Sviluppo e analisi di sistemi di controllo predittivo per l'inseguimento di segnali applicati a un impianto chimico di trattamento del gas naturale

In order to assure a safe and profitable industrial process quality control, is essential, especially in chemical installations. Control methods, like Model Predictive Control (MPC), are of growing interest for complex installations, as found in the chemical industry. These techniques base the calculation of control variables on the minimization of cost function, compared to a finite horizon, which defines the future behaviour of the system. Such behavior can be predicted thanks to a correct process mode. One of the advantages of predictive control is the possibility to set specific boundaries for both system and control variables. Over the past years, softwares for detailed mathematical simulation has found space in the field of control of chemical processes. The objective of this thesis is to present how the use of one of these systems, the dynamic simulator DynSim, may not be limited to just the design and simulation of the process, but could be extended to the synthesis and validation of advanced control structures. This has required the development of a dedicated interface which has allowed a link to Matlab, a for data elaboration, and for the calculation of control variables. The first step has been to identify a mathematical model of the system based on the data supplied by the simulator, followed by a simplification and validation of the model. After this phase, two different predictive control systems for tracking will be presented and compared with aimed testing. Furthermore, two graphic interfaces will be developed with the aim to supply a system which allows the identification of a generic process, that can be simulated with DynSim, and the calculation the necessary matrices to start the control operations in a simple and automatic way. It is important to underline how the use of DynSim has highlighted real problems, like the non linearity of chemical installations, giving ever more validation to the solutions proposed and the results obtained.

Il controllo di processo è essenziale per un funzionamento sicuro e redditizio dei processi industriali, in particolare per gli impianti chimici. Metodologie di controllo di crescente interesse per la gestione d’impianti complessi, come quelli chimici, sono quelle basate sul controllo predittivo, o MPC (Model Predictive Control). Queste tecniche basano il calcolo delle variabili di controllo sulla minimizzazione di una funzione di costo, rispetto a un orizzonte finito, che caratterizza il comportamento futuro del sistema. Tale comportamento è predetto grazie a un opportuno modello del processo. Un notevole vantaggio della tecniche di controllo predittivo è la possibilità di definire specifici vincoli per le variabili di sistema e di controllo. Per quanto riguarda i processi chimici, si sono diffusi negli ultimi anni ambienti per la simulazione matematica dettagliata. Scopo del seguente Lavoro di Tesi è presentare come l’uso di uno di questi ambienti, in particolare il simulatore dinamico DynSim, possa non essere limitato alla sola progettazione e simulazione di processo, ma esteso anche alla sintesi e alla validazione di strutture di controllo avanzate, nonché al loro confronto. Ciò richiederà lo sviluppo di un interfaccia dedicata che ne permetta l’affiancamento a Matlab, ovvero al software per l’elaborazione dei dati e il calcolo delle variabili di controllo. Inizialmente si procederà con l’identificazione di un modello matematico del sistema dai dati forniti dal simulatore, quindi si procederà con un sua semplificazione e necessaria validazione. Successivamente si presenteranno due differenti sistemi di controllo predittivo per l’inseguimento di segnali, poi confrontati tramite prove mirate. Inoltre, si presenteranno due interfacce grafiche sviluppate con lo scopo di fornire rispettivamente uno strumento che permetta l’identificazione per un generico processo simulabile con DynSim e il calcolo delle matrici necessarie all’implementazione dei controlli discussi, in maniera semplice e automatica. Importante è evidenziare come l’uso di DynSim abbia permesso il manifestarsi di problematiche reali, come la non linearità dell’impianto chimico, dando maggiore validità alle soluzioni proposte e ai risultati conseguiti.