دفع اثر اغتشاشات ورودی و خروجی و تضعیف نویزهای وارد بر فرآیند برج تقطیر نفت خام با استفاده از یک ساختار فیلتر شده الگوریتم کنترل

Transcript

1 45 دفع اثر اغتشاشات ورودی... دفع اثر اغتشاشات ورودی و خروجی و تضعیف نویزهای وارد بر فرآیند برج تقطیر نفت خام با استفاده از یک ساختار فیلتر شده الگوریتم کنترل پیشبین تعمیمیافته *2 محسن رزازان 1 و امین رمضانی 1- باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسالمی واحد علوم و تحقیقات تهران ایران 2- دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه تربیت مدرس تهران ایران تاريخ دريافت: 93/10/14 تاريخ پذيرش: 94/3/16 چكيده برج تقطیر یکی از مهمترین واحدهای پاالیشگاه نفت است که بر پایه اختالف در نقطه جوش اجزای تشکیل دهنده نفت خام عمل میکند. عملکرد بیشتر واحدهای بعد از برج وابستگی مستقیمی به نحوه کارکرد آن دارد و هرگونه اغتشاش در عملکرد برج تقطیر سایر واحدهای پاالیشگاه تأثیر مستقیم میگذارد. به همین دلیل طراحی یک کنترلکننده مناسب برای فرآیند تقطیر که بتواند با اثر اغشاشات ورودی و خروجی مقابله کند بسیار اهمیت دارد. هدف اصلی در کنترل برج تقطیر کاهش مصرف انرژی و نگهداشتن ترکیب محصوالت در مقدار مطلوب میباشد. بهمنظور دستیابی به این اهداف باید کنترلکنندهای انتخاب شود که توانایی شناسایی مداوم حالتها و پیشبینی اغتشاشات و نویزهای موجود در فرآیند را داشته باشد و بتواند با مشکالت وجود تأخیر و تداخل شدید بین حلقههای کنترلی این فرآیند مقابله کند. با توجه به توانایی کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته در کنترل سیستمهای چند متغیره و دارای تأخیرهای چندگانه در این مقاله از این روش برای کنترل برج تقطیر استفاده شده است. همچنین برای دفع اثر اغتشاشات ورودی و خروجی و کاهش اثر نویزهای وارد بر فرآیند یک فیلتر پایینگذر در مدل پیشبین لحاظ شده است. نتایج شبیهسازیها حاکی از آن است که ساختار کنترلی پیشنهادی عملکرد بسیار مناسبی در مقابل اغتشاشات ورودی و خروجی و نویز وارد شده به فرآیند از خ ود نش ان میده د. كلمات كليدي: برج تقطیر نفت کنترل پیشبین مبتنی بر مدل کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته اغتشاشات ورودی و خروجی فیلتر پایینگذر Ramezani@modares.ac.ir *مسؤول مكاتبات آدرس الكترونيكي

2 شماره 46 مقدمه در کشورهای در صنایع مهمترین از یکی نفت صنعت بررسی و میباشد توسعهیافته حتی و توسعه حال و مختلف علوم در همواره صنعت این مختلف مراحل است. بوده توجه مورد مهندسی علوم خاص بهطور از یکی بهعنوان تقطیر برجهای صنعت این در است شده شناخته بخشها اصلیترین و مهمترین جمله از علمی تحقیقات در را آن اهمیت این که پرطرفدارترین جزء کنترل مهندسین تحقیقات تقطیر برج در نهایی هدف است. داده قرار مباحث مطلوب خلوص با و ارزش با مشتقات جداسازی نفت و است بازار نیاز به پاسخگویی برای خام نفت از مصرف و عرضه برای امروزه که رقابتی فضای در با محصوالت است آمده وجود به نفتی مشتقات میباشد. نیاز مورد پیش از بیش باال خلوص درجه یا و شود رد کیفیت لحاظ از نباید نهایی محصول انجام صورت این در زیرا گردد. زائد مواد به تبدیل از داشت. خواهد بر در اضافی هزینه فرآیند دوباره کاهش تقطیر برج کنترل اصلی وظیفه جهت این محصوالت ترکیب نگهداشتن ثابت و انرژی مصرف بهینهسازی محاسبات انجام و است مطلوب مقدار در انگیزهای تلفات حداقل با اقتصادی بهرهبرداری و شرایط تابع که است محصول کیفیت حفظ برای میباشد. تولید فرآیند در متعدد نویزهای و اغتشاشات وجود بهدلیل مقدار از خروجی محصوالت کیفیت خام نفت تقطیر زیادی عوامل همچنین میگیرد. فاصله مطلوب موجود اغتشاشات و محیطی شرایط تغییرات همچون داشته آن عملکرد نحوه بر زیادی تاثیر میتواند که هستند متغیرهایی از دسته آن اغتشاشات باشد. انحراف باعث و است کنترل غیرقابل آنها تغییرات در عمدهای اختالالت