具有用於控制化工過程的明確切換的雙自由度控制的製作方法

2024-02-26 10:50:15 1

專利名稱：具有用於控制化工過程的明確切換的雙自由度控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於執行過程工程過程的閉環控制的方法，其中設定點值軌跡可用於閉環控制變量，檢測過程的閉環控制變量以及其它狀態變量，計算控制誤差並且由此通過控制算法來計算閉環控制器操縱變量，另外，確定領示控制器(pilot controller)操縱變量，通過閉環控制器操縱變量和領示控制器操縱變量來計算結果操縱變量，並且在過程中設置結果操縱變量。此外，本發明涉及閉環控制設備以及涉及用於執行所述方法的電腦程式。
背景技術：
在工業規模上的過程工程處理中，近些年來具有面向自動化的增加趨勢，這種趨勢的主要原因是對安裝的重複性和可靠性的期望。特別地，在化學和製藥工業中，除了連續過程，不連續的過程也可經常用於製造、清潔或調節(conditioning)產品，其通常設置關於過程控制的增加要求。操作在批量(bitch)操作模式中或半批量(semi-batch)操作模式中以及其中產品質量按決定性方式依賴於工藝條件的總則的反應器(例如批量持續時間上的壓力和溫度)是普遍的。特別是在與溫度的較大增加或降低相關聯，或者是高度放熱或吸熱的反應的情況中，出現這樣的通常要求的閉環控制任務，其不能利用經典閉環控制方法來執行，或只能按照不滿意方式來執行。在近些年中，由於趨向不斷更大的反應器，這些閉環控制任務也變得更為困難，這是由於在這種反應器中，反應體積與熱傳導區域之間的比率變得更為不利。然而，難以執行的閉環控制任務不僅在反應器的操作期間出現，也會在用於轉換材料和分離材料的其它過程工程裝置和設備的操作期間出現，例如在結晶器、色譜柱、蒸餾塔、精餾塔或吸收塔的情況中。在經典閉環控制方法中，例如PI或PID控制系統中，僅考慮來自閉環控制變量與其設定點值的偏差的分布(profile)，以確定旨在抵消控制誤差的操縱變量。在上述呈現類型的過程的情況中，例如，反應易受過程條件中的改變的影響，簡單 PID閉環控制系統通常不足以實現所期望的目標。在許多情況下，由級聯的閉環控制來提供改進的可能性，其中上級閉環控制器生成用於下級閉環控制器的設定點值。此外，已經開發出許多其它閉環控制概念，以解決特定類別的閉環控制問題，例如自適應閉環控制器、學習閉環控制器，例如神經網絡，或基於模型和基於優化的閉環控制方法，例如模型預測閉環控制系統。專利US 6，144，897公開了一種用於化學反應過程的模型預測閉環控制器。預測所基於的模型和閉環控制器自身可以適於各自的設備狀態。相比於其它模型預測閉環控制方法，所述方法通過數學模型來區分，所述數學模型容易求解並且因此允許快速預測反應混合物中的成分。在公開的專利申請DE 102 26 670 Al中進行了另一種方法，其公開了一種考慮非線性時變過程的特定特徵的閉環控制方法。所使用的實例是過程工程批量過程，其中首先在加熱時間期間使反應器內容達到特定溫度並且然後將所述溫度在反應階段保持恆定。閉環控制方法適於從開始就在原理上知道閉環控制變量和閉環控制器操縱變量的分布的過程，例如就重複地執行相同開始材料以及相同配方的批量過程來說。將提前為這些變量確定的分布存儲為軌線並且在過程序列期間被重新調用，以及被添加到閉環控制器和過程。 過程的實際閉環控制沿著預先確定的軌線發生，例如利用PI或PID閉環控制器。一種有前途的概念包括具有領示控制的依賴於版本的閉環控制方法，所述方法也被稱為具有兩級自由度的閉環控制。例如，EP 1 267 229 Bl公開了一種用於對過程工程過程進行上電和斷電的閉環控制方法，例如，在發電場中，所述方法使用用於預定義過程的操縱變量的基於模型的領示控制器，在所述過程上執行閉環控制。為了這個目的，提前執行離線仿真計算，以獲得最佳設定點值軌線，存儲所述設定點值軌線，在過程序列期間讀出所述設定點值軌線並且用於影響操縱變量。模型還可以用於遵循當前過程狀態，並且重複地執行基於當前過程狀態的優化計算。在 K. Graichen, V. Hagenmeyer 禾口 M. Zeitzde 的文章"Feedforward control with online parameter estimation applied to the Chy1Ia-Haase reactor benchmark，，(Journal of Process Control, 16,2006, pp 733-745)中，基於專業文獻中已知的示例性半批量過程(ChyIla-Haase聚合反應器)來演示具有領示控制器的閉環控制器的性能能力。將擴展的卡爾曼濾波器用於估計用於使用領示控制的不可測量狀態變量。在 V. Hagenmeyer 禾口 M. Nohr 的文章 「Flatness-based two-degree-of-freedom control of industrial semi-batch reactors using a new observation model for an extended 卡爾曼 filter approach，，(International Journal of Control, Vol. 81,No. 3, 2008,pp 428-438)中介紹了一種類似方法。