Control óptimo basado en un controlador cuadrático lineal con acción de control por adelanto para hornos solares

Abstract

[Resumen] La energía solar es una fuente de energ´ıa renovable prometedora que se puede utilizar para experimentos de resistencia de materiales mediante el uso de hornos solares. Sin embargo, la operación manual de este tipo de sistemas requiere de operadores muy entrenados y capacitados. Este artículo analiza la aplicación de controladores óptimos basados en seguimiento cuadr´atico lineal con acción de control por adelanto (LQT-FF, por sus siglas en inglés, Linear Quadratic Tracking-FeedForward) para el control de hornos solares utilizados para pruebas de estrés térmico de materiales. El controlador LQT-FF propuesto se basa en estudios anteriores que proporcionan una solución analítica que utiliza un modelo lineal del horno solar, lo que reduce el costo computacional del algoritmo de control óptimo. La principal contribución del trabajo radica en la formulación de este modelo en forma incremental, añadiendo un integrador artificial a los estados originales, eliminando así el error de seguimiento para diferentes puntos de operación del sistema no lineal. El controlador propuesto ha sido implementado y validado sobre el modelo de horno solar SF60 de la Plataforma Solar de Almería. Los resultados obtenidos permiten establecer que las contribuciones del artículo avanzan el estado del arte de los controladores óptimos propuestos hasta ahora en la literatura, presentando una ley de control óptima con rechazo de perturbaciones formulada con una forma incremental de las entradas para eliminar el error de seguimiento de referencia. Además, la solución se resuelve de manera eficiente y presenta un esfuerzo computacional menor, lo que es fundamental para una implementación práctica real.

[Abstract] Solar energy is a promising renewable energy source that can be used for material resistance experiments in solar furnace systems. However, the manual operation of such facilities requires highly experienced operators. Therefore, this paper discusses the application of optimal controllers based on Linear Quadratic Tracking with Feedforward action (LQT-FF) to control solar furnaces used for thermal stress testing of materials. Herein, the proposed LQT-FF controller builds on previous studies by providing an analytical solution that uses a linearized model of the solar furnace, reduces the computational cost of the optimal control algorithm, and a model formulation in the incremental form, including an artificial integrator to the original states, which eliminates the tracking error for different operating points of the nonlinear system. The proposed controller has been implemented and validated on the SF60 solar furnace model of the Plataforma Solar de Almer´ıa, southern Spain. The paper’s contributions advance the state of the art of optimal controllers proposed so far in the literature, presenting an optimal control law with disturbance rejection formulated with an incremental form of the inputs to eliminate the reference tracking error. Moreover, the solution is efficiently solved and presents a minor computational effort, promising for actual implementation.