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J ．C e n t ．S o u t hU n i v ． 2 013 2 0 3 4 01 3 4 2 0 D o I 1 0 ．1 0 0 7 ／s 1 1 7 7 1 ．0 1 3 1 8 6 5 ．4 垒S p r i n g e r R e c e n td e v e l o p m e n t so na p p l i c a t i o n so fs e q u e n t i a ll o o pc l o s i n ga n d d i a g o n a ld o m i n a n c ec o n t r o ls c h e m e st oi n d u s t r i a lm u l t i v a r i a b l es y s t e m A ．H ．M a z i n a n l ，M ．F ．K a z e m i 2 1 ．D e p a r t m e n to fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，I s l a m i cA z a dU n i v e r s i t y I A U ，S o u t hT e h r a nB r a n c h ， T e h r a n1 7 7 7 6 1 3 5 11 ．I r a n ； 2 ．D e p a r t m e n to f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，I s l a m i cA z a dU n i v e r s i t y I A U ，L a h O a nB r a n c h ，L a h i j a n4 4 1 6 9 3 9 5 1 5 ，I r a n ◎C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yP r e s sa n dS p r i n g e r V e r l a gB e r l i nH e i d e l b e r g2 013 A b s t r a e t W i t haf o c u so na ni n d u s t r i a lm u l t i v a r i a b l es y s t e m ．t w os u b s y s t e m si n c l u d i n gt h ef l o wa n dt h el e v e lo u t p u t sa r ea n a l y s e d a n dc o n t r o l l e d ．w h i c hh a v ea p p l i c a b i l i t yi nb o t hr e a la n da c a d e m i ce n v i r o n m e n t s ．I ns u c hac a s e ，a tf i r s t ，e a c hs u b s y s t e mi s d i s t i n c t i v e l yr e p r e s e n t e db yi t sm o d e l ，s i n c et h eo u t c o m e sp o i n to u tt h a tt h ec h o s e nm o d e l sh a v et h es a m eb e h a v i o ra sc o r r e s p o n d i n g o n e s ．T h e n ．t h ei n d u s t r i a lm u l t i v a r i a b l es y s t e ma n di t sp r e s e n t a t i o na r ea c h i e v e di nl i n ew i t ht h ei n t e g r a t i o no ft h e s es u b s y s t e m s ， s i n c et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e mc a nn o ta c t u a l l yb ei g n o r e d ．T oa n a l y z et h ei n t e r a c t i o np r e s e n t e d ，t h eG e r s h g o r i nb a n d sn e e dt ob e a c q u i r e d ．w h e r et h er e s u l t sa r eu s e dt om o d i f yt h es y s t e mp a r a m e t e r st oa p p r o p r i a t ev a l u e s ．S u b s e q u e n t l y ，i nt h ev i e wo fm o d e l i n g r e s u l t s ．t h ec o n f f o lc o n c e p ti nt w od i f f e r e n tt e c h n i q u e si n c l u d i n gs e q u e n t i a ll o o pc l o s i n gc o n f f o l S L C C s c h e m ea n dd i a g o n a l d o m i n a n c ec o n t r o I D D C s c h e m e si sp r o p o s e dt oi m p l e m e n to nt h es y s t e mt h r o u g ht h eP r o f i b u sn e t w o r k ，a sl o n ga st h eO P C O L E f o rp r o c e s sc o n t r o l 、s e r v e ri su t i l i z e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h ec o n t r o ls c h e m e sp r e s e n t e da n dt h em u l t i v a r i a b l es y s t e m ．T h er e a l t e s ts c e n a r i o sa r ec a r r i e do u ta n dt h ec o r r e s p o n d i n go u t c o m e si nt h e i rp r e s e n tf o r m sa r ea c q u i r e d ．I nt h es a m ew a y ，t h ep r o p o s e d c o n t r o ls c h e m e sr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r ．