在所述文獻中，將具有領示控制的閉環控制方法應用到工業半批量反應器中，從而在反應器中開始材料的化學轉化過程中在溫度上執行閉環控制。所述反應器具備冷卻套管，熱載體介質流動通過所述冷卻套管。熱載體介質的輸入溫度用作閉環控制器操縱變量。擴展的卡爾曼濾波器用於確定變量反應熱以及熱傳輸係數，變量反應熱以及熱傳輸係數是閉環控制所必需的並且是在過程中無法直接測量的。然而，即使使用這種方法，也不能滿意地執行所有閉環控制任務。特別地，將其應用於實際閉環控制任務受到限制的過程。例如，當在控制批量反應器或半批量反應器上執行閉環時，反應器溫度是典型的閉環控制變量。在這種情形中，必須經常地依從限制，例如反應器中壓力或冷卻能力的最小和最大可允許值。

發明內容
在下面的文本中介紹的本發明基於使一種用於執行過程工程過程的閉環控制的方法可用的目的，其確保與限制進行可靠兼容的優化過程控制。為了實現這個目標，提出一種根據權利要求1的閉環控制方法以及一種根據權利要求14的閉環控制設備。在從屬權利要求2至13中呈現本發明的優選細化。此外，提出一種根據權利要求15的電腦程式。一般可以通過狀態變量來表徵可以應用根據本發明的閉環控制方法的過程工程過程。通過使用這些狀態變量，可以得到關於在任意期望時間處的過程狀態的結論。一些狀態變量通常可以直接地測量，或者在過程中，它們是例如，體積流量或質量流量、壓力、溫度、密度、粘性或混合材料的各個成分或者一類物質的濃度。其它狀態變量僅可以通過較高程度的成成本來測量，或者根本不能測量-它們是例如，混合材料的完全組成、顆粒尺寸分布、鏈長分布、熔體流動指數或冷卻能力。可以通過其它可測量或不可測量的狀態變量，使用數學模型來確定多個不可測量的狀態變量。這種的簡單實例是由兩種物質構成的材料系統，可以通過相平衡關係從測量的壓力和溫度值，以清楚的方式計算兩種物質的濃度。不可測量的狀態變量的確定可以基於當前測量值以及基於關於特定變量的之前分布的信息。在文本中如下，閉環控制變量指過程工程過程的狀態變量，所述狀態變量的值被選擇性地受到根據本發明的方法的影響。這些是典型地狀態變量，其具有對要達到的目標的較大影響，例如，蒸餾塔的產品排放中成分的濃度，或反應器中的溫度，所述溫度的值對於產品質量來說至關重要。選擇的閉環控制變量通常是狀態變量，狀態變量必須不能超過或低於預定限制，例如容器中的最大壓力或填充等級。閉環控制變量可以是可測量狀態變量或不可測量狀態變量。當然，假設存在多個閉環控制變量，還可以直接地測量一個閉環控制變量，且從其它狀態變量間接地確定另一閉環控制變量。根據本發明的閉環控制方法不僅可以使用閉環控制變量，還可以近一步使用其它狀態變量，例如，用於計算不能直接測量的閉環控制變量。在文本中將這些變量稱為如下的 「其它狀態變量」。這些還可以在過程中或過程上進行測量，或可以基於其它狀態變量來確定。根據本發明，對閉環控制變量形成設定點值形式的配方(prescription)。這些可以是，在一個方面，在過程分布的時間期間上保持恆定的值，但是在另一方面，還可以是隨著時間可變的值。在特定時間期間上的設定點值配方被稱為設定點值軌線。這些可以是， 例如，在時間期間恆定的值、斜坡(ramp)、折線、或其它恆定連續或不連續的設定點值分布。 在過程序列的全部時間期間上恆定的設定點值的特定情況因此可以被術語設定點值軌線所覆蓋。 還可以按照不同的方式來執行閉環控制變量或其它狀態變量的檢測。依賴於要被檢測的變量和特定過程工程過程，可以確定這種變量，例如，使用已知的物理測量原理。這種的實例是經典的通過通流(through-flow)測量設備，壓力傳感器或溫度傳感器。例如， 可以通過氣體色譜或光譜方法，例如NMR(核磁共振)或NIR(近紅外光譜)，來確定各種物質的濃度。不能直接測量的閉環控制變量或其它狀態變量的檢測通常可以通過數學關係來執行，所述數學關係的範圍在非常簡單的一些和複雜的一些之間。例如，通過測量的整體質量流量和測量的各個成分的濃度，混合物中各個成分的質量流量可以在非常容易地計算， 而混合物自身無法被直接地測量。在可測量和不可測量的狀態變量之間的相對複雜的關係的情況中，狀態估計方法可以優選地用於檢測感興趣的變量。這種狀態估計方法的實例是如所介紹的，例如，在上面分另1J 弓 I用的 Graichen/Hagenmeyer/Zeitz 禾口 Hagenmeyer/Nohr 的文中的 Luenberger 觀察器、卡爾曼濾波器或擴展的卡爾曼濾波器。所述方法以及用於適應分別執行閉環控制的過程的可能性是已知的。在一個優選的實施方式中，擴展的卡爾曼濾波器用作狀態估計方法，其基於在過程中的狀態變量(y * )，所述狀態變量可以直接地測量，以檢測閉環控制變量 (y)和/或其它狀態變量(y )。通過比較閉環控制變量和它們當前各自的設定點值來計算控制誤差。