چکیده

انتخاب یک ساختار کنترلی مناسب در طراحی سیستم های کنترلی از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.برج تقطیر یکی از متداول ترین و پرکابردترین واحد های عملیاتی در صنعت می باشد که هنوز درک کامل از عملکرد و کابرد پذیری سیستم های کنترلی در آن یکی از مهمترین مسائل مهندسی کنترل فرایند ها می باشد.در این پروژه هدف به کار گیری روش شاخص کنترل پذیری خروجی برای یک سیستم غیر خطی و مقایسه آن با شاخص آرایه بهره نسبی و عدد حالت می باشد .با استفاده از این شاخص می توان به میزان کنترل پذیر بودن ذاتی یک فرایند به صورت کمی و در غیاب هرگونه کنترلر پی برد همچنین کنترل پذیری یک فرایند را هم به صورت مقدار عددی و هم به فرم گرافیکی بیان کرد.فرایند غیر خطی در نظر گرفته شده در اینجا فرایند تقطیر و جداسازی متانول از آب    می باشد که در دو حالت یک برج تقطیر و دو برج تقطیر به صورت متوالی بررسی شده است.شبیه سازی این واحد توسط نرم افزار Aspen HYSYS انجام شده است .برای بدست آوردن شاخص فوق نیز  از نرم افزار MATLAB و همچنین از Multi-Parametric Toolbox استفاده شده است.ساختار های کنترلی مختلف با استفاده از شاخص فوق مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اند.نتایج به دست آمده نشان می دهد که در حالت تک برج تقطیر ،در حالت سروو ساختار (L,V) و در حالت ریگولاسیون ساختار (D,V/B) بهترین ساختار کنترلی و در حالت دو برج تقطیر  متوالی ،در حالت سروو ساختار ((L/D)1 ,B2) و در حالت رگولاسیون نیز ساختار ((L/D)1 ,B2) بهترین ساختار کنترلی محسوب می شوند.

واژه های کلیدی :کنترل پذیری،برج تقطیر،ساختار کنترلی ،سیستم های غیر خطی

فهرست مطالب

فصل اول :مقدمه

مقدمه : در گذشته آنچه که برای طراحان فرآیند اهمیت فراوان داشت، طراحی فرآیندها در جهت دستیابی به کیفیت بالا و مطلوب مصرف کنندههای محصولات بود. عوامل اقتصادی چون افزایش قیمت انرژی و مواد باعث شده است که در سالهای اخیر مباحثی چون تداخل طراحی واحدها و بخشهای فرآیندی، قبل از طراحی به طور کامل بررسی و ارزیابی شود و تعیین بهترین آرایش دستگاههای فرآیندی در بهینه ترین نقاط عملیاتی، که در واقع بهینه سازی فرآیند می باشد، در کل واحد اعمال شود . الزامات طراحی فرآیند شامل صرفهجویی انرژی و قوانین سخت گیرانه محیط زیستی باعث شده است که در طراحی های واحد هرچه بیشتر از استراتژیهای یکپارچگی فرآیند استفاده شود. این استرازی ها اگرچه تا حد زیادی منجر به صرفه جویی اقتصادی می شود اما معایب و مشکلاتی را در مرحله اجرا و راندمان واحدهای عملیاتی داشته است. علت وجود این مشکلات، طراحی و بهینه سازی فرآیند تنها بر پایه اهداف اقتصادی بدون در نظر گرفتن توانایی سیستم در کنترل بهنگام در طراحی بود. بروز چنین مشکلاتی منجر به سوق دادن مهندسین و طراحان به سمت بررسی و ارزیابی کنترل فرآیند گردید و مفاهیمی چون انعطاف پذیری و کنترل پذیری” مطرح شد. انعطاف پذیری یک سیستم بنا به تعریف عبارت است از میزان توانایی سیستم برای سازگاری با بروز تغییرات در شرایط عملیاتی پایدار فرآیند. کنترل پذیری یک سیستم نیز عبارت است از توانایی سیستم در حذف اثرات اغتشاشات در خروجی سیستم و نگه داشتن متغیرهای مورد نظر فرآیند در محدوده عملیاتی مطلوب در طول زمان عملیات .

