Controle preditivo baseado em modelo aplicado a sistemas de aquecimento por indução: um estudo de caso

Abstract

Aplicações que usam sistemas de aquecimento por indução (SAIEs) normalmente não controlam temperatura em malha fechada e os trabalhos encontrados que empregam controle preditivo (MPC) não apresentam resultados experimentais. Dentro desse con- texto, esta dissertação tem como objetivo avaliar experimentalmente o uso de MPC com um SAIE para o controle de temperatura da peça de trabalho. Para tanto, o aque- cimento de um compressor hermético de refrigeração para realização de ensaios de desempenho foi escolhido como estudo de caso devido à importância desses ensaios na indústria, ao potencial de redução do regime transitório que trabalhos anteriores demonstraram ao utilizarem um SAIE e à existência de restrição em temperaturas não mensuráveis. Uma bancada de ensaios foi construída para a realização de ensaios ex- perimentais com um compressor instrumentado, onde foram testados diferentes MPCs e alternativas da literatura para comparação. Para a dinâmica térmica do compressor foi identificado um modelo no espaço de estados, tendo as temperaturas medidas como estados. Por conta de uma temperatura não mensurável na prática, foram realizados testes com alguns dos MPCs estimando essa variável por meio de um filtro de Kalman. Os resultados experimentais mostram que todos os controladores testados respeitam as restrições e são capazes de seguir referência do tipo degrau em regime permanente. No melhor resultado, obtido com um dos MPCs propostos, para o compressor avaliado o tempo de aquecimento passou de 70 min para 10 min, o que representa uma redução de aproximadamente 85% do transitório.

Abstract: Induction heating systems normally do not use closed-loop temperature control and the few works in literature which make use of model predictive control (MPC) do not provide experimental results. The objective of this work is to experimentally assess the use of MPC for temperature control in an induction heating prototype. To this end, the heating of a hermetic refrigeration compressor prior to its performance evaluation test was chosen as a case study. This choice was motivated by the importance of such tests in industry, the potential to shorten the transient duration that previous works demonstrated by using induction heating, and the existence of constraints on non-measurable temperatures. A test rig was built with an instrumented compressor, in order to test different MPCs and compare them with other controllers found in the literature. A state-space model was identified using measured temperatures as states to describe the compressor thermal dynamics. Since one of the states is not measurable in real application, some of the tested MPCs estimate it with a Kalman filter. Experimental results show that all the proposed controllers satisfy the constraints and can track a reference step with zero steady-state error. The best result was achieved by one of the proposed MPCs, where the heating time of the evaluated compressor was reduced from 70 min to 10 min, which represents approximately an 85% transient reduction.