بخشی از مقاله
چکیده
در مطالعه حاضر با هدف از بین بردن خطا در اثر اغتشاش و افزایش ماندگاری پایدار و بهینه دمایی، سیستم فرآیندی راکتور CSTR واحد تولید پروپیلن گلیکول با برنامه سیمولینک متلب شبیه سازی شد و پاسخ بهینه و مطلوب آن با توجه به کنترلرهای پیوسته PID - 2DOF - و PID مورد مطالعه قرار داده شد.
در این پژوهش، نتایج مطالعه حاضر با نتایج مطالعاتی محققین پیشین مورد مقایسه قرارگرفته شد که مقایسه نتایج به شرایط بهتر زمان پاسخ، زمان خیز و فرارفت مطالعه حاضر نسبت به سیستم طرح شده مطالعه محققین دیگر تاکید دارد. با استناد به نتایج این پژوهش، نتایج و عملکرد دو کنترلر پیوسته مورد نظر، دارای شرایط خروجی یکسان بوده است.
مقدمه
در هر صنعتی در فرآیند تولید محصول مطلوب ،کنترل و اتوماسیون راهکاری کارآمد در راستای بهبود تولید می باشد که این بهبود در میزان تولید و در کیفیت محصولات نقش مهم و اساسی ایفاء می نماید. هدف از کنترل این است که بخشی قابل توجهی از نقش انسان در صنعت به سیستم خودکار - کنترل سیستم فرآیندی با دخالت اندک یا حتی بدون دخالت اپراتورها - واگذار شود.
در یک سیستم اتوماتیک فرآیند صنعتی، عملیات شروع،تنظیم و توقف با توجه به متغیر های موجود توسط کنترل کننده سیستم مورد نظر انجام می گیرد. سیستم فرآیندی صنایع شیمیایی یکی از مهمترین سیستم صنعتی است که وابسته به کنترلر شرایط دخیل در بهبود و ارتقای بازدهی آن میباشد. در طراحی رآکتورها پارامترهای زیادی از جمله حجم، دما، فشار، غلظت و ضریب انتقال حرارت، دخالت دارند. در این بین شرایط دمایی بیشتر در راستای بهبود عملکرد سیستم مورد توجه است که دلیل این امر به اثر گذاری دما بر نقش کاتالیست در ارتباط است.
به گونه ای که دمای نامناسب سیستم، میتواند سبب تجریه و تخریب کاتالیست شود که این موضوع زمینه ساز تولید محصول نامطلوب می شود. در این مقاله در راستای بهبود عملکرد سیستم راکتور CSTR واحد تولید پروپیلن گلیکول، دمای سیستم با شبیه سازی توسط نرم افزار متلب کنترلر میشود. در این مقاله با بخش سیمولینک متلب سیستم فرآیندی راکتور CSTR واحد تولید پروپیلن گلیکول شبیه سازی میشود و توسط کنترل کننده
های پیوسته و PID سیستم مورد نظر کنترل و با کارهای محققین پیشین مقایسه میشود.
