An investigation on the selection of the fine tuning parameters of STF

Abstract

Yaklaşık son yirmi yıldır adaptive kontrol stratejileri ve otomatik kontrol büyük ilgi kazanmıştır. Bir çok araştırmacı yeni bir çok özel metotlar geliştirerek kimya endüstrisinde var olan kontrol problemlerini çözmeye çalışmaktadırlar. Endüstriyel proseslerde otomatik kontrol kullanımı büyük zaman gecikmeleri, non-lineerlik, karmaşık proses dinamikleri ve diğer kontrol çevrimleri arasındaki etkileşimden ve ölçülemeyen yüklenme değerleri yüzünden zor bir olaydır. Klasik kontrol metottan kullanımı genellikle bu yukarıda belirtilen sorunlardan dolayı memnuniyet verici değildir. Günümüzde sanayiide geniş kullanım alam olan PID kontrol ediciler aşağıda verilen türde birçok sorun ile karşılaşmaktadırlar.. Zaman gecikmelerinin etkileri ortadan kaldırılamaz, kontrol sistemini yavaş davranmak zorunda bırakır.. Fiziksel sınırlamalar kontrol algoritması içinde temsil edilemezler.. Klasik bir kontrol ediciyi ayarlamak zaman alan bir operasyondur. Çok çevrimli bir PID tipi kontrol edici ancak önemli olmayan basit proseslerde iyi bir şekilde ayarlanabilir.Bu da deneme ve yanılma yoluyla olur. Kimyasal reaksiyon içeren prosslerde ise deneme - yanılma yöntemini kullanmak kesinlikle söz konusu değildir.. Katalizör bozunması, üretim hattındaki değişiklikler, ısı değiştiricilerindeki kirlenmeler, debi ve basınç değişimleri gibi proses dinamiğini etkileyen değişiklikler algılanamadığından kontrol performansı zamanla düşer. Bu yüzden kontrol edici tekrarlı olarak ayar edilmelidir. Bu tip problemler ilk defa Kalman (1958) tarafından düşünülen kontrol stratejisi ile çözülmeye başlamıştır. Adaptive kontrol ediciler ve kendinden ayarlı kontrol ediciler prosesin modelini direkt olarak tanımlayabilirler ve proses özelliklerindeki değişimleri algılayarak kendilerini düzeltebilirler. Kendinden ayarlı kontrol edicilerin (STC) kullanımı daha hızlı ve güvenli olmasının yanında uzman olmayan personelin gelişmiş bir kontrol edicinin yardımı ile proses üzerinde sağlam bir hakimiyet kurmasını sağlar. Bu çalışmada kendinden ayarlı kontrol edicilerin ana elemanlarının nasıl düzenlenebileceği ve belirli kontrol edici tipleri için hassas ayar değerlerinin nasıl seçilebileceği gösterilmiştir. Bu çalışmada kullanılan kendiliğinden ayarlı kontrol ediciler üç ana bileşenden oluşmaktadır. İlk olarak bir parametre tahmin edici (Parameter Estimator), ikinci olarak bir kontrol edici (Controller) ve son olarak da tahmin edilmiş proses parametrelerinden kontrol edici parametrelerini hesaplayan bir parametre hesaplayıcısı (Parameter Calculation) bulunmaktadır. Bu çalışmada tekli giriş tekli çıkış sistemler incelenmiştir. Kendiliğinden ayarlanan kontrol edicilerin amacı sabit fakat bilinmeyen parametrelere sahip prosesleri kontrol etmektir. Ayrıca ısı değiştiricileri gibi parametreleri zamanla yavaşça değişen sistemlere de uygulanabilirler. Kendiliğinden ayarlanan kontrol ediciler başlangıçta bilinen bir sistem ve tasarım yöntemi ile oluşturulabilirler. Kontrol algoritması ardışık parametre tahmin ediciler kullanılarak bulunabilirler. Parametre tahmin ediciler proses girdi ve çıktılarına göre hesap yaparlar. Bir çok parametre tahmin yöntemi ve kontrol edici parametreleri hesap yöntemi olduğundan çeşitli tiplerde kontrol ediciler mevcuttur. Bu tezdeki çalışmada kullanılan kontrol edici bir ön tahminli model üzerine kurulu ardışık parametre hesaplayıcıdan ulaşmaktadır. Kendiliğinden ayarlanan kontrol edicinin, aynı zamanda bilinen girdi değerlerine karşılık sistemin verdiği