چکیده

یکی از مشکلات عمده ی انتقال گاز، کمبود آن در مواقع اوج مصرف و قطع گاز انشعابات دورتر از محل تزریق آن می باشد. از طرف دیگر کمپرسورها در خطوط انتقالی گاز طبیعی انرژی زیادی مصرف می کنند. در حال حاضر برای راهبری این واحدها جهت تامین فشار مورد نیاز خط لوله غالبا از روشی های تجربی و مبتنی بر حدس و خطا استفاده می شود که باعث اتلاف انرژی و نقضی محدودیتهای شبکه خواهد شد. در این پروژه از استراتژی کنترل پیش بین برای راهبری بهینه ی خطوط انتقال به نحوی که بتوانند فشار نقاط تحویل را در مقداری مطلوب نگاه دارند، استفاده شده و عملکرد آن با کنترلر سنتی PI مقایسه شده است. برای این منظور، در ابتدا مدلسازی یک شبکه ی انتقال گاز فرضی در محیط نرم اقزاری ASpen HYSYS انجام شده است. در ادامه با در نظر گرفتن شبکه ی مذکور به عنوان سیستم واقعی، برای آن یک مدل شناسایی گردیده است. مدل شناسایی شده با توجه به ماهیت سیستم واقعی به صورت یک ماتریس تابع تبدیل در نظر گرفته شد. هر یک از درایه های این ماتریسی، تابع تبدیل درجه ی اول به همراه تاخیر انتقالی است. کنترلرهای سطح پایین (رگلاتوری / PI) و کنترلر مدل پیش بین به ترتیب به عنوان کنترلرهای غیرمتمرکز و متمرکز طراحی و پیادهسازی گردیده است. نتایج اولیه حاکی از آن است که عملکرد کنترلر PI به دلیل تداخل شدید در سیستم به مراتب کمتر از کنترلر پیش بین می باشد. از این رو در ادامه از دو روش آرایه ی نایکوئیست و مقدار ویژه ی پرون فروبنیوس در جهت ارزیابی میزان تداخل در سیستم استفاده شده است. جهت کاهش میزان تداخل در سیستم، از پیشی – جبران ساز دینامیکی کمک گرفته شده است. در نهایت مجددا استراتژی کنترلی تناسبی – انتگرالی بر روی سیستم سری شده با پیش – جبران ساز پیادهسازی گردیده است. نتایج به دست آمده نشان دهندهی آن است که عملکرد کنترلر تناسبی – انتگرالی به همراه پیش جبران ساز در مقایسه با کنترلر تناسبی – انتگرالی، بهبود قابل توجهی پیدا کرده است ولی باز هم عملکرد کنترلر پیش بین بهتر است. در نهایت با تعمیم پیشبینی کننده ی اسمیت برای سیستم چند ورودی و چند خروجی دوباره کنترلر غیرمتمرکز پیادهسازی گردید. نتایج حاصلی حاکی از آن است که در صورت وجود مدل دقیقی از فرایند بهبود زیادی در عملکرد مدار بسته دیده می شود.

کلمات کلیدی: خطوط لوله، ایستگاه تقویت فشار، کنترل متمرکز، کنترل مدل پیش بین، تداخلی، جداکننده.

فهرست مطالب

فصل اول:کلیات واهداف

۱ – ۱. مقدمه

ارتباط بین مبادی تولید و مقاصد مصرف انرژی در هر کشور توسط زیر ساختهای انتقال و توزیع انرژی صورت میپذیرد. گاز طبیعی پاک ترین سوخت در میان سوخت های فسیلی است. ذخایر گاز فراوان، قیمت قابل رقابت و تطبیق پذیری باعث ایجاد یک روند رو به رشد مصرف گاز طبیعی در جهان شده است. علاوه بر مصارف صنعتی و مسکونی معمولی، گاز طبیعی جایگاهی را به عنوان سوخت ناوگان و وسایل حمل و نقل کسب کرده است. همچنین یک منبع برای نیروگاههای گازی و استفاده در پیلهای سوختی محسوب می شود. از این رو در سال های اخیر روند صعودی در توسعه ی خطوط لوله ی انتقال گاز طبیعی مشاهده می شود که بیش از پیش مدیریت و راهبری بهینه و ایمن این خطوط را میطلبد. از این رو در این فصل در ابتدا نمای کلی ای از صنعت گاز اشاره خواهد شد. در ادامه تعریف مسئله و سابقه ی این موضوع بیان شده است و نهایتا ساختار کلی پایان نامه ذکر شده است.

