CONTROL IN INSTRUMENTATIONkarimpor.profcms.um.ac.ir/imagesm/354/stories/con_ins/...lecture 6 Ali Karimpour Sep 2015 Ali Karimpour Associate Professor Ferdowsi University of Mashhad

lecture 6

Ali Karimpour Sep 2015

Ali Karimpour

Associate Professor

Ferdowsi University of Mashhad

CONTROL IN

INSTRUMENTATION

Reference:

1- Advanced PID Control by Karl j. Astrom and Tore Hagglund, ISA, 2006

2- و کنترل صنعتی تالیف فرشاد مریخ بیاتمدلسازی

3- The Michigan Chemical Process Dynamics and Controls Open Text Book

4- Principles and Practice of Automatic Process Control by Carlos A. Smith, Armando Corripio

lecture 6


2

Lecture 6

Control Paradigms

Topics to be covered

v Introduction

v Cascade Control

v Selective Control

v Mid-Range and Split-Range Control

lecture 6


3

Control Paradigms


v Introduction

v Cascade Control

v Selective Control


lecture 6


4

Feedback Control Probably 80% of all control strategies used

in industrial practice are simple feedback control.

It only reacts after the process has been upset.Feedback Control

Drawbacks

So, If the process requirements are tighten,

or in the process with slow dynamics,

or in the process with too many or frequently occurring upsets,

We need additional strategies to enhance feedback control

• Cascade control

• Feedforward control, …… • Mid range and split range control

• Selective control • Ratio control

Cascade Control آبشاریکنترل متوالی یا

lecture 6


5


A Process example

Our object is to control T.. استTهدف کنترل

از یک پروسه شیمیاییمثالی

This new loop is cascade control. .نام داردآبشاریکنترل متوالی یا جدید حلقه

lecture 6


6


A Process example

Our object is to

control T.

Coolant tempreture,

Tc is changed and so

leads to…

This new loop is cascade control. .نام داردآبشاریکنترل متوالی یا جدید حلقه

. استTهدف کنترل

خنک کننده دمای مادهTc بوده و نغییرقابل...... لذا


In this process the reaction A B occurs in the reactor

FC or FO ?

lecture 6


7

A Process example


Let TR is very

important to

control.

Let TA vary by as

much as 25ºC

First TH falls and

after a while TR

falls.


TRTA


lecture 6


8

A Process example In this process the reaction A B occurs in the reactor

This new loop is cascade control. .نام داردکنترل متوالیجدید حلقه


FC/FO ?

lecture 6


9

System response to reduced temperature in coolant.

TAبه کاهش دما در خنک کننده پاسخ سیستم


lecture 6


10

Cascade Control uses two or more controllers one driving the other.

Number of measurement signals > Number of controlled variables


. هر یک دیگری را تحریک می کندکنترلردو یا چند آبشاریمتوالی یا کنترلدر

تعداد متغیر سنجش شده>تعداد متغیر تحت کنترل

Measured

signal #1

Measured

signal #2One controlled

variable

lecture 6


11

Cascade control is particularly useful when there are significant dynamics, e.g, long

dead time or long time constants between the control variable and the main process

variable.


ین طوالنی بزمان مرده با ثابت زمانی قابل توجهی مثال دینامیکمعموال وقتی مفید است که آبشاریکنترل متوالی یا .متغیر کنترلی و متغیر اصلی تحت کنترل وجود داشته باشد

متغیر کنترلیVariable control

متغیر اصلی تحت کنترلMain process variable

lecture 6


12

It is also possible to have a cascade control with more nested loop.

Secondary or slave loop

Primary loop

Advantages: One PI can change with two P controller with better performance.

Slave/master control

Inner/Outer control

Secondary/Primary control


ثانویه یا مطیعحلقه

اولیه یا حاکمحلقه

.می توان کنترل متوالی با بیش از دو حلقه داشت

.جایگزین گشته و عملکرد بهتری ارایه دهدPمی تواند با دو کنترل PIیک کنترل : مزایا

lecture 6


13

Example1:

Improved load disturbance rejection

1

11

sP 32

1

1

sP

sCp

168.037.0

31)1()(

sCs

CsG

s

s

Using a conventional PI controller as:

Using a cascade control as:

5sC

sCp

29.055.0


lecture 6


14

Example1: :1مثال

Improved load disturbance rejection بهبود دفع اغتشاش

Output of system: y Control effort: u

Feedback controlFeedback control

Cascade controlCascade control


lecture 6


15


Example1: :1مثال

Small improvement in set-point response بهبود جزئی در پاسخ به سیگنال مرجع

Output of system: y Control effort: u

Feedback control

Feedback control

Cascade control

Cascade control

lecture 6


16

How a cascade controller help? چگونه کمک می کند؟آبشاریکنترل


lecture 6


17

Choice of secondary measured variables

Basic rules for secondary variable selection قوانین اساسی در انتخاب متغیر کنترلی حلقه ثانویه


چگونگی انتخاب متغیر کنترلی حلقه ثانویه

.باید یک ارتباط مناسب بین متغیر کنترلی حلقه ثانویه و متغیر اصلی تحت کنترل باشد

.اغتشاش اصلی باید بر روی حلقه داخلی باشد

.باید حلقه ثانویه یا داخلی سریعتر از حلقه اصلی باشد

.باید امکان اعمال بهره باال به حلقه داخلی باشد

lecture 6


18

Choice of secondary measured variablesچگونگی انتخاب متغیر کنترلی حلقه ثانویه

Basic rules for secondary variable selection قوانین اساسی در انتخاب متغیر کنترلی حلقه ثانویه


lecture 6


19

Example of cascade systems آبشاریار کنترل مثالهایی

Position control

of a motor.

Heat exchanger


lecture 6


20

Example 2: Design procedure

Consider following system:

)1)(15.0(

1?

ssP

11.0

1?

sP

1- In which condition cascade control suggested?

)1)(15.0(

12

ssP

11.0

11

sP

2- Have a look on feedback controller.

)1

1(s

KC pp )10)(2(

2021

sssKPPC pp

12formarginStability pK by Ziegler 6pKmethod someby 1pK


Some other method

Ziegler

lecture 6


21



)1)(15.0(

12

ssP

11.0

11

sP

3- First tune the secondary loop.

5sC

11.0

11

sP


lecture 6


22



)1)(15.0(

12

ssP

)1)(15.0(

1

61.0

5

12

1

1

sss

PPC

PC

s

s

4- Tune the primary loop.

)1

1(s

KC pp )60)(2(

100

sssKtfLoop p

74formarginStability pK

by Ziegler 37pK

method someby 1pK

11.0

11

sP


lecture 6


23



Feedback control Cascade control

Cascade control


lecture 6


24

Three level cascade control



lecture 6


25

Other example of cascade control


lecture 6


26

Control Paradigms


v Introduction

v Cascade Control

v Selective Control


lecture 6


27

Selective Control کنترل انتخابی

Selective Control انتخابیکنترلNumber of measurement signals > Number of controlled variables

This controllers are used in cases where a choice must be made between inputs.


.زمانی استفاده می شود که باید یکی از متغیرهای سنجش شده استفاده شودکنترلراین

Selective Control application انتخابیکاربرد کنترل

1- Override or constraint control.

2- Auctioneering.

3- Instrumentation Redundancy. .یا مقیدترجیحیکنترل -1.مزایده ای-2اضافهتجهیز-3

lecture 6


28

Override Control ترجیحیکنترل


This controllers are used in cases where a choice must be made between inputs.

This controller uses some switches (electronic and pneumatic selectors ):

• High Selective Switch (HSS) • Low Selective Switch (LSS)


.زمانی استفاده می شود که باید یکی از متغیرهای سنجش شده استفاده شودکنترلراین

.بهره می گیردپنوماتیکیاز کلیدهای خاص الکترونیکی یا کنترلراین

Selective Control ( 1- Override or constraint control) ( ترجیحیکنترل -1) کنترل انتخابی

lecture 6


29

Override Control application ترجیحیکاربرد کنترل

1- A protective strategy to maintain process variable within limits due to:

• Safety of personnel.

• Safety of equipment.

• Product quality.

2- An optimization strategy that permit smooth transition between control

schemes.

.در محدوده بمانندمتغیرهااستراتژی محافظت کننده ای که سبب می شود -1.حفاظت پرسنل•.حفاظت دستگاه•.کیفیت محصول•

. سازدکنترلی را مقدور میسناریوهاییک استراتژی بهینه سازی که انتقال نرم بین -2


lecture 6


30

Override control to protect a boiler system

حفاظت از دیگ بخارترجیحیکنترل

Heating coil will damage if…. ...صدمه می خورد اگر گرماسازسیم پیچ

Override control

with LSS

ترجیحیکنترل LSSبا


lecture 6


31

Override control to protect a compressor حفاظت از کمپرسورترجیحیکنترل

Output pressure exceeds … ...افزایش فشار خروجی

Override control

with HSS

ترجیحیکنترل HSSبا


lecture 6


32

Override control for steam distribution systemبرای توزیع بخار آبترجیحیکنترل

How to protect high pressure line?