然後，基於這些控制誤差，通過控制算法來確定閉環控制操縱的變量。通常將過程中的改變具有對閉環控制變量具有最大可能影響的變量選為操縱變量，以抵消控制誤差。如果，例如，容器中的填充等級受到閉環控制的影響，則入流量或出流量適於用作操縱變量。根據本發明的閉環控制方法的操縱變量自己可以是此處的下級閉環控制系統的設定點值。在填充等級閉環控制的實例中，因此入流量可以是下級閉環控制系統的設定點值，其因此具有例如，考慮容器的入流中是閥的閥位置作為操縱變量。在文本中如下，術語「結果操縱變量」用於在過程中設置的操縱變量的值。結果操縱變量可以等於由控制算法確定的閉環控制器操縱變量。然而，根據本發明，至少一個結果操縱變量是通過閉環控制器操縱變量和通過其它組件，領示控制器操縱變量，來計算的。此外，可以通過外部處方來影響所述值，例如通過手工輸入或通過信息處理系統可用的信號。在文本中如下，領示控制被理解為表示，領示控制器操縱變量是通過算法基於設定點值、閉環控制變量或其它狀態變量來確定的。在這種情況中，過程知識用於緩解和改進過程的閉環控制。根據本發明的領示控制器包括基於狀態的計算規則，其定義設定點值、閉環控制變量、其它狀態變量或者閉環控制器操縱變量，在一方面，從其獲得的領示控制器操作變量，另一方面，例如按照數學模型的形式，之間的關係。優選地使用考慮過程工程過程的特性的基於狀態的計算規則，該過程工程過程經受開環控制。特別地，使用倒置穩定狀態或動態特性的領示控制器。這意味著計算領示控制器操縱變量是按照下述方式進行的，當應用領示控制器操縱變量以及過程沒有受到任何故障時，過程工程過程精確地遵循一個設定點值軌線。被稱為系統反轉的這種計算可以容易地用於被稱為不同平面系統的系統，並且所述計算是專業文獻中已知的。此外，計算規則可以被預定義為依賴時間的和/或依賴狀態軌線的，例如分布、斜坡或其它預定義形式的軌線，其例如在隨著時間推移的一塊接一塊基礎上是恆定的並且具有依賴狀態的參數。還可以提供已經提前離線優化的軌線，如計算規則。通過各種因素來確定領示控制器的結構，例如用於領示控制器操縱變量或用於計算的變量的邏輯組合的計算規則的基礎類型。此外，由一個或多個參數定義計算規則，通過所述一個或多個參數來確定領示控制器操作變量。使用哪個參數依賴於計算規則各自的結構。如果，例如，計算規則是在特定部分中恆定的函數，定義所述部分的時間以及各自部分中函數的值被認為是領示控制器的參數。對於其它類型的計算規則，相應地獲得值域或時間域中其它參數，例如係數。不同的方法，例如專業文獻中已知的，可以作為控制算法。例如，PI或PID算法或切換閉環控制器(滑動模式)。這裡還可以是具有輸入和輸出的閉環控制器，其被稱為SISO 閉環控制器，以及具有多個輸入和輸出的閉環控制器，被稱為MIMO閉環控制器。通過不同特徵來確定控制算法的結構，例如算法的基本設計或閉環控制器變量和操縱變量的分配。 在PI或PID閉環控制器的情況中，例如，作為其它結構特徵，要提供是否按照固定的或可變方式來配置控制算法(即P分量)的放大的考慮，例如按照增益調度的形式。與領示控制類似地，控制算法具有不同的參數，其影響閉環控制器操縱變量的確定。這些的實例是PID算法情況中的放大、微分時間(derivative time)和重置時間。根據本發明的閉環控制方法還可以使級聯的。在這種情況中，根據信息技術和閉環控制激素和將過程工程過程分成兩個或多個子過程，為每個子過程分配至少一個閉環控制器，所述閉環控制器基於如上所述的控制算法。級聯意味著至少一個子過程控制器從上級閉環控制器接收一個或多個設定點值。領示控制器操縱變量可以在一個或多個設定點值上疊加。上級閉環控制器還可以被稱為主控制器，並且下級控制器可以被稱為從控制器。圖 4示出了根據本發明的級聯方法的基本示意。可以將多個從控制器分配給一個主控制器。 類似地，從控制器自身可以是從屬於它的從控制器的主控制器。這種配置被稱為多層級聯。 根據本發明，通過閉環控制器操縱變量和領示控制器操縱變量來計算至少一個子過程中的至少一個結果操縱變量。在一個優選的實施方式中，將過程工程過程分成兩個或多個子過程，並且通過各自的閉環控制器操縱變量和為此分配的領示控制器操縱變量來計算至少一個主控制器和從屬於主控制器的至少一個從控制器的結果操縱變量。此外，可以利用或不利用領示控制來呈現其它上級或下級閉環控制器。根據本發明的用於執行過程工程過程的方法還包括切換邏輯，其可以處理不同信息，例如與設定點值和它們的軌線相關的信息、按一些其它方式測量或檢測的過程的狀態變量、以及控制算法或領示控制的結構和參數。外部處方(prescription)，例如按照設定點值形式的，限制按時間順序的分布，因此還可以被切換邏輯外部地處理。基於所述信息和信息之間的預定義關係，切換邏輯確定是否改變控制算法或領示控制器的結構。在這種情況中，還可以對相關參數做出改變。術語「控制算法」和「領示控制器」涉及根據本發明的整個方法並且不被嚴格地理解為單數形式。在級聯方法的情況中，這可以被理解為，例如，包括所有閉環控制器的控制算法和領示控制器，而與它們是如何或在何處根據信息技術來實現的無關。