专利名称：具有用于控制化工过程的明确切换的双自由度控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于执行过程工程过程的闭环控制的方法，其中设定点值轨迹可用于闭环控制变量，检测过程的闭环控制变量以及其它状态变量，计算控制误差并且由此通过控制算法来计算闭环控制器操纵变量，另外，确定领示控制器(pilot controller)操纵变量，通过闭环控制器操纵变量和领示控制器操纵变量来计算结果操纵变量，并且在过程中设置结果操纵变量。此外，本发明涉及闭环控制设备以及涉及用于执行所述方法的计算机程序。
背景技术：
在工业规模上的过程工程处理中，近些年来具有面向自动化的增加趋势，这种趋势的主要原因是对安装的重复性和可靠性的期望。特别地，在化学和制药工业中，除了连续过程，不连续的过程也可经常用于制造、清洁或调节(conditioning)产品，其通常设置关于过程控制的增加要求。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产品质量按决定性方式依赖于工艺条件的总则的反应器(例如批量持续时间上的压力和温度)是普遍的。特别是在与温度的较大增加或降低相关联，或者是高度放热或吸热的反应的情况中，出现这样的通常要求的闭环控制任务，其不能利用经典闭环控制方法来执行，或只能按照不满意方式来执行。在近些年中，由于趋向不断更大的反应器，这些闭环控制任务也变得更为困难，这是由于在这种反应器中，反应体积与热传导区域之间的比率变得更为不利。然而，难以执行的闭环控制任务不仅在反应器的操作期间出现，也会在用于转换材料和分离材料的其它过程工程装置和设备的操作期间出现，例如在结晶器、色谱柱、蒸馏塔、精馏塔或吸收塔的情况中。在经典闭环控制方法中，例如PI或PID控制系统中，仅考虑来自闭环控制变量与其设定点值的偏差的分布(profile)，以确定旨在抵消控制误差的操纵变量。在上述呈现类型的过程的情况中，例如，反应易受过程条件中的改变的影响，简单 PID闭环控制系统通常不足以实现所期望的目标。在许多情况下，由级联的闭环控制来提供改进的可能性，其中上级闭环控制器生成用于下级闭环控制器的设定点值。此外，已经开发出许多其它闭环控制概念，以解决特定类别的闭环控制问题，例如自适应闭环控制器、学习闭环控制器，例如神经网络，或基于模型和基于优化的闭环控制方法，例如模型预测闭环控制系统。专利US 6，144，897公开了一种用于化学反应过程的模型预测闭环控制器。预测所基于的模型和闭环控制器自身可以适于各自的设备状态。相比于其它模型预测闭环控制方法，所述方法通过数学模型来区分，所述数学模型容易求解并且因此允许快速预测反应混合物中的成分。在公开的专利申请DE 102 26 670 Al中进行了另一种方法，其公开了一种考虑非线性时变过程的特定特征的闭环控制方法。所使用的实例是过程工程批量过程，其中首先在加热时间期间使反应器内容达到特定温度并且然后将所述温度在反应阶段保持恒定。闭环控制方法适于从开始就在原理上知道闭环控制变量和闭环控制器操纵变量的分布的过程，例如就重复地执行相同开始材料以及相同配方的批量过程来说。将提前为这些变量确定的分布存储为轨线并且在过程序列期间被重新调用，以及被添加到闭环控制器和过程。 过程的实际闭环控制沿着预先确定的轨线发生，例如利用PI或PID闭环控制器。一种有前途的概念包括具有领示控制的依赖于版本的闭环控制方法，所述方法也被称为具有两级自由度的闭环控制。例如，EP 1 267 229 Bl公开了一种用于对过程工程过程进行上电和断电的闭环控制方法，例如，在发电场中，所述方法使用用于预定义过程的操纵变量的基于模型的领示控制器，在所述过程上执行闭环控制。为了这个目的，提前执行离线仿真计算，以获得最佳设定点值轨线，存储所述设定点值轨线，在过程序列期间读出所述设定点值轨线并且用于影响操纵变量。模型还可以用于遵循当前过程状态，并且重复地执行基于当前过程状态的优化计算。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，基于专业文献中已知的示例性半批量过程(ChyIla-Haase聚合反应器)来演示具有领示控制器的闭环控制器的性能能力。将扩展的卡尔曼滤波器用于估计用于使用领示控制的不可测量状态变量。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 卡尔曼 filter approach，，(International Journal of Control, Vol. 81,No. 3, 2008,pp 428-438)中介绍了一种类似方法。在所述文献中，将具有领示控制的闭环控制方法应用到工业半批量反应器中，从而在反应器中开始材料的化学转化过程中在温度上执行闭环控制。所述反应器具备冷却套管，热载体介质流动通过所述冷却套管。热载体介质的输入温度用作闭环控制器操纵变量。扩展的卡尔曼滤波器用于确定变量反应热以及热传输系数，变量反应热以及热传输系数是闭环控制所必需的并且是在过程中无法直接测量的。然而，即使使用这种方法，也不能满意地执行所有闭环控制任务。特别地，将其应用于实际闭环控制任务受到限制的过程。例如，当在控制批量反应器或半批量反应器上执行闭环时，反应器温度是典型的闭环控制变量。在这种情形中，必须经常地依从限制，例如反应器中压力或冷却能力的最小和最大可允许值。
