بخشی از مقاله
چکیده
در این پروژه پس از توصیف کامل نحوه ی عملکرد سیستم انتقال گاز، از استراتژی کنترل پیش بین برای کنترل بهینه ی عملیات دو سیستم انتقال گاز مثال استفاده می کنیم. مورد مطالعاتی اول یک شبکه ی خط لوله ی مستقیم با دو ایستگاه کمپرسور است که گاز را از یک منبع به یک مصرف کننده می رساند. هدف، کنترل فشار در نقطه ی تحویل گاز به مشتری با استفاده از فشارهای تخلیهی کمپرسورها بهعنوان متغیر کنترل کننده است.
مورد مطالعاتی دوم یک شبکه ی خط لوله شاخه دار و درختی است که گاز را از یک منبع در پنج نقطه به مصرف کننده تحویل می دهد. در این مورد شکل سیستم و دینامیک آن پیچیده تر بوده و تأثیر متغیرهای مختلف بر یکدیگر نیز نشان دادهشده است. دینامیک هر دو مورد مطالعاتی، توسط جعبه ابزار سیمولینک از نرم افزار MATLAB شبیهسازیشده و استراتژی کنترل پیش بین با استفاده از جعبه ابزار کنترل پیش بین نرم افزار MATLAB بر روی این دو سیستم اعمالشده است.
سناریوهای مختلف افزایش برداشت بر روی این سیستم ها اعمالشده و نتایج کنترلی بهدستآمده نشان دادهشدهاند. در مورد مطالعاتی اول رفتار کنترل کننده ی پیش بین با یک کنترل کننده معمولی PID نیز مقایسه شده است. در هر دو مطالعه موردی، کنترل پیش بین رفتار کنترلی مطلوبی از خود نشان داده است. واژگان کلیدی: شبکه ی انتقال گاز، کنترل در زمان واقعی، کنترل پیش بین مبتنی بر مدل MPC، مدل فضای حالت
مقدمه
در سراسر دنیا از شبکه های خط لوله گاز طبیعی، برای انتقال گاز از منابع به مصرف کنندگان در مسافت های طولانی استفاده می شود. در طول چند دهه ی گذشته مصرف گاز طبیعی به طور پیوسته رشد کرده است. دلیل اصلی این افزایش مصرف این است که گاز طبیعی از بقیه ی سوخت ها پاک تر می سوزد و آلاینده های کم تری تولید می کند.
همچنین کاربرد آن در تولید انرژی آسان بوده و ماده-ی اولیه ی مهمی برای صنایع شیمیایی محسوب می شود. بهعلاوه افزایش مصرف تا حدی می تواند به دلیل کاهش یافتن ذخایر گاز قدیمی موجود، در چارچوب زمانی قابل پیش بینی و افزایش مناطق جغرافیایی جدید - با کمبود ذخایر گازی - به مصرف کنندگان گاز طبیعی نیز باشد. درنتیجه، این افزایش مصرف، موجب افزایش حملونقل گاز خواهد شد.
صاحبان شبکه های خط لوله و اپراتورها همیشه با چالش به دست آوردن اطلاعات کافی برای پیشبرد بهینه ی عملیات حملونقل گاز مواجه بوده و مسئولیت حمل ایمن گاز و اطمینان از برآوردن مفاد قرارداد با مصرف کنندگان گاز را بر عهده دارند. درگذشته، بیش تر قراردادهای بلندمدت مورداستفاده قرار می گرفتند و عملیات سیستم خط لوله نیزتقریباً ثابت باقی می ماند.
در بیش تر موارد تغییرات فصلی در مصرف گاز طبیعی را می توان با مصرف ثابت در طول چند هفته یا چند ماه تقریب زد و با اعداد تقریبی بهدستآمده می توانیم سیستم را بر اساس همان حالت پایدار تجزیهوتحلیل کنیم.[1] تا امروز برای محاسبه ی تنظیمات بهینه ی عملکرد ایستگاه ها ی کمپرسور در سیستم خط لوله، بیش تر از بهینه سازی حالت پایدار استفادهشده است؛ این نوع بهینه سازها هنوز هم کاربرد خود را دارند. عملیات یک سیستم خط لوله گسترده با مقدار گاز عبوری زیاد، به مقدار زیادی فشرده سازی و درنتیجه مقدار زیادی انرژی نیاز دارد که بخش قابلتوجهی از هزینه های عملیاتی را موجب می شود.