在一個優選的實施方式中，根據本發明的閉環控制方法是級聯的，至少一個主控制器和從屬於主控制器的至少一個從控制器的結果操縱變量基於各自的閉環控制器操縱變量和為此分配的領示控制器操縱變量計算，並且通過切換邏輯來改變至少一個從屬控制器的領示控制器和/或控制算法的結構。控制算法和領示控制器的參數和結構的集合在下面被稱為「切換模式」。通過切換邏輯中信息的評估變得明顯的是，執行改變，提供從一個切換模式切換到另一個切換模式。 在所述上下文中，這些可以是僅在控制算法或僅在領示控制器或者在兩者中的結構改變。 在所述上下文中，還可以改變相關的參數。控制算法中的優選結構改變涉及閉環控制變量和閉環控制器操縱變量的分配中的改變。其它有利的結構改變構成另一控制算法的選擇。領示控制器的結構改變優選地在各種依賴狀態的計算規則之間進行改變。結構改變還可以優選地包括在被用於計算的其它變量中。領示控制器的另一優選的結構改變是一個或多個其它或不同領示控制器操縱變量的選擇。此外，將一個或多個設定點值軌線分配給切換模式。在根據本發明的閉環控制方法的一個優選實施方式中，在從一個切換狀態到新的切換狀態的轉變時，重新計算一個或多個設定點值軌線。在切換模式期間，例如如果閉環控制變量或其它狀態變量方法限制所述值，並且當超過或低於控制誤差的閾值，或屬於外部處方，切換邏輯還可以帶來關於設定點值軌線的重新計算。在一個或多個設定點值軌線的重新計算之後，可以改變控制算法或領示控制的參數。在本發明的一個優選精煉中，根據切換邏輯和各自的過程條件發生不同的、按時間順序的連續切換模式。從一個切換模式到下一個的改變可以影響領示控制器、控制算法、 設定點值軌線的重新計算或其組合。在一個優選的實施方式中，根據本發明的閉環控制方法用於監測和遵循用於一個或多個狀態變量的限制。在切換邏輯中使用相應的限制值，以確定用於轉變到新切換模式的條件或者帶來關於設定點值軌線的重新計算。在另一優選的實施方式中，根據本發明的閉環控制方法用於靶向方式的一個或多個狀態變量的方法限制。這種過程控制具有的優點是，可以更經濟地操作所述過程，例如關於質量要求或空間/時間產量。為了實現閉環控制方法，優選地提供閉環控制設備，其在每種情況中包括至少一個信號生成器，用於形成用於閉環控制變量的可得的設定點值軌跡；用於檢測過程的閉環控制變量以及其它狀態變量的裝置；閉環控制器，其基於控制誤差通過控制算法確定閉環控制器操作變量；領示控制器，用於確定領示控制器操縱變量；用於通過閉環控制器操縱變量和領示控制器操縱變量來計算結果操縱變量的裝置；用於調整過程中的結果操縱變量的裝置，其中閉環控制設備還具有至少一個切換邏輯，其適於根據閉環控制變量、其它狀態變量和/或設定點值軌線來改變控制算法和/或領示控制器的結構。用於檢測閉環控制器變量和/或其它狀態變量的設備以及用於計算和用於設置過程中的操縱變量的裝置是所屬領域技術人員已知的，例如信號生成器、閉環控制器、控制算法、領示控制器以及可能使用硬體和軟體的實現。在本發明的一個優選實施方式中，領示控制器、控制算法以及切換邏輯的計算規則在具有程序代碼裝置的電腦程式中實現，例如在利用程式語言或使用商業上可用的軟體來創建的程序中，程式語言或使用商業上可用的軟體適於在過程工程過程的閉環控制中使用。在一個特別優選的實施方式中，電腦程式被配置為能夠運行在計算機上並且具有用於與過程工程過程進行通信的接口。例如，可以利用過程控制系統來執行通信，通過過程控制系統來控制當前的許多過程工程過程。在不具有過程控制系統的過程的情況中，可以通過接口來進行通信，所述接口允許與測量設備和過程的閉環控制器進行數據交換。這種接口以及它們的硬體和軟體實現對本領域技術人員來說是已知的。在這種情況中的計算機可以位於過程工程過程的附近，例如在測量站，但是其還可以是在空間上的遠端並且通過通常網絡連接與過程進行通信。在另一優選的實施方式中，領示控制器、控制算法和切換邏輯的計算規則可以至少部分地實現為過程控制系統中的軟體模塊。在本發明的另一優選精煉中，領示控制器、控制算法和切換邏輯的計算規則可以完全在過程控制系統中實現或集成。根據本發明的用於實現過程工程過程的閉環控制的方法帶來改進的過程控制。過程可以通常地操作為更接近限制，作為這樣的結果，空間/時間上的產量通常可以增加。根據本發明的方法優選地可以應用於大量的過程工程過程。特別的優點影響在中間過程中明顯，例如批量過程或半批量過程。在這種情況中，經常可以縮短批量時間並且改進批量的重
9復性。


下面將通過參考附圖來解釋本發明，其中附圖將被理解為基本示意。它們不包括本發明的限制，例如關於結構特徵或應用。附圖中圖1示出了根據現有技術的領示控制器和狀態估計器的控制迴路；圖2示出了根據現有技術的利用領示控制器和狀態估計器的主-從配置中的控制迴路；圖3示出了根據本發明的利用領示控制器、狀態估計器和切換邏輯的閉環控制方法的實施方式；圖4示出了根據本發明的利用領示控制器、狀態估計器和切換邏輯在主-從配置中的閉環控制方法的實施方式；圖5示出了根據本發明的利用領示控制器、狀態估計器、切換邏輯和選擇塊的閉環控制方法的實施方式；圖6示出了根據本發明的具有冷卻套管和閉環控制設備的半批量反應器的基本視圖；圖7示出了在實施例中介紹的半批量過程的特徵變量的時間分布；以及圖8示出了根據本發明的具有冷卻套管和閉環控制設備的另一半批量反應器的基本視圖。使用的附圖標記的列表10用於設定點值軌線的信號生成器
