Development of a control system for the Tennessee Eastman Control Problem that eliminates excessive variability in control actions

Abstract

The Tennessee-Eastman Process (TEP) model has served as a globally recognized standard for evaluating advanced control methods for unstable technological processes for over 20 years. Research data published in leading scientific journals are used to evaluate modern control algorithms and are accumulated in a dedicated repository. Analysis shows that the problem of eliminating unwanted oscillations in control actions caused by measurement noise and sensor discreteness, without reducing robustness and cost-effectiveness, remains unresolved. To achieve this goal, the following tasks were solved: a multi-faceted analysis of the physical, dynamic, and economic characteristics of the process was performed, based on which a hierarchical control structure with decentralized PI controllers was synthesized; advanced filtering methods have been developed and implemented, including discrete Kalman filters with constant-rate models for reconstructing continuous concentration signals, second-order setpoint filters in cascaded loops, and Smith predictors for delay compensation. Cross-coupling compensation and pressure stabilization schemes using additional control channels have been proposed. The most important results include the virtually complete suppression of high-frequency noise from level, flow, and concentration sensors without introducing critical phase delays; the elimination of excessive oscillations in valves and pumps, which radically reduces their mechanical wear; and the successful compensation of typical process disturbances while maintaining process operability. The significance of the obtained results lies in the fact that the proposed approach demonstrates for the first time the possibility of integrating observers and filters into a classical circuit architecture for controlling an unstable chemical engineering process.

Modelul procesului Tennessee Eastman (Tennessee Eastman Process –TEP) reprezintă de peste 20 de ani un etalon recunoscut la nivel internațional pentru evaluarea metodelor avansate de control al proceselor tehnologice instabile. Analiza efectuată evidențiază faptul că eliminarea oscilațiilor nedorite ale semnalelor de comandă, provocate de zgomotul de măsurare și de discretizarea semnalelor furnizate de senzori, fără diminuarea robusteții sistemului și a eficienței economice, rămâne o problemă nerezolvată. Pentru atingerea acestui obiectiv, au fost realizate următoarele activități: analiza multidimensională a caracteristicilor fizice, dinamice și economice ale procesului, în vederea sintetizării unei structuri ierarhice de control bazate pe regulatoare PI descentralizate; dezvoltarea și implementarea unor metode avansate de filtrare, inclusiv a filtrelor Kalman discrete bazate pe modele cu rată constantă, pentru estimarea semnalelor continue de concentrație, a filtrelor de ordinul al doilea pentru filtrarea valorilor de referință în buclele de reglare în cascadă și a predictorilor Smith pentru compensarea întârzierilor; precum și elaborarea unor scheme de compensare a cuplajelor dintre buclele de reglare și de stabilizare a presiunii prin utilizarea unor canale suplimentare de comandă. Principalele rezultate obținute includ atenuarea aproape completă a zgomotului de înaltă frecvență provenit de la senzorii de nivel, debit și concentrație, fără introducerea unor întârzieri de fază semnificative; reducerea oscilațiilor excesive ale elementelor de execuție, precum valvele și pompele, contribuind astfel la diminuarea uzurii mecanice; și compensarea eficientă a perturbațiilor caracteristice procesului, cu menținerea stabilității și a capacității de funcționare a acestuia. Importanța rezultatelor constă în demonstrarea posibilității de integrare a observatoarelor și a filtrelor într-o arhitectură clasică de control în buclă, aplicată unui proces instabil din industria chimică.

Признанным в мире стандартом для оценки передовых методов управления неустойчивыми технологическими процессами уже в течение более 20 лет служит модель процесса Теннесси-Истман (TEP). Данные, полученные в результате исследований, опубликованные в ведущих научных журналах, используются для оценки современных алгоритмов управления и накапливаются в специальном репозитории. Анализ показывает, что задача устранения нежелательной колебательности управляющих воздействий, обусловленной шумами измерений и дискретностью датчиков, без снижения робастности и экономической эффективности, до сих пор не решена. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: выполнен многоаспектный анализ физических, динамических и экономических особенностей процесса, на основе которого синтезирована иерархическая структура управления с децентрализованными ПИ-регуляторами; разработаны и разработаны методы продвинутой фильтрации, включая дискретные фильтры Калмана с моделями постоянной скорости для восстановления непрерывных сигналов концентраций, фильтры заданий второго порядка в каскадных контурах и предикторы Смита для компенсации запаздываний; предложены схемы компенсации перекрестных связей и стабилизации давления с использованием дополнительных управляющих каналов. Наиболее важными результатами являются практически полное подавление влияния высокочастотных шумов датчиков уровня, расхода и концентрации без внесения критического фазового запаздывания, устранение излишней колебательности клапанов и насосов, что радикально снижаетих механический износ, а также успешная компенсация типовых технологических возмущений с сохранением работоспособности процесса. Значимость полученных результатов состоит в том, что предложенный подход впервые демонстрирует возможность интеграции наблюдателей и фильтров в классическую схемотехническую архитектуру управления неустойчивым химико-технологическим процессом, что позволяет достичь высокого качества регулирования и снизить среднюю себестоимость производства, избегая при этом недостатков «черного ящика», свойственных многомерным системам класса MPC, и обеспечивая практическую применимость в промышленных условиях.