ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ. ηµήτρης Ιψάκης. ρ.χηµικός Μηχανικός. Τριµελής Συµβουλευτική Επιτροπή

Transcript

1 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΕΛΕΓΚΤΩΝ PID ΣΕ ΚΑΙΝΟΤΟΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ ηµήτης Ιψάκης.Χηµικός Μηχανικός Τιµελής Συµβουλευτική Επιτοπή Αναπλ. Καθηγητής Ν. Κααµπετάκης Επιβλέπων ιπλωµατικής Εγασίας Καθηγητής Π. Τζιώνας Μέλος Τιµελούς Εξεταστικής Επιτοπής Εευνητής Α. Σ. Βουτετάκης Μέλος Τιµελούς Εξεταστικής Επιτοπής ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ «ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ & ΘΕΩΡΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ»

2 ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Κίνητα και Στόχοι Μελέτης Χαακτηιστικά Ενεγειακών Συστηµάτων & ιάγαµµα Ροής Μαθηµατική Μοντελοποίηση & Ανάλυση Συστήµατος Μελέτη Ποσοµοιώσεων Ανοικτού Βόχου Θεωητικά Χαακτηιστικά & Ιδιότητες PID Ελέγχου Ανάπτυξη & Εφαµογή Ελεγκτών Αξιολόγηση Συστήµατος Κατανεµηµένου Ελέγχου µέσω Ποσοµοίωσης Σεναίων Λειτουγίας Συµπεάσµατα-Μελλοντική Αξιοποίηση

3 ΣΤΟΧΟΙ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΣΩ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙΝΟΤΟΜΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΕΥΕΛΙΚΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

4 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Απαιτήσεις σε Ενέγεια 5 Btu Πετέλαιο Λιγνίτης Φυσικό Αέιο Ανανεώσιµες Πηγές Πυηνική Ενέγεια Έτος Πετέλαιο Γαιάνθακας Φυσικό Αέιο Πυηνική Ενέγεια ΑΠΕ 5% 37% 3% 5% % Ενεγειακές Απαιτήσεις 98-3 Κατανοµή Ενεγειακών Πόων Μείωση Ενεγειακών Αποθεµάτων Μετικοί Τόνοι /Έτος Σύνολο Πετέλαιο Λιγνίτης Φυσικό Αέιο Τσιµέντο Έτος Έξαση Φαινοµένου του Θεµοκηπίου Αύξηση εκποµπών O ανά διεγασία εκµετάλλευσης πώτης ύλης

5 ΚΑΙΝΟΤΟΜΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Υ ΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ Υ ΡΟΓΟΝΟ ΑΤΜΟΣ ΑΕΡΑΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΩΝ ΣΤΑ ΙΟ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΠΑΡΟΧΕΣ ΤΟΜΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΕΓΧΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗΣ Η µεστή µαθηµατική ανάλυση µποεί να οδηγήσει στον σχεδιασµό πειαµάτων στην καταγαφή επιτεπτών οίων ασφαλής λειτουγίας και σε κέδος χόνου. Οι θεµοδυναµικές µελέτες στοχεύουν στην ανάλυση ευαισθησίας σε συνθήκες µόνιµης κατάστασης χωίς να δίνουν λεπτοµέειες επί δυναµικών χαακτηιστικών. Η γαµµική ανάλυση αν και πιο ευέλικτη υπολογιστικά υστεεί στην σύλληψη βασικών λειτουγικών χαακτηιστικών έναξη/παύση λειτουγίας µελέτη καταλυτικών διεγασιών κ.α.... ιακίνεται έλλειψη στην συνολική ανάλυση των επιµέους υποσυστηµάτων. Ο έλεγχος αν και αφοά ποηγµένα συστήµατα και θεωίες συνήθως πειοίζεται σε µική κλίµακα λειτουγίας και ποκαθοισµένες υποδιεγασίες. Σε ενεγειακά συστήµατα ποτείνεται η ανάπτυξη κατανεµηµένου ελέγχου. Οι εφαµογές κατάλληλων ενεγειακών συστηµάτων αξιοποίησης υδογονανθάκων αφοά την ανάπτυξη υβιδικών οχηµάτων αλλά και σε οικιακή χήση.

7 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΡΟΗΣ POWER L-Ion Accumulator POWER Forklft POWER ΣΤΑ ΙΟ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ & ΠΑΡΟΧΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΤΑ ΙΟ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥ ΤΜΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

8 ΣΤΑ ΙΟ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑΣ & ΕΝΑΛΛΑΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΙΝ ΙΝ OU OU / τ t feed n feed e F F feed feed feed F / sub N n n n P R F / / / Συγκέντωση Γαµ/κή Ροή Ογκοµετική Ροή d R MB P d d R MB P d f cp d cp d mx mx mx n n n mx n n n ] [ ] [ Θεµοκασία Πυκνότητα

9 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ & ΚΑΥΣΤΗΡΑΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Η µεταφοά θεµότητας κατευθύνεται:. από το εσωτεικό του καυστήα πος το τοίχωµα του αντίσταση. Στην συνέχεια στο τοίχωµα του αντιδαστήα αναµόφωσης αντίσταση και 3. Στο εσωτεικό του αντιδαστήα αναµόφωσης αντίσταση 3.

10 ΚΑΥΣΤΗΡΑΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ n j m R E R d d d d d R MB P d D A U f f d cp m cp d vk v v j j n n n n n mx b b mx n n n exp ] R [ ]/ [ ] [ ] [ 3 j 3 3 ±Σ Σ Σ Συγκέντωση Όγκος Μίγµατος Θεµοκασία Πυκνότητα Ρυθµός Κατανάλωσης/ Πααγωγής

11 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ d B n n f U A D [ 3 n d 3 mrcpr [ Σ f 3 ] cp mx ΣB 3 ] Θεµοκασία d d [ P MB R n n mx d d ]/ Πυκνότητα Όγκος Μίγµατος d R j 3... m [ n E exp R j... n j n v n v ±ΣR... j vk 3 H 8 H H O O H O Η O N d ] Συγκέντωση Ρυθµός Κατανάλωσης/ Πααγωγής

12 ΣΤΑ ΙΟ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥ: ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΑΣ HS n j m R E R d d d d d R MB P d f cp d vk HS v HS v HS HS j HS HS HS HS HS HS n HS HS n HS n HS HS HS HS HS HS HS HS n HS n HS HS HS HS mx HS HS HS HS HS HS HS mx HS HS HS n HS HS n HS HS n HS exp ] R [ ]/ [ ] [ 3 j ±Σ Σ Σ Συγκέντωση Όγκος Μίγµατος Θεµοκασία Πυκνότητα Ρυθµός Κατανάλωσης/ Πααγωγής

13 ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ f e fc c F cathode anode F cathode anode F cathode anode F cathode anode F F cathode anode F cathode anode F n cathode anode F cathode anode F n cathode anode F n cathode anode F cathode anode F cathode anode F cathode anode F cathode anode F cathode anode F cathode anode F cathode anode F n cathode anode F n cathode anode F F F cathode anode F cathode anode F F F F coolant F F F total coolant F F coolant coolant F F coolant F coolant F n F coolant F coolant F n coolant F n coolant F cathode F F F mx anode F F F mx F total F F n cathode F F anode F F cathode F n F n anode F n F n F n F n I n R d R d d d d R PMB d I f cp d cp cp d ] [ ]/ [ ] [ ] [ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Συγκέντωση Όγκος Μίγµατος Θεµοκασία Πυκνότητα ΙΝ anode ΙN coolant OU coolant ΙΝ cathode OU anode OU cathode Ρυθµός Κατανάλωσης/ Πααγωγής

14 ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ fc c fc fc fc e g conc fc fc ohm O act conc ohm act fc I n P I I F n R I I p ln I n I dn 98 exp 5.8 ln lni ] lnp.5 [lnp E E lm F act act fc act fc 6 fc fc fc 3 fc.5 O H fc -5 fc -3 nerst nerst ξ ξ ξ ξ ξ ξ ξ Ωµικές Απώλειες Απώλειες Ενεγοποίησης Τάση Λειτουγίας Θεµοδυναµική Τάση Αποδιδόµενη Ισχύς Απώλειες λόγω Συγκεντώσεως

15 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ max max. max mn mn. t I t SO t SO I P q q E E E E q q E E E E R I E c q c q k dq c q c q k I dq o ac ac ac ac ac ac c o c o ch ac d o ds ac o ac ac ac ac η σ Τάση Λειτουγίας Χωητικότητα Συσσωευτή Ισχύς Λειτουγίας Κατάσταση Φότισης

16 ΕΠΙΛΥΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ήλωση πααµέτων ανά υποσύστηµα ήλωση µεταβλητών ανά υποσύστηµα Απόδοση σταθεών τιµών και τιµών στην αχική κατάσταση Οισµός αλγεβικών γαµµικών και µη-γαµµικών σχέσεων Οισµός κανονικών διαφοικών εξισώσεων στην µοφή y fty Οισµός βοηθητικών µεταβλητών και σύνδεση υποσυστηµάτων Επίλυση συστήµατος µε χήση διαθέσιµων και κατάλληλων εντολών του MALAB Οισµός χόνου ποσοµοίωσης και διαστήµατος ολοκλήωσης

17 ΕΞΑΚΡΙΒΩΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 35 Dscharge urrent versus tme of dscharge Sm L -Ion Exp L -Ion 3 9 Sm L -Ion Exp L -Ion 8 7 Dscharge urrent A Dschargng tme h bat olt apacty Ah Ρεύµα εκφότισης συσσωευτή Τάση εκφότισης συσσωευτή 8 oltage olt Expermental Smulaton urrent Densty A/cm Χαακτηιστική τάσης-έντασης εύµατος κυψέλης καυσίµου

18 ΕΞΑΚΡΙΒΩΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Συστάσεις στην έξοδο του HS Έξοδος Ε ΕίσοδοςΕ από mxer Είσοδος Reformer Έξοδος Reformer Θεµότητα σεε/ /Ε/ /E3 Είσοδος Ε3 Είσοδος HS Έξοδος HS Μεταβλητή Συστάσεις στην έξοδο του αντιδαστήα αναµόφωσης Είσοδος Ανόδου Είσοδος ondenser Έξοδος Ανόδου Συγκεντώσεις ανά σηµείο θεωητική ανάλυση H : 7.7% O :.% O :.% H :. % H : 75.8% O :.5% O :.6% H :.9 % 8 ο 5.5 ο 55 ο 7 ο 67W/78 /78W/59.7W 36 ο 85 ο 3 ο 3 ο 5 ο 56 ο Παγµατικά εδοµένα εδοµένα Μαθηµατικού Μοντέλου H : 7.5% O :. % O :.% H :. % H : 75.8% O :.3% O :. % H :.9 % 8 ο ο 7 ο 675W/ /65W/59.7W59.7W 39 ο 85 ο 3 ο 6 ο 5 ο 77 ο <5% Απόκλιση από τις αντίστοιχες µετα αποτελέσµατα του ASPEN.

19 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΝΟΙΚΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΣΤΟΧΟΙ H ποσοτική και ποιοτική επίδαση βασικών µεταβλητών στη λειτουγία του συστήµατος. H επιλογή των ζευγών χειαγωγούµενων-ελεγχόµενων µεταβλητών του συστήµατος ελέγχου. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ

20 . ΕΠΙ ΡΑΣΗ LPG ΣΤΗΝ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ LPG feed lt/mn Normal 3% -3% emperature K 6 5 Normal 3% -3%. 8 6 me s 8 6 me s Μεταβολή οής τοφοδοσίας LPG στην είσοδο του συστήµατος Μεταβολή θεµοκασίας εισόδου στον αντιδαστήα αναµόφωσης H & O flowrates lt/mn Normal 3% -3% H O 8 6 me s O flowrate lt/mn 5 3 Normal 3% -3% 8 6 me s Μεταβολή οής H O στην έξοδο του αντιδαστήα αναµόφωσης Μεταβολή οής O στην έξοδο του αντιδαστήα αναµόφωσης

21 . ΕΠΙ ΡΑΣΗ LPG ΣΤΗΝ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ emperature K me s Normal 3% -3% H and O flowrates lt/mn Normal 3% -3% H O 5 5 me s Μεταβολή θεµοκασίας εξόδου ευστού από τον εναλλάκτη Ε3 Μεταβολή οής H και O στην έξοδο του αντιδαστήα HS 3 65 O flowrate lt/mn Normal 3% -3% emperature K Normal 3% -3% 8 6 me s 8 6 me s Μεταβολή οής O στην έξοδο του αντιδαστήα HS Μεταβολή θεµοκασίας εξόδου στον αντιδαστήα HS

22 . ΕΠΙ ΡΑΣΗ LPG ΣΤΗΝ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ 8 emperature K 36 3 Out In Normal 3% -3% emperature K 8 6 Normal 3% -3% me s 8 6 me s Μεταβολή θεµοκασίας εισόδου και εξόδου στην κυψέλη καυσίµου Μεταβολή θεµοκασίας λειτουγίας στον καυστήα

