Design methods of on-line computer control system for a fixed bed reactor with highly exothermic reaction have been investigated with two different objectives: first, regulation of both product yield and bed temperature at certain desired values and secondly, on-line optimization of profit while controlling the bed temperature. In addition, the control methods proposed have been designed to operate in fully adaptive manner in order to overcome the modelling difficulties and time-varying characteristics inherent in the fixed bed reactor.
To achieve the first objective, extended discrete-time multivariable adaptive control scheme has been developed using long-term predictor. This control scheme has been designed to solve unboundedness problem of control inputs raised when the existing multivariable adaptive control is applied to a fixed bed reactor. From simulation studies, it was revealed that the extended multivariable adaptive control scheme could show a good control performance.
In order to attain the second objective, on-line optimizing control scheme for a nonadiabatic fixed bed reactor has been presented. The control scheme has been devised to perform two functions simultaneously, adaptive control of a bed temperature and on-line steady state optimization by recursively identifying the reactor dynamics. To investigate the performance of the on-line optimizing control scheme, experiments were made with a pilot-scale fixed bed reactor where a partial oxidation of n-butane to maleic anhydride occurs. The reactor system was connected with a microcomputer and control and optimization were done by the microcomputer. With an objective function which consists of a net profit by producing maleic anhydride plus a penalty term on the bed temperature, it was clearly shown that the reaction conditions moved to a supposedly optimum point.
Finally, an improved algorithm for implementing optimizing control scheme is proposed by connecting the above two control methods to ensure that the reactor is moved toward the true optimum point and is also regulated at the optimum operating condition.
All the control methods proposed in this thesis can cope with uncertainties which may be encountered in operating a fixed bed reactor and are believed to be well applicable to industrial reactors.
심한 발열 반응이 있는 고정층 반응기의 컴퓨터 제어계를 생성물의 수율과 열점의 온도를 동시에 조절하고자 하는 목적과, 열점의 온도는 제어하는 가운데 조업에 의한 이윤을 최적화하는 두가지 목적에 대해 각각 연구하였다. 또 이때 이 제어계들은 고정층 반응기에서 항상 문제가 되는 모델화의 어려움, 시간변이성등을 극복하기 위하여 적응성을 갖도록 구성하였다.
첫번째 목적을 위하여 "확장된 이산시간 다변수 적응제어 방법"을 개발하였다. 이 제어 방법은 현재 발표되어 있는 다변수 적응제어가 고정층 반응기에 적용될 때 발생되는 제어변수의 발산 현상을 해결하도록 고안된 것이다. 반응기 모델에 대한 컴퓨터 모사 결과에 의하여 이 제시된 다변수 적응제어 방법이 좋은 제어 성능을 보여줌을 볼 수 있었다.
두번째 목적을 위하여, 비단열 고정층 반응기의 최적화 제어 방법을 제시하였다. 이 제어 방법은 열점의 적응 제어와 더불어, 반응기 동특성을 연속적으로 추정(recursive identification)함에 의해 정상상태 최적화를 행하도록 구성하였다. 이 제어 방법의 성능에 대한 조사연구를 위하여 노말부탄이 부분산화하여 무수말레인산을 제조하는 파이롯트 규모의 반응기에서 실험을 행하였다. 반응장치는 마이크로 컴퓨터와 연결하였으며 모든 계산 및 데이타의 입.출력은 이 마이크로 컴퓨터가 행하도록 하였다. 최적화의 목적함수를 무수말레인산을 제조함으로써 얻는 순수이익과 열점온도의 상승을 억제하기 위한 항의 합으로 구성하여 실험을 행한 결과 반응기의 조건이 추정하고 있던 최적점으로 이동되는 것을 명확히 관찰할 수 있었다.
마지막으로 위의 두 제어방법을 조합하여 반응기가 실제 최적점을 완전히 찾아가며, 또 그 최적점에서 잘 머무르도록 하는 개선된 최적화 제어 방법을 제시하였다.
본 논문에서 제시된 이상의 모든 제어방법은 고정층 반응기의 운전시 발생되는 모든 불확실성을 극복할 수 있는 것들이며 실제 공장규모의 반응기에서도 잘 적용될 수 있을 것으로 믿어 진다.