w h e r et h er e a lc o n s e q u e n c e sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h e mi nt h ef i e l do ft h e p r e s e n t e di n d u s t r i a lm u l t i v a r i a b l es y s t e mc o n t r 0 1 ． K e yw o r d s m u l t i v a r i a b l es y s t e m ；d i a g o n a ld o m i n a n c ec o n t r o l ；s e q u e n t i a ll o o pc l o s i n gc o n t r o l ；P r o f i b u sn e t w o r k ；O P Cs e r v e r ； o r i f i c er e l a t i o n ；i n t e r a c t i o na n a l y s i s ；G e r s h o g e r i nb a n d s ；n o n m i n i m u mp h a s es y s t e m 1I n t r o d u c t i o n Ar e a lm u l t i v a r i a b l es y s t e mi n c l u d i n gt h ef l o wa n d t h el e v e ls u b s y s t e m sh a sb e e nd e a l tw i t hi nt h i sw o r k ．I n s u c hac a s e ．s o m ec o n s t r a i n t si nd e s i g n i n gt h ec o n t r o l s c h e m ef o rar e a lm u l t i v a r i a b l es y s t e mh a v et ob ef i r s t l y a n a l y z e d ．T h e s ep r o b l e m si nt h e i rg e n e r a lf o i m sc o u l db e o u t l i n e da si n t e r a c t i o na n a l y s i s ，c h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t e s e n s o r sa n da c t u a t o r s ，c h o o s i n gt h es y s t e ms a m p l et i m e ， r e a l i z i n gt h es u i t a b l ec o n t r o la c t i o nt ot h es y s t e ma n ds o o n ．I nt h ev i e wo ft h ec o n t r o ls y s t e mt h e o r i e s ．s o m e n o t a b l ep r o g r e s s e sh a v eb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e di n t h e19 5 0 st o19 6 0 s ．w h e r et h ea d v a n c e dm e t h o d si nt h e f i e l do ft h ep r o c e s sc o n t r o lh a v eb e e ng r a d u a l l ya c q u i r e d i n t h i si n t e r v a lo ft i m e ．E v e nt h o u g ht h e s ec o n t r o l t h e o r i e sa r en o wg e n e r a l i z e dt ot h ea p p r o p r i a t es c h e m e s ， s o m ep o i n t sa r ea m b i g u o u si nt h em u l t i v a r i a b l es y s t e m s ， a sl o n ga sw ew a n tt oc o n t r o lt h e mi nr e a le n v i r o n m e n t s [ 卜9 ] ．B a s e d o nt h em a t t e rp r e s e n t e d ，a n a l y z i n gt h e s y s t e mi n t e r a c t i o n ，r e a l i z i n g t h e a p p r o p r i a t e c o n t r o l a c t i o n ．m a t c h i n gt h ec o n 仃o ls c h e m ew i t ht h es y s t e ma n d o t h e rr e l a t e di t e m sc o u l dr e l a t i v e l yb ed e f i n e da st h e m a i np r o b l e m s ．i nt h i s c a s e ．R e g a r d i n gt h e c o n t r o l s c h e m ep r o p o s e d ．b o t ht h ef l o wa n dt h e1 e v e lp a r a m e t e r s o far e a lm u l t i v a r i a b l es y s t e m ．w h i c hh a v ea p p l i c a b i l i t y i ni n d u s t r i a la n da c a d e m i cd o m a i n s ．h a v eb e e na n a l y z e d ． I nt l l i sw a V ，a tf i r s t ，e a c hs u b s y s t e mi ss u r v e y e dt om o d e l ， w h e r et h ec h o s e nm o d e l sa r ei d e n t i f i e dh a v i n gt h es a m e b e h a v i o ra st h e c o r r e s p o n d i n go n e s ．