Identifikácia a návrh robustného riadenia pre laboratórny chemický reaktor

Hlavným cieľom mojej bakalárskej práce bolo navrhnúť pokročilé robustné riadenie, resp. robustné prediktívne riadenie, procesu neutralizácie roztoku kyseliny octovej a roztoku hydroxidu sodného za účelom dosiahnutia žiadanej hodnoty pH s požadovanou kvalitou riadenia.
Najskôr bolo potrebné, aby som sa oboznámil s laboratórnym chemickým reaktorom Armfield PCT40 Basic Process Module a s uvažovaným procesom neutralizácie, ktorý v laboratórnom chemickom reaktore prebiehal. Následne, aby som mohol efektívne pracovať s laboratórnym chemickým reaktorom, som kalibroval merací člen, ktorým bol pH senzor a kalibroval som aj akčné členy, ktorými boli dve čerpadlá, pričom jedno zabezpečovalo objemový prietok roztoku kyseliny octovej a druhé zabezpečovalo objemový prietok roztoku hydroxidu sodného do laboratórneho chemického reaktora. Z experimentálne nameraných dát som zostrojil dve prevodové charakteristiky systému, ktoré v mojom prípade znamenajú titračné krivky daného procesu neutralizácie. Dôvodom, prečo boli dve je, že v jednom prípade som titroval roztok hydroxidu sodného roztokom kyseliny octovej a v druhom prípade som titroval roztok kyseliny octovej roztokom hydroxidu sodného. Vďaka prevodovým charakteristikám som získal informácie dôležité z pohľadu riadenia, a to, že neutralizácia je procesom, ktorý sa správa nesymetricky (pri skokových zmenách na rovnaké hodnoty vychádzajú mierne odlišné výsledky) a nelineárne (nelineárny tvar titračnej krivky), čo znamená, že na riadenie bude lepšie použiť pokročilejšiu metódu, a získal som aj informáciu o rozsahu pracovných bodov, čo znamená, že viem v akých minimálnych a maximálnych hodnotách sa môžem pri riadení hodnoty pH pohybovať.
Následne som identifikoval vstupno-výstupný matematický model laboratórneho chemického reaktora pre prípad meniaceho sa objemového prietoku roztoku kyseliny octovej pri konštantnom objemovom prietoku roztoku hydroxidu sodného a potom aj pre prípad meniaceho sa objemového prietoku roztoku hydroxidu sodného pri konštantnom objemovom prietoku roztoku kyseliny octovej. Vzhľadom na to, že proces neutralizácie má nelineárne a nesymetrické správanie, identifikáciu som uskutočnil na základe ôsmich prechodových charakteristík experimentálne nameraných pre skokové zmeny vstupu smerom nahor aj nadol pre prvý prípad, čiže postupne sa menil objemový prietok roztoku kyseliny octovej a objemový prietok roztoku hydroxidu sodného bol konštantný. Takisto som robil aj identifikáciu pre osem nameraných prechodových charakteristík pre skokové zmeny vstupu smerom nahor aj nadol pre druhý prípad, čiže postupne sa menil objemový prietok roztoku hydroxidu sodného a objemový prietok roztoku kyseliny octovej bol konštantný. Pre prvý aj pre druhý prípad som získal výsledné vstupno-výstupné matematické modely laboratórneho chemického reaktora vo forme prenosových funkcií 1.rádu s intervalovými neurčitosťami pre proces neutralizácie. Prenosové funkcie mali malé dopravné oneskorenie, ktoré som zanedbal, pre zjednodušenie návrhu pokročilého riadenia. V rámci práce som dopravné oneskorenie aj aproximoval lineárnou aproximáciou Taylorovým rozvojom menovateľa prenosu systému do 1.rádu, aby som sa mohol pri ďalšej práci s daným procesom mimo bakalárskej práce pozrieť, aký vplyv bude mať zohľadnenie dopravného oneskorenia na kvalitu riadenia.
Po získaní vstupno-výstupných matematických modelov som na ich základe
navrhol robustné prediktívne riadenie procesu neutralizácie za účelom dosiahnutia
požadovanej hodnoty pH, čo sa mi aj úspešne podarilo a nakoniec som vyhodnotil
kvalitu riadenia pomocou časových a integrálnych ukazovateľov, ako aj na základe
priebehov riadenej veličiny vo zvolenom rozsahu hodnôt pH od 6 – 8.

Laboratórny chemický reaktor:

Priebeh riadenia pH pri skokovej zmene z pH 7 → 8: hodnota pH (modrá), žiadaná hodnota pH (červená), δ-okolie žiadanej hodnoty pH (zelené) pri meniacom sa prietoku roztoku kyseliny octovej:

Priebeh riadenia pH pri skokovej zmene z pH 8 → 7: hodnota pH (modrá), žiadaná hodnota pH (červená), δ-okolie žiadanej hodnoty pH (zelené) pri meniacom sa prietoku roztoku hydroxidu sodného: