Kriogenika · NMPC · estymacja stanu
NMPC w czasie rzeczywistym dla obiegu helu nadciekłego w LHC
- Kontekst
- CERN, Genewa — badacz i doktorant (2007–2013); doktorat na Uniwersytecie w Valladolid (2015).
- Problem
- Utrzymać nadprzewodzące magnesy LHC w temperaturze pracy 1,9 K. Powyżej 2,1 K blokada odłącza zasilanie magnesów; powyżej 2,16 K hel przestaje być nadciekły i magnes może utracić nadprzewodnictwo (quench).
- Dynamika i ograniczenia
- Silnie nieliniowa, rozproszona termohydraulika z opóźnieniem, odpowiedzią odwrotną, nasyceniem elementów wykonawczych i silnym sprzężeniem — oraz tylko kilka punktów pomiarowych wzdłuż długiego obiegu kriogenicznego.
- Dotychczasowe podejście
- Klasyczna regulacja PI, nastrojona zachowawczo, by trzymać się z dala od granic temperatury.
- Rozwiązanie
- Termohydrauliczny model z pierwszych zasad uproszczony do pracy w czasie rzeczywistym; nieliniowa estymacja z ruchomym horyzontem niemierzonych stanów (5 stanów termodynamicznych z 3 czujników ciśnienia i temperatury, z częstotliwością 1 Hz); ekonomiczne NMPC ze sprzężeniem od wyjścia i granicami temperatury jako twardymi ograniczeniami.
- Wdrożenie i weryfikacja
- Półautomatyczne generowanie kodu dla NMPC sztywnego układu o parametrach rozłożonych. Około 1 s na estymację i 7–14 s na optymalizację. Regulator przetestowano w CERN.
- Wynik
- Po tym samym zakłóceniu NMPC ustabilizował temperaturę kąpieli około dziesięć razy szybciej niż dotychczasowa regulacja PI, nie przekraczając granicy 2,1 K.
- Wnioski
- To estymator decyduje, jak dobry może być regulator. Uproszczony model działający w czasie rzeczywistym wygrywa z kompletnym, który nie działa. Twarde granice należą do problemu optymalizacji, a nie do zachowawczych nastaw.
- Dowody
-
- Noga et al., IEEE CDC 2014 — moving-horizon estimation and control
- Noga et al., IFAC NMPC 2015 — NMPC for superfluid helium cryogenics
- Noga, PhD thesis, University of Valladolid, 2015
- Noga & Ohtsuka, ICPC 2011 — code generation for NMPC of a stiff distributed-parameter system
- List polecający z CERN (Genewa, 10.03.2009): „I recommend Mr. Noga without any reservation.”
Podobny problem ze sterowaniem lub optymalizacją? Zarezerwuj 30-min rozmowę techniczną →