專利名稱：具有用于控制化工過程的明確切換的雙自由度控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于執(zhí)行過程工程過程的閉環(huán)控制的方法，其中設(shè)定點(diǎn)值軌跡可用于閉環(huán)控制變量，檢測(cè)過程的閉環(huán)控制變量以及其它狀態(tài)變量，計(jì)算控制誤差并且由此通過控制算法來計(jì)算閉環(huán)控制器操縱變量，另外，確定領(lǐng)示控制器(pilot controller)操縱變量，通過閉環(huán)控制器操縱變量和領(lǐng)示控制器操縱變量來計(jì)算結(jié)果操縱變量，并且在過程中設(shè)置結(jié)果操縱變量。此外，本發(fā)明涉及閉環(huán)控制設(shè)備以及涉及用于執(zhí)行所述方法的計(jì)算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
在工業(yè)規(guī)模上的過程工程處理中，近些年來具有面向自動(dòng)化的增加趨勢(shì)，這種趨勢(shì)的主要原因是對(duì)安裝的重復(fù)性和可靠性的期望。特別地，在化學(xué)和制藥工業(yè)中，除了連續(xù)過程，不連續(xù)的過程也可經(jīng)常用于制造、清潔或調(diào)節(jié)(conditioning)產(chǎn)品，其通常設(shè)置關(guān)于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(chǎn)品質(zhì)量按決定性方式依賴于工藝條件的總則的反應(yīng)器(例如批量持續(xù)時(shí)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(guān)聯(lián)，或者是高度放熱或吸熱的反應(yīng)的情況中，出現(xiàn)這樣的通常要求的閉環(huán)控制任務(wù)，其不能利用經(jīng)典閉環(huán)控制方法來執(zhí)行，或只能按照不滿意方式來執(zhí)行。在近些年中，由于趨向不斷更大的反應(yīng)器，這些閉環(huán)控制任務(wù)也變得更為困難，這是由于在這種反應(yīng)器中，反應(yīng)體積與熱傳導(dǎo)區(qū)域之間的比率變得更為不利。然而，難以執(zhí)行的閉環(huán)控制任務(wù)不僅在反應(yīng)器的操作期間出現(xiàn)，也會(huì)在用于轉(zhuǎn)換材料和分離材料的其它過程工程裝置和設(shè)備的操作期間出現(xiàn)，例如在結(jié)晶器、色譜柱、蒸餾塔、精餾塔或吸收塔的情況中。在經(jīng)典閉環(huán)控制方法中，例如PI或PID控制系統(tǒng)中，僅考慮來自閉環(huán)控制變量與其設(shè)定點(diǎn)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(xiàn)類型的過程的情況中，例如，反應(yīng)易受過程條件中的改變的影響，簡(jiǎn)單 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)通常不足以實(shí)現(xiàn)所期望的目標(biāo)。在許多情況下，由級(jí)聯(lián)的閉環(huán)控制來提供改進(jìn)的可能性，其中上級(jí)閉環(huán)控制器生成用于下級(jí)閉環(huán)控制器的設(shè)定點(diǎn)值。此外，已經(jīng)開發(fā)出許多其它閉環(huán)控制概念，以解決特定類別的閉環(huán)控制問題，例如自適應(yīng)閉環(huán)控制器、學(xué)習(xí)閉環(huán)控制器，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或基于模型和基于優(yōu)化的閉環(huán)控制方法，例如模型預(yù)測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。專利US 6，144，897公開了一種用于化學(xué)反應(yīng)過程的模型預(yù)測(cè)閉環(huán)控制器。預(yù)測(cè)所基于的模型和閉環(huán)控制器自身可以適于各自的設(shè)備狀態(tài)。相比于其它模型預(yù)測(cè)閉環(huán)控制方法，所述方法通過數(shù)學(xué)模型來區(qū)分，所述數(shù)學(xué)模型容易求解并且因此允許快速預(yù)測(cè)反應(yīng)混合物中的成分。在公開的專利申請(qǐng)DE 102 26 670 Al中進(jìn)行了另一種方法，其公開了一種考慮非線性時(shí)變過程的特定特征的閉環(huán)控制方法。所使用的實(shí)例是過程工程批量過程，其中首先在加熱時(shí)間期間使反應(yīng)器內(nèi)容達(dá)到特定溫度并且然后將所述溫度在反應(yīng)階段保持恒定。