23 . ΕΠΙ ΡΑΣΗ LPG ΣΤΟΝ ΚΑΥΣΤΗΡΑ emperature K 8 6 Normal 3% -3% emperature K Normal 3% -3% 8 6 me s 8 6 me s Μεταβολή θεµοκασίας εξόδου στον καυστήα Μεταβολή θεµοκασίας εισόδου στον αντιδαστήα αναµόφωσης H & O flowrates lt/mn Normal 3% -3% H O 8 6 me s O flowrate lt/mn 5 3 Normal 3% -3% 8 6 me s Μεταβολή οής H O στην έξοδο του αντιδαστήα αναµόφωσης Μεταβολή οής O στην έξοδο του αντιδαστήα αναµόφωσης

24 . ΕΠΙ ΡΑΣΗ LPG ΣΤΟΝ ΚΑΥΣΤΗΡΑ 6 55 emperature K 8 6 Normal 3% -3% emperature K Normal 3% -3% 8 6 me s 8 6 me s Μεταβολή θεµοκασίας εξόδου στον αντιδαστήα αναµόφωσης Μεταβολή θεµοκασίας εξόδου ευστού από τον εναλλάκτη Ε3 emperature K me s Normal 3% -3% H & O flowrates lt/mn Normal 3% -3% H O 8 6 me s Μεταβολή θεµοκασίας εξόδου στον αντιδαστήα HS Μεταβολή οής H και O στην έξοδο του αντιδαστήα HS

25 . ΕΠΙ ΡΑΣΗ LPG ΣΤΟΝ ΚΑΥΣΤΗΡΑ O flowrate lt/mn 3 Normal 3% -3% emperature K 36 3 Out In Normal 3% -3% 8 6 me s me s Μεταβολή οής O στην έξοδο του αντιδαστήα HS Μεταβολή θεµοκασίας εισόδου και εξόδου στην κυψέλη καυσίµου

26 ΕΠΙΛΟΓΗ ΟΜΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ Θεµοκασία λειτουγίας του αντιδαστήα αναµόφωσης Θεµοκασία εξόδου του θεµού εύµατος του εναλλάκτη Ε3 Θεµοκασία εξόδου του θεµού εύµατος του συµπυκνωτή Θεµοκασία λειτουγίας κυψέλης καυσίµου Πααγωγή υδογόνου-ηλεκτικής ενέγειας ΧΕΙΡΑΓΩΓΟΥΜΕΝΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ Τοφοδοσία LPG στον καυστήα Παοχή ψυκτικού µέσου αέας Παοχή ψυκτικού µέσου νεό Παοχή ψυκτικού µέσου αέας Τοφοδοσία LPG στον αντιδαστήα αναµόφωσης Ελεγκτές λόγου οξυγόνου στον καυστήα και στην κυψέλη καυσίµου. Ελεγκτής λόγου νεού στον αντιδαστήα αναµόφωσης.

27 ΕΠΙΛΟΓΗ ΟΜΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ LPG storage _ sp_ F_ F sp 3 sp_3 HS REFORMER BURNER AIR _ sp_ E- E-3 AIR E- ONDENSER AIR AHODE INLE H O AIR POWER L-Ion Accumulator MIXER ANODE INLE F OOLAN JAKE H O storage E Flue gas to vent AIR _ sp_ AHODE OULE ANODE OULE

28 Ι ΙΟΤΗΤΕΣ PID ΕΛΕΓΧΟΥ Ο σκοπός ενός ελεγκτή είναι τιπλός α Εγγύηση της ευστάθειας του συστήµατος. β Απόσβεση διατααχών και οµαλή επαναφοά. γ Παακολούθηση δυναµικών αλλαγών. Σήµα Πόλωσης p t ps K c [ ε t ε t τ I τ D dε t ] Αναλογική άση Ολοκληωτική άση ιαφοική άση

29 ΙΑΚΡΙΤΗ ΜΟΡΦΗ PID ] [ t d t t K p t p D I c s ε τ ε τ ε Αναλογική άση Ολοκληωτική άση ιαφοική άση ] [ s D t I s c s t t t K p t p ε ε τ ε τ ε ] [ ] [ t t t K t K t t K t p t p s d c I s c c ε ε ε ε τ ε ε Postonal Form Postonal Form elocty Form elocty Form

30 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ P I D ΡΑΣΕΩΝ 98 emperature K εt Set-Pont P ontrol emperature K Υπέβαση Set-Pont PI ontrol emperature K 9 Set-Pont PID ontrol me sec me sec me sec P Έλεγχος PI Έλεγχος PID Έλεγχος Σταθεή απόκλιση. Αύξηση της αναλογικής ενίσχυσης οδηγεί σε: Μικότεη απόκλιση Γήγοη απόκιση Πιθανή παουσία ταλαντώσεων Απαλοιφή σφάλµατος. Παουσία υπεβάσεων. Εξάλειψη ταλαντωτικής συµπειφοάς. Συνδυάζεται πάντα µε P έλεγχο. Ευαισθησία σε θούβους. Χαµηλές τιµές του ολοκληωτικού όου οδηγούν σε: Γήγοες δάσεις Ταλαντωτική συµπειφοά Βελτίωση ευστάθειας.

