كنترل غلظت سوبسترا در يك واكنشگاه زيستي توليد هيدروژن با روش خطي سازي پسخور

Substrate concentration control in a bio-reactor for bio-hydrogen production via feedback linearization

موضوع: هيدروژن زيستي يك منبع انرژي تجديدپذير است كه استفاده از آن به عنوان سوخت، مزاياي اقتصادي و محيط‌زيستي زيادي دارد. كنترل غلظت سوبسترا در واكنشگاه، تاثير چشم‌گيري بر ميزان توليد هيدروژن دارد. فرايند توليد هيدروژن زيستي يك فرايند پيچيده و غيرخطي است كه كنترل آن مستلزم به كارگيري روش‌هاي كنترل غيرخطي است. در اين مقاله، به كنترل غلظت سوبسترا در يك واكنشگاه بي‌هوازي توليد هيدروژن با استفاده از روش خطي‌سازي پسخور پرداخته شده است. روش تحقيق: مدل مورد استفاده براي شبيه‌سازي، يك مدل شناخته شده متشكل از سه متغير حالت است. كنترل‌كننده پيشنهادي، يك كنترل‌كننده خطي‌سازي‌شده كلي (GLC) است كه بر اساس روش خطي‌سازي پسخور (Feedback linearization) طراحي مي‌شود. در اين روش، سيستم غيرخطي از طريق انتقال دستگاه مختصات، به طور دقيق خطي‌سازي مي‌شود. بنابراين، مي‌توان سيستم خطي‌سازي شده را با استفاده از يك كنترل‌كننده خطي كنترل كرد. به منظور خطي‌سازي سيستم، با استفاده از مدل ارايه‌شده براي اين فرايند و با به كارگيري مفاهيم هندسه ديفرانسيلي يك جبران‌كننده غيرخطي طراحي شده است. در صورت به كارگيري جبران‌كننده غيرخطي، مي‌توان از كنترل‌كننده تناسبي-انتگرالي (PI) به عنوان كنترل‌كننده خطي استفاده كرد. عملكرد كنترل‌كننده GLC+PI در كنترل فرايند مذكور، در مقايسه با يك كنترل‌كننده غيرخطي (NC) و يك كنترل‌كننده PI، مورد سنجش قرار گرفته است. عملكرد كنترل‌كننده‌هاي مذكور با شبيه سازي عددي و بر اساس شاخص انتگرال زمان در مربع خطا (ITSE) مطالعه شده است. نتايج اصلي: نتايج شبيه‌سازي حاكي از اين هستند كه كنترل غلظت سوبسترا در اين فرايند، به طور كلي، باعث افزايش مقدار توليد هيدروژن مي‌شود. روش پيشنهادي در اين مقاله (GLC+PI) براي كنترل غلظت سوبسترا در واكنشگاه زيستي توليد هيدروژن، در مقايسه با كنترل‌كننده‌هاي NC و PI، عملكرد بهتري در تعقيب مقدار مقرر دارد. در صورت تغيير 25 درصدي پارامترهاي سينتيكي، عملكرد NC مختل مي‌شود، اما روش هاي PI و GLC+PI در برابر اين مقدار عدم قطعيت مقاوم هستند. عملكرد مناسب كنترل‌كننده مي‌تواند توليد پايدار هيدروژن را تضمين كند. مقايسه نتايج شبيه‌سازي در حالت حلقه‌باز و حلقه‌بسته نشان مي‌دهد كه كنترل غلظت سوبسترا باعث افزايش 90 درصدي توليد هيدروژن مي‌شود.

Research subject: Bio-hydrogen is a renewable energy source with many economic and environmental benefits as a fuel. Controlling the concentration of the substrate in the reactor has a significant effect on the amount of hydrogen production. However, bio-hydrogen production is a nonlinear process that requires the implementation of nonlinear control methods. In this paper, substrate concentration in an anaerobic bio-reactor is controlled using the feedback linearization method. Research approach: The model employed for the simulation is a wellknown model consisting of three state variables. The proposed controller is a globally linearized controller (GLC) designed based on the feedback linearization technique. In this method, the nonlinear system is precisely linearized by a transformation of the coordinate system. As a result, the linearized system can be controlled using a linear controller. In order to linearize the system, a nonlinear compensator is designed using the design model and applying the concepts of differential geometry. Proportional-integral (PI) controller is adopted as a linear controller. GLC controller performance has been compared with a nonlinear controller (NC) and a PI controller. The performance of these controllers has been studied by numerical simulation based on the integral of timesquare error (ITSE). Main results: The simulation results show that substrate concentration control can contribute to the hydrogen production. The control method applied has better set-point tracking than the other two control approaches. The ITSE performance index for the feedback linearization method is lower than the other two methods. The nonlinear feedback controller fails if the kinetic parameters are changed by 25%, but the PI method and the feedback linearization are robust against model uncertainty. An efficient controller guarantees stable bio-hydrogen production. Comparing open-loop and closed-loop simulation results shows that controlling the substrate concentration increases hydrogen production by 90%.