Tennessee Eastman problem was proposed by Downs and Vogel. It is based on the real industrial chemical process and the Fortran code provided by Downs and Vogel represents this process. This process includes five unit operations : a reactor, a product condenser, a vapor-liquid separator, a recycle compressor and a product stripper. It has 12 valves available for manipulation and 41 measurements available for monitoring or control. Two products and two byproducts are produced by four gas phase reactions from four reactants. There are four setpoint changes and 20 disturbances in this process. Therefore, it is an objective to develop a control strategy to overcome the given setpoint changes and disturbances.
In this study, decentralized control system using PID controller is used to control this process.
The proposed control strategy begins with the selection of the method for production rate control. The production rate is controlled by manipulating the setpoint of feed flow rate with the feedback control loop based on material balance. Second, levels and pressure are controlled. The stripper level is controlled by the stripper bottom flow rate, the separator level by the separator bottom flow rate and the reactor level by using the temperature relation between the condenser cooling water flow rate and the separator. The reactor pressure is controlled by the purge flow rate. The product composition is controlled by the feedforward control using the steady-state value and the feedback control using the measurements of the reactor feed analyzer and the product analyzer. The reactor temperature is controlled by the reactor jacket cooling water flow rate.
The proposed control system was tested with 20 disturbances and 3 setpoint changes except for purge gas composition of component B changes. The results of regulatory problems and servo problems shows better performance than the strategy proposed by Ricker for the base case.
테네시 이스트만 문제는 Down과 Vogel에 의해서 제안된 실제 공정에 대한 문제로 포트란 코드로 제공되며 반응기, 기액 분리기, 압축기, 응축기, 탈거기의 5개의 단위 공정을 포함하며 12개의 조작 변수와 41개의 측정 변수를 가지고 있다. 반응기에서는 기상 반응으로 4개의 반응물로부터 2개의 products와 2개의 부산물을 생성한다. 그리고 공정에서는 4개의 setpoint 변화와 20개의 외란이 있다. 결국 이러한 setpoint 변화와 외란을 잘 극복할 수 제어전략을 수립하는 것이 목적이다.
본 논문에서는 PID 제어기를 이용한 분산 제어기법을 이용하여 본 공정을 제어하였다.
제안된 제어 전략은 제품의 생산량의 제어로부터 시작된다. 제품의 생산량은 물질 수지식을 기초로 하여 공급되는 원료의 양의 setpoint를 피드백 제어 구조를 이용하여 조절하므로써 제어하였다. 두 번째로는 수위와 압력을 제어하였는데, 탈거기의 수위는 탈거기의 탑하의 유량, 기액 분리기의 수위는 기액 분리기 탑하의 유량, 반응기의 수위는 응축기의 냉각수의 유량과 분리기의 온도 관계를 이용하여 제어하였으며, 반응기의 압력은 퍼지의 유량으로 제어하였다. 제품의 성분은 정상상태 값을 이용한 feedforward 제어와 제품 성분 분석기 및 반응기 유입 농도 분석기의 측정값을 통한 피드백 제어를 이용하여 제어하였다. 반응기의 온도는 반응기의 자킷의 냉각수 유량으로 제어를 하였다.
이런 제어 전략을 이용하여 만들어진 제어구조로 제시된 20개의 외란과 퍼지 성분의 setpoint 변화를 제외한 3개의 setpoint 변화에 대해 모사를 수행하였는데 모두 다 기존에 제안된 분산제어 기법보다 좋은 제어 성능을 보여 주었다.