A new online optimization strategy is proposed to minimize the operation time of vatch and semi-batch processes in this study. The proposed online strategy employs a control structure that includes the primary controller combined with the final quality predictor, and secondary controller. The final product quality and the termination time are predicted and the operating trajectory is updated by the primary controller with the predictor based on the operational information of previous as well as current batch operation. The secondary conroller is to perform the tracking control of batch and semi-batch processes along the operating trajectory given by the primary controller.
Firstly, the tuning method for the cascade PID controller is presented for the integrating or the open-loop unstable process with time delay. The integrating and the open-loop unstable reponses are often observed in the batch and semi-batch reactors with chemical reactions. The desired closed-loop response (DCLR) tuning method is extended to the cascade controller design for such integrating and the open-loop unstable process with time delay.
Secondly, the new online optimization strategy is proposed to minimize the batch operation time. The quadratic iterative learning control algorithm which integrates the linear quadratic control and the iterative learning control, is extended to minimize the operation time of the batch and semi-bath reactor while maintaining the final qualities of the products within the pre-specified cibstraubts. Two simple examples have been provided to illustrate the performances of the proposed strategy.
Finally, the performances of the proposed online optimization strategy combined with the secondary controller tuned by the proposed tuning method have been illustrated through a realistic case study. The example process is the simulated polymerization reactor producing polystyrene (PS) in the batch reactor. The operation time has been reduced online while number and weight-average molecular weights have been controlled to their target values.
이 연구에서는 회분 및 반회분 공정의 조업시간을 단축하기 위한 새로운 실시간 최적화 전략을 제안하였다. 제안된 실시간 전략은 최종 품질 예측기와 결합된 1차 제어기 및 2차 제어기로 구성된 제어구조를 가진다. 최종 제품 물성과 조업 종료시간의 예측 및 조업 궤적의 개선은 1차 제어기에서 실시간으로 담당하며, 이때 현 조업 뿐 아니라 이전의 조업에서 얻은 모든 정보들을 이용한다. 2차 제어기는 1차 제어기에서 주어진 조업 궤적에 따라 회분 및 반회분 공정의 추적 제어를 수행한다.
먼저 시간 지연이 있는 적분 공정 및 열린 루프 불안정 공정을 위한 다단 PID 제어기의 튜닝 방법을 제안하였다. 이러한 공정들은 주로 화학반응을 동반한 회분 및 반회분 반응기에서 관찰된다. 기존의 DCLR 튜닝 방법을 시간 지연이 있는 적분 공정 및 열린 루프 불안정 공정을 위한 다단 제어기 설계로 확장되었다.
다음으로 회분 조업시간 단축을 위한 새로운 실시간 최적화 전략을 제안하였다. Linear quadratic control과 반복 학습 제어를 결합한 quadratic 반복학습 제어 알고리즘을 확장하여 회분 및 반회분 반응기의 최종 제품 물성을 원하는 제한조건 내로 유지시키면서 조업 시간을 단축하였다. 간단한 두 예제로써 제안된 전략의 성능을 보였다.
끝으로 제안된 실시간 최적화 전략을 2장의 튜닝 방법으로 튜닝한 2차 제어기와 결합하여 보다 현실적인 문제에 적용하였다. 사용된 예제는 모사된 회분 polystyrene중합 반응기였으며, 수평균 및 질량 평균 분자량을 제어하면서 조업시간을 실시간으로 단축하였다.
