalet ve arkadaşları tarafından 1978 yılında ortaya atılmıştır. Bu kontrol tekniği o zaman çok ilgi görmüştür ve şimdi başta petrol rafineleri olmak üzere endüstride 4500'ün üzerinde uygulaması bulunmaktadır. Model öngörülü kontrolün en büyük avantajı endüstride bulunan bir çok problemde olduğu gibi eşitlik veya eşitsizlik kısıtları bulunduğunda kısıtları ihlal etmeden istenilen amaç fonksiyonunu minimize edecek şekilde kontrol işareti üretebilmektedir. Endüstriyel uygulamalarda kaçınılmaz olan ölü zamanlı sistemlerin kontrolünde de kullanılabilmektedir. Ölü-zaman etkisini de öngörülerde göz önünde bulundurup ölüzamanlı sistemleri de başarı ile kontrol edebilmektedir Hatta bu tezde ölü zamanı duruma bağlı olarak değişen bir sistem için öngörü yapılmıştır. Endüstride kullanılan sistemlerin çoğusu nonlineer sistemlerdir veya nonlinear kısıtlar içermektedir. Bu sistemleri lineer olan modeller üzerinden kontrol etmek istendiğinde beklenen performansın sağlanamamaktadır. Bunun yerine her çalışma koşulunda daha önceden tanımlanmış modeller kullanmak bir çözüm olabilir. Lakin bu durumda da süreksizlikler nedeni ile kararlılık problem oluşabilir, doğrudan Nonlineer Model Öngörülü Kontrol kullanımı daha akıllıca olacaktır. Çünkü Nonlinear Model Öngörülü Kontrol aslında sistemin durumlarına, giriş büyüklüklerine vb. nedenlerle değişen dinamiklerini yakalayabilmeyi sağlamaktadır. NMPC'nin dezavantajlarından biri karmaşıklığı yüksek çevrim-içi sayısal optimizasyon işlemlerinin yapılmasını gerektirdiği için hızlı dinamiğe sahip sistemlerin kontrolü için uygulanabilir olmamasıdır. Bu tezde NMPC'nin temel presiplerinin ve temel bileşenlerinin neler olduğu araştrılıp öğrenilmiştir. NMPC'de kullabilecek olan farklı teknikler incelenmiştir. Bu tez çalışmasının amaçlarından biri temel prensipler aynı kalmak şartı ile NMPC'de yeni teknikler geliştirilebilmenin alt yapısını oluşturmaktır. Diğer amaç ise endüstriyel kontrol uygulamaları için giriş-çıkış arabirimleri ve işletim sistemleri özelleşmiş (MATLAB simulasyonlarının yapldığı güncel yüksek hızlı kişisel bilgisayarlara göre göre daha yavaş kod işlemektedirler ve türev alma gibi bazı matematik fonksiyonları bulunmamaktadır) ve örnekleme zamanına uygun biçimde gerçek zamanlı simülasyon ve gerçekleme yapmaya olanak tanıyan PLC'ye uygun NMPC algoritması oluşturmaktır. NMPC'nin başarımını ve uygulanabilirliğini test edebilmek için sistemde eyleyici olan hava dinamiği ve sistemin kendi dinamiği gereği ağır nonlineerliği olan ve değişken ölü-zamanı bulunan Fan ve Levha düzeneğinin NMPC ile kontrolü problemi ele alınmıştır. Fan ve Levha sisteminin Doğrusal Olmayan Model Öngörülü Kontrol kullanılarak PLC ile kontrolü için ilk olarak kısıtlarda göz önünde bulundurularak Matlab/Simulink'te benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalarda Matlab'da bulunan hazır MPC fonksiyonları ve karesel programlama çözücüler kullanılmamış, PLC'de de gerçekleme yapılmasına uygun olarak seçilen sayısal optimizasyon algoritması yazımı ve öngörülerin inşaası gerçekleştirilmiştir. Sayısal optimizasyon algoritmasındaki Gradyan ve Hessian hesapları için matematik literatürde bulunan yaklaşıklıklar kullanılmıştır. Ardından bu kontrol tekniğinin PLC'de uygulaması TIA PORTAL V12 program geliştirme ortamında Nonlineer Model Öngörülü Kontrol Ladder ve SCL dili kullanılarak oluşturulmuş, başarımı test edilmiştir. Sistemde oluşan sürekli hal hatası ve aşım ilgili durumlarda ağırlıklar değiştirilerek çözülmüştür, yani sistemin yanıtının değişimi boyunca duruma göre ağırlıklar değiştirilmiştir. Fan ve Levha sistemi üzerinde yapılan Matlab simülasyonlarında ve PLC'de yapılan simulasyon uygulamalarında giriş ve çıkış bozucularının etkisi de incelenmiştir. Bozucu etkiyi giderebilmek için sistem çıkışı ile öngürüler arasındaki fark göz önünde bulundurularak ölçüt fonksiyonunda uygun bir değişiklik yapılmıştır ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca S71200 ile gerçek zamanlı uygulama yapılmıştır.