31 ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΕΛΕΓΚΤΩΝ UNING Ο σκοπός του συντονισµού tunng πααµέτων ενός ελεγκτή είναι: ΓΡΗΓΟΡΕΣ ΑΠΟΚΡΙΣΕΙΣ ΙΚΑΝΟΠΟΙΗΤΙΚΗ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ υστυχώς όµως ο ένας στόχος αναγκάζεται να αναιέσει το άλλο. Υπάχουν τεις γενικές µέθοδοι : Μέθοδοι που αξιοποιούν την δοκιµή και σφάλµα στις πααµέτους του ελεγκτή. Ηµιεµπειικοί µέθοδοι που βασίζονται σε επιτυχηµένη πακτική αλλά µε θεωητική δικαιολόγηση. Συστηµατικές µέθοδοι που βασίζονται στην ικανοποίηση σχεδιαστικών κιτηίων. Zegler-Nchols yreus-luyben ohen-oon oon

32 ΜΕΘΟ ΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ZIEGLER-NIHOLS & ΤYREUS-LUYBEN Τα βήµατα της µεθόδου πειλαµβάνουν Ο ολοκληωτικός και διαφοικός όος µηδενίζονται. Κατά την διάκεια ενός δυναµικού πειάµατος επι5βάλλεται µία βηµατική µεταβολή. Αυξάνεται σταδιακά η ενίσχυση του ελεγκτή. Παατηούνται ταλαντώσεις σταθεού εύους κίσιµη πείοδος cu και κίσιµη ενίσχυση K cu. Βάση των cu και K cu µποούν να ποκύψουν οι τεις παάµετοι ενός PID ελεγκτή.

33 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ZIEGLER-NIHOLS & ΤYREUS-LUYBEN Παάµετοι βάση της µεθόδου Zegler-Nchols P Ελεγκτής K.5 K cu - τ I - τ D Κατά τονρι έλεγχο υλοποιείται µικότεη αναλογική σταθεά λόγω πόσθετης καθυστέησης φάσης. PI PID/PD.5 K cu.65 K cu.85 P cu.5 P cu -. P cu Κατά τον PID έλεγχο ηαναλογική ενίσχυση λαµβάνει µεγαλύτεες τιµές χωίς κίνδυνο αστάθειας. Παάµετοι βάση της µεθόδου yreus-luyben PI PID/PD Ελεγκτής K.3 K cu.5 K cu τ I. P cu. P cu - τ D P cu/ 6.3 Συντηητικές τιµές µεταξύ πααµέτων και κίσιµων τιµών. Ποκύπτουν αποκίσεις λιγότεο ταλαντωτικές και λιγότεο ευαίσθητες.

34 ΟΚΙΜΗ & ΣΦΑΛΜΑ- ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ οκιµή και σφάλµα σε όλες ή σε λιγότεες από τεις πααµέτους του ελεγκτή που έχουν όµως πωτίστως ποσδιοισθεί µε κάποια από τις αναφεθείσες µεθόδους. Τα σχεδιαστικά δυναµικά κιτήια που χησιµοποιούνται για τον βέλτιστο ποσδιοισµό πααµέτων ελεγκτή αφοούν το σύνολο της απόκισης. Integral of Square Error ISE ISE ε t Integral of Absolute Error IAE Οδηγεί σε άµεση επιθετική δάση. α σε µεγάλα σφάλµατα. εν χησιµοποιείται σε πειπτώσεις µόνιµης απόκλισης. IAE ε t Τιµωεί εξίσου µικά και µεγάλα σφάλµατα. Integral of Τme-Weghted Absolute Error IAE IAE t ε t Τιµωεί σφάλµατα που επιµένουν για µεγάλο χονικό διάστηµα.