۱ – ۴. تعریف مسئله

حوزه ی تعریف مسئله در این مطالعه شامل بخش انتقال است به طوری که دو بخش تولید (پالایش) و شبکهی توزیع هر کدام تنها یک شرط مرزی را برای شبکه ای انتقال تحمیل می کنند. لذا نقطه ی ورود گاز به شبکه ی انتقال به عنوان منبع تغذیه کننده با یک فشار و دبی خاص فرض میشود و از آن طرف شرایط جریان در نقطه ی تحویل نیز باید دارای مشخصات مطلوب مصرف کننده باشد. در طول مسیر انتقال به خاطر شرایط ناپایدار محیطی و همچنین متغیر بودن میزان مصرف و تولید در زمان های مختلف، فشار گاز در نقاط مصرف همواره متغیر می باشد. به عنوان مثال در روزهای سرد سال با توجه به افزایش قابل توجه مصرف گاز، افت فشار شدیدی در خطوط لوله رخ داده و ممکن است گازرسانی به بعضی از نقاط مصرف قطع شود. از این رو حفظ فشار نقاط بحرانی خطوط لوله ی انتقال گاز در مقدار مطلوب، ضروری به نظر میرسد. مسئله ی کنترل خطوط لولهای انتقال گاز با فشار بالا، تحت شرایط گذرا، شامل کمینه کردن انرژی مصرفی ایستگاههای تقویت فشار با توجه به میزان مصرف متغیر در مبادی مصرف و تامین حداقل فشار مورد نیاز مصرف کننده است. لذا سعی این مطالعه و تحقیق، تحقق هدف فوق خواهد بود. از آنجا که شبکهای انتقال گاز طبیعی از جمله سیستمهای با ابعاد- وسیع میباشد، برای این منظور از نقطه نظر عملی، در این تحقیق دسیستمهای خطوط انتقال گاز مشابه تمامی فرایندهای دیگر فرض شده است به طوری که با در نظر گرفتن یک ساختار مشخص برای یک شبکهی فرضی، روشهای مختلف کنترل طراحی، ارزیابی و در نهایت پیادهسازی گردیده است.

1-1-مقدمه     2

1-2-گاز طبیعی ازتولید تا مصرف     3

1-3-اجزای اصلی شبکه ی خطوط انتقال گاز طبیعی 5

1-4-تعریف مسئله 7

1-5-مروری برمنابع 8

1-6-طرح کلی پایان نامه   9

المانی از یک خط لوله

المانی از یک خط لوله

فصل دوم:مدلسازی وشناسایی شبکه ی انتقال گاز طبیعی

۱-۲. مقدمه

جهت حل مسئله ی تعریف شده، باید رفتار گاز در شبکهای انتقال به کمک مدلسازی تجهیزات و المانهای موجود در شبکه تعیین گردد. جمعی از معادلات شامل معادلات جرم، انرژی، مومنتوم و معادلات حالت برای تعیین رفتار گاز در لولهها و تجهیزات، منجر به ایجاد دسته معادلاتی می گردند که می بایست حل شوند. بعد از حل معادلات، فشار، دما و میزان جریان در نقاط مختلف شبکه بدست می آید. در ادامه ی این فصل تعریف المان های موجود در بخش انتقال و معادلات حاکم بر آنها اشاره شده است. در نهایت با کسب شناخت کافی از فیزیک مسئله، مدلسازی و شناسایی یک شبکهی فرضی که مبنای فصل های آتی خواهد بود، بیان گردیده است.

۲- ۷. جمع بندی

اولین مرحله در طراحی و پیادهسازی روشی های مختلف کنترلی داشتن یک مدل دینامیکی مناسب از سیستم واقعی است که بتواند رفتار سیستم را به خوبی توصیف کند. دو مسیر در جهت مدلسازی یک سیستم وجود دارد:

 ۱. روش تحلیلی؛ که مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل معمولی و پارهای در کنار معادلات جبری ماهیت سیستم را به زبان ریاضی بیان می کنند.

 ۲. روش تجربی؛ با استفاده از برازش دادههای گرفته شده از سیستم واقعی بر روی یک مدل مناسب می توان دینامیک سیستم را به خوبی مدل کرد، که به مدل های جعبه سیاه (ورودیخروجی) معروف هستند. واضح است که نتایج حاصله از استراتژی های مختلف کنترلی به دقت مدل وابسته می باشد. در عملی، زمانی که رفتار فیزیکی و الیا شیمیایی سیستم به خوبی قابل فهم است روش اخیر (جعبه سیاه) قابل قبول خواهد بود. از این رو در این تحقیقی نیز از مدلهای ورودی – خروجی جهت توصیف رفتار سیستم مورد نظر استفاده شده است. با توجه به خصوصیات شبکهای انتقال فرضی ساختار مدل شناسایی شده یک مدل چند ورودی – چند خروجی در نظر گرفته شده است. هر یک از درایه های ماتریس تابع تبدیل فرایند، یک تابع تبدیل درجه ی اول به همراه تاخیر انتقالی لحاظ شده است.

