Chemical Reactors: Modern Control Methods

Ing. Jiří VOJTĚŠEK

Doctoral thesis

Abstract:

Design and verification of suitable methods for control of two types of chemical reactors are the main aims of this work. Chemical reactors are often characterized by highly nonlinear behaviour. In such a case the use of the conventional control strategies that employ PI or PID controllers with fixed parameters can result in poor performance. Knowledge about the static and dynamic properties is a necessary condition for design of a controller. One possibility how to obtain such information about the system is the investigation of the real system. Unfortunately, measurements on the real system are not always feasible. The only way how to obtain static and dynamic behaviour of these systems is the use of simulation, i.e. experiments on their mathematical model. Simulations have several advantages over experiments on the real system. Among them are the lower costs, increased safety and less time consumption. Steady-state analysis is usually the first step in the investigation of the system. Steady-state analysis shows the behaviour of the system in the steady state which can help with the choice of the optimal working point, i.e. the appropriate combination of the input variables which results in maximal production with minimal cost. The next step after the steady-state analysis is the dynamic analysis which investigates the dynamic properties of the system. Based on dynamic analysis, the suitable control strategy can be chosen. Two modern control approaches are investigated in this work. The first approach is the adaptive control which is based on external linear model (ELM) of the originally nonlinear system. The parameters of the model are identified recursively and controller parameters are recomputed in each step. Model parameters are obtained via well-known recursive least-squares method and its modifications. Polynomial, pole-placement and Linear-Quadratic (LQ) approaches are employed for controller synthesis. Two control system configurations are considered during the controller design: one degree-of-freedom (1DOF) and two degrees-of-freedom (2DOF). The second approach used in this work is the Generalized Predictive Control (GPC) where the future control sequence is computed by the minimizing the error between reference and output signal on the prediction horizon. All methods were first examined by simulations on mathematical models of two types of chemical reactors - the Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) and the tubular chemical reactor and then verified by measurements on the laboratory model of the CSTR. Results have proved the applicability of the proposed methods on real systems.

Abstract:

Cílem disertační práce je návrh a ověření vhodné metody řízení některých typů chemických reaktorů. Chemické reaktory se obecně vyznačují nelineárními vlastnostmi, které jsou ve většině případů značně výrazné. Proto použití konvenčních metod jejich řízení PI resp. PID regulátory s pevně nastavenými parametry může být velmi nekvalitní nebo i nemožné. Nutným předpokladem úspěšného návrhu řízení procesů této třídy je představa o jejich statických a dynamických vlastnostech. Jednou z možností, jak znalosti o těchto vlastnostech získat je měření na reálném zařízení. Toto ovšem většinou není možné uskutečnit. Jako jediná schůdná cesta se pak jeví statická a dynamická analýza řízeného procesu pomocí simulací, tj. experimentů na jeho matematickém modelu. Simulační metody mají i další výhody oproti experimentům na reálném zařízení, jako jsou menší časové nároky, nižší náklady a hlavně bezpečnost. Statická analýza procesu ukazuje chování systému v ustáleném stavu což obvykle slouží jako výchozí bod pro volbu optimálního pracovního bodu, tzn. takové kombinace vstupních veličin, při které je produkce maximální s minimálními náklady. Dynamická analýza je dalším krokem po statické analýze a ukazuje chování systému po změně vstupních veličin. Toto chování nám posléze poslouží pro volbu vhodné řídící metody. V práci jsou použity dvě metody ze třídy tzv. moderních metod řízení. V prvním případě metoda spojitého adaptivního řízení, založená na volbě externího lineárního modelu (ELM) původně nelineárního systému a použití regulátoru s parametry přestavovanými v závislosti na průběžně identifikovaných parametrech ELM řízeného procesu. Při identifikaci je použita obecně známá metoda nejmenších čtverců spolu s jejími modifikacemi. Při syntéze je v tomto případě použita polynomiální metoda společně s metodou přiřazení pólů a technikou LQ (lineárního kvadatického) řízení. Řízení je uvažováno v konfiguraci s jedním (1DOF) i se dvěma (2DOF) stupni volnosti. Ve druhém případě je použita metoda založená na zobecněném prediktivním řízení, kde se posloupnost řídících signálů vypočítá na základě minimalizace odchylky výstupní veličiny a žádané veličiny v definovaném budoucím horizontu. Všechny metody jsou nejdříve ověřeny simulačně na matematických modelech průtočného reaktoru (CSTR) a trubkového reaktoru, ale také praktickým měřením na reálném modelu průtočného chemického reaktoru. Dosažené výsledky ukazují použitelnost navržených metod v reálných systémech.

Keywords

Průtočný reaktor, trukový reaktor, modelování, simulace, statická analýza, dynamická analýza, adaptivní řízení, prediktivní řízení, polynomiální metody

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 6. 2007

Accessible from:: 30. 6. 2007

Identifier: 7725

Thesis defence

• Date of defence: 8. 11. 2007
• Supervisor: prof. Ing. Petr Dostál, CSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Doctoral programme / field:
Chemical and Process Engineering / Technical Cybernetics