多变量自动交叉流过滤器控制的制作方法

本发明涉及改进的交叉流过滤(cff)控制。更具体地，提供了一种用于交叉流过滤的多变量、多模式控制的系统和方法，其允许改进对压力和流量的自动控制的改进的灵活性。特别可改善防过压。

背景技术：

交叉流过滤是常用的过滤过程，其中供给基本上平行于膜表面流动，从而防止在膜上积聚。在交叉流过滤过程中不会发生形成通常用于终端过滤的滤饼。供给的部分通过膜，称为渗透物。不通过膜的部分称为渗余物。在交叉流过滤过程中，渗余物进行再循环，即再次被引导通过膜表面。期望的最终产物可包含在渗透物和/或渗余物中。

交叉流过滤技术可非常广泛地应用到过程中，例如，流体、乳液、悬浮液、饮料，诸如水、果汁、啤酒、葡萄酒、乳清、牛奶、污水和溶液，例如用于生物技术、药物、生物药物、生物成因、医学、化学、化妆品和实验室应用。

交叉流过滤器内部的流速和压力的手动控制缺乏精确性和可重复性。某些可能有益的控制模式是不可能的，或需要人工控制的不合理的人员参与。现有的诸如安全阀的防过压解决方案会导致材料的损失，并可能对系统部件和操作者造成损害。

因此，本发明的一个目的是提供一种能够实现多变量自动控制系统的交叉流过滤系统。

上述目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了优选实施方式。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供了一种用于自动控制交叉流过滤(cff)系统的控制系统，该控制系统包括：

测量值处理单元，其配置为：

接收来自交叉流过滤系统的多个传感器的多个传感器信号；以及

基于该多个传感器信号确定限定交叉流过滤系统的操作状态的多个过程参数；

控制模式选择单元，其配置为：

基于用户输入确定作为控制参数集合的过程参数的子集；

以及

为该控制参数集合中的每个控制参数确定相应的设定值(目标值)；以及

控制单元，包括多个控制回路模块，每个控制回路模块均配置为：

从该控制参数集合中接收至少一个控制参数；

确定接收到的控制参数与对应的设定值的控制偏差；以及

向交叉流过滤系统的专用致动器提供致动信号，该致动信号适于改变交叉流过滤系统的操作状态，以便减小所确定的控制偏差。

该控制参数集合可限定控制模式。因而，控制模式可由控制参数集合限定，其中，每个控制参数均为从测量值处理单元接收的过程参数。控制模式选择单元可具有存储在相应存储器中的多个预定控制模式，以便用户从多个预定控制模式中选择一个。在一方面，用户可选择控制模式而不选择单独的过程参数。替代地或附加地，用户可单独地选择期望的过程参数，从而确定要应用的控制模式。无论如何选择/确定控制模式，控制单元配置成以选择/确定的控制模式来操作。

控制系统可应用于任何cff系统，例如设计用于微滤、超滤、纳滤、全蒸发和/或反渗透应用的cff系统。控制系统可进一步控制用于过滤固体和/或气体材料的cff系统。

在本发明的上下文中，cff系统包括cff过程中涉及的所有构件。这种cff系统的设计不受限制，特别是对于构件的类型、数量和布置、以及通过将构件流体联接至cff系统而建立的流动回路。示例性cff系统可包括：例如过滤模块(也称为过滤器)，其包括诸如金属、陶瓷和/或聚合物膜的一种或多种过滤介质；至少一个供给入口；至少一个渗透物出口；至少一个渗余物出口；渗余物容器，其包括至少一个入口和至少一个出口。流动回路由示例性cff系统的流体联接元件制成。具体地，供给入口通过供给导管流体联接至渗余物容器的出口。渗余物出口通过渗余物导管流体联接至渗余物容器的入口。换言之，管道在过滤模块的入口与出口之间提供流体连通，从而形成循环回路。示例性cff系统可包括多于一个的循环回路，其中，每个回路均可包括储存器。可设置另外的导管，以便将渗透物返回至循环回路中和/或将缓冲溶液添加至流动回路中。附加的排出导管可在任意位置流体地联接至一个或多个循环回路，以便能够排出在循环回路内流动的介质。可使用多个泵，以便能够在内部容积内以特定的流速输送流体，即示例性cff系统的导管。阀可设置在流动回路中，以选择性地调节过滤系统的内部容积内的流体流。阀也可定位成使得流体可添加到示例性cff系统的内部体积中或从示例性cff系统的内部体积中提取。具体地，用于调节渗余物流和渗透物流的阀可布置在示例性cff系统中。可利用传感器来测量诸如系统压力和/或内部容积内的不同位置处的流速之类的量。

控制系统包括测量值处理单元，其可电联接至cff系统的多个传感器，以便从每个传感器接收传感器信号。测量值处理单元优选地通过模数转换接收每个传感器信号。换言之，可通过对作为测量值处理单元的部分的一个或多个模数转换器进行离散化和量化来对每个模拟传感器信号进行数字化。测量值处理单元能够提供优选地从多个传感器信号推导出的多个处理参数。多个过程参数可包括作为直接过程参数的原始信号和/或滤波的传感器信号、和/或从两个或多个直接过程参数导出的导出过程参数。通过用一种或多种数据滤波方法，诸如低通、高通、带通、带止、带阻和/或陷波滤波，处理原始传感器信号，获得滤波后的传感器信号。可应用数据滤波，以便以预定方式操纵所接收的传感器信号，例如由于噪声降低的原因。

