ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ ...acikarsiv.ankara.edu.tr/browse/25465/EK11-sonuc-raporu-.pdfsonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bunun için wireless

ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ

KOORDİNASYON BİRİMİ KOORDİNATÖRLÜĞÜNE

Proje Türü :AYP (Altyapı Projesi)

Proje No :10A4343001

Proje Yöneticisi :Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ

Proje Konusu :Sıvı-gaz reaktör basınç sisteminin GPC kontrolu

Yukarıda bilgileri yazılı olan projeminsonuç raporunun e-kütüphanede yayınlanmasını;

İSTİYORUM

İSTEMİYORUM

10.07.2013

Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ

ANKARA ÜNİVERSİTESİ

BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJESİ

SONUÇ RAPORU

SIVI-GAZ REAKTÖR BASINÇ SİSTEMİNİN GPC KONTROLU

Proje Yürütücüsü

Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ

Yardımcı Araştırmacılar

Prof. Dr. Hale HAPOĞLU

Prof. Dr. Bülent AKAY

Prof. Dr. Hasan TOĞRUL

Yrd. Doç. Dr. Suna ERTUNÇ

Ayşe AKPINAR

Baran ÖZYURT

Mine ÖZÇELİK

Proje Numarası

10A4343001

Başlama Tarihi

17/03/2010

Bitiş Tarihi

17/09/2012

Rapor Tarihi

10/07/2013

Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri

Ankara - " 2013 "

I. Projenin Türkçe ve İngilizce Adı ve Özetleri

• Sıvı-Gaz reaktör basınç sisteminin GPC kontrolu

• GPC control of liquid-gas reactor pressure system

Projenin Türkçe Özeti

Kimya endüstrisinde ürün elde edebilmek için işletim şartlarının iyi belirlenmesi ve bu işletim şartlarının istenilen düzeyde tutulması gerekmektedir. Uygun işletim şartlarının oluşturulması için sıcaklık, basınç, sıvı seviye ve akış hızı gibi proses parametrelerinin optimum değerlerinde tutulması amaçlanmalıdır. Basınç, havalandırma, vakum, damıtma, kaynama vb. fiziksel ve kimyasal olayların gerçekleştirilmesinde kritik bir değişken olmasından dolsyı kontrol edilmesi gereken önemli bir parametredir.

Yüksek basınçlı bir sistemin basınca dayanıklı olmayan bir sistemde gerçekleştirilmesi patlamalara neden olabilir. Bu nedenle istenilen şartlarda basınç sistemlerinin işletilebilmesi için çok iyi bir basınç kontrolunun gerçekleştirilmesi gerekmekir. Zayıf bir basınç kontrolu üretim, kalite ve emniyet açısından önemli problemleri beraberinde getirebilmektedir. Ancak basınç kontrolu oldukça zordur ve zor olmasının birçok sebebi vardır. Bunlar proseslerin doğrusal olmaması, büyük yük değişikliklerine sahip olması, büyük ve değişken zaman gecikimlerinin olması, yüksek hız ve açık hat salınımlarının olması gibi nedenlerdir.

Yapılan çalışma kapsamında bir sıvı-gaz sistemini içeren reaktörün basınç kontrolu gerçekleştirilmiştir. Ön çalışma olarak açık hat dinamik deneyler gerçekleştirilerek sistemin kontrol edilebilirliği gözlemlenmiştir. Kapalı hatta ayar değişkeni olarak seçilen basınç kontrol vanasına çeşitli etkiler verilerek çıkış değişkeni olan basıncın davranışı incelenmiştir. Bilgi alışverişi ve gerekli hesaplamaların yapılabilmesi için MATLAB programlama dilinde yazılmış GPC (Genelleştirilmiş Model Öngörmeli Kontrol) kontrol algoritması on-line olarak kullanılmıştır. GPC kontrol algoritmasının etkinliği gözlenmişve PID kontrol algoritması sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bunun için wireless iletişim sistemi ve on-line bilgisayar sistemleri kullanılmıştır.

Projenin İngilizce Özeti

The operating conditions are determined to obtain the best product in the chemical industry and the operating conditions should be kept at a desired level. For suitable operating conditions, the process parameters such as flow rate, temperature, pressure, liquid level should aim to keep at the optimum values. Pressure is an important parameter to be monitored for the physical and chemical prosesses such as ventilation, vacuum, distillation, boiling.

The realization of a high-pressure process in a pressure-nonresistant reactor can cause an explosion. Therefore, the required conditions for operation of pressure systems must be obtained by using a very good pressure control. A weak pressure control application can bring significant problems about quality and safety. However, pressure control is very difficult and there are many reasons for being difficult. These are not linear processes, having a large load changes, large and variable time delay, high speed and oscillatory open loop behaviour.

In the present work, the pressure control is achieved in a liquid-gas reactor system. Firstly, by performing dynamic experiments, the behaviour has been observed for control purpose. The pressure behaviour is observed by giving various effects to the pressure control valve which can be chosen as manipulating variable in the closed loop. To make information exchange and the necessary calculations, the MATLAB programming language was used and the GPC (Generalized model predictive control) algorithm was used on-line. The performance of GPC control algorithm was observed and compared with the PID results. Wireless communication and on-line computer system is used to achieve this work.