发明内容
在下面的文本中介绍的本发明基于使一种用于执行过程工程过程的闭环控制的方法可用的目的，其确保与限制进行可靠兼容的优化过程控制。为了实现这个目标，提出一种根据权利要求1的闭环控制方法以及一种根据权利要求14的闭环控制设备。在从属权利要求2至13中呈现本发明的优选细化。此外，提出一种根据权利要求15的计算机程序。一般可以通过状态变量来表征可以应用根据本发明的闭环控制方法的过程工程过程。通过使用这些状态变量，可以得到关于在任意期望时间处的过程状态的结论。一些状态变量通常可以直接地测量，或者在过程中，它们是例如，体积流量或质量流量、压力、温度、密度、粘性或混合材料的各个成分或者一类物质的浓度。其它状态变量仅可以通过较高程度的成成本来测量，或者根本不能测量-它们是例如，混合材料的完全组成、颗粒尺寸分布、链长分布、熔体流动指数或冷却能力。可以通过其它可测量或不可测量的状态变量，使用数学模型来确定多个不可测量的状态变量。这种的简单实例是由两种物质构成的材料系统，可以通过相平衡关系从测量的压力和温度值，以清楚的方式计算两种物质的浓度。不可测量的状态变量的确定可以基于当前测量值以及基于关于特定变量的之前分布的信息。在文本中如下，闭环控制变量指过程工程过程的状态变量，所述状态变量的值被选择性地受到根据本发明的方法的影响。这些是典型地状态变量，其具有对要达到的目标的较大影响，例如，蒸馏塔的产品排放中成分的浓度，或反应器中的温度，所述温度的值对于产品质量来说至关重要。选择的闭环控制变量通常是状态变量，状态变量必须不能超过或低于预定限制，例如容器中的最大压力或填充等级。闭环控制变量可以是可测量状态变量或不可测量状态变量。当然，假设存在多个闭环控制变量，还可以直接地测量一个闭环控制变量，且从其它状态变量间接地确定另一闭环控制变量。根据本发明的闭环控制方法不仅可以使用闭环控制变量，还可以近一步使用其它状态变量，例如，用于计算不能直接测量的闭环控制变量。在文本中将这些变量称为如下的 “其它状态变量”。这些还可以在过程中或过程上进行测量，或可以基于其它状态变量来确定。根据本发明，对闭环控制变量形成设定点值形式的配方(prescription)。这些可以是，在一个方面，在过程分布的时间期间上保持恒定的值，但是在另一方面，还可以是随着时间可变的值。在特定时间期间上的设定点值配方被称为设定点值轨线。这些可以是， 例如，在时间期间恒定的值、斜坡(ramp)、折线、或其它恒定连续或不连续的设定点值分布。 在过程序列的全部时间期间上恒定的设定点值的特定情况因此可以被术语设定点值轨线所覆盖。 还可以按照不同的方式来执行闭环控制变量或其它状态变量的检测。依赖于要被检测的变量和特定过程工程过程，可以确定这种变量，例如，使用已知的物理测量原理。这种的实例是经典的通过通流(through-flow)测量设备，压力传感器或温度传感器。例如， 可以通过气体色谱或光谱方法，例如NMR(核磁共振)或NIR(近红外光谱)，来确定各种物质的浓度。不能直接测量的闭环控制变量或其它状态变量的检测通常可以通过数学关系来执行，所述数学关系的范围在非常简单的一些和复杂的一些之间。例如，通过测量的整体质量流量和测量的各个成分的浓度，混合物中各个成分的质量流量可以在非常容易地计算， 而混合物自身无法被直接地测量。在可测量和不可测量的状态变量之间的相对复杂的关系的情况中，状态估计方法可以优选地用于检测感兴趣的变量。这种状态估计方法的实例是如所介绍的，例如，在上面分另1J 弓 I用的 Graichen/Hagenmeyer/Zeitz 禾口 Hagenmeyer/Nohr 的文中的 Luenberger 观察器、卡尔曼滤波器或扩展的卡尔曼滤波器。所述方法以及用于适应分别执行闭环控制的过程的可能性是已知的。在一个优选的实施方式中，扩展的卡尔曼滤波器用作状态估计方法，其基于在过程中的状态变量(y * )，所述状态变量可以直接地测量，以检测闭环控制变量 (y)和/或其它状态变量(y )。通过比较闭环控制变量和它们当前各自的设定点值来计算控制误差。然后，基于这些控制误差，通过控制算法来确定闭环控制操纵的变量。通常将过程中的改变具有对闭环控制变量具有最大可能影响的变量选为操纵变量，以抵消控制误差。如果，例如，容器中的填充等级受到闭环控制的影响，则入流量或出流量适于用作操纵变量。根据本发明的闭环控制方法的操纵变量自己可以是此处的下级闭环控制系统的设定点值。在填充等级闭环控制的实例中，因此入流量可以是下级闭环控制系统的设定点值，其因此具有例如，考虑容器的入流中是阀的阀位置作为操纵变量。在文本中如下，术语“结果操纵变量”用于在过程中设置的操纵变量的值。结果操纵变量可以等于由控制算法确定的闭环控制器操纵变量。然而，根据本发明，至少一个结果操纵变量是通过闭环控制器操纵变量和通过其它组件，领示控制器操纵变量，来计算的。