كاربرد روش كنترل پيش¬بين مبتني بر مدل در كنترل بهينه ي شبكه انتقال گاز

Application Of Model Predictive Control Method For Optimal Control Of Gas Transmission Networks

در اين پروژه پس از توصيف كامل نحوه¬ي عملكرد سيستم انتقال گاز، از استراتژي كنترل پيش-بين براي كنترل بهينه¬ي عمليات دو سيستم انتقال گاز مثال استفاده مي¬كنيم. مورد مطالعاتي اول يك شبكه¬ي خط لوله¬ي مستقيم با دو ايستگاه كمپرسور است كه گاز را از يك منبع به يك مصرف¬كننده مي¬رساند. هدف، كنترل فشار در نقطه¬¬ي تحويل گاز به مشتري با استفاده از فشارهاي تخليه¬ي كمپرسورها به‌عنوان متغير كنترل¬كننده است. مورد مطالعاتي دوم يك شبكه¬¬ي خط لوله¬¬ شاخه¬دار و درختي است كه گاز را از يك منبع در پنج نقطه به مصرف¬كننده تحويل مي¬دهد. در اين مورد شكل سيستم و ديناميك آن پيچيده¬تر بوده و تأثير متغيرهاي مختلف بر يكديگر نيز نشان داده‌شده است. ديناميك هر دو مورد مطالعاتي، توسط جعبه¬ابزار سيمولينك از نرم¬افزار MATLAB شبيه‌سازي‌شده¬ و استراتژي كنترل پيش¬بين با استفاده از جعبه¬ابزار كنترل پيش¬بين نرم¬افزار MATLAB بر روي اين دو سيستم اعمال‌شده است. سناريوهاي مختلف افزايش برداشت بر روي اين سيستم¬ها اعمال‌شده و نتايج كنترلي به‌دست‌آمده نشان داده‌شده‌اند. در مورد مطالعاتي اول رفتار كنترل¬كننده¬ي پيش¬بين با يك كنترل¬كننده معمولي PID نيز مقايسه شده است. در هر دو مطالعه موردي، كنترل پيش¬بين رفتار كنترلي مطلوبي از خود نشان داده است. در اين پروژه پس از توصيف كامل نحوه¬ي عملكرد سيستم انتقال گاز، از استراتژي كنترل پيش-بين براي كنترل بهينه¬ي عمليات دو سيستم انتقال گاز مثال استفاده مي¬كنيم. مورد مطالعاتي اول يك شبكه¬ي خط لوله¬ي مستقيم با دو ايستگاه كمپرسور است كه گاز را از يك منبع به يك مصرف¬كننده مي¬رساند. هدف، كنترل فشار در نقطه¬¬ي تحويل گاز به مشتري با استفاده از فشارهاي تخليه¬ي كمپرسورها به‌عنوان متغير كنترل¬كننده است. مورد مطالعاتي دوم يك شبكه¬¬ي خط لوله¬¬ شاخه¬دار و درختي است كه گاز را از يك منبع در پنج نقطه به مصرف¬كننده تحويل مي¬دهد. در اين مورد شكل سيستم و ديناميك آن پيچيده¬تر بوده و تأثير متغيرهاي مختلف بر يكديگر نيز نشان داده‌شده است. ديناميك هر دو مورد مطالعاتي، توسط جعبه¬ابزار سيمولينك از نرم¬افزار MATLAB شبيه‌سازي‌شده¬ و استراتژي كنترل پيش¬بين با استفاده از جعبه¬ابزار كنترل پيش¬بين نرم¬افزار MATLAB بر روي اين دو سيستم اعمال‌شده است. سناريوهاي مختلف افزايش برداشت بر روي اين سيستم¬ها اعمال‌شده و نتايج كنترلي به‌دست‌آمده نشان داده‌شده‌اند. در مورد مطالعاتي اول رفتار كنترل¬كننده¬ي پيش¬بين با يك كنترل¬كننده معمولي PID نيز مقايسه شده است. در هر دو مطالعه موردي، كنترل پيش¬بين رفتار كنترلي مطلوبي از خود نشان داده است.

The choice of a convinient and efficient method for controlling large-scale industrial processes is of utmost importance. Model predictive control (MPC) is the general name for a group of advance control methods in which the future output of the system is predicted by the process model and the manipulated variables are calculated through solving an optimization problem. Natural gas pipeline networks are large and complex systems that transfer natural gas to consumers in the long distances. The continuous increase in the consumption of natural gas due to its use as raw material in chemical industry and as a clean fuel, has raised the urgency of developing modifications on the performance and optimal control of these transfer systems. In this project, after a complete description of the gas transmission system, predictive control strategies are implied for the optimal control of the operation of gas transmission systems in two case studies. The first case study is a gun barrel system with two compressor stations which delivers gas from a source to a consumer. The objective is controlling the gas pressure at the point of delivery to the customer, using the compressor discharge pressure as a control variable. The second case study analyzes a branched gas pipeline network, which delivers gas from one source to five different delivery points. In this case the system more complex and dynamic effects of different variables on each other are also shown. Dynamics of both case studies are simulated by Simulink toolbox of MATLAB software and the model predictive control strategy is applied on these systems by the model predictive toolbox of the MATLAB software. Various scenarios of increased off-take are applied on the systems and the obtained control results are shown. In the first study the behavior of a traditional PID controller is also compared with the present MPC strategy. In both cases, predictive control demonstrates a very good control of the system.