Sekoitussäiliöreaktorin säädön suunnittelu

Abstract

Jatkuvatoiminen sekoitussäiliöreaktori eli CSTR (engl. continuous stirred-tank reactor) on hyvin yleisesti teollisuuden prosesseissa käytetty reaktorityyppi. Reaktorin takaisinkytketty säätö on haastavaa, koska reaktorissa etenevä eksoterminen eli lämpöä vapauttava kemiallinen reaktio voi muuttua epästabiiliksi.

Tässä työssä suunnitellaan jatkuvatoimiselle sekoitussäiliöreaktorille kaksi erilaista säätörakennetta,joilla reaktori saadaan stabiloitua ja joilla reaktorin syöttönesteen lämpötilavaihtelua saadaan kompensoitua. Säätöratkaisuiksi valittiin PI-säätö ja estimaattoripohjainen tilasäätö. PI-säädin suunniteltiin Routhin testin sekä herkkyysfunktion avulla. Routhin testillä etsittiin PI-säätimen proportionaalivahvistuksen ja integrointivahvistuksen arvoille ehdot, joilla reaktori saatiin stabiloitua. Stabiloivien parametrien joukosta valittiin arvot, joilla takaisinkytketyn järjestelmän maksimiherkkyys saatiin riittävän pieneksi.

Estimaattoripohjainen tilasäädin suunniteltiin napojen asettelumenetelmällä. Sekä tilatakaisinkytkennän että tilaestimaattorin tavoitenavoiksi valittiin stabiilit tuplanavat. Deterministisen separaatioteoreeman mukaan tilatakaisinkytkennän ja tilaestimaattorin vahvistusmatriisit voitiin suunnitella erikseen. Molempien säätimien suunnittelussa hyödynnettiin reaktorin lineaarista malliapproksimaatiota.

Suunniteltujen säätimien suorituskykyä testattiin simulointiympäristössä ensin reaktorin lineaarisella malliapproksimaatiolla ja sen jälkeen epälineaarisella reaktorimallilla. Molemmat säätimet toteuttivat vaatimukset lineaarisella mallilla simuloitaessa. Valittu PI-säätimen viritys osoittautuiheti toimivaksi myös epälineaarisella reaktorimallilla simuloitaessa. Estimaattorin kyky muodostaa laskennallisia konsentraation arvoja osoittautui valitulla virityksellä kuitenkin riittämättömäksi. Uusien simulointien avulla estimaattorille löydettiin lopulta viritys, jolla sen suorituskyky saatiin riittäväksi.

Estimaattorin uuden virityksen jälkeen tavoitteisiin päästiin myös estimaattoripohjaisella tilasäätimellä. Koska tämän työn säätimet suunniteltiin toimimaan tarkasteltavan tasapainopisteen läheisyydessä, ei voida taata, että säätimien suorituskyky olisi riittävä laajemmalla toiminta-alueella. Simulointitulosten perusteella voidaan kuitenkin todeta suunniteltujen säätimien olevan toimivia ratkaisuja reaktorin hallintaan kyseisessä toimintapisteessä.