РОБАСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА
Аннотация
В работе в качестве объекта управления рассмотрен жидкофазный химический реактор емкостного типа, снабженный механической мешалкой и теплообменной рубашкой. Аппарат функционирует в политропическом режиме. В реакторе реализуется многостадийная последовательно-параллельная экзотермическая реакция. Целью функционирования химического реактора является получение целевого продукта заданной концентрации. Решается задача аналитического синтеза системы автоматического управления концентрацией целевого компонента, которая обеспечивает инвариантность, ковариантность с задающими воздействиями, асимптотическую устойчивость и робастность при действии неконтролируемых параметрических и сигнальных возмущений. Предложен астатический закон управления, полученный с использованием синергетической теории управления. Используя метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) по заданному инвариантному многообразию, синтезирован нелинейный алгоритм управления, включающий интегральную составляющую, который решает задачу стабилизации концентрации целевого компонента на выходе реактора на заданном уровне в условиях действия возмущений на объект. Алгоритмический синтез закона управления проведен с использованием нелинейной математической модели объекта без применения процедуры линеаризации. В результате имитационного моделирования установлено, что замкнутая система управления не имеет статической ошибки регулирования при действии на объект неконтролируемых параметрических и сигнальных возмущений, изменении задающих воздействий и начальном отклонении переменных состояния от значений в статике. Следовательно, предложенный нелинейный алгоритм управления концентрацией обладает свойством робастности. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности метода АКАР и перспективности теории синергетического управления для решения задач алгоритмического синтеза систем управления нелинейными, многомерными и многосвязными технологическими объектами. Внедрение синтезированного закона управления химическим реактором на стадии проектирования позволит реализовать гибкие кибернетически организованные химико-технологические системы.
Литература
Labutin A.N. Optimization of flexible multiproduct contin-uous reactor systems. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 1999. V. 42. N 1. P. 117-122 (in Russian).
Gaiyduk A.R. Synthesis of robust control systems with delay. Avtomatika Telemekhanika. 1997. V. 1. P. 90-99 (in Russian).
Petre E., Selisteanu D., Roman M. Nonlinear robust adap-tive control strategies for a lactic fermentation process.
J. Chem. Technol. Biotechnol. 2018. V. 93. N 2. P. 518-526. DOI: 10.1002/jctb.5383.
Yuan P., Zhang B., Mao Z. A self-tuning control method for Wiener nonlinear systems and its application to process control problems. Chin. J. Chem. Eng. 2017. V. 25. N 2. P. 193-201. DOI: 10.1016/j.cjche.2016.07.003.
Oravec J., Bakosova M. Robust model-based predictive control of exothermic chemical reactor. Chem. Papers. 2015. V. 69. N 10. P. 1389-1394. DOI: 10.1515/chempap-2015-0146.
Ghaffari V. A robust control system scheme based on mod-el predictive controller (MPC) for continuous-time systems. Opt. Control Applic. Meth. 2017. V. 38. N 6. P. 1032-1041. DOI: 10.1002/oca.2310.
Yazdi M.B., Jahed-Motlagh M.R. Stabilization of a CSTR with two arbitrarily switching modes using modal state feed-back linearization. Chem. Eng. J. 2009. V. 155. N 3. P. 838-843. DOI: 10.1016/j.cej.2009.09.008.
Anil C., Sree R.P. PID control of integrating systems using Multiple Dominant Poleplacement method. Asia-Pacific. J. Chem. Eng. 2015. V. 10. N 5. P. 734-742. DOI: 10.1002/apj.1911.
Babu D.C., Kumar D.B.S., Sree R.P. Tuning of PID Con-trollers for Unstable Systems Using Direct Synthesis Meth-od. Ind. Chem. Eng. 2017. V. 59. N 3. P. 215-241. DOI: 10.1080/00194506.2016.1255570.
Mohammadzaheri M., Chen L. Double-command fuzzy control of a nonlinear CSTR. Kor. J. Chem. Eng. 2010. V. 27. N 1. P. 19-31. DOI: 10.2478/s11814-009-0347-8.
So G.B., Jin G.G. Fuzzy-based nonlinear PID controller and its application to CSTR. Kor. J. Chem. Eng. 2018. V. 35. N 4. P. 819-825. DOI: 10.1007/s11814-017-0329-1.