20閉環控制器
21主控制器
22從控制器
30過程
31第一子過程
32第二子過程
40領示控制器
50狀態估計器
60切換邏輯
61在閉環控制器輸入處的選擇塊
62在閉環控制器輸出處的選擇塊
63在領示控制器輸出處的選擇塊 使用的符號列表 Cm P P, 閉環控制裝置開始材料入流冷卻劑入流壓力 預定義壓力0076]Sc從閉環控制器到切換邏輯的信號0077]SCM從閉環控制器到切換邏輯的信號(主控制器)0078]Scs從閉環控制器到切換邏輯的信號(從控制器)0079]Sf從領示控制器到切換邏輯的信號0080]SLC從切換邏輯到閉環控制器的信號0081]SLCM從切換邏輯到閉環控制器的信號(主控制器)0082]Slcs切換邏輯到閉環控制器的信號(從控制器)0083]SLF從切換邏輯到領示控制器的信號0084]SLS從切換邏輯到選擇塊的信號0085]T 1J, in冷卻劑入流的溫度0086]T 1 J，out冷卻劑出流的溫度0087]Tr反應混合物中的溫度0088]T 1ES預定義反應溫度0089]U結果操縱變量0090]Uc閉環控制器操縱變量0091]UCM閉環控制器操縱變量(主控制器)0092]Ucs閉環控制器操縱變量(從控制器)0093]UF領示控制器操縱變量0094]UFM領示控制器操縱變量(主控制器)0095]%S領示控制器操縱變量(從控制器)0096]U1結果操縱變量(主控制器)0097]Us結果操縱變量(從控制器)0098]W設定點值0099]Wext外部設定點值0100]Wt設定點值軌線0101]y閉環控制變量0102]Yi閉環控制變量(主控制器)0103]y2閉環控制變量(從控制器)0104]t其它狀態變量0105]y女測量的狀態變量0106]Yi女第一子過程測量的狀態變量(主控制器)0107]I2女第二子過程測量的狀態變量(從控制器)
具體實施例方式
圖1說明了如現有技術中已知的具有領示控制器40和狀態估計器50的控制迴路。信號生成器10生成可用的設定點值W，其相比於它們各自的閉環控制變量y。在這種情況中，可以為信號生成器10預定義外部設定點值Wext，例如，通過用於過程自動化的疊加系統或由設備操作者的手工輸入。設定點值w和它們各自的閉環控制變量y之間的差異被稱為控制誤差，將所述控制誤差饋送到閉環控制器20，其由此閉環控制器20計算閉環控制器操縱變量u。M。於此並行的是，領示控制器40通過設定點值w和其它狀態變量夕來確定領示控制器操縱變量％。通過所述領示控制器操縱變量和通過閉環控制器操縱變量1 來計算在過程30中設置的結果操縱變量U。獲得閉環控制變量y並且然後將其用於計算控制誤差。如果所有的狀態變量夕不能在過程30中直接地測量，則提供通過測量的狀態變量y * 確定需求變量的狀態估計器50。圖2中說明的控制迴路形成對來自上面介紹的圖1的控制迴路的擴展，其中兩個閉環控制器用在級聯形式中，其被稱為主-從配置。將受到閉環控制的過程分成第一子過程31和第二子過程32。反饋第一子過程31的閉環控制變量y1;以通過預定義的設定點值 w來計算用於主控制器21的控制誤差。將由主控制器21確定的閉環控制器操縱變量11 與領示控制器操縱變量％數學地結合，並且產生主控制器的結果操縱變量uM。這些操縱變量作為從控制器22的設定點值。從所述設定點值通過與第二子過程32的閉環控制變量y2相比較來形成用於從控制器22的控制誤差，並且所述從控制器確定閉環控制器操縱變量ucs 所述控制誤差。在第二子過程32中設置這些閉環控制器操縱變量ucs。狀態估計器50還可以被設置在所述控制迴路中，所述狀態估計器50通過第一子過程的測量狀態變量yi女和第二子過程的測量狀態變量72 *來確定其它狀態變量夕，其可以用在領示控制器40中， 以計算領示控制器操縱變量％。圖3說明了根據本發明的使用與圖1類似的簡單控制迴路的實例的控制迴路。設定點值生成器10、閉環控制器20、過程30、領示控制器40以及可選的狀態估計器50執行與圖1中介紹的相同功能。根據本發明，控制迴路還具有切換邏輯60，其可以處理作為輸入信號的不同信息，例如設定點值《、閉環控制變量y、測量的狀態變量y *、其它狀態變量夕、或來自閉環控制器的信號sc或來自領示控制器的信號sF。基於這種信息，可以在切換邏輯60 中通過基於狀態的計算規則來計算信號sLC和s『並將其傳送到閉環控制器20和領示控制器40。可以根據這些信號來改變領示控制器40或控制算法的參數或結構。此外，切換邏輯 60還可以影響用於設定點值軌線10的信號生成器。圖4示出了根據本發明的級聯控制迴路的實例，控制迴路對應於圖2中表示的控制迴路的基本設計。設定點值生成器10、主控制器21、從控制器22、子過程31和32，領示控制器40和可選的狀態估計器50執行與圖2中介紹的那些設備相同的功能。根據本發明，提供切換邏輯60，其可以從過程的完整地或從各個子過程訪問不同信息，例如，設定點值w、閉環控制變量yi和y2、測量的狀態變量7工*和y2 *、其它狀態變量夕以及來自閉環控制器的信號和scs，或領示控制器的信號％。基於這種信息，可以在切換邏輯60中通過基於狀態的計算規則來生成信號sM、sLCS和Sm，並且將其傳送到主控制器21、從控制器22 以及領示控制器40。此外，切換邏輯60還可以影響用於設定點值軌線10的信號生成器。傳送到閉環控制器21、22以及領示控制器40的切換邏輯60的信號可以促使改變控制算法或領示控制器40的結構或參數。在這種情況中，可以僅在閉環控制器中，僅在領示控制器中，還可以在多個閉環控制器和/或領示控制器中組合地改變結構和參數。優選地，在閉環控制器和同時分配的領示控制器中執行改變。圖4為了清楚的目的說明了具有主控制器21和從控制器22的級聯控制迴路。然
而，根據本發明的閉環控制行為不限制為這種配置，而是可以優選地用於主控制器和從控
制器的任意期望組合中。例如，因此可能的是，在控制迴路的多層級聯的情況中，從控制器22自己又稱為其它閉環控制器的主控制器。可以用在具有僅一個閉環控制變量和一個操縱變量的控制迴路中，被稱為SISO系統，以及還可以用在具有多個閉環控制變量和操縱變量的MIMO系統中。SISO和MIMO系統可以是級聯的，並且本發明還可以覆蓋各種組合，例如在具有下級SISO閉環控制器的上級MIMO閉環控制器的情況中。實例根據本發明的方法的優選實施方式已經應用到工業半批量過程中。這是一種大量放熱的加聚反應。將第一開始材料放置在攪拌釜反應器，如圖6中示意性說明的。經由線路連續地執行將第二開始材料輸入到反應器中。通過通流速率(through-flow rate)測量設備來檢測第二開始材料的流動速率Fin，並且通過控制閥來設置。反應器的較低部分由套管包圍，冷卻水通過所述套管流動作為熱載體介質。可以通過其它控制閥來影響入流冷卻水的流動速率&。通過測量設備來檢測冷卻水入流&以及入流冷卻水溫度Il in和出流冷卻水溫度Tt,。ut。此外，通過測量技術來檢測反應器中的壓力P和反應混合物中的溫度Τκ。 將所有的測量裝置連接到根據本發明的閉環控制裝置CM，以便測量的值(如測量的狀態變量y * )可用於根據本發明的閉環控制方法。應當按照實現最高可能的空間/時間產量的方式來控制反應過程。在另一方面， 儘可能快速地達到獲得的閉環控制方法，如外部處方Wrait,反應溫度Tks，以確保較高的反應轉換率。另一方面，根據過程的當前狀態來預定義不應當超過反應器的壓力Ps。基於已知的過程工程限制，特別是根據反應器的填充級別和反應溫度Tks，計算連接的過程控制系統中的這種限制值。在使用程序包MATLAB(數學工作公司，Natick，MA，USA)的商業上可用的工作站計算機上實現根據本發明的閉環控制方法，並且工作站計算機經由標準接口 OPC(用於過程控制的OLE)連接到過程控制系統。在圖5中示例性地表示閉環控制方法的分解並且對應於圖6中的閉環控制塊「C/。為了實現較高的空間/時間產量，需要操作過程30儘可能地靠近一個或多個指定限制。除了壓力限制，其它限制是第二開始材料的最大可能流動速率Fin以及冷卻水入流的流動速率FT。這些兩個流動速率被選作操縱變量u。反應器中的壓力P和反應混合物中的溫度Tk被選作閉環控制變量y。控制算法的基礎形成具有相應領示控制器40的三個SISO 閉環控制器20，具有隨後分配的操縱變量和閉環控制變量開始材料入流Fin-壓力P開始材料入流Fin-反應溫度Tk
冷卻水入流Ft-反應溫度Tk通過基於被傳送到選擇塊61和62的切換邏輯60的信號^而選擇的操縱變量Uc 以及各自的閉環控制變量y，在同一時間激活這三個單獨閉環控制器中的最多兩個。在類似的方式中，基於被傳送到選擇塊63的切換邏輯60的信號S。來選擇相應的領示控制器操作變量W。在每種情況中，將相關的基於平坦性的領示控制器(40，63)分配給激活的閉環控制器(61，20，6幻。在領示控制器40中通過數學模型的系統反轉，基於閉環控制變量y、測量的狀態變量1 *和由觀察器50確定的狀態變量夕來確定領示控制器操縱變量uF，其代表關於是設定點值的期望的改變和考慮的當前動作模型系統幹擾變量的最佳操縱變量。在文本中如下，基於示例性批量運行更為詳細地解釋了根據本發明的閉環控制方法。圖7示出了標準化值中多個過程的選擇的變量的時間分布。在上面的圖形中，代表反應器溫度的分布。點直線對應於外部預定的反應溫度Tks，其將儘可能快速地達到。細的連續曲線示出了設定點值生成器10可得的反應器溫度的設定點值軌線，且粗的連續曲線代表實際測量的反應器溫度Τκ。中間的圖形將開始材料入流Fin的操縱變量的實際分布表示為連續曲線，並且將冷卻水入流Ft表示為點劃曲線。在下面的圖形中，虛線曲線表示每個時間點處的外部預定的壓力Ps。按照與上面圖形類似的方式，細的連續曲線示出用於壓力的計算的設定點值軌線，且粗的連續曲線代表實際測量的壓力P。當將根據本發明的閉環控制方法用於操作時，最初基於當前過程信息來生成用於閉環控制變量的設定點值軌線、反應溫度τκ。