多个过程参数限定cff系统的操作状态。操作状态的特征在于，每个过程参数均由特定的量值限定。控制系统可连续地向用户通知操作状态，具体是在一个或多个过程参数超过临界值的情况下。

控制模式选择单元能够确定控制模式。通过从测量值处理单元接收的控制参数集合来限定控制模式。控制模式的确定需要用户输入。优选地，控制参数包括用于供给泵控制回路的至少一个控制参数和/或用于渗余物阀控制回路的至少一个控制参数和/或用于渗透物阀控制回路的至少一个控制参数。根据选择哪个控制参数，控制模式改变。控制模式选择单元基于控制模式确定接收要控制的各个过程参数。换言之，控制参数是要基于用户的选择来控制的过程参数。用户可选择控制参数来限定控制模式，或替代地，用户选择预定义的控制模式，从而选择预定义的控制参数集合。对于每个控制参数，优选地通过用户输入来确定设定值。设定值也可在控制系统中预先定义为默认值。

该控制系统还包括控制单元，该控制单元配置成在所确定的控制模式下操作。控制单元包括能够将一个控制参数控制到对应的设定值的多个主控制回路。例如，控制参数的瞬时值与其相应的设定值之间的任何偏差可通过相应的主控制回路减小到零。为了实现期望的设定值，每个主控制回路均能够向致动器提供控制输入信号，该致动器可维持和/或改变受控cff系统的操作状态。控制输入信号可导致引起特定演员理由的控制动作。例如，如果致动器是泵，则控制动作可影响泵送速率，或者如果致动器是阀，则控制动作可影响通过cff系统的内部容积的流速。控制动作可直接或间接地影响操作状态，即，cff系统内的压力和流速可通过控制动作来保持和/或改变。每个主控制回路优选地是闭合控制回路，其控制输入信号取决于来自控制参数的反馈，即，将由相应的主控制回路控制的过程参数。

测量值处理单元和/或控制模式选择单元和/或控制单元可为要在一个或多个中央处理单元(cpu)上执行的一个或多个计算机实现的程序，中央处理单元可获取和写出数据。另外，这些单元可相互通信，以便交换必要的数据，具体是关于过程参数、控制模式、控制参数和设定值。

有利地，提供了一种控制系统，其能够实现完全自动化的cff过程控制和关于期望控制变量的最大灵活性。因此，cff系统可在常规控制系统中以尚不可访问的控制模式下进行控制。另外，cff过程控制的完全自动化使得能够进行控制变量的可重复操作和平滑转换，而cff电路中没有压力或流量尖峰。由于可改变控制模式并因此可改变控制变量，因而系统提供多个可重新配置的控制回路。本发明消除了对调节压力的安全阀的需求。因此，cff电路内没有材料损失。

优选地，每个主控制回路包括至少一个pid控制器。pid控制器可连续地计算作为设定点与控制参数之间的偏差的误差值e，并应用基于比例项、积分项和导数项的校正，以便将偏差减小到零。在当前情况下，校正代表cff系统的致动器的控制输入信号。有利地，pid控制器能够实现精确和响应的闭环控制。

优选地，多个传感器信号包括：

供给压力信号(pf)，指示交叉流过滤系统的供给流中的压力；和/或

渗余物压力信号(pr)，指示交叉流过滤系统的渗余物流中的压力；和/或

渗透物压力信号(pp)，指示交叉流过滤系统的渗透物流中的压力；和/或

重量信号(mr)，指示交叉流过滤系统的渗余物容器的质量；和/或

交叉流过滤系统的供给流的流量信号。

最优选地，多个传感器信号包括pf、pr、pp和mr。

优选地，该多个过程参数包括：

(滤波后的)传感器信号；和/或

交叉流过滤系统的(过滤器的)跨膜压力(tmp)；和/或

表示交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力(pf)与表示交叉流过滤系统的渗余物流中的压力的渗余物压力(pr)之间的压力差(δp)；和/或

交叉流过滤系统的渗透流速。

有利地，控制系统可访问重要的或期望的量，以描述cff系统的操作状态。处理参数可包括原始或滤波的pf和/或pr和/或pp和/或mr的传感器信号。这些传感器信号，无论是原始的还是滤波的，都可认为是直接的处理参数，因为它们可在cff系统中直接测量。

优选地，该多个过程参数包括cff系统的过滤器的跨膜压力tmp、和/或cff系统的供给流与渗余物流的压力之间的压力差δp、和/或交叉流过滤系统的渗透物流速。

跨膜压力tmp描述了过滤器膜的渗余物侧与渗透物侧之间的压力梯度。tmp确定材料通过膜的转变力。控制系统优选地使用以下等式计算tmp：

δp描述了供给流与渗余物流之间的压力梯度，即，过滤器的供给入口与过滤器的渗余物出口之间的压力梯度。控制系统优选地使用以下等式计算δp：

δp＝pf-pr

渗透物流速f，也称为通量f，描述了通过过滤器的膜的流速。控制系统可使用以下等式计算通量：

f：渗透物流速m：渗余物质量

l：l-流速t：时间

ρ：渗余物密度

l-流速表示添加到cff系统的流动回路中的缓冲流体的流速。m代表cff系统的渗余物容器的质量。如果没有向渗余物添加渗滤缓冲物，例如，如果cff系统不(用作)渗滤系统，则可将l设定为零。

tmp、δp和通量可认为是衍生的过程参数，因为它们可从直接的过程参数计算。

有利地，控制系统可访问描述进一步的基本过程参数的进一步的变量，该进一步的基本过程参数可用作主控制回路中的控制参数。

优选地，该多个主控制回路至少包括供给泵控制回路和/或渗余物阀控制回路和/或渗余物阀控制回路，其中，供给泵控制回路配置为提供用于cff系统的供给泵致动器的控制输入信号，渗余物阀控制回路配置为提供用于cff系统的渗余物阀致动器的控制输入信号，渗透物阀控制回路配置为提供用于cff系统的渗透物阀致动器的控制输入信号。

有利的是，可独立地控制每个致动器，并且可用最少量的致动器来调节cff系统的操作状态。具体地，供给泵控制回路可为供给泵提供控制信号，从而导致特定的供给泵送速率。渗余物控制回路可为渗余物阀提供控制信号，从而导致通过渗余物阀的特定流速。渗透物控制回路可为渗透物阀提供控制信号，从而导致通过渗透物阀的特定流速。

优选地，供给泵控制回路配置成选择性地控制控制参数pf或δp或tmp、或恒定泵送速率中的一个；渗余物阀控制回路配置为选择性地控制控制参数pr或tmp、或恒定位置中的一个；以及渗透物阀控制回路配置为选择性地控制控制参数pp或tmp或渗透物流量、或恒定位置中的一个。

更具体地，在一方面，该多个控制回路模块可包括供给泵控制回路，供给泵控制回路配置成为交叉流过滤系统的供给泵致动器提供供给泵致动信号，以改变/调整供给泵的功率/流速。在这一方面，控制模式选择单元优选地配置为选择性地将以下所列作为控制参数提供给供给泵控制回路：

指示交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力信号(pf)；和/或

指示交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力(pf)与指示交叉流过滤系统的渗余物流中的压力的渗余物压力(pr)之间的压力差(δp)；和/或

-交叉流过滤系统的跨膜压力(tmp)。

在优选地与一个或多个前述方面相结合的另一方面中，多个控制回路模块可包括渗余物阀控制回路，渗余物阀控制回路配置成为交叉流过滤系统的渗余物阀致动器提供渗余物阀致动信号，以改变/调整渗余物阀的打开状态。在这一方面，控制模式选择单元优选地配置为选择性地将以下所列作为控制参数提供给渗余物阀控制回路：

指示交叉流过滤系统的渗余物流中的压力的渗余物压力信号(pr)；和/或

交叉流过滤系统的跨膜压力(tmp)；和/或

指示交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力信号(pf)。

在优选地与一个或多个前述方面相结合的另一方面，多个控制回路模块可包括渗透物阀控制回路，渗透物阀控制回路配置成为交叉流过滤系统的渗透物阀致动器提供渗透物阀致动信号，以改变/调整渗透物阀的打开状态。在这一方面，控制模式选择单元优选地配置为选择性地向渗透物阀控制回路提供以下所列作为控制参数：

指示交叉流过滤系统的渗透物流中的压力的渗透物压力信号(pp)；和/或

交叉流过滤系统的跨膜压力(tmp)；和/或

渗透物流速(f)，其指示通过交叉流过滤系统的过滤器膜的流速。

在这些方面中的任何一个方面，如下面还将进一步描述的是，可提供致动器中的一个或多个的固定操作状态作为过程参数，或代替从传感器信号导出的过程参数。

优选地，控制回路模块中的一个或多个包括至少一个pid控制器。

有利的是，每个致动器均可在没有来自其它致动器的辅助的情况下控制单个过程参数(直接过程参数或导出的过程参数)。同时，可使用控制参数的各种组合来控制cff系统。每种组合均可表示如下表所示的特定控制模式：

表1：控制模式

用x标记的控制模式是最适合控制系统的优选控制模式。

优选地，控制系统还提供pf防过压功能。pf过压(也称为供给过压)在pf的量值超过某一极限时发生。pf极限可为预定的默认值和/或由用户输入确定。在另一实施方式中，pf极限(以下也称为次级设定值)可为由控制系统通过观察交叉流过滤系统的行为而自动确定的值。pf过压可能对cff系统中的过滤器和流体有害。优选地，pf防过压功能是计算机实现的例程，其可由用户激活和/或去激活，和/或根据选择的控制模式自动激活和/或去激活。

在特别优选的实施方式中，控制系统适于自动控制多通道交叉流过滤系统，多通道交叉流过滤系统包括多个可并行操作和可至少部分地彼此独立操作的过滤模块(过滤器)。具体地，过滤器中的每个均可包括至少一个供给入口、至少一个渗透物入口和至少一个渗余物出口。在一个实施方式中，多通道交叉流过滤系统可包括多个循环回路，该多个循环回路彼此分离并且可单独操作，例如关于泵和阀的操作，具体使得在循环回路之间不存在(直接和/或间接)的流体联接/连接。多个循环回路中的每个均可包括多个过滤模块中的至少一个。因而，在该实施方式中，单独的过滤通道可平行操作，但(至少部分地)彼此独立。例如，即使当相同的底物在不同的过滤通道中经受过滤时，不同过滤通道中的过滤过程也可在不同的时间开始和/或用不同的过滤参数进行，诸如不同的供给压力和/或不同的渗透物压力和/或不同的渗余物压力和/或不同的流速等。最优选地，在这种布置中，可在过滤通道中的每个中(即，在每个过滤器中)独立地启动和操作防过压功能(下面将更详细地进一步描述优选的实施方式)。具体地，即使在过滤通道具有相同的尺寸并用于过滤相同的底物的情况下，也可为每个过滤通道分别确定pf极限。

即使在一个实施方式中，多通道过滤系统中的各个过滤通道(即循环回路)也可彼此独立地实施，在另一实施方式中，循环回路可共享部分部件，诸如渗余物容器、一个或多个储存器等。最优选地，通道具有至少可单独控制的过滤模块和供给泵，以便允许单独控制和防止过压状态。

具体地，对于这种多通道交叉流过滤系统，特别有利的是，根据优选实施方式，控制系统适于基于所观察到的交叉流过滤系统的一个或多个其它过滤通道的行为来自动地确定和设定过滤通道中的一个或多个的pf极限(和/或另一次级设定值)。因而，一个或多个过滤通道可从在一个或多个其它过滤通道中在不良过程条件下获得的经验中学习，以便改善过程条件。因而，基于该控制模式，其中观察到不良过程条件(过压条件)的过滤通道作为先行通道运行，以影响也可称为跟随通道的一个或多个其它通道中的条件。

这里所使用的“先行/跟随”术语仅仅是出于命名的原因，以分配关于防过压功能的角色，因而各种过滤通道不必具有任何附加的技术限制。例如，所有的过滤通道均可类似地配备，并且可仅基于首先启动哪个通道来限定作为“先行通道”或“跟随通道”的角色。在一个实施方式中，通道可同时操作/启动(具有相同或替代的控制/过程参数)，并且可关于过压状态的发生而全部观察。因而，它们作为先行通道或者跟随通道的角色可随时间改变。替代地，cff系统可包括一个或多个专用先行信道和一个或多个专用跟随信道。

根据优选实施方式，在一个或多个过滤通道(先行通道)中观察以下条件中的一个或多个，并考虑用于对一个或多个其它过滤通道(跟随通道)确定和/或调整pf：

发生过滤器堵塞；和/或

超过底物(例如渗余物和/或渗透物)的预定混浊水平；和/或

超过预定量的缓冲消耗；和/或

超过预定的过程时间。

例如，发现过滤器堵塞通常是不可逆条件，其中即使通过剧烈改变过程参数(例如，流速和/或跨膜压力)，也不能(完全)恢复过过滤器膜。还发现pf过压可能是过滤器堵塞的重要因素。pf过压的其它可能后果可为上述条件中的一个或多个，即，超过底物的预定混浊水平和/或超过预定量的缓冲消耗和/或超过预定的过程时间。因而，这些条件中的每个均可被认为是pf过压条件。

例如，根据控制模式，控制系统可适于将至少一个跟随过滤通道的pf极限设定和/或改变为特定值，该特定值可低于观察到上述条件的先行过滤通道中的pf极限的相应设定值，或低于在观察到过压条件之前不久或在观察到过压条件时在该先行过滤通道中观察到的pf的最大值。因而，为了改善过程条件，特别是关于发生(pf)过压，跟随过滤通道可从不良的过程条件得到的经验中学习。为了基于对在一个或多个其它过滤通道中的故障观察(例如，上述条件中的一个或多个的观察)而自动确定用于过滤通道中的一个或多个的pf极限，控制系统可包括压力极限适配模块，该压力极限适配模块实现预定适配规则，用于基于观察到的条件和基于现有pf极限(次级设定值)和/或在观察到故障的过滤通道中观察到的pf的最大值，确定/设置新的/修改的pf极限(和/或任何其它次级设定值)。例如，新的/修改的pf极限可设置为低于具有故障的过滤通道中的pf极限的值(例如，根据故障的类型和/或程度的预定差)。

优选地，为了提供pf防过压功能，控制系统包括优选地控制虚拟供给泵的(第一)次级控制回路，其中，(第一)次级控制回路在计算出的最大pf和用于pf压力极限的用户定义的设定值中操作。

次级控制回路取来自pf传感器信号的实值作为输入参数，优选地取来自pf传感器信号的局部最大值和pf极限，并且优选地生成虚拟泵送速率的输出，该虚拟泵送速率指示真实供给泵必须泵送多快以生成最大允许压力pf。在正常工作模式下，即，如果没有发生供给过压，则虚拟泵送速率远高于实际泵送速率。如果满足供给过压条件，即，如果超过pf极限，则虚拟泵送速率优选地开始接近实际泵送速率。如果供给过压条件持续，则虚拟流速优选地下降到当前实际泵送速率设定值以下。一旦发生这种情况，则虚拟泵送速率优选地限制实际泵送速率以降低pf。

优选地，(第一)次级控制回路包括pid控制器。有利地，pid控制器能够实现精确和响应的闭环控制。

优选地，附加地或替代地，控制系统还提供pr防过压功能。当pr的量值下降到pp的量值以下时，即，当pp-pr的量值超过一定极限时，发生pr过压(也称为反向过压)。pp-pr极限(在下文中也称为次级设定值)可为预定义的默认值和/或由用户输入确定。在另一实施方式中，pp-pr极限可为由控制系统通过观察交叉流过滤系统的行为而自动确定的值。反向过压可能对cff系统中的过滤器和流体有害。优选地，pr防过压功能是计算机实现的例程，其可由用户激活和/或去激活，和/或其根据所选择的控制模式自动激活和/或去激活。