درگذشته استفاده کامل و مناسب از این مفاهیم صورت نمی گرفت و همچنین ابزار دقیق جهت سنجش این مفاهیم وجود نداشت. اما با آشکار شدن این مفاهیم، تحقیق و بررسی جهت کشف و ارائه ابزار مناسب برای سنجش معیار کنترل پذیری و کارکرد پذیری فرآیند در محدوده های عملیاتی مورد انتظار، به طور چشمگیری افزایش یافت. در روشهای طراحی سنتی مانند روشی که موسوم به روش ترتیبی طراحی و کنترل بود، ابتدا فرآیند با داشتن شرایط و خصوصیات جریانات ورودی و نیز اطلاعات مربوط به شرایط و خواص جریان های خروجی و محصولات، در شرایط عملیاتی نرمالی و پایا شبیه سازی می شد. در این روش ابتدا راه کارهای مختلفی که برای دستیابی به انتظارات فرآیندی وجود داشت، مورد بررسی قرار می گرفت. در مرحله بعدی یعنی سنتز فرآیند در بین جواب های موجود براساس تابع هدف (که در گذشته عمدتاً توابع اقتصادی بود) بهینه سازی، بهترین جواب انتخاب می گردید. سپس فاکتورهای ایمنی طراحی برای دستگاه ها در نظر گرفته شده و پس از مراحل تعیین ساختار کنترلی مناسب، طراحی کنترل کننده های مدارهای کنترلی انجام شده و در آخر نیز برای غلبه بر برخی مشکلات عملیاتی احتمالی فرآیند اصلاح می گردید. به طور معمول انتخاب های طراحی بر مبنای بهینه سازی اقتصادی می باشد. زمانی که طراحی فرآیندی واحد به پایان میرسد مهندسین کنترل به طراحی سیستم کنترل می پردازند. این روش به طور معقولی در بسیاری از موارد مناسب می باشد. با وجود اینکه در این طراحی، نگرش کلی و یکپارچه می باشد ولی معایب و مشکلاتی در آن وجود دارد. این معایب در میدان مقابله دو عامل یعنی کاهش هزینههای اولیه و جاری و دستیابی به راندمان عملیاتی بهینه می باشد.

اگرچه یک چنین طراحی هایی مناسب به نظر میرسد ولی طراح فرآیند ریسک طراحی یک واحد را با تمامی مشکلات عملیات پذیری آن می پذیرد به خصوص در طراحی هایی که برای بار اول میباشد. به منظور جلوگیری از مشکلات، طراح با دقت بالایی این ساختارها را باید امتحان کند تا مطمئن شود که تمامی الزامات کنترل در حالت دینامیک و پایا برآورده می شود. گزارشات بسیاری در صنعت وجود دارد که از مشکلات عملیاتی یک واحد به خاطر طراحی نامناسب سیستم کنترلی حکایت میکند. اندرسون (۱۹۹۴)، دوان و اگاناکی (۱۹۹۶) نیز اشاره داشتهاند که طراحان فرآیند لازم است که تغییرپذیری محصولات در مواجهه با تغییرات را به حداقل برسانند که این تنها با طراحی مناسبی که بتواند اغتشاشات را کاهش داده و یا آنها را به جهات با اهمیت کمتر هدایت کند میسر می شود. از اینجا میتوان به اهمیت یکپارچگی طراحی و کنترل فرآیند و آگاهی از کارکرد پذیری فرآیند پی برد. منظور از کارکرد پذیری در اینجا توانایی فرآیند برای تغییر در زمان محدود از یک حالت پایا به حالتی دیگر و همچنین رفع اغتشاش های فرآیند و کنار آمدن با عدم قطعیتها به طور مؤثر میباشد. واضح است که کارکرد پذیری در حالت پایا لازمه کنترل پذیری در حالت دینامیک می باشد.سیستمهای فرآیندی معمولاً دستخوش عدم قطعیت و اغتشاشات مهمی هستند که بر روی شرایط عملیاتی و همچنین کیفیت محصولات تأثیر می گذارند. در نتیجه باعث می شود که طراحان کنترل فرآیند تحت فشار قرار گرفته تا بتوانند به عملکرد دینامیکی بهینه ” در کنار منافع اقتصادی دست یابند. حال سوالی که مطرح میشود این است که چگونه می توان مسئله کنترل پذیری را با اهداف اقتصادی توأم کرد .

در دو دهه اخیر تلاش های زیادی برای مسئله کنترل پذیری در طراحی فرآیند انجام شده است. مُراری، اسکو جستاد و ولف مطالعات گوناگونی را برروی اندیسهای کنترل پذیری برای سیستمهای خطی با وجود عدم قطعیت انجام دادهاند . کارکرد پذیری فرآیند به توانایی فرآیند برای رسیدن به عملکرد کنترلی قابل قبول با وجود اغتشاشات و عدم قطعیتهای نامعلوم ولی محدود با استفاده از متغیرهای کنترل کننده و سنسورهای اندازهگیری بیان میشود. تصمیمگیریهای طراحی فرآیند میتواند تأثیر قابل توجهی را بروی مشخصه های کارکرد پذیری داشته باشد. عدم توجه به شاخصی کارکرد پذیری یک واحد در مرحله طراحی میتواند منجر به مشکلاتی جدی در آینده شود. تاکنون روش های مختلفی برای تعامل بین شاخص کنترلی و طراحی یک فرآیند ارائه شده است که از جمله آنها می توان به مفاهیمی چون شاخص قابلیت ارتجاعی”، شاخص انعطاف پذیری و انحراف از حالت بهینه ” اشاره کرد. شاخص قابلیت ارتجاعی توسط مُراری، گیریم، آگلسبی و پراسر در سال ۱۹۸۵ بیان شد که به عنوان بزرگترین اغتشاشی که می تواند توسط فرآیند بدون تجاوز از محدودیتها دفع شود تعریف شد. مفهوم شاخص انعطاف پذیری نیز در سال ۱۹۸۵ مطرح شد که به بیان کارکرد پذیری فرآیندهای غیرخطی در حالت پایا می پردازد و به صورت بیشترین عدم قطعیت نرمال شده در پارامترهای فرآیند که می تواند بدون تجاوز از هرگونه محدودیت تحمل شود تعریف شد. بحری، بندانی و زماگنولی نیز در سال ۱۹۹۶ روشی را با نام انعطاف پذیری در عملیات ” برای اطمینان از کارا بودن یک واحد با وجود تمامی اغتشاش های ممکن بیان کردند.

