Αξιολόγηση συστημάτων αυτόματου ελέγχου βάσει κριτηρίων απόκρισης και βέλτιστης απόδοσης:
Creators: name: Κακαμπέγκας, Ακριβός Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: αυτόματος έλεγχος, αξιολόγηση ρυθμιστή
Cohen-Coon, Ziegler-Nichols, Tyreus-Luyben, δοκιμή και σφάλμα
δείκτης ελάχιστης μεταβλητότητας, δυναμικά κριτήρια, στοχαστικά κριτήρια
controller, performance assessment, PID-control
Cohen-Coon, Ziegler-Nichols, Tyreus-Luyben, trial and error
minimum variance index, dynamic response criteria, stochastic criteria

description: Η βασική ιδέα στην οποία στηρίχθηκε η διπλωματική εργασία είναι η βελτίωση της ρύθμισης ενός πραγματικού ελεγκτή (σύστημα αυτομάτου ελέγχου) μιας χημικής διεργασίας. Η εργασία εκπονήθηκε τόσο σε θεωρητικό (ανάλυση φυσικού συστήματος, μαθηματική απεικόνιση, γραμμικοποίηση, προσδιορισμός συναρτήσεως μεταφοράς, προσομοίωση συστήματος ανοιχτού και κλειστού βρόχου) όσο και σε πειραματικό (σχεδιασμός ρυθμιστή και εφαρμογή στο σύστημα ρύθμισης σε πιλοτική μονάδα) επίπεδο. Ο συνδυασμός της θεωρητικής και της πειραματικής προσέγγισης επέτρεψε την βαθιά κατανόηση της αρχής σχεδιασμού βέλτιστων ρυθμιστικών συστημάτων καθώς και των πραγματικών προβλημάτων σχεδιασμού ρυθμιστών στη βιομηχανία. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική αναφορά και εισαγωγή στις χημικές διεργασίες που υπάρχουν στη βιομηχανία. Αναφέρονται κάποιες προϋποθέσεις που θα πρέπει να τηρούνται και πως μέσα από αυτές γεννιέται η ανάγκη να υπάρχει συνεχής έλεγχος και ρύθμιση σε όλα σχεδόν τα υποσυστήματα μιας ολοκληρωμένης εγκατάστασης. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά και επεξήγηση στη μοντελοποίηση διεργασιών. Γίνεται η περιγραφή του συστήματος που μελετήθηκε (σύστημα ελέγχου στάθμης μιας δεξαμενής νερού), η μοντελοποίηση του και η εξαγωγή της συνάρτησης μεταφοράς που το χαρακτηρίζει. Στη συνέχεια έγινε η προσομοίωση του συστήματος της δεξαμενής στο εργαλείο SIMULINK του προγράμματος MATLAB, αρχικά χωρίς ανάδραση και έπειτα με την εισαγωγή ανάδρασης. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στον αυτόματο έλεγχο διεργασιών και αναλύεται θεωρητικά η έννοια της ανάδρασης. Παρατίθενται οι βασικοί τύποι ρυθμιστών και οι συνδυασμοί που υπάρχουν ενώ γίνεται αναφορά στη λειτουργία, τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα του καθενός. Στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει και μια αναφορά στα κριτήρια απόδοσης των ρυθμιστών έτσι ώστε να είμαστε σε θέση να αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα που θα προκύψουν. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η ρύθμιση της στάθμης της δεξαμενής που έγινε σε θεωρητικό επίπεδο (στο μοντέλο του SIMULINK που έχει σχεδιαστεί) εφαρμόζοντας πέντε διαφορετικές μεθόδους ρύθμισης και σχολιάζοντας τα αποτελέσματα που προκύπτουν κάθε φορά. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μια δυναμική αξιολόγηση των ρυθμιστών που έχουν χρησιμοποιηθεί, βάσει κάποιων συγκεκριμένων κριτηρίων. Υπάρχει σύγκριση των μεθόδων μεταξύ τους και προσπάθεια επιλογής των βέλτιστων. Στο επόμενο, έκτο, κεφάλαιο γίνεται πάλι μια αξιολόγηση των ρυθμιστών βάσει όμως ενός δείκτη (Δείκτης ελαχίστου μεταβλητότητας - ξ) που εκφράζει έναν ιδανικό (αλλά μη πραγματοποιήσιμο) ρυθμιστή. Υπάρχει και εδώ προσπάθεια εύρεσης του βέλτιστου ρυθμιστή σύμφωνα με το δείκτη ξ που προκύπτει σε κάθε περίπτωση. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πειραματικό μέρος της εργασίας. Αρχικά γίνεται αναφορά στην πιλοτική μονάδα VB01 στην οποία έγιναν τα πειράματά μας. Σε μια συσκευή (διαχωριστής) που πρέπει να ρυθμίζεται η στάθμη του παραγόμενου υγρού εφαρμόστηκαν στην πράξη κάποιες από τις μεθόδους (Trial &amp; Error και Cohen – Coon) που μελετήθηκαν θεωρητικά προηγουμένως. Έτσι μας δίνεται η ευκαιρία να διαπιστώσουμε τις διαφορές που υπάρχουν στα αποτελέσματα από την εφαρμογή των ρυθμιστών σε ένα θεωρητικό μοντέλο στο SIMULINK και σε ένα πραγματικό σύστημα. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο, γίνεται μια σύνοψη της διπλωματικής και αναφορά σε κάποια χρήσιμα συμπεράσματα. Επίσης γίνεται μια αναφορά στο πως θα μπορούσε να συνεχιστεί η μελέτη αυτή στα πλαίσια μιας άλλης διπλωματικής εργασίας, ή μιας δημοσίευσης σε κάποιο επιστημονικό περιοδικό ή ακόμη και στα πλαίσια μιας διδακτορικής διατριβής.
