Prediktívne riadenie laboratórnej rektifikačnej kolóny

Destilácia. Proces, ktorý sa vo veľkej miere výužíva ako v potravinárskom, tak v chemickom priemysle. Ide o oddeľovanie zložiek zmesi na základe ich rôznej teploty varu. Ako príklad možeme spomenúť dobre známu destiláciu alkoholu, ďalej výrobu benzínu a nafty a mnohé ďalšie. Rektifikácia predstavuje viacnásobnú destiláciu a rektifikačná kolóna je zariadenie, kde sa tento proces vykonáva. Reflux (spätný tok do kolóny) zabezpečuje opakovanú destiláciu. Keďže na každej etáži je dosahovaná iná teplota, môžeme odoberať rôzne produkty.

Rektifikáciou označujeme viacnásobnú destiláciu, ktorá ako proces vyžaduje veľké množstvo energie. Preto sme sa rozhodli navrhnúť a implementovať prediktívne riadenie (MPC) na rektifikačnú kolónu u nás v laboratóriu.

Keďže MPC má oveľa väčšie hardvérové aj softvérové nároky oproti napr. PID regulátorom, snažili sme sa túto náročnosť znížiť, a toto sme dosiahli využitím explicitného MPC.

Riadili sme teplotu na hlave kolóny ovládaním refluxu. Na základe viacerých experimentov sme sa snažili nájsť najvhodnejšie nastavenie MPC regulátora.

Naša kolóna má 8 etáží plus varák a hlavu kolóny, predhriaty nástrek sa privádza na štvrtú etáž. Destilovali sme zmes metanolu s vodou.

Klasické MPC vyžaduje v každej perióde vzorkovania počítať optimalizačný problém. Toto je hlavná príčina náročnosti MPC, keďže optimalizačné problémy sú často výpočtovo zložité, a požiadavky na rýchlosť výpočtu niekedy ťažko realizovateľné. Tu prichádza na rad explicitné MPC, zahŕňajúce move blocking (výstupy sú predikované na celom predikčnom horizonte, akčné zásahy sú vypočítavané na skrátenom predikčnom horizonte). Pri explicitnom MPC riešime optimalizačný problém offline ešte pred spustením riadenia. Na základe známeho pracovného rozsahu sa predpočítajú možné akčné zásahy a počas riadenia sa už len vyberajú tie vhodné, čo viditeľne urýchľuje každý výpočtový krok riadenia.

Výsledky

Na nasledujúcich obrázkoch vidíme porovnanie klasického online MPC a explicitného MPC. Treba spomenúť, že pri klasickom MPC bola použitá dvakrát vačsia hodnota váhového koeficientu na výstup ako pri explicitnom MPC.
Vidíme však, že explicitné MPC je schopné riadiť s veľmi dobrými výsledkami porovnateľnými s výsledkami klasického online MPC.

Online MPC

Explicitné MPC

Záver

A na odľahčenie a spŕíjemnenie tohto predvianočného času pripájam názornú sladkú edukačnú pomôcku.