با دانستن اهمیت یکپارچگی در طراحی فرآیند و سیستمهای کنترلی میتوان به اهمیت آنالیز کارکرد پذیری در طراحی یک واحد و همچنین اعمال تغییرات لازم برای بهبود در کارکرد پذیری آن پی برد. ارائه یک معیار با شاخص جامع و رضایت بخش برای بیان کارکرد پذیری یک فرآیند مشکل می باشد. برای سیستمهای خطی مفاهیمی چون آرایه بهره نسبی (RGA)، بهره اغتشاش مدار بسته (CLDG)، عدد حالت” (CN) و مینیمم عدد تکین” (MSV) تا حدودی بیانگر این کمیت می باشند و برای سیستمهای غیرخطی نیز آنالیزهای انعطاف پذیری، انحراف از حالت بهینه و همچنین آنالیز انشعاب نیز بیانگر این کمیت هستند. متاسفانه هیچ کدام از این روش ها بهترین انتخاب برای بررسی این کمیت نمی باشند. بسیاری از محققین به دنبال معیاری ساده برای ارزیابی بهتر کارکرد پذیری و کنترل پذیری فرآیندها می باشند. این معیار باید در هر دو حالت پایا و دینامیک قابل به کارگیری باشد. قدم اول در این راه اندازهگیری کنترل پذیری در حالت پایا می باشد که به خوبی بتواند قابلیت فرآیند را در رسیدن به محدوده تغییرات دلخواه خروجی در مواجهه با اغتشاش و با توجه به محدوده ورودی مورد نظر، بررسی کند. همچنین این شاخصی بهتر است از اطلاعات در دسترسی در مرحله طراحی به دست بیاید. در سال های اخیر وینسن و گئورگا کیسی اندازه گیری جامعی را برای اندازهگیری کارکرد پذیری در حالت پایا و دینامیک بیان کردهاند. نمایش هندسی این شاخص باعث فهم آسان و همچمنین به کارگیری آسان آن می شود. این روش کنترل پذیری جدیدی را در حالت پایا با عنوان شاخص کنترل پذیری خروجی (OCI) مطرح می کند. بر خلاف ایده کنترل پذیری در تئوری سیستمهای کلاسیک این شاخص حالات سیستم در توصیف دینامیک فرآیند متمرکز نمی باشد. در عوض بر روابط ورودی-خروجی متمرکز بوده و تأثیری را که محدوده تغییرات ورودی بر روی به دست آوردن هدف مطلوب فرآیند دارد را بیان می کند. این شاخص، کنترل پذیری یک فرآیند را هم به صورت مقدار عددی و هم به صورت گرافیکی بیان می کند. همچنین این ایده می تواند بینشی را برای اصلاح وضعیت کنترل پذیری فرآیندها فراهم کند. ایده مذبور قابل به کارگیری هم برای سیستمهای تک ورودی – تک خروجی و هم سیستمهای چند ورودی – چند خروجی” می باشد [10 9]. در تحقیق حاضر به بررسی روش مطرح شده برای برج تقطیر برای یک سیستم دو جزیی، جداسازی آب و متانول پرداخته شده است. کار شبیه سازی برج با استفاده از نرمافزار ASpen HYSYS انجام شده است) Multi-Parametric Toolbox sess — as , MATLAB’s 3 sli. L. MPT) به محاسبه مقدار این شاخصی پرداخته شده است [11] در فصل دوم روش های مختلف کنترل پذیری مطرح می شود و شاخص کنترل پذیری خروجی برای چند سیستم خطی و یک سیستم غیرخطی مورد بررسی قرار می گیرد. در فصل سوم نیز به بررسی شاخصی مورد نظر برای ساختارهای کنترلی مختلف، برای نمونه های مطالعاتی و مقایسه آن با روش های معیار آرایه بهره نسبی و مقیاس حالت پرداخته می شود. در فصل چهارم نیز نتایج کلی به دست آمده از این پروژه بررسی می شوند.

