Bir polistiren polimerizasyon reaktörünün sıcaklık kontrolü için farklı sayıda parametre içeren ayrık zamanlı kontrolörler
Discrete-time controllers including different number of parameters for temperature control of a polystyrene polymerization reactor
Yazar: İLKNUR KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. HALE HAPOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Ayrık zaman sistemleri = Discrete time systems ; Denetçiler = Controller ; Polimerleşme = Polymerization ; Polistiren = Polystyrene ; Sıcaklık denetimi = Temperature control

Özet:
Karmaşık ve zor bir süreç özelliği gösteren polimerizasyon reaktörleri, iyi tasarlanmış bir kontrol sistemi ile kontrol edildiğinde istenilen özelliklere sahip ürün vermektedir. Bu süreç kontrolün önemini vurgulamaktadır. Bu çalışmada, kapalı çevrim kutup yerleştirmeye dayalı olarak tasarlanmış farklı sayıda parametre içeren ayrık zamanlı kontrolörler kullanılarak bir polistiren polimerizasyon reaktöründe sıvı ortam sıcaklığı kontrol edilmiştir. Soğutma ceketli reaktör için kontrol algoritmaları ve kapalı çevrim ayrık zaman transfer fonksiyonları Simulink ve Matlab ortamında programlanmış ve belirlenmiştir. Soğutucu akış hızı ayarlanabilen değişken olarak seçilmiştir. Ekonomik hususlar için, soğutucu akış hızının belirlenen üst sınırında, ısı giriş değişkenine bir basamak azalma verilmiştir. Kapalı çevrim kutup yerleştirmeye dayalı olarak ayarlanan farklı sayıda parametreler içeren ayrık zamanlı kontrolör transfer fonksiyonları belirlenmiştir. Kontrolörler için en uygun ayar parametrelerinin bulunması ayrık zaman kapalı çevrim transfer fonksiyonu kutuplarının z-düzlemine yerleştirilmesi ile Matlab ortamında birim çembere göre yerleşim bölgesi izlenerek gerçekleştirilmiştir. Ayrık zamanlı kontrol uygulama sonuçları Matlab ortamında karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Ayrıca bloğu Simulink kütüphanesinde mevcut olan ayrık zamanlı bir PID kontrolörün içerdiği altı parametre Simulink kontrol tasarımı kullanılarak en uygun değerlerine ayarlanmış ve bu kontrolör aynı çalışma koşullarında uygulanmıştır. En iyi etkinliğe ulaşmak için Matlab ortamında farklı ayar parametrelerine sahip kendinden ayarlamalı PID kontrol uygulamaları gerçekleştirilmiş.  

Kapalı çevrim tepkileri, belirlenen en iyi ayarlanmış parametreler kullanılarak iyi bir şekilde eşleşmiştir. Daha önce yayımlanmış pasifliğe dayalı kontrol (PBC) etkinliği ile iyi eşleşmenin sağlandığı tespit edilmiştir. Aynı kapalı çevrim koşulunda, IAE ve ISE performans değerleri sırasıyla üç parametreli kontrolör ile 1292 ve 159; dört parametreli kontrolör ile 1031 ve 101; kendinden ayarlamalı kontrolör ile 2999 ve 861; altı parametreli PID kontrolör ile 2623 ve 658 olarak bulunmuştur.

Abstract:
Polymerization reactors, complex and troublesome processes, yield products with desired properties when controlled with a well-designed control system. It highlights the importance of process control. In this work, the liquid ambient temperature control was achieved in a polystyrene polymerization reactor using discrete-time controllers designed based on closed-loop pole placement with a different number of parameters sets. The control algorithms and the closed-loop discrete-time transfer functions were programmed and determined in Simulink and Matlab environments for the cooling jacketed reactor. The coolant flow rate was the chosen manipulated variable. For economic considerations, at the determined upper limit of the coolant flow rate, a step decrease was introduced to the heat input. The discrete-time controller transfer functions with several parameters have been determined by tuning the parameters based on closed-loop pole placement. Finding the well-settled tuning parameters for these controllers was carried out by placing the poles of the discrete-time closed-loop transfer function on the z-plane and monitoring the location on the unit circle in the Matlab environment. These discrete-time control application results have been examined comparatively in the Matlab environment. In addition, the six parameters included in a discrete-time PID controller whose block is available in the Simulink library have been adjusted to their optimal values using the Simulink control design and this controller was applied under the same operating conditions. The self-tuning PID control applications with different tuning parameters have been implemented in the Matlab environment to achieve the best performance.
 
The closed-loop responses matched well by using the best-tuned parameters determined. Their well-match with the previously published passivity-based control (PBC) performance was detected. The performance values of IAE and ISE in the same closed-loop with different controllers were 1292 and 159 with the three-parameter controller; 1031 and 101 with the four-parameter controller; 2999 and 861 with the self-tuning controller; 2623 and 658 with the six parameters PID controller.