此外，可以通过外部处方来影响所述值，例如通过手工输入或通过信息处理系统可用的信号。在文本中如下，领示控制被理解为表示，领示控制器操纵变量是通过算法基于设定点值、闭环控制变量或其它状态变量来确定的。在这种情况中，过程知识用于缓解和改进过程的闭环控制。根据本发明的领示控制器包括基于状态的计算规则，其定义设定点值、闭环控制变量、其它状态变量或者闭环控制器操纵变量，在一方面，从其获得的领示控制器操作变量，另一方面，例如按照数学模型的形式，之间的关系。优选地使用考虑过程工程过程的特性的基于状态的计算规则，该过程工程过程经受开环控制。特别地，使用倒置稳定状态或动态特性的领示控制器。这意味着计算领示控制器操纵变量是按照下述方式进行的，当应用领示控制器操纵变量以及过程没有受到任何故障时，过程工程过程精确地遵循一个设定点值轨线。被称为系统反转的这种计算可以容易地用于被称为不同平面系统的系统，并且所述计算是专业文献中已知的。此外，计算规则可以被预定义为依赖时间的和/或依赖状态轨线的，例如分布、斜坡或其它预定义形式的轨线，其例如在随着时间推移的一块接一块基础上是恒定的并且具有依赖状态的参数。还可以提供已经提前离线优化的轨线，如计算规则。通过各种因素来确定领示控制器的结构，例如用于领示控制器操纵变量或用于计算的变量的逻辑组合的计算规则的基础类型。此外，由一个或多个参数定义计算规则，通过所述一个或多个参数来确定领示控制器操作变量。使用哪个参数依赖于计算规则各自的结构。如果，例如，计算规则是在特定部分中恒定的函数，定义所述部分的时间以及各自部分中函数的值被认为是领示控制器的参数。对于其它类型的计算规则，相应地获得值域或时间域中其它参数，例如系数。不同的方法，例如专业文献中已知的，可以作为控制算法。例如，PI或PID算法或切换闭环控制器(滑动模式)。这里还可以是具有输入和输出的闭环控制器，其被称为SISO 闭环控制器，以及具有多个输入和输出的闭环控制器，被称为MIMO闭环控制器。通过不同特征来确定控制算法的结构，例如算法的基本设计或闭环控制器变量和操纵变量的分配。 在PI或PID闭环控制器的情况中，例如，作为其它结构特征，要提供是否按照固定的或可变方式来配置控制算法(即P分量)的放大的考虑，例如按照增益调度的形式。与领示控制类似地，控制算法具有不同的参数，其影响闭环控制器操纵变量的确定。这些的实例是PID算法情况中的放大、微分时间(derivative time)和重置时间。根据本发明的闭环控制方法还可以使级联的。在这种情况中，根据信息技术和闭环控制激素和将过程工程过程分成两个或多个子过程，为每个子过程分配至少一个闭环控制器，所述闭环控制器基于如上所述的控制算法。级联意味着至少一个子过程控制器从上级闭环控制器接收一个或多个设定点值。领示控制器操纵变量可以在一个或多个设定点值上叠加。上级闭环控制器还可以被称为主控制器，并且下级控制器可以被称为从控制器。图 4示出了根据本发明的级联方法的基本示意。可以将多个从控制器分配给一个主控制器。 类似地，从控制器自身可以是从属于它的从控制器的主控制器。这种配置被称为多层级联。 根据本发明，通过闭环控制器操纵变量和领示控制器操纵变量来计算至少一个子过程中的至少一个结果操纵变量。在一个优选的实施方式中，将过程工程过程分成两个或多个子过程，并且通过各自的闭环控制器操纵变量和为此分配的领示控制器操纵变量来计算至少一个主控制器和从属于主控制器的至少一个从控制器的结果操纵变量。此外，可以利用或不利用领示控制来呈现其它上级或下级闭环控制器。根据本发明的用于执行过程工程过程的方法还包括切换逻辑，其可以处理不同信息，例如与设定点值和它们的轨线相关的信息、按一些其它方式测量或检测的过程的状态变量、以及控制算法或领示控制的结构和参数。外部处方(prescription)，例如按照设定点值形式的，限制按时间顺序的分布，因此还可以被切换逻辑外部地处理。基于所述信息和信息之间的预定义关系，切换逻辑确定是否改变控制算法或领示控制器的结构。在这种情况中，还可以对相关参数做出改变。术语“控制算法”和“领示控制器”涉及根据本发明的整个方法并且不被严格地理解为单数形式。在级联方法的情况中，这可以被理解为，例如，包括所有闭环控制器的控制算法和领示控制器，而与它们是如何或在何处根据信息技术来实现的无关。在一个优选的实施方式中，根据本发明的闭环控制方法是级联的，至少一个主控制器和从属于主控制器的至少一个从控制器的结果操纵变量基于各自的闭环控制器操纵变量和为此分配的领示控制器操纵变量计算，并且通过切换逻辑来改变至少一个从属控制器的领示控制器和/或控制算法的结构。控制算法和领示控制器的参数和结构的集合在下面被称为“切换模式”。通过切换逻辑中信息的评估变得明显的是，执行改变，提供从一个切换模式切换到另一个切换模式。 在所述上下文中，这些可以是仅在控制算法或仅在领示控制器或者在两者中的结构改变。 在所述上下文中，还可以改变相关的参数。控制算法中的优选结构改变涉及闭环控制变量和闭环控制器操纵变量的分配中的改变。其它有利的结构改变构成另一控制算法的选择。