閉環(huán)控制方法適于從開始就在原理上知道閉環(huán)控制變量和閉環(huán)控制器操縱變量的分布的過程，例如就重復(fù)地執(zhí)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(chǔ)為軌線并且在過程序列期間被重新調(diào)用，以及被添加到閉環(huán)控制器和過程。 過程的實(shí)際閉環(huán)控制沿著預(yù)先確定的軌線發(fā)生，例如利用PI或PID閉環(huán)控制器。一種有前途的概念包括具有領(lǐng)示控制的依賴于版本的閉環(huán)控制方法，所述方法也被稱為具有兩級(jí)自由度的閉環(huán)控制。例如，EP 1 267 229 Bl公開了一種用于對(duì)過程工程過程進(jìn)行上電和斷電的閉環(huán)控制方法，例如，在發(fā)電場(chǎng)中，所述方法使用用于預(yù)定義過程的操縱變量的基于模型的領(lǐng)示控制器，在所述過程上執(zhí)行閉環(huán)控制。為了這個(gè)目的，提前執(zhí)行離線仿真計(jì)算，以獲得最佳設(shè)定點(diǎn)值軌線，存儲(chǔ)所述設(shè)定點(diǎn)值軌線，在過程序列期間讀出所述設(shè)定點(diǎn)值軌線并且用于影響操縱變量。模型還可以用于遵循當(dāng)前過程狀態(tài)，并且重復(fù)地執(zhí)行基于當(dāng)前過程狀態(tài)的優(yōu)化計(jì)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，基于專業(yè)文獻(xiàn)中已知的示例性半批量過程(ChyIla-Haase聚合反應(yīng)器)來演示具有領(lǐng)示控制器的閉環(huán)控制器的性能能力。將擴(kuò)展的卡爾曼濾波器用于估計(jì)用于使用領(lǐng)示控制的不可測(cè)量狀態(tài)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(xiàn)中，將具有領(lǐng)示控制的閉環(huán)控制方法應(yīng)用到工業(yè)半批量反應(yīng)器中，從而在反應(yīng)器中開始材料的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中在溫度上執(zhí)行閉環(huán)控制。所述反應(yīng)器具備冷卻套管，熱載體介質(zhì)流動(dòng)通過所述冷卻套管。熱載體介質(zhì)的輸入溫度用作閉環(huán)控制器操縱變量。擴(kuò)展的卡爾曼濾波器用于確定變量反應(yīng)熱以及熱傳輸系數(shù)，變量反應(yīng)熱以及熱傳輸系數(shù)是閉環(huán)控制所必需的并且是在過程中無法直接測(cè)量的。然而，即使使用這種方法，也不能滿意地執(zhí)行所有閉環(huán)控制任務(wù)。特別地，將其應(yīng)用于實(shí)際閉環(huán)控制任務(wù)受到限制的過程。例如，當(dāng)在控制批量反應(yīng)器或半批量反應(yīng)器上執(zhí)行閉環(huán)時(shí)，反應(yīng)器溫度是典型的閉環(huán)控制變量。在這種情形中，必須經(jīng)常地依從限制，例如反應(yīng)器中壓力或冷卻能力的最小和最大可允許值。

發(fā)明內(nèi)容
在下面的文本中介紹的本發(fā)明基于使一種用于執(zhí)行過程工程過程的閉環(huán)控制的方法可用的目的，其確保與限制進(jìn)行可靠兼容的優(yōu)化過程控制。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，提出一種根據(jù)權(quán)利要求1的閉環(huán)控制方法以及一種根據(jù)權(quán)利要求14的閉環(huán)控制設(shè)備。在從屬權(quán)利要求2至13中呈現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選細(xì)化。此外，提出一種根據(jù)權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)程序。一般可以通過狀態(tài)變量來表征可以應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法的過程工程過程。通過使用這些狀態(tài)變量，可以得到關(guān)于在任意期望時(shí)間處的過程狀態(tài)的結(jié)論。一些狀態(tài)變量通常可以直接地測(cè)量，或者在過程中，它們是例如，體積流量或質(zhì)量流量、壓力、溫度、密度、粘性或混合材料的各個(gè)成分或者一類物質(zhì)的濃度。其它狀態(tài)變量?jī)H可以通過較高程度的成成本來測(cè)量，或者根本不能測(cè)量-它們是例如，混合材料的完全組成、顆粒尺寸分布、鏈長(zhǎng)分布、熔體流動(dòng)指數(shù)或冷卻能力?？梢酝ㄟ^其它可測(cè)量或不可測(cè)量的狀態(tài)變量，使用數(shù)學(xué)模型來確定多個(gè)不可測(cè)量的狀態(tài)變量。