优选地，为了提供pr防过压功能，控制系统包括(第二)次级控制回路，其中，(第二)次级控制回路优选地以计算出的最小pr操作。

(第二)次级控制回路优选地控制虚拟供给泵，并从pr传感器信号和pp传感器信号取实值作为输入参数，以及优选地从pp传感器信号和pr传感器信号之间的差值的局部最大值作为输入参数，并优选地为供给泵产生输出作为虚拟泵送速率，该虚拟泵送速率指示实际供给泵必须泵送多快以产生最大允许压力差。在正常工作模式下，即，如果没有反向过压发生，则虚拟泵送速率可能远高于实际泵送速率。如果满足反向过压条件，则虚拟泵送速率优选地开始接近实际泵送速率。如果反向过压条件持续，则虚拟流速优选地下降到当前实际泵送速率设定值以下。一旦发生这种情况，则虚拟泵送速率优选地限制实际泵送速率。

优选地，(第二)次级控制回路包括pid控制器。有利地，pid控制器能够实现精确和响应的闭环控制。

与结合pf过压描述的pf极限(作为次级设定值)类似，可由多通道过滤系统中的控制系统根据对多个过滤通道的过滤通道中的一个或多个中的故障的观察来确定pp-pr极限(作为次级设定值)。对于pr防过压功能，用于观察过滤通道中的一个或多个中的故障(过压条件)的条件可从如上所述的相同观察组中选择。然而，在任何情况下，例如如果同时提供pf防过压功能和pr防过压功能，则可从为pf防过压功能选择的条件中独立地选择条件。一旦观察到过压条件(即故障)，则可类似于如上所述的pf极限的确定来执行pp-pr极限(二次设定值)的确定。因此，不能重复类似的解释。另外，由于学习在不良过程条件下获得的经验以改善过程条件，特别是关于pr过压条件的发生，这种实施方式的优点从本说明书中可明显看出。

因而，更一般地，在一个方面，测量值处理单元优选地配置为：

接收至少一个压力信号(pf；pr；pp)，其指示交叉流过滤系统的流体流中的压力，优选供给压力信号(pf)和/或渗余物压力信号(pr)和/或渗透物压力信号(pp)；

从至少一个接收的压力信号，优选地供给压力信号(pf)和/或渗透物压力信号与渗余物压力信号之间的压力差，确定至少一个防过压信号；以及

确定至少一个防过压信号中的局部最大值。

在该方面中，控制模式选择单元优选地配置为：

确定交叉流过滤系统的供给压力信号(pf)和/或供给压力信号(pf)与渗余物压力信号(pr)之间的压力差(δp)和/或跨膜压力(tmp)作为主控制参数(该确定取决于用户对相应参数和/或所选控制模式的选择)；

将至少一个防过压信号中的局部最大值确定为至少一个次级控制参数；以及

分别为主控制参数和次级控制参数确定主设定值和至少一个次级设定值。

另外，在该方面，控制单元优选包括供给泵控制回路模块，其包括：

主供给泵控制回路，其配置为：

接收主控制参数；

确定所接收的主控制参数与主设定值之间的主控制偏差；以及

提供主供给泵致动信号，该主供给泵致动信号适于供给泵致动器，以改变交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的主控制偏差。该主供给泵控制回路可实现或表示为在本文描述的供给泵控制回路中的任何一个。

另外，供给泵控制回路模块优选还包括至少一个次级供给泵控制回路，其配置为：

接收至少一个次级控制参数；

确定所接收的至少一个次级控制参数与至少一个次级设定值的至少一个次级控制偏差；以及

提供至少一个次级供给泵致动信号，该次级供给泵致动信号适于供给泵致动器改变交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的至少一个次级控制偏差。

另外，在这一方面，控制单元优选地包括防过压单元，该防过压单元配置成：根据与供给通道中的供给流体的较低或最低供给流量(速率)相对应的信号，即较低/最低流量相对应的信号，选择性地将主供给泵致动信号或至少一个次级供给泵致动信号供给至供给泵致动器。

因而，在这一方面，当出现过压条件时，供给压力可基本上恒定(处于或接近最大压力)，但是控制回路所要求的流速可不同，并且基于哪个控制回路要求较低的流速来选择。如果实现了多个防过压信号和相应的次级控制参数、次级设定值、次级供给泵控制回路、次级控制偏差和次级供给泵致动信号，则供给防过压单元可从主供给泵致动信号和多个次级供给泵致动信号中选择对应于最低供给流速的信号。

在一个优选实施方式中，供给压力信号可确定为(第一)防过压信号。因而，在该实施方式中，测量值处理单元优选地配置为：接收指示交叉流过滤系统的供给流中的压力的供给压力信号(pf)；以及确定接收到的供给压力信号中的局部最大值。优选地，控制模式选择单元配置为：将供给压力信号中的所确定的局部最大值确定为(第一)次级控制参数；以及将(优选地预定的，例如系统特定的)最大供给压力值确定为相应的次级设定值。可根据所选择的控制模式来确定主控制参数和相应的主设定值。在优选实施方式中，将供给压力(信号)确定为主控制参数，并且可将期望的(优选用户选择的)供给压力值确定为相应的主设定值。

