Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2013
Autor(a) principal: Gehlen, Cindi de Oliveira
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/001300000tzmx
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
BR
Engenharia de Processos
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/7958
Resumo: The unit operation of distillation demands the largest amount of energy in the ethanol separation. It is of utmost interest to minimize the energy expended in the process, playing the control an important role on this task. Here a Proportional-Integral- Derivative (PID) controller is proposed to ensure the fuel ethanol composition at desired value, i. e., above 92,5°INPM as the same time as save energy through the minimal use of reboiler power. It is well known that the composition analyzers are expensive and have a high response time. Due to such limitation, we have developed an inference model in which the product composition is inferred from the product temperature and thermodynamics relations, enabling the monitoring and the indirect control a posteriori of this variable. In addition, the inference of composition allows defining the reference value of product temperature which ensures the fuel ethanol production at desired composition. The chosen control structure takes into account the reference value of product temperature as set-point of a SISO (Single Input Single Output) controller, i. e., the product ethanol composition is indirectly controlled by the direct control of product temperature. The control design depends on a good dynamic model between the manipulated variable (reboiler power) and the controlled variable (product temperature). Such relationship was obtained by process data identification with discrete parametric models, being Output Error and ARMAX the models with the best performance. Several tuning methods were compared for the controller design. Among these methods, the Internal Model Control (IMC) has presented the best relationship between robustness and performance to be used in the distillation process of this study. Finally, the proposed controller was validated in the process and the results have shown its good performance to obtain the product composition at desired value. Thus, we can conclude that the proposed controller, through the simple PID control strategy, performed as expected within the limitations of available instrumentation and the process particularities.
id UFSM_c994e4a807ee2505a48f9fb0bfbd335c
oai_identifier_str oai:repositorio.ufsm.br:1/7958
network_acronym_str UFSM
network_name_str Manancial - Repositório Digital da UFSM
repository_id_str
spelling Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbridaImplementation of a indirect control struture of the ethanol composition control in a hybrid distillation columnControlador PIDInferênciaIdentificaçãoDestilaçãoPID controllerInferenceIdentificationDistillationCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICAThe unit operation of distillation demands the largest amount of energy in the ethanol separation. It is of utmost interest to minimize the energy expended in the process, playing the control an important role on this task. Here a Proportional-Integral- Derivative (PID) controller is proposed to ensure the fuel ethanol composition at desired value, i. e., above 92,5°INPM as the same time as save energy through the minimal use of reboiler power. It is well known that the composition analyzers are expensive and have a high response time. Due to such limitation, we have developed an inference model in which the product composition is inferred from the product temperature and thermodynamics relations, enabling the monitoring and the indirect control a posteriori of this variable. In addition, the inference of composition allows defining the reference value of product temperature which ensures the fuel ethanol production at desired composition. The chosen control structure takes into account the reference value of product temperature as set-point of a SISO (Single Input Single Output) controller, i. e., the product ethanol composition is indirectly controlled by the direct control of product temperature. The control design depends on a good dynamic model between the manipulated variable (reboiler power) and the controlled variable (product temperature). Such relationship was obtained by process data identification with discrete parametric models, being Output Error and ARMAX the models with the best performance. Several tuning methods were compared for the controller design. Among these methods, the Internal Model Control (IMC) has presented the best relationship between robustness and performance to be used in the distillation process of this study. Finally, the proposed controller was validated in the process and the results have shown its good performance to obtain the product composition at desired value. Thus, we can conclude that the proposed controller, through the simple PID control strategy, performed as expected within the limitations of available instrumentation and the process particularities.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorA operação unitária de destilação exige uma grande quantidade de energia na separação de etanol. É de extremo interesse minimizar a energia gasta no processo e, nesta tarefa, o controle desempenha um papel importante. Neste trabalho, um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é proposto para assegurar a concentração de etanol combustível no valor desejado, isto é, próximo de 92º INPM, assim como economizar energia através do mínimo consumo energético no refervedor. É bem conhecido que os analisadores de concentração apresentam um alto custo e tem um tempo de resposta elevado. Devido a estas limitações foi desenvolvido um modelo de inferência no qual a concentração do produto é inferida através da combinação entre a temperatura do produto e relações termodinâmicas, proporcionando o monitoramento e, posteriormente, o controle indireto desta variável. Além disso, a inferência da concentração permite definir o valor de referência da temperatura do produto que assegure a produção de etanol na concentração desejada. A estrutura de controle escolhida leva em consideração o valor de referência da temperatura do produto, como ponto de ajuste do controlador SISO (Single Input Single Output) e, deste modo, a concentração de etanol no produto é controlada indiretamente pelo controle direto da temperatura do produto. O projeto do controlador depende de um bom modelo dinâmico entre a variável manipulada (potência do refervedor) e a variável controlada (temperatura do produto). Esta relação foi obtida por meio da identificação de dados do processo com modelos