Subestructuración y estrategias de control descentralizado para estructuras adaptativas

Abstract

[ES] Este trabajo fin de máster se centra en la validación y ampliación de un algoritmo para automatizar completamente el proceso de subestructuración de estructuras adaptativas y en la aplicación de una estrategia descentralizada de control predictivo de modelos para dichas estructuras. Debido a la gran demanda de materiales en el sector de la construcción, se han probado e inventado diferentes tecnologías para promover un consumo más eficiente de los materiales con el fin de reducir los residuos de materiales y las emisiones de gases contaminantes perjudiciales para el medio ambiente. El Collaborative Research Center 1244 cuenta con un edificio de demostración en el campus de la Universidad de Stuttgart, que se utiliza para validar los métodos desarrollados. Este edificio incluye sensores y actuadores que le permiten contrarrestar perturbaciones. El proyecto no sólo tiene un alcance técnico, sino que también se centra en el diseño y la calidad del entorno desarrollado. El proyecto se realiza con Matlab y se divide en las siguientes partes: 1- El sistema se modela utilizando el Método de los Elementos Finitos. Se utilizan métodos de discretización y se deduce una ecuación diferencial de segundo orden que describe la dinámica de la estructura mecánica. Debido al elevado número de grados de libertad del sistema, se aplica una reducción de orden del modelo para derivar un modelo adecuado para el diseño del controlador. 2- El sistema se subestructura utilizando un algoritmo. Los problemas que plantea la aplicación de un controlador centralizado en sistemas multivariables son el considerable esfuerzo computacional, el extenso cableado desde los actuadores hasta cada elemento y la manejabilidad del controlador. Además, si falla el controlador o hay que hacer mantenimiento, todo el sistema tiene que ser detenido. Para descentralizar los controladores hay que subestructurar el sistema y utilizar dos métodos de medida de la interacción para investigar los acoplamientos entrada-salida del sistema. El método Relative Gain Array evalúa las interacciones en las frecuencias discretas del sistema basándose en la matriz de la función de transferencia del sistema. El método Participation Matrix se define en el dominio del tiempo y evalúa las interacciones en toda la gama de frecuencias basándose en la observabilidad y controlabilidad de las matrices de Gram. Con el método RGA, la mayor cantidad de subestructuras se agrupan en la parte media e inferior, y con el método PM, las subestructuras se distribuyen más en las partes media y superior del edificio. 3- Una vez definida una subestructura adecuada, se implementan dos métodos para aplicar una estrategia de control descentralizada basada en diferentes estrategias de controlador. El regulador lineal-cuadrático es un controlador de realimentación de estado basado en la representación del espacio de estado y en el concepto de control óptimo que funciona al mínimo coste. El Control Predictivo de Modelo es un algoritmo de retroalimentación en línea que utiliza un modelo para predecir el proceso, controlarlo y satisfacer las restricciones. Ambos controladores ofrecen prestaciones similares, pero el MPC consume mucha menos energía y satisface las restricciones de fuerza de los actuadores. Además, los requisitos energéticos de los controladores MPC son significativamente inferiores a los de los controladores LQR. El rendimiento de los controladores descentralizados también confirma que su implementación es mejor que la del controlador centralizado.

[EN] This thesis focuses on validating and extending an algorithm to fully automate adaptive structures’ substructuring process and implementing a decentralized model predictive control strategy for such structures. Due to the high demand for materials in the construction sector, different technologies have been tested and invented to promote more efficient consumption of materials to reduce material waste and emissions of polluting gases that are harmful to the environment. The Collaborative Research Center 1244 has a demonstration building on Stuttgart University’s campus, which is used to validate the developed methods. This building includes sensors and actuators that allow it to counteract disturbances. The project not only has a technical scope but also focuses on the design and the quality of the environment developed.