Distillation columns are energy intensive separation units in the chemical plants. From an economic point of view, they are prime candidates for the application of the advanced control techniques.
In this work, control structure synthesis for distillation columns is investigated in the general decentralized control approach. There are an infinite number of distillation control structures theoretically which can be produced through structural transformation from a base structure. Each control structure makes up a different decentralized control system around a distillation column. These control systems have several important differences in the degree of interaction, sensitivity to disturbances, robustness against uncertainties, integrity(sensor/actuator failure tolerance), technical implementation complexities and etc. Many transformed control structures are evaluated from two standpoints : Interaction and Disturbance Sensitivity. Although there are brief comments on distillation column from each standpoint, there have been few researches from even interaction viewpoint using a dynamic interaction measure and a rigorous closed-loop performance measure as well. This study have applied ROSM (Relative Output Sensitivity Matrix) and RISM (Relative Input Sensitivity Matrix) as interaction analysis tools.
Disturbance Sensitivity is investigated in three operation modes, i. e., open-loop mode, one-point control mode and two-point control mode. SVA (Singular Value Analysis) concept at two-point control mode is introduced to evaluate disturbance rejection capability and set-point tracking performance between control structures. Dynamic simulations are carried out for all cases.
The purpose of this study is to select the best control structures which have the least interactions and are insensitive to disturbances and infer general features of specific control structures of a distillation column.
증류탑은 화학 plant 에서 흔히 사용되는 분리장치로 plant 가 필요로하는 energy 의 상당 부분을 소모하는 단위 공정이다. 증류탑은 현장 engineer 의 대다수가 향상된 H/W 설비나 Instrumentation 보다는 Simulation 과 Optimization 과 같은 applications 을 통해 효과적인 경제적 이득을 볼 수 있으리라 인식되고 있다. 따라서 증류탑의 제어문제는 실제적인 의미와 중요성을 지닌다.
조성제어를 포함한 증류탑 제어는 loop 간의 심한 Interaction 문제를 안고 있고, high purity 증류탑인 경우 더욱 심해진다. 이 문제를 해결하기 위한 방책으로서 'Decoupler' 라는 개념이 도입되었고 Explicit Decoupler 보다는 Implicit Decoupler가 조업변화에 유연하고 우수한 Stability 를 지니고 있다.
본 논문은 상기의 Interaction 문제와 아울러 Disturbance Rejection 문제를 동시에 고려하는 최선의 제어구조를 일종의 Implicit Decoupler 를 제공하는 구조변환법에 의해 변환된 무수한 제어구조중에서 선정함을 목적으로 한다. Interaction 은 소위 Interaction Measure (IM) 라 불리우는 수치적 index, ROSM (Relative Output Sensitivity Matrix) 와 RISM (Relative Input Sensitivity Matrix) 에 의해 지시되고, Disturbance Rejection Capability 는 세 operation mode 에서 각기 비교, 평가되었다. 구조변환법은 하나의 system model 로 부터 가능한 많은 이론적 제어구조를 제공하는 데, 이들 구조들은 위의 두 관점에서 평가되었다.
Interaction 평가 도구로서의 ROSM / RISM 는 dynamic interaction 과 closed -loop performance 을 지시하는 rigorous IM 으로 Two-point Control 뿐만아니라 One-point Control 의 dynamic response 형태를 예측하는 데 유용함이 예시되었다. Diturbance Sensitivity 평가 mode 중 Two-point Control Operation Mode 에서 Disturbance Rejection Performance 의 상한치로서 Maximum Singular Value 가 도입되었다.
두 관점하에서 최선의 요건을 충족하는 바람직한 제어구조 선정은 제어구조 마다 conflicting aspect 를 지님으로 해서 어렵지만 steady state 에서의 조업성이 뛰어나고 feed composition disturbances 에 대해서도 효율적인 Double Ratio Structure 가 가장 적당한 제어구조로 평가될 수 있고, 중간 크기의 Interaction 을 지니며 feed flow disturbance 에 대해 feedforward controller 를 결합한 (L V), (L V/B) 구조도 우수하리라 제안되었다.