2-1-مقدمه 12

2-2-معادلات حاکم بر شبکه ی انتقال گاز 12

2-2-1-روابط حاکم بر خطوط لوله ی انتقال گاز 13

2-2-1-1-معادله ی پایستگی جرم  13

2-2-1-2-معادله ی مومنتم  13

2-2-1-3-معادله ی پایستگی انرژی 14

2-2-1-4-معادله ی حالت 14

2-2-2-مدلسازی تجهیزات اصلی ایستگاه تقویت فشار  15

2-2-2-1-کمپرسور 15

2-2-2-2-منحنی مشخصه ی کمپرسورهای سانتریفیوژ 18

2-3-مفهوم مانده ی گاز 21

2-4-نرم افزار شبیه سازی شبکه ی خطوط انتقال گاز 23

2-5-مدلسازی شبکه ی فرضی 24

2-6-شناسایی مدل برای شبکه ی فرعی 26

2-6-1-ساختار مدل 27

2-6-2-شناسایی فرایند روند منحنی واکنش 28

2-7-جمع بندی 31

انواع ساختار ورودی-خروجی یک سیستم 2×2

انواع ساختار ورودی-خروجی یک سیستم 2×2

فصل سوم:تحلیل میزان تداخل،طراحی پیش-جبرانساز وجبران کننده ی تاخیر

۱-۳. مقدمه

تحلیل و طراحی سیستمهای چند متغیره از اوائل نیمه ی دوم قرن گذشته مورد توجه جدی پژوهشگران در حوزه ی مهندسی کنترل قرار گرفت. از آن زمان تا کنون صدها مقاله و ده ها کتاب در این زمینه چاپ شده است. دلیل رو آوردن گستردهی پژوهشگران به مسئله ی تحلیل سیستمهای چند متغیره، کاربرد فراوان آن در صنعت و نیاز مبرم بسیاری از فرایندها و حلقه های کنترلی واقعی به کنترل چند متغیره است . در بسیاری از موارد استفاده از کنترل چند متغیره یک ضرورت بوده و اجتناب ناپذیر است و در پارهای از موارد با کنترلی چند متغیره میتوان به بهرهوری بهتر و کیفیت بالاتر دست پیدا کرد. مشکل اصلی در سیستمهای چند متغیره تداخل است که به تنزل عملکرد سیستمها و در شرایطی نیز به ناپایداری حلقه بسته منجر میگردد.بسیاری از مهندسان کنترل در صنعت به خوبی به این مسئله رسیده اند که در تنظیم مناسب پارامترهای کنترلی یک حلقه، تغییر دادن یک پارامتر می تواند رفتار چندین متغیر را در سایر حلقه های کنترلی تغییر دهد و گاهی حتی شرایط هشدار را برای سیستم پیش آورد. یکی از دلایل عمده ی این پیشامد همان مسئله ی تداخلی در سیستم های چند متغیره است. از این رو تحلیل و بررسی ابعاد گوناگون سیستم های چند متغیره موضوعی مهم و کاربردی استبا توجه به این که شبکهی انتقال فرضی در نظر گرفته شده معادل با یک سیستم چند ورودی – چند خروجی میباشد. در این فصل در ابتدا نحوه جفت شدن ورودیها و خروجی ها ذکر شده است. در ادامه در جهت ارزیابی هر چه بهتر تداخل در سیستم مورد نظر، تحلیل حلقه باز این سیستم اشاره خواهد شد. چگونگی طراحی پیش – جبران سازهای استاتیکی و دینامیکی به روشهای مختلف جهت کاهش میزان تداخلی در سیستم بیان شده است. در پایان این فصلی، برای کاهش اثرات تاخیر (زمان مرده) چگونگی طراحی پیش بینی کننده ی اسمیت” برای سیستمهای چند ورودی – چند خروجی اشاره شده است.

۳- ۶. جمع بندی

در این فصلی مفهوم تداخل در سیستمهای چند متغیره و راه کارهای مناسب در جهت کاهش آن از جمله روش آرایهی بهره نسبی برای انتخاب ورودیها و خروجی ها به طور کامل اشاره شد. از دو معیار آرایه ی نایکوئیست و مقدار ویژه ی پرون فروبنیوس برای تحلیل میزان تداخل سیستم کمک گرقته شد. با توجه به این که در سیستمهای با تداخلی زیاد می توان از المان های دینامیکی تحت عنوان پیش – جبران ساز استفاده کرد، روشهای مختلف طراحی پیش – جبران سازها اشاره گردید. در حالت کلی می توان گفت، انتخاب یک جداکننده ی دینامیکی مناسب می تواند سیستم را در بازه ی وسیع تری از فرکانس ها نسبت به جداکنندههای استاتیکی، مسلط قطری سازد. لذا در این فصل یک پیش – جبران ساز دینامیکی بهینه که به روش مبتنی بر بهینه سازی طراحی شده و در جهت کاهش میزان تداخلی در سیستم به کار گرفته شد. در انتهای این فصلی نیز با ارائه ی یک سری قواعد چگونگی تعمیم ویژگیهای پیش بینی کنندهی اسمیت برای سیستم های چند متغیره و طراحی یک جبران کننده ی چند تاخیره بیان کردید.