II. Amaç ve Kapsam

Kimya endüstrisinde ürün elde edebilmek için işletim şartlarının iyi belirlenmesi ve bu işletim

şartlarının istenilen düzeyde tutulması gerekmektedir. Uygun işletim şartlarının oluşturulması

için sıcaklık, basınç, sıvı seviye ve akış hızı gibi proses parametrelerinin optimum

değerlerinde tutulması amaçlanmalıdır. Basınç havalandırma, vakum, damıtma, kaynama vb.

fiziksel ve kimyasal olayların gerçekleşmesinde kritik bir değişken olmasından dolayı kontrol

edilmesi gereken önemli bir parametredir.

Yüksek basınçlı bir sistemin basınca dayanıklı olmayan bir sistemde gerçekleştirilmesi

patlamalara neden olabilir. Bu nedenle istenen şartlarda basınç sistemlerinin işletilebilmesi

için çok iyi bir basınç kontrolunun gerçekleştirilmesi gerekir. Zayıf bir basınç kontrolu

üretim, kalite ve emniyet açısından önemli problemleri beraberinde getirebilmektedir. Ancak

basınç kontrolu oldukça zordur ve zor olmasının birçok sebebi vardır. Bunlar proseslerin;

doğrusal olmaması, büyük yük değişikliklerine sahip olması, büyük ve değişken zaman

gecikimlerinin olması, yüksek hız ve açık hat salınımlarının olması gibi nedenlerdir.

Bilgisayar sistemlerinin gelişmesi ve basınçlı proseslerin endüstrideki kullanım alanlarının

artmasıyla, basınç proseslerin bilgisayar kontrolü gittikçe önem kazanmıştır. Söz konusu

basınçlı prosesler incelendiğinde zamanla değişen birçok parametrenin proses üzerinde etkisi

olduğu görülmektedir. Bunun yanında doğrusal olmayan yapıları ile kontrolleri ve

optimizasyonları zordur. Büyük bir hızla gelişen teknolojinin yarattığı rekabet ve hızlı değişen

tüketici beklentileri dikkate alınırsa, basınçlı proseslerde ileri kontrol algoritmalarının önemi

anlaşılacaktır. Proses değişkenlerinin çok sayıda olması, bu değişkenlerin on-line

bilgisayarlarla anlık ve sürekli olarak kontrol edilmesini zorunlu kılar. Üretim kalitesinde

oluşan farklılığın en aza indirilmesi, sistem değişkenlerinin gerçek zamanlı olarak takibinin

yanında, sistemde oluşan yük etkilerinin kontrolü ve üretim sırasında oluşabilecek

değişimlerin on-line olarak tespit edilebilmesiyle sağlanabilecektir.

Bilgisayarların yaygınlaşması ile birlikte otomasyon programları ve bunların oluşturulduğu

programlama dilleri de önem kazanmaya başlamıştır. Ancak her dil bu alanda sunduğu

artılarının yanında eksilerini de beraberinde getirmektedir. Öyle ki piyasada bulunan güçlü

programlama dillerinin çoğu, gerçek zamanlı iletişimde kullanıcıya sunduğu nesnel tabanlı,

kolay hazırlanabilir bir görsellik ve iletişim hızıyla dikkat çekerken, yine kullanıcıya

sunamadığı sınırlı programlama temeli ile tezat oluşturmaktadır. Güçlü mühendislik

hesaplamalarına ve matematiksel tabana sahip programlar ise hızdan ve görsellikten

vazgeçerek kullanıcıya farklı alternatifler sunabilmektedir. Günümüzde mikroelektronikler

alanındaki gelişmeler sayesinde hızlı hesaplama yapabilen ve geniş veri depolama

kapasitesine sahip bilgisayarlarla gelişmiş kontrol algoritmaları kullanılmaktadır.

III. Materyal ve Yöntem

Yapılacak çalışmada; bir sıvı-gaz sistemini içeren reaktörün basınç kontrolunun

Genelleştirilmiş Öngörmeli Kontrol (GPC) ile gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Gerekli

kontrol sisteminin uygulanabilmesi için Matlab-Simulink programında çalışılmıştır. Bu

amaçla Temel İşlemler Laboratuar’ında bulunan Proses Kontrol Simulatör’ ü kullanılmıştır.

Proje kapsamında Proses Kontrol Simülatör’ü ile bilgisayar arasında veri aktarımını sağlamak

için Wireless iletişim sistemi kurulmuştur.

Proses Kontrol Simülatörü

Cussons P3005 Proses Kontrol Simülatörü ilkeleri ve süreci operasyonları bağlamında kontrol

donanımları kullanımında öğrenci yetiştirmek için tasarlanmıştır. Tasarım gözlem ve detaylı

çalışma ile birlikte çeşitli komponentlerin çalışmasını kolaylaştırır. Her kontrol performans

özelliklerini hem bireysel hem de birbirleriyle ilişkili olarak döngüler, cihaz donanımı seçimi

böylece mümkün olduğunca araçların tipi için bir çeşit sunmak için yapılır; yani pnömatik,

elektronik, ekipman arabirim ve mikroişlemci kullanımında özellikle tabanlı teknoloji bir

denetleyici tasarımında. Simülatör basınç, akış, sıcaklık ve seviye kontrolü için kullanılır.