çıktıları belirli bir zaman aralığında ölçerek her hangi bir sistemin transfer fonksiyonunu elde edebilmesi de mümkündür. Gerçek zaman uygulamalarında her numunelendirme periyodunda yeni dataya ihtiyaç vardır. Böylelikle, sistemin transfer fonksiyonu her zaman için izlenebilir ve bunun içinde geliştirilmiş teknikler mevcuttur. Bu tezdeki çalışmada 'unutma faktörü' olarak adlandırabileceğimiz bir faktör kullanılmıştır (Forgetting faktör), bu geçmişteki bazı verilerin unutma faktörüne bağlı olarak silinmesi anlamındadır. Sayısal değer olarak unutma faktörü bir'den küçük 'sıfir'dan büyük olarak seçilmelidir. Unutma faktörü numunelendirme zamanına da bağlı olarak 0.95 ile 0.999 arasında bir değer olarak seçilebilir, bu da 20 ile 1000 numunelendirme aralığına eşittir. Kendiliğinden ayarlanan kontrol edicilerin minimum değişimli kontrol algoritmasını kullanmaları son kontrol elemanlarının aşın şiddetli davranmalarına yol açabilir. Pratikte kabul edilemeyecek aşın kontrol hareketlerinin optimize edilmesi için bazı sınırlandırmalar getirilebilir. Kendiliğinden ayarlanan kontrol algoritmaları başlıca iki ana grupta incelenebilir. Doğrudan yöntemler ve dolaylı yöntemler olarak adlandırılabilecek bu yöntemlerin arasındaki en önemli fark birincisinde parametre tahmin edicinin kontrol edici parametrelerini doğrudan vermesi, diğerinde ise tahmin edicinin sistem parametrelerini üreterek kontrol edici parametrelerini hesaplamasıdır. Herhangi bir prosesin modelinin bilinmesi kontrol sistemlerinin tasarımı ve analizi için bir avantajdır. Böyle bir sistem modeli sistem dinamiğini olabildiğince tanımlamalıdır. Bir prosesin modelinin sağlanması için iki temel yaklaşım vardır, bunlar fiziksel kanunlardan elde edilen modeller ve deneysel yollardan elde edilen modellerdir. Genellikle sadece fiziksel kanunlardan yararlanarak yeterince hassas bir model elde etmek mümkün değildir, bazı sistem parametreleri deneysel olarak saptanmalıdır. Bu iki yaklaşımın birlikte değerlendirilmesi iyi bir model elde etmemizi sağlar. Model ne kadar iyi olursa uygulanan kontrolün de o kadar iyi olacağı düşüncesinden hareketle sistem tanımlanmasının (parametre tahmininin) önemi ortaya çıkmaktadır. Uyarlamak kontrolde kontrol kanununun tesbiti parametre tahmininden (sistem tanımlanmasından) sonra ikinci temel aşamadır. Uyarlamak kontrol mekanizmalarının taşanımda iki kademe vardır. Bunlardan ilki, sistem üzerinde olabildiğince deney yaparak eksik bilgileri tamamlamaktır (off-line), ikincisi proses parametrelerinin tahminlerine bağlı olarak kontrol edici parametrelerinin sürekli olarak ayarlandığı mekanizmadır (on-line). Bu çalışmada öncelikle hızlı cevap veren bir sistem fiziksel kanunlar ve deneyler yardımı ile modellenerek iyi tanımlanmış birinci derece bir sistem örneği elde edilmiştir. Kendiliğinden ayarlanan kontrol edicinin algoritması Genelleştirilmiş Minimum Değişimli olarak tasarlandığından kontrol girişini düzenleyen çeşitli filtrelerin bu model üzerinde denenmesi ile kontrol edicinin temel yapısı belirlenmiştir. Modelin birinci mertebe olup parametrelerinin iyi biliniyor olması kontrol edicinin sağlıklı bir şekilde geliştirilebilmesi ve bütün filtrelerle tatminkar sonuçlar vermesini sağlamıştır. Birinci mertebeden sistem modeli üzerinde gerçekleştirilen benzetim çalışmalarından elde edilen bilgiler yardımı ile ikinci mertebe bir proses üzerinde gerçek zaman (on-line) kontrol çalışmalarına geçilmiştir. İkinci mertebe proses örneği olarak bir elektrikli ısıtma sistemi kullanılmıştır. Bu sistem 4.5 kW gücünde, boşluk hacmi küçük olan (yaklaşık 0.5 