دیاگرام کنترلی ساختار برای کنترل دو نقطه ای

دیاگرام کنترلی ساختار برای کنترل دو نقطه ای

فصل دوم :مروری بر روش های کنترل پذیری

۱-۲ مقدمه

در این فصل شاخص های مختلف کنترل پذیری بیان می شود. مسئله کنترل پذیری فرآیندها از دیدگاههای مختلفی بررسی شده است و بر اساس آنها دسته بندی شده است. یکی از آن معیارها بر اساس کاربرد آنها در کنترل پذیری سیستمهای مدار باز و مدار بسته می باشد. در آنالیز مدار باز یک سیستم، میزان کنترل پذیری بر اساس ماهیت و مدل فرآیند در غیاب هرگونه کنترل کننده مورد بررسی قرار میگیرد. در صورتی که در آنالیز مدار بسته کنترل پذیری در حضور کنترلرها بررسی می شود و از آنجا که در یک مدار کنترلی علاوه بر مدل فرآیند نوع و ساختار کنترلرها نیز بر رفتار و راندمان عملیاتی مؤثر است لذا معیارهایی که برای این منظور به کار برده می شوند مطمئناً ساختار کنترلرها را نیز در بر میگیرند. بعضی از معیارها می توانند فرآیند را در شرایط گذرا و دینامیک آنالیز کرده و برخی دیگر تنها در آنالیز کنترل پذیری سیستم، در شرایط پایدار مورد استفاده قرار می گیرند و بعضی از معیارها نیز قابلیت استفاده در هر دو شرایط را دارند. معیارهایی که در آنالیز دینامیکی فرآیندها به کار میروند علاوه بر تعیین ساختار کنترل، اطلاعاتی را نیز در مورد رفتار دینامیکی فرآیند و پاسخ آن نسبت به ورودیهای مختلف می دهد. در بین این ابزار آن هایی که برای آنالیز سیستمهای مدار بسته استفاده می شوند می توانند در تعیین بهینه پارامترهای تنظیم کنترلرها نیز وارد شوند. در این جا به معرفی تعدادی از معیارهای کنترل پذیری در حالت مدار باز پرداخته و مشخصات هر یک و کاربردشان در موارد گوناگون شرح داده میشود.

2-1 مقدمه 7

2-2 معیار های کنترلی سیستم مدار باز 8

2-2-1- عدد تکین 8

2-2-2- عدد حالت 9

2-2-3- آرایه بهره نسبی 10

2-2-4-معیار کنترل پذیری خروجی 12

2-3 مثال سیستم خطی 2*2    18

2-4 مثال سیستم خطی 3*3   21

2-5 تحلیل OCI برای سیستم غیر خطی واکنش درون راکتور 22

شکل شماتیک دو برج تقطیر به صورت متوالی

شکل شماتیک دو برج تقطیر به صورت متوالی

فصل سوم

۱-۳ مقدمه

در حدود ٪۹۵ از سیستم های جداسازی که در صنایع شیمیایی و پالایشی استفاده می شوند از فرآیند تقطیر استفاده می شود. برج تقطیر یکی از متداولترین و پرکاربردترین واحدهای عملیاتی در صنعت فرآیند می باشد و هنوز درک کامل رفتار گذرای آن و مخصوصاً عملکرد سیستمهای کنترل در آن یکی از مهمترین مسائل دردست مطالعه مهندسی می باشد. عملکرد یک برج تقطیر وقتی مطلوب تلقی میشود که ترکیب جریان های محصولات خروجی از بالا و پایین برج در طول زمان تغییرات کمتری داشته باشد، به طوری که بتو مقادیر را ثابت تلقی کرد و آن مقادیر ثابت، حتی الامکان به مقدار مقرر نزدیک باشند. علاوه بر موارد فوق، کنترل مطلوب یک برج تقطیر مستلزم ثابت نگه داشتن عوامل دیگری از قبیل سطح مایع موجود در کند انسور، سطح مایع موجود در ریبویلر و همچنین میزان فشار برج میباشد. به دلیل آنکه عملکرد سیستم تقطیر بر روی کیفیت محصولات تأثیرگذار می باشد کنترل آن بسیار با اهمیت می باشد. کنترل برج تقطیر به دلایل غیرخطی بودن سیستم، کوپلی های چند متغیره، اغتشاش های شدید و رفتار متغیر یکی از پرچالش ترین مباحث می باشد. به همین دلیل شناسایی ترکیب بهترین ترکیب متغیر کنترل کننده و متغیر کنترل شونده یکی از مهمترین جنبههای کنترل برج تقطیر میباشد. در واقع عملکرد ضعیف سیستم کنترل می تواند ناشی از زوج شدن نامناسب متغیر کنترل کننده  و متغیر کنترل شونده لا باشد. این انتخاب وقتی که سیستمهای چند متغیره به کار میرود دشوارتر نیز می شود.