Etkileri, Sistem yükü ve zaman sabitleri değişen ve oransal, integral ve diferansiyel açısından

incelenebilir.

Akış hızı, sıvı seviye, sıcaklık ve basınç olmak üzere dört proses parametresinin değerini

ölçen ve kontrol eden bir sistemdir. Proses kontrol simülatöründe iki ana bölüm vardır.

Bunlar;

• Prosesin bulunduğu bölüm

• Elektronik devrelerin bulunduğu, ölçüm ve kontrolün yapılabildiği pano

Şekil1. Proses kontrol simülatörü

Proses kontrol simülatörü sistem ekipmanları ve döngüler

Proses kontrol simülatöründe sisteme beslenen suyun muhafaza edildiği bir adet tank, sisteme

sıvıyı besleyen elektrik ile çalışan bir adet pompa, şebeke suyu ile soğutmanın yapıldığı ceketli

soğutucu, sistemde suyun tutulduğu iki adet cam tank, elektrik ile çalışan bir adet sıvı seviye

kontrol vanası (CV1) ve akış hızı kontrol vanası (CV2), akış hızını ölçen bir adet orifismetre,

diferansiyel basınç farkını sıvı seviyesine çeviren bir adet transmitter, sıvının taşmasını

önlemek amacıyla pompanın otomatik olarak kapanmasını sağlayan sigorta, pnömatik basınç

kontrol edici indikatörü, pnömatik basınç kaydedici, pnömatik olarak çalışan basınç kontrol

vanası, sisteme kompresörden gelen basınçlı havayı istenilen basınç değerindeki havayı ileten

iki adet regülator bulunmaktadır. Ayrıca sistemde dört farklı deney düzeneğini oluşturabilmek

için elle ayarlanan vanalar bulunmaktadır.

Proses kontrol simülatörünün diğer bir birimi ise elektronik devrelerin bulunduğu panodur. Bu

panoda sıcaklık, sıvı seviye kontrol ve akış hızının kontrolü ve ölçümü yapılabilmektedir.

Burada üç adet gösterge, otomatik-elsel kontrole geçişi yapabileceğimiz butonlar, PID

parametrelerinin değerlerini verebileceğimiz butonlar bulunmaktadır.

Simulatörde basınç ölçüm ve kontrol sisteminin dışında bulunan tüm sistemler; akış hızı,

sıcaklık ve sıvı seviyesi tamamen elektriksel olarak çalışmaktadır. Basınç sistemi ise pnömatik

olarak çalışmaktadır.

Proses kontrol simülatöründe kablosuz kontrol ve ölçüm için proje kapsamında yeniliğe

gidilmiş, yeni ekipmanlar eklenmiştir.

Şekil 2. Proses kontrol simülatorü genel gösterimi

Şekil 3. Proses kontrol simulatörü proses şeması

Basınç kontrol döngüsü

Bu çalışma modu için V2 tankı su döngüsünden uzaklaştırılır. R1 düzenleyicisindeki sıkıştırılmış

hava V2 tankına iğne vanası ile geçirilir. V2 tankındaki basınç, sıkıştırılmış havanın atmosfere

taşırılmasıyla basıncı kontrol etmek için basınç kontol vanası CV3’ü çalıştıran pnömatik basınç

intikatörü- ileticisi tarafından gösterilir. İğne vana sistemdeki yükleme değişiklikleri için

ayarlanabilir. Proses değişkeni ve kontrolörü çıkış basınç sinyalleri pnömatik grafik kayıtlarında

yer alır.

Proses kontrol simülatöründe basınç kontrol sistemi

Basınç kontrol sistemi pnömatik olarak çalışmaktadır. Sistemde bir adet pnömatik olarak

çalışan sistemden hava çıkışını sağlayan bir adet basınç kontrol vanası, otomatik-elsel

çalışmayı sağlayan bir adet düğme, vana açıklığını ayarladığımız bir adet düzenek, basınç

kaydedici, basınç göstergeleri ve PID parametrelerini verebildiğimiz bölüm vardır.

Kablosuz kontrol amacı ile geliştirilen proses kontrol simulatörü

Proje kapsamında kablosuz ölçüm ve kontrol amacıyla proses kontrol simulatöründe

değişikliğe gidilmiştir. Bu amaçla bilgisayar ve sistem arasında iletişimi sağlayabilmek adına

sisteme ve içeriye veri aktarımını sağlayan iki adet anten koyulmuştur. Ayrıca proseste ayar

değişkenleri olarak belirlenen; sıvı seviye kontrol vanası, ısıtıcı, basınç kontrol vanası

tekrardan kalibre edilmiş ve bunların çıkışları modüllere bağlanmıştır. Bu modüller iki anten

arasındaki aktarılan verileri bünyesinde bulundurmaktadır.

