مقاله شبیه سازی دینامیکی و طراحی سیستم کنترل برای یک رآکتور CSTR

دانلود مقاله شبیه سازی دینامیکی و طراحی سیستم کنترل برای یک رآکتور CSTR

مقدمه
بهره برداری مطلوب از واحدهای صنعتی از نظر فنی و اقتصادی بدون استفاده از سیستم های ‏کنترل اتوماتیک تقریباً عملی غیرممکن می¬باشد و ازطرفی عدم توجه به مسائل ناشی از تنظیم ‏نادرست کنترل¬کننده¬ها ضررهای جبران ناپذیری را وارد می آورد. کنترل دقیق فرآیندهای ‏صنعتی برای بهبود راندمان و افزایش طول عمر مستلزم دو مسئله عمده زیر می باشد:‏
الف)طراحی سیستم کنترل مناسب برای فرآیند مربوطه
ب)تنظیم سیستم کنترل مناسب برای فرآیند مربوطه
تنظیم بهینه کنترل¬کننده¬ها در بهبود عملکرد و بهره¬برداری مطمئن و اقتصادی¬تر سیستم های ‏صنعتی نقشی اساسی بازی می کند. مرور زمان و تغییر پارامترهای سیستم، کنترل کننده ها را ‏از تنظیم بهینه خارج می¬کند. تنظیم مجدد این کنترل کننده ها هر از چند گاهی لازم می¬باشد. ‏اغلب مشاهده می شود که از همان ابتدای تحویل سیستم به علت وقت¬گیر بودن، پیمانکاران ‏علاقه ای به تنظیم بهینه از خود نشان نمی¬دهند. لذا تنظیم بهینه کنترل کننده ها در سیستم ‏های صنعتی از اهمیت بالائی برخوردارمی باشد.‏
کنترل کننده خودکار با مقایسه مقدار واقعی خروجی پروسه با مقدار مطلوب اختلاف آنها را ‏تعیین و سیگنال کنترلی تولید می کند که خطا را تا صفر یا مقدار کوچکی کاهش می دهد. ‏تولید سیگنال کنترل به وسیله کنترل کننده خودکار را عمل کنترل می نامند. در کنترل¬کننده-‏ها، سیگنالها معمولاً استاندارد هستند در مورد سیگنالهای الکتریکی، دو نوع استاندارد متداول ‏است.‏
الف)جریان: دو محدوده استاندارد جریان الکتریکی متدوال است. یکی محدوده ‏MA‏ ۲۰ – ۰   ‏و دیگری ‏MA‏ ۲۰ – ۴ که استاندارد این نوع بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.‏
ب)ولتاژ: دو محدوده استاندارد ولتاژ متدوال است. یکی ‏v‏ ۱۰ – ۰ و دیگری ‏v‏ ۲۴ – ۰‏

کنترل کننده ها بطور کلی شامل اجزاء زیر هستند:‏
‏۱-اجزاء اصلی: شامل یک تقویت کننده با بهره زیاد که در مسیر پیشرو قرار دارد.‏
‏۲-اجزاء ‏RC‏: مدار ‏RC‏ معمولاً در فیدبک قرار می گیرد.‏
انواع کنترل¬کننده¬هایی که بطور وسیع مورد استفاده قرار می¬گیرند عبارتند از تناسبی (‏P‏)، ‏تناسبی-انتگرال¬گیر (‏PI‏)، تناسبی-مشتق¬گیر (‏PD‏)، تناسبی-انتگرال¬گیر-مشتق¬گیر (‏PID‏).‏

مقدمه ای بر کنترل
کنترل یکی از شاخه های علوم مهندسی و علمی است که در مورد چگونگی تسلط بر پدیده ها و ‏هدایت رفتار آنها صحبت می کند. شاید تولد این علم به زمان انسانهای نخستین بازگردد. از آن ‏روز تاکنون علم کنترل پیشرفت های زیادی نموده است. در صنعت با فرآیندهای صنعتی که ‏بسیار متنوع و متفاوت می باشد برای کنترل آنها اصول و اجزای کمابیش مشابهی وجود دارد. ‏همانطورکه می دانیم طراحی کلیه واحد های شیمیایی در حالت پایا ‏‎(steady state)‎‏ انجام می ‏شود. وجود اغتشاشات در شرایط عملیاتی همواره شرایط پایا را بر هم می زند. لذا به منظور ‏نگهداشتن فرآیند در مسیر مطلوب استفاده از سیستم کنترل اجتناب ناپذیر می باشد.‏

فهرست مطا لب
عنوان ‏صفحه ‏
مقدمه ……………………..۱‏ ‏ ‏
فصل اول – کنترل فرآیند ‏
مقدمه¬ای بر کنترل………………………..۳‏
تقسیم¬بندی سیستم کنترل …………..۶‏
روشهای کنترل (خطی و غیرخطی) ……………………..۸‏
ابزارهای اندازه گیری ………………..۱۲‏
انواع شیر های کنترل ……………۱۴‏
کنترل کننده ها ………………..۱۸ ‏

انواع کنترل کننده ها ……………….۱۹‏
فصل دوم – مدلسازی
توصیف فرآیند ………………..۲۳‏
شناسایی ومدلسازی سیستم های کنترل…………………۲۵‏
مدلسازی دینامیکی………………………………………۲۶‏
شبیه سازی فرآیند در ‏Simulink‏ ……………………………۳۱‏