3-1 مقدمه 26

3-2 انتخاب ساختار های مختلف کنترلی 27

3-3 روش های مختلف کنتر فشار برج 29

3-4 انتخاب ساختار کنترلی مناسب در کنترل دو نقطه ای 31

3-4-1 ساختار LV ا  37

3-4-2 ساختار L/D,V ا  39

3-4-3 ساختار L,V/Bا  41

3-4-4 ساختار DVا 43

3-4-5 ساختار LBا 44

3-4-6 ساختار L/D ,V/Bا 46

3-4-7 ساختار D,V/Bا  47

3-4-8 ساختار L/D,Bا  49

3-4-9 ساختار QRe ,Dا 50

3-4-10 ساختارQRe ,L/Dا 52

3-4-11ساختارQRe ,Lا 54

3-5 انتخاب ساختار کنترلی برای دو برج تقطیر متوالی 57

3-5-1 ساختار V1,(L/D)    58

3-5-2 ساختار L1 ,B2  59

3-5-3 ساختار کنترلی (L/D)1,B2ا     61

3-5-4 ساختار کنترلی V1,L2 ا          63

3-5-5 ساختار کنترلی (V/B)1,L2ا      64

3-5-6 ساختار کنترلی (v/B)1,(L/D)2ا      66

3-5-7 ساختار کنترلی B1,(L/D)2ا           68

3-5-8 ساختار کنترلی V1,B    69

3-5-9 ساختار کنترلی (V/B)1,(V/B)2ا         71

3-5-10 ساختار کنترلی V1,(V/B)2ا        72

3-5-11 ساختار کنترلی Qreb1 ,Qreb2ا       74

3-5-12 ساختار کنترلی V1,Qreb2ا       75

3-5-13 ساختار کنترلی L1,QReb2ا       77

3-5-14 ساختار کنترلی QReb1,(V/B)2ا       78

3-5-15 ساختار کنترلی QReb1,(L/D)2ا       80

3-5-16 ساختار کنترلی QReb 1,D2ا          82

3-5-17 ساختار کنترلی QReb1,B2ا         83

3-5-18 ساختار کنترلی QReb1 ,V2ا          85

3-5-19 ساختار کنترلی B1,QReb2ا            87

شکل گرافیکی  محاسبه OCI برای سیستم 3×3

شکل گرافیکی محاسبه OCI برای سیستم 3×3

فصل چهارم :بحث و نتیجه گیری

۱-۴ مقدمه

در فصل سوم تنها نتایج به دست آمده با استفاده از روشهای اندیس کنترل پذیری خروجی، آرایه بهره نسبی و عدد حالت بیان شد. در این فصل به مقایسه این روشی ها با یکدیگر و همچنین انتخاب بهترین ساختار کنترلی با استفاده از روش جدید مطرح شده OCI پرداخته می شود. ۲-۴ مقایسه ساختارهای مختلف کنترلی یک برج تقطیر در این قسمت نتایج به دست آمده برای یازده ساختار کنترلی اشاره شده برای یک برج تقطیر بررسی می شود. در ساختار LV، با توجه به RGA به دست آمده از آنجا که A11 کمتر از عدد یک میباشد، بنابراین تداخل وجود داشته و ساختار مناسب از لحاظ قانون زوج شدن، درصد ترکیب محصول بالای برج با L و درصد ترکیب محصول پایین برج با V بهتر است کنترل شود که منطقی نیز میباشد. با در نظر گرفتن عدد حالت 3.816 نیز از آنجا که این عدد مقدار کوچکی میباشد بنابراین حساسیت فرآیند نسبت به ورودیها کمتر و در نتیجه کنترل آن میتواند آسان می باشد. عدد 0.2888 برای S – OCI نشان می دهد که تنها حدود 28 درصد از فضای خروجی مطلوب قابل دسترسی می باشد که این مقدار برای حالت r – OCI عدد 6379.() میباشد که در این حالت نیز حدود 64 درصد از فضای خروجی مطلوب قابل دسترسی می باشد. در ساختار L/D.V، با توجه به RGA به دست آمده از آنجا که A11 بسیار نزدیک به عدد یک میباشد، بنابراین می توان گفت تداخلی وجود نداشته و ساختار مناسب از لحاظ قانون زوج شدن، درصد ترکیب محصول بالای برج با L/D و درصد ترکیب محصول پایین برج با V بهتر است که کنترل شود که منطقی نیز می باشد. اما با در نظر گرفتن عدد حالت 24790 از آنجا که این عدد مقدار بسیار بزرگی می باشد.

