Rejection-enhanced single-test relay autotuning for cascaded control systems

This thesis addresses the process of automatically tuning controllers using the single- test relay approach, a technique that is very successful in an industrial setting due to its insensitivity to non-equilibrium initial conditions and its generally fast execution. In particular, the work focuses on the autotuning of the regulators found in a cascaded control system, which require a sequential configuration of two controllers, first the inner loop followed by the outer loop controller for slower dynamics. Performing this task with a single autotuner poses a significant challenge, as it typically demands manual oversight by the operator, thereby increasing the likelihood of human error. The proposed autotuning approaches build upon an existing paper that enables the tuning of both control loops through a single relay test. The primary contribution of this thesis is the enhancement of this method by discarding the original pole-cancellation approach for both loops, once it was recognized that alternative non-cancellation methods offered superior performance. The proposed improvements are demonstrated through simulation, both on simple LTI systems and in a more realistic scenario.

Questa tesi affronta il processo della taratura automatica di controllori utilizzando un approccio a relé a test singolo, una tecnica che ha riscontrato un notevole successo in ambito industriale grazie alla sua insensibilità a possibili condizioni iniziali di non equi- librio e alla sua generale rapidità. In particolare, il lavoro si concentra sull’autotuning dei regolatori presenti in un sistema di controllo in cascata, il che richiede una configurazione sequenziale di due controllori: prima quello dell’anello interno e poi quello dell’anello esterno, per dinamiche più lente. Eseguire questa operazione con un singolo autotuner rappresenta una sfida significativa poiché richiede in genere una supervisione manuale da parte dell’operatore, aumentando così la probabilità di errore umano. Gli approcci di autotuning qui proposti si basano su una ricerca precadence, che consente la sintonizzazione di entrambi gli anello di un controllo in cascata tramite un singolo test a relé. Il contributo principale di questa tesi è il miglioramento di questo metodo, ab- bandonando l’approccio originale (basato sull acaoncellazione polo/zero per entrambi gli anelli) una volta riconosciuto che metodi alternativi, non basati su cancellazione, offrivano prestazioni superiori. I miglioramenti proposti vengono dimostrati in simulazione, sia su samplici sistemi LTI che con riferimento a uno scenario più realistico.