A Short Introduction to Process Dynamics and Control

A Short Introduction to Process Dynamics and Control  Process Control  Process  control  is  the  study  and  application  of  automatic  control  in  the  field  of  chemical  engineering.  The  primary  objective  of  process  control  is  to  maintain  a  process  at  the  desired  operating  conditions,  safely  and  efficiently,  while  satisfying  environmental  and  product  quality  requirements.  Proper  application  of  process  control  can  actually  improve  the  safety  and  profitability  of  a  process.    Even  though  rapidly  decreasing  costs  of  digital  devices  and  increasing  computer  speed  have  enabled  high‐ performance measurement and control systems, it is not an easy task to achieve this because modern  plants tend to be difficult to operate due to high complexity and highly integrated process units. 

Time

Limit

Time

Impurity …

Limit

Impurity …

Impurity …

The possibility of improving the performance and the profitability is illustrated by the figures below.  

Limit

Time

In this example, acceptable product quality requires that the impurity of the product is below the limit  indicated in the figures. However, we do not want to make the product purer than necessary, because it  would  increase  the  production  costs.  The  figure  to  the  left  illustrates  a  situation  where  the  impurity  fluctuates  a  lot,  but  the  quality  requirements  are  fulfilled.  The  figure  in  the  center  illustrates  that  the  fluctuations can be reduced by better control.  Then it is possible to increase the average impurity in the  product,  as  illustrated  by  the  figure  to  the  right,  without  violation  of  the  quality  requirements.  Obviously, this also reduces the production costs.  As a consequence of global competition, rapidly changing economic conditions, and stringent environ‐ mental  and  safety  regulations,  process  control  has  become  increasingly  important  in  the  process  industries. It is also clear that the scope and importance of process control technology will continue to  expand. Consequently, chemical engineers need to master this subject in order to be able to design and  operate modern plants. 

Process Dynamics  A  process  is  a  dynamical  system,  whose  behavior  changes  over  time.  Control  systems  are  needed  to  handle such changes in  the process. Thus, it is important to understand the  process dynamics when  a  control  system  is  designed.  Mathematically,  the  process  dynamics  can  be  described  by  differential  equations.  Unsteady‐state  (or  transient)  process  behavior  then  corresponds  to  a  situation,  where  (at  least some) time derivatives of the differential equations are nonzero.  Transient  operation  occurs  during  important  situations  such  as  start‐ups  and  shutdowns,  unusual  process  disturbances,  and  planned  transitions  from  one  product  grade  to  another.  Even  at  normal  operation,  a  process  does  not  operate  at  a  steady  state  (with  all  time  derivatives  of  the  differential  equations  exactly  zero)  because  there  are  always  variations  in  external  variables,  such  as  feed  composition  or  cooling  medium  temperature.  Thus,  knowledge  of  steady‐state  (or  static)  process  properties, taught in many engineering courses, is not sufficient for control design. 

 

1

A  dynamical  system  can  be  defined  as  a  combination  of  components  that  act  together  to  perform  a  certain  objective.  Conceptually, it is some isolated part of the universe that is of  interest to us.  For analysis and design purposes the full system  of  interest  is  usually  decomposed  into  a  number  of  subsystems  that  interact  with  each  other.  Such  a  subsystem (or even the full system) can be illustrated graphically by a block as shown in the figure.  Every (sub)system interacts with its environment through two groups of variables: input variables  u (t )   which  affect  the  system  behavior  in  some  way  (e.g.  a  change  in  the  feed  composition),  and  output  variables  y (t )  which give information about the system behavior (e.g. a change in product quality). The  argument “ t ” indicates that the values of the variables change over time. 

Feedback Control  The study of process control introduces a major new concept: feedback control. This concept is central  to most automation systems that monitor a process and adjusts some variables to maintain the system  at  (or  near)  desired  conditions.  Feedback  is  a  topic  studied  in  many  engineering  disciplines  —  for  example, chemical, electrical, and mechanical engineering — and it is applied to a wide range of physical  systems from electrical circuits to guided missiles and robots. Chemical engineers apply these principles  to heat exchangers, mass transfer equipment, chemical reactors, and so forth.  Feedback  occurs  when  two  (or  more)  dynamical  systems  are connected together such that each system influences  the  other,  as  illustrated  by  the  figure.  Here,  “System  1”  could  be  a  controller  and  “System  2”  the  process  being  controlled.  Simple  causal  reasoning  about  a  feedback  system is difficult because the first system influences the second and the second system influences the  first,  leading  to  a  circular  argument.  This  makes  reasoning  based  on  cause  and  effect  tricky,  and  it  is  necessary  to  analyze  the  system  as  a  whole.  A  consequence  of  this  is  that  the  behavior  of  feedback  systems is often counterintuitive, and it is therefore necessary to use formal mathematical methods to  understand them.  Feedback has many interesting and useful properties. It makes it possible to design systems that work in  a desired way even though the subsystems are not exactly known. An unstable system can be stabilized  using feedback, and the effects of external disturbances can be reduced. Feedback also offers process  designers new degrees of freedom because it increases flexibility. 

Applications  In this course we are mainly interested in control applications related to chemical engineering. Thus, we  want to control  •

actuators such as valves and motors for controlling e.g. flow rates and pumps 

      

 

2

•

various process units such as  –  continuously operated processes 

–  batch and semi‐batch processes 

  •

complete plants such as  –  nuclear and chemical plants 

  –  paper      machines       

 

3

The principles of feedback control, taught in this course, are universal and applicable to all kinds of engi‐ neering and other control applications. The figures below illustrate some important application fields. 

 

References  Seborg et al. (2004), Process Dynamics and Control, Wiley.  Marlin (1995), Process Control, McGraw‐Hill.  Åström and Murray (2008), Feedback Systems, Princeton UP.  Wittenmark, ”Control Alphabet”, http://www.control.lth.se/~bjorn/controlalpha/calpha.html .   

4