و شده مطلوب حالت از سیستم با مقابله دلیل همین به میآورند. بهوجود فرآیند مشخص با دارد. ویژهای اهمیت آنها مخرب اثرات درصد ترکیب و خوراک غلظت و مقدار نوع شدن بسیاری مهندسی محاسبات محصوالت نیاز مورد اغتشاشات وجود بهدلیل اما میگیرد. انجام خلوص خوراک غلظت و دما مقدار تغییرات مانند تقاضای بهدلیل همچنین میکند. تغییر محصوالت از متفاوتی درصدهای ترکیب است ممکن بازار طراحی از پس ]1[. باشد نیاز مورد محصوالت اولیه طراحی تغییر تقطیر برج یک نصب و ساخت با مواد آوردن بهدست برای کنترلکننده سیستم همچنین است. مشکل بسیار نیاز مورد خلوصهای با فرآیند به ورودی خوراک مشخصات تغییر امکان کنترل برای موارد دراین دارد. وجود زمان گذشت با کنترلکنندهای از خروجی محصوالت کیفیت تغییر قابل مشخصههای از بعضی تغییر امکان فرآیندهای بیشتر در میشود. استفاده برجها در رای ب PID د مانن ومی مرس ای کنترلکنندهه ی صنعت کنترلکنندهها این میرود. کار به فرآیندها کنترل اثر در میشود. تنظیم فرآیند اولیه طراحی پایه بر مرور به محیطی شرایط تغییر و دستگاهها استهالک شده دور خود اولیه طراحی حالت از فرآیند زمان خود قبلی عملکرد مشابه کنترل سیستم نتایج و کنترلکنندههای عملکرد همچنین بود. نخواهد خروجی چند ورودی- چند فرآیندهای در سنتی و ضعفها تقطیر برجهای مانند زمانی تأخیر دارای تأثیر تحت را پاسخ کیفیت که دارد محدودیتهایی باید فرآیندها اینگونه کنترل برای میدهد. قرار شناسایی توانایی که شود انتخاب کنترلکنندهای نویزهای و اغتشاشات پیشبینی و حالتها مداوم مشکالت با بتواند و باشد داشته را فرآیند در موجود کنترلی حلقههای بین شدید تداخل و تأخیر وجود مدل بر مبتنی پیشبین کنترلکننده کند. مقابله این کنترل در باال بسیار توانایی بهدلیل 1 ) MPC (ا استفاده با کنترلی سیگنال محاسبه و فرآیندها قبیل اهداف میتوان که هزینه تابع یک بهینهسازی از مناسبی ایده کرد لحاظ آن در را کنترلی مختلف میباشد. تقطیر فرآیند کنترل برای 1. Model Predictive Control

3 47... ورودی اغتشاشات اثر دفع 1. Linear Quadratic Gaussian 2. Internal Model Control کنترل برای الگوریتم این از مقاله این در رو این از است. شده استفاده موردنظر فرآیند برج به مربوط مقاله این در مطالعه مورد مدل این ]2[. میباشد شل شرکت خام نفت تقطیر توصیف موراری و پ رت توسط بار اولین برای مدل در مختلف استراتژیهای برای گسترده بهطور و چالش ]3[. است شده استفاده تقطیر برج مسأله باالی مصرف خام نفت تقطیر فرآیند در اصلی مشخصههای با محصوالت تولید ضرورت و انرژی اغتشاشات آنجاییکه از میباشد. باال کیفیت و دقیق محصوالت کیفیت میتوانند فرآیند بر وارد نویزهای و فراوانی پژوهشهای دهد قرار تأثیر تحت را خروجی نویزهای اثر کاهش و اغتشاشات دفع منظور به و والکوس است. شده انجام تقطیر فرآیند بر وارد ژنتیک الگوریتم بر مبتنی راهحل یک ]4[ همکاران نمودهاند ارائه PID کنترلکننده ضرایب تنظیم برای اسمیت جبرانساز و اغتشاش تخمینگر از آن در که اثر دفع جهت دیگری راهکار است. شده استفاده توسط شل تقطیر برج فرآیند بر وارد اغتشاشات درنظر با که است گرفته صورت همکاران و چاو ترکیب از استفاده با و اغتشاش ورودیهای گرفتن به بهینهسازی مسأله حل و 1 LQG و MPC روش دو وان ]5[. میکند پیدا دست بهینه عملیاتی وضعیت وارد اغتشاشات دفع و مقاومت بهبود برای همکاران و پایینگذر فیلتر یک افزودن فرآیند خروجیهای بر ]6[. دادند پیشنهاد را 2 IMC کنترلی ساختار روی بر اغتشاش دفع سرعت بهبود برای همکاران و سنتوس بهصورت که تأخیرداری چندمتغیره فرآیندهای در جبرانساز ساختار یک از هستند پایدار باز حلقه پژوهش در ]7[. نمودند استفاده شده فیلتر اسمیت رسیده چاپ به 2014 سال در که کائو و گو اغتشاش با مقابله برای کنترلی روشهای بر مروری گرفته انجام چندگانه اغتشاشات دارای فرآیندهای در و ریماندی توسط شده ارائه مقاله در است] 8 [. گرفته صورت تحقیقات جدیدترین