3-1-مقدمه 33

3-2-انتخاب ورودی وخروجی 34

3-3-تحلیل میزان تداخل 36

3-3-1-آرایه ی نایکوئیست 37

3-3-2-مقدار ویژه ی پرون فروبنیوس 38

3-4-طراحی پیش-جبران ساز 39

3-4-1-پیش-جبرانساز استاتیکی 41

3-4-2-پیش-جبرانساز دینامیکی 42

3-4-2-1-فرمولاسیون روش برنامه ریزی درجه ی دو برای طراحی پیش-جبران ساز دینامیکی 43

3-5-جبران میزان تاخیر 45

3-5-1-طراحی جبران کننده ی چند تاخیره   46

3-6-جمع بندی 50

ساختار اصلی کنترل پیش بین

ساختار اصلی کنترل پیش بین

فصل چهارم:ساختار وطراحی کنترل کننده

۱-۴. مقدمه

کنترل چند متغیره شاخهای از مهندسی کنترل می باشد که به بررسی و کنترل سیستمهایی می پردازد که بیش از یک متغیر ورودی و خروجی دارند. روش های به کار رفته برای تحلیل و کنترل این سیستمها تعمیمی از روش های موجود در کنترل خطی و کنترل مدرن می باشند. ساختارهای مختلفی برای کنترل سیستم های چند ورودی و چند خروجی در مراجع موجود است. در یک نگاه کلی می توان کنترل سیستمهای چند متغیره را به دو گروه زیر تقسیم بندی کرد

۱. کنترل متمرکز

۲. کنترل غیرمتمرکز.

در طراحی های متمرکز سعی بر آن است که با در نظر گرفتن تداخل در سیستم، از تمامی درایه های موجود در ماتریسی تابع تبدیل کنترل کننده استفاده شود. در واقع ماتریسی کنترل کننده در این طراحی غیرقطری است. در حالی که در روش غیرمتمرکز، حلقه های کنترلی جدا از هم هستند و ارتباطی با هم ندارند. به بیان دیگر ماتریس کنترل کننده در این حالت قطری است.به بیان دیگر در روش کنترل متمرکز، یک کنترل کننده ی مرکزی تمام متغیرهای سیستم را کنترل کرده و به همین دلیل از پیچیدگی زیادی برخوردار می باشد. در روش کنترل غیرمتمرکز از چندین کنترل کننده مجزا برای کنترل متغیرهای سیستم استفاده میگردد. هر یک از این دو دسته دارای مزایا و معایبی هستند. مزایای اصلی طراحی های غیرمتمرکز سادگی طراحی و پیادهسازی، تعمیر و نگهداری آسان، مقاومت نسبتا مناسب و هزینههای کم است. از طرف دیگر سیستمهای کنترل متمرکز معمولا پیچیده هستند، طراحی، پیادهسازی، تعمیر و نگهداری آنها نیز دشوار است. لیکن عملکرد حلقه بسته ی سیستمهای متمرکز بهتر از غیرمتمرکز خواهد بود.

۲-۴. کنترل متمرکز

در سه دهه ی اخیر، توسعه ی مدلسازی به همراه ارائه ی الگوریتم های پیشرفته ی بهینه سازی منجر به ایجاد روش های جدیدی برای طراحی کنترل کنندهی بهینه ی متمرکز شده است.در جهت طراحی و پیادهسازی روش کنترلی متمرکز در این تحقیق از کنترل مدل پیش بین استفاده گردید. واژه ی کنترل پیش بین نشان دهنده ی تنها یک استراتژی کنترلی نیست بلکه تمامی روشهایی را که به کمک مدل فرایند و کمینه کردن یک تابع هدف به محاسبه ی سیگنال ورودی می پردازد، اشاره دارد. در حال حاضر این کنترل کنندهها در مقایسه با کنترل کننده های دیگر، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارند و استفاده از آنها به صورت قابل توجهی در حال افزایش است. همچنین انواع مختلف این کنترل کنندهها توسط شرکتهای بزرگ ساخته شده و به صورت یک بلوک کنترلی در صنایع گوناگون به کار میرود. تا سال ۲۰۰۵ حدود ۶۰۰۰ مورد از کاربرد این کنترل کنندهها در سراسر جهان گزارش شده است  این استقبال سرد به این دلیل است که این سیستمهای کنترلی پیچیده و نیازمند سرمایهگذاری اولیه و بودجه ی نگهداری بیشتر و همچنین تخصصی فردی، برای عملیات روزانه هستند.