這種的簡(jiǎn)單實(shí)例是由兩種物質(zhì)構(gòu)成的材料系統(tǒng)，可以通過相平衡關(guān)系從測(cè)量的壓力和溫度值，以清楚的方式計(jì)算兩種物質(zhì)的濃度。不可測(cè)量的狀態(tài)變量的確定可以基于當(dāng)前測(cè)量值以及基于關(guān)于特定變量的之前分布的信息。在文本中如下，閉環(huán)控制變量指過程工程過程的狀態(tài)變量，所述狀態(tài)變量的值被選擇性地受到根據(jù)本發(fā)明的方法的影響。這些是典型地狀態(tài)變量，其具有對(duì)要達(dá)到的目標(biāo)的較大影響，例如，蒸餾塔的產(chǎn)品排放中成分的濃度，或反應(yīng)器中的溫度，所述溫度的值對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量來說至關(guān)重要。選擇的閉環(huán)控制變量通常是狀態(tài)變量，狀態(tài)變量必須不能超過或低于預(yù)定限制，例如容器中的最大壓力或填充等級(jí)。閉環(huán)控制變量可以是可測(cè)量狀態(tài)變量或不可測(cè)量狀態(tài)變量。當(dāng)然，假設(shè)存在多個(gè)閉環(huán)控制變量，還可以直接地測(cè)量一個(gè)閉環(huán)控制變量，且從其它狀態(tài)變量間接地確定另一閉環(huán)控制變量。根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法不僅可以使用閉環(huán)控制變量，還可以近一步使用其它狀態(tài)變量，例如，用于計(jì)算不能直接測(cè)量的閉環(huán)控制變量。在文本中將這些變量稱為如下的 “其它狀態(tài)變量”。這些還可以在過程中或過程上進(jìn)行測(cè)量，或可以基于其它狀態(tài)變量來確定。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)閉環(huán)控制變量形成設(shè)定點(diǎn)值形式的配方(prescription)。這些可以是，在一個(gè)方面，在過程分布的時(shí)間期間上保持恒定的值，但是在另一方面，還可以是隨著時(shí)間可變的值。在特定時(shí)間期間上的設(shè)定點(diǎn)值配方被稱為設(shè)定點(diǎn)值軌線。這些可以是， 例如，在時(shí)間期間恒定的值、斜坡(ramp)、折線、或其它恒定連續(xù)或不連續(xù)的設(shè)定點(diǎn)值分布。 在過程序列的全部時(shí)間期間上恒定的設(shè)定點(diǎn)值的特定情況因此可以被術(shù)語設(shè)定點(diǎn)值軌線所覆蓋。 還可以按照不同的方式來執(zhí)行閉環(huán)控制變量或其它狀態(tài)變量的檢測(cè)。依賴于要被檢測(cè)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(cè)量原理。這種的實(shí)例是經(jīng)典的通過通流(through-flow)測(cè)量設(shè)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(zhì)的濃度。不能直接測(cè)量的閉環(huán)控制變量或其它狀態(tài)變量的檢測(cè)通常可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系來執(zhí)行，所述數(shù)學(xué)關(guān)系的范圍在非常簡(jiǎn)單的一些和復(fù)雜的一些之間。例如，通過測(cè)量的整體質(zhì)量流量和測(cè)量的各個(gè)成分的濃度，混合物中各個(gè)成分的質(zhì)量流量可以在非常容易地計(jì)算， 而混合物自身無法被直接地測(cè)量。在可測(cè)量和不可測(cè)量的狀態(tài)變量之間的相對(duì)復(fù)雜的關(guān)系的情況中，狀態(tài)估計(jì)方法可以優(yōu)選地用于檢測(cè)感興趣的變量。這種狀態(tài)估計(jì)方法的實(shí)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(kuò)展的卡爾曼濾波器。所述方法以及用于適應(yīng)分別執(zhí)行閉環(huán)控制的過程的可能性是已知的。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，擴(kuò)展的卡爾曼濾波器用作狀態(tài)估計(jì)方法，其基于在過程中的狀態(tài)變量(y * )，所述狀態(tài)變量可以直接地測(cè)量，以檢測(cè)閉環(huán)控制變量 (y)和/或其它狀態(tài)變量(y )。通過比較閉環(huán)控制變量和它們當(dāng)前各自的設(shè)定點(diǎn)值來計(jì)算控制誤差。然后，基于這些控制誤差，通過控制算法來確定閉環(huán)控制操縱的變量。通常將過程中的改變具有對(duì)閉環(huán)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(jí)受到閉環(huán)控制的影響，則入流量或出流量適于用作操縱變量。根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法的操縱變量自己可以是此處的下級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)值。在填充等級(jí)閉環(huán)控制的實(shí)例中，因此入流量可以是下級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)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(shù)語“結(jié)果操縱變量”用于在過程中設(shè)置的操縱變量的值。結(jié)果操縱變量可以等于由控制算法確定的閉環(huán)控制器操縱變量。然而，根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)結(jié)果操縱變量是通過閉環(huán)控制器操縱變量和通過其它組件，領(lǐng)示控制器操縱變量，來計(jì)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(tǒng)可用的信號(hào)。在文本中如下，領(lǐng)示控制被理解為表示，領(lǐng)示控制器操縱變量是通過算法基于設(shè)定點(diǎn)值、閉環(huán)控制變量或其它狀態(tài)變量來確定的。在這種情況中，過程知識(shí)用于緩解和改進(jìn)過程的閉環(huán)控制。根據(jù)本發(fā)明的領(lǐng)示控制器包括基于狀態(tài)的計(jì)算規(guī)則，其定義設(shè)定點(diǎn)值、閉環(huán)控制變量、其它狀態(tài)變量或者閉環(huán)控制器操縱變量，在一方面，從其獲得的領(lǐng)示控制器操作變量，另一方面，例如按照數(shù)學(xué)模型的形式，之間的關(guān)系。優(yōu)選地使用考慮過程工程過程的特性的基于狀態(tài)的計(jì)算規(guī)則，該過程工程過程經(jīng)受開環(huán)控制。特別地，使用倒置穩(wěn)定狀態(tài)或動(dòng)態(tài)特性的領(lǐng)示控制器。這意味著計(jì)算領(lǐng)示控制器操縱變量是按照下述方式進(jìn)行的，當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)示控制器操縱變量以及過程沒有受到任何故障時(shí)，過程工程過程精確地遵循一個(gè)設(shè)定點(diǎn)值軌線。被稱為系統(tǒng)反轉(zhuǎn)的這種計(jì)算可以容易地用于被稱為不同平面系統(tǒng)的系統(tǒng)，并且所述計(jì)算是專業(yè)文獻(xiàn)中已知的。此外，計(jì)算規(guī)則可以被預(yù)定義為依賴時(shí)間的和/或依賴狀態(tài)軌線的，例如分布、斜坡或其它預(yù)定義形式的軌線，其例如在隨著時(shí)間推移的一塊接一塊基礎(chǔ)上是恒定的并且具有依賴狀態(tài)的參數(shù)。還可以提供已經(jīng)提前離線優(yōu)化的軌線，如計(jì)算規(guī)則。通過各種因素來確定領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)，例如用于領(lǐng)示控制器操縱變量或用于計(jì)算的變量的邏輯組合的計(jì)算規(guī)則的基礎(chǔ)類型。此外，由一個(gè)或多個(gè)參數(shù)定義計(jì)算規(guī)則，通過所述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)來確定領(lǐng)示控制器操作變量。使用哪個(gè)參數(shù)依賴于計(jì)算規(guī)則各自的結(jié)構(gòu)。如果，例如，計(jì)算規(guī)則是在特定部分中恒定的函數(shù)，定義所述部分的時(shí)間以及各自部分中函數(shù)的值被認(rèn)為是領(lǐng)示控制器的參數(shù)。對(duì)于其它類型的計(jì)算規(guī)則，相應(yīng)地獲得值域或時(shí)間域中其它參數(shù)，例如系數(shù)。不同的方法，例如專業(yè)文獻(xiàn)中已知的，可以作為控制算法。例如，PI或PID算法或切換閉環(huán)控制器(滑動(dòng)模式)。這里還可以是具有輸入和輸出的閉環(huán)控制器，其被稱為SISO 閉環(huán)控制器，以及具有多個(gè)輸入和輸出的閉環(huán)控制器，被稱為MIMO閉環(huán)控制器。通過不同特征來確定控制算法的結(jié)構(gòu)，例如算法的基本設(shè)計(jì)或閉環(huán)控制器變量和操縱變量的分配。 