باگذشت زمان، مشتریان متوجه منفعت روز افزون استفاده از قراردادهای کوتاهمدت و بازارهای نقدی شدند. این نوع تفکر با سیاست های دولتی نیز هم سو است. مقامات دولتی در ایالاتمتحده و اتحادیه اروپا، قانون الزام بازار آزاد را برای گاز طبیعی به تصویب رسانده اند . بازار آزاد اجازه می دهد تا هر دو صاحبان منابع و مشتریان گاز، سیستم خط لوله ی موردنظر خود را برای حمل گاز، انتخاب کنند.
تجارت برق کوتاهمدت منجر به استفاده از نیروگاه های توربین گاز طبیعی با قدرت بالا شده که می توانند بهسرعت و بدون اطلاع قبلی روشن یا خاموش شوند.[1] شرایط جریان گذرایی که می توانند تا چند ساعت ادامه یابند،معمولاً در اثر .1 تغییرات در جریان/ فشار ورودی و خروجی، .2 شروع و توقف کمپرسور و - 3 تغییرات در شرایط کنترلی موردنیاز، در حین عملیات در این سیستم ها ایجاد می شوند.
بر اساس این عوامل، نتیجه می گیریم دورانی که می توانستیم عملیات انتقال گاز را در حالتتقریباً پایا فرض کنیم تمامشده و بایستی عملیات سیستم خط لوله ی پویا و در حال تغییر را جایگزین آن کنیم.
یکی از جنبه های چالش پیشروی اپراتورهای سیستم خط لوله با فرض حالت پویا، استفاده کامل از ظرفیت سیستم در تمام زمان ها است. اپراتورها باید سعی کنند هر گونه گاز باقی مانده در سیستم خود را به فروش برسانند و تا جای ممکن از کارکرد سیستم در ظرفیت پایین جلوگیری کنند. برای این منظور، اپراتورها در این بازار جدید، باید یک شبیه ساز پویا از سیستم خط لوله خود داشته باشند.
درگذشته، صاحبان خط لوله از بهینه ساز حالت پایا برای محاسبه ی تنظیمات بهینه ی ایستگاه ها ی کمپرسور استفاده می کردند. در حال حاضر استفاده از سیستم های حالت پایا کموبیش منسوخشده و می بایست با ابزار بهینه سازی پویا جایگزین شوند
معادلات حاکم بر سیستم خط لوله دو معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی نسبت به زمان و یک بعد فضا هستند. الگوریتم ها و روش ها ی عددی بسیاری مانند روش تفاضل محدود ضمنی و صریح، روش مشخصه و دیگر روش ها توسط محققان متعددی برای حل صحیح جریان گذرا در خط لوله گاز اعمالشدهاند؛ بااینحال،تقریباً همه ی این روش های معمولی، وقت گیر و طولانی هستند.
به خصوص اگر یک سیستم خط لوله ی بزرگ و پیچیده را در نظر بگیریم، مدل های دینامیکی بسیار بغرنجی برای آن به دست خواهند آمد. این شبکه های خط لوله بزرگ و پیچیده، متشکل از لوله ها، کمپرسورها، سوپاپ های فشار، محدودکننده های جریان و غیره هستند. اگر این مدل های پیچیده به صورت مستقیم در الگوریتم های بهینه سازی قرار بگیرند، که در آنها توزیع بهینه - توابع زمان - متغیرهای عملیاتی ایستگاه کمپرسور محاسبه می شوند، احتمال همگرایی به یک راه حل بهینه برای آن ها بسیار کم خواهد بود.