35 ΒΗΜΑΤΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΛΕΓΚΤΩΝ Βήµατα επιλογής και υλοποίησης ελεγκτών

36 ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΚΡΙΣΕΩΝ emperature K 8 6 emperature K 5 me sec Set-Pont P ontrol Z-N -L PI ontrol Z-N PI ontrol -L PID ontrol Z-N PID ontrol -L Ελεγκτής _ αντιδαστήας αναµόφωσης emperature K emperature K emperature K me s Set-Pont P-ontrol Z-N -L PI-ontrol Z-N PI-ontrol -L PID-ontrol Z-N PID-ontrol -L Ελεγκτής _ me sec εναλλάκτης Ε3 6 8 me sec 5 Κίσιµη απόκιση στον αντιδαστήα αναµόφωσης Set-Pont P-ontrol Z-N -L PI-ontrol Z-N PI-ontrol -L PID-ontrol Z-N PID-ontrol -L Ελεγκτής _ emperature K 5 emperature K me s Set-Pont P-ontrol Z-N -L PI-ontrol Z-N PI-ontrol -L PID-ontrol Z-N PID-ontrol -L Ελεγκτής _3 Συµπυκνωτής Ε Set-Pont P-ontrol Z-N -L PI-ontrol Z-N PI-ontrol -L PID-ontrol Z-N PID-ontrol -L me s 5 5 me s Ελεγκτής _ κυψέλη καυσίµου Ελεγκτής F_ κυψέλη καυσίµου

37 ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΛΕΓΚΤΩΝ οκιµή & Σφάλµα µονάχα στους όους Ι D Ελαχιστοποίηση Κιτηίου ISE Επιλογή βέλτιστων τύπων ελεγκτή για την ολοκληωµένη µονάδα πααγωγής ενέγειας Σηµείο Ελέγχου Βέλτιστος Τύπος Ελεγκτή Αναλογική άση Ολοκληωτική άση ιαφοική άση ISE _ PID s 7.s 3. _ PID s.s 35.7 _3 PID s 3.75s 5. _ PID.35-3.s 5.75s 9. F_ PID. -.s.3s 38.5

38 ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΛΕΓΚΤΩΝ emperature K Set-Pont Reference emperature K Set-Pont Reference emperature K Set-Pont Reference me. s me s me s Ελεγκτής _ αντιδαστήας αναµόφωσης Ελεγκτής _ εναλλάκτης Ε3 Ελεγκτής _3 Συµπυκνωτής Ε emperature K Set-Pont Reference me s Hydrogen Flow lt/mn Set-Pont Reference me s Ελεγκτής _ κυψέλη καυσίµου Ελεγκτής F_ κυψέλη καυσίµου

39 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : : ήηση σηµάτων αναφοάς 3.5 emperature K Set-Pont Reference Ελεγκτής _ LPG flowrate lt/mn me. s me s Θεµοκασία λειτουγίας στον αντιδαστήα αναµόφωσης ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον καυστήα χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K me s Set-Pont Reference Ελεγκτής _ oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη Ε3 3 ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στον εναλλάκτη Ε3 χειαγωγούµενη µεταβλητή

40 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : : ήηση σηµάτων αναφοάς 35. emperature K Set-Pont Reference me s Ελεγκτής _3 oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη- συµπυκνωτή Ε ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή νεού στον εναλλάκτη-συµπυκνωτή Ε χειαγωγούµενη µεταβλητή 6 emperature K Set-Pont Reference me s Ελεγκτής _ oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία λειτουγίας στην κυψέλη καυσίµου ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στην κυψέλη καυσίµου χειαγωγούµενη µεταβλητή

41 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : : ήηση σηµάτων αναφοάς Hydrogen Flow lt/mn Set-Pont Reference Ελεγκτής F_ LPG Flowrate lt/mn me s me s Ροή υδογόνου στην έξοδο του αντιδαστήα HS ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον αντιδαστήα αναµόφωσης χειαγωγούµενη µεταβλητή SO % 8 6 Αξιοποίηση Ενέγειας oltage olt urrent A me s me s Κατάσταση φότισης συσσωευτή SO Τάση και ένταση εύµατος συσσωευτή

42 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Επιβολή αυθαίετων διατααχών στο σύστηµα emperature K Set-Pont Operaton Under Dsturbance emperature K me. s Ελεγκτής _ LPG flowrate lt/mn me. s me s Θεµοκασία λειτουγίας στον αντιδαστήα αναµόφωσης ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον καυστήα χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K Set-Pont Operaton Under Dsturbance me s % Πτώση καταλυτικής δάσης για t s. s. Ελεγκτής _ oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη Ε3 3 ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στον εναλλάκτη Ε3 χειαγωγούµενη µεταβλητή

43 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Επιβολή αυθαίετων διατααχών στο σύστηµα 35. emperature K Set-Pont Operaton Under Dsturbance me s Ελεγκτής _3 oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη- συµπυκνωτή Ε ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή νεού στον εναλλάκτη-συµπυκνωτή Ε χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K Set-Pont Operaton Under Dsturbance emperature K me s me s Ελεγκτής _ oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία λειτουγίας στην κυψέλη καυσίµου ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στην κυψέλη καυσίµου χειαγωγούµενη µεταβλητή