在PI或PID閉環(huán)控制器的情況中，例如，作為其它結(jié)構(gòu)特征，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(diào)度的形式。與領(lǐng)示控制類似地，控制算法具有不同的參數(shù)，其影響閉環(huán)控制器操縱變量的確定。這些的實(shí)例是PID算法情況中的放大、微分時(shí)間(derivative time)和重置時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法還可以使級(jí)聯(lián)的。在這種情況中，根據(jù)信息技術(shù)和閉環(huán)控制激素和將過程工程過程分成兩個(gè)或多個(gè)子過程，為每個(gè)子過程分配至少一個(gè)閉環(huán)控制器，所述閉環(huán)控制器基于如上所述的控制算法。級(jí)聯(lián)意味著至少一個(gè)子過程控制器從上級(jí)閉環(huán)控制器接收一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)值。領(lǐng)示控制器操縱變量可以在一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)值上疊加。上級(jí)閉環(huán)控制器還可以被稱為主控制器，并且下級(jí)控制器可以被稱為從控制器。圖 4示出了根據(jù)本發(fā)明的級(jí)聯(lián)方法的基本示意?？梢詫⒍鄠€(gè)從控制器分配給一個(gè)主控制器。 類似地，從控制器自身可以是從屬于它的從控制器的主控制器。這種配置被稱為多層級(jí)聯(lián)。 根據(jù)本發(fā)明，通過閉環(huán)控制器操縱變量和領(lǐng)示控制器操縱變量來計(jì)算至少一個(gè)子過程中的至少一個(gè)結(jié)果操縱變量。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，將過程工程過程分成兩個(gè)或多個(gè)子過程，并且通過各自的閉環(huán)控制器操縱變量和為此分配的領(lǐng)示控制器操縱變量來計(jì)算至少一個(gè)主控制器和從屬于主控制器的至少一個(gè)從控制器的結(jié)果操縱變量。此外，可以利用或不利用領(lǐng)示控制來呈現(xiàn)其它上級(jí)或下級(jí)閉環(huán)控制器。根據(jù)本發(fā)明的用于執(zhí)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(shè)定點(diǎn)值和它們的軌線相關(guān)的信息、按一些其它方式測(cè)量或檢測(cè)的過程的狀態(tài)變量、以及控制算法或領(lǐng)示控制的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。外部處方(prescription)，例如按照設(shè)定點(diǎn)值形式的，限制按時(shí)間順序的分布，因此還可以被切換邏輯外部地處理?；谒鲂畔⒑托畔⒅g的預(yù)定義關(guān)系，切換邏輯確定是否改變控制算法或領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)。在這種情況中，還可以對(duì)相關(guān)參數(shù)做出改變。術(shù)語“控制算法”和“領(lǐng)示控制器”涉及根據(jù)本發(fā)明的整個(gè)方法并且不被嚴(yán)格地理解為單數(shù)形式。在級(jí)聯(lián)方法的情況中，這可以被理解為，例如，包括所有閉環(huán)控制器的控制算法和領(lǐng)示控制器，而與它們是如何或在何處根據(jù)信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的無關(guān)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法是級(jí)聯(lián)的，至少一個(gè)主控制器和從屬于主控制器的至少一個(gè)從控制器的結(jié)果操縱變量基于各自的閉環(huán)控制器操縱變量和為此分配的領(lǐng)示控制器操縱變量計(jì)算，并且通過切換邏輯來改變至少一個(gè)從屬控制器的領(lǐng)示控制器和/或控制算法的結(jié)構(gòu)?？刂扑惴ê皖I(lǐng)示控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)的集合在下面被稱為“切換模式”。通過切換邏輯中信息的評(píng)估變得明顯的是，執(zhí)行改變，提供從一個(gè)切換模式切換到另一個(gè)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(lǐng)示控制器或者在兩者中的結(jié)構(gòu)改變。 在所述上下文中，還可以改變相關(guān)的參數(shù)?？刂扑惴ㄖ械膬?yōu)選結(jié