T h e n ，t h e s u b s y s t e m sm e n t i o n e dh e r e a r ei n t e g r a t e dw i t h e a c h o t h e rt or e a l i z et h em u l t i v a r i a b l es y s t e m ，w h e r et h e i n t e r a c t i o na sac o n s t r a i n ti nr e a l i z i n gt h ec o n t r o ls c h e m e e x i s t sb e t w e e nt h e m ．T o a n a l y z e t h ei n t e r a c t i o n p r e s e n t e d ，t h eG e r s h o g e r i n b a n d sa r e a c c u r a t e l y i l l u s t r a t e d ，w h e r et h es y s t e mp a r a m e t e r sc o u l db e a d j u s t e dt ot h ea p p r o p r i a t ev a l u et h r o u g ht h e i rr e s u l t s ．I n o r d e rt or e a l i z et h ec o n t r o ls c h e m e ．t h em u l t i v a r i a b l e s y s t e mm u s tb ep r e c i s e l ym o d e l e db a s e do nt h e s u b s y s t e mm o d e l i n gr e s u l t s ．I nm es a m ew a y ．t h e P r o f i b u sn e t w o r kh a sb e e nr e a l i z e di nt h i ss t r a t e g yt o c o m m u n i c a t eb e t w e e nt h es y s t e ma n dt h ec o n t r o ls c h e m e ． w h i l et h eO P Cf 0 L Ef o rp r o c e s sc o n t r o l ls e r v e ri s i m p l e m e n t e do ni t sc o n t r o ls c h e m e ．T oa n a l y z et h ei n i t i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em u l t i v a r i a b l e s y s t e m p r e s e n t e da n dt h ec o n t r o ls c h e m e ．t h ed e s i r e ds e tp o i n ti s m a n u a l l yi m p l e m e n t e do nt h ec o n t r o ls c h e m e ．H e r e i n a f t e r ． t h es y s t e ms e n s o ro u t p u t sh a v eb e e na c h i e v e dt h r o u g h R e c e i v e dd a t e 2 0 1 2 0 9 0 5 ；A c c e p t e dd a t e 2 0 1 2 1 2 - 0 8 C o r r e s p o n d i n ga u t h o r A ．H ．M a z i n a n ，P h D ，T e l 9 8 2 1 3 3 7 2 2 8 3 1 5 ；E m a i l m a z i n a n a z a d ．a c ．i r 万方数据 3 4 0 2J ．C e n t ．S o u t hU n i v ． 2 0 1 3 2 0 3 4 0 1 3 4 2 0 t h eP r o f i b u sn e t w o r ki nt h ec o n t r o ls c h e m e ．I ns u c ha c a s e ，t h ee r r o rb e t w e e nt h ed e s i r e ds e tp o i n ta n dt h e s y s t e ms e n s o ro u t O u ta r ea p p l i e dt ot h ea c t u a t o r ，w h e r e t h i se r r o rc o u l db ea p p r o a c h e dt ot h em i n i m u m a c c e p t a b l ev a l u eb yt h ec o n t r o la c t i o n ．I nc a s eo ft h e r e s u l t s ．t h em u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls c h e m eh a sb e e nf i n a l l y r e a l i z e di nt w os e p a r a t e dc o n c e p t si n c l u d i n gd i a g o n a l d o m i n a n c ec o n t r o lf D D C ls c h e m ea n ds e q u e n t i a ll o o p c l o s i n gc o n t r o lf S L C C l s c h e m ei n l i n ew i t ht h e m u l t i v a r i a b l em o d e lr e s u l t so b t a i n e d ．w h e r et h ev a l i d i t y o ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e si st a n g i b l yp o i n t e do u t ． 2M u l t i v a r i a b l es y s t e md e s c r i p t i o n T h ep r o p o s e ds y s t e mi sc o m p o s e do ft h el e v e la n d t h ef l o ws u b s y s t e m s ，w h e r ee a c ho ft h e mi sr e a l i z e da s a ni n d u s t r i a lc a s e 『10 - 12 ] ．