بخشی از مقاله
چکیده
در صنعت، فرآیندهای غیرخطی بسیاری وجود دارند، که توسط روشهای کلاسیک قابل کنترل نیستند. سیستم راکتور تانک همزن پیوسته - CSTR - یک سیستم پیچیده غیرخطی میباشد. با توجه به رفتار شدیداً غیرخطی، مسئله شناسایی و کنترل CSTR همیشه یک کار چالش برانگیز مهندسین سیستمهای کنترل بوده است.
کنترل پیشبین مبتنی بر مدل یک روش کنترل بسیار مفید و سودمند در مورد فرآیندهای غیرخطی است که علاوه بر دارا بودن کارایی بسیار بالا، تعمیم آن به حالت چند متغیره همراه با تداخل، یا محدودیت بر روی متغیرهای کنترلکننده و کنترلشونده و دیگر خصوصیات مسئله دار دینامیکی نظیر دینامیکهای کند و پاسخ معکوس نیز بسیار آسان است.
هدف از این مقاله کنترل دما و غلظت یک راکتور همزن پیوسته - CSTR - که در آن یک واکنش گرمازا انجام میگیرد، در حضور نامعینی و قیود ورودی میباشد. گرمای تولید شده در این واکنش از طریق کویل خنککننده که درجه حرارتی پایینتر از درجه حرارت راکتور دارد حذف میگردد. کنترلکنندهای که جهت کنترل دما و غلظت در این سیستم مورد استفاده قرار گرفته است از نوع پیشبین میباشد.
-1 مقدمه
راکتور تانک همزن پیوسته را میتوان یکی از سلولهای اساسی فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمی دانست. این سیستم در بسیاری از صنایع مواد غذایی هم بهکار گرفته میشود. در خنثیسازی پسابها، واکنشهایی که در فاز مایع صورت میگیرد و همچنین واکنشهایی که بایستی در غلظت پایین صورت گیرند از این نوع راکتور بیشتر استفاده میشود. کم بودن زمان باند محصولات در داخل راکتور نسبت به انواع دیگر راکتورها باعث شده از این راکتور در صنعت بیشتر استفاده شود. در بسیاری از مواقع کنترل دما و غلظت در راکتور مورد توجه میباشد و لازم است تا دما و غلظت با وجود نامعینی در سیستم و در نظر گرفتن محدودیتهایی در ورودی و خروجی در مقدار معینی تنظیم گردد.
استفاده از یک استراتژی کنترل که ناپایداری سیستم، ماهیت غیرخطی فرآیند و در بعضی مواقع رفتار n.m.p سیستم و همچنین وجود خطا در مدل - با توجه به این که مدل کردن یک فرآیند واقعی با هر دقتی معمولاً با خطا همراه است - را در نظر بگیرد و نسبت به همه آنها پایداری و عملکرد مناسب را تضمین کند، مهم به نظر میرسد. در سالهای اخیر به طور گسترده برای کنترل این فرآیند ناپایدار کنترل کنندههای متفاوتی پیشنهاد داده شده است، به طوری که کنترل این فرآیند ناپایدار معیاری برای عملکرد خوب یک کنترلکننده شده است. از جمله آن می توان به موارد ذیل اشاره نمود.
کنترل دمای CSTR با استفاده از کنترلکننده PID، - Rubi et al, 2015 - ، کنترلکننده غیرخطی پیشبین-تطبیقی برای فرآیند CSTR، - Hong MAN and Cheng SHAO, 2012 - ، کنترل دمای راکتور شیمیایی با استفاده از الگوریتم ژنتیک، - Fayez Areed et al, 2014 - ، کنترل دمای CSTR با استفاده از تئوری فیدبک، - Veronica Olesen et al, 2008 - ، کنترل دمای CSTR با استفاده از کنترلکننده تطبیقی، - K. Prabhu and V. Murali Bhaskaran, 2014 - ، کنترل دمای CSTR با استفاده از کنترلکننده فازی، - S.Boobalan et al, 2013 - ، کنترل غلظت یک CSTR با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات، - - A.Agalya et al, 2013، کنترلکننده افق بینهایت برای یک CSTR، - Ashutosh Kumar Mishra et al, 2014 - ، کنترل مقاوم یک CSTR با وجود نامعینی، - $QQD 9DVL NDQLQRYi DQG 0RQLND %DNR RYi' 2015 - و ...
خیلی از روشهای کنترلی قادر به در نظر گرفتن محدودیت روی ورودیهای سیستم نبوده و به خطای مدلسازی حساس بوده و در ضمن به راحتی تنظیم نمیشوند. یکی از روشهایی که نسبت به خطای مدلسازی حساس نمیباشد و به صورت سیستماتیک محدودیت روی ورودی سیستم را در نظر میگیرد و به راحتی قابل تنظیم است روش کنترل پیشبین میباشد. در حال حاضر کنترلکننده پیشبین به عنوان یک کنترلکننده موفق در زمینه کنترل سیستمهایی با رفتار شدیداً غیرخطی و ناپایدار هم از لحاظ صنعتی و هم از لحاظ تئوری مطرح است و دامنه تحقیقات بر روی این کنترلکننده و بهبود عملکرد آن همچنان باز است.
-2 تبیین مساله و مدل ریاضی
در این مقاله یک CSTR غیر هم دما همراه با نامعینی که یک واکنش گرما زا A B در آن رخ میدهد را در نظر می-گیریم. واکنش برگشت ناپذیر و سرعت واکنش نسبت به جزء A مرتبه اول میباشد.
شکل ٌ: راکتور همزن پیوسته همراه با ژاکت خنک کننده ×
جریان سیال به طور مداوم وارد راکتور شده و جریان سیال دیگری به طور مداوم از راکتور خارج میشود. از آنجا که راکتور کاملا مختلط است، جریان خروجی همان غلظت و درجه حرارت را که در راکتور جاری است دارا میباشد. یک کویل خنک-کننده - ژاکت - برای حذف گرمای آزاد شده در واکنش گرمازا مورد استفاده قرار میگیرد. این کویل خنککننده نیز دارای خوراک - ورودی - و جریان خروجی میباشد. فرض میشود که کویل کاملا مخلوط شده و درجه حرارتی پایینتر از درجه حرارت راکتور داشته باشد. انرژیای که از طریق دیواره راکتور به کویل عبور میکند، حرارت تولید شده توسط واکنش را حذف میکند.
ثابت سرعت واکنش k0 و حرارت واکنش H پارامترهای نامعین در نظر گرفته میشود. فرض میشود آنها در رنج تنوعی مشخص شده، دلخواهانه متغیر با زمان باشند.