۴- ۱-۲. ساختار کنترل پیش بین

کنترل پیش بین از جمله کنترلرهای پیشرفته محسوب می شود. روند طی شده به این شکل است که در هر لحظه بر مبنای یک افق پیش بین مسیر آینده ی سیستم پیش بینی می شود شکل(۴-۱). بر اساس این افق و حل یک مساله ی بهینهسازی در طول افق کنترلی” بردار قانون کنترلی به نحوی تعیین می شود که فاصله تا مقدار مقرر به کمترین مقدار خود برسد. به دلیل وجود اغتشاشات و خطای مدلسازی در سیستم همواره اولین عنصر محاسبه شده ورودی به سیستم اعمال و در مرحله ی بعدی دوباره همه ی محاسبات تکرار می گردد. یکی از بزرگترین محاسن این نوع کنترلر این است که قیود حاکم بر سیستم را نیز در هنگام بهینه سازی در نظر می گیرد و در هر مرحله بهترین دستور کنترلی را با در نظر گرفتن قیود میدهد.تفاوت استراتژی های مختلف کنترل پیش بین را میتوان در نوع مدل مورد استفاده برای پیش بینی پاسخ فرایند و در تابع هزینه ای که کمینه میگردد، دانست. مزایای کنترل پیش بین را میتوان چنین بیان کرد که منطقی کنترل پیش بین ساده و شهودی می باشد و فهیم روشی کنترلی نیازمند دانش کنترلی زیادی نیست. پروسههای چند متغیره مانند همتای تک ورودی – تک خروجی خود تحت کنترل قرار میگیرند. در مواقعی که پاسخ مطلوب از قبل معلوم است قابلیت استفاده از آن در کنترل پیش بین وجود دارد.همانطور که در شکل(۴-۲) دیده می شود در پیادهسازی کنترلر پیش بین دو جزء اصلی مدل و بهینه گر نقش اصلی را بر عهده دارند. مدل فرایند باید قادر باشد حتی الامکان دینامیک کامل فرایند را در بر گیرد تا بتواند خروجی فرایند را با دقت قابل قبولی پیش بینی کند و همچنین به اندازه ی کافی ساده و قابل فهم، تا به راحتی قابل پیادهسازی باشد. از آنجا که کنترلر پیش بین یک شیوهی واحد نیست،می توان از مدل های مختلفی در فرمولاسیون آن استفاده کرد

4-1-مقدمه 52

4-2-کنترل مرکز 53

4-2-1-ساختا کنترل پیش بین 54

4-2-2-پیش بینی رفتار سیستم 55

4-2-3-بهینه سازی دینامیکی 57

4-3-کنترل غیر متمرکز 58

4-4-ساختار کنترل کننده تناسبی-انتگرالی    60

4-4-1-طراحی کنترل کننده های چند متغیره به روش حلقه بستن ترتیبی 62

4-4-2-طراحی ماتریس های پیش-جبرانساز  64

4-5-جمع بندی 65

شمایی کلی از تولید تا مصرف گاز طبیعی

شمایی کلی از تولید تا مصرف گاز طبیعی

فصل پنجم:نتایج

۱-۵. شبیه سازی مطالعه موردی

یکی از مشکلات عمده ی انتقال گاز، کمبود آن در مواقع اوج مصرف و قطع گاز انشعابات دورتر از محل تزریق آن می باشد. در این پروژه همانطور که اشاره گردید چند استراتژی کنترلی برای غلبه بر این امر پیشنهاد شده و از طریق شبیه سازی کامپیوتری مورد ارزیابی قرار گرفته است. سناریوهای پیشنهادی بر روی یک شبکهی فرضی بررسی شده است. از نرم افزار 2006.5 ASpen HYSYS جهت مدلسازی و شبیه سازی این شبکهی فرضی استفاده شده است. به علت کار در محیط دینامیک، شبیه سازی در زیر مجموعه Pipe GaS این نرم افزار صورت گرفته است. شمای کلی شبکه ی فرضی در شکل (۵-۱) ارائه شده است.

۵-۵. پیادهسازی استراتژی های مختلف کنترلی

همان طور که در فصل چهار ذکر شد، در یک دسته بندی کلی دو نوع کنترلر متمرکز و غیرمتمرکز طراحی و پیاده سازی شده است. کنترل پیش بین و کنترل تناسبی – انتگرالی به ترتیب به عنوان کنترلر متمرکز و غیرمتمرکز در نظر گرقته شدهاند. در ادامه چگونگی طراحی هر یک از این کنترلرها و نتایج بدست آمده، آورده شده است.جهت طراحی و پیاده سازی کنترلرها برای سیستم مورد مطالعه به دو نحو عمل شده است. در مرحله ی اول با توجه به قابلیت نرم افزار ASpen HYSYS در پیادهسازی کنترلرهای پیشرفته و کلاسیک، این استراتژیها در این نرم افزار طراحی و پیادهسازی گردید. در مرحله ی بعد با داشتن مدل شناسایی شده از فرایند واقعی، کلیه ی محاسبات، طراحی و پیادهسازی در داخلی نرمافزار Mat Lab صورت پذیرفت. پیش – جبران سازهای طراحی شده و جبران کننده ی چند تاخیره نیز در این مرحله جهت کاهش میزان تداخل و بهبود عملکرد مدار بسته ی سیستم مورد استفاده قرار گرفتند. قابل بیان است که در کلیه ی استراتژی های پیاده سازی شده، میزان تغییرات مقدار مقرر و اغتشاش برای هر یک از حلقه های کنترلی برابر با ۱۰ درصد از مقدار پایای هر کدام میباشد.