领示控制器的结构改变优选地在各种依赖状态的计算规则之间进行改变。结构改变还可以优选地包括在被用于计算的其它变量中。领示控制器的另一优选的结构改变是一个或多个其它或不同领示控制器操纵变量的选择。此外，将一个或多个设定点值轨线分配给切换模式。在根据本发明的闭环控制方法的一个优选实施方式中，在从一个切换状态到新的切换状态的转变时，重新计算一个或多个设定点值轨线。在切换模式期间，例如如果闭环控制变量或其它状态变量方法限制所述值，并且当超过或低于控制误差的阈值，或属于外部处方，切换逻辑还可以带来关于设定点值轨线的重新计算。在一个或多个设定点值轨线的重新计算之后，可以改变控制算法或领示控制的参数。在本发明的一个优选精炼中，根据切换逻辑和各自的过程条件发生不同的、按时间顺序的连续切换模式。从一个切换模式到下一个的改变可以影响领示控制器、控制算法、 设定点值轨线的重新计算或其组合。在一个优选的实施方式中，根据本发明的闭环控制方法用于监测和遵循用于一个或多个状态变量的限制。在切换逻辑中使用相应的限制值，以确定用于转变到新切换模式的条件或者带来关于设定点值轨线的重新计算。在另一优选的实施方式中，根据本发明的闭环控制方法用于靶向方式的一个或多个状态变量的方法限制。这种过程控制具有的优点是，可以更经济地操作所述过程，例如关于质量要求或空间/时间产量。为了实现闭环控制方法，优选地提供闭环控制设备，其在每种情况中包括至少一个信号生成器，用于形成用于闭环控制变量的可得的设定点值轨迹；用于检测过程的闭环控制变量以及其它状态变量的装置；闭环控制器，其基于控制误差通过控制算法确定闭环控制器操作变量；领示控制器，用于确定领示控制器操纵变量；用于通过闭环控制器操纵变量和领示控制器操纵变量来计算结果操纵变量的装置；用于调整过程中的结果操纵变量的装置，其中闭环控制设备还具有至少一个切换逻辑，其适于根据闭环控制变量、其它状态变量和/或设定点值轨线来改变控制算法和/或领示控制器的结构。用于检测闭环控制器变量和/或其它状态变量的设备以及用于计算和用于设置过程中的操纵变量的装置是所属领域技术人员已知的，例如信号生成器、闭环控制器、控制算法、领示控制器以及可能使用硬件和软件的实现。在本发明的一个优选实施方式中，领示控制器、控制算法以及切换逻辑的计算规则在具有程序代码装置的计算机程序中实现，例如在利用编程语言或使用商业上可用的软件来创建的程序中，编程语言或使用商业上可用的软件适于在过程工程过程的闭环控制中使用。在一个特别优选的实施方式中，计算机程序被配置为能够运行在计算机上并且具有用于与过程工程过程进行通信的接口。例如，可以利用过程控制系统来执行通信，通过过程控制系统来控制当前的许多过程工程过程。在不具有过程控制系统的过程的情况中，可以通过接口来进行通信，所述接口允许与测量设备和过程的闭环控制器进行数据交换。这种接口以及它们的硬件和软件实现对本领域技术人员来说是已知的。在这种情况中的计算机可以位于过程工程过程的附近，例如在测量站，但是其还可以是在空间上的远端并且通过通常网络连接与过程进行通信。在另一优选的实施方式中，领示控制器、控制算法和切换逻辑的计算规则可以至少部分地实现为过程控制系统中的软件模块。在本发明的另一优选精炼中，领示控制器、控制算法和切换逻辑的计算规则可以完全在过程控制系统中实现或集成。根据本发明的用于实现过程工程过程的闭环控制的方法带来改进的过程控制。过程可以通常地操作为更接近限制，作为这样的结果，空间/时间上的产量通常可以增加。根据本发明的方法优选地可以应用于大量的过程工程过程。特别的优点影响在中间过程中明显，例如批量过程或半批量过程。在这种情况中，经常可以缩短批量时间并且改进批量的重
9复性。
下面将通过参考附图来解释本发明，其中附图将被理解为基本示意。它们不包括本发明的限制，例如关于结构特征或应用。附图中图1示出了根据现有技术的领示控制器和状态估计器的控制回路；图2示出了根据现有技术的利用领示控制器和状态估计器的主-从配置中的控制回路；图3示出了根据本发明的利用领示控制器、状态估计器和切换逻辑的闭环控制方法的实施方式；图4示出了根据本发明的利用领示控制器、状态估计器和切换逻辑在主-从配置中的闭环控制方法的实施方式；图5示出了根据本发明的利用领示控制器、状态估计器、切换逻辑和选择块的闭环控制方法的实施方式；图6示出了根据本发明的具有冷却套管和闭环控制设备的半批量反应器的基本视图；图7示出了在实施例中介绍的半批量过程的特征变量的时间分布；以及图8示出了根据本发明的具有冷却套管和闭环控制设备的另一半批量反应器的基本视图。使用的附图标记的列表10用于设定点值轨线的信号生成器
20闭环控制器
21主控制器
22从控制器
30过程
31第一子过程
32第二子过程
40领示控制器
50状态估计器
60切换逻辑
61在闭环控制器输入处的选择块
62在闭环控制器输出处的选择块