Kablosuz kontrol amacı ile geliştirilen basınç kontrol sistemi

Proses kontrol simülatöründe kablosuz ölçüm ve kontrol amacıyla kurulan wireless sistemi

için sadece basınç sisteminde değişime gidilmiştir. Sıvı seviye, sıcaklık ölçüm ve kontrol

sistemleri elektriksel çalıştıkları için bunlarda ek bir düzeneğe ihtiyaç duyulmamış, ancak

basınç sistemi pnömatik olarak çalıştığından ek olarak bir takım ekipmanlar eklenmiştir.

Şekil 4. Kablosuz kontrol amacı ile geliştirilen basınç sistemi

Öncelikle sistemin kablosuz olarak veya eski şekliyle yani panodan kontrol edebilmemizi

sağlayan iki adet biri elektirkle çalışan diğeri ise elektrikle kapanan selonoid vana

kullanılmıştır. Elketriksel olarak gelen sinyalleri algılaması amacıyla pnömatik olarak çalışan

basınç kontrol vanasına bir adet I/P çevirici bağlanmıştır. Böylece basınç kontrol vanası

elektriksel olarak gelen sinyalleri pnömatik olarak algılayabilmektedir. Ayrıca tanktaki

basınçlı havayı algılayabilen bir adte basınç sensörü eklenmiştir.

Şekil 5. Kablosuz kontrol amacıyla geliştirilen basınç sistemi blok diyagramı

Yukarıda proje kapsamında geliştirilen basınç sistemi blok diyagramı gösterilmiştir. Kırmızı

ile gösterilen hat yeni sistemi ifade etmektedir.

Eski sistemde kompresörden gelen hava sabit bir basınçta R1 sayesinde sisteme

beslenmektedir. R2 ile pnömatik olarak çalışan ekipmanlara hava sağlanmaktadır. İnce ayar

vanası açılarak sisteme hava girişi sağlanmış olur. Sistemin otomatik veya elsel olarak kontrol

edileceğine karar verildikten sonra basınç kontrol edicide gösterilen basınca göre V2 tankında

olan basınç CV3 basınç kontrol vanasının açılıp kapanması ile ayarlanır.

Ancak yeni sistemde hava basınçları ayarlandıktan sonra V2 tankında oluşan basınç sensör ile

belirlenir, kablosuz olarak çalışılacağı zaman I/P çevirici ile gelen elektrik sinyalleri pnömatik

sinyallerine çevirilerek CV3 vanası açılıp kapanarak sistem içeriden PID parametreleri

verilerek kablosuz olarak kontrol edilir.

IV. Analiz ve Bulgular

Deney Yöntemi

Proses kontrol simülatöründe yatışkın hal, dinamik hal ve kontrol deneyleri olmak üzere üç farklı

deney yapılmıştır.

Dinamik hal deneyeleri basamak etki ve PRBS etki verilerek yapılmıştır. PRBS etki sistem model

parametrelerini belirlemek amacıyla sistemi tanımak amacıyla verilmiştir. Kontrol deneyleri ise

PID ve GPC olmak üzere iki kontrol algoritması kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PID kontrol

algoritmasının kullanılmasının nedeni; GPC kontrol algoritmasının etkinliğini görmektir.

Deneyler

Sistemde dört farklı proses parametresinin ölçüm ve kontrolu yapılabildiğinden, elle ayarlanan

vanalar ile dört farklı deney düzeneği kurulabilmektedir.

Basınç ölçüm ve kontrol deneyleri için öncelikle sıvı-gaz reaktör sistemini oluşturabilmek için elle

ayarlanan vanalar ilgili pozisyona getirilir ve pompa çalıştırılarak V2 tankının istenilen seviyeye

kadar dolması sağlanır. Daha sonra pompa kapatılır, elle ayarlanan vanaların tümü kapalı konuma

getirilir. R1 ve R2 de istenilen hava basıncı ayarlandıktan sonra sisteme basınçlı hava verilir.

Deneylere başlanır.

Yatışkın hal deneyleri

Sistemde salınım olmadığı, basıncın zamanla değişmeyip sabit kaldığı deneylerdir. Tüm deneylere

başlanmadan önce sistem kendi kendine bırakılır ve belirlenen başlangıç koşullarında sistemin

sabitlenmesi beklenir.

Şekil 6. MATLAB-Simulink programında yatışkın hal basınç deneyi şematik gösterimi

Şekilde deneyler için kullanılan simulink programının şematik şekli verilmiştir. Burada sistemin

kablosuz veya kablolu bir şekilde kontrolunun yapılabilmesi için bir adet wireless on/off

düğmesi, proses parametrelerinin sayısal ve grafiksel olarak gösterildiği bloklar, hata

sinyallerinin depolandığı ve bir önceki sinyalle devam et komutunun yazılı olduğu bloklar,

vanaların değerini verebileceğimiz kutucuklar bulunmaktadır.

Dinamik hal deneyleri

Yatışkın hal deneyleri basamak etki ve PRBS etki verilmek üzere iki şekilde yapılmıştır.

Basmak etkide basınç kontrol vanası CV3’ün açıklığına belli etkiler verilmiş daha sonra

sistemin yatışkın hale gelmesi beklenmiştir.