另外，在该实施方式中，进一步优选的是，次级供给泵控制回路配置为：

接收所确定的供给压力信号中的局部最大值作为次级控制参数；

从最大供给压力值确定供给压力信号中接收到的局部最大值的次级控制偏差；以及

提供适于供给泵致动器的次级供给泵致动信号，以改变交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的次级控制偏差。

在系统的优选操作模式中，主供给泵控制回路可配置为：

接收供给压力信号作为主控制参数；

确定所接收的供给压力信号与所期望的供给压力值的主控制偏差；以及

提供主供给泵致动信号，该主供给泵致动信号适于供给泵致动器，以改变交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的主控制偏差。

在最优选的乃至与前述优选实施方式结合的另一优选实施方式中，可将渗透物压力(信号)和渗余物压力(信号)之间的压力差确定为(第二)防过压信号。因而，在该实施方式中，测量值处理单元优选配置为：接收指示交叉流过滤系统的渗余物流中的压力的渗余物压力信号(pr)、以及指示交叉流过滤系统的渗透物流中的压力的渗透物压力信号(pp)；以及确定渗透物压力(信号)和渗余物压力(信号)之间的压力差的局部最大值。控制模式选择单元优选地配置为：将所述压力差中的所确定的局部最大值确定为(第二)次级控制参数；以及将(优选地预定的，例如系统特定的)最大压力差值确定为相应的(第二)次级设定值。可根据所选择的控制模式来确定主控制参数和相应的主设定值。在优选的实施方式中，将供给压力(信号)或tmp确定为主控制参数，并且可将期望的供给压力值(或tmp值)(优选用户选择的)确定为相应的主设定值。

另外，在该实施方式中，进一步优选的是，次级供给泵控制回路(其可为第二次级供给泵控制回路)配置为：

接收所确定的渗透物压力(信号)和渗余物压力(信号)之间的压力差(信号)中的局部最大值作为(第二)次级控制参数；

从最大压力差值确定所述压力差信号中所接收的局部最大值的次级控制偏差(其可为次级控制偏差)；以及

提供适于供给泵致动器的次级供给泵致动信号(其可为第二次级供给泵致动信号)，以改变交叉流过滤系统的供给泵的操作，从而减小所确定的(第二)次级控制偏差。

因此，提供了非常有效的过压保护。在这一方面，最优选的是，主供给泵控制回路和次级供给泵控制回路均包括pid控制器，pid控制器均具有相同的pid参数。这使得防过压的配置和操作在操作中均容易操作且可靠。所描述的用于供给压力和渗透物压力与渗余物压力之间的压力差的过压保护可替代地或组合地实施和/或激活。

优选地，控制系统适于自动控制多通道交叉流过滤系统，其中，控制模式选择单元配置成接收多通道交叉流过滤系统的先行过滤通道中的过压条件，以及确定多通道交叉流过滤系统的跟随过滤通道的至少一个次级设定值。

在另一方面，本发明提供了一种交叉流过滤系统，其包括：

供给泵，作为致动器，以通过供给通道将流体提供至交叉流过滤系统的过滤器，其中，设置供给压力传感器，以测量供给通道中的流体压力；

渗余物阀，作为致动器以控制渗余物流体通过渗余物通道从交叉流过滤系统的过滤器的流动，其中设置渗余物压力传感器以测量渗余物通道中的流体压力；

渗透物阀，作为致动器以控制渗透流体从交叉流过滤系统的过滤器通过渗透物通道的流动，其中，设置渗透物压力传感器，以测量渗透物通道中的流体压力；以及

控制系统，优选地根据本发明的所描述的优选实施方式之一所描述的。

在优选的方面，cff系统还包括重量传感器以测量交叉流过滤系统的渗余物容器的重量或质量。

在又一方面，本发明提供了一种用于自动控制交叉流过滤系统的自动(部分完全由计算机实现)控制方法，包括：

接收(在测量值处理单元)来自交叉流过滤系统的多个传感器的多个传感器信号；

基于多个传感器信号确定限定交叉流过滤系统的操作状态的多个过程参数；

基于用户输入确定作为控制参数集合的过程参数的子集；

为该控制参数集合中的每个控制参数确定相应的设定值(目标值)；

为每个控制参数确定控制参数与相应设定值的控制偏差；以及

向交叉流过滤系统的专用致动器提供致动信号，该致动信号适于改变交叉流过滤系统的操作状态，从而减小所确定的控制偏差。

在又一方面，提供了一种计算机程序产品，其可有形地实现在电子信号或物理存储介质中，并且其包括程序代码，在加载到计算机系统中并且由计算机系统执行时，该程序代码使得计算机系统执行控制方法，该控制方法用于优选地根据本发明的优选实施方式之一的对交叉流过滤系统的自动控制。

本发明的这些和其它目的、特征和优点在阅读以下优选实施方式的详细描述和附图后将变得更加明显。应理解的是，即使分别描述了实施方式，也可将其单个特征结合到另外的实施方式中。