63在领示控制器输出处的选择块 使用的符号列表 Cm P P, 闭环控制装置开始材料入流冷却剂入流压力 预定义压力0076]Sc从闭环控制器到切换逻辑的信号0077]SCM从闭环控制器到切换逻辑的信号(主控制器)0078]Scs从闭环控制器到切换逻辑的信号(从控制器)0079]Sf从领示控制器到切换逻辑的信号0080]SLC从切换逻辑到闭环控制器的信号0081]SLCM从切换逻辑到闭环控制器的信号(主控制器)0082]Slcs切换逻辑到闭环控制器的信号(从控制器)0083]SLF从切换逻辑到领示控制器的信号0084]SLS从切换逻辑到选择块的信号0085]T 1J, in冷却剂入流的温度0086]T 1 J，out冷却剂出流的温度0087]Tr反应混合物中的温度0088]T 1ES预定义反应温度0089]U结果操纵变量0090]Uc闭环控制器操纵变量0091]UCM闭环控制器操纵变量(主控制器)0092]Ucs闭环控制器操纵变量(从控制器)0093]UF领示控制器操纵变量0094]UFM领示控制器操纵变量(主控制器)0095]%S领示控制器操纵变量(从控制器)0096]U1结果操纵变量(主控制器)0097]Us结果操纵变量(从控制器)0098]W设定点值0099]Wext外部设定点值0100]Wt设定点值轨线0101]y闭环控制变量0102]Yi闭环控制变量(主控制器)0103]y2闭环控制变量(从控制器)0104]t其它状态变量0105]y女测量的状态变量0106]Yi女第一子过程测量的状态变量(主控制器)0107]I2女第二子过程测量的状态变量(从控制器)
具体实施例方式
图1说明了如现有技术中已知的具有领示控制器40和状态估计器50的控制回路。信号生成器10生成可用的设定点值W，其相比于它们各自的闭环控制变量y。在这种情况中，可以为信号生成器10预定义外部设定点值Wext，例如，通过用于过程自动化的叠加系统或由设备操作者的手工输入。设定点值w和它们各自的闭环控制变量y之间的差异被称为控制误差，将所述控制误差馈送到闭环控制器20，其由此闭环控制器20计算闭环控制器操纵变量u。M。于此并行的是，领示控制器40通过设定点值w和其它状态变量夕来确定领示控制器操纵变量％。通过所述领示控制器操纵变量和通过闭环控制器操纵变量1 来计算在过程30中设置的结果操纵变量U。获得闭环控制变量y并且然后将其用于计算控制误差。如果所有的状态变量夕不能在过程30中直接地测量，则提供通过测量的状态变量y * 确定需求变量的状态估计器50。图2中说明的控制回路形成对来自上面介绍的图1的控制回路的扩展，其中两个闭环控制器用在级联形式中，其被称为主-从配置。将受到闭环控制的过程分成第一子过程31和第二子过程32。反馈第一子过程31的闭环控制变量y1;以通过预定义的设定点值 w来计算用于主控制器21的控制误差。将由主控制器21确定的闭环控制器操纵变量11 与领示控制器操纵变量％数学地结合，并且产生主控制器的结果操纵变量uM。这些操纵变量作为从控制器22的设定点值。从所述设定点值通过与第二子过程32的闭环控制变量y2相比较来形成用于从控制器22的控制误差，并且所述从控制器确定闭环控制器操纵变量ucs 所述控制误差。在第二子过程32中设置这些闭环控制器操纵变量ucs。状态估计器50还可以被设置在所述控制回路中，所述状态估计器50通过第一子过程的测量状态变量yi女和第二子过程的测量状态变量72 *来确定其它状态变量夕，其可以用在领示控制器40中， 以计算领示控制器操纵变量％。图3说明了根据本发明的使用与图1类似的简单控制回路的实例的控制回路。设定点值生成器10、闭环控制器20、过程30、领示控制器40以及可选的状态估计器50执行与图1中介绍的相同功能。根据本发明，控制回路还具有切换逻辑60，其可以处理作为输入信号的不同信息，例如设定点值《、闭环控制变量y、测量的状态变量y *、其它状态变量夕、或来自闭环控制器的信号sc或来自领示控制器的信号sF。基于这种信息，可以在切换逻辑60 中通过基于状态的计算规则来计算信号sLC和s『并将其传送到闭环控制器20和领示控制器40。可以根据这些信号来改变领示控制器40或控制算法的参数或结构。此外，切换逻辑 60还可以影响用于设定点值轨线10的信号生成器。图4示出了根据本发明的级联控制回路的实例，控制回路对应于图2中表示的控制回路的基本设计。设定点值生成器10、主控制器21、从控制器22、子过程31和32，领示控制器40和可选的状态估计器50执行与图2中介绍的那些设备相同的功能。根据本发明，提供切换逻辑60，其可以从过程的完整地或从各个子过程访问不同信息，例如，设定点值w、闭环控制变量yi和y2、测量的状态变量7工*和y2 *、其它状态变量夕以及来自闭环控制器的信号和scs，或领示控制器的信号％。基于这种信息，可以在切换逻辑60中通过基于状态的计算规则来生成信号sM、sLCS和Sm，并且将其传送到主控制器21、从控制器22 以及领示控制器40。此外，切换逻辑60还可以影响用于设定点值轨线10的信号生成器。传送到闭环控制器21、22以及领示控制器40的切换逻辑60的信号可以促使改变控制算法或领示控制器40的结构或参数。在这种情况中，可以仅在闭环控制器中，仅在领示控制器中，还可以在多个闭环控制器和/或领示控制器中组合地改变结构和参数。优选地，在闭环控制器和同时分配的领示控制器中执行改变。图4为了清楚的目的说明了具有主控制器21和从控制器22的级联控制回路。然
