Dolgulu damıtma kolonuna optimum adaptif genelleştirilmiş prediktif kontrolünün uygulanması
Application of optimal adaptive generalized predictive control of a packed distillation column
Yazar: SÜLEYMAN KARACAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ALPBAZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1997
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Damıtma kolonları = Distillation columns ; Denetim sistemleri = Control systems ; Genelleştirilmiş öngörülü denetim = Generalized predictive control

Özet:
Bu çalışmada iki bileşenli karışımın damıtıldığı pilot ölçekli bir dolgulu kolonun yatışkm-hal, dinamik davranışı ve kontrol özellikleri incelenmiştir. Çalışmalar deneysel ve teorik olarak gerçekleştirilmiştir. Damıtma kolonunun yatışkın ve dinamik bal davranışları kademeli yaklaşım, iki film piston akış ve geri karıştırmak modellerin kullanımı ile simülaysonlan yapılmıştır. İlk iki modelde (Model I ve Model E) dolgulu damıtma kolonu kademeli kolon gibi göz önüne alınmıştır. Üçüncü model (Model IH) ise kısmi türevli diferansiyel denklemlerden oluşmaktadır. Bu modelin çözümü sonlu elementler üzerine ortogonal kolokasyonun kullanılması ile elde edilmiştir. Sonlu element yöntemindeki Jacobi, Legendre veya Hermite polinomlannm kullanımı birbirleri ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Giriş değişkenlerine verilen kademe etkiler altoda, çıkış değişkenleri olan üst ürün sıcaklık ve derişiminin zamanla değişimi gözlenmiştir. Yatışkm-hal ve dinamik sonuçlar deneysel verilerle karşılaştınlmıştır ve tüm deneysel verilerle en iyi uyumlu sonuçlar Model IE' den elde edilmiştir. Dolgulu damıtma kolonunun optimal işletim şartlan araştırılmıştır ve sistemin yatışkm- hal şartı için üst ürün sıcaklığına giriş değişkenlerinin etkileri "Deneysel Tasarım" tekmğinin kullanımı ile çalışılmıştır. Prosesin optimal işletim şartlan Box-Wilson optimizasyon metodunun kullanımı ile elde edilmiştir.Dolgulu damıtma kolonunun kontrolü için üç tip kontrol algoritması kullanılmıştır, bunlar geleneksel PID, Genelleştirilmiş Prediktif ve Decoupling kontrol sistemleridir. Deneysel ve teorik kontrol çalışmaları için tek ve iki değişkenli sıcaklık kontrolü yapılmıştır. Sisteme bozucu etki olarak besleme derişimi, besleme sıcaklığı ve ısıtma yağı akış hızı, ayar değişkeni olarak ise kazan ısı yükü ve geri akma oram seçilmiştir. Genelleştirilmiş prediktif kontrolda sistem modelinin ilgili parametrelerini tahmin etmek için PRBS sinyalleri ve Bierman algoritması kullanılmıştır. Genelde deneysel ve teorik kontrol sonuçlan birbirleri ile uyum içindedir ve dolgulu damıtma kolonunun teorik kontrol sonuçlarında Decoupling GPC'nin en iyi sonucu verdiği gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Dolgulu damıtma kolonu, Sonlu elementler, Simülasyon, Geneleştirilmiş Prediktif kontrol, PRBS sinyali

Abstract:
In this work, properties of the steady-state condition, dynamic and control behaviour of a binary pilot plant packed distillation column were investigated. The studies were done experimentally and theoretically. The steady-state and dynamic behaviour of the distillation column have been simulated using three Models. In the first two models (Model I and Model II), the packed distillation column was considered as a plate column and stagewise approach was used. The third model (Model UI) is constructed with a set of partial differential equations and two film plug flow and back mixing models were applied. This model solution has been obtained employing orthogonal collocation on finite elements. The use of Jacobi, Legendre or Hermite polynomials within the finite element procedure are compared with each other. The time response of output variables, concentration and temperature of top product, under the effects of the step change given to input variables have been observed. The steady state and dynamic results were compared with experimental data and the result from Model IE, the best agreement was achieved with all experimental data. Optimal operating condition of packed distillation column were investigated and the effects of input variables on the overhead product temperature for the steady-state condition of the system was studied by using "Experimental Design" technique. Optimal operating conditions of process was found by using Box-Wilson optimization method.IV Three types of control algorithms were utilized for controlling packed distillation column, these are conventional PE>, Generalized Predictive and Decoupling control systems. Single and two variable control of overhead product temperature were examined for a experimental and theoretical control works. Perturbations in feed composition, feed temperature and heat oil flow rate were utilized as the disturbance and reboiler heat duty and reflux ratio were selected as the manipulated variables. Pseudo Random Binary Sequence (PRBS) signal and Bierman algorithm were used to estimate the relevant parameters of the system model for Generalized Predictive Control. Generally theoretical and experimental control results were agreed well with each other and it was observed that in theoretical control results, Decoupling GPC of packed distillation column produced the best performance. Key Words: Packed distillation column, Finite element, Simulation, Generalized Predictive Control, PRBS signal