44 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Επιβολή αυθαίετων διατααχών στο σύστηµα. Hydrogen Flow lt/mn Set-Pont Operaton Under Dsturbance me s Ελεγκτής F_ LPG Flowrate lt/mn me s Ροή υδογόνου στην έξοδο του αντιδαστήα HS ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον αντιδαστήα αναµόφωσης χειαγωγούµενη µεταβλητή SO % 8 6 Αξιοποίηση Ενέγειας oltage olt urrent A me s.3 me s Κατάσταση φότισης συσσωευτή SO Τάση και ένταση εύµατος συσσωευτή

45 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο 3: Mετάβαση σε νέα δυναµική κατάσταση Hydrogen Flow lt/mn Set-Pont Operaton at New ransent Ελεγκτής F_ LPG Flowrate lt/mn me s me s Ροή υδογόνου στην έξοδο του αντιδαστήα HS ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον αντιδαστήα αναµόφωσης χειαγωγούµενη µεταβλητή SO % me s % Αύξηση απαίτησης ενέγειας για t s. s. Αξιοποίηση Ενέγειας oltage olt me s urrent A Κατάσταση φότισης συσσωευτή SO Τάση και ένταση εύµατος συσσωευτή

46 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο 3: Mετάβαση σε νέα δυναµική κατάσταση emperature K Set-Pont Operaton at New ransent emperature K me. s Ελεγκτής _ LPG flowrate lt/mn me. s me s Θεµοκασία λειτουγίας στον αντιδαστήα αναµόφωσης ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον καυστήα χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K Set-Pont Operaton at New ransent me s Ελεγκτής _ oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη Ε3 3 ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στον εναλλάκτη Ε3 χειαγωγούµενη µεταβλητή

47 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο 3: Mετάβαση σε νέα δυναµική κατάσταση emperature K Set-Pont Operaton at New ransent me s Ελεγκτής _3 oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη- συµπυκνωτή Ε ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή νεού στον εναλλάκτη-συµπυκνωτή Ε χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K 5 5 Set-Pont Operaton at New ransent emperature K me s me s Ελεγκτής _ oolant Flowrate lt/mn me s Θεµοκασία λειτουγίας στην κυψέλη καυσίµου ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στην κυψέλη καυσίµου χειαγωγούµενη µεταβλητή

48 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Μελέτη αγών/γήγοων γήγοων δυναµικών δάσεων controller schedulng emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton Ελεγκτής _ LPG flowrate lt/mn Fast Acton Slow Acton me s me s Θεµοκασία λειτουγίας στον αντιδαστήα αναµόφωσης ελεγχόµενη µεταβλητή Τοφοδοσία LPG στον καυστήα χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton me s Μόνο για PI Έλεγχο Ελεγκτής _ oolant flowrate lt/mn Fast Acton Slow Acton me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη Ε3 3 ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στον εναλλάκτη Ε3 χειαγωγούµενη µεταβλητή

49 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Μελέτη αγών/γήγοων γήγοων δυναµικών δάσεων controller schedulng emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton me s Ελεγκτής _3 oolant flowrate lt/mn Fast Acton Slow Acton me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη- συµπυκνωτή Ε ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή νεού στον εναλλάκτη-συµπυκνωτή Ε χειαγωγούµενη µεταβλητή 5. emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton Ελεγκτής _ oolant flowrate kg/s Fast Acton Slow Acton me s me s Θεµοκασία λειτουγίας στην κυψέλη καυσίµου ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στην κυψέλη καυσίµου χειαγωγούµενη µεταβλητή

50 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Μελέτη αγών/γήγοων γήγοων δυναµικών δάσεων controller schedulng.5 emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton Ελεγκτής _ LPG flowrate lt/mn Fast Acton Slow Acton me s Θεµοκασία λειτουγίας στον αντιδαστήα αναµόφωσης ελεγχόµενη µεταβλητή me s Τοφοδοσία LPG στον καυστήα χειαγωγούµενη µεταβλητή 6 35 emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton me s Ελεγκτής _ oolant flowrate lt/mn Fast Acton Slow Acton me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη Ε3 3 ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στον εναλλάκτη Ε3 χειαγωγούµενη µεταβλητή

