ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ KOORDİNATÖRLÜĞÜNE

Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ KOORDİNATÖRLÜĞÜNE Proje Türü :AYP (Altyapı Projesi) Proje No :10A Proje Yöneticisi Proje Konusu :Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ :Sıvı-gaz reaktör basınç sisteminin GPC kontrolu Yukarıda bilgileri yazılı olan projeminsonuç raporunun e-kütüphanede yayınlanmasını; İSTİYORUM İSTEMİYORUM Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ

2 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 10A Başlama Tarihi 17/03/2010 Bitiş Tarihi 17/09/2012 Rapor Tarihi 10/07/2013 Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Ankara - " 2013 "

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 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

8 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.

9 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

10 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.

11 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

12 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

13 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.

14 Çizelge 1Yatışkın hal deney koşulları Parametre CV3 vana kapalılığı %45 vana kapalılığı P (son) 1.22 bar Sıvı seviyesi T 2 Deney süresi Deney veri alma sıklığı 4,52 dm C 600s 1s Şekil 9. Matlab-Simulink programında yatışkın hal deneyi Şekil 10. Yatışkın hal deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği

15 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) CV3 vana kapalılığı (İkinci konum) Sıvı seviyesi T 2 Deney süresi Deney veri alma sıklığı Basınç (%45 vana kapalılığında) Basınç (%70 vana kapalılığında) %45 vana kapalılığı %70 vana kapalılığı 4,52 dm C 600s 1s 1.22 bar 1.55 bar

16 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

17 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 CV 3 vana kapalılığı (min.) %65 vana kapalılığı CV 3 vana kapalılığı (max.) %85 vana kapalılığı Sıvı seviyesi T 2 Deney süresi Deney veri alma sıklığı Basınç (%65 vana kapalılığında) Basınç (%85 vana kapalılığında) 4,52 dm C 800s 5s 1.35 bar 1.61 bar Şekil 15 Matlab-Simulink programında PRBS etkinin verildiği dinamik hal deneyi

18 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. a 0 = 1 a 1 = a 2 = b 0 = C = 1 B = b 0 A = 1+ a 1 *z -1 + a 2 * z -2

19 ARIMA MODEL : B C y ( t) = u( t 1) + e( t) A A ARIMAX MODEL: B y ( t) = u( t 1) A 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 Sıvı seviyesi 1,3 bar 4,52 dm

20 T 2 24,4 0 C 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)

21 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 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,51 dm 24,3 0 C

22 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

23 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. U s e G( s) = 1+ τ ( τ a AD s s) 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.

24 Sıcaklık τ AD τ a Zaman Şekil 26 Proses reaksiyon eğrisi Bu yöntem ile optimum kontrol parametrelerinin hesaplanması için kullanılan denklemler şu şekildedir: K c 1 = U s τ τ a AD 4τ 3 4τ AD a τ I τ ( τ = τ 13+ 8( τ AD a AD a ) ) τ D = τ AD 4 τ 11+ 2( τ AD a ) 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 CV 3 vana kapalılığı (İlk konum) %45 vana kapalılığı

25 CV 3 vana kapalılığı (İkinci konum) Sıvı seviyesi T 2 Deney süresi Deney veri alma sıklığı Basınç (%45vana kapalılığında) Basınç %70 vana kapalılığı %70 vana kapalılığı 4,52 dm C 600s 1s 1.35 bar 1.61 bar Şekil 27 Basamak etki sonunda CV3 vana pozisyonu grafiği Şekil 28 Basamak etki sonunda oluşan basınç değerleri grafiği

26 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. Basınç-Zaman Grafiği Şekil 29 Reaksiyon eğrisi Çizelge 7 Cohen-Coon yöntemi ile katsayıları bulunan PID kontrol deney koşulları ve katsayıları Parametre τ AD τ a 4.5 s 15.5 s U s K c τ I τ D 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

27 P I D 5.35 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,6 dm 23,4 0 C Şekil 30 Matlab-Simulink programında P: 54.83, I: , D: 5.35 iken PID kontrol deneyi

28 Şekil 31Matlab-Simulink programında P: 54.83, I:20.131, D: 5.35 iken PID kontrol deneyi (devamı) Şekil 32 P: 54.83, I: , D: 5.35 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı CV3 vana pozisyonu grafiği Şekil 33 P: 54.83, I: , D: 5.35 iken PID kontrol deneyinde zamana karşı basınç grafiği GPC kontrol deney sonuçları GPC kontrol deneyleri kontrol algoritmasında yer alan λ ve N 2 değerlerinin farklı değerleri için yapılmıştır. Kontrol deneylerine geçilmeden önce %65 vana kapalılığında sistemin yatışkın hale gelmesi beklenmiştir. λ = iken farklı N 2 değerlerinde GPC kontrol deney sonuçları GPC kontrol deneylerinde λ ve N 2 değerlerinin kontrola etkisi gözlemlenmiştir. λ = 0.005, N 2 = 2 değerleri için deney yapılmıştır. Deney koşulları Çizelgede verilmiştir. Deney sonunda alınan CV3 vana pozisyonu ve basınç değerleri şekilde verilmiştir. Çizelge 9 λ = iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre λ 0,005

29 N 2 2 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,5 dm 22,6 0 C Şekil 34 Matlab-Simulink programında λ = iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 35 Matlab-Simulink programında λ = iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devamı)

30 Şekil 36 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N 2 = 2 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 37 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N 2 = 2 iken basıncın zamana karşı grafiği λ = iken N 2 = 4 değerleri için deney yapılmıştır. Deney koşulları Çizelgede deney sonunda alınan CV3 vana pozisyonu ve basınç değerleri şekilde verilmiştir. Çizelge 10 λ = iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,005 N 2 4 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,47 dm 22,9 0 C

31 Şekil 38 Matlab-Simulink programında λ = iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 39 Matlab-Simulink programında λ = iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devamı) Şekil 40 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N 2 = 4 iken CV3 vana pozisyonunu zamana karşı grafiği

32 Şekil 41 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N 2 = 4 iken basınca zamana karşı grafiği λ = iken N 2 = 6 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 11 λ = iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,005 N 2 6 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,5 dm 23,6 0 C

33 Şekil 42 Matlab-Simulink programında λ = iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 43 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N 2 = 6 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 44 GPC kontrol deneyinde λ = 0.005, N 2 = 6 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.01 iken farklı N 2 değerlerinde GPC kontrol deney sonuçları λ = 0.01 iken N 2 = 2 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 12 λ = 0.01 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları

34 Parametre Λ 0,01 N 2 2 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,5 dm 22,6 0 C Şekil 45 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 46 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devam)

35 Şekil 47 GPC kontrol deneyinde λ = 0.01, N 2 = 2 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 48 GPC kontrol deneyinde λ = 0.01, N 2 = 2 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.01 iken N 2 = 4 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 13 λ = 0.01 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre λ 0,01 N 2 4 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,53 dm 23,5 0 C

36 Şekil 49 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 50 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devamı) Şekil 51 GPC kontrol deneyinde λ = 0.01, N 2 = 4 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği

37 Şekil 52 GPC kontrol deneyinde λ = 0.01, N 2 = 4 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.01 iken N 2 = 6 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 14 λ = 0.01 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,01 N 2 6 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,48 dm 22,4 0 C

38 Şekil 53 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 54 Matlab-Simulink programında λ = 0.01 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devamı) Şekil 55 GPC kontrol deneyinde λ = 0.01, N 2 = 6 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 56 GPC kontrol deneyinde λ = 0.01, N 2 = 6 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.05 iken farklı N 2 değerlerinde GPC kontrol deney sonuçları λ = 0.05 iken N 2 = 2 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 15 λ = 0.05 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları

39 Parametre Λ 0,05 N 2 2 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,52 dm 23,3 0 C Şekil 57 Matlab-Simulink programında λ = 0.05 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 58 Matlab-Simulink programında λ = 0.05 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi (devamı)

40 Şekil 59 GPC kontrol deneyinde λ = 0.05, N 2 = 2 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 60 GPC kontrol deneyinde λ = 0.05, N 2 = 2 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.05 iken N 2 = 4 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 16 λ = 0.05 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,05 N 2 4 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,53 dm 23,5 0 C

41 Şekil 61 Matlab-Simulink programında λ = 0.05 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 62 GPC kontrol deneyinde λ = 0.05, N 2 = 4 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 63 GPC kontrol deneyinde λ = 0.05, N 2 = 4 iken basınca zamana karşı grafiği

42 λ = 0.05 iken N 2 = 6 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 17 λ = 0.05 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,05 N 2 6 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,48 dm 22,9 0 C Şekil 64 Matlab-Simulink programında λ = 0.05 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deneyi

43 Şekil 65 GPC kontrol deneyinde λ = 0.05, N 2 = 6 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 66 GPC kontrol deneyinde λ = 0.05, N 2 = 6 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.1 iken farklı N 2 değerlerinde GPC kontrol deney sonuçları λ = 0.1 iken N 2 = 2 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 18 λ = 0.1 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,1 N 2 2 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi 1,3 bar 4,52 dm

44 T 2 23,3 0 C Şekil 67 Matlab-Simulink programında λ = 0.1 iken farklı N 2 = 2 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 68 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N 2 = 2 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 69 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N 2 = 2 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.1 iken N 2 = 4 değerleri için deney yapılmıştır.

45 Çizelge 19 λ = 0.1 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,1 N 2 4 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,52 dm 23,4 0 C Şekil 70 Matlab-Simulink programında λ = 0.1 iken farklı N 2 = 4 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 71 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N 2 = 4 iken CV3 vana pozisyonunun zamana

46 karşı grafiği Şekil 72 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N 2 = 4 iken basınca zamana karşı grafiği λ = 0.1 iken N 2 = 6 değerleri için deney yapılmıştır. Çizelge 20 λ = 0.1 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deney koşulları Parametre Λ 0,1 N 2 6 N u 1 Set noktası Sıvı seviyesi T 2 1,3 bar 4,48 dm 23,3 0 C

47 Şekil 73 Matlab-Simulink programında λ = 0.1 iken farklı N 2 = 6 değerlerinde GPC kontrol deneyi Şekil 74 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N 2 = 6 iken CV3 vana pozisyonunun zamana karşı grafiği Şekil 75 GPC kontrol deneyinde λ = 0.1, N 2 = 6 iken basıncın zamana karşı grafiği

48 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 N 2 = 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

49 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.

50 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 N 2 parametresinin de kontrol etkinliğinin etkisi araştırılmıştır. Çeşitli N 2 değerlerinde çıkış değişkenlerinin zamana göre değişimi incelenmiştir.

51 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 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 Generalized Predictive Control Part 2. Extensions and Interpretations. Automatica, Vol. 23, No 2, pp Leung, D., 2006, Real-Time MPC Supervisory System, 2006, Computers and Chemical Engineering 24, pp Nygaard, G., Naevdal, G., 2006, Nonlinear Model Predictive Control Scheme for Stabilizing Annulus Pressure During Oil Well Drilling, Journal of Process Control1, pp 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 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