PRBS etkide ise sistem model parametrelerini hesaplayabilmek için sisteme gelişigüzel ikili

sinyaller verilmiştir.

Şekil 7. MATLAB-Simulink programında dinamik hal (basamak etki) basınç deneyi şematik gösterimi

Şekil 7. MATLAB-Simulink programında dinamik hal (PRBS etki) basınç deneyi şematik gösterimi

Yukarıda PRBS etkinin verildiği deneyin simulink ortamındaki gösterimi verilmiştir. Bu

deneylerin yapılabilmesi için sisteme PRBS algoritmasının yazıldığı bir blok eklenmiştir.

Sistemin öncelikle yatışkın hale gelmesi sağlanmış daha sonra anahtar PRBS algoritmasının

yazıldığı bloğa alınmış ve deneye devam edilmiştir.

Kontrol deneyleri

PID deneylerinin gerçekleştirilebilmesi amacıyla programa PID algoritmasını

yerleştirebileceğimiz S-Function bloğu eklenmiştir.

Şekil 8. MATLAB-Simulink programında basınç kontrol deneyi şematik gösterimi

DENEY SONUÇLARI

Proses kontrol simulatöründe basınç parametresi için yatışkın hal, dinamik hal, PID ve GPC

kontrol deneyleri yapılmıştır. Sistemde yapılan deney sonuçları matlab-simulink programında

aşağıda verilmiştir.

Yatışkın Hal Deney Sonuçları

Yatışkın hal deneyi proses kontrol simulatöründe %45 vana kapalılığında gerçekleştirilmiştir.

Sistemde basınç 1.93 bar değerinde iken vanaya etki verildiğinde vana açılmış, sistem içerisinde

bulunan basınç azalmaya başlamıştır. Sistem basıncı 1.22 bar’a geldiğinde sabitlenmiş, yatışkın

hal elde edilmiştir.

Çizelge 1Yatışkın hal deney koşulları

Parametre

CV3 vana kapalılığı %45 vana kapalılığı

P (son) 1.22 bar

Sıvı seviyesi 4,52 dm

T2 24.40C

Deney süresi 600s

Deney veri alma sıklığı

1s

Şekil 9. Matlab-Simulink programında yatışkın hal deneyi

Şekil 10. Yatışkın hal deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği

Şekil 11. Yatışkın hal deneyinde zamana karşı basınç grafiği

Dinamik Hal Deney Sonuçları

Dinamik hal deneyleri, basamak etki ve PRBS etki verilerek yapılmıştır.

Basmak etkisi altında dinamik hal deney sonuçları

Sistem öncelikle % 45 vana kapalılığında çalıştırılmıştır. Sistemin yatışkın hale gelmesi

beklenmiştir. Sistemde bulunan CV3 basınç kontrol vanasına % 25’lik bir etki verilmiş ve vana

kapalılığının %70 olması sağlanmıştır (Şekil-5-5). Sistem basıncının yavaş yavaş arttığı görülmüş,

1,55 bar basınçta sabitlenmiştir.

Çizelge 2 Basamak etkisi altında dinamik hal deney koşulları

Parametre

CV3 vana kapalılığı (İlk konum)

%45 vana kapalılığı

CV3 vana kapalılığı (İkinci konum)



T2 24.40C

Deney süresi 600s

Deney veri alma sıklığı 1s

Basınç (%45 vana kapalılığında)

1.22 bar


1.55 bar

Şekil 12 Matlab-Simulink programında basamak etkinin verildiği dinamik hal deneyi

Şekil 13 Basamak etkinin verildiği dinamik hal deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği

Şekil 14 Basamak etkinin verildiği dinamik hal deneyinde zamana karşı basınç grafiği

PRBS etki altında dinamik hal deney sonuçları

PRBS etki altında dinamik hal deneyleri yapılırken öncelikle GPC kontrolunda 1.3 bar

basınçta sistem basıncını sabit tutmak hedeflenmiştir. Bu basıncın alt ve üst değerlerinde

1.61 bar ve 1.35 bar basınç değerleri belirlenmiştir. Bu basınç değerlerinin hangi vana

açıklığında elde edildiğini tespit etmek amacıyla dinamik deneyler yapılmış; 1.35 bar basınç

%65 vana kapalılığında, 1.61 bar basınç ise %85 vana kapalılığında elde edilmiştir. PRBS

sinyalleri %65 - %85 vana kapalılığına göre verilmiştir (Şekil.5-8). Sistemin yatışkın hale

gelmesi %65 vana kapalılığında sağlanmış daha sonra simulink programındaki anahtar PRBS

bloğuna bağlanmış ve verilen etkiye göre basınç değerleri gözlemlenmiştir (Şekil-5-9).