فصل سوم -تعیین پارامتر های کنترل
بررسی مدار حلقه باز فرآیند …………………….۳۵‏
بررسی مدار حلقه بسته فرآیند……………. ۴۶‏
ردیابی مدل با اثر متقابل…………. ۴۷‏
سنجش تداخل………………………………۴۸‏
تنظیم پارامتر های کنترل ………………۵۲‏
روش سعی و خطا ………………………۵۲‏
روش زیگلر نیکولز‎ Z-N ‎‏ ………………………۵۷‏
روش ‏IMC‏ ………………………۶۴‏
بحت و نتیجه گیری ………………..۷۰‏
ضمیمه ‏A‏……………………..۷۱‏
ضمیمه ‏B‏ ……………..۷۲‏
منابع ………………………….۷۸‏

فهرست شکل ها ‏
عنوان ‏صفحه ‏
شکل ۱راکتور ‏CSTR‏ به همراه اطلاعات فرآیندی ‏‏………..۲۳‏
شکل ۲ شبیه سازی راکتور ‏CSTR‏ توسط نرم افزار ‏‎ ‎MATLAB‏………..۳۱‏
شکل ۳ مدل باز شده راکتور ‏CSTR‏ ‏‏……….۳۲‏
شکل ۴ مدل باز شده دینامیک جرمی راکتور ‏‏…………..۳۳‏
شکل ۵ مشخصات شیر مدلسازی شده ‏‏……………….۳۴‏
شکل ۶ علامت های شیر کنترل در ‏P&ID‏ ‏‏……….۷۱‏
شکل ۷ سنسورها ………..۷۲‏
شکل ۸ ترانسمیتر ……………..۷۳‏
شکل ۹ پوزیشنر …………..۷۴‏
شکل ۱۰ مشخصه شیر کنترل در شرکتهای مختلف تجاری …………..۷۵‏

فهرست جدول ها ‏
عنوان ‏صفحه ‏
جدول ۱ فرآیندی ابزار دقیق …………………۶‏
جدول ۲ پارامتر های کنترل در روش مدار بسته ‏Z-N‏ ‏‏………۵۸‏
جدول ۳ پارامترهای مدار بسته‎ Z-N ‎‏……. ۵۹‏
جدول ۴ مقایسه روش ‏Z-N‏………..۷۰‏
جدول ۵ میزان باز بودن شیر …………….۷۶‏
جدول ۶ مشخصه شیر کنترل ……………..۷۷‏

فهرست نمودار ها ‏
عنوان صفحه
نمودار ۱ پاسخ مدار باز دما نسبت به تغییرات در خروجی ……….۳۷‏
نمودار ۲ پاسخ مدار باز دما نسبت به دمای ‏Th‏ ………۳۸‏
نمودار ۳ پاسخ مدار باز دما به ازای تغییر در ورودی …………..۳۹‏
نمودار ۴ پاسخ مدار باز دما به ازای تغییر در ورودی دمای سرد ….۴۰‏
نمودار ۵ پاسخ مدار باز دما به ازای تغییر در ‏m1‎‏ ………۴۱‏
نمودار ۶ پاسخ مدار باز به ازای تغییر غلضت ……….۴۲‏
نمودار ۷ پاسخ مدار باز به ازای تغییر دمای ورودی …………۴۳‏
نمودار ۸ پاسخ مدار باز به ازای تغییر دمای آب سرد ……….۴۴‏
نمودار ۹ پاسخ مدار باز به ازای تغییر دمای آب ورودی …..۴۵‏
نمودار ۱۰ نمودار جعبه ای سنجش تداخل ………….۴۸‏
نمودار ۱۱ نمودار جعبه ای کنترل دما وغلضت ……..۵۰‏
نمودار ۱۲ پاسخ مدار بسته دما نسبت به تغییرات در مقدار مقرر ( سعی و خطا) ….۵۲‏
نمودار ۱۳ پاسخ مدار بسته بر حسب در صد …………۵۳‏
نمودار ۱۴ مدار بسته دمای خروجی بر حسب مقدار مقرر ……..۵۴‏
نمودار ۱۵ مدار بسته پارامتر غلضت در مقدار مقرر ………….۵۵‏
نمودار ۱۶ مدار بسته تغییر در دمای ورودی بر حسب تغییر …………۵۶‏
نمودار ۱۷ نمودار مدار بسته آب گرم ورودی به راکتور روش ‏Z-N‏ ……..۶۰‏
نمودار ۱۸ نمودار مدار بسته در ورودی آب سرد ……..۶۱‏
نمودار ۱۹ پاسخ مدار بسته نسبت به تغییرات غلضت در مقدار مقرر……….۶۲‏
نمودار ۲۰مدار بسته تغییرات غلضت خروجی ………۶۳‏
نمودار ۲۱ مدار بسته تغییرات غلضت خروجی در روش ‏IMC‏ ……..۶۵‏
نمودار ۲۲ نمودار مدار بسته آب سرد خروجی ………….۶۶‏
نمودار ۲۳ مدار بسته تغییرات غلضت در خروجی ………………۶۷‏
نمودار مدار بسته ۲۴ تغییرات دمای آب گرم ورودی ……………۶۸‏
نمودار ۲۵ مدار بسته آب سرد ورودی ……۶۹‏