چگونه خط فشار قوی را حفاظت کنیم؟

HSS or LSS ?


lecture 6


33


Override control for product quality برای کیفیت محصولترجیحیکنترل

Let cooling water

is low ?

Measurement

ActuatorWhen this new loop is

important?

lecture 6


34



lecture 6


35



RFB

lecture 6


Hot point control نقطه داغکنترل

36

Auctioneering control مزایده ایکنترل

Selective Control ( 2- Auctioneering control) ( کنترل مزایده ای-2) کنترل انتخابی

? ? ? ?

lecture 6


Hot point control نقطه داغکنترل

37

Auctioneering control مزایده ایکنترل

Selective Control ( 2- Auctioneering control) ( کنترل مزایده ای-2) کنترل انتخابی

Catalyst Change ?? ؟؟کاتالیزورتعویض

lecture 6


38

Instrument Redundancy اضافه تجهیز

Selective Control ( 3- Instrument Redundancy) تجهیز -3) کنترل انتخابی

( اضافه

In the case of failure in a sensor others will help us to have a continuous operation.

Different type of failure: • Downscale failure• Upscale failure

Suitable for downscale failure.

HSS/

LSS

lecture 6


39

Control Paradigms


v Introduction

v Cascade Control

v Selective Control


lecture 6


40

Mid-Range and Split-Range Control

Cascade Control یا متوالیآبشاریکنترل

Dual situation for Cascade Control is mid-range and split-range control



.متوالی کنترل با محدوده توزیع شده و کنترل محدوده میانی استدو گان کنترل

Number of controlled signals > Number of measurement variables

تعداد متغیر تحت کنترل>شده سنجش تعداد متغیر

lecture 6


41

Split-Range Control کنترل با محدوده توزیعشده

Split-range control

Control variable ranges over a very large range.


کنترل با محدوده توزیع شده

Split-range control application کاربرد کنترل با محدوده توزیع شده


.متغیر کنترلی در یک محدوده وسیع تغییر می کند

lecture 6


42

Split-range control

Reactor system with

split-range control

Output signal and

Valve coordination

کنترل با محدوده توزیع شده

کنترل با محدوده توزیع شدهراکتوردر

یرهاارتباط سیگنالها و کارکرد ش


lecture 6


43

Reactor system with

split-range control

Output signal and

Valve coordination

کنترل با محدوده توزیع شدهراکتوردر

یرهاارتباط سیگنالها و کارکرد ش


lecture 6


44

Steam header with split-range control

ار بخکلگیکنترل با محدوده توزیع شده برای فشار


lecture 6


45

Mid-range control


کنترل با محدوده میانی


Small with high resolution

Large with low resolution

is in the middle of its operation1u

y

Take care of

control problem

spuspy

Take care of v1

to be in middle

Mid-Range Control کنترل با محدوده میانی

lecture 6


46

Block diagram of mid-range control

C1 is controlled by driving the process

output y away from the set point.


lecture 6


47

Block diagram of mid-range control

Let y=ysp but v1 is 30%


v2 decrease y decrease

y decrease v1 increase

drawback

Two loops compensate if the

feedforward compensator is:

lecture 6


48

1- There is a reaction that normally goes from A B

under extremely high pressures. However, the

pressure in the reactor must not goes below P = 10

atm, and also the temperature in the reactor must not

goes below 300 C.

What type of a selectors would be used to protect this

equipment?

Exercises

2- We have a reactor that carries out the reaction A + B C.

However, if there is too much A fed,

a highly exothermic side reaction,

A + C D occurs and will quickly

melt the entire reactor.

We need two sets of redundant controls

on this reactor to meet safety regulations

and to ensure continuous operation.

Which controls do you add? And where?

Suppose sensors have downscale failure.

lecture 6


49

Exercises

3- Explain the performance of following system.

lecture 6


50

Exercises

.ساختار شکل زیر جهت کنترل دما در فرآیند مورد استفاده قرار می گیرد-4.این ساختار چه نوع کنترلی می باشد( الف.متداول رسم کنیدفیدبکساختار زیر را با کنترل ( ب.دو ساختار فوق را با هم مقایسه کنید( پ

Documents

CONTROL IN INSTRUMENTATIONkarimpor.profcms.um.ac.ir/imagesm/354/stories/con_ins/...lecture 6 Ali Karimpour Sep 2015 Ali Karimpour Associate Professor Ferdowsi University of Mashhad