在所述第一切換模式(I)中，將冷卻水入流Ft 選擇為操縱變量，以影響反應器溫度Τκ。開始材料的入流Fin不用於這種模式中的閉環控制，而是沿過程中預先計算的軌線來設置。監測壓力P以確保其不會超過預定的、依賴狀態的壓力Ps。由於當前值和設定點值之間的偏差已經變得太大，在時間t = 0. 022處重新計算用於反應器溫度Tk的設定點值軌線。憑藉上面圖形中細的連續曲線的垂直掉落可以在圖7中看到這種重新計算。在關注的反應系統中，在原理上存在開始材料累積而不反應的風險。在突然開始反應的情況中，壓力和溫度可能非常快速地增加，導致過程可能會失去控制。出於這種原因，在觀察器50中實現用於當前轉換率的計算規則，以及在切換邏輯60中預定義相關聯的限制值。在時間t = 0. 031，達到了所述限制值。基於切換邏輯60中存儲的規則，系統於是從用於開始材料入流Fin的固定軌線切換到依賴狀態的軌線，其構成領示控制器40中的結構的切換。冷卻水入流Ft的操縱變量到閉環控制變量的分配、放應器溫度Tk，保持在新切換模式(II)中不變。從圖7中下面的圖形顯而易見的是，在切換模式(II)期間重新計算用於壓力P的設定點值軌線。在預定義壓力I3S和實際壓力P之間的差異具有最小值之後，通過切換邏輯 60中的規則來觸發所述過程。然而，這種重新計算不改變控制算法的結構，也不改變領示控制器的結構，結果不存在到新切換模式的改變。在時間t = 0. 062，開始材料的累積降低到這種程度，切換邏輯60中的相應計算規則觸發到新切換模式(III)的改變。在所述切換模式中，反應器溫度不再通過冷卻水入流 &來調整，而是通過作為操縱變量的開始材料入流Fin來調整。還按照類似的方式來改變領示控制器操縱變量的計算。因此，發生控制算法和領示控制器的結構改變。由於與用於切換到作為操縱變量的開始材料入流Fin的設定點值的偏差過大，在所述時間還重新計算用於反應器溫度Tk的設定點值軌線。為冷卻水入流Ft計算軌線並且在過程中設置軌線。連續監測壓力P。在時間t = 0.089，再次達到累積限制，結果是發生到新切換模式(IV)的切換。這個切換模式對應於上面已經介紹的切換模式(II)的結構，並且因此再次發生控制算法和領示控制器的結構改變。由於此時設定點值和實際值之間的偏差較低，所以不重新計算用於反應器溫度Tk的設定點值軌線。在時間t = 0. 136，冷卻水入流FJ到達其最大值。通過冷卻水的反應器溫度Tk的閉環控制因此受到限制，並且切換邏輯60發起到切換模式(V)的切換，切換模式(V)對應於切換模式(III)中的結構。然而，用於切換模式(V)中的冷卻水入流!^的軌線包含恆定值、其最大值。在批量運行時間的更大部分上保持所述模式。朝向運行時間的結束，由於當前壓力P低於關於外部預定壓力Ps的差值，二次重新計算壓力P的設定點值軌線。當在時間t = 0. 970處當前壓力P超過其設定點值時，切換邏輯60觸發切換模式 (VI)。存在控制算法和領示控制器結構中的改變，以便現在通過開始材料入流Fin調整壓力 P，以及再次通過冷卻水入流Ft調整反應器溫度Τκ。保持這個模式，直到批量運行時間按的結束為止。由過程控制系統中的配製控制器(formulation controller)基於開始材料的計量質量來確定批量運行的結束，並且將其通信到根據本發明的閉環控制方法。對於閉環控制器結構中的所有改變，重新初始化在切換之後激活的閉環控制器的參數。圖8說明了其中成功使用根據本發明的閉環控制方法的其它反應器配置。與上述介紹的實例不同的是圍繞反應器的套管的冷卻能力不受冷卻水入流的影響，而是經由分程 (split-range)閉環控制系統而受冷卻水入流溫度TT,in的設定的影響。相比於前述過程控制概念，其沒有提供控制算法或領示控制器的任何切換，在兩個反應器配置中，基於該批量的配製根據本發明的方法能夠實現計量時間10%到30%的降低。此外，可以增加相同類型的批量重複性。在上述實例中，過程工程過程基本上發生在被套管圍繞的半批量反應器中，冷卻水通過所述套管流動作為熱載體介質。然而，本發明不限制於這個實例。例如，用於在反應器中交換熱量的其它設備對所屬領域的技術人員來說是已知的，例如反應器外部或內部的半線圈，熱載體介質通過其進行流動，還有反應器中的設備，例如管道線圈，通過其存在流體、或電加熱器。排出熱量的另一傳統方法是蒸發冷卻，特別是在聚合過程的情況中，其中存在氣相併且通過反應來生成氣相。此處，在反應器中的內部蒸發冷卻和外部蒸發冷卻之間進行區分，其中部分氣態反應器內容物被導引到連接到反應器的熱交換器，並且在此處進行冷凝。還在外部熱交換器中冷卻或加熱液體相，並且所有已知的設置在此處可以作為熱交換器，特別是那些在熱載體側使用蒸發冷卻的原理的設備。根據本發明的閉環控制方法還可以有利地應用到上面說明的實例的這種精煉中。 依賴於根據設備的各自條件，特別是饋入開始材料的一個或多個流動速率、饋入熱載體介質的流動速率、饋入熱載體介質的溫度、安裝在反應器中或上的加熱器的功率、反應器或連接到反應器的熱交換器中的壓力、以及關於外部熱交換器的熱載體介質的流動速率或溫度，在此處適於作為操縱變量。本發明同樣不局限於其中必須帶走反應所發出熱量的過程。甚至在需要熱量的過程中，可以有利地使用根據本發明的方法。此處，如上所述的熱載體介質可以是水，然而油、 一些其它流體或甚至是氣體，例如水蒸氣是可以的。根據本發明的方法使其可以改進不僅是半批量反應器和批量反應器情況中的過程控制，還可以改進用於轉換或分離材料的其它過程技術設備或設施中的過程控制，例如在結晶器、色譜柱、蒸餾塔、精餾塔或吸收塔的情況下。