جزء که همکاران این کنترل میباشد خام نفت تقطیر فرآیند برای با اندازهگیری قابل اغتشاشات حضور در فرآیند مورد تطبیقی پیشبین کنترلکننده از استفاده همکاران و ژانگ ]9[. است گرفته قرار بررسی بههمراه H 2 مقاوم کنترل روش یک اخیرا نیز و چندمتغیره سیستمهای برای اغتشاش رؤیتگر اصلی مزیت دادند. ارائه چندگانه تأخیرهای دارای عدم با مقابله در سیستم عملکرد بهبود روش این در میباشد. بزرگ خروجی اغتشاشات و قطعیتها دو مدل یک روی بر پیشنهادی روش مطالعه این شده پیادهسازی شل تقطیر برج خروجی دو ورودی- مود خروجی در اغتشاش اثر دفع در آن توانایی و ]10[. است گرفته قرار بررسی اغتشاش ورودیهای فقط پژوهشها این اکثر در لحاظ کنترلکننده طراحی در اندازهگیری قابل بر ممکن اغتشاشات پژوهشی کمتر در و شده شده گرفته درنظر خروجیها و ورودیها روی درنظر اغتشاشات این که مواردی معدود در است. دارای پیشنهادی کنترلی ساختار نیز شده گرفته و باال محاسبات حجم فراوان پیچیدگیهای رد اینرو از میباشد. عملی پیادهسازی در مشکالت و کنترلی ساختار بودن عملیتر بهمنظور مقاله این کنترلکننده طراحی واقعی دنیای به بودن نزدیک طی که میگیرد صورت شرایطی گرفتن درنظر با دچار خروجی و ورودی متغیرهای است ممکن آن توانایی کنترلی ساختار همچنین و شوند اغتشاش باشد. داشته را فرآیند بر وارد نویزهای اثر تضعیف مسأله بیان در پژوهش این در مطالعه مورد تقطیر برج شماتیک این عملکرد نحوه است. شده داده نشان )1( شکل دیده حرارت خوراک که است صورت بهاین فرآیند سمت به بخار میشود. فرآیند وارد برج پایین از پایین سینیهای از که مایعی با و کرده حرکت باال میکند. انرژی و جرم تبادل میآید برج

4 شماره 48 باال محصول جریان دبی باال محصول ترکیب باال برگشتی جریان جانبی محصول جریان دبی جانبی محصول ترکیب مطالعه. مورد تقطیر برج شماتیک 1 شکل میانی برگشتی جریان پایین برگشتی جریان پایین برگشتی جریان دبی خوراک خود جوش نقطه در برج داخل مایعات که آنجا از به تبدیل بخار از مقداری تماس هر در هستند میشود. بخار به تبدیل نیز مایع از قسمتی و مایع از اشباع بخاری تماسها این مجموعه نهایی نتیجه از اشباع مایعی و کم جوش نقطه با هیدروکربنهایی با نهایت در میباشد. باال جوش نقطه با نفتی مواد تهمانده و جانبی باال محصول تقطیر عملیات انجام دبی فرآیند این در میشوند. خارج برج از تقطیر جانبی محصول جریان دبی و باال محصول جریان داده نشان برج راست سمت در )1( شکل در که ای ورودیه ن پایی تی برگش ان جری راه هم ه ب ده ش ترکیب نیز خروجی متغیرهای میباشند. کنترلی دمای و جانبی محصول ترکیب باالیی محصول جریان شوند. کنترل باید که میباشند برج پایین ورودیهای هم میانی برگشتی جریان و باال برگشتی هستند. اغتشاش بیان زیر بهصورت فرآیند این دینامیکی مدل میگردد] 2 [: )1( بهترتیب U 3 و U 2 U 1 کنترلی سیگنالهای آن در که جریان دبی باالیی محصول جریان دبی به مربوط و هستند پایین برگشتی جریان و جانبی محصول ترکیب بهترتیب Y 3 (s( و Y 2 Y 1 خروجیهای جریان دمای و جانبی محصول ترکیب باال محصول و تأخیرها تمامی میباشند. برج پایین برگشتی مقیاس در فرآیند تبدیل تابع مدل زمانی ثابتهای این برای نظر مورد کنترلی اهداف هستند. دقیقه حلقههای بین شدید تداخل اثر تضعیف فرآیند جلوگیری و سیستم نشست زمان کاهش کنترلی خروجی محصوالت ترکیب تغییرات و نوسانات از اغتشاشات حضور در مطلوب مقادیر به نسبت میباشد. فرآیند بر وارد نویزهای و خروجی و ورودی و نویز اثر تضعیف با تا میشود تالش بهعالوه باعث که اضافی کنترلی اقدامات از اغتشاشات دفع ردد. گ ری جلوگی ود میش رژی ان رف مص ن رفت اال ب فرآیند برای کنترلکننده طراحی مدل بر مبتنی پیشبین کنترل استفاده که پیشرفته کنترلی روشهای از یکی است افزایش به رو بهشدت صنعت در آن از میباشد. )MPC( مدل بر مبتنی پیشبین کنترل خانوادهای به مدل بر مبتنی پیشبین کنترلکننده زا استفاده با که میشود گفته کنترلکنندهها از تابع یک کردن کمینه با و پیشبین مدل یک میآورد. بهدست را کنترلی سیگنال هزینه

5 49... ورودی اغتشاشات اثر دفع محدود بازه یک در کنترل بهینه بردار روش این در حاصل زیر صورت به هدف تابع یک بهینهسازی با ]11[: میگردد )2( خروجی بهینه پیشبینی امین j y (t+j t( باال رابطه در N 2 و N 1 است. t زمان تا دادهها براساس سیستم مرجع w(t+j( بیشینه و کمینه پیشبینی افقهای ماتریسهای Q و R و آینده در خروجی بردار مطلوب با کنترلکننده هستند. معین مثبت وزندهی شده پیشبینی خروجی بین اختالف کردن کمینه کنترلی تالش همچنین و مطلوب مرجع مسیر و میکند. محاسبه را کنترلی سیگنال تعمیمیافته پیشبین کنترل اولین که 1 )GPC( تعمیمیافته پیشبین کنترل روش رایجترین از یکی به شد ارائه کالرک توسط بار دانشگاهها در و صنعت در پیشبین کنترل روشهای روشهای از یکی حاضر درحال و شده تبدیل این مهم ویژگیهای از میباشد. MPC قدرتمند کاهش راحت فهم خوب عملکرد به میتوان روش فرموله و فرآیند کردن مدل جهت الزم پارامترهای این در شده استفاده مدل کرد. اشاره آسان کردن میباشد] 2 [. فرآیند انتقال تابع مدل روش GPC روش در کنترلی قانون آوردن بهدست نحوه متغیره چند فرآیندهای برای با چندمتغیره فرآیند یک از گسستهای زمان توصیف بگیرید: درنظر را زیر بهصورت خروجی n و ورودی m yt Pz ut ( 1) () ( ) () = )3( فرآیند n m تبدیل تابع ماتریس P(z 1- ( آن در که تبدیل تابع یک P ij z) 1- ( آن درایه هر که است y(t( همچنین میباشد. خروجی یک ورودی- یک ورودیها 1 m بردار u(t( و خروجیها 1 n بردار نمونهبرداری t=kt s زمانهای در متغیرها است. زمان T s و مثبت و صحیح عدد یک k که شدهاند میتوان را P ij z) 1- ( درایه هر هستند. نمونهبرداری کلی حالت در آورد. بهدست P ij )s) گسستهسازی با ورودی بین مرده زمانهای دارای فرآیند زمانیکه زمان دارای P ij z) 1- ( درایه هر است خروجیها و امین j بین مرده زمان این که است d ij تأخیر زمانهای از تعدادی توسط خروجی امین i و ورودی بنابراین: میشود. بیان نمونهبرداری )4( کمترین توسط خروجی هر برای موثر تأخیر زمان تبدیل تابع ماتریس از سطر هر درایههای تأخیر i خروجی موثر مرده زمان بنابراین میشود. تعیین چندمتغیره مدل حال d. i =min j [d ij [ با است برابر میکنیم: توصیف زیر بهصورت را Pz Dz Gz ( 1) ( 1) ( 1) ( ) ( ) ( ) = )5( ماتریس g ij (z -1 ( درایههای با G (z -1 ( )5( رابطه در است مشترک تأخیر زمانهای بدون تبدیل تابع است جملهای چند قطری ماتریس یک D(z 1- ( و زیر بهصورت را G(z 1- ( میباشد. z -di آن عناصر که میکنیم: تعریف )6( قطری چندجملهای ماتریس یک A(z 1- ( باال معادله در گرفتن با عناصر این که میباشد A ii (z -1 ( عناصر با A ij z) 1- ( مخرجهای مشترک مضرب کوچکترین محاسبه P(z 1- ( ماتریس در متناظرشان سطر از از نیز B ij (z -1 ( درایههای با B(z -1 ( ماتریس میشوند. است: دستیابی قابل زیر رابطه )7( یک ورودی- یک تبدیل توابع g ij z) 1- ( آن در که به مربوط d i مشترک زمانی تأخیر بدون و خروجی میباشد. متناظرشان خروجی نیز B ij (z -1 ( و A ii (z -1 ( چندجملهای ماتریسهای میشود: بیان زیر بهصورت 1. Generalized Predictive Control

6 شماره 50 هر مشترک مضرب کوچکترین و خروجی هر مرده تفسیر یک نظر مورد روش در اما شوند. حل سطر میشود. ارائه سادهتر کمترین از بیشتر واحد یک کمینه پیشبینی افق بیشینه و N( i1 =d i )1+ خروجی متناظر سطر تأخیر پیشبینیها میباشد. N i2 =d i +N 0i پیشبینی افق ز ا و k=d i تا 1=k برای مجزا بهصورت میتوان را رابطه ابتدا داد. انجام خروجی هر برای k=n i2 تا k=n i1 پیشبینیهای و k=d i از قبل پیشبینیهای میان ترتیب این به میگیریم. درنظر را k=n i2 تا k=n i1 داریم: ام i خروجی برای )13( گذشته و u( fj ( آینده کنترلی سیگنال باال عبارت در میشود: بیان زیر رابطه توسط u( pj ( )14( H ij naا 1 ( ا iا ( ابعاد دارای S i ماتریسهای رابطه) 13 ( در برای هستند. N( 0i nb ij بعد) از H pij و )N 0i Nu j ابعاد) با فرآیند کلی پیشبینی از برداری رابطه یک ارائه اعمال خروجیها همه به میتواند فوق مراحل شود: y =Hu f +H p u p +Sy d )15( میشوند: تعریف زیر بهصورت رابطه) 15 ( عناصر )16( )8( متفاوت زمانی تأخیرهای به توجه با کلی درحالت پیشبینی افقهای سیستم از خروجی هر روی بر و ورودی هر برای مستقل بهصورت باید کنترل و افقهای N i2 و N i1 بنابراین شوند. تعیین خروجی افق N j3 و ام i خروجی بیشینه و کمینه پیشبینی تحلیل به ادامه در میباشد. ام j ورودی کنترل ود. میش ه GPCپرداخت ل ح رای ب ر موردنظ اختار س نقطه یک حول فرآیند تنظیم مسأله هنگامیکه شده خطی مدل از میتوان باشد مدنظر کاری رای ب CARIMA دل م ک ی رد. ک تفاده اس CARIMA زیر بهصورت خروجی n و ورودی m با فرآیند یک میگردد: بیان )9( نشاندهنده n n ماتریس یک T(z 1- ( رابطه) 9 ( در پیچیدگی بهدلیل کلی حالت در و است نویز همانی ماتریس با برابر نویز مشخصات شناسایی است قطری A(z 1- ( ماتریس چون میشود. فرض خروجی هر بهینه پیشبینی آوردن بهدست برای استفاده هم از مستقل دیوفانتین معادالت از میتوان محاسبه زیر بهصورت ام i خروجی بنابراین کرد. میشود: )10( B i =[B i1 B i2 B im [ و سفید نویز بیانگر که) e(t حل با فرآیند خروجیهای پیشبینی میباشد. میآید: بهدست زیر دیوفانتین معادله )11( محاسبه زیر بهصورت y i بهینه) t+k t ) پیشبینی میشود: پیشبینی از کلی عبارت یک به ترتیب این به قانون آوردن بهدست نوبت حال رسیدیم. خروجی میتوان را معادله) 15 ( است. کنترلی سیگنال )12( na i مرتبه از F ik (z -1 ( و k-1 مرتبه از E ik (z -1 که) استفاده با میتوانند دیوفانتین معادالت میباشد. زمان کمترین کردن جدا بدون و اصلی مدل از

7 51... ورودی اغتشاشات اثر دفع نوشت: y =Hu f +f r )17( f r =H p u p +Sy d با است. سیستم آزاد پاسخ f r )17( رابطه در کنترلی سیگنال )2( رابطه هزینه تابع بهینهسازی میآید: بهدست زیر بهصورت u=k(w-f r ( )18( K=(H T QH+R) -1 H T Q پیشبین کنترل در پیشرونده افق خاصیت دلیل به بنابراین است. نیاز مورد t لحظه در u(t( فقط تعریف K m آنرا )که K ماتریس از اول ردیف m فقط f r عبارت از استفاده با شود. محاسبه باید میکنیم( مینویسیم: زیر بهصورت را u(t( رابطه) 17 ( در u(t)=k m w-k m -H p u p -K m Sy d (19) کنترلکننده پارامترهای تنظیم پیشبین کنترلکننده طراحی در قدم اولین دینامیک به توجه با که است مدل گسستهسازی طوری باید نمونهبرداری زمان میشود. انجام فرآیند سیستم دینامیک مهم قسمتهای که شود انتخاب در نمونهبرداری زمان نگردد. حذف نمونهبرداری در مرجع در شده پیشنهاد الگوریتم براساس مقاله این تأخیر دارای چندمتغیره سیستمهای برای ]12[ میشود: انتخاب زیر رابطه بهصورت زمانی T ij =Max(0.1τ ij,0.5θ ij ( )20( T s =Min(T ij ( و j ورودی به نسبت i خروجی زمانی ثابت τ ij رابطه) 20 ( در این به توجه با است. j ورودی به نسبت i خروجی تأخیر θ ij دقیقه 19 سیستم مدل در زمانی ثابت کمترین چون رابطه نمونهبرداری زمان میباشد دقیقه صفر تأخیر کمترین و تابع ماتریس میشود. انتخاب 2 min گسستهسازی برای دقیقه 2 نمونهبرداری زمان برای گسسته زمان تبدیل میشود: بیان زیر بهصورت هر برای گسسته سیستم در خالص تأخیر کمترین 13 با برابر بهترتیب نمونهبرداری زمان در خروجی پیشبینی افق کمینه مقدار بنابراین است. 0 و 6 1 و 7 14 با برابر ترتیب به خروجیها برای N( 1 ( میآید. بهدست با برابر کنترل افق شبیهسازیها انجام برای از شدهاند. گرفته درنظر 30 پیشبینی افق و 15 برای میتوان نیز هزینه تابع وزنی ماتریسهای اهمیت میزان تعیین و خروجیها کردن متعادل شبیهسازیهای انجام در کرد. استفاده مصرفی انرژی است] 2 [. شده گرفته درنظر R=0.2I و Q=I مقاله این اثر دفع برای پایینگذر فیلتر یک افزودن نویز و خروجی و ورودی متغیرهای اغتشاشات خروجیهای است ممکن شد گفته که همانطور