而，根据本发明的闭环控制行为不限制为这种配置，而是可以优选地用于主控制器和从控
制器的任意期望组合中。例如，因此可能的是，在控制回路的多层级联的情况中，从控制器22自己又称为其它闭环控制器的主控制器。可以用在具有仅一个闭环控制变量和一个操纵变量的控制回路中，被称为SISO系统，以及还可以用在具有多个闭环控制变量和操纵变量的MIMO系统中。SISO和MIMO系统可以是级联的，并且本发明还可以覆盖各种组合，例如在具有下级SISO闭环控制器的上级MIMO闭环控制器的情况中。实例根据本发明的方法的优选实施方式已经应用到工业半批量过程中。这是一种大量放热的加聚反应。将第一开始材料放置在搅拌釜反应器，如图6中示意性说明的。经由线路连续地执行将第二开始材料输入到反应器中。通过通流速率(through-flow rate)测量设备来检测第二开始材料的流动速率Fin，并且通过控制阀来设置。反应器的较低部分由套管包围，冷却水通过所述套管流动作为热载体介质。可以通过其它控制阀来影响入流冷却水的流动速率&。通过测量设备来检测冷却水入流&以及入流冷却水温度Il in和出流冷却水温度Tt,。ut。此外，通过测量技术来检测反应器中的压力P和反应混合物中的温度Τκ。 将所有的测量装置连接到根据本发明的闭环控制装置CM，以便测量的值(如测量的状态变量y * )可用于根据本发明的闭环控制方法。应当按照实现最高可能的空间/时间产量的方式来控制反应过程。在另一方面， 尽可能快速地达到获得的闭环控制方法，如外部处方Wrait,反应温度Tks，以确保较高的反应转换率。另一方面，根据过程的当前状态来预定义不应当超过反应器的压力Ps。基于已知的过程工程限制，特别是根据反应器的填充级别和反应温度Tks，计算连接的过程控制系统中的这种限制值。在使用程序包MATLAB(数学工作公司，Natick，MA，USA)的商业上可用的工作站计算机上实现根据本发明的闭环控制方法，并且工作站计算机经由标准接口 OPC(用于过程控制的OLE)连接到过程控制系统。在图5中示例性地表示闭环控制方法的分解并且对应于图6中的闭环控制块“C/。为了实现较高的空间/时间产量，需要操作过程30尽可能地靠近一个或多个指定限制。除了压力限制，其它限制是第二开始材料的最大可能流动速率Fin以及冷却水入流的流动速率FT。这些两个流动速率被选作操纵变量u。反应器中的压力P和反应混合物中的温度Tk被选作闭环控制变量y。控制算法的基础形成具有相应领示控制器40的三个SISO 闭环控制器20，具有随后分配的操纵变量和闭环控制变量开始材料入流Fin-压力P开始材料入流Fin-反应温度Tk
冷却水入流Ft-反应温度Tk通过基于被传送到选择块61和62的切换逻辑60的信号^而选择的操纵变量Uc 以及各自的闭环控制变量y，在同一时间激活这三个单独闭环控制器中的最多两个。在类似的方式中，基于被传送到选择块63的切换逻辑60的信号S。来选择相应的领示控制器操作变量W。在每种情况中，将相关的基于平坦性的领示控制器(40，63)分配给激活的闭环控制器(61，20，6幻。在领示控制器40中通过数学模型的系统反转，基于闭环控制变量y、测量的状态变量1 *和由观察器50确定的状态变量夕来确定领示控制器操纵变量uF，其代表关于是设定点值的期望的改变和考虑的当前动作模型系统干扰变量的最佳操纵变量。在文本中如下，基于示例性批量运行更为详细地解释了根据本发明的闭环控制方法。图7示出了标准化值中多个过程的选择的变量的时间分布。在上面的图形中，代表反应器温度的分布。点直线对应于外部预定的反应温度Tks，其将尽可能快速地达到。细的连续曲线示出了设定点值生成器10可得的反应器温度的设定点值轨线，且粗的连续曲线代表实际测量的反应器温度Τκ。中间的图形将开始材料入流Fin的操纵变量的实际分布表示为连续曲线，并且将冷却水入流Ft表示为点划曲线。在下面的图形中，虚线曲线表示每个时间点处的外部预定的压力Ps。按照与上面图形类似的方式，细的连续曲线示出用于压力的计算的设定点值轨线，且粗的连续曲线代表实际测量的压力P。当将根据本发明的闭环控制方法用于操作时，最初基于当前过程信息来生成用于闭环控制变量的设定点值轨线、反应温度τκ。在所述第一切换模式(I)中，将冷却水入流Ft 选择为操纵变量，以影响反应器温度Τκ。开始材料的入流Fin不用于这种模式中的闭环控制，而是沿过程中预先计算的轨线来设置。监测压力P以确保其不会超过预定的、依赖状态的压力Ps。由于当前值和设定点值之间的偏差已经变得太大，在时间t = 0. 022处重新计算用于反应器温度Tk的设定点值轨线。凭借上面图形中细的连续曲线的垂直掉落可以在图7中看到这种重新计算。在关注的反应系统中，在原理上存在开始材料累积而不反应的风险。在突然开始反应的情况中，压力和温度可能非常快速地增加，导致过程可能会失去控制。出于这种原因，在观察器50中实现用于当前转换率的计算规则，以及在切换逻辑60中预定义相关联的限制值。在时间t = 0. 031，达到了所述限制值。