1) tüp rezistanslı bir ısıtıcı ile bunun çıkış hattına yerleştirilmiş plastik kılıflı bir yan iletken sıcaklık algılayıcısından (LM 335) oluşmaktadır. Bu sıcaklık algılayıcısı 0-100 °C aralığında çalışan 4-20 mA lik bir sıcaklık ileticisine bağlıdır. Sıcaklık algılayıcısının plastik kılıflı olması zaman sabitinin elektrikli ısıtıcının zaman sabiti yanında ihmal edilemeyecek bir büyüklükte olmasına, sonuç olarak da sistemin belirgin ikinci mertebe davranış göstermesine yol açmaktadır. Yapılan deneyler sonucunda çeşitli kontrol edici fifrelerinin davranıştan incelenmiş, gerekli filtre parametreleri (hassas ayar parametreleri) tesbit edilmiş sisteme çeşitli bozan etkenler yüklenerek ikinci mertebeden bir sistemin Kendiliğinden Ayarlı Genelleştirilmiş Minimum Değişimli Kontrol Edicilere verdiği cevapla- elde edilmiş Kimya Mühendisliği'nde karmaşık bir yapıya sahip olan Reaksiyonlu Distilasyon Kolonu'nun sıcaklık kontrolü için kullanılabilecek filtre ayar değerleri belirlenmeye çalışılmıştır, ikinci mertebeden sıcaklık sisteminin servo kontrolü ve regülasyon kontrolü incelenmiş, bütün bu deneyler sistemde son kontrol elemanının zaman-oransal kontaktör modülü ve triak modülü kullanılması halleri için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Zaman-oransal kontaktör modülünün kullanıldığı deneylerde sistem gürültülerinin daha fazla olduğu buna rağmen ulaşılması istenen ayar değerlerine (set point) kabul edilebilir hatalar ile yaklaşıldığı, kontrol girişlerinin proses çıktıları ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Triak modülü kullanılmasının temel nedeni bir sonraki çalışmamızda sıcaklığı daha hassas olarak kontrol edilecek olan Reaksiyonlu Distilasyon Kolonu'nda da buna benzer bir modülün bulunmasıdır. Triak modülünün kullanıldığı ısıtma sistemi deneylerinde gürültülerin daha aza indirgendiği ve kontrol girişlerinin proses çıktıları ile çok daha uyumlu hale geldikleri gözlemlenmiştir. Reaksiyonlu Distilasyon Kolonu'nun ısıtıcı elemanı 2.5 kW gücünde olup deneylerde kullanılan alkol karışımlarının esterleşmesinde yeterli gücü sağlayabilecek düzeydedir. Kullanılan kolon dolgulu tip olup 8 cm çapında ve 40 cm uzunluğunda cam boruların 4 adetinin birbirlerine eklenmesi ile elde edilmiş, dolgu malzemesi olarak 5 mm çaplı Rasching halkaları kullanılmıştır. Kolonun üstündeki yoğunlaştırıcı bir U dönüşü ile sabitlenmiştir. Yoğunlaştırıcının altında kolon baş ürününü toplayan ve faz ayırılması ile baş ürünün sudan ayırılmasını sağlayan bir depo mevcuttur. Ester fazı yanal yüzeyden alınarak bir geri besleme bölücüsüne gönderilmektedir. İstenmeyen su fazı deponun altından çekilmektedir. Kolon 20 1 hacminde bir cam reboyler tarafından ısıtılmaktadır. Önceki çalışmalardan elde edilmiş sonuçlar ve literatür bilgileri değerlendirilerek kolonun besleme debileri ayarlanmış, kolon rejimine uygun şekilde etil ester üretimi için gerekli alkol karışımı ve asetik asit beslemesi yapılmış, düzenli baş ürün yaklaşık 75 min sonra çekilmeye başlanmıştır. Yukarıda açıklanan ön çalışmalardan elde edilen bilgiler ile kolonun sıcaklığım en iyi şekilde kontrol edebilecek filtre parametrelerinin seçilmesiyle reboyler buhar faz sıcaklığı kontrol edilmiş buna bağlı olarak kolon tepe sıcaklığının davranışı gözlemlenmiştir. Literatürden elde edilen modifiye edilmiş PID kontrol edici sonuçlan ile kendiliğinden Ayarlanan Genelleştirilmiş Minimum Değişimli Kontrol Edici'nin sonuçlan karşılaştırılmış, klasik PID tipi bir kontrol edici ile kontrolünün mümkün olmadığı bilinen bu karmaşık sistemin modifiye edilmiş PID tipi kontrol