ورودیها بر وارد اغتشاشات بهخاطر فرآیند خود مطلوب مقدار از فرآیند نویزهای و خروجیها بگیرد. فاصله حذف را مزاحم ورودیهای اثر بتواند باید کنترلکننده دارد. نگه تنظیم نقطه در را خروجی متغیرهای و کرده خروجی و ورودی متغیرهای در اغتشاش اثر دفع برای مطابق فرآیند خروجیهای روی بر موجود نویزهای و مسیر در پایینگذر فیلتر یک میتوان شکل) 2 ( در فیلتر این افزودن با کرد. اضافه پیشبینی حلقه نویز و اغتشاشات اثر پیشبین کنترلکننده ساختار کاهش است اهمیت دارای باال فرکانسهای در که پایین فرکانس اغتشاشات همچنین و میشود داده آسان اصالح این میگردد. حذف عنصر توسط نیز و ورودی اغتشاشات دفع امکان پیشبینی روند در را فرآیند نویزهای اثر تضعیف و خروجی اغتشاشات ت داش ر درنظ د بای ز نی را ه نکت ن ای د. میکن م فراه کردن اضافه با سیستم بسته حلقه نامی عملکرد که هیچ هنگامیکه و نمیگیرد قرار تأثیر تحت فیلتر فیلتر ندارد وجود فرآیند روی بر نویزی و اغتشاش نمیگذارد. سیستم پاسخ کیفیت روی بر تأثیری هیچ )21(

8 52 شماره شکل 2 ساختار کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته پیشنهادی برای فرآیند برج تقطیر. بنابراین طراحی کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته چندمتغیره پیشنهادی در دو مرحله انجام میگیرد. به اینصورت که ابتدا افقهای پیشبینی و کنترل و ماتریسهای وزندهی تابع هزینه به منظور دستیابی به عملکرد مطلوب فرآیند انتخاب میشود و سپس طراحی فیلتر پایینگذر با هدف بهبود عملکرد کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته در مقابل اغتشاشات ورودی و خروجی و نویزهای فرآیند انجام میگیرد. فیلتر پایینگذر موردنظر در سیستمهای F i چندمتغیره یک ماتریس قطری با عناصر ( 1- z) میباشد که بهصورت زیر طراحی میشود: )21( در این رابطه β قطب فیلتر میباشد. این پارامتر طراحی با توجه به دستیابی به مشخصات پایینگذر مطلوب انتخاب میشود. در فرآیند مورد نظر β برابر 0/8 درنظر گرفته میشود. نتایج شبیهسازی در این بخش برای نشان دادن کارآیی و عملکرد روش ارائه شده کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته طراحی شده به مدل برج تقطیر نفت خام اعمال میشود و نتایج شبیهسازی در برنامه MATLAB بررسی میگردد. در کلیه شکلها روش GPC با ساختار پیشنهادی و روش GPC معمولی که در مرجع] 2 [ شرح داده شده است مقایسه شده است. در شبیهسازیها مقادیر مرجع برای خروجیهای اول دوم و سوم بهترتیب برابر 0/5 1 و 0/2 فرض شده است. در تمامی شکلهای این بخش نمودارهای باال مربوط به خروجیها است که شامل ترکیب محصول باال و ترکیب محصول جانبی و دمای جریان برگشتی میباشند. نمودارهای پایین نیز نشاندهنده تغییرات ورودیهای کنترلی از مقادیر اولیه آنهاست که همگی از جنس دبی هستند. تمامی این متغیرهای ورودی و خروجی در بخش بیان مسئله نیز معرفی شدند. عملکرد کنترلکننده در برابر اغتشاش در خروجی برای نشان دادن نحوه دفع اغتشاش در خروجیها توسط کنترلکننده پیشنهادی فرض میکنیم در دقیقه 100 به خروجی اول یعنی ترکیب محصول نهایی باالی برج تقطیر اغتشاشی با دامنه 0/05 وارد میشود. نتیجه شبیهسازی در شکل) 3 ( ارائه شده است. همانگونه که در شکل) 3 ( مشاهده میشود روش پیشنهادی در دفع اغتشاش خروجی بسیار مطلوب عمل کرده و بهخوبی میتواند خروجی دچار اغتشاش شده را تحت کنترل درآورد و پس از گذشت زمان کوتاهی آن خروجی را به نقطه تنظیم خود برگرداند. در صورتیکه در کنترلکننده پیشبین تعمیمیافته بدون استفاده از فیلتر در حلقه کنترلی با وارد شدن این اغتشاش که معادل تنها %5 از مقدار