۴- ۴ نتیجه گیری

با توجه به نتایج به دست آمده بهترین ساختار کنترلی به دست آمده برای حالت تک برج تقطیر در حالت سرو و ساختار LV بوده چرا که دارای عدد OCI بالاتری نسبت به سایر ساختارها بوده و در نتیجه در این حالت بهترین ساختار کنترلی می باشد و میتوان گفت بهترین ساختار کنترلی، ساختار موازنه انرژی می باشد. همچنین ساختارهای DV/B و L.V/B را نیز می توان به عنوان ساختارهای مطلوب بعد از ساختار LW در نظر گرفت. در حالت رگولاسیون نیز ساختار DV/B نسبت به بقیه ساختارها دارای OCI بالاتری می باشد و می توان آن را به عنوان بهترین ساختار کنترلی در نظر گرفت. همچنین ساختارهای LV و L.V/B را نیز می توان به عنوان ساختارهای مطلوب در این حالت نظر گرفت. همچنین با توجه به عدد حالت به دست آمده برای ساختارهای مختلف، از آن جا که کمترین عدد حالت مربوط به ساختار LV بوده، در نتیجه حساسیت فرآیند نسبت به ورودیها کم بوده و در نتیجه کنترل آن می تواند آسان باشد. همانطور که در فصل قبل نیز به آن اشاره شد نتایج به دست آمده در مقالات نیز نشان می دهد که این ساختار کمترین حساسیت را نسبت به اغتشاش ها دارد و اجرای آن نیز آسان می باشد. همچنین همانطور که در فصل سوم نیز بیان شد برای نسبت رفلاکس های کم (5 > L/D) ساختارهای LV و L.V/B به عنوان ساختارهای برتر برای زمانی که محصول بالای برج مهم تر می باشد، پیشنهاد می شوند. نسبت رفلاکس برج تقطیر مورد مطالعه 1.34 می باشد و با توجه به نتایج شاخص کنترل پذیری خروجی نیز، این دو ساختار به عنوان ساختارهای مطلوب شناخته شدند. برای حالت دو برج تقطیر به صورت متوالی نیز همانطور که از نتایج به دست آمده مشخص است، در حالت سرو و ساختار L/D)1,B2) دارای عدد OCI بالاتری نسبت به سایر ساختارها بوده و در این حالت بهترین ساختار کنترلی می باشد. همچنین ساختارهای B2 و L1 و Reb2 ) و 1 L را نیز می توان به عنوان ساختارهای مطلوب بعد از ساختار L/D) 1 , B2) در نظر گرفت. در حالت رگولاسیون نیز ساختار L/D) 1 , B2) نسبت به بقیه ساختارها دارای OCI عدد بالاتری میباشد و می توان آن را به عنوان بهترین ساختار کنترلی در نظر گرفت. همچنین ساختارهای L1, B2 و Reb2 , 1 با را نیز میتوان به عنوان ساختارهای مطلوب در این حالت نظر گرفت. همچنین با توجه به عدد حالت به دست آمده برای ساختارهای مختلف، از آنجا که کمترین عدد حالت مربوط به ساختار 2 V/B)1, L) بوده، در نتیجه حساسیت فرآیند نسبت به ورودی ها کم بوده و در نتیجه کنترل آن میتواند آسان باشد. بعلاوه با توجه به نتایج به دست آمده برای RGA مشخص شد که این معیار قابل اعتماد نبوده و دارای اشکالاتی می باشد. در پژوهش انجام شده به یکی از مهمترین معایب RGA (اگر ماتریس بهره فرآیند مثلثی باشد امکان به کارگیری RGA وجود ندارد) برخورد کرده و با توجه به آن، نیاز به معیار دیگری برای کنترل پذیری آشکار شد. که روش شاخص کنترل پذیری خروجی به خوبی پاسخگوی این نیاز بود.

4-1 مقدمه 90

4-2 مقایسه ساختار های مختلف کنترلی یک برج  نقطیر 90

4-3 مقایسه ساختار های مختلف کنترلی دو برج تقطیر متوالی 94

4-4 نتیجه گیری 99

منابع و مآخذ 101

شکل گرافیکی  محاسبه OCI برای سیستم 3×3

شکل گرافیکی محاسبه OCI برای سیستم 3×3

فهرست جدول ها :

جدول 3-1 نتایج بدست آمده برای حالت تک برج تقطیر 56

جدول 3-2 نتایج به دست آمده برای حالت دوبرج تقطیر متوالی 89

شکل گرافیکی محاسبه OCI

شکل گرافیکی محاسبه OCI

فهرست شکل ها:

شکل 2-1 فضای ورودی قابل دسترس برای سیستمی با دو ورودی 13

شکل2-2 فضای خروجی مطلوب برای سیستمی با دو خروجی 13

شکل2-3 فضای خروجی قابل دسترس برای سیستم غیر خطی 14

شکل2-4 فضای خروجی قابل دسترس (AOS) و مطلوب (DOS) برای سیستم خطی 15

شکل2-5 تبدیل فضا های خروجی مطلوب DOS به فضای ورودی دلخواه (DISy) ا 16

شکل2-6 تبدیل فضای اغتشاش قابل انتظار EDS به فضای ورودی مطلوب (DISd) ا17

شکل2-7 محاسبه OCI از اشتراک DOS و EDS  با AISا   18

شکل2-8 شکل گرافیکی محاسبه OCIا 19

شکل2-9 تاثیر G(1,2) بر روی OCIا  20

شکل2-10 شکل گرافیکی محاسبه OCI برای سیستم 3*3 22

شکل2-11 محاسبه OCI با استفاده از DIS کلی بدست آمده از EDS ,DOSا  24

شکل2-12 محاسبه OCI درحالت سروو  24

شکل3-1 مینیمم فشار برج با استفاده از ماکزیمم دبی جریان آب سرد 29

شکل3-2 کنترل فشار برج با استفاده از دبی جریان آب سرد به عنوان متغیر کنترل کننده 30

