Institutional Repository
Technical University of Crete
Technical University of Crete
EN
|
EL
| URI | http://purl.tuc.gr/dl/dias/FEAA0046-866A-4E2B-994C-484CE1EE1EAF | - |
| Identifier | https://doi.org/10.26233/heallink.tuc.104987 | - |
| Language | en | - |
| Extent | 57 pages | en |
| Title | A comparative analysis of feedback and feedforward controllers for an industrial scale heat exchanger | en |
| Title | Μία συγκριτική ανάλυση ελεγκτών ανάδρασης και πρόδρασης για έναν εναλλάκτη θερμότητας βιομηχανικής κλίμακας | el |
| Creator | Kallergis Emmanouil | en |
| Creator | Καλλεργης Εμμανουηλ | el |
| Contributor [Thesis Supervisor] | Ipsakis Dimitrios | en |
| Contributor [Thesis Supervisor] | Ιψακης Δημητριος | el |
| Contributor [Committee Member] | Papaefthymiou Spyridon | en |
| Contributor [Committee Member] | Παπαευθυμιου Σπυριδων | el |
| Contributor [Committee Member] | Konsolakis Michail | en |
| Contributor [Committee Member] | Κονσολακης Μιχαηλ | el |
| Publisher | Πολυτεχνείο Κρήτης | el |
| Publisher | Technical University of Crete | en |
| Academic Unit | Technical University of Crete::School of Production Engineering and Management | en |
| Academic Unit | Πολυτεχνείο Κρήτης::Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης | el |
| Content Summary | This thesis tackles the problem of dynamic modeling of a shell-and-tube heat exchanger as well as developing different strategies for its control. In essence, this study relates to control systems theory, a field within mathematics and engineering that focuses on analyzing the behavior of dynamic systems through the use of various controllers. It is widely known that most systems follow a non-linear pattern, making them difficult to interpret. Thus, the need of linearization arises. By differentiating the input and output with one differential equation each mathematical representation such as the Taylor Series, the Laplace Transformation and the State-Space model achieve a similar behavior (with minor deviations) . Doing so valuable information are drawn for the system such as its process transfer function. To develop practical designs for a variety of controllers a range of appropriate methodologies is applied. Those are the Ziegler–Nichols, the Tyreus-Luyben and the Morari-Zafiriou for a feedback control layout, while for a feedforward control layout one control system approach was introduced. Simulations and a comparative analysis followed in order to determine the best among these controllers for the heat exchanger. A total of seven controllers were used in the simulation scenarios. In more detail, the three controllers P, PI, PID by Ziegler–Nichols, the two controllers PI, PID by Tyreus-Luyben, the Morari-Zafiriou (model-based) and the feedforward controller were tuned and developed. Their comparison was performed under three different scenarios i) a steady reference signal, ii) a variable reference signal and iii) a steady reference signal with two disturbances (temperature of the inlet hot and cold streams). The results drawn from the simulations conclude that the most suitable controller for the heat exchanger is the one by Morari-Zafiriou methodology (model-based). It is the most robust among the seven, giving near zero error values while reaching the predetermined set point in minimal time. Right after follows the PID of the Ziegler–Nichols methodology as the second most appropriate for the control of the exchanger. | en |
