Model-Based Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control for Safety-Critical Chemical Reactors: A Case Study of an Exothermic Continuous Stirred-Tank Reactor
Model-Based Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control for Safety-Critical Chemical Reactors: A Case Study of an Exothermic Continuous Stirred-Tank Reactor
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安全关键化学反应器基于模型的故障诊断和容错控制：以放热连续搅拌釜反应器为例
DOI：
10.1021/acs.iecr.3c01205
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发表时间：
2023
影响因子：
4.2
通讯作者：
Kravaris, Costas
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Du, Pu;Venkidasalapathy, Joshiba Ariamuthu;Venkateswaran, Sunjeev;Wilhite, Benjamin;Kravaris, Costas
在具有潜在危险的安全临界化学反应器中，反应动力学和传热参数通常是已知的，并且数学模型是可用的。然后，将故障检测和隔离算法基于第一原理模型而不是统计是有意义的，使得从材料和/或能量平衡不闭合生成物理上有意义的残差信号，从而导致可靠的故障诊断。此外，为了维护整个系统的安全性，有必要根据数学模型和识别的故障采取适当的控制措施，以最大限度地减少其影响，从而确保安全运行。在目前的工作中，这些想法将制定和说明通过一个连续的搅拌槽反应器的案例研究，涉及液相氧化烷基吡啶与过氧化氢。所提出的容错控制策略监控DSM（系统状态与动态安全集边界的距离）和故障大小的估计，当它们因异常事件而超过一定限制时，切换操纵输入。仿真结果表明，所提出的容错控制策略在处理冷却系统故障的有效性。
In safety-critical chemical reactors with potential hazards, reaction kinetics and heat transfer parameters are usually known, and a mathematical model is available. It is then meaningful to base fault detection and isolation algorithms on the first-principles model as opposed to statistics, so that physically meaningful residual signals are generated from material and/or energy balances not closing, leading to reliable fault diagnosis. Additionally, to maintain the safety of the entire system, it is necessary to take appropriate control action based on the mathematical model and the identified faults, to minimize their impact and thus ensure safe operation. In the present work, these ideas will be formulated and illustrated through a continuous stirred-tank reactor case study involving the liquid-phase oxidation of alkylpyridine with hydrogen peroxide. The proposed fault tolerant control strategy monitors the DSM (distance of the system state from the boundary of the dynamic safe set) and the estimate of the fault size, and when they cross a certain limit as a result of an abnormal event, the manipulated input is switched. Simulation results show the effectiveness of the proposed fault tolerant control strategy in dealing with cooling system failure.
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