شکل3-3 کنترل فشار برج با استفاده از تنظیم مقدار مقرر در سطح مایع درون کندانسور 30

شکل3-4 کنترل فشار برج با استفاده از جریان ونت به عنوان متغیر کنترل کننده 30

شکل3-5 کنترل فشار برج با استفاده از جریان ونت و یا جریان گاز خنثی 31

شکل3-6 دیاگرام کنترلی ساختار (L,V) برای کنترل دو نقطه ای 33

شکل3-7 دیاگرام کنترلی ساختار (D,B) برای کنترل دو نقطه ای 33

شکل3-8 شکل شماتیک تک برج تقطیر 35

شکل3-9 شکل شماتیک دو برج تقطیر به صورت متوالی 36

شکل 3-10 AOS با استفاده از MPT ساختار LVا  38

شکل3-11 AOS بدون استفاده از MPT ساختار LV ا 38

شکل3-12 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار LVا38

شکل3-13 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار LV ا 39

شکل3-14 AOS با استفاده از MPT ساختار  L/D,Vا 40

شکل 3-15 AOS  بدون استفاده از MPT ساختار L/D,V ا  40

شکل 3-16 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار L/D,Vا 40

شکل3-17 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار L/D,Vا41

شکل 3-18AOS  با استفاده از MPT ساختار L,V/Bا   41

شکل 3-19 AOS  بدون استفاده از MPT ساختار L,V/Bا  41

شکل 3-20 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار L,V/Bا  42

شکل 3-21 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار L,V/Bا    42

شکل 3-22 AOS با استفاده از MPT ساختار DVا 43

شکل3-23 AOS بدون استفاده از MPT ساختار DVا 43

شکل 3-24 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار DVا 43

شکل 3-25 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار DVا 44

شکل 3-26 AOS با استفاده از MPT ساختار LBا    44

شکل3-27 AOS بدون استفاده از MPT ساختار LBا   44

شکل 3-28 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار LBا 45

شکل 3-29 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار LBا    45

شکل 3-30 AOS با استفاده از MPT ساختار L/D,V/Bا   46

شکل 3-31 AOS بدون استفاده از MPT ساختار L/D,V/Bا  46

شکل 3-32 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار L/D,V/Bا  46

شکل 3-33 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار L/D,V/Bا 47

شکل 3-34 AOS با استفاده از MPT ساختار D,V/Bا  47

شکل 3-35 AOS بدون استفاده از MPT ساختار D,V/Bا 47

شکل 3-36 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار D,V/Bا  48

شکل 3-37 محسابه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار D,V/Bا  48

شکل 3-38AOS با استفاده ازMPT ساختار L/D,Bا  49

شکل 3-39 AOS بدون استفاده از MPT  ساختار L/D,Bا  49

شکل 3-40 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار L/D,Bا  49

شکل 3-41 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار L/D,Bا  50

شکل 3-42AOS با استفاده از MPT ساختار QRe,Dا  51

شکل 3-43 AOS بدون استفاده از MPT ساختار QRe,Dا  51

شکا 3-44 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار  QRe,Dا  51

شکل3-45 محاسبه OCI با در نظز گرفتم اغتشاش ساختار QRe,Dا  52

شکل 3-46 AOS با استفاده از MPT ساختار QRe,L/Dا  52

شکل 3-47 AOS بدون استفاده از MPT  ساختار QRe,L/Dا  52

شکل 3-48 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار QRe,L/Dا   53

شکل 3-49 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QRe,L/Dا   53

شکل 3-50 AOS با استفاده از MPT ساختار QRe,Lا 54

شکل 3-51 AOS بدون استفاده از MPT ساختار QRe,Lا  54

شکل 3-52 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار QRe,Lا   54

شکل 3-53 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QRe,Lا    55

شکل 3-54 AOS با استفاده از MPT ساختار V1,(L/D) 58

شکل 3-55 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار   V1,(L/D)2ا      58

شکل 3-56 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار V1,(L/D)2ا         59

شکل 3-57 AOS با استفاده از MPT ساختار L1,B2ا       60

شکل 3-58 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار L1,B2ا   60

شکل 3-59محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار L1,B2ا    61

شکل 3-60 AOS با استفاده از MPT ساختار (L/D1,B2ا)        61

شکل 3-61 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار (L/D1,B2ا)   62

شکل 3-62 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار (L/D1,B2ا)         62