| Content Summary | Αυτή η διπλωματική εργασία ασχολείται με το πρόβλημα της δυναμικής μοντελοποίησης ενός εναλλάκτη θερμότητας κελύφους αυλών, καθώς και με την ανάπτυξη διαφορετικών στρατηγικών για τον έλεγχό του. Ουσιαστικά, η μελέτη αυτή σχετίζεται με τη θεωρία συστημάτων ελέγχου, έναν τομέα των μαθηματικών και της μηχανικής που εστιάζει στην ανάλυση της συμπεριφοράς δυναμικών συστημάτων μέσω της χρήσης διαφόρων ελεγκτών. Είναι ευρέως γνωστό ότι τα περισσότερα συστήματα ακολουθούν ένα μη γραμμικό πρότυπο, γεγονός που τα καθιστά δύσκολα στην χρήση. Έτσι, προκύπτει η ανάγκη γραμμικοποίησης τους. Με τη διαφοροποίηση της εισόδου και της εξόδου μέσω μιας διαφορικής εξίσωσης, κάθε μαθηματική αναπαράσταση όπως η ανάπτυξη σε σειρά Taylor, ο μετασχηματισμός Laplace και το μοντέλο χώρου καταστάσεων επιτυγχάνουν μια παρόμοια συμπεριφορά (με μικρές αποκλίσεις). Με αυτόν τον τρόπο εξάγονται πολύτιμες πληροφορίες για το σύστημα, όπως η συνάρτηση μεταφοράς της διεργασίας. Για την ανάπτυξη πρακτικών σχεδίων διάφορων ελεγκτών εφαρμόζεται μια σειρά από κατάλληλες μεθοδολογίες. Αυτές είναι οι Ziegler–Nichols, Tyreus-Luyben και Morari-Zafiriou για μία διάταξη ανάδρασης (feedback control), ενώ για μία διάταξη πρόδρασης (feedforward control) εισήχθει ένας ακόμα ελεγκτής. Οι τιμές απαραίτητες για τις μεθοδολογίες Ziegler–Nichols και Tyreus-Luyben βρέθηκαν μέσω της μεθόδου γεωμετρικού τόπου ρίζων. Ακολούθησαν προσομοιώσεις και συγκριτική ανάλυση με σκοπό τον προσδιορισμό του καταλληλότερου ελεγκτή για τον εναλλάκτη θερμότητας. Συνολικά επτά ελεγκτές χρησιμοποιήθηκαν στα σενάρια προσομοίωσης. Πιο συγκεκριμένα, οι ελεγκτές P, PI, PID από την μεθοδολογία Ziegler–Nichols, οι PI, PID από την μεθοδολογία Tyreus-Luyben, ο Morari-Zafiriou και ο feedforward, υποβλήθηκαν σε τρία διαφορετικά σενάρια: για ένα σταθερό σήμα αναφοράς, για ένα μεταβλητό σήμα αναφοράς, καθώς και για ένα σταθερό σήμα αναφοράς με την εισαγωγή δύο διαταραχών (Tin,hot, Tin,cold). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις καταλήγουν στο ότι ο καταλληλότερος ελεγκτής για τον εναλλάκτη θερμότητας για την διάταξη ανάδρασης (feedback control), είναι αυτός της μεθοδολογίας Morari-Zafiriou. Ακολουθεί ο PID της Ziegler–Nichols ως δεύτερο, ο PID της Tyreus-Luyben ως τρίτος, οι PI και των δύο μεθοδολογιών με παρόμοια αποτελέσματα και τέλος ο P της Ziegler–Nichols ως ο πιο ακατάλληλος. Έπειτα ο Morari-Zafiriou συγκρίθηκε με τον ελεγκτή από την διάταξη πρόδρασης (feedforward control), όπου πάλι αποδείχτηκε ο πιο κατάλληλος. Είναι ο πιο αξιόπιστος ανάμεσα στους επτά, προσδίδει στο σύστημα ευστάθεια, εμφανίζοντας σχεδόν μηδενικά σφάλματα, ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνει το προκαθορισμένο σημείο αναφοράς σε ελάχιστο χρόνο για όλα τα σενάρια προσομοίωσης. | el |
| Type of Item | Διπλωματική Εργασία | el |
| Type of Item | Diploma Work | en |
| License | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| Date of Item | 2025-10-09 | - |
| Date of Publication | 2025 | - |
| Subject | Control systems | en |
| Subject | Industrial Energy Environmental Systems Laboratory | en |
| Subject | IEESL | en |
| Bibliographic Citation | Emmanouil Kallergis, "A comparative analysis of feedback and feedforward controllers for an industrial scale heat exchanger", Diploma Work, School of Production Engineering and Management, Technical University of Crete, Chania, Greece, 2025 | en |
| Bibliographic Citation | Εμμανουήλ Καλλέργης, "Μία συγκριτική ανάλυση ελεγκτών ανάδρασης και πρόδρασης για έναν εναλλάκτη θερμότητας βιομηχανικής κλίμακας", Διπλωματική Εργασία, Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Πολυτεχνείο Κρήτης, Χανιά, Ελλάς, 2025 | el |
Copyright © DIAS 2013