-2 فرمولاسیون فرآیند مورد مطالعه
در این پژوهش راکتور CSTR، فرآیند تولید پروپیلن گلیکول مورد مطالعه است. پرو پیلن گلیکول مایعی است شفاف، جاذب رطوبت، حلال و رنگهای غیرقابل حل در آب که مانند گلیسرول و سوربیتول از تبخیر رطوبت مواد غذائی ممانعت میکند. واکنش تولید این فرآیند براساس هیدرولیز پروپیلن اکسید، بصورت زیر قابل بیان است:[1-2]
CH2OH -CH2OH - CH3 - 1 - × CH2- O - CH-CH3 + H2O
براساس واکنش بالا برای موازنه جرمی و انرژی، فرآیند مورد نظر - در حالت پایدار - می توان نوشت: [3]
به منظور کنترلر دمای سیستم فرآیندی بالا براساس برنامه شبیهساز سیمولینک نرم افزار متلب باید دو معادله خطی سازی و به صورت معادله حالت تغییر داده شوند. لذا برای فضال حالت سیستم به طور ×کلی داریم که :
- 4 - X=Ax + Bu
- 5 - Y=Cx + Du
که در روابط بالا 3 - و - 4، پارامترهای A ، B ،C و D بهصورت زیر تعریف میشوند:
مقادیر مورد نیاز برای شبیه سازی فرآیند به منظور محاسبه تابع تبدیل سیستم کنترلی در جدول 1 ارائه شده است. لذا با استناد به معادلات 6 تا 9، بعد از انجام محاسبات - براساس مقادیر جدول - 1 میتوان نوشت که :
اکنون با داشتن 4 پارامتر بالا - براساس فضای حالت - با توجه به برنامه محاسباتی متلب برای تابع تبدیل داریم :
جدول-1 مقادیر پارامترهای معادلات1 و2 به منظور محاسبه تابع تبدیل
نتایج و بحث
در شکل1، نمودار بلوکی و خروجی دمایی راکتور بدون در نظر گرفتن کنترلر نشان داده شده است. با اجرای نمودار بلوکی طرح شده در متلب، دمایی خروجی راکتور در حدود 155 درجه فارنهایت بعداز طی زمان نزدیک به 13 ثانیه به پایداری رسیده است.
شکل-1 نمودار فرآیند مورد مطالعه بدون اعمال کنترلر: - a نمودار بلوکی شبیه سازی سیمولینک
- b نمودار خروجی نوسانات دمایی راکتور مورد مطالعه
درشکل2،نمودار بلوکی فرایند مورد مطالعه با اعمال کنترلر PID - 2DOF - براساس برنامه سیمولینک نشان داده شده است.
شکل-2 نمودار بلوکی شبیه سازی فرایند مورد مطالعه با اعمال کنترلر PID - 2DOF -
شکل3، مقایسه نتایج دمای مطلوب فرایند مورد مطالعه با اعمال کنترلر PID - 2DOF - پژوهش حاضر و مطالعات کومار [3] را نشان میدهد. براساس نتایج مقایسه دو نمودارa و b ، می توان به شرایط مطلوب و بهینه تر مطالعه حاضر نسبت به مطالعه کومار تاکید کرد. به گونه ای که با توجه به اینکه دمای مطلوب و بهینه در راستای تولید محصول مطلوب 100 درجه فارنهایت بوده است، مطالعه حاضر نسبت به مطالعه کومار حدود 2 ثانیه زودتر به پاسخ ماندگار رسیده است و از همه مهمتر نوسانات قابل قبول بهتری داشته است.
شکل-3 نمودار دمای کنترلی و بهینه فرایند مورد مطالعه با اعمال کنترلر :PID - 2DOF -
- a در پژوهش حاضر
- b کار مطالعاتی کومار
شکلهای4و5، به ترتیب نمودار بلوکی و مقایسه نتایج دمای مطلوب فرایند مورد مطالعه با اعمال کنترلر PID پژوهش حاضر و مطالعات کومار را نشان میدهد. نتایج مقایسه دو نمودارa و b ، به شرایط ایده آلتر مطالعه حاضر نسبت به مطالعه کومار اشاره دارد. به گونهای که با توجه به اینکه دمای مطلوب و بهینه - در راستای تولید محصول مطلوب - 100 درجه فارنهایت بوده است، نتایج مطالعه حاضر نسبت به مطالعه کومار زمان پاسخ - زمانی که پاسخ تقریبا به مقدار نهایی می رسد و در آن محدوده می ماند - بهتری است و از همه مهمتر زمان خیز - زمانی که پاسخ به مقدار بهره یکنواخت می رسد و از آن می گذرد - بهتری داشته است. هم چنین با مقایسه دو نتیجه نشان داده شده در شکل 4 میتوان گفت که نتایج مطالعه حاضر نسبت به پژوهش کومار دارای فرارفت - میزان اوج پاسخ از مقدار نهایی - مطلوب و مناسبتری است.