Çizelge 3 PRBS etkisi altında dinamik hal deney koşulları

Parametre

CV3 vana kapalılığı (min.) %65 vana kapalılığı

CV3 vana kapalılığı (max.) %85 vana kapalılığı


T2 24.40C

Deney süresi 800s



1.35 bar


1.61 bar

Şekil 15 Matlab-Simulink programında PRBS etkinin verildiği dinamik hal deneyi

Şekil 16 PRBS etkinin verildiği dinamik hal deneyinde zamana karşı CV3 vana

pozisyonu grafiği

Şekil 17 PRBS etkinin verildiği dinamik hal deneyinde zamana karşı basınç grafiği

PRBS etki verilerek yapılan dinamik hal deneyi sonunda elde edilen veriler kullanılarak

Bierman Algoritması yardımı ile sistem model parametreleri hesaplanmıştır. Modelde

bulunan y sıcaklığı, u ise % ısıtıcı kapasitesini göstermek üzere hesaplanan sistem model

parametreleri aşağıda gösterildiği gibidir.

a0 = 1

a1 = - 0.9986022

a2 = 0.001177165

b0 = 0.0001118336

C = 1

B = b0

A = 1+ a1*z-1

+ a2 * z-2

ARIMA MODEL :

)()1()( teA

Ctu

A

Bty +−∆=∆

ARIMAX MODEL:

)1()( −∆=∆ tuA

Bty

Kontrol Deneyleri Sonuçları

Kontrol deneyleri PID ve GPC yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. PID kontrol deneylerinin

yapılmasının amacı; GPC kontrol algoritmasının etkinliğinin belirlenmesidir. Kontrol

algoritmasında kullanılan PID parametrelerinin bulunması için deneme yanılma ve Cohen-Coon

yöntemleri kullanılmıştır.

PID kontrol deney sonuçları

Deneme yanılma yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney sonuçları

Deneme yanılma yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deneyleri için öncelikle PID

algoritması yazılmış ve ardından sisteme eklenmiştir. Algoritmaya yazılacak PID parametreleri; 1.

deneme için P: 10, I: 2 ve D: 0; 2. deneme için P: 12, I: 2 ve D: 0 olarak belirlenmiştir. Sisteme set

noktası 1.3 bar olarak verilmiş ve deney başlatılmıştır. Bu kontrol parametreleri ile istenilen kontrol

sağlanmıştır. Elde edilen CV3 vana pozisyonu ve basınç değerleri sırasıyla 1. ve 2. denemeler için

şekilde verilmiştir.

Çizelge 4Deneme yanılma yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney parametreleri

Parametre

P 10

I 2

D 0

Set noktası 1,3 bar


T2 24,40C

Şekil 18 Matlab-Simulink programında P:10, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyi

Şekil 19 Matlab-Simulink programında P:10, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyi (devamı)

Şekil 20 P:10, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği

Şekil 21 P:10, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı basınç grafiği

Çizelge 5 Deneme yanılma yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney parametreleri

Parametre

P 12

I 2

D 0



T2 24,30C

Şekil 22 Matlab-Simulink programında P:12, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyi

Şekil 23 Matlab-Simulink programında P:12, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyi (devamı)

Şekil 24 P:12, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği

Şekil 25 P:12, I:2, D:0 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı basınç grafiği

Cohen-Coon yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney sonuçları

Sistem yanıtımlarının aşağıda verilen iletim fonksiyonuna uyduğu kabul edilmiştir.

1. Prosesin yatışkın hal değerleri elde edilir.

2. Kontrol sistemi devreden çıkarılır.

3. Ayarlanabilen değişken üzerine belli bir değerde kademe etkisi vardır.

4. Kontrol edilecek değişkenin yeni bir yatışkın hale ulaşması beklenir.

İkinci yatışkın durum değerleri zamana karşı grafiğe geçirilir. Bu grafik reaksiyon eğrisi olarak

tanımlanır. Reaksiyon eğrisine maksimum tırmanma noktasında teğet çizilir. Teğetin absisi kestiği nokta

ölü zaman olarak adlandırılır.

s

eUsG

a

s

s

AD

τ

τ

+

=

−

1)(

)(

Şekil 26 Proses reaksiyon eğrisi

Bu yöntem ile optimum kontrol parametrelerinin hesaplanması için kullanılan denklemler şu şekildedir:

• Cohen-Coon PID parametre yöntemini kullanabilmek için CV3 vanasına verilen basamak etki değerleri ve deney koşulları Çizelgede verilmiştir.

Çizelge 6 Basamak etkisi altında dinamik hal deney koşulları

Parametre

CV3 vana kapalılığı (İlk konum)


τAD

τ a Zaman

Sıcaklık

−−=

a

AD

AD

a

s

c

UK

τ

τ

τ

τ

43

41

+

+

=)(813

)(632

a

AD

a

AD

I

τ

τ

τ

τ

τ

+=

)(211

4

a

AD

ADD

τ

τ

ττ

CV3 vana kapalılığı (İkinci konum)



T2 24.40C

Deney süresi 600s


Basınç (%45vana kapalılığında)

1.35 bar

Basınç %70 vana kapalılığı

1.61 bar

Şekil 27 Basamak etki sonunda CV3 vana pozisyonu grafiği

Şekil 28 Basamak etki sonunda oluşan basınç değerleri grafiği

CV3 vanasına basamak etki verildiğinde zamana karşı basınç grafiği Şekilde gösterilmiştir. Şekilden

okunan ölü zaman ve zaman sabiti değerleri kullanılarak eşitlikler yardımı ile hesaplanan PID

katsayıları Çizelgede verilmiştir.

