Chemical Reactors: Modern Control Methods

Abstract

Cílem disertační práce je návrh a ověření vhodné metody řízení některých typů chemických reaktorů. Chemické reaktory se obecně vyznačují nelineárními vlastnostmi, které jsou ve většině případů značně výrazné. Proto použití konvenčních metod jejich řízení PI resp. PID regulátory s pevně nastavenými parametry může být velmi nekvalitní nebo i nemožné. Nutným předpokladem úspěšného návrhu řízení procesů této třídy je představa o jejich statických a dynamických vlastnostech. Jednou z možností, jak znalosti o těchto vlastnostech získat je měření na reálném zařízení. Toto ovšem většinou není možné uskutečnit. Jako jediná schůdná cesta se pak jeví statická a dynamická analýza řízeného procesu pomocí simulací, tj. experimentů na jeho matematickém modelu. Simulační metody mají i další výhody oproti experimentům na reálném zařízení, jako jsou menší časové nároky, nižší náklady a hlavně bezpečnost. Statická analýza procesu ukazuje chování systému v ustáleném stavu což obvykle slouží jako výchozí bod pro volbu optimálního pracovního bodu, tzn. takové kombinace vstupních veličin, při které je produkce maximální s minimálními náklady. Dynamická analýza je dalším krokem po statické analýze a ukazuje chování systému po změně vstupních veličin. Toto chování nám posléze poslouží pro volbu vhodné řídící metody. V práci jsou použity dvě metody ze třídy tzv. moderních metod řízení. V prvním případě metoda spojitého adaptivního řízení, založená na volbě externího lineárního modelu (ELM) původně nelineárního systému a použití regulátoru s parametry přestavovanými v závislosti na průběžně identifikovaných parametrech ELM řízeného procesu. Při identifikaci je použita obecně známá metoda nejmenších čtverců spolu s jejími modifikacemi. Při syntéze je v tomto případě použita polynomiální metoda společně s metodou přiřazení pólů a technikou LQ (lineárního kvadatického) řízení. Řízení je uvažováno v konfiguraci s jedním (1DOF) i se dvěma (2DOF) stupni volnosti. Ve druhém případě je použita metoda založená na zobecněném prediktivním řízení, kde se posloupnost řídících signálů vypočítá na základě minimalizace odchylky výstupní veličiny a žádané veličiny v definovaném budoucím horizontu. Všechny metody jsou nejdříve ověřeny simulačně na matematických modelech průtočného reaktoru (CSTR) a trubkového reaktoru, ale také praktickým měřením na reálném modelu průtočného chemického reaktoru. Dosažené výsledky ukazují použitelnost navržených metod v reálných systémech.