پایان نامه شبیه سازی و بررسی و مقایسه روشهای هوشمند با model predictive control (mpc) برروی یک فرایند صنعتی

پایان نامه شبیه سازی و بررسی و مقایسه روشهای هوشمند با model predictive control (mpc)  برروی یک فرایند صنعتی

چکیده 

با توجه به پیشرفت های قابل توجه در زمینه سیستم های کنترل و ابزار دقیق در صنایع مختلف و بخصوص در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، توسعه روش های کنترلی گوناگون و پیشرفته در جهت کاهش تجهیزات و کار نصب، ساده سازی کنترل پروسه ها در هر اندازه و ابعاد، کاهش هزینه های راه اندازی و طولانی کردن کار مداوم دستگاه ها بدون ایجاد وقفه در پروسه، مورد توجه قرار گرفته است. 

اغلب پروسه ها روندی غیرخطی دارند و در تعداد چشمگیری از آنها پدیده تداخل دیده می شود. کنترل این پروسه ها نیز می تواند به صورت متمرکز یا غیرمتمرکز صورت گیرد. همچنین شرکت های بزرگی در سطح دنیا مانند FISHER-ROSEMOUNT و ABB SIEMENS و YOKOGAWA و غیره در زمینه سیستم های کنترلی کار کرده اند به طوری که در حال حاضر محصولات آنها در نقاط مختلف جهان و بخصوص در مجتمع های صنعتی و صنایع نفت و گاز و پتروشیمی ایران در حال بهره برداری است. بر این اساس، نیاز به استفاده از بسته های نرم افزاری کنترل پیشرفته در آنها و بررسی زمینه های تحقیقاتی و توسعه ای جدید ضروری به نظر می رسد. 

در این پایان نامه با انتخاب یک پروسه از میان هزاران پروسه صنعتی که در آن پیچیدگی نسبی شامل غیرخطی بودن، تداخل و چند متغیره بودن لحاظ گردیده است، ابتدا به بررسی اجزای پروسه و تعیین معادلات آن پرداخته می شود. سپس با استفاده از روش های ریاضی حل معادلات ماتریسی و خطی سازی معادلات غیرخطی، به خطی سازی و سپس جهت کنترل ساده تر به قطری سازی معادلات سیستم پرداخته می شود. در ادامه بعضی از انواع روش های کنترلی هوشمند شامل منطق فازی، شبکه عصبی و کنترل پیش بین مدل بررسی می گردد. در مرحله بعد، کنترل کننده برای پروسه یاد شده به روش متداول و روش های پیشرفته کنترلی فوق طراحی می گردد و شبیه سازی آنها در محیط Matlab انجام می شود. سپس کلیه روش های فوق شامل PID و Fuzzy و Neural و Predict در محیط سیستم کنترل DeltaV  از شرکت EMERSON طراحی و پیاده سازی می گردند.

در پایان ضمن بررسی و ارزیابی نتایج انواع روش کنترل در دو محیط Matlab و DeltaV پیشنهاداتی ارائه می شود. 

فصل اول: مقدمه 

1-1- پیشگفتار 

امروزه صنایع مختلفی در مملکت عزیز ما ایران، روند روبه رشدی را طی می کنند. در بین این صنایع، صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، به دلیل وجود منابع بزرگ زیرزمینی، با سرعت بیشتری مسیر توسعه را می پیماید. 

استخراج نفت و گاز از چاه ها، تصفیه، جداسازی و شیرین سازی آن در پالایشگاه ها، ارسال و توزیع آن تا مصرف کننده، نیاز به ابزار دقیق و کنترل مدرن دارد. نوع پروسه ها و شرایط محیطی و عملیاتی، از جمله عوامل تعیین کننده سطح نیاز به تجهیزات مدرن و پیشرفته می باشند. 