51 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Σενάιο : Μελέτη αγών/γήγοων γήγοων δυναµικών δάσεων controller schedulng emperature K Set-Pont Fast Acton Slow Acton me s Ελεγκτής _3 oolant flowrate lt/mn Fast Acton Slow Acton me s Θεµοκασία εξόδου ευστού στον εναλλάκτη- συµπυκνωτή Ε ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή νεού στον εναλλάκτη-συµπυκνωτή Ε χειαγωγούµενη µεταβλητή emperature K 36 3 Set-Pont Fast Acton Slow Acton me s Ελεγκτής _ oolant flowrate lt/mn 5 3 Fast Acton Slow Acton me s Θεµοκασία λειτουγίας στην κυψέλη καυσίµου ελεγχόµενη µεταβλητή Παοχή αέα στην κυψέλη καυσίµου χειαγωγούµενη µεταβλητή

52 ΣΥΝΟΨΗ ΕΠΙΛΟΓΟΣ Η µαθηµατική µοντελοποίηση ποχώησε µε γνώµονα την ποσοµοίωση βασικών χαακτηιστικών του συστήµατος και την χαµηλή υπολογιστική δυσκολία. Η ανάλυση ποσοµοιώσεων ανοικτού βόχου κατέδειξε τα βασικά σηµεία ελέγχου καθώς και την επίδαση βασικών µεταβλητών στην λειτουγία του συστήµατος. Σύµφωνα µε τις ηµι-εµπειικές τεχνικές Zegler-Nchols και yreus- Luyben ποχώησε ο ανεξάτητος συντονισµός tunng πααµέτων ελεγκτή. Η βέλτιστη επιλογή τύπου ελεγκτή ολοκληώθηκε µε χήση του κιτηίου ISE για µία ποσοµοιωµένη παγµατική λειτουγία του συστήµατος.

53 ΣΥΝΟΨΗ ΕΠΙΛΟΓΟΣ Η αξιολόγηση του κατανεµηµένου συστήµατος ελέγχου πειελάµβανε: - Παακολούθηση σήµατος αναφοάς -Απόσβεση διατααχών -Μελέτη νέων δυναµικών καταστάσεων Στα σενάια ποσοµοιώσεων κλειστού βόχου το κατανεµηµένο σύστηµα χαακτηίστηκε άιστα από: -Eµφάνιση µηδενικού σφάλµατος -Aµελητέων υπεβάσεων -Γήγοων αποκίσεων στις εντολές ελέγχου. Στην ανεξάτητη µελέτη αγών/γήγοων γήγοων δάσεων ποέκυψε η δυνατότητα συνδυασµένης δάσης µε στόχο καλύτεα αποτελέσµατα ποκαθοισµένη λειτουγία και δυναµικές αλλαγές.

54 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΑ ΒΗΜΑΤΑ Σύγκιση αποτελεσµάτων ποσοµοίωσης µε πειαµατικά δεδοµένα π.χ. ποφίλ χήσης οχήµατος και βελτίωση του µοντέλου. Ανάπτυξη γαµµικού και µη-γαµµικού ποηγµένου συστήµατος ελέγχου ποβλεπτικός έλεγχος οικονοµία συστήµατος κτλ. Γαµµική ανάλυση που θα συµπειλαµβάνει: - Γαµµικοποίηση µοντέλων και ελεγκτή -Χήση συνατήσεων µεταφοάς -Ανάλυση διαγαµµάτων Bode και Nyqust -Ανάλυση γεωµετικού τόπου πόλων/µηδενικών µηδενικών. Μελέτη και ανάπτυξη ποσαµοστικού ελέγχου αβεβαιότητα κινητικών πααµέτων καταλύτη. Εφαµογή και υλοποίηση της θεωητικής µελέτης σε ενσωµατωµένα συστήµατα embedded systems. Αξιοποίηση άλλων καυσίµων π.χ. βιοµάζα αιθανόλη ως τοφοδοσία.

55 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αν.Καθηγητή Ν. Κααµπετάκη Τµήµα Μαθηµατικών Α.Π.Θ. Εευνητή Α Σ. Βουτετάκη Ι..Ε.Π././Ε.Κ.Ε.Τ.Α. Καθηγητή Π. Τζιώνα Τµήµα Αυτοµατισµού Α.Τ.Ε.Ι.Θ. Επιστηµονικό Συνεγάτη Σ. Μαστογεωγόπουλο Τµήµα Χηµικών Μηχανικών Α.Π.Θ. Εγαστήιο Ανάπτυξης Ολοκληωµένων Συστηµάτων & ιεγασιών Καθ. Σ. Παπαδοπούλου Αν. Καθ. Π. Σεφελής