DESIGN OF ROBUST DECENTRALIZED CONTROL SYSTEMS FOR DISTILLATION COLUMNS

Abstract

This paper is devoted to the development of a decentralized control system design method with improved robustness, applicable to distillation columns control problem. The aim is attained by solving the following tasks: selection of representative models of columns; development of an effective transfer function identification algorithm; development of a decentralized controller design algorithm, which takes into account the cross-links impact; verification of the developed method for the selected models of columns. The most important result is the developed design method, which includes two algorithms. The first algorithm can be used to identify simplified models of the effective transfer functions. The second algorithm makes it possible to design a decentralized control system based on the ratio between the diagonals of the original model and effective transfer functions. Modified PI controller is used. The achievement of the distillation column control system robustness to the synchronous technologically conditioned deviation of the model parameters by up to three hundred percent of the nominal value is the paper significant result. The digital implementation of the designed controllers is simple. The analysis of the literature shows that none of the previously proposed methods for designing decentralized automatic control systems solved such a problem. The efficiency of the developed algorithms is illustrated using the known models of dynamics of distillation columns. The analysis of limitations of the method as well as its significant differences to the Biggest Log Tuning and H∞ loop shaping methods is presented. Scopul acestei lucrări este crearea metodei de sinteză a sistemelor de control descentralizate de robustețe ridicată în aplicarea la comanda coloanelor de rectificare, ale căror modele multidimensionale au cuplaje intersectate încrucișate complete. Scopul propus este atins datorită rezolvării următoarelor sarcini: alegerea modelelor reprezentative de coloane; elaborarea algoritmului de determinare a funcției efective de transfer; elaborarea algoritmului de sinteză a regulatorului descentralizat ținând cont de influența cuplajelor intersectate; verificarea metodei obținute pe modelele de coloane alese. Cel mai important rezultat este metoda de sinteză dezvoltată, care include doi algoritmi. Primul algoritm permite obținerea unor modele simplificate ale funcțiilor efective de transfer pe canale de control descentralizate. Aceste funcții generează o matrice diagonală a unui model modificat al unui obiect de control multidimensional complet cuplat. Al doilea algoritm permite sintetizarea unui sistem descentralizat de comandă, ținând cont de relația dintre diagonalele matricei funcțiilor de transfer ale modelului original și matricea funcțiilor efective de transfer. Sintetizarea sistemului conform algoritmului presupune utilizarea unui regulator PI de o formă specială, ai cărui parametri sunt determinați ținând cont de legăturile transversale. Semnificația acestor rezultate constă în faptul că un astfel de sistem, în prezența legăturilor intersectate în canalele de comandă, se obține robustețea pentru o abatere sincronă tehnologic condiționată a parametrilor modelului cu până la trei sute procente din valoarea nominală. O analiză a literaturii de specialitate arată că niciuna dintre metodele propuse anterior pentru sinteza sistemelor de comandă automată descentralizată nu a pus o astfel de problemă. Sunt analizate limitările metodei și diferențele sale relevante față de alte metode similare, cum ar fi Biggest Log Tuning și optimizarea bazată pe contururi H∞. Целью работы является создание метода синтеза децентрализованных систем управления повышенной робастности в приложении к управлению ректификационными колоннами, многомерные модели которых имеют полные перекрестные связи. Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач: выбор представительных моделей колонн; разработка алгоритма определения эффективной передаточной функции; разработка алгоритма синтеза децентрализованного регулятора с учетом влияния перекрестных связей; проверка полученного метода на выбранных моделях колонн. Наиболее важным результатом является разработанный метод синтеза, включающий два алгоритма. Первый алгоритм позволяет получить упрощенные модели эффективных передаточных функций по децентрализованным каналам управления. Эти функции создают диагональную матрицу модифицированной модели многомерного полносвязного объекта управления. Второй алгоритм позволяет с учетом отношения диагоналей матрицы передаточных функций оригинальной модели и матрицы эффективных передаточных функций синтезировать децентрализованную систему управления. Синтез системы по алгоритму предполагает использование ПИ-регулятора специальной формы, параметры которого определяются с учетом перекрестных связей. Значимость полученных результатов состоит в том, что, в такой системе, при наличии перекрестных связей в каналах управления, достигнута робастность при синхронном технологически обусловленном отклонении параметров моделей на величину до трехсот процентов от номинального значения. При этом не возникает дополнительных проблем, которые бы усложнили цифровую реализацию регуляторов. Анализ литературных источников показывает, что ни в одном из предложенных ранее методов синтеза децентрализованных систем автоматического управления подобная задача поставлена не была. Эффективность разработанных алгоритмов проиллюстрирована на известных моделях динамики ректификационных колонн. Кроме того, приведен анализ ограничений метода и его значимые отличия от других подобных методов, таких как Biggest Log Tuning и поконтурная H∞ оптимизация.