کنترل پروسه های صنعتی در صنایع مختلف، توسط تجهیزات کنترل و ابزار دقیق صورت می گیرد. اندازه گیری اغلب پارامترهای کنترلی معمولا محدود به اندازه گیری کمیت های فشار، دما، دبی و ارتفاع سطح سیالات می گردد. وسایل و تجهیزات ابزار دقیق معمولا شامل انواع ترانسمیتر مانند ترانسمیتر فشار (PT)، ترانسمیتر دما (TT)، ترانسمیتر فلو (FT) و ترانسمیتر ارتفاع سطح سیال (LT) و شیرهای کنترلی مانند شیرهای کنترل فشار (PV)، شیرهای کنترل دما (TV)، شیرهای کنترل فلو (FV) و شیرهای کنترل ارتفاع سطح سیال (LV)، انواع اکچویتور، انواع سوئیچ مانند سوئیچ کنترل فشار (PS)، سوئیچ کنترل دما (TS)، سوئیچ کنترل فلو (FS) و سوئیچ کنترل ارتفاع سطح سیال (LS) است. 

کنترل کننده یک پروسه می تواند به صورت محلی (Local) یا در محل دور (Remote) از عملیات نصب گردد. این کنترل کننده نیز انواع مختلفی دارد که می تواند برای کنترل و نمایش فشار (PIC)، کنترل و نمایش دما (TIC)، کنترل و نمایش فلو (FIC) یا کنترل و نمایش ارتفاع سطح سیال (LIC) به کار رود. 

گاهی کنترل یک پروسه به صورت محلی، داخل یک پانل کنار تجهیزات به کار می رود تا اپراتور، کنترل مطمئن و قابل اطمینانی را بر روی راه اندازی و اجرای پروسه داشته باشد و گاهی تمامی کنترل پروسه از راه دور در اتاق کنترل به شکل متمرکز یا غیرمتمرکز صورت می گیرد و گاهی ترکیبی از دو حالت در کنترل به کار می رود. 

کنترل گاهی به صورت پیوسته صورت می گیرد مانند اندازه گیری فشار توسط تراسمیتر فشار و گاهی به صورت گسسته انجام می شود مانند سوئیچ فشار.

در این پروژه، کنترل ارتفاع مایع در سه مخزن مرتبط که در اکثر صنایع نفت، گاز و پتروشیمی و صنایع غذایی کاربرد دارد و همواره مشکلاتی در کنترل آنها بوده، مطرح می گردد. 

در فصل دوم، معادلات مربوط به اندازه گیری فلو، اندازه گیری ارتفاع سطح سیالات و انواع منحنی مشخصه شیرهای کنترلی بحث و بررسی می گردد. در ادامه معادلات غیرخطی حاکم بر سه مخزن مرتبط شرح داده می شوند و سپس این معادلات حول نقطه کار تعریف شده، به ازای یک فلوی ورودی ثابت، خطی سازی می شوند. 

در فصل سوم، معادلات سیستم خطی شده، ابتدا از نقطه نظر متمرکز یا غیرمتمرکز بودن توسط معیار RGA بررسی می گردند، سپس با تایید غیرمتمرکز بودن، پروسه توسط کنترل Conventional کنترل می گردد. میزان تداخل ورودی ها بر هر خروجی در حالات مختلف نیز بررسی و شبیه سازی می گردد. 

در فصل چهارم، پروسه شامل سیستم واقعی و پیش جبران ساز توسط کنترل کننده فازی کنترل می گردد. تعیین تعداد ورودی، توابع عضویت، تعیین پارامترهای هر تابع عضویت، رنج ورودی و خروجی و نوشتن Rule ها از عوامل مهمی است که بررسی می گردد و در پایان کنترل و شبیه سازی پروسه صورت می گیرد. 

در فصل پنجم، پروسه شامل سیستم واقعی و پیش جبران ساز توسط کنترل کننده عصبی کنترل می گردد. تعیین تعداد ورودی، Scaling و Descaling و Training و Test شبکه از عوامل مهمی است که بررسی می گردد و در پایان کنترل و شبیه سازی پروسه صورت می گیرد. 

در فصل ششم، پروسه سیستم واقعی، توسط روش پیش بین کننده مدل (MPC) کنترل می گردد و در پایان کنترل و شبیه سازی پروسه صورت می گیرد. این قسمت از پروژه، خلاصه ای از پروژه آقای مهندس مهدی حسینی می باشد که به صورت همزمان، زیر نظر استاد راهنما از ابتدا با این پروژه همراه بوده است. 

در فصل هفتم، نتایج مباحث قبلی بررسی می گردد و براساس آن پیشنهاداتی مطرح می گردد.