Şekil 29 Reaksiyon eğrisi

Çizelge 7 Cohen-Coon yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney koşulları ve katsayıları

Parametre

τAD 4.5 s

τa 15.5 s

Us 0.011176

Kc 54.83

τI 20.131

τD 5.35

• Cohen-Coon yöntemi ile bulunan PID katsayıları kullanılarak PID kontrol deneyi yapılmıştır. Çizelge

de Cohen-Coon yöntemi ile bulunan PID katsayıları verilmiştir. Bu deney sonucunda elde edilen

CV3 vana pozisyonu ve basınç değerleri sırasıyla Şekilde verilmiştir.

Çizelge 8 Cohen-Coon yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney parametreleri

Parametre

Basınç-Zaman Grafiği

P 54.83

I 20.131

D 5.35



T2 23,40C

Şekil 30 Matlab-Simulink programında P: 54.83, I: 20.131, D: 5.35 iken PID kontrol deneyi

Şekil 31Matlab-Simulink programında P: 54.83, I:20.131, D: 5.35 iken PID kontrol deneyi (devamı)

Şekil 32 P: 54.83, I: 20.131, D: 5.35 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği

Şekil 33 P: 54.83, I: 20.131, D: 5.35 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı basınç grafiği

GPC kontrol deney sonuçları

GPC kontrol deneyleri kontrol algoritmasında yer alan λ ve N2 değerlerinin farklı değerleri

için yapılmıştır. Kontrol deneylerine geçilmeden önce %65 vana kapalılığında sistemin

yatışkın hale gelmesi beklenmiştir.

λ = 0.005 iken farklı N2 değerlerinde GPC kontrol deney sonuçları

GPC kontrol deneylerinde λ ve N2 değerlerinin kontrola etkisi gözlemlenmiştir.

λ = 0.005, N2 = 2 değerleri için deney yapılmıştır. Deney koşulları Çizelgede verilmiştir.

Deney sonunda alınan CV3 vana pozisyonu ve basınç değerleri şekilde verilmiştir.

Çizelge 9 λ = 0.005 iken farklı N2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları

Parametre

λ 0,005

N2 2

Nu 1



T2 22,60C

Şekil 34 Matlab-Simulink programında λ = 0.005 iken farklı N2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi

Şekil 35 Matlab-Simulink programında λ = 0.005 iken farklı N2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devamı)

Şekil 36 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N2 = 2 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği

Şekil 37 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N2 = 2 iken basıncın zamana karşı grafiği

λ = 0.005 iken N2 = 4 değerleri için deney yapılmıştır. Deney koşulları Çizelgede deney sonunda alınan

CV3 vana pozisyonu ve basınç değerleri şekilde verilmiştir.


Parametre

Λ 0,005

N2 4

Nu 1



T2 22,90C



Şekil 40 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N2 = 4 iken CV3 vana pozisyonunu zamana karşı grafiği

Şekil 41 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N2 = 4 iken basınca zamana karşı grafiği

λ = 0.005 iken N2 = 6 değerleri için deney yapılmıştır.


Parametre

Λ 0,005

N2 6

Nu 1



T2 23,60C







Parametre

Λ 0,01

N2 2

Nu 1



T2 22,60C


Şekil 46 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devam)





Parametre

λ 0,01

N2 4

Nu 1



T2 23,50C







Parametre

Λ 0,01

N2 6

Nu 1



T2 22,40C








Parametre

Λ 0,05

N2 2

Nu 1



T2 23,30C







Parametre

Λ 0,05

N2 4

Nu 1



T2 23,50C






Parametre

Λ 0,05

N2 6

Nu 1



T2 22,90C







Parametre

Λ 0,1

N2 2

Nu 1



T2 23,30C






Parametre

Λ 0,1

N2 4

Nu 1



T2 23,40C


Şekil 71 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N2 = 4 iken CV3 vana pozisyonunun zamana

karşı grafiği




Parametre

Λ 0,1

N2 6

Nu 1



T2 23,30C



Şekil 75 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N2 = 6 iken basıncın zamana karşı grafiği

GPC ve PID kontrol sonuçlarının karşılaştırılması

GPC kontrol algoritmasının etkinliğini görebilmek için PID kontrol deneyleri yapılmıştır.

Cohen-Coon yöntemi ile bulunan PID katsayılarının kullanılarak yapıldığı PID kontrol deneyi ile λ =

0.01 iken farklı N2 = 2 değerlerinde yapılan GPC kontrol deneyi sonucunda elde edilen vana ve basınç

verileri grafik üzerinde karşılaştırılmıştır.

Şekil 76 PID kontrol deneyi sonucu elde edilen vana pozisyonunun zamana karşı grafiği

Şekil 77 GPC kontrol deneyi sonucu elde edilen vana pozisyonunun zamana karşı grafiği

Şekil 78 PID kontrol deneyi sonucu elde edilen basıncın zamana karşı grafiği

Şekil 79 GPC kontrol deneyi sonucu elde edilen basıncın zamana karşı grafiği

Grafiklerdende görüldüğü üzere kullanılan GPC kontrol algoritması PID kontrol algoritmasına göre

daha iyidir.