5-1-شبیه سازی مطالعه موردی 67

5-1-1-شبیه سازی درحالت پایا 68

5-1-1-1-شبیه سازی خطوط لوله 69

5-1-1-2-شبیه سازی کمپرسور 70

5-1-2-شبیه سازی درحالت پویا 70

5-2-شناسایی فرایند 71

5-3-تحلیل میزان تداخل سیستم وطراحی جداکننده     74

5-4-طراحی جبران کننده ی چند تاخیره 80

5-5-پیاده سازی استراتژی های مختلف کنترلی 81

5-5-1-طراحی کنترلر 82

5-5-1-1-محیط نرم افزاری شبیه سازیHysysا   82

5-5-1-2-محیط نرم افزاری Matlabا  83

5-6-نتایج پیاده سازی کنترلر   85

5-6-1-محیط نرم افزارهای شبیه سازی HYSYSا     85

5-6-2-کنترل درمحیط Matlabا  90

5-7-جمع بندی 98

متغیرهای تاثیرگذار دریک فرایند

متغیرهای تاثیرگذار دریک فرایند

فصل ششم:جمع بندی وپیشنهادات

۱-۶. جمع بندی

مسئلهی کنترل خطوط لولهای انتقال گاز با فشار بالا، تحت شرایط گذرا، شامل کمینه کردن انرژی مصرفی ایستگاههای تقویت فشار با توجه به میزان مصرف گاز طبیعی در مبادی مصرف و تامین حداقل فشار مورد نیاز مصرف کننده است. لذا سعی این مطالعه و تحقیق، تحقق هدف فوق بوده است. برای این منظور از نقطه نظر عملی، سیستمهای خطوط انتقال گاز مشابه تمامی فرایندهای دیگر فرض شد به طوری که با در نظر گرفتن یک شبکهی انتقال گاز طبیعی فرضی، سناریوهای مختلف کنترلی، طراحی و پیادهسازی گردید. در این مطالعه با در نظر گرفتن شبکهی فرضی مدلسازی شده در نرم افزار ASpen HYSYS به عنوان سیستم واقعی، برای آن یک مدل شناسایی گردید. ساختار مدل شناسایی شده با توجه به ماهیت شبکه، به فرم ماتریس تابع تبدیل است. هر یک از درایه های آن یک تابع تبدیل درجه ی اول همراه با تاخیر انتقالی در نظر گرفته شد. دو سناریو کنترلی متمرکز و غیرمتمرکز برای رسیدن به اهداف کنترلی در نظر گرفته شد. کنترلر مدل پیش بین و تناسبی – انتگرالی به ترتیب به عنوان کنترلر متمرکز و غیرمتمرکز انتخاب شده اند. این تژی های کنترلی در هر دو محیط نرم افزاری HySyS و MatLab طراحی و پیادهسازی و مورد مقایسه قرار گرفتند. با توجه به اینکه سیستم مورد نظر دارای تداخل و تاخیر قابل توجهی است. لذا در ابتدا به کمک دو شاخص آرایه ی نایکوئیست و مقدار ویژهی پرون فروبنیوس میزان تداخل موجود در سیستم مورد بررسی قرار گرفت. سپس به منظور کاهش تداخل در سیستم، پیش – جبران سازهای استاتیکی و دینامیکی به روشهای مختلفی طراحی و پیاده سازی گردید. عملکرد هر یک از پیش – جبران سازهای طراحی شده در مسلط قطری کردن سیستم مورد مقایسه قرار گرفت. در نهایت به دو علت عملکرد بهتر و درجه ی دینامیکی پایین تر از پیش – جبران ساز دینامیکی طراحی شده مبتنی بر روش بهینه سازی به منظور مسلط قطری کردن سیستم استفاده گردید. به منظور حذف اثرات تاخیر موجود در سیستم و بهبود عملکرد مدار بسته، پیشبینی کنندهی سمیت برای یک سیستم چند متغیره تعمیم داده شد. این جبران کننده ی چند تاخیره در کنار کنترلر غیرمتمرکز تناسبی – انتگرالی (PFFGMDC) پیادهسازی گردید. با اعمال پیشی – جبران ساز دینامیکی بر سیستم و پیاده سازی ساختار پیش بینی کنندهی اسمیت چند متغیره، کنترلر غیرمتمرکز برای سه حالت PHDC ،PI و PH GMDC پیادهسازی گردید. عملکرد کنترلرهای غیرمتمرکز PHDC و PIGMDC به دلیل کاهش اثرات درایههای غیرقطری و حذف تاخیر در معادله ی مشخصه ی مدار بسته ی سیستم، در مقایسه با کنترلر PI بهبود قابل توجهی پیدا کردهاند. همچنین با مقایسه ی جامعی بین هر چهار کنترلر PI+GMDC ،PIFDC ،PI و M PC دیده می شود که عملکرد کنترلرهای غیرمتمرکز با اضافه شدن پیش – جبران ساز و جبران کننده ی تاخیر به کنترلر مدل پیش بین نزدیک شدهاند