基于切换逻辑60中存储的规则，系统于是从用于开始材料入流Fin的固定轨线切换到依赖状态的轨线，其构成领示控制器40中的结构的切换。冷却水入流Ft的操纵变量到闭环控制变量的分配、放应器温度Tk，保持在新切换模式(II)中不变。从图7中下面的图形显而易见的是，在切换模式(II)期间重新计算用于压力P的设定点值轨线。在预定义压力I3S和实际压力P之间的差异具有最小值之后，通过切换逻辑 60中的规则来触发所述过程。然而，这种重新计算不改变控制算法的结构，也不改变领示控制器的结构，结果不存在到新切换模式的改变。在时间t = 0. 062，开始材料的累积降低到这种程度，切换逻辑60中的相应计算规则触发到新切换模式(III)的改变。在所述切换模式中，反应器温度不再通过冷却水入流 &来调整，而是通过作为操纵变量的开始材料入流Fin来调整。还按照类似的方式来改变领示控制器操纵变量的计算。因此，发生控制算法和领示控制器的结构改变。由于与用于切换到作为操纵变量的开始材料入流Fin的设定点值的偏差过大，在所述时间还重新计算用于反应器温度Tk的设定点值轨线。为冷却水入流Ft计算轨线并且在过程中设置轨线。连续监测压力P。在时间t = 0.089，再次达到累积限制，结果是发生到新切换模式(IV)的切换。这个切换模式对应于上面已经介绍的切换模式(II)的结构，并且因此再次发生控制算法和领示控制器的结构改变。由于此时设定点值和实际值之间的偏差较低，所以不重新计算用于反应器温度Tk的设定点值轨线。在时间t = 0. 136，冷却水入流FJ到达其最大值。通过冷却水的反应器温度Tk的闭环控制因此受到限制，并且切换逻辑60发起到切换模式(V)的切换，切换模式(V)对应于切换模式(III)中的结构。然而，用于切换模式(V)中的冷却水入流!^的轨线包含恒定值、其最大值。在批量运行时间的更大部分上保持所述模式。朝向运行时间的结束，由于当前压力P低于关于外部预定压力Ps的差值，二次重新计算压力P的设定点值轨线。当在时间t = 0. 970处当前压力P超过其设定点值时，切换逻辑60触发切换模式 (VI)。存在控制算法和领示控制器结构中的改变，以便现在通过开始材料入流Fin调整压力 P，以及再次通过冷却水入流Ft调整反应器温度Τκ。保持这个模式，直到批量运行时间按的结束为止。由过程控制系统中的配制控制器(formulation controller)基于开始材料的计量质量来确定批量运行的结束，并且将其通信到根据本发明的闭环控制方法。对于闭环控制器结构中的所有改变，重新初始化在切换之后激活的闭环控制器的参数。图8说明了其中成功使用根据本发明的闭环控制方法的其它反应器配置。与上述介绍的实例不同的是围绕反应器的套管的冷却能力不受冷却水入流的影响，而是经由分程 (split-range)闭环控制系统而受冷却水入流温度TT,in的设定的影响。相比于前述过程控制概念，其没有提供控制算法或领示控制器的任何切换，在两个反应器配置中，基于该批量的配制根据本发明的方法能够实现计量时间10%到30%的降低。此外，可以增加相同类型的批量重复性。在上述实例中，过程工程过程基本上发生在被套管围绕的半批量反应器中，冷却水通过所述套管流动作为热载体介质。然而，本发明不限制于这个实例。例如，用于在反应器中交换热量的其它设备对所属领域的技术人员来说是已知的，例如反应器外部或内部的半线圈，热载体介质通过其进行流动，还有反应器中的设备，例如管道线圈，通过其存在流体、或电加热器。排出热量的另一传统方法是蒸发冷却，特别是在聚合过程的情况中，其中存在气相并且通过反应来生成气相。此处，在反应器中的内部蒸发冷却和外部蒸发冷却之间进行区分，其中部分气态反应器内容物被导引到连接到反应器的热交换器，并且在此处进行冷凝。还在外部热交换器中冷却或加热液体相，并且所有已知的设置在此处可以作为热交换器，特别是那些在热载体侧使用蒸发冷却的原理的设备。根据本发明的闭环控制方法还可以有利地应用到上面说明的实例的这种精炼中。 依赖于根据设备的各自条件，特别是馈入开始材料的一个或多个流动速率、馈入热载体介质的流动速率、馈入热载体介质的温度、安装在反应器中或上的加热器的功率、反应器或连接到反应器的热交换器中的压力、以及关于外部热交换器的热载体介质的流动速率或温度，在此处适于作为操纵变量。本发明同样不局限于其中必须带走反应所发出热量的过程。甚至在需要热量的过程中，可以有利地使用根据本发明的方法。此处，如上所述的热载体介质可以是水，然而油、 一些其它流体或甚至是气体，例如水蒸气是可以的。根据本发明的方法使其可以改进不仅是半批量反应器和批量反应器情况中的过程控制，还可以改进用于转换或分离材料的其它过程技术设备或设施中的过程控制，例如在结晶器、色谱柱、蒸馏塔、精馏塔或吸收塔的情况下。
权利要求
