Control structures for consistent inventory control with moving bottleneck

Abstract

Tre forskjellige variasjoner av regulering av innhold ble vurdert i denne rapporten, hver med sitt eget formål: Opprettholding av produksjon, hvor målet er å holde massestrømmene mellom prosessenheter konstant til tross for midlertidige flaskehalser. Utlikning av nivåer, hvor små endringer over tid i massestrømmene er ønsket og nivåene i tanker kan variere fritt innen gitte grenser. Stram nivåregulering, hvor regulering av innholdet i tanker er viktig (lite avvik fra ønsket verdi). Målet med studied gjort her var å finne en reguleringsstruktur som var best til å opprettholde produksjonen gjennom prosessen. Regulering med bruk av split range (SRC), generalisert split range, regulatorer med forskjellig setpunkt og modell prediktiv regulering (MPC) har blitt testet. Prosessen som ble studert bestod av tre tanker i serie, som representerte innholdet i en virkelig industriell enhet (f. eks. en tank, separator, reaktor, destillasjonskolonne eller en fordamper). Matlab og Simulink ble brukt for modeleringen, samt CasADi for implementasjon av MPC. Simuleringene viste at bruken med to regulatorer med forskjellig setpunkt var best til å opprettholde produksjonen, fordi det gjorde det mulig å fylle opp innholdet i tankene når en flaskehals inntraff midlertidig. De andre reguleringsstrukturene hadde kun et setpunkt for hver tank, som regulatorene alltid vil strebe etter å opprettholde. De krever også ytterligere logikk for å bytte mellom bruk av manipulerbare variabler (split range og generalisert split range) eller en model av prosessen (MPC) som kan ta lang tid å lage.

There are three cases of inventory control that were considered in this report, each with their own objective: Maintaining production, where the objective is to keep mass flows between units constant despite temporary bottlenecks. Averaging level control, where smooth changes in flows is desired and levels can vary freely within given bounds. Tight level control, where the inventories must be controlled tightly (small deviations from desired value). The aim of this study was to find a control structure that performed best at the case of maintaining production. The control structures tested where spilt range control (SRC), generalized split range control, controllers with different setpoints and model predictive control (MPC). The studied system consisted of three tanks in series, each representing the inventory of a real industrial unit (e.g. a tank, separator, reactor, distillation column or an evaporator). Matlab and Simulink was used for the modeling, together with CasADi for the implementation of MPC. The simulations showed that the use of two controllers with different setpoints performed best at this, because it allowed the inventories to fill up during a temporary bottleneck. The three other control structures had only one setpoint for each tank, which they would always strive to keep. They also require some additional logic to handle switching between manipulated variables (SRC, generalized SRC) or a model of the plant (MPC) which can take a lot of time to design.