6-1-جمع بندی     101

6-2-پیشنهادات  103

پیوست1.ماتریس تابع تبدیل جدا کننده دینامیکی    104

منحنی تغییرات هد برحسب دبی عبوری از کمپرسور سانتریفیوژ در سرعت ثابت

منحنی تغییرات هد برحسب دبی عبوری از کمپرسور سانتریفیوژ در سرعت ثابت

فهرست جدول ها

جدول (۲-۱) مقادیر ثابت های موجود در روابط به کار رفته در مدلسازی کمپرسور     18

جدول (۵-۱) مقادیر پایای متغیرها و پارامترهای شبکهی انتقال گاز فرضی    69

جدول (۵-۲) پارامترهای توابع تبدیل بین ورودیها و خروجی های سیستم    72

جدول (۵-۳) قوانین تعیین پارامترهای کنترلرهای PID برای فرایندهای درجه اول همراه با تاخیر انتقالی  82

جدول (۵-۴) مقدار پارامترهای تنظیم شده حلقههای کنترلی تناسبی – انتگرالی در نرمافزار HYSYS ا 83

جدول (۵-۵) مقدار پارامترهای تنظیم شده حلقه های کنترلی تناسبی – انتگرالی در نرم افزار MATLAB ا   85

جدول(۵-۶) مقایسه ی عملکرد کنترلرهای طراحی شده برای خروجی اول (تعقیب مقدار مقرر و دفع اغتشاش)     95

جدول (۵-۷) مقایسه ی عملکرد کنترلرهای طراحی شده برای خروجی دوم ( تعقیب مقدار مقرر و دفع اغتشاش )   95

جدول (۵-۸) مقایسهی عملکرد کنترلرهای طراحی شده برای خروجی سوم ( تعقیب مقدار مقرر و دفع اغتشاش)     95

جدول (۵-۹) مقایسه ی جامع از عملکرد کنترلرهای طراحی شده در حالت تعقیب مقدار مقرر و و دفع اغتشاش)       96

جدول (۵-۱۰) مقایسه ی جامع از عملکرد کنترلرهای طراحی شده در حالت تحریک همزمان سه مقدار مقرر      98

منحنی مشخصه ی یک کمپرسور سانتریفیوژ

منحنی مشخصه ی یک کمپرسور سانتریفیوژ

فهرست شکلها

شکل(۱-۱) شمایی کلی از تولید تا مصرف گاز طبیعی   4

شکل(۱-۲) سیستم انتقال گاز طبیعی    6

شکل (۲-۱) المانی از یک خط لوله   13

شکل (۲-۲) منحنی تغییرات هد بر حسب دبی عبوری از کمپرسور سانتریفوژ در سرعت ثابت      19

شکل (۲-۳) منحنی مشخصهی یک کمپرسور سانتریفوژ      20

شکل (۲-۴) نمایی کلی از شبکهی انتقال گاز فرضی (مطالعه موردی)      24

شکل (۲-۵) متغیرهای تاثیرگذار در یک فرایند 26

شکل (۲-۶) انواع ساختار ورودی – خروجی یک سیستم ۲ × ۲        30

شکل (۳-۱) ساختار جبران کنندهی چند تاخیره     47

شکل(۴-۱) استراتژی کنترل پیش بین     55

شکل(۴-۲) ساختار اصلی کنترل پیش بین       55

شکل(۴-۳) پاسخ مستقل و اجباری سیستم     57

شکل (۴-۴) تاثیر پارامتر آلفا بر روی رفتار مسیر مرجع      58

شکل(۴-۵) کنترل غیرمتمرکز سیستم های چند متغیره     63

شکل(۴-۶) روش حلقه بستن ترتیبی در طراحی کنترلی چند متغیره       63

شکل(۴-۷) استفاده از پیش – جبرانساز برای حل دشواری کنترل  67

شکل (۵-۱) شمای کلی از شبکهی انتقال گاز فرضی    68

شکل(۵-۲) مقایسه ی رفتار خروجی های سیستم واقعی و مدل با اعمال یک تحریک پله ای برای ورودی اول    73