edici ile belli toleranslara kadar kontrol edilebildiği fakat bozan etken yüklenmesi durumunda kolon tepe sıcaklığının kritik bir değer olan 79 °C m alana düştüğü ve bu durumun baş ürün ile gelmesi beklenen su çıkışım engellediği, bunun da kolon rejiminin bozulmasına yol açtığı belirlenmiştir. Benzer şartlarda aynı besleme debileri ile Kendiliğinden Ayarlı Kontrol Edici'nin kullanılması durumunda kolon yatışkın duruma getirildikten sonra besleme debileri iki katma çıkarılarak bir Reaksiyonlu Distilasyon Kolonun'nda verilebilecek en yüksek bozan etken denenmiş ve kolon tepe sıcaklığının kritik sıcaklığın altına düşmediği, reboylerin s ıvı ve buhar faz sıcaklıklarının birbirleri ile ve kontrol girişi ile uyumlu davrandıkları gözlenmiştir. Bu çalışmanın sonunda daha az uzman kişilerin çok daha karmaşık ve sorunlu sistemlerin kontrolünde kullanılabileceği ve parametre tahmini sayesinde prosesin daha iyi tanımlanabileceği, elde edilen modele bilinen bozan etkenler göz önüne alınarak ileri beslemeli kontrol adımlarının da eklenmesi ile klasik kontrol edicilerden çok daha iyi bir kontrol sağlama imkanı olduğu görülmüştür.

Last couple of decades, there has been great interest on adaptive control schemes and automatic control. Many researchers put many specific methods to overcome control problems in industrial chemical processes. Automatic control of industrial processes is a challenging task due to the presence of large time- delays, non-linearities, complex process dynamics, interactions from other control loops, corruption of data by noise, unmeasurable load disturbances, etc. Using a conventional control scheme such as PID scheme is often not very satisfactory depending on the characteristics mentioned above. In spite of having large usage in the industry, fixed parameter PID control algorithm suffers from many draw backs: « Time delays cannot be handled property, this results to get sluggish response from the process.. Physical constraints of a process cannot be incorporated in the control algorithm. « Tuning of a conventional controller loop is usually time consuming operation. The tuning of a multiloop PID controller is at best if it is not an important process. In the absence of a mathematical model, it is performed on-line by an iterative experimental approximation like trial and error. The mathematical modelling of a process accounting for all the non-linearities in the process is a problem. The linear model of a process can help in selecting initial tuning constants but is not good enough to give the best performance along the complete period of operation.. Because of the changes in process dynamics (catalyst decay, change in production levels, fouling of heat exchangers or variation in raw material quality and quantity etc.) controller has to be retimed and this leads to a degraded performance until it has been done. These problems can be overcome by using a control strategy first proposed by Kalman (1958). Adaptive controllers and self-tuning controllers are capable of identifying the model of the process on-line and are able to compensate for the variations in the characteristics of a process. Using self-tuning controller gives us better and faster controller commissioning, furthermore gives us the ability of expert tuning of the controller by non-expert personnel. In this study and work, it is shown and explained how to select the necessary elements of the self tuning control schemes and how to employ appropriate methods by choosing fine tuning parameters for the some type of self-tuning controllers.