Birleştirilmiş sıvı tank sisteminin farklı metodlarladenetlenmesi

Abstract

Birleştirilmiş tank sistemi, süreç kontrolünde sıklıkla kullanılan tank sistemlerinin modelini temsil etmektedir. Sıvı seviye denetimi, ısıtıcı kazanlar, atık arıtma sistemleri, enerji üretim santralleri, süzgeçleme, petrol rafineri gibi birçok endüstriyel alanlarda karşımıza çıkan önemli bir kontrol problemidir. Bu nedenle sıvı seviye denetimini sağlamak oldukça zor ve maliyeti yüksek bir işlemdir. Maliyet, zorluk, güvenlik vb. nedenlerden dolayı Feedback Instruments Ltd. tarafından üretilen 33-041S deney düzeneği modeli kullanılmıştır. 33-041S deney düzeneği modeli, içerisinde birbirine borularla bağlı olan beş tanktan oluşmaktadır. En altta rezervuar tankı, rezervuar tankının içinde ise iki adet dalgıç pompa bulunmaktadır. Dalgıç pompa ve boruların yardımıyla diğer tanklara sıvı akışı sağlanmaktadır. Sıvıların seviyesini ölçmek için ise diğer dört tankın tabanına sıvı seviye duyargaçları (sensörleri) konumlandırılmıştır. Sıvı seviye denetimini sağlamak için genellikle süzgeç görevi gören denetleyiciler kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında, PI (Oransal-Tümlevsel) kontrolör, PID (OransalTümlevsel-Türevsel) kontrolör, faz gerilemeli kontrolör (Phase Lag Controller) gibi denetleyiciler farklı yöntemler kullanılarak tasarlanmıştır. Çalışma Tank (1) ve Tank (2)' de bulunan sıvı seviye denetimi için uygulanmıştır. Çalışmaya Tank (1) ve Tank (2)' nin ayrı ayrı Laplace uzayında doğrusal matematiksel modeli elde edilerek başlanmıştır. Elde edilen matematiksel modellerden yola çıkarak denetleyici tasarımı yapılmıştır. PI ve PID kontrolörlerin parametrelerini belirlemek için klasik bir yöntem olan Ziegler-Nichols (ZN) yöntemi, grafiksel bir yöntem olan Kararlılık Sınır Eğrisi yöntemi, modern ve algoritmaya dayanan bir en iyileme yöntemi olan Genetik Algoritma (GA) kullanılmıştır. Faz gerilemeli kontrolörün parametrelerinin tasarımında ise klasik bir yöntem olan grafiksel olarak incelememize olanak sağlayan kök yer eğrisi (Root Locus) yöntemi ve Bode diyagramı yöntemlerinden yararlanılmıştır. Tasarım sonuçları benzetim ve gerçek zamanlı olarak MATLAB/SIMULINK ortamında elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelenerek kuramsal çalışma desteklenmiştir. Anahtar Kelimeler: PI-PID Kontrolör, Faz Gerilemeli Kontrolör, Genetik Algoritma, Ziegler-Nichols, Kararlılık Sınır Eğrisi, Bode Diyagramı, Köklerin Yer Eğrisi

The model of tank systems frequently used in the process control is represented by the coupled tank system. Controlling liquid levels is a significant control issue that arises in a variety of industrial applications, including heating boilers, waste treatment systems, power plants, filtration and oil refineries. For this reason, implementing liquid level control is very difficult and costly process. The coupled tank experimental set that produced by the Feedback Instruments Ltd. 33-041S model has been preferred to use due to cost, difficultly, security etc. The 33-041S model consists of five tanks connected to each other by pipes. Reservoir tank has been located at the bottom of the coupled tanks system and it has two submersible pumps. Submersible pumps and pipelines are utilized for supplying fluid flow. The fluid level is measured by four sensors that are located at the bottom of the other four tanks. Controllers that act as strainers are generally used to provide liquid level control. The scope of this study, controllers such as PI (Proportional-Integral) controller, PID (Proportional-Integral-Derivative) controller, phase lag controller, parameter values have been determined that using various methods for control of the liquid level. In this way controllers have been designed. The study has been applied separately to each of the Tank (1) and Tank (2) system. First of all, for both the Tank (1) and Tank (2) systems, linear mathematical models in the Laplace domain have been constructed. Mathematical models have been utilized to construct the designs for the controllers. The Stability Boundary Locus technique, a graphical approach; the Ziegler-Nichols (ZN) technique, a conventional method; and the Genetic Algorithm (GA), a contemporary algorithm-based optimization method, have all been utilized to find the parameters of PI and PID controllers. The root locus technique and Bode diagram techniques, which are conventional methods that enable us to observe them graphically, have been applied in the design of the phase lag controller. The design results have been obtained in simulation and real time in MATLAB/SIMULINK software. The theoretical study has been supported by examining the results obtained. Keywords: PI-PID Controller, Phase Lag Controller, Genetic Algorithm, Ziegler-Nichols, Stability Boundary Locus, Bode Diagram, Root Locus