Chen Q.X., Yu L. A delay-dependent robust fuzzy MPC approach for nonlinear CSTR. Canad. J. Chem. Eng. 2010. V. 88. N 3. P. 425-431. DOI: 10.1002/cjce.20277.
Kamesh R., Rani K.Y. Application of artificial neural net-work-based generic model control to multivariable processes. Asia-Pacific J. Chem. Eng. 2017. V. 12. N 5. P. 775-789. DOI: 10.1002/apj.2117.
Li S., Gong M.Z., Liu Y.J. Neural network-based adaptive control for a class of chemical reactor systems with non-symmetric dead-zone. Neurocomputing. 2016. V. 174. P. 597-604. DOI: 10.1016/j.neucom.2015.09.072.
Bahita M., Belarbi K. Fuzzy modelling and model reference neural adaptive control of the concentration in a chemical re-actor (CSTR). Ai & Society. 2018. V. 33. N 2. P. 189-196. DOI: 10.1007/s00146-018-0806-z.
Kolesnikov A.A. Synergistic theory of control. M.: Ener-goatomizdat. 1994. 344 p. (in Russian).
Kolesnikov A.A. Synergetic control methods of complex systems: the theory of system synthesis. M.: Editorial URSS. 2005. 240 p. (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Y. Analytical synthesis of chemical reactor control system. Theor. Found. Chem. Eng. 2014. V. 48. N 3. P. 296-300. DOI: 10.1134/S0040579514030105.
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu., Volkova G.V. Robust control of a chemical reactor temperature regime. Informatika Sistemy Upravleniya. 2018. N 3. P. 115-123 (in Russian). DOI: 10.22250/isu.2018.57.115-123.
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu. Synthesis of chemical reactor nonlinear control algorithm using synergetic ap-proach. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 2. P. 38-44 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.2017602.5479.
Nevinitsyn V.Yu., Labutin A.N., Volkova G.V. Tempera-ture control of chemical reactor using nonlinear robust algo-rithm. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Ser. Ekon. Finansy Up-ravl. Proizvodstvom. 2018. N 2. P. 64-68 (in Russian).
Nevinitsyn V.Yu., Labutin A.N., Volkova G.V. Software-hardware solution for design and simulation of chemical re-actors control systems. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Ser. Ekon. Finansy Upravl. Proizvodstvom. 2016. N 2. P. 111-117 (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Y. Analytical synthesis of chemical reactor control system. Internat. J. Advan. Stud. 2016. V. 6. N 1. P. 27-37. DOI: 10.12731/2227-930X-2016-1-27-37.
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu., Devetyarov A.N., Volkova G.V. Synthesis of an effective complex "reactor – control system" using a synergetic approach. Khim. Prom-t'. 2014. V. 91. N 2. P. 63-67 (in Russian).
Nevinitsyn V.Yu., Labutin A.N., Devetyarov A.N., Volkova G.V. Control of reactor unit with partitioned feed-ing of general reagent. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Ser. Ekon. Finansy Upravl. Proizvodstvom. 2014. N 2. P. 165-172 (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu., Devetyarov A.N. Con-trol system of chemical reactor cascade for series-parallel re-action realization. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 11. P. 131-135 (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu. Synergetic synthesis of chemical reactor control system. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2012. V. 55. N 11. P. 104-107 (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu., Volkova G.V. Synthesis and modeling of multidimensional control system of chemical reactors cascade. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Ser. Ekon. Fi-nansy Upravl. Proizvodstvom. 2012. N 2. P. 150-157 (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu. Chemical reactor control under conditions of production demand change. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Ser. Ekon. Finansy Upravl. Proizvodstvom. 2012. N 3. P. 122-129 (in Russian).
Labutin A.N., Nevinitsyn V.Yu. Synergetic synthesis of concentration regulator of the target component in the cascade of chemical reactors. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Ser. Ekon. Finansy Upravl. Proizvodstvom. 2011. N 3. P. 86-92 (in Russian).
Gordeev L.S., Labutin A.N., Gordeeva E.L. Optimal syn-thesis of multiproduct resource-conserving reactor systems. Theor. Found. Chem. Eng. 2014. V. 48. N 5. P. 637-643. DOI: 10.1134/S0040579514050170.
Nevinitsyn V.Yu., Labutin A.N., Volkova G.V., Devetyarov A.N. System analysis of chemical reactor as control object. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 9. P. 92-99 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.2017609.5587.