شکل 3-63 AOS با استفاده از MPT ساختار V1,L  63

شکل 3-64 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار V1,L  63

شکل 3-65 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار V1,L  64

شکل 3-66 AOS با استفاده از MPT ساختار (V/B1,L2ا)    65

شکل 3-67 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار (V/B1,L2ا)         65

شکل 3-68 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار (V/B)1,L  66

شکل3-69 AOS با استفاده از MPT ساختار (V/B)1,(L/D2)ا     66

شکل 3-70 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار (V/B)1,(L/D2)ا      67

شکل 3-71 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار (V/B1,(L/D)2)ا        67

شکل 3-72AOS با استفاده از MPT ساختار B1,(L/D)2ا       68

شکل 3-73 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار B1,(L/D)2ا        68

شکل 3-74 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار B1,(L/D)2ا          69

شکل 3-75 AOS  با استفاده از MPT ساختار V1,B2ا      69

شکل 3-76 محاشبه OCI به صورت گرافیکی ساختار V1,B2ا        70

شکل 3-77 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار V1,B2ا        70

شکل 3-78 AOS با استفاده از MPT ساختار (V/B)1,(V/B)2ا )              71

شکل 3-79 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار (V/B)1,(V/B)2ا  )          71

شکل 3-80 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار (V/B)1,(V/B)2 ا)           72

شکل 3-81 AOS با استفاده از MPT ساختار V1,(V/B)2ا             72

شکل 3-82 محاسبخ OCI  به صورت گرافیکی ساختار V1,(V/B)2ا      73

شکل 3-83 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار V1,(V/B)2ا          73

شکل 3-84 AOS با استفاده از MPT ساختار  QReb1,QReb2ا          74

شکل 3-85 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار QReb1,QReb2 ا          74

شکل 3-86 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QReb1,QReb2ا          75

شکل 3-87 AOS  با استفاده از MPT ساختار V1,QReb2ا            75

شکل 3-88 محاسبه OCI به صورت گرافیکی ساختار V1,QReb2 ا           76

شکل 3-89 محاسبه OCI با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار V1,QReb2ا              76

شکل 3-90 AOS با استفاده از MPT ساختار L1,QReb2ا             77

شکل 3-91 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار L1,QReb2ا             77

شکل 3-92 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار L1,QReb2ا           78

شکل 3-93 AOS  با استفاده از MPT  ساختار QReb1,(V/B)2ا          79

شکل 3-94 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار QReb1,(V/B)2 ا           79

شکل 3-95 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QReb1,(V/B)2 ا       80

شکل 3-96 AOS  با استفاده از MPT  ساختار QReb1,(L/D)2 ا             80

شکل 3-97 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار QReb1,(L/D)2 ا            81

شکل 3-98 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QReb1,(L/D)2  ا      81

شکل 3-99 AOS  با استفاده از MPT  ساختار QReb1,D2ا       85

شکل 3-100 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار QReb1,D2   ا          82

شکل 3-101 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QReb1,D2 ا           83

شکل 3-102 AOS  با استفاده از MPT  ساختار QReb1,B2 ا           83

شکل 3-103 محسابه OCI  به صورت گرافیکی ساختار QReb1,B2  ا           84

شکل 3-104 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار QReb1,B2  ا         84

شکل 3-105 AOS  با استفاده از MPT  ساختار QReb1,V2 ا           85

شکل 3-106 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار QReb1,V2  ا           85

شکل 3-107 محاسبه OCI  با در نظر گرفتن ساختار QReb1,V2  ا           86

شکل 3-108 AOS با استفاده از MPT  ساختار B1,QReb2  ا          87

شکل 3-109 محاسبه OCI  به صورت گرافیکی ساختار B1,QReb2 ا           87

شکل 3-110 محاسبه OCI   با در نظر گرفتن اغتشاش ساختار B1,QReb2  ا         88


Abstract

Selecting an appropriate control structure is an important subject in the design of control systems. Distillation column is one of the most popular and widely used unit operations in industry which complete understanding of its operability and controllability is one of the most important issues in the process control engineering. The present work studies the method of Output Controllability Index for nonlinear systems and compares it with Relative Gain Array and Condition Number. By using this index, the extent of intrinsic controllability of a process can be identified quantitatively in the absence of any controller. Also, the controllability of the process can be stated numerically or graphically. The considered non-linear system was the binary separation of methanol and water in two different cases: Case I: single distillation column and case II: two successive distillation columns. Simulations of units have been done using Aspen HYSYS v7.3 software. To obtain the Controllability Index, MultiParametric Toolbox and MATLAB software have been used. Different control structures were investigated using the mentioned Index. The results show that for the case of one distillation column, the (L.V) configuration is the best structure in servo mode (set-point tracking), while the (D.VB) is the best regulatory control configuration. In case of two distillation columns, (CL/D)1, B2) configuration is the best control configuration for both servo and regulation modes.

Keywords: Controllability, Distillation column, Control configuration, Nonlinear systems


تعداد صفحات فایل : 110

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید