Skip to main content
SUPERVISOR
Arjomand Mehrabani zeinabad
ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Nejati Hafdani
علی نجاتی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1379

TITLE

Control of pH Designing and Theoretical- Experimental Evaluation of Feedback linearization Controllers
In this thesis, the mathematical models for pH process are reviewed in the first. These models consist of two static and dynamic parts. The static part of model is derived based on ion’s dissociation, chemical equilibrium and electro neutrality equation in reactor. The dynamic part is obtained based on conservation of mass for each species in a CSTR reactor with constant volume. This type of modeling is named full order model or modeling based-on reaction invariants. Since implementation of this mode is more sophisticated when the number of state variables increases, the reduced order model which only has one state has been used. One of the significant characteristics of reduced order model is not needing to state observers. Also it can be used for estimation of feed stream titration curve easily. The main object of this thesis is to propose a controller based on reduced order model and compare with the other methods as below: a) Designing of adaptive and non-adaptive feedback linearizing controller based on reduced order model and compare it with linearizing controller based on full order model. Since nonlinear Leunberger like observers and extended Leunberger observers are implemented for estimating of states in full order model. Simulation and experimental results indicate the better performance of extended Leunberger observer with less computation. Also a method is proposed for prevention of singularity of observer gain in Leunberger like observer when strong acid and base are presented together. Finally is shown that the performance of feedback linearization controller based on reduced order model is better than controller based on full order model considerably. b) Review on pH control based on SAE method which proposed in literature and compare it with linearizing controller. First SAE method is introduced. Then a comparison is preformed between two SAE controllers through simulation. Finally the closed-loop performances of these controllers are evaluated through experimental studies. Results show that the SAE method is not suitable controller for common pH process in spite of good reports of this method in literature. c) Review on backstepping(BS) controller method which proposed for pH control in literature. It is shown that the BS controller proposed in the literature is identical with exact input-output linearization. To avoid difficulties related to state estimator design, these controllers have been designed based on the reduced order model of pH. Through simulation, the performance of linearizing controller, designed based on reduced order model, has been compared with performance of adaptive backstepping controller. Results indicate that the non-adaptive version of linearizing controller has a better performance in spite of its simpler design......
در این رساله ابتدا به بررسی مدلهای ریاضی موجود برای فرآیند pH پرداخته می‌شود. این مدلها اغلب شامل دو قسمت استاتیکی و دینامیکی می باشند. مدل استاتیکی بر مبنای روابط تفکیک یونی و تعادل شیمیایی به همراه معادله خنثی سازی بار الکتریکی بدست می آید. مدل دینامیکی بر مبنای قانون بقای جرم برای هریک از اجزاء در یک راکتور همزن دار با حجم ثابت حاصل می شود که به این روش، مدلسازی بر حسب نامتغیرهای واکنش (x i ) گفته می شود. از آنجایی که تعداد متغیرهای حالت این مدل با افزایش تعداد اجزاء افزایش یافته و استفاده از آن در کنترل کننده‌های مبتنی بر مدل با مشکل تخمین متغیرهای حالت همراه است، از مدل کاسته شده که دارای یک متغیر حالت (X) می باشد استفاده گردیده است. از ویژگی‌های این مدل بی نیازی به تخمین زننده حالت و استفاده آسان در طراحی تخمین زننده منحنی تیتراسیون می باشد. هدف اصلی این رساله ارائه روشهای کنترل مبتنی بر مدل کاسته شده و مقایسه آن با روشهای دیگر می باشد که عبارتند از: الف- طراحی کنترل کننده خطی ساز دقیق بصورت تطبیقی و غیر تطبیقی بر مبنای مدل کاسته شده و مقایسه آن با کنترل کننده خطی ساز دقیق بر مبنای مدل کامل: در این حالت برای بدست آوردن متغیرهای حالت برای کنترل کننده مبتنی بر مدل کامل, از دو رویتگر غیر خطی شبه لونبرگر و لونبرگر توسعه یافته استفاده شده است. نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی نشان می دهد که عملکرد رویتگر توسعه یافته بهتر می باشد در عین اینکه محاسبات آن ساده‌تر است. همچنین روشی ارائه شده است که بتوان بر مشکل منفرد شدن ماتریس مشاهده پذیری در رویتگر شبه لونبرگر با وجود اسید و باز قوی در سیستم غلبه کرد. در نهایت بر اساس نتایج بدست آمده، عملکرد کنترل کننده مبتنی بر مدل کاسته شده به طور قابل توجهی بهتر از کنترل کننده خطی ساز بر مبنای مدل کامل می باشد. ب- بررسی کنترل pH با روش SAE : در این کار ابتدا به نحوه کنترل بروش SAE پرداخته شده است. آنگاه از طریق شبیه سازی مقایسه‌ای بین کنترل کننده خطی ساز دقیق و دو کنترل کننده بر مبنای روش SAE انجام گرفته است. نهایتاً رفتار مدار بسته این کنترل کننده در حالت آزمایشگاهی مورد ارزیابی واقع شده و نتایج عملی نشان می دهد که روش SAE روش مناسبی برای کنترل pH نمی باشد باوجود اینکه در مراجع بعنوان یکی از بهترین روشها ذکر گردیده است. پ- بررسی کنترل کننده Backstepping(BS) (ارائه شده در مراجع) برای کنترل pH و اثبات یکسان بودن آن با کنترل کننده خطی ساز دقیق بر مبنای مدل کامل: در این کار نشان داده شده که کنترل کننده BS ارائه شده در مراجع جهت کنترل pH همان روش خطی سازی دقیق می باشد. همچنین عملکرد کنترل کننده خطی ساز غیر تطبیقی بر مبنای مدل کاسته شده بهتر از عملکرد کنترل کنندهBS می باشد. در نهایت نتایج مربوط به حذف اغتشاش دراثر تغییر غلظت اجزاء ورودی، حذف اغتشاش دراثر ورود یک ماده نامشخص به مخزن واکنش ودنبال کردن مقدار مطلوب برای کنترل کننده‌های ارائه شده در این رساله بصورت آزمایشگاهی بدست آمده است. این پاسخ‌ها بیانگر قابلیت بسیار بالای کنترل کننده خطی ساز دقیق بر مبنای مدل کاسته شده می باشند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی