Nonlinear identification and control of a pH neutralization process

Control of pH has a key importance in several fields of industry, whether for assuring the quality of a product, or the safety of residual to be released to the environment. One of the main difficulties of pH neutralization processes is their high non-linearity, that compels the use of more advanced control techniques. In this context, Model Predictive Control has proven in the last thirty years being a robust technique, widely used in the industry, offering good results. The present thesis describes the use of identification techniques, linear and nonlinear, and MPC control of a simulator of this process. All the developments of the identification and control are done using Matlab/Simulink. In the first part of the thesis, the pH neutralization process is explained, and a mathematical model is introduced. This model is then used for generating data for the identification of a linear model, in order to build a corresponding MPC controller. The performance and limitations of the linear control are assessed in order to determine the necessity for a more detailed model, a non-linear one, that allow to build a better performing controller. Such controller, also MPC, is synthesized from a nonlinear model identified by using a polynomial structure. Finally, the results are compared, and benefits and/or disadvantages are evaluated.

Il controllo del pH è molto importante in vari settori industriali, sia per assicurare la qualità del prodotto, sia per garantire la sicurezza dei residui rilasciati all'ambiente. Una delle principali difficoltà nel controllo dei processi de-neutralizzazione del pH è dovuta alle loro caratteristiche fortemente non lineari, che richiedono l'utilizzo di tecniche avanzate di controllo. In questo contesto, il Model Predictive Control, o MPC, si è dimostrato essere, nel corso degli ultimi trenta anni, una tecnica robusta, efficiente e ampliamente usata nell’industria. La presente tesi descrive l’utilizzo di tecniche di identificazione, lineare e non lineare, e di controllo MPC di un simulatore di questo processo. Tutti gli sviluppi delle fasi di identificazione e controllo sono fatti usando Matlab/Simulink. Nella prima parte della tesi viene descritto il processo di neutralizzazione del pH ed è introdotto il suo modello matematico. Questo modello viene poi impiegato per generare i dati da utilizzare nell’identificazione di un modello lineare, per il quale è stato anche progettato un regolatore MPC. Le prestazioni e le limitazioni del controllo lineale sono valutate per motivare la necessità di un modello non lineare più dettagliato, che permetta di progettare un controllore con migliori caratteristiche. Tale controllore, anch’esso di tipo MPC, è stato quindi sintetizzato a partire da un modello non lineare, identificato utilizzando una struttura di tipo polinomiale. Infine, sono confrontati i risultati ottenuti con i due approcci, lineare e non lineare, e sono valutati i relativi vantaggi.