محققان بسیار کمی دیدگاه عملی یک مهندس کنترل صنعتی را در پژوهش خود در نظر گرفته اند. دید کلی یک مهندس این است که باید با بررسی سیستم خط لوله فرآیند و اجرای تقریب های لازم بر روی آن، از ساختار خاص سیستم هدف استفاده کرده، روش کار را توسعه داده، آزمایش و درنهایت پیادهسازی کنید.
مقدمهای بر روش کنترل پیشبین مبتنی بر مدل
کنترلکنندهی ایده آل برای فرآیندهای صنعتی باید بتواند دینامیک مشکل فرآیندها - چند متغیره، تأخیر زمانی، غیرمینیمم فاز، ناپایدار، غیرخطی و ... - را کنترل کند؛ امکان اعمال قید روی متغیرها را فراهم کند؛ پاسخ پایدار بهدست دهد؛ یعنی در ازای ورودیهای محدود خروجیهای محدود محاسبه کند؛ بدون نوسان شدید به حالت پایا برسد و خطای ماندگار پاسخ صفر باشد؛ اثر اغتشاشات را تا حد امکان کاهش دهد و در برابر خطاهای مدلسازی مقاوم باشد.کنترلکنندهی پیشبین مبتنی بر MPC دارای تمامی این ویژگیها است.
در این روش از یک مدل دینامیکی برای پیشبینی و بهینهسازی عملکرد کنترلی استفاده میگردد. در کنترلکنندهی پیشبین، رفتار آیندهی فرآیند با استفاده از مدل تخمین زده میشود و در هر بازهی زمانی با حل یک مسئلهی بهینهسازی، دنبالهای از متغیرهای کنترلکننده بهمنظور بهینه کردن رفتار فرآیند محاسبه میشوند. اصول طراحی برای انواع مختلف الگوریتمهای کنترل پیشبین یکسان است و فقط استفاده از مدلهای مختلف برای پیشبینی خروجی و یا تفاوتهایی در تابع هدف یا فرضیات مربوط به ورودی کنترلی در آینده و سیگنالهای مرجع، یا روشهای بهینهسازی مختلف، باعث ایجاد تفاوت در عملکرد کنترلکنندهها میشود.
ازجمله برخی مزایای کنترلکنندهی پیشبین که آن را در بین روشهای متعدد کنترلی منحصربهفرد میسازد، امکان اعمال برای فرآیندهای چند ورودی چند خروجی، کنترل فرآیندهای با دینامیک پیچیده، در نظر گرفتن قید بر روی متغیرهای ورودی و خروجی، کمینهسازی تأثیرات نامطلوب ازجمله تأخیر در دینامیک فرآیندها و اثر اغتشاشات قابلاندازهگیری و غیرقابلاندازهگیری، مقاومت در برابر خطای مدلسازی و غیره هستند .
باوجود فواید زیاد، این روش کنترلی معایبی نیز دارد. هرچند این روش نتایج کنترلی بهینه بهدست میدهد، محاسبات لازم برای بهدست آوردن متغیرهای کنترلکننده بسیار پیچیدهتر از کنترلکنندههای معمولی PID است. زمانی که در مسئله قید نیز وجود داشته باشد، محاسبات حتی پیچیدهتر نیز خواهند شد. ولی امروزه با پیشرفت فنّاوری و بالا رفتن سرعت محاسبهی کامپیوترها، اهمیت این موضوع کمتر شده است.[5] تمام روشهای مختلف متعلق به خانوادهی کنترل پیشبین دارای سه اصل زیر هستند:
· استفاده از یک مدل برای پیشبینی دنبالهی خروجیهای آیندهی سیستم در یک افق مشخص.
· محاسبه مجموعه دنباله ورودیهای کنترلی آینده با کمینه کردن یک تابع هدف بر اساس اختلاف بین خروجیهای آیندهی سیستم و مقادیر مطلوب تعیینشده.
· اعمال اولین عنصر از دنباله ورودیهای کنترلی بهینهشده به سیستم و تکرار کل چرخهی پیشبینی و بهینهسازی در گام بعد
