بخشی از مقاله
خلاصه
از آنجاییکه برجهای تقطیر یکی از مهمترین تجهیزات فرآیندی در یک پالایشگاه نفت محسوب میشوند،کنترل آنها از اهمیت ویژهای برخوردار است. با توجه به عملکرد مطلوب کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته در کنترل فرآیندهای چندمتغیره و دارای تأخیر، در این پژوهش از این روش برای کنترل برج تقطیر استفاده شده است.اغلب سیستمهای فیزیکی دارای عدم قطعیت میباشند و از اینرواستفاده از کنترل کنندهای که بتواند در برابر عدم تطابق مدل با فرآیند مقاوم باشد، امری ضروری است. در این مقاله برای مقاومسازی کنترلکننده پیشبین ، استفاده از روش فیلتر T در ساختار کنترلکننده پیشنهاد شده است. نتایج شبیهسازیها عملکرد مناسب این روش را در حضور عدم قطعیتهای مدل دینامیکی فرآیند نشان میدهد.
1. مقدمه
برج تقطیر نفت را میتوان مهمترین واحد یک پالایشگاه نفت بهحساب آورد که عملکرد بیشتر واحدهای قبل و بعد از آن وابستگی مستقیمی به نحوه کارکرد و پایداری برج دارد. برج تقطیر به عنوان یک بخش صنعتی مهم در زمینه صنعت نفت و پتروشیمی اهداف خاصی را در فرآیند عملیاتی خود دنبال میکند که از مهمترین این اهداف میتوان به دستیابی سریع به ترکیب مطلوب محصولات و افزایش خلوص محصول نهایی، کاهش تغییرات در ترکیب محصولات، کاهش مصرف انرژی و دستیابی به عملکرد مقرون به صرفه اشاره کرد. عملکرد یک برج تقطیر زمانی مطلوب تلقی میشود که ترکیب جریانهای محصولات خروجی از برج، در طول زمان تغییرات کمتری داشته باشد، به طوریکه بتوان آن مقادیر را ثابت تلقی کرد و آن مقادیر ثابت تا حد امکان به مقادیر مقرر نزدیک باشند.
در فضای رقابتی که امروزه در صنایع فرآیند، برای عرضه محصولات به وجود آمده است، محصولات با درجه خلوص بالا بیش از پیش مورد نیازند. برای کنترل برج تقطیر، لازم است که متغیرهای حالت، متغیرهای خروجی و متغیرهای کنترلی را شناسایی و تعیین کرد. متغیرهای حالت در یک برج تقطیر،معمولاً اجزای محصولات، فشار نقاط مختلف برج و درجه حرارت نقاط مختلف برج میباشند. متغیرهای کنترلی آن دسته از متغیرها هستند که میتوان با تغییر آنها متغیرهای حالت یا خروجی را به مقادیر مطلوب رساند. در طراحی سیستم کنترل برج تقطیر، یکی از مهم ترین ملاحظات، انتخاب ساختار کنترلی مناسب میباشد.
منظور از ساختار کنترلی، ترکیبی از جریانها به عنوان متغیرهای کنترلکننده میباشد که برای ثابت نگهداشتن متغیرهای کنترلشونده انتخاب میشوددر. واحدهای تقطیر معمولاً از جریان برگشتی و جریان محصولات به عنوان متغیرهای کنترلی استفاده میشود. کنترل فرآیند تقطیر، بخاطر ماهیت چندمتغیره، تأخیرهای چندگانه و عدم تطابق مدل با فرآیند واقعی امری چالشزا میباشد. به دلیل ضعف عملکرد روشهای سنتی در کنترل فرآیندهایی چندمتغیره و دارای تأخیرهای چندگانه مثل برج تقطیر، استفاده از روشهای بهینه کنترلی که بتواند افزایش بهرهوری و بهبود عملکرد فرآیند را تضمین کند، از اهمیت زیادی برخوردار است. با توجه به توانایی کنترلکننده پیشبین مبتنی بر مدل در کنترل سیستم های چندمتغیره، دارای محدودیت و تأخیرهای چندگانه، در این مقاله از این روش برای کنترل برج تقطیر استفاده شده است.
یک موضوع مهم در طراحی کنترلکننده، مقاوم بودن سیستم کنترل است. این مشخصه ضامن موفقیت هر استراتژی کنترل است. کنترلکننده پیشبین با وجود اینکه یک روش کنترلی موفق در صنعت میباشد ولی یک عیب اساسی و مهم دارد و آنهم وابستگی شدید آن به مدل فرآیند است، از اینرو، میزان موفقیت کنترلکننده پیشبین به دقت مدل بستگی دارد.در نتیجه عدم قطعیتهای مربوط به مدل دینامیکی فرآیند، به شدت باعث کاهش عملکرد کنترلکننده پیش بین میشوند.
از آنجاییکه اغلب سیستمهای فیزیکی پیچیدهتر از آن هستند که توسط یک مدل ریاضی به صورت دقیق بیان شوند، بنابراین مدلهای بدست آمده از فرآیندها دارای عدم قطعیت میباشند و در مسائلی که کنترل پیشبین مبتنی بر مدل مورد استفاده قرار میگیرد بحث مقاوم بودن و طراحی کنترلکننده پیشبین مقاوم مطرح خواهد بود. از اینرو، برای رسیدن به نتیجه مطلوب باید طراحی کنترلکننده طوری انجام شود که توانایی مقابله با عدمقطعیت های مدل فرآیند را داشته باشد و کنترلکننده طراحی شده ویژگیهای مقاوم بودن از قبیل پایداری و کارآیی حلقه بسته را تضمین کند.
مدل مورد مطالعه در این مقاله مربوط به برج تقطیر نفت خام شرکت شل میباشد.[1]این مدل برای اولین بار توسط Prett و Morari توصیف و به طور گسترده برای استراتژی های مختلف در مسئله برج تقطیر استفاده شده است.[2] از جمله پژوهش های مهمی که در رابطه با طراحی کنترلکننده مقاوم برای برج تقطیر موردنظر صورت گرفته است میتوان به طراحی یک ساختار کنترل چندمتغیره مدولار توسط Brosilow، طراحی کنترلکننده PID با استفاده از الگوریم ژنتیک توسط Vlachos و طراحی کنترل پیشبین مقاوم توسط Junior اشاره کرد.[5-3]
2. بیان مسئله
هدف از انجام این پژوهش، طراحی کنترلکننده پیشبین مقاوم برای فرآیند برج تقطیر است. بدیهی است که طراحی کنترلکننده پیشبین، منوط به داشتن مدل مناسبی از فرآیند میباشد.مدل ارائه شده از فرآیندموردنظر یک مدل چند متغیره خطی است. همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود خوراک از پایین برج وارد میشود. سه جریان محصول، در بالا، کنار و پایین برج رسم شدهاند که در سمت راست تصویر قابل مشاهده است و سه حلقه برگشتی در بالا، وسط و پایین برج وجود دارد که در سمت چپ تصویر نشان داده شده است. فرآیند تقطیر مورد مطالعه در این مقاله، دارای 3 متغیر خروجی به شرح ترکیب محصول بالایی، ترکیب محصول جانبی و دمای پایین برج است که باید کنترل شوند. متغیرهای کنترلی نیز دبی جریان بالایی و دبی جریان جانبی و جریان برگشتی پایین میباشند. مدل موردنظر در معادله زیر بیان شده است.
تمامی تأخیرها و ثابتهای زمانی در مقیاس دقیقه میباشند. هدف ما بهبود عملکرد فرآیند در تضعیف اثر تداخل شدید بین حلقه های کنترلی و ردیابی سریع و دقیق نقطه تنظیم خروجیها میباشد. در مرجع [1] جدولی از عدم قطعیت بهره های توابع تبدیل فرآیند برج تقطیر مورد نظر ارائه شده که برای تعریف عدم قطعیت بهرههای مدل فرآیند در این پژوهش، از این جدول استفاده میشود. عدم قطعیت بهره توابع تبدیل فرآیندمورد بررسی، در جدول 1 ارائه شده است.
3. طراحی کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته مقاوم
کنترلکننده پیشبین مبتنی بر مدل - MPC - 1 به خانوادهای از کنترلکننده ها اطلاق میشود که با استفاده از مدلی از فرآیند و با کمینه کردن یک تابع هزینه، سیگنال کنترلی را بهدست میآوردند. در این روش بردار بهینه کنترل در یک افق محدود با بهینهسازی یک تابع هدف که خطای میان خروجی آینده سیستم را با یک مسیر از پیش تعیین شده بهینه مینماید، حاصل میشود .[6] روش کنترل پیشبین تعمیمیافته - GPC - 2 که اولین بار توسط کلارک 3 ارائه شد [8 , 7]، به یکی از رایجترین روشهای کنترل پیشبین مبتنی بر مدل - - MPC، هم در صنعت و هم در دانشگاهها، تبدیل گشت و درحال حاضر یکی از روشهای قدرتمند MPC میباشد. از ویژگیهای مهم این روش میتوان به عملکرد خوب، فهم راحت، کاهش پارامترهای لازم جهت مدل کردن فرآیند، فرموله کردن آسان و ... اشاره کرد.
