Polistiren reaktörünün optimum sıcaklık profiline adaptif genelleştirilmiş prediktif kontrolün uygulanması
Application of adaptive generalized predictive control to optimal temperature policy of styrene polymerization reactors
Yazar: GÜLAY ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ALPBAZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1997
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Denetim sistemleri = Control systems ; Kestirimci denetim = Predictive control ; Polimerleşme = Polymerization ; Polistiren = Polystyrene ; Reaktörler = Reactors ; Stiren = Styrene

Özet:
Yapılan çalışmada, sürenin serbest radikalik çözelti polimerizasyonu soğutma ceketli kesikli bir reaktörde dinamiği, optimizasyonu ve kontrolü teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. Öncelikle, soğutma ceketli kesikli bir reaktörde oluşan stirenin çözelti polimerizasyonu ile ilgili matematiksel modeller kullanılarak, teorik olarak başlatıcının bir kere ilavesi durumunda verilen bir başlatıcı konsantrasyonunda % 50 dönüşüm ve 52000 sayıca ortalama molekül ağırlığına ulaşmak için minimum reaksiyon süresi ve optimal sıcaklık profillerini veren ifade bulunmuştur. Bu amaçla Maximum Principle yöntemi uygulanmıştır. Kontrol uygulamaları teorik ve deneysel olarak iki kısımda gerçekleştirilmiştir. Teorik çalışmalarda öncelikle doğrusal ARIMAX modelin parametreleri Kalman, Bierman ve Levenberg Marquardt regrasyon yöntemlerinin kullanımı ile bulunmuştur. Kontrol çalışmalarında, sisteme verilen ısı ve soğutma suyu akış hızı ayarlanabilen değişkenler olarak seçilmiştir. İki ayrı ayarlanabilen değişkenler için farklı ARIMAX modeller geliştirilmiştir. Bu amaçla P. R. B. S. sinyalleri ayarlanabilen değişkenlere uygulanmıştır. Teorik çalışmaların ikinci kısmında ise NARIMAX modeller geliştirilmiştir. Bu çalışmalarda reaktöre verilen ısı ayarlanabilen değişken olarak seçilmiştir. Model parametreleri Levenberg Marquardt yöntemine göre bulunmuştur. Model seçiminde çok yönlü korelasyon katsayısı göz önüne alınmıştır. Teorik çalışmaların üçüncü kısmında ise LGPC, NLGPC ve PID kontrol sistemlerinin tasarımlan yapılmış ve en uygun kontrol parametreleri bulunmuştur. LGPC kontrol çalışmaları ayarlanabilen değişkenlerin reaktöre verilen ısı ve soğutma suyu akış hızlan için yapılmıştır. Bunun için dinamik analiz için kullanılan bilgisayar benzetim programına optimum sıcaklık profilim veren alt programla ve kontrol yöntemlerini içeren diğer alt programlar ilave edilmiştir. Benzer çalışmalar verilen ismin ayarlanabilen değişken olması için de NLGPC için yapılmıştır. PID kontrol sisteminin parametreleri Cohen-Coon yönteminin kullanımı ile bulunmuştur. Optimum koşullarda teorik olarak gerçekleştirilen polimerizasyon reaksiyonunun sıcaklık kontrolü her üç kontrol sistemi ile yapılmıştır. Elde edilen dönüşüm ve molekül ağırlıkları optimum koşullar ile karşılaştınlmıştır. Deneysel kontrol çalışmalan optimum işletim koşullannda gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda on-line bilgisayar kontrol sistemleri kullanılmıştır. Deneysel sıcaklık kontrolü LGPC, NLGPC ve PID sistemleri ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen dönüşüm ve molekül ağırlık değerleri optimum koşullar ile karşılaştınlmıştır. Anahtar Kelimeler : Doğrusal/doğrusal olmayan genelleştirilmiş prediktif kontrol. Sistem tanımlama teknikleri, Optimizasyon, Stiren polimerizasyonu

Abstract:
In the present work, the dynamics, optimization and the control of the free radical solution polymerization of styrene in a cooling jacketed batch reactor were investigated experimentally and theoretically. Firstly, the related mathematical modelling of solution polymerization of styrene in a jacketed batch reactor was used theoretically to achieve 50 % conversion and get 52000 numerical mean value of molecular weight at a given initial concentration of the initiator. When it was added once, minimum time and optimum temperature profile were determined. For this purpose Maximum Principle method was applied. Theoretical and experimental control applications were carried out in two parts, hi the initial theoretical works, linear ARIMAX model parameters were determined by using Kalman, Bierman and Levenberg Marquardt regression methods. In control works, heat input and cooling flow rate were chosen as manipulated variables, different ARIMAX models were determined. For this purpose, P. R. B. S. signal was applied to the manipulated variables. In the second part of the theoretical work, NARIMAX models were determined. In this work heat input was chosen as an manipulated variable, the model parameters were found by Levenberg Marquardt method. Multiway correlation coefficient was considered for the choice of the model. In the third part of the theoretical work, the design of LGPC, NLGPC and PID control systems were realised and the best suitable control parameters were found. The LGPC control works have been done for using heat input to the reactor and cooling flow rate as manipulated variables. For this, the subprogram calculating optimal temperature profile and other subprogram including related control method were added computer simulation program used for dynamic analysis. Similar work has been carried out for NLGPC for heat input as an manipulated variable. The control parameters of PED control system were determined by using Cohen-coon method. The theoretical temperature control of polymerizatiom reaction at the optimal condition was achieved by using three different control system. The obtained values of conversion and molecular weight were compared with optimal values. Experimental control works were carried out at optimal operating condition. In the experimental works on-line computer control system was used. Experimental temperature control was achieved by utilising LGPC, NLGPC and PID systems. The conversion and molecular weight obtained were compared with optimal values. Key words: Linear/non-linear adaptive generalised predictive control, System identification methods, Optimisation, Polymerization of styrene