Simulation and control of a thermo-hydraulic system

The focus of this thesis is to model, simulate and control a nonlinear thermo-hydraulic plant by different control strategies. The aim of the control is to achieve a zero steady-state error in the controlled variable, the water temperature, which is one of the two states of the thermo-hydraulic system. The work is carried out after studying the system’s different operating conditions, and various stability characteristics. Additionally, we obtain a linearized model with which the main characteristics of the system are examined. The simulator of the system is designed based on these analyses in the MATLAB/Simulink, after which numerous control techniques are used to reject external disturbances on the system. We start this by a classical PI controller, which later is followed by a pole-placement technique where one relocates the poles of the system to obtain a desired response. Moreover, LQ and LQG design techniques are also considered in this paper. These methods require converting the control design problems into an optimization problem with some performance criteria in time-domain. In the LQG control stochastic processes are used to model measurement noises and disturbances. However, in most applications it is challenging to model exact stochastic properties of noises and disturbances. Therefore, we have considered another technique in which the stochastic elements of the LQG control are removed. This control method is called the Htwo control of which the LQG control can be seen as a specific case. In this thesis, another class of controllers harnessed is the Hinf control, which is followed by backstepping. The latter is a control method in which a control law developed guarantees asymptotic stability based on the Lyapunov theorem. Throughout the thesis, necessary figures, equations, tables are reported too. The simulation results show that the controllers synthesized provide a satisfactory setpoint tracking. Finally, a comparative analysis is given at the end to decide which controller works best for disturbance rejection and zero-error tracking of the thermo-hydraulic system response.

L'obiettivo di questa tesi è modellare, simulare e controllare un impianto termoidraulico non lineare mediante diverse strategie di controllo. Lo scopo del controllo è di ottenere un errore stazionario nullo nella variabile controllata, la temperatura dell'acqua, che è uno dei due stati del sistema termo-idraulico. Il lavoro viene eseguito dopo aver studiato le diverse condizioni operative del sistema e le diverse caratteristiche di stabilità. Inoltre, otteniamo un modello linearizzato con il quale vengono esaminate le principali caratteristiche del sistema. Il simulatore del sistema è progettato sulla base di queste analisi in MATLAB/Simulink, dopodiché vengono utilizzate numerose tecniche di controllo per reiettare i disturbi esterni al sistema. Iniziamo con un controller PI classico, che è seguito da una tecnica di posizionamento dei poli in cui si riposizionano i poli del sistema per ottenere la risposta desiderata. Inoltre, in questo documento vengono considerate anche le tecniche di progettazione LQ e LQG. Questi metodi richiedono la conversione del problema di progettazione del controllo in un problema di ottimizzazione con alcuni criteri di prestazione nel dominio del tempo. Nel controllo LQG vengono utilizzati i processi stocastici per modellare rumori e disturbi di misurazione. Tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni è difficile modellare esatte proprietà stocastiche di rumori e disturbi. Pertanto, abbiamo considerato un'altra tecnica in cui vengono rimossi gli elementi stocastici del controllo LQG. Questo metodo di controllo è chiamato controllo Htwo di cui il controllo LQG è un caso specifico. In questa tesi, un'altra classe di controllori considerati è il controllo Hinf, seguito da backstepping. Quest'ultimo è un metodo di controllo in cui la legge di controllo sviluppata garantisce stabilità asintotica basata sul teorema di Lyapunov. In tutta la tesi sono riportate anche le figure necessarie, le equazioni, le tabelle. I risultati della simulazione mostrano che i controllori sintetizzati forniscono un tracking del setpoint soddisfacente. Infine, viene fornita un'analisi comparativa al fine di decidere quale controllore funziona meglio per la reiezione dei disturbi e il monitoraggio a zero errori della risposta del sistema termo-idraulico.