A multirate hierarchical MPC scheme for ensembles of Hammerstein systems

In recent years, hierarchical control schemes gained increased attention for the optimal control of large-scale systems. This type of systems have been increasingly under study due to economic reason and technologcal advances. Centralized control solutions for these kind of systems in fact, might result unacceptable due to the large dimension of the system or the computation requirements. Moreover the centralized solution is not scalable and difficoult to mantain. Especially approaches employing multiple time scales are increasingly popular due to their usually superior short- and long-term performance compared to distributed approaches and their computational advantages compared to centralized controllers. Recent papers particularly focussed on ensemble systems which consist of several similar but heterogeneous subsystems that work towards a common goal and that share the same resources. The main focus of this thesis is the control of an ensemble of a class of nonlinear systems, especially Hammerstein ones. In particular we develop and test, in a preliminary setting, a novel MPC algorithm based on a multirate hierarchical architecture with plug-and-play functionalities. The simulation results, performed on an ensemble of micro-turbines identified as Hammerstein models, are encouraging and suggest further applications and development of the work.

Negli ultimi anni gli schemi di controllo gerarchico per il controllo di sistemi di grandi dimensioni hanno attirato crescente attenzione. Questo tipo di sistemi è sempre di più studiato per ragioni economiche e progressi tecnologici. Soluzioni MPC centralizzate per questo tipo di sistemi infatti possono risultare in prestazioni inaccettabili dovute all’alta dimensione del sistema o ad inefficenze computazionali. Inoltre le soluzioni centralizzate non sono scalabili e sono difficili da mantenere. In particolare, gli approcci che utlizzano molteplici scale temporali sono in aumento grazie alle loro prestazioni sia a lungo che a breve termine, generalmente superiori agli approcci distribuiti, e ai loro vantaggi computazionali, rispetto ai controllori centralizzati. Studi recenti si sono focalizzati su insiemi di sistemi simili ma eterogenei che operano verso un risultato comune e che condividono le stesse risorse. L’obiettivo principale di questa tesi è il controllo di un insieme di sistemi nonlineari, specificatamente sistemi di tipo Hammerstein. In particolare, viene sviluppato e testato un nuovo algoritmo MPC basato su un’architettura gerarchica a più scale di tempo con funzionalità plug-and-play. I risultati delle simulazioni, effettuati su in insieme di microturbine identificate come modelli Hammerstein, sono incoraggianti e suggeriscono ulteriori applicazioni e sviluppi del lavoro.