شکل(۵-۳) مقایسه ی رفتار خروجی های سیستم واقعی و مدل با اعمال یک تحریک پلهای برای ورودی دوم     73

شکل(۵-۴) مقایسهی رفتار خروجی های سیستم واقعی و مدل با اعمال یک تحریک پلهای برای ورودی سوم  73

شکل (۵-۵) آرایه ی نایکوئیست مدار باز سیستم   75

شکل (۵-۶) منحنی تPFE مدار باز سیستم،   76

شکل (۵-۷) منحنی نPFE برای سیستم سری شده با پیش – جبران ساز استاتیکی   78

شکل(۵-۸) منحنی PFE برای سیستم سری شده با پیش – جبران ساز دینامیکی مبتنی بر تخمین معکوس سیستم   78

شکل(۵-۹) منحنی PFE برای سیستم سری شده با پیشی – جبران ساز استاتیکی مبتنی بر بهینه سازی      79

شکل(۵-۱۰) منحنی PFE برای سیستم سری شده با پیشی – جبران ساز دینامیکی مبتنی بر بهینه سازی       79

شکل (۵-۱۱) مقایسهی عملکرد کنترلرهای M PC و PI در حالت تعقیب مقدار مقرر (در محیط HYSYS)   86

شکل(۵-۱۳) مقایسهی عملکرد کنترلر MPC و PI در حالت دفع اغتشاش (در محیط HYSYS)      87

شکل(۵-۱۴) مقایسه ی سیگنال ورودی کنترلر MPC و PI در حالت دفع اغتشاش (در محیط HYSYS)    88

شکل(۵-۱۵) میزان مقاومت کنترلر MPC نسبت به تغییرات پارامترهای مدل      88

شکل(۵-۱۶) مقایسهی عملکرد کنترلر تناسبی – انتگرالی در محیط نرم افزاری MATLAB و HYSYS ا        90

شکل (۵-۱۷) مقایسهی عملکرد مدار بسته ی پیش – جبران سازهای طراحی شده    91

شکل(۵-۱۸) مقایسهی عملکرد مدار بسته کنترلرهای پیادهسازی شده در حالت تعقیب مقدار مقرر    91

شکل(۵-۱۹) مقایسه ی سیگنال کنترلی برای کنترلرهای پیادهسازی شده در حالت تعقیب مقدار مقرر    91

شکل (۵-۲۰) مقایسه ی عملکرد مدار بسته کنترلرهای پیادهسازی شده در حالت دفع اغتشاش    92

شکل (۵-۲۱) مقایسه ی سیگنال کنترلی برای کنترلرهای پیادهسازی شده در حالت دفع اغتشاش    93

شکل(۵-۲۲) میزان مقاومت کنترلر MPC نسبت به تغییرات پارامترهای مدل در حالت تعقیب مقدار مقرر    93

شکل (۵-۲۳) میزان مقاومت کنترلر PH+GMDC نسبت به تغییرات پارامترهای مدل در حالت تعقیب مقدار مقرر      94

شکل (۵-۲۴) مقایسه ی عملکرد مدار بسته ی کنترلرهای پیادهسازی شده در حالت تحریک همزمان هر سه مقدار مقرر      97

شکل (۵-۲۵) مقایسه ی سیگنال کنترلی برای کنترلرهای پیادهسازی شده در حالت تحریک همزمان هر سه مقدار مقرر    97


Abstract

Sudden pressure drop and then the gas shortage in city gas stations is one of the most important problems in high-pressure natural gas transmission networks. On the other hand, power consumption of compressors imposes a lot of cost on compressor stations. The conventional Schemes to navigate the compressor stations are traditional methods based on experiment and trial and error which cause energy waste and violation of the optimal operating conditions. In this research, two manners of centralized- and decentralized- control are employed in order to navigate compressor stations in specified operating conditions regarding the operational and practical constraints. In this purpose, a sample gas pipeline network is simulated in a commercial software environment as the actual system under study. A linear model is identified based on the data achieved from the actual model. The model obtained is a multivariable system of first order plus dead time transfer functions (FOPD). Regulatory Pl controllers and MPC controllers as decentralized and centralized controllers are designed and utilized. The primary results show a high interaction in the plant and then the bad performance of the PI loops in compare to the MPC controller. Hence the interactions of the plant model are reduced using decomposition techniques based on Nyquist Stability Array and PerronFrobenius interaction assessment, Both static and dynamic compensators are implemented. The mentioned control manners are also applied to control the decoupled model of plant. The results illustrate the better performance of the controllers in the presence of either static or dynamic compensator. However the MPC controller has better performance in comparison to the PI with and without decoupling, which means the better control and the less power consumption. Finally, the Smith predictor extended for MIMO systems and again implemented decentralized controller. The results illustrate the better performance if there is an exact model of the process,

Key Words: Pipeline; Compressor Station; Centralized Control; Model Predictive Control; Interaction; Decupler


تعداد صفحات فایل : 112

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