V. Sonuç ve Öneriler

Sıvı-gaz reaktör basınç sistemlerinin proses kontrol simülatöründe benzetimi yapılmıştır. Bunun

için sistemdeki tank belli bir seviyeye kadar su ile doldurulmuş diğer kısmı ise basınçlı hava ile

doldurulmuştur.

Sistemde basınç kontrolu gerçekleştirilmiştir. Gaz basıncının elde edilmesi için havanın basıncını 3

atm’e kadar çıkaran bir kompresör kullanılmıştır.

Sıvı-gaz reaktörlerinin basınç kontrolunu gerçekleştirebilmek için ayar değişkeni olarak tankın hava

ile dolu olan kısmının çıkışına bir kontrol vanası takılmış ve bu vana sayesinde sistemden hava

çıkışı ayarlanarak prosesin kontrol edilebilirliği sağlanmıştır.

Çalışmalarda önce dinamik analiz yapılmış, sistemin kontrol edilebilirliği gözlemlenmiştir. Bunun

yanında sisteme verilen etkiye karşı sistemin tepkisi gözlenerek tepki süresi bulunmuştur.

PRBS sinyaller bilgisayar aracılığı ile tank çıkışındaki kontrol vanasına verilmiş, sıvı gaz

sisteminin bu etkiye karşı tepkisi gözlemlenmiştir. Elde edilen veriler yardımı ile GPC kontrolu için

gerekli olan ARIMAX model parametreleri hesaplanmıştır.

GPC kontrol sisteminden önce ilgili kontrol sisteminin etkinliğini anlamak için PID kontrol

yöntemi uygulanmıştır. PID kontrol sisteminin sıvı-gaz basınç reaktörünün basıncını istenilen

düzeyde kontrol ettiği anlaşılmıştır.

Bu çalışmalardan sonra GPC kontrol algoritmasının ilgili sisteme uygulanması gerçekleştirilmiştir.

Bu çalışmada elde edilen en önemli sonuç sıvı-gaz basınç reaktörlerinin bilgisayarlarla kontrolunde

wireless iletişim yönteminin kullanılmasıdır. Yapılan çalışmalar sonunda kablosuz iletişim

yönteminin kontrolde başarılı olduğu görülmüştür.

Yazılan GPC kontrol algoritması ile yapılan çalışmalarda bu algoritmanın önemli özelliklerinden

olan bazı parametrelerinin kontroldeki etkinliği gözlenmiştir.

Bunun için önce kontrol ayar parametresi olan λ katsayısının çeşitli değerlerinde kontrol çalışması

yapılmış, çıkış değişkeninin zamana göre değişimi incelenmiştir.

Ayrıca N2 parametresinin de kontrol etkinliğinin etkisi araştırılmıştır. Çeşitli N2 değerlerinde çıkış

değişkenlerinin zamana göre değişimi incelenmiştir.

KAYNAKLAR Babuska, R., Braake, H.A.B., Can, H.J.L., Krijgsman, A.J., Verbruggen, H.B., 1996, Comparison of

Intelligent Control Schemes for Real-Time Pressure Control, Control Eng.,Practice, Vol.4,

No.11, pp.1585-1592.

Caro, D., Wireless Networks for Industrial Automation, ISA- The Instrumentation, Systems and

Automation Society, 2nd Edition.

Chen, D., Nixon, M., Aneweer, T., Shepard, R., Mok, A., 2004, Middleware for Wireless Process

Control Systems, Wacerts.

Clarke, D.M., Mohtadi, C. And Tuffs, P.S. 1987. Generalized Predictive Control – Part 2. Extensions

and Interpretations. Automatica, Vol. 23, No 2, pp 149-160.

Leung, D., 2006, Real-Time MPC Supervisory System, 2006, Computers and Chemical Engineering 24,

pp 285-290.

Nygaard, G., Naevdal, G., 2006, Nonlinear Model Predictive Control Scheme for Stabilizing Annulus

Pressure During Oil Well Drilling, Journal of Process Control1, pp 719-732.

P3005 Process Control Simulator hand book.

Sheikhzadeh, M., Trifkovic, M., Rohani, S., 2007, Real-Time Optimal Control of an Anti-Solvent

Isothermal Semi-Batch Crystallization Process, Chemical Engineering Science 63, pp 829-839.

Song, J., Mok, A., Chen, D., Nixon, M., 2004, Challenges of Wireless Control in Process Industry,

Wacerts.

Zupancic, B., 1998, Extension Software for Real-Time Control System Design and Implementation

With MATLAB-Simulink, Simulation Practice and Theory 6, pp 703-719.

http://www.cybosoft.com/solutions/pressurecontrol.html

http://www.antrak.org.tr/index.php?Itemid=27&id=58&option=com_content&task=

Documents

ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ ...acikarsiv.ankara.edu.tr/browse/25465/EK11-sonuc-raporu-.pdfsonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bunun için wireless