Αλγόριθμοι αυτόματου ελέγχου και βελτιστοποίησης με εφαρμογή σε αναερόβιους αντιδραστήρες

Abstract

The process of anaerobic digestion is a commonly used method of wastewater treatment. One of the major issues that arise is the maximization of the biogas production rate for energy utilization purposes. In maximum biogas production conditions, the process becomes marginally stable, many times leading to washout of the biomass. The problem can be even more complicated under the effect of potential disturbances in the feed (organic overload, presence of inhibitor).For the reasons mentioned above, a two state model of the biomass and the limiting substrate was developed for control purposes. The model also included the rate of decay of the biomass. The model parameters were estimated through data collected from an experimental setup of a lab-scale anaerobic digestion system. Specifically, a CSTR-type 3 liter reactor was used loaded with anaerobic mixed culture bacteria from a wastewater treatment plant, to simulate the process of anaerobic digestion. The synthetic feed, mainly consisting of glucose, was periodically pumped into the reactor through a peristaltic pump.For monitoring of the process, a LabView monitoring environment was developed. The biogas production rate was measured in discrete time intervals using a standard volume device which was recording the time needed for the known volume to be filled with biogas. On these intervals, the fraction of the methane in the biogas was also measured using an infrared ion detector.For stabilizing the system of the anaerobic reactor, a proportional with respect to the measured methane production rate output feedback control law was developed. The proposed control law stabilizes the process in a very large region around the optimal steady state without driving the system towards washout of the biomass. This ability of the controller was tested both with simulation and experimentally. Both simulation and experimental studies proved that the output feedback control law manages to stabilize the system to the optimal steady state under pulse disturbances on the organic load (pulse up and pulse down disturbances).Also a nonlinear observer theory was developed based on the exact error linearization method for the calculation of the observer gains. The observer was used for estimating the unknown states and parameters that cannot be measured and detection of the potential presence and magnitude of a disturbance. These disturbances were step disturbances on the organic load of same magnitude, as in pulse tests of the controller. The nonlinear observer was tested in an extensive simulation study and some early experimental results.

Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης είναι μία ευρέως διαδεδομένη μέθοδος για την κατεργασία υγρών αποβλήτων. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που παρουσιάζονται είναι η μεγιστοποίηση του ρυθμού παραγωγής του βιοαερίου, για χρήση του στον τομέα της παραγωγής ενέργειας. Στις συνθήκες στις οποίες μεγιστοποιείται η παραγωγή του βιοαερίου, η διεργασία γίνεται οριακά ευσταθής, οδηγώντας πολλές φορές στην έκπλυση της βιομάζας. Το πρόβλημα μπορεί να γίνει ακόμα πιο περίπλοκο, με την επίδραση πιθανών διαταραχών, οι οποίες εισέρχονται κατά κύριο λόγο με την τροφοδοσία (υπερφόρτιση της συγκέντρωσης των οργανικών στην είσοδο του συστήματος, παρουσία παρεμποδιστικής προς την ανάπτυξη της βιομάζας ουσίας).Για τους λόγους που αναφέρθηκαν παραπάνω, εξήχθη ένα απλοποιημένο μοντέλο δύο καταστάσεων, της βιομάζας και του περιοριστικού υποστρώματος, για χρήση του για τους σκοπούς της ρύθμισης της διεργασίας. Το μοντέλο περιελάμβανε και όρο για το θάνατο της μικροβιακής βιομάζας. Οι παράμετροι του μοντέλου εκτιμήθηκαν μέσω συλλογής δεδομένων από μία πειραματική διάταξη ενός εργαστηριακής κλίμακας συστήματος αναερόβιας χώνευσης. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας 3 λίτρων τύπου CSTR, ο οποίος φορτώθηκε με αναερόβια μεικτή καλλιέργεια βακτηρίων, προερχόμενη από τη μονάδα επεξεργασίας υγρών λυμάτων της Πάτρας, για να προσομοιωθεί η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Η συνθετική τροφοδοσία, η οποία αποτελούνταν κατά κύριο λόγο από γλυκόζη, τροφοδοτούνταν στο σύστημα μέσω μιας περισταλτικής αντλίας.Για την παρακολούθηση της διεργασίας κατασκευάσθηκε ένα περιβάλλον παρακολούθησης σε LabView. Η μέτρηση του ρυθμού παραγωγής του βιοαερίου γινόταν σε διακριτούς χρόνους, χρησιμοποιώντας μία συσκευή, η οποία κατέγραφε το χρόνο που χρειαζόταν για την πλήρωση ενός συγκεκριμένου βαθμονομημένου όγκου με βιοαέριο. Σε αυτά τα διαστήματα παρεχόταν, επίσης, η μέτρηση της σύστασης του βιοαερίου σε μεθάνιο, χρησιμοποιώντας ένα ανιχνευτή υπέρυθρης ακτινοβολίας.Για τη σταθεροποίηση του συστήματος του αναερόβιου χωνευτήρα, αναπτύχθηκε ένας αναλογικός, ως προς τη μέτρηση του βιοαερίου, νόμος ανάδρασης εξόδου. Ο προτεινόμενος νόμος ανάδρασης σταθεροποιεί τη διεργασία σε μία μεγάλη περιοχή γύρω από τη βέλτιστη μόνιμη κατάσταση, χωρίς να οδηγεί στην έκπλυση της βιομάζας. Αυτή η ικανότητα του ρυθμιστή, δοκιμάσθηκε τόσο σε επίπεδο προσομοιώσεων όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Τόσο οι προσομοιώσεις όσο και τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ο νόμος ανάδρασης εξόδου καταφέρνει να σταθεροποιήσει το σύστημα υπό παλμικές μεταβολές στη συγκέντρωση του οργανικού φορτίου στην είσοδο του συστήματος (παλμική αύξηση και παλμική μείωση).Αναπτύχθηκε, επίσης, θεωρία σχεδιασμού μη γραμμικών παρατηρητών, η οποία βασίζεται στη μέθοδο της ακριβούς γραμμικοποίησης του σφάλματος για τον υπολογισμό των ενισχύσεων των παρατηρητών. Ένας τέτοιος παρατηρητής χρησιμοποιείται για την εκτίμηση των άγνωστων καταστάσεων και παραμέτρων που δεν μπορούν να μετρηθούν, καθώς και για την ανίχνευση πιθανών διαταραχών και υπολογισμό του μεγέθους τους. Οι διαταραχές αυτές ήταν βηματικές διαταραχές στη συγκέντρωση του οργανικού φορτίου στην είσοδο του αναερόβιου χωνευτήρα, ίδιου εύρους όπως οι παλμοί στα αποτελέσματα του νόμου ανάδρασης, που είχαν μελετηθεί νωρίτερα. Οι ιδιότητες του μη γραμμικού παρατηρητή δοκιμάσθηκαν με μία εκτενή μελέτη προσομοιώσεων αλλά και σε πρώιμα πειραματικά αποτελέσματα από τον βιοχημικό αντιδραστήρα.