Προβλεπτικός έλεγχος σε αντιδραστήρα αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό για παραγωγή υδρογόνου
Creators: name: Κυριακίδης, Αλέξιος-Σπυρίδων Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Προβλεπτικός έλεγχος
Αναμόρφωση μεθανίου με ατμό
Παραγωγή υδρογόνου
Predictive control
Methane steam reforming
Hydrogen production

description: Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η εφαρμογή ενός βέλτιστου προβλεπτικού ελεγκτή για τον έλεγχο αντιδραστήρα αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό.Αρχικά, παρουσιάζεται η διεργασία της αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό για την παραγωγή υδρογόνου. Στη συνέχεια αναπτύσσεται ένα μαθηματικό πρότυπο για την περιγραφή των φυσικοχημικών φαινομένων που συμβαίνουν στον αντιδραστήρα για την προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του. Το μαθηματικό αυτό πρότυπο αποτελείται από τις μερικές διαφορικές εξισώσεις στο χρόνο και σε μια χωρική διάσταση που περιγράφουν τα ισοζύγια μάζας για τα πέντε συστατικά (μεθάνιο, ατμός, υδρογόνο, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα) που παίρνουν μέρος στην αντίδραση. Οι εξισώσεις διακριτοποιούνται στο χώρο με την χρήση «προς τα πίσω» πεπερασμένων διαφορών. Έπειτα, προσδιορίστηκε το πρόβλημα ελέγχου με την επιλογή κατάλληλων χειραγωγούμενων και ρυθμιζόμενων μεταβλητών, την ανάπτυξη της αντικειμενικής συνάρτησης κόστους και την κατάστρωση των περιορισμών. Εφαρμόζεται ο αλγόριθμος βέλτιστου προβλεπτικού ελεγκτή υπό περιορισμούς στις χειραγωγούμενες μεταβλητές που χρησιμοποιεί ένα γραμμικοποιημένο πρότυπο του συστήματος στην περιοχή του σημείου λειτουργίας. Τα προσομοιωμένα παραδείγματα εφαρμογής του ελεγκτή στο μη γραμμικό σύστημα, στο περιβάλλον αριθμητικής υπολογιστικής MATLAB, επιβεβαιώνουν την ικανότητα του ελεγκτή να επιτυγχάνει την επιθυμητή δυναμική συμπεριφορά τόσο σε αλλαγές στο σημείο αναφοράς όσο και στην αντιστάθμιση διαταραχών.
description: The subject of the present diploma thesis is the design and application of an optimal model predictive controller for the control of a plug flow reactor where methane steam reforming takes place.Firstly, a brief overview of methane steam reforming for hydrogen production takes place. Subsequently, we developed a mathematical model which can describe the physicochemical phenomena occurring in the reactor and in order to simulate its dynamic behavior. The mathematical model consists of the partial differential equations in time and spatial dimensions. The PDEs describe the mass balances of chemical species that are involved in the reaction (methane, steam hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide). Equations were discretized in spatial direction using a backward finite differencing scheme. Afterwards, we defined the control problem to be solved by appropriately selecting the manipulated and controlled variables, by developing the objective function and by selecting the constrains to be imposed in the solution of the optimization problem. The applied algorithm of optimal model predictive control, with constrains enforced at the manipulated variables, employs a linearized mathematical model (around a known system’s operating point). The case study of the applied controller in the non-linear system confirms the controller ability to achieve the desired dynamic behavior both in the case of desired reference point change and disturbance compensation.