I nt h i sw a y ，a tf i r s t ，t h e s e s u b s y s t e m s a r e d i s t i n c t i v e l yr e p r e s e n t e d a n da r e c o r r e s p o n d i n g l ym o d e l e d ，w h e r ea no v e r a l ls y s t e mc o u l d b eo r g a n i z e db yi n t e g r a t i n gt h e mw i t he a c ho t h e r ．T h e o v e r a l ls y s t e mc o u l db er e a l i z e di ns e v e r a ls i t u a t i o n s i n c l u d i n gS I S O ，c a s c a d ea n dm u l t i v a r i a b l es y s t e m sb y a d j u s t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s ．T h ed e t a i l so f t h es u b s y s t e m sa n da l s ot h eo v e r a l ls y s t e ma r eg i v e ni n t h ep r o c e e d i n gs e c t i o n s ． 2 ．1L e v e ls u b s y s t e m T h el e v e ls u b s y s t e mi ni t sp r e s e n tf o r mi sad e v i c e m a ti su s e dt oa d j u s tt h el e v e lo ft h ef l u i dt od e s i r e d v a l u eb ya ne x t e m a lc o n t r o la c t i o n ．T h es c h e m a t i c d i a g r a ma n dt h eP I Dd i a g r a mo ft h es u b s y s t e m p r e s e n t e da r es h o w ni nF i g s ．1a n d2 ，r e s p e c t i v e l y ． 7 } l 曼卧喜 三 l 墨 ．三 ‘』 一6 夕j ＼1 { o乏霹4乡兰 ＼露 鹿岛i l 、山4翌 ／＼商刊二。ⅫI ≠ ／ ＼ 一 9 二‘I 确碍H _ 1 ‘。 ／ 1 『1 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fl e v e ls u b s y s t e m 1 - - L e v e l c y l i n d e r ；2 F l u i dt a n k ；3 P u m p ；4 I n l e tv a l v e ；5 - - - C o n t r o l v a l v e ；6 一P r e s s u r ev a n s d u c e r ；7 - - E x t e r n a lc o n t r o l l e r ；8 - - C u r r e n t ／p r e s s u r et r a n s d u c e r ；9 一O u t l e tv a l v e ；1 0 - - B y - p a s s v a l v e ；1l H o s ec o n n e c t i o n sf o rc a s c a d ec o n t r o l 7 F i g ．2P I Dd i a g r a mo fl e v e ls u b s y s t e m l L e V e lc y l i n d e r ； 2 F l u i dt a n k ；3 P u m p ；4 I n l e tv a l v e ；5 - - C o n t r o lv a l v e ； 6 一P r e s s u r et r a n s d u c e r ；7 - - E x t e r n a lc o n t r o l l e r ；8 一C u r r e n t ／ p r e s s u r et r a n s d u c e r ；9 o u t l e tv a l v e ；1 卜B y p a s sv a l v e ；11 - - H o s ec o n n e c t i o n sf o rc a s c a d ec o n t r o l R e g a r d i n gt h ed e v i c e si nt h es u b s y s t e mp r e s e n t e d ， t h ep u m pi su s e dt oc i r c u l a t et h ef l u i dw h i c hi sd e f i n e da s t h ew a t e ri nt h i si n v e s t i g a t i o nt ot h et a n kt h r o u g h c o r r e s p o n d i n gp i p e s ．I nt h i sc a s e ，t h e f l u i dc o u l db e c o n t r o l l e db yt h ei n l e tv a l v e ，t h eo u t l e tv a l v ea n dt h e c o n t r o lv a l v e ．w h e r et h ei n l e ta n dt h eo u t l e tv a l v e sa r e u s e dt oc o n t r o lt h ef l u i dm a n u a l l y ．I nt h es a m ew a y ，t h e c o n t r o lv a l v ei sa l s ou s e dt oc o n t r o lt h ef l o wo ft h ef l u i d c o n t r o l l a b l y ．H e r e i n a f t e r ．t h ep r e s s u r e 仃a n s d u c e r sa r e u s e dt om e a s u r et h el e v e lo ft h ef l u i da sg i v e ni nt h e l e v e lc y l i n d e r ．I ns u c hac a s e ．t h eb y ．p a s sv a l v ea n dt h e h o s ec o n n e c t i o na r eu s e dt oo r g a n i z eam u l t i v a r i a b l e s y s t e mb yc o n n e c t i n gt h i ss u b s y s t e mt o o t h e rr e l a t e d s u b s y s t e m ． 2 ．2F l o ws u b s y s t e m T h ef l o ws u b s y s t e mi ni t sp r e s e n tf o r n li sad e v i c e t h a ti su s e dt oa d j u s tt h ef l o wo ft h ef l u i dt od e s i r e dv a l u e b ya ne x t e r n a lc o n t r 0 1a c t i o n ．T h es c h e m a t i cd i a g r a ma n d t h eP I Dd i a g r a mo ft h es u b s y s t e ma r es h o w ni nF i g s ．3 a n d4 ，r e s p e c t i v e l y ． I nt h i ss u b s y s t e m ，t h ep u m pp r e s e n t e dh e r ei su s e d t oc i r c u l a t et h ef l u i df r o mt h ef l u i dt a n kt ot h e c o r r e s p o n d i n gp i p e st h r o u g ht h ei n l e t ，t h eo u t l e ta n dt h e c o n t r o lv a l v e s ．T h ei n l e ta n dt h eo u t l e tv a l v e sa r eu s e dt o c o n t r o lt h ef l o wo ft h ef l u i dm a n u a l l y ，w h e r et h ec o n t r o l v a l v ei su s e dt oc o n t r o lt h ef l o wo ft h i sf l u i dc o n t r o l l a b l y ． I ns u c hac a s e ，t h ef l u i df l o wc o u l db em e a s u r e db yt h e f l o wt r a n s d u c e r ．w h e r ei t sr e s u l ti sp o i n t e do u ti nt h e c o n i c a l g l a s s f l o wm e t e r ．I nt h em e a nt i m e ，t h i s s u b s y s t e mc o u l db ec o n n e c t e dt oo t h e rr e l a t e ds u b s y s t e m t oo r g a n i z eam u l t i v a r i a b l es y s t e m ． 万方数据 J ．C e n t ．S o u t hU n i v ．f 2 013 2 0 3 4 01 3 4 2 0 3 4 0 3 Q i n - Q o u c A d h ／d t 1 F i g ．3S c h e m a t i cd i a g r a mo ff l o ws u b s y s t e m 1 - - C o n i c a lg l a s s f l o wm e t e r ；2 一F l u i dt a n k ；3 一P u m p ；4 一I n l e tv a l v e ；5 - - C o n t r o lv a l v e ；6 一F l o wt r a n s d u c e r ；7 - - E x t e r n a lc o n t r o l l e r ；8 m O u t l e tv a l v e F i g ．4P I Dd i a g r a mo ff l o ws u b s y s t e m 1 - - C o n i c a lg l a s s f l o wm e t e r ；2 一F l u i dt a n k ；3 一P u m p ；4 一I n l e tv a l v e ；5 一 C o n t r o lv a l v e ；6 一F 1 0 wt r a n s d u c e r ；7 - - E x t e r n a lc o n t r o l l e r ；8 一 O u t l e tv a l v e 2 ．3S u b s y s t e m sm o d e l i n g I no r d e rt om o d e lt h el e v e ls u b s y s t e me n t i t l e d s u b s y s t e m } ≠1 ，i t sc o m p o n e n t si n c l u d i n gt h ef l u i dt a n k ， t h ei n l e tv a l v e 。t h eo u t l e tv a l v e ．t h ec o n t r o lv a l v ea n d a l s ot h ep i p en e e dt ob er e p r e s e n t e db yt h ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n si nt h ep r o c e e d i n gs e c t i o n s ．I na d d i t i o n ．i no r d e r t om o d e lt h ef l o ws u b s y s t e mw h i c hi Se n t i t l e ds u b s y s t e m 撑2 ．i t sc o m p o n e n t sa r ed e s c r i b e da tt h ee n do ft h e s u b s y s t e m ≠} 1d e s c r i p t i o ni nt h i ss e c t i o n ． 2 ．3 ．1F l u i dt a n km o d e l i n g T h ef l u i dt a n kc o u l db em o d e l e db yt a k i n gi n t o a c c o u n tt h ed i f f e r e n c ef l u i df l o wb e t w e e ni t si n p u ta n d o u t p u tb y w h e r eO i na n dO 。u t c m 3 ／s a r eg i v e na st h ei n p u tf l u i d f l o w