權利要求
1.一種用於執行過程工程過程的閉環控制的方法，包括下述步驟-提供用於閉環控制變量(y)的設定點值軌線OO ；-檢測所述過程的閉環控制變量(y)以及其它狀態變量(夕)；-通過比較閉環控制變量(y)和它們的設定點值⑷來計算控制誤差；-基於所述控制誤差通過控制算法來確定閉環控制器操縱變量(uc)；-確定領示控制器操縱變量(％)；-通過閉環控制器操縱變量(U。)和領示控制器操縱變量(Uf)來計算結果操縱變量 (U)；以及-設置所述過程的結果操縱變量(U)；其中，根據閉環控制變量(y)、其它狀態變量(f )和/或設定點值軌線(Wt)來改變所述控制算法和/或所述領示控制的結構。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法是級聯的，並且基於各自的閉環控制器操縱變量和分配至其的領示控制操縱變量，計算至少一個主控制器和從屬於所述主控制器的至少一個從控制器的結果操縱變量。
3.根據權利要求2所述的方法，其中改變至少一個從控制器的控制算法和/或領示控制器的結構。
4.根據權利要求1至3中的一項所述的方法，其中定義所述控制算法和/或所述領示控制器的結構中的改變在於出現連續切換模式。。
5.根據權利要求4所述的方法，其中在切換到新切換模式時或在切換模式期間，重新計算一個或多個設定點值軌線OO。
6.根據權利要求1至5中的一項所述的方法，其中改變所述控制算法的結構包括改變閉環控制變量(y)和閉環控制器操縱變量( )的邏輯組合。
7.根據權利要求1至6中的一項所述的方法，其中改變所述領示控制器的結構包括在各種依賴狀態的計算規則或預定義領示控制操縱變量(％)之間的改變。
8.根據權利要求1至7中的一項所述的方法，其中在至少一個切換模式期間通過系統反轉形成一個或多個領示控制操縱變量(％)。
9.根據權利要求1至8中的一項所述的方法，其中為了檢測閉環控制變量(y)和/或其它狀態變量($)，使用基於能夠在所述過程中直接測量的狀態變量(y * )的狀態估計方法。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述狀態估計方法包括擴展的卡爾曼濾波器。
11.根據權利要求1至10中的一項所述的方法，其中所述過程工程過程操作在批量操作模式或半批量操作模式。
12.根據權利要求11所述的方法，其中受到閉環控制的過程包括具有熱交換設備的批量反應器或半批量反應器。
13.根據權利要求12所述的方法，其中至少一個操縱變量選自下述列表-饋入的開始材料的流動速率；-饋入的熱載體介質的流動速率；-所述饋入的熱載體介質的溫度；-在所述反應器中或上安裝的加熱器的功率；-所述反應器中的壓力或連接到所述反應器的熱交換器中的壓力；以及 -關於外部熱交換器的熱載體介質的流動速率或溫度。
14.一種用於進行過程工程過程的閉環控制的閉環控制設備，在每種情況下包括至少-一個信號生成器(10)，用於產生用於閉環控制變量(y)的可得的設定點值軌線(Wt)； -用於檢測所述過程的閉環控制變量(y)以及其它狀態變量(f )的裝置； -閉環控制器00，21,22),其基於控制誤差通過控制算法確定閉環控制器操作變量 (Uc)；-領示控制器(40)，用於確定領示控制操縱變量(％)；-用於通過閉環控制器操縱變量(U。)和領示控制操縱變量(Uf)來計算結果操縱變量 (U)的裝置；以及-用於調整所述過程中的結果操縱變量(U)的裝置；其中所述閉環控制設備還具有至少一個切換邏輯(60)，其適於根據閉環控制變量 (y)、其它狀態變量(y)和/或設定點值軌線(Wt)來改變控制算法和/或領示控制器的結構。
15.一種具有程序代碼裝置的電腦程式，當電腦程式運行在計算機、過程控制系統或相應的計算單元中時，所述程序代碼裝置用於執行根據權利要求1至13中的一項所述方法的所有步驟。
全文摘要
本發明涉及一種用於控制化學工程過程的方法，其中為受控變量提供目標值軌線，捕獲過程的受控變量和其它狀態變量，計算控制偏差，以及通過控制算法來計算控制操縱變量，確定領示操縱變量，在過程中計算且調整從自控制器操縱變量和領示控制操縱變量產生的操縱變量，其中根據控制變量、其它狀態變量和/或目標軌線來改變控制算法和/或領示控制的結構。本發明進一步涉及一種用於實現所述方法的控制設備和電腦程式。
文檔編號G05B13/04GK102548650SQ201080041576
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月13日 優先權日2009年9月17日
發明者M·諾爾, M·齊普利斯, O·凱爾, V·哈根邁爾 申請人:巴斯夫歐洲公司