1.一种用于执行过程工程过程的闭环控制的方法，包括下述步骤-提供用于闭环控制变量(y)的设定点值轨线OO ；-检测所述过程的闭环控制变量(y)以及其它状态变量(夕)；-通过比较闭环控制变量(y)和它们的设定点值⑷来计算控制误差；-基于所述控制误差通过控制算法来确定闭环控制器操纵变量(uc)；-确定领示控制器操纵变量(％)；-通过闭环控制器操纵变量(U。)和领示控制器操纵变量(Uf)来计算结果操纵变量 (U)；以及-设置所述过程的结果操纵变量(U)；其中，根据闭环控制变量(y)、其它状态变量(f )和/或设定点值轨线(Wt)来改变所述控制算法和/或所述领示控制的结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是级联的，并且基于各自的闭环控制器操纵变量和分配至其的领示控制操纵变量，计算至少一个主控制器和从属于所述主控制器的至少一个从控制器的结果操纵变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中改变至少一个从控制器的控制算法和/或领示控制器的结构。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其中定义所述控制算法和/或所述领示控制器的结构中的改变在于出现连续切换模式。。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在切换到新切换模式时或在切换模式期间，重新计算一个或多个设定点值轨线OO。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其中改变所述控制算法的结构包括改变闭环控制变量(y)和闭环控制器操纵变量( )的逻辑组合。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，其中改变所述领示控制器的结构包括在各种依赖状态的计算规则或预定义领示控制操纵变量(％)之间的改变。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的方法，其中在至少一个切换模式期间通过系统反转形成一个或多个领示控制操纵变量(％)。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的方法，其中为了检测闭环控制变量(y)和/或其它状态变量($)，使用基于能够在所述过程中直接测量的状态变量(y * )的状态估计方法。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述状态估计方法包括扩展的卡尔曼滤波器。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的方法，其中所述过程工程过程操作在批量操作模式或半批量操作模式。
12.根据权利要求11所述的方法，其中受到闭环控制的过程包括具有热交换设备的批量反应器或半批量反应器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中至少一个操纵变量选自下述列表-馈入的开始材料的流动速率；-馈入的热载体介质的流动速率；-所述馈入的热载体介质的温度；-在所述反应器中或上安装的加热器的功率；-所述反应器中的压力或连接到所述反应器的热交换器中的压力；以及 -关于外部热交换器的热载体介质的流动速率或温度。
14.一种用于进行过程工程过程的闭环控制的闭环控制设备，在每种情况下包括至少-一个信号生成器(10)，用于产生用于闭环控制变量(y)的可得的设定点值轨线(Wt)； -用于检测所述过程的闭环控制变量(y)以及其它状态变量(f )的装置； -闭环控制器00，21,22),其基于控制误差通过控制算法确定闭环控制器操作变量 (Uc)；-领示控制器(40)，用于确定领示控制操纵变量(％)；-用于通过闭环控制器操纵变量(U。)和领示控制操纵变量(Uf)来计算结果操纵变量 (U)的装置；以及-用于调整所述过程中的结果操纵变量(U)的装置；其中所述闭环控制设备还具有至少一个切换逻辑(60)，其适于根据闭环控制变量 (y)、其它状态变量(y)和/或设定点值轨线(Wt)来改变控制算法和/或领示控制器的结构。
15.一种具有程序代码装置的计算机程序，当计算机程序运行在计算机、过程控制系统或相应的计算单元中时，所述程序代码装置用于执行根据权利要求1至13中的一项所述方法的所有步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制化学工程过程的方法，其中为受控变量提供目标值轨线，捕获过程的受控变量和其它状态变量，计算控制偏差，以及通过控制算法来计算控制操纵变量，确定领示操纵变量，在过程中计算且调整从自控制器操纵变量和领示控制操纵变量产生的操纵变量，其中根据控制变量、其它状态变量和/或目标轨线来改变控制算法和/或领示控制的结构。本发明进一步涉及一种用于实现所述方法的控制设备和计算机程序。
文档编号G05B13/04GK102548650SQ201080041576
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月13日 优先权日2009年9月17日
发明者M·诺尔, M·齐普利斯, O·凯尔, V·哈根迈尔 申请人:巴斯夫欧洲公司