Robust control strategies for unstable systems with input/output delays

Abstract

Los sistemas con retardo temporal aparecen con frecuencia en el ámbito de la ingeniería, por ejemplo en transmisiones hidráulicas o mecánicas, procesos metalúrgicos o sistemas de control en red. Los retardos temporales han despertado el interés de los investigadores en el ámbito del control desde finales de los años 50. Se ha desarrollado una amplia gama de herramientas para el análisis de su estabilidad y prestaciones, especialmente durante las dos últimas décadas. Esta tesis se centra en la estabilización de sistemas afectados por retardos temporales en la actuación y/o la medida. Concretamente, las contribuciones que aquí se incluyen tienen por objetivo mejorar las prestaciones de los controladores existentes en presencia de perturbaciones. Los retardos temporales degradan, inevitablemente, el desempeño de un bucle de control. No es de extrañar que el rechazo de perturbaciones haya sido motivo de estudio desde que emergieron los primeros controladores predictivos para sistemas con retardo. Las estrategias presentadas en esta tesis se basan en la combinación de controladores predictivos y observadores de perturbaciones. Estos últimos han sido aplicados con éxito para mejorar el rechazo de perturbaciones de controladores convencionales. Sin embargo, la aplicación de esta metodología a sistemas con retardo es poco frecuente en la literatura, la cual se investiga exhaustivamente en esta tesis. Otro inconveniente de los controladores predictivos está relacionado con su implementación, que puede llevar a la inestabilidad si no se realiza cuidadosamente. Este fenómeno está relacionado con el hecho de que las leyes de control predictivas se expresan mediante una ecuación integral. En esta tesis se presenta una estructura de control alternativa que evita este problema, la cual utiliza un observador de dimensión infinita, gobernado por una ecuación en derivadas parciales de tipo hiperbólico.

Time-delay systems are ubiquitous in many engineering applications, such as mechanical or fluid transmissions, metallurgical processes or networked control systems. Time-delay systems have attracted the interest of control researchers since the late 50's. A wide variety of tools for stability and performance analysis has been developed, specially over the past two decades. This thesis is focused on the problem of stabilizing systems that are affected by delays on the actuator and/or sensing paths. More specifically, the contributions herein reported aim at improving the performance of existing controllers in the presence of external disturbances. Time delays unavoidably degrade the control loop performance. Disturbance rejection has been a matter of concern since the first predictive controllers for time-delay systems emerged. The key idea of the strategies presented in this thesis is the combination of predictive controllers and disturbance observers. The latter have been successfully applied to improve the disturbance rejection capabilities of conventional controllers. However, the application of this methodology to time-delay systems is rarely found in the literature. This combination is extensively investigated in this thesis. Another handicap of predictive controllers has to do with their implementation, which can induce instability if not done carefully. This issue is related to the fact that predictive control laws take the form of integral equations. An alternative control structure that avoids this problem is also reported in this thesis, which employs an infinite-dimensional observer, governed by a hyperbolic partial differential equation.