附图说明

图1示出了根据实施方式的连接至cff系统的控制系统的示意图；

图2示出了过压状态的视图；

图3示出了根据实施方式的连接至包括pf和pr防过压功能的cff系统的控制系统的示意图；

图4示出了根据实施方式的供给防过压功能的视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的具体实施方式的连接至cff系统30的控制系统10的示意图。cff系统30配置成处理例如流体、乳液、悬浮液、诸如水、果汁、啤酒、葡萄酒、乳清、牛奶的饮料、污水和/或例如用于生物技术、制药、生物制药、生物成因、医学、化学、化妆品和/或实验室应用的溶液。应当理解的是，交叉流过滤系统的类型和设计不受限制。其优选设计成用于微滤、超滤、纳滤、全蒸发和/或反渗透应用。交叉流过滤系统可设计成用于过滤固体和/或气体介质。

cff系统30包括至少一个膜(作为过滤器31)和用于来自待过滤介质的渗余物的渗余物容器(未示出)。在cff过程中，待从供给容器过滤的介质基本上切向地穿过设置在过滤器31内部的过过滤器膜，具体是在相对于渗透侧的正压下。小于膜孔径的材料的部分作为渗透物或滤液通过膜，并收集在渗透物容器(未示出)中，而剩余部分作为渗余物保留在膜的供给侧并收集在渗余物容器中。因此，在交叉流过滤中，大部分流体在膜上的基本切向运动导致过滤器表面上的截留的或保留的颗粒被分离或摩擦掉。为了调节cff系统30的流路，包括多个执行器。渗透物阀32配置成调节通过从渗透物侧的出口延伸至渗透物容器的入口的渗透物导管的流。渗余物阀33配置成调节通过从过滤器31的渗余物侧上的出口延伸至渗余物容器的入口的渗余物导管的流。供给泵34配置成驱动cff系统30内的流。供给泵34设置在从渗余物容器的出口延伸至过滤器31的入口的供给导管中。多个传感器35以测量感兴趣的量提供至cff系统30。具体地，cff系统30包括供给压力传感器、渗余物压力传感器、渗透物压力传感器和用于渗余物容器的质量传感器。供给压力传感器测量在供给导管内流动的供给流的压力pf。渗余物压力传感器测量在渗余物导管内流动的渗余物流的压力pr。渗透物压力传感器测量在渗透物导管内流动的渗透物流的压力pp。质量传感器测量渗余物容器的质量，并且可为诸如天平或测压元件的称重装置。

控制系统10包括测量值处理单元11、控制模式选择单元12、控制单元13、供给泵控制回路14、渗余物阀控制回路15、渗透物阀控制回路16。控制系统10的单个单元之间的连接和从控制系统10至cff系统30的连接优选地是电连接。

测量值处理单元11从cff系统30的多个传感器35接收传感器信号。传感器信号优选地经由一个或多个模数转换器获取，该模数转换器优选地是测量值处理单元11的部分。基于接收到的传感器信号，测量值处理单元向控制模式选择单元12提供多个处理参数。处理参数可包括原始传感器信号、滤波后的传感器信号和从原始和/或滤波后的传感器信号导出的处理参数。通过对一个或多个原始传感器信号施加诸如低通、高通、带通、带阻、带阻和/或陷波滤波的数据滤波方法，可由测量值处理单元11产生滤波后的传感器信号。可从一个或多个原始传感器信号和/或经滤波的传感器信号和/或已知系统参数来计算所导出的过程参数。多个过程参数限定cff系统30的操作状态。在正常操作状态下，过程参数的大小在期望的范围内。在异常操作状态下，至少一个过程参数的大小不再在期望的范围内。

控制模式选择单元12基于用户输入确定控制模式。优选地，向控制模式选择单元12提供接口，例如触摸屏和/或与键盘和/或按钮组合的显示器。用户可为每个控制回路14、15、16选择控制参数。控制参数是要由相应回路控制的过程参数。如后面所述，过程参数的某种选择优选地可用于相应的控制回路14、15、16。根据所选择的控制参数，定义控制模式。替代地，用户可选择具有控制参数的预定选择的预定控制模式。优选地，控制模式选择单元可确定对应于表1中的x标记模式的控制模式。在确定控制模式之后，控制模式选择单元12为每个控制参数确定设定值。设定值可从控制系统的内部数据库和/或存储器中获取和/或由另一用户输入定义。

控制单元13以确定的控制模式操作。因此，控制单元13设有所确定的控制模式的控制参数和相应的设定值。控制单元13能够通过向致动器32、33、34提供控制信号来经由控制回路14、15、16影响cff系统13的操作状态。

供给泵控制回路14为供给泵34提供控制信号，导致特定的供给泵送速率。对于回路14，可获得以下控制参数：pf、tmp、δp、恒定泵送速率。如果选择恒定的泵送速率，则回路14为供给泵34提供控制信号，从而导致恒定的供给泵送速率。要达到的恒定泵送速率对应于该控制参数的确定的设定值。在控制参数是pf、tmp、δt中的一个的情况下，控制信号可引起变化的泵送速率，以便将控制参数保持在其确定的设定值。

渗余物阀控制回路15为渗余物阀33提供控制信号，从而产生特定的渗余物阀流速。对于回路15，可获得以下控制参数：pr、tmp、δp、恒定位置。如果选择恒定位置，则回路15为渗余物阀33提供控制信号，从而导致恒定的渗余物阀流速。要达到的恒定位置对应于该控制参数的确定的设定值。在控制参数是pr、tmp和δp中的一个的情况下，控制信号可引起渗余物阀流速，以便将控制参数保持在其确定的设定值。