9 53... ورودی اغتشاشات اثر دفع 1 Y 1 0/8 0/6 Y 2 0/4 0/2 Y زمان) min ( 1 U1 0/5-0/5 U زمان) min ( رد پیوسته( )منحنیهای پیشنهادی GPC کنترلکننده و نقطهچین( )منحنیهای معمولی GPC کنترلکننده عملکرد مقایسه 3 شکل خروجی. در اغتشاش برابر نیست ذهن از دور آن وقوع و موردنظرمیباشد خروجی نهایی میگیرد فاصله خود تنظیم نقطه از اغتشاش دچار خروجی برگشتی جریان دمای و فرآیند جانبی محصول ترکیب و کنترلکننده واقع در میشود. اختالل دچار تقطیر برج پایین کیفیت تغییرات این نمیباشد. اغتشاش اثر دفع به قادر و داده قرار تأثیر تحت زمان طول در را خروجی محصوالت در تقطیر برج از استخراجی محصوالت ترکیب میشود باعث با و فرآیند خروجیهای تمامی روی بر تداخل اثر بهخاطر تأثیر متناظر خروجی ورودی- کانال تأخیر زمان گذشت تکرار زمان طول در متناوب بهطور مسأله این میگذارد. بدین میکند. نوسان دچار را فرآیند متغیرهای و شد خواهد انرژی مصرف رفتن باال باعث اضافی کنترلی اقدامات ترتیب شد. خواهد 0 U3 خروجیها ورودیها ورودی در اغتشاش برابر در کنترلکننده عملکرد طراحی پیشنهادی کنترلکننده عملکرد مقایسه بهمنظور اثر اگر همچنین نباشد. مطلوب کیفیت دارای زمانها برخی ورودی اغتشاش مقابل در معمولی GPC کنترلکننده و شده شدید تداخل اثر وجود بهدلیل نشود دفع بهخوبی اغتشاش با اغتشاشی باال محصول جریان دبی یعنی اول ورودی روی بر شده اشتباه دچار کنترلکننده فرآیند کنترلی حلقههای بین نتیجه میشود. انجام شبیهسازیها و شده اعمال 0/03 دامنه کنترلی فرمان خروجیها اصالح برای میشود باعث امر این و است. شده داده نشان شکل) 4 ( در شبیهسازی ورودی هر در اضافی کنترلی سیگنالهای این کند. صادر غلط 1/2 Y 1 1 0/8 0/6 Y 2 0/4 0/2 Y زمان) min ( 0/8 U 1 0/6 0/4 0/2 0 U 3-0/2-0 /4 U 2 خروجیها ورودیها زمان) min ( رد پیوسته( )منحنیهای پیشنهادی GPC کنترلکننده و نقطهچین( )منحنیهای معمولی GPC کنترلکننده عملکرد مقایسه 4 شکل ورودی. متغیرهای در اغتشاش برابر

10 54 شماره هنگامیکه یکی از متغیرهای ورودی دچار اغتشاش میشود بهخاطر وجود اثر تداخل شدید در دینامیک فرآیند تمامی خروجیها تحت تأثیر قرار گرفته و از نقطه تنظیم دور میشوند. در شکل) 4 ( مشابه حالتی که اغتشاشات بر روی متغیر خروجی اعمال گردیده اثر اغتشاش در متغیرهای ورودی نیز بهخوبی توسط کنترلکننده همراه با فیلتر پایینگذر در ساختار پیشبینی دفع میشود و با گذشت زمان سیگنال کنترلی که به آن اغتشاش وارد شده به مقدار قبلی خود بازمیگردد. اما کنترلکننده GPC معمولی قادر به دفع اثر اغتشاش در متغیر ورودی نبوده و خروجیها از مقدار مقرر دور میشوند. این فاصله گرفتن محصوالت خروجی از نقاط تنظیم باعث پایین آمدن کیفیت مطلوب محصوالت خواهد شد. همچنین اثر تداخل بین متغیرهای ورودی و خروجی باعث میشود متغیرهای ورودی دچار نوسانات و تغییرات اضافیشوند که این مسأله کاهش بهرهوری تولید را درپی خواهد داشت.همانطور که در شکلهای 2 و 3 مشاهده میشود وجود فیلتر پایینگذر در حلقه کنترلی هیچ تأثیری بر عملکرد فرآیند در غیاب اغتشاشات ندارد و تا دقیقه 100 که هیچ اغتشاشی بر روی متغیرهای فرآیند اعمال شده هر دو کنترلکننده عملکرد یکسانی دارند. عملکرد کنترلکننده در برابر نویز برای بررسی رفتار کنترلکننده طراحی شده در برابر نویزهای فرآیند یک نویز سفید با دامنه تغییر ±0/002 بر روی خروجیها اعمال شده و نتایج شبیهسازی آن در شکل) 5 ( رسم شده است. همانگونه که در شکل) 5 ( مشاهده میشود فرآیندی که تحت کنترل GPC معمولی میباشد با وارد شدن نویز به فرآیند دچار نوسان میشود. درحالیکه سیستم تحت کنترل GPC پیشنهادی بهخوبی اثر نویز را تضعیف کرده و تنها دچار نوسانات بسیار ناچیزی میگردد. این تضعیف اثر نویز باعث جلوگیری از تغییرات اضافی سیگنال کنترلی میشود که کاهش مصرف انرژی را بهدنبال خواهد داشت. همچنین از نوسان ترکیب درصد محصوالت خروجی جلوگیری کرده و باعث کیفیت مطلوب محصوالت خواهد شد. 1 0/8 0/6 Y 2 Y 1 0/4 Y 3 0/ زمان) min ( 1 U 1 0/8 0/6 0/4 0/2 0 U 3-0/2-0/4-0/6 U 2-0/ زمان) min ( خروجیها ورودیها شکل 5 مقایسه عملکرد کنترلکننده GPC معمولی )منحنیهای نقطهچین( و کنترلکننده پیشنهادی )منحنیهای پیوسته( در برابر نویز.

