عنوان پایان‌نامه
استفاده ازبسترمدل سازی سیستم‌های دینامیک رخدادمحورجهت شبیه‌سازی وکنترل فرآیندهای جذب‌سطحی با تناوب فشار(PSA)
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1854.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81130;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1854.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81130
- تاریخ دفاع
- ۳۱ تیر ۱۳۹۶
- دانشجو
- محمد فخرالاسلام
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- مدلسازی، شبیه‌سازی، تخمین حالت و کنترل فرآیندهای جذب سطحی با تناوب فشار (PSA) به عنوان سیستم‌های ترکیبی، برای اولین بار در این پروژه مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. در سیستم‌های ترکیبی، دینامیک‌های پیوسته و رخداد-گسسته به صورت همزمان و جدایی‌ناپذیر وجود دارند. هدف از این تحقیق پیشنهاد یک سیستم کنترل ترکیبی برای فرآیند توزیع‌شده و ترکیبی PSA است. مدلسازی فرآیند PSA بر اساس اصول فیزیکی حاکم بر فرآیند انجام شده و یک مدل مرتبه-کامل برای فرآیند تهیه شده است؛ این مدل با داده‌های تجربی اعتبارسنجی شده است. یک مدل کاهش‌یافته‌ی محلی (LROM) نیز برای توصیف رفتار فرآیند در نقطه‌ای دلخواه در طول بسترهای جذب آن ایجاد شده است. کنترل‌کننده‌ی رخدادمحور بر اساس مجموعه‌ی ایمنِ بیشین که با تحلیل دسترس‌پذیریِ ترکیبیِ پس‌رو برای LROM و با یک روش مبتنی بر نظریه‌ی بازی‌ها محاسبه می‌شود، طراحی شده است. در واقعیت، متغیرهای حالت فرآیند PSA در دسترس نبوده و حالت‌های مورد نیاز کنترل‌کننده باید بر اساس خروجی‌های قابل اندازه‌گیری معدودی که به صورت زمان-گسسته و آغشته به نویز در دسترس هستند، تخمین زده شوند. برای این منظور یک مشاهده‌گر ترکیبی، برای تخمین برخط حالت‌های پیوسته و مد فعال فرآیند، پیشنهاد شده است. مشاهده‌گر پیوسته، یک فیلتر کالمن تعویض‌شونده‌ی توزیع‌شده و غیرمتمرکز با سرعت عملکرد بالا و طراحیِ ساده است. مشاهده‌گر مد پیشنهادی نیز مشابه با سیستم‌های عیب‌یابی طراحی شده و مد فعال فرآیند را با پردازش خروجی‌های در دسترس تخمین می‌زند. در یک مطالعه‌ی موردیِ مبتنی بر شبیه‌سازی، از سیستم کنترلی پیشنهادی برای تخمین حالت و کنترل برخط یک فرآیند PSA دو-بستریِ شش-مرحله‌ای استفاده شده است. اختلاف زمانی بین گذار مد واقعی و تشخیص گذار توسط مشاهده‌گر ترکیبی قابل چشم‌پوشی بوده و تخمین پروفایل‌های مکانی حالت‌های پیوسته‌ی فرآیند با دقت و سرعت بسیار خوبی انجام شده است. کنترل‌کننده بر اساس LROM طراحی شده و بر روی مدل مرتبه-کامل، به عنوان یک فرآیند واقعی، پیاده‌سازی شده است. کنترل خلوص محصول، در حضور اغتشاشات خارجی شناخته شده (دبی و ترکیب‌درصد خوراک به ترتیب محدود به بازه‌های ±20% و ±5% حول مقدار اسمی) و ناشناخته (دمای جریان خوراک متغیر در بازه‌ی ±25% حول مقدار اسمی) برای کنترل‌کننده، نویز اندازه‌گیری (با میانگین صفر و هموردی‌های به ترتیب 0.01 bar2 و 1.0 K2 برای فشار و دما) و عدم تطابق مدل (به دلیل استفاده از LROM در طراحی کنترل‌کننده)، بر اساس متغیرهای حالت تخمین زده شده توسط مشاهده‌گر ترکیبی انجام گرفته و عملکرد بسیار خوب کنترل‌کننده‌ی نوین پیشنهادی نشان داده شده است. علاوه بر این، در این پروژه یک سامانه‌ی PSA دو-بستری در ابعاد آزمایشگاهی مجهز به سیستم پایش و کنترل برخط مبتنی بر رایانه طراحی و ساخته شده است؛ یک مشاهده‌گر تخمین مد برای تخمین مد فعال این سامانه طراحی و پیاده‌سازی شده است.
- Abstract
- Pressure Swing Adsorption (PSA) processes are described and studied as Hybrid Systems for the first time. Hybrid systems feature both continuous and discrete-event dynamics and hence are very suited to describe PSA processes. The main goal is to design a hybrid control system for PSA processes. A first-principle based model of PSA process is presented as the full-order model and it is evaluated by experimental data from a lab-scale PSA process. A Local Reduced-Order Model (LROM) for the process is developed based on the full-order model and the process model is formalized as a hybrid system. An event-driven controller is designed for purity control of the process by determining the maximal safe set of the LROM. Hybrid backward reachability analysis based on a game theoretic approach is performed for this purpose. Considering a realistic scenario for PSA processes where the states are not available and the number of measurement sensors is very limited, a dynamical hybrid observer is proposed for on-line reconstruction of the active mode and continuous states of the process. The continuous state observer is a distributed and decentralized switching Kalman filter. The mode observer, which is designed similar to a fault detection system, estimats the active mode by processing the available outputs from the PSA plant. The proposed control system is designed and applied, in-silico, to a two-bed, six-step PSA process whose dynamical behavior is obtained by a full-order model of the process. The hybrid states of the process including the active mode and continuous states are estimated and provided for the controller with an insignificant error. The controller is designed based on the LROM and is applied on a full-order model as an actual PSA plant. The proposed controller showed excellent performance in the control of product purity in the presence of known disturbances (feed stream's flow rate and mole fraction bounded in ±20% and ±5% intervals around their nominal values, respectively), unknown disturbance (feed's temperature bounded ±25% interval around its nominal value), measurement noise (zero-mean white noise with covariances of 0.01 bar2 and 1.0 K2 for pressure and temperature, respectively), and model mismatch (due to the use of LROM in the design of the controller). Furthermore, a lab-scale PSA set-up, which is equipped with a PC-based on-line monitoring and control system, is designed and constructed. A proper mode observer is designed for on-line estimation of the active mode of the PSA set-up. Keywords: Hybrid systems; Pressure swing adsorption (PSA); Process control; Hybrid state estimation; Mode observer; Hybrid reachability analysis.