paramétricos discretos, sendo que o Output Error e o ARMAX os modelos que apresentaram o melhor desempenho. Vários métodos de sintonia foram comparados para o projeto do controlador. Entre estes métodos, o Internal Model Control (IMC) apresentou a melhor relação entre a robustez e o desempenho para ser utilizado no processo de destilação em estudo. A seguir, o controlador proposto foi validado no processo e os resultados mostraram o seu bom desempenho na obtenção da composição do produto no valor desejado. Pode-se concluir que o controlador PID proposto apresentou o desempenho esperado, dentro das limitações da instrumentação disponível e das particularidades do processo.Universidade Federal de Santa MariaBREngenharia de ProcessosUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de ProcessosHoffmann, Ronaldohttp://lattes.cnpq.br/4625067103734943Soares, Rafael de PelegriniFranchi, Claiton MoroSalau, Nina Paula GonçalvesGehlen, Cindi de Oliveira2013-08-052013-08-052013-01-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfGEHLEN, Cindi de Oliveira. IMPLEMENTATION OF A INDIRECT CONTROL STRUTURE OF THE ETHANOL COMPOSITION CONTROL IN A HYBRID DISTILLATION COLUMN. 2013. 109 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2013.http://repositorio.ufsm.br/handle/1/7958ark:/26339/001300000tzmxporinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2021-10-22T12:45:54Zoai:repositorio.ufsm.br:1/7958Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2021-10-22T12:45:54Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
dc.title.none.fl_str_mv Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
Implementation of a indirect control struture of the ethanol composition control in a hybrid distillation column
title Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
spellingShingle Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
Gehlen, Cindi de Oliveira
Controlador PID
Inferência
Identificação
Destilação
PID controller
Inference
Identification
Distillation
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
title_short Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
title_full Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
title_fullStr Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
title_full_unstemmed Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
title_sort Implementação de uma estrutura de controle indireto da concentração de etanol em uma coluna de destilação híbrida
author Gehlen, Cindi de Oliveira
author_facet Gehlen, Cindi de Oliveira
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Hoffmann, Ronaldo
http://lattes.cnpq.br/4625067103734943
Soares, Rafael de Pelegrini
Franchi, Claiton Moro
Salau, Nina Paula Gonçalves
dc.contributor.author.fl_str_mv Gehlen, Cindi de Oliveira
dc.subject.por.fl_str_mv Controlador PID
Inferência
Identificação
Destilação
PID controller
Inference
Identification
Distillation
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
topic Controlador PID
Inferência
Identificação
Destilação
PID controller
Inference
Identification
Distillation
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
description The unit operation of distillation demands the largest amount of energy in the ethanol separation. It is of utmost interest to minimize the energy expended in the process, playing the control an important role on this task. Here a Proportional-Integral- Derivative (PID) controller is proposed to ensure the fuel ethanol composition at desired value, i. e., above 92,5°INPM as the same time as save energy through the minimal use of reboiler power. It is well known that the composition analyzers are expensive and have a high response time. Due to such limitation, we have developed an inference model in which the product composition is inferred from the product temperature and thermodynamics relations, enabling the monitoring and the indirect control a posteriori of this variable. In addition, the inference of composition allows defining the reference value of product temperature which ensures the fuel ethanol production at desired composition. The chosen control structure takes into account the reference value of product temperature as set-point of a SISO (Single Input Single Output) controller, i. e., the product ethanol composition is indirectly controlled by the direct control of product temperature. The control design depends on a good dynamic model between the manipulated variable (reboiler power) and the controlled variable (product temperature). Such relationship was obtained by process data identification with discrete parametric models, being Output Error and ARMAX the models with the best performance. Several tuning methods were compared for the controller design. Among these methods, the Internal Model Control (IMC) has presented the best relationship between robustness and performance to be used in the distillation process of this study. Finally, the proposed controller was validated in the process and the results have shown its good performance to obtain the product composition at desired value. Thus, we can conclude that the proposed controller, through the simple PID control strategy, performed as expected within the limitations of available instrumentation and the process particularities.
publishDate 2013
dc.date.none.fl_str_mv 2013-08-05
2013-08-05
2013-01-31
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv GEHLEN, Cindi de Oliveira. IMPLEMENTATION OF A INDIRECT CONTROL STRUTURE OF THE ETHANOL COMPOSITION CONTROL IN A HYBRID DISTILLATION COLUMN. 2013. 109 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2013.
http://repositorio.ufsm.br/handle/1/7958
dc.identifier.dark.fl_str_mv ark:/26339/001300000tzmx
identifier_str_mv GEHLEN, Cindi de Oliveira. IMPLEMENTATION OF A INDIRECT CONTROL STRUTURE OF THE ETHANOL COMPOSITION CONTROL IN A HYBRID DISTILLATION COLUMN. 2013. 109 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2013.
ark:/26339/001300000tzmx
url http://repositorio.ufsm.br/handle/1/7958
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Santa Maria
BR
Engenharia de Processos
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Santa Maria
BR
Engenharia de Processos
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Manancial - Repositório Digital da UFSM
instname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
instacron:UFSM
instname_str Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
instacron_str UFSM
institution UFSM
reponame_str Manancial - Repositório Digital da UFSM
collection Manancial - Repositório Digital da UFSM
repository.name.fl_str_mv Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
repository.mail.fl_str_mv atendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.br
_version_ 1847153314718810112