الرئيسية < البحوث والدراسات < تفاصيل بحث أو دراسة
Economic and Technical Comparison of Decentralized PID and Linear MPC for a Stirred Tank Blending System
| الباحث(ون): | - Amer Kadafi A. Alosta
- Enas.A. Eltnay
- Omar Sultan
|
| المؤسسة: | Department of Chemical Engineering, Faculty of Oil, Gas, Renewable Energy Engineering, University of Zawia, Libya |
| المجال: | الهندسة الكيميائية و علوم الكيمياء و هندسة النفط و الغاز |
| منشور في: | العدد السابع والثلاثون - أكتوبر 2025 |
الملخص
يعد التحكم الفعّال في أنظمة خلط الخزانات المجهزة بمحرك مضطرب أمرًا حيويًا لضمان جودة منتج متسقة وتقليل التكاليف التشغيلية في الصناعات الكيميائية والغذائية والدوائية. تواجه وحدات التحكم التقليدية اللامركزية من نوع Proportional–Integral–Derivative (PID) ، رغم شيوع استخدامها، تحديات كبيرة نتيجة التفاعلات القوية بين الحلقات، وغياب التنسيق بين وحدات التحكم، والقدرة المحدودة على التعامل مع قيود العمليات، مما قد يؤثر سلبًا على الأداء والكفاءة. تقدم هذه الدراسة مقارنة شاملة من الناحيتين الفنية والاقتصادية بين التحكم التقليدي PID والتحكم التنبؤي الخطي (Model Predictive Control (MPC المطبق على خزان خلط مستمر بسعة 10 م³. تم تصميم نظام MPC مع أفق تنبؤ يبلغ 20 خطوة، وأفق تحكم 5 خطوات، وفاصل زمني للعينة 30 ثانية، مع دمج أهداف التحكم الديناميكي ودالة تكلفة اقتصادية مخصصة لتحسين استخدام المواد الخام.أظهرت نتائج المحاكاة أن MPC يتفوق بشكل ملحوظ على PID، حيث حقق انخفاضًا بنسبة 88.2% في خطأ التكامل المطلق، إلى جانب تحسينات كبيرة في زمن الاستقرار وحدّة الزيادة المفرطة، مما يؤدي إلى عملية خلط أكثر استقرارًا وقابلة للتنبؤ. من الناحية الاقتصادية، يتيح تطبيق MPC خفض استهلاك المواد الخام بنسبة 5٪، وزيادة الأرباح السنوية بحوالي 0.48 مليون دولار، وتحقيق فترة استرداد أقل من شهرين. تسلط هذه النتائج الضوء على الميزة المزدوجة لنظام MPC، إذ يوفر تحسينًا ملموسًا في الأداء العملي وفوائد اقتصادية كبيرة، مما يعزز جدواه كاستراتيجية تحكم موثوقة وفعّالة من حيث التكلفة في العمليات الصناعية واسعة النطاق، حيث يكون ضمان جودة المنتج وكفاءة استخدام المواد أمرًا حاسمًا...................
الكلمات المفتاحية:..............التحكم PID؛ التحكم التنبؤي الخطي (MPC)؛ خزان خلط مجهز بمحرك مضطرب؛ النمذجة الديناميكية؛ التقييم الاقتصادي؛ تحسين العمليات.
Abstract
The adept management of stirred-tank blending systems is crucial for ensuring uniform product quality while keeping operational costs in check across the chemical, food, and pharmaceutical industries. Traditional decentralized Proportional–Integral–Derivative (PID) controllers, though widely used, often struggle with significant loop interactions, lack of coordinated control, and insufficient ability to handle process constraints, which can negatively impact both performance and efficiency. This study offers a comprehensive technical and economic comparison between conventional PID control and linear Model Predictive Control (MPC) applied to a 10 m³ continuous blending tank. The MPC strategy was designed with a 20-step prediction horizon, a 5-step control horizon, and a 30-second sampling interval, incorporating dynamic control objectives alongside an economic cost function aimed at optimizing raw material usage. Simulation results reveal that MPC outperforms PID significantly, achieving an impressive 88.2% reduction in integral absolute error, along with marked improvements in settling time and overshoot, leading to a more stable and predictable blending process. Economically, adopting MPC can result in a 5% reduction in raw material consumption, an increase in annual profits by around $0.48 million, and a payback period of less than two months. These findings highlight the dual advantages of MPC, offering enhanced process performance and considerable economic benefits, making a strong case for its implementation as a robust, reliable, and cost-effective control strategy in large-scale industrial blending operations where product quality and material efficiency are of utmost importance.................
Keywords:.............PID control; Model Predictive Control (MPC); Stirred tank blender; Dynamic modeling; Economic evaluation; Process optimization.