Nonlinear model predictive control of a semi-batch reactor for miniemulsion polymerization of vinyl chloride monomer

Abstract

Målet med denne avhandlingen var å implementere og teste ulineær modellbasert prediktiv regulering (NMPC) på en semi-batch reaktor for en miniemulsjonspolymerisasjonsprosess. Motivasjonen bak arbeidet i denne avhandlingen var å anvende NMPC på reaktorsystemet for å forbedre driften. En typisk polymerisasjonsprosess har ulineær dynamikk og mangler online målinger av polymerkvalitet. Dette gjør en modellbasert kontrolltilnærming, slik som NMPC, til en attraktiv tilnærming siden kvalitetsparametere kan modelleres ved hjelp av tilgjengelige målinger. Implementeringen av NMPC applikasjonen ble utført ved å etablere et miljø for kontrollsystemet i Cyberneticas programvare. Prosessmodellen utviklet i forprosjektet ble brukt som en erstatning for anlegget i tillegg til å bli brukt i regulatoren. Regulatoren ble justert og evaluert ved hjelp av simuleringer og case-studier.

Utvidelser og forbedringer av prosessmodellen utviklet i forprosjektet ble utført for å gjøre den mer anvendelig for NMPC. Utvidelsene ble implementert i den eksisterende C-koden og validert mot målinger fra INOVYN. Modifikasjoner av den eksisterende kontrollstrukturen ble utført i designet av kontrollstrukturen i denne avhandlingen. Modifikasjonene inkluderte å gå bort fra den nåværende kaskade- og split range strukturen. I stedet ga NMPC settpunkter til de manipulerte variablene som blir betraktet som slavekontrollere i den nåværende kontrollstrukturen. Modifikasjonene ble utført på grunn av mangelen på tilgjengelige målinger i anlegget. Regulerte- og manipulerte variabler for NMPC'en ble valgt basert på spesifikasjoner fra INOVYN og prosesskunnskap.

Den implementerte kontrollstrukturen ble testet for ulike driftsforhold og reguleringsstrategier. Tre tilnærminger for kontroll av reaktortemperaturen ble testet, og simuleringene viste lovende resultater med tanke på sikker drift og kvalitetskontroll. Ulike scenarioer for dosering av initiator ble testet, og simuleringene viste tilfredsstillende resultater for flertallet av scenarioene. Regulatoren håndterte sammen med estimatoren en reduksjon i kjølekapasiteten til kjølekappen bra. Simuleringer med få kontrollblokker viste lignende resultater sammenlignet med simuleringer med flere kontrollblokker. En lang prediksjonshorisont var ikke oppnåelig på grunn av at systemet er åpen-sløyfe ustabilt.

Implementeringen av NMPC på prosessen ble ansett som vellykket i denne avhandlingen. Simuleringsresultatene indikerte at kontrollsystemet klarte å håndtere ulike driftsforhold og kontrollstrategier samtidig som det opprettholdt sikker drift og oppnådde ønsket produktkvalitet.

The aim of this thesis was to implement and test nonlinear model predictive control (NMPC) on a semi-batch reactor for a miniemulsion polymerization process. The motivation behind the work in this thesis was to apply NMPC to the reactor system to improve operation. A typical polymerization process has nonlinear dynamics and lacks online measurements of polymer quality. This makes a model-based control scheme, such as NMPC, an attractive approach since quality parameters could be modelled by using available measurements. Implementation of the NMPC application was performed by establishing an environment for the control system in Cybernetica’s software. The process model developed in the preliminary project was used as a plant replacement in addition to being used in the controller. The controller was tuned and evaluated by simulations and case studies.

Extensions and refinements of the process model developed in the preliminary project were performed to make it more applicable for NMPC. The extensions were implemented in the existing C-code and validated against measurements provided by INOVYN. Modifications of the existing control structure were performed during the control structure design in this thesis. The modifications included moving away from the currently deployed cascade- and split range structure. Instead, the NMPC provided setpoints to the manipulated variables which are considered slave controllers in the current control structure. The modifications were performed due to the lack of available measurements in the plant. Controlled- and manipulated variables for the NMPC were chosen based on specifications from INOVYN and process knowledge.

The implemented control structure was tested for various operating conditions and control strategies. Three approaches for reactor temperature control were tested and the simulations showed promising results in terms of safe operation and quality control. Different cases for the initiator dosing were tested and the simulations showed satisfactory results for the majority of the cases. The controller in conjunction with the estimator handled a decrease in the cooling capabilities for the cooling jacket well. Simulations with few control blocks showed similar results compared to simulations with more control blocks. A long prediction horizon was not achievable due to the system being open-loop unstable.

The implementation of NMPC on the process was considered successful in this thesis. The simulation results indicated that the control system was able to handle various operating conditions and control strategies while still maintaining safe operation and meet the desired product quality.