Nonlinear model predictive control of a thermo-hydraulic plant: design and experiments

This work concerns the modeling and control of a scaled-down thermo-hydraulic plant which emulates a district heating system. The test plant, present in the IRMAP laboratory in Gorgonzola (MI), has been realized with the contribution of the National Research Council (CNR). The aim of this thesis is to design and implement a Model Predictive Control (MPC) algorithm to optimize the behaviour of the system. The plant consists of two thermohydraulic circuits, primary and secondary, thermally coupled by a heat exchanger. The primary circuit involves the heat production, while the secondary the heat consumption by the user. First, starting from the physical laws of thermodynamics and fluid dynamics, a mathematical model is derived. Then, a simulation model of the plant is developed in Matlab (Simulink) validated by performing several tests on the real plant and comparing the obtained acquisitions with the simulations. Then, the prediction control system is designed on the simulation model; given the nonlinearity of the model, a Nonlinear MPC (NMPC) formulation is chosen. Constraints on the states and inputs and the cost function used are introduced, and the prediction model is formulated. The control variables are managed in order to track temperature references, while reducing actuator usage and thermal energy. To enhance the computational performance, the "Input blocking" strategy is introduced In the MPC optimization problem and discussed. The results obtained with different parameter choices are compared in simulations, eventually choosing the best design. Finally, the implementation of the designed control scheme on the real plant is described and the results obtained are discussed.

Questo lavoro riguarda la modellazione e il controllo di un impianto termoidraulico in scala ridotta che simula un sistema di teleriscaldamento. L’impianto di prova, presente nel laboratorio IRMAP di Gorgonzola (MI), è stato realizzato con il contributo del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). Lo scopo di questa tesi è quello di progettare e implementare un algoritmo di Model Predictive Control (MPC) per ottimizzare il comportamento del sistema. L’impianto è costituito da due circuiti termoidraulici, primario e secondario, accoppiati termicamente da uno scambiatore di calore. Il circuito primario riguarda la produzione di calore, mentre il secondario il consumo di calore da parte dell’utente. Innanzitutto, partendo dalle leggi fisiche della termodinamica e della fluidodinamica, si ricava un modello matematico. Successivamente, viene sviluppato un modello di simulazione dell’impianto in Matlab (Simulink) convalidato eseguendo diversi test sull’impianto reale e confrontando le acquisizioni ottenute con le simulazioni. Successivamente, il sistema di controllo predittivo viene progettato sul modello di simulazione; data la non linearità del modello, viene scelta una formulazione MPC non lineare (NMPC). Vengono introdotti i vincoli sugli stati e sugli ingressi e la funzione di costo utilizzata e viene formulato il modello di previsione. Le variabili di controllo sono gestite in modo da seguire i riferimenti di temperatura, riducendo al contempo l’utilizzo degli attuatori e l’energia termica. Per migliorare le prestazioni computazionali, viene introdotta e discussa la strategia di "Input blocking" nel problema di ottimizzazione MPC. I risultati ottenuti con diverse scelte di parametri vengono confrontati nelle simulazioni, scegliendo alla fine il progetto migliore. Infine, viene descritta l’implementazione dello schema di controllo progettato sull’impianto reale e vengono discussi i risultati ottenuti.