description: Αγγλική Περίληψη The main premise of this Master Thesis is the improvement of a real controller of a chemical process. The Thesis was conducted both in a theoretical (analysis of the prototype system, mathematical modeling, linearization, open- and closed-loop system simulation) and in an experimental level (controller design and test in a pilot plant). The combination of the theoretical and the experimental approaches enabled deep understanding of the main principles of designing and tuning controlled systems, as well as the problems that can occur in an industrial environment. The Master Thesis is outlined below. In the first chapter, an introduction to the chemical processes that we can find in an industry is provided. Some specifications that must be met are described, together with the need to have continuous control in all the subsystems of an integrated plant. In the second chapter, the principles of process modelling are presented. Moreover, the chapter includes a description of the system that was studied (level control system of a water tank), the underlying mathematical modelling leading to the corresponding process transfer function. In addition to the above, the simulation of the system in MATLAB’s SIMULINK tool, both open- and closed-loop, is presented. The explanation of automated process control and the theoretical analysis of feedback control are specified in the third chapter. The basic types of control systems are presented and their combinations, as well as the operations and pros and cons of each type. At the end of the chapter there is reference to the controller performance criteria in order to be able to evaluate them according to the upcoming results. In the fourth chapter, the tank level control is defined in a theoretical level using five different tuning methods, including the comments from the performance of each one. The fifth chapter presents the dynamic evaluation of the controllers used in the previous chapter, according to certain time-domain performance criteria. A comparison of the controllers and an attempt to identify the optimal ones is also provided. The evaluation of the controllers based on an assessment index (Minimum Variance Index or MVI, ξ) which denotes an ideal but theoretical (not feasibly in practice) controller, is done in chapter six. Furthermore, a comparison of the results and an effort to locate the best of our controllers is also presented. In the seventh chapter, the experimental part of the Thesis is described. Initially, the pilot plant VB01 where the experiments were conducted is presented. On the separator subsystem, where the level of the produced liquid must be regulated, some control methods (Trial &amp; Error and Cohen-Coon) that were studied theoretically in previous chapters were applied in practice. As a result, we have the opportunity to note the differences between a theoretical model in SIMULINK with a real system. Finally, in the last chapter, a summary of the Thesis is outlined, including some useful conclusions. Moreover, some suggestions are given on how this work could be continued via another Master Thesis, a publication or a PhD.