渗透物阀控制回路16为渗透物阀32提供控制信号，导致特定的渗透物阀流速。对于回路16，可获得以下控制参数：pp、tmp、δp、通量、恒定位置。如果选择恒定位置，则回路16为渗透物阀提供控制信号，从而导致恒定的渗透物阀流速。要达到的恒定位置对应于该控制参数的确定的设定值。在控制参数是pp、tmp、δp和通量中的一个的情况下，控制信号可引起渗余物阀流速，以便将控制参数保持在其确定的设定值。

控制系统30可包括另外的控制回路，该另外的控制回路配置成控制可布置在cff系统30中的另外的致动器。

图2示出了过压状态的图。竖直轴表示压力的大小，而水平轴表示交叉流过过滤器膜的长度。可认为pp沿着膜基本恒定。压力梯度δp沿着膜存在，并由供给压力pf和渗余物压力pr之间的压力差限定。tmp代表pp与δp的平均值之间的差值。如果pf上升到某一极限pmax以上，则发生供给过压。如果pr下降到pp以下，则发生反向过压。

图3示出了根据本发明实施方式的连接至包括pf和pr防过压功能的cff系统30的控制系统10的示意图。控制系统10和cff系统30的布置和功能类似于图1的实施方式中所示的那些布置和功能。另外，控制单元13包括pf和pr过压控制回路，以便保护cff系统30免受有害的供给过压和/或反向过压。

pf过压控制回路17(第一次级供给泵控制回路)使用pf传感器信号的最后局部最大值和pf极限的值作为输入。如果pf传感器信号的最后局部最大值超过pf极限，则满足供给过压条件，以及cff系统30处于异常操作状态。此时，供给泵控制回路14(主供给泵控制回路)停止向供给泵34提供控制信号，以及pf过压控制回路17负责控制供给泵34。通过防过压单元36执行对期望的供给泵致动信号的选择。pf过压控制回路优选地降低供给泵送速率，以及如果发生过滤器堵塞，则停止供给泵。当cff系统30再次处于正常操作状态时，由于由防过压单元36做出的相应选择，供给泵控制回路14再次控制供给泵34。

pr过压控制回路(第二次级供给泵控制回路)18使用pp传感器信号与pr传感器信号之间的压力差的最后局部最大值作为输入。如果该压力差的最后局部最大值下降到低于预定值(例如，0)，则满足反向过压条件，以及cff系统30处于异常操作状态。此时，供给泵控制回路14(主供给泵控制回路)停止向供给泵34提供控制信号，以及pr过压控制回路18负责对供给泵34的控制。当cff系统30再次处于正常操作状态时，供给泵控制回路14再次控制供给泵34。

尽管图3仅示出了过滤器31中的一个，但是该实施方式可实现为包括多个过滤器31的多通道过滤系统，并且优选地还包括分配给相应通道的多个传感器35和致动器32-34，使得多个通道可彼此独立地(至少部分地)操作。然而，进一步优选地，如上述更详细的描述，防过压功能可联接各种通道。

图4示出了根据实施方式的供给防过压功能的图。供给防过压功能可遵循获得图4所示的时间线的算法。该算法可限定控制虚拟过滤器的防过压控制回路。虚拟过滤器的作用是表现为好像它正经历过压条件和为需要什么流速来发生供给过压建模。在cff系统的正常操作中，虚拟过滤器将产生显著大于实际流速的流速，因而它们优选地不影响任何其它控制回路。一旦过滤器开始接近过压条件，虚拟过滤器操作参数开始接近由相应的主控制回路控制的实际过滤器的那些参数。在过压开始的时刻，虚逆过滤器和真实过滤器表现相同，此时发生两件事：首先，主控制回路将真实过滤器的控制放弃到防过压控制回路；第二，升起标志，从而通知控制系统发生供给过压事件，如果用户设置特定动作以进行关于供给过压的一些动作，则采取这些动作；否则，如果发生完全的过滤器堵塞，则控制系统将继续尝试防止一直停止供给泵的过压。反向防过压可以以类似的方式工作，不同之处在于对模型的明显修改以反映反向过压而不是供给过压条件。所描述的防过压功能的优点在于，它是平滑的，并且不会引起可能损坏的压力或流动尖峰。它不会造成材料损失，并且完全可恢复地阻止过滤器的完全失效。

图4的竖直轴分别表示供给压力和供给流量的大小。水平轴表示时间。可看出供给过压如何缓慢升高以达到最大压力。同时，虚拟过滤器流下降以遇到真实过滤器流。一旦达到最大压力，流由虚拟过滤器压下，以防止供给压力进一步增加。另外，升高标志以指示供给过压条件。一旦采取减轻动作，例如添加缓冲介质，过压条件消退，并且cff系统返回正常操作。此时，标志下降。

附图标记的说明

10控制系统

11测量值处理单元

12控制模式选择单元

13控制单元

14(主)供给泵控制回路

15渗余物阀控制回路

16渗透物阀控制回路

17pf过压控制回路(次级供给泵控制回路)

18pr过压控制回路

30cff系统

31过滤器

32渗透物阀

33渗余物阀

34供给泵

35传感器

36防过压单元