11 55 دفع اثر اغتشاشات ورودی... نتيجهگیری برجهای تقطیر از جمله مهمترین فرآیندهای یک پاالیشگاه نفت میباشد که بهخاطر مسائل اقتصادی و اغتشاشات متعدد فرآیند ضروری است کنترلکنندهای برای نزدیک نگهداشتن آن به شرایط عملکرد بهینه طراحی شود. عملکرد یک برج زمانی مطلوب تلقی میشود که ترکیب محصوالت خروجی برج در طول زمان تغییرات کمتری داشته باشد بهطوریکه بتوان آن مقادیر را ثابت دانسته و تا حد امکان به مقادیر مقرر نزدیک باشند. کنت رل ای ن فرآین د ب ه دلی ل ماهی ت چن د متغی ره تأخیرهای چندگانه اغتشاشات قابل اندازهگیری و غیرقابل اندازهگیری و نویزهای وارد بر فرآیند امری چالشزا میباشد و روشهای سنتی قادر به کنت رل ای ن قبی ل فرآینده ا نمیباش ند. کنترلکنن ده پیشبین تعمیمیافته میتواند محدودیتها و اهداف مختلف کنترلی مانند اهمیت ورودیها و خروجیها انرژی مصرفی و سرعت رسیدن به حالت ماندگار را در تابع هزینه لحاظ کند. لذا برای کنترل فرآیندهای پرچالشی مانند برج تقطیر توانایی باالتری دارد. در این مقاله برای دفع اثر اغتشاش در متغیرهای ورودی و خروجی و کاهش اثر نویز بر روی فرآیند روشی پیشنهاد شد که در آن از یک فیلتر پایینگذر در ساختار مدل پیشبین کنترلکننده GPC مرسوم استفاده شده است. با بهکارگیری روش ارائه شده در این مقاله برای فرآیند برج تقطیر نفت خام میتوان ضمن کاهش مصرف انرژی از تولید محصوالت با کیفیت پایین بهدلیل وجود مراجع اغتشاشات و نویزهای موجود در فرآیند جلوگیری نموده و ترکیب محصوالت خروجی را در مقادیر مطلوب حفظ کرد. این امر باعث افزایش راندمان تولید و باال رفتن کیفیت محصوالت میشود و در نتیجه فرآیند تقطیر از نظر اقتصادی مقرون بهصرفهتر خواهد شد. نتایج شبیهسازیها نیز عملکرد بسیار مناسب ساختار کنترلی پیشنهادی در برابر دفع اغتشاشات ورودی و خروجی و تضعیف نویزهای وارد شده به فرآیند را تأیید مینماید. عالئم و نشانهها + R :t زمان T: s زمان نمونهبرداری N: 1 افق پیشبینی کمینه N: 2 افق پیشبینی بیشینه N: 3 افق کنترل J: تابع هزینه u R m, : ورودیهای کنترلی m N + y R r, : خروجیهای سیستم r N + e: سیگنال نویز R: ماتریس وزندهی تالش کنترلی Q: ماتریس وزندهی خطا :w,y d سیگنال مرجع y : خروجی تخمین زده شده f: r پاسخ آزاد سیستم β: قطب فیلتر پایینگذر [1]. Islam M. R. and Khan M. I., The petroleum engineering handbook: sustainable operations, Elsevier, [2]. Camacho E. F. and Alba C. B., Model predictive control, Springer Science & Business Media, [3]. Prett D. M. and Morari M., The shell process control workshop, Butterworth-Heinemann, [4]. Vlachos C., Williams D. and Gomm J., Solution to the shell standard control problem using genetically tuned PID controllers, Control Engineering Practice, Vol. 10, pp , [5]. Chao Z., Hongye S., Yong G., and Jian C., A pragmatic approach for assessing the economic performance of model predictive control systems and its industrial application, Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol.

12 56 شماره , pp , [6]. Wan J., Qi L., Wang Q., and Jin Q., Internal model controller design method in discrete non-square multivariable system, Sensors & Transducers, [7]. Santos T. L., Flesch R. C., and Normey-Rico J. E., On the filtered Smith predictor for MIMO processes with multiple time delays, Journal of Process Control, Vol. 24, pp , [8]. Guo L. and Cao S., Anti-disturbance control theory for systems with multiple disturbances: A survey, ISA Transactions, vol. 53, pp , [9]. Raimondi A., Favela-Contreras A., Beltrán-Carbajal F., Piñón-Rubio A., and de la Peña-Elizondo J. L., Design of an adaptive predictive control strategy for crude oil atmospheric distillation process, Control Engineering Practice, Vol. 34, pp , [10]. VW. X, Zhang Y. X, Liu Y., and Zhang W., Multivariable disturbance observer-based H2 analytical decoupling control design for multivariable systems, International Journal of Systems Science, pp. 1-15, [11]. Rossiter J. A., Model-based predictive control: a practical approach, CRC Press, [12]. Shah G. and Engell S., Tuning MPC for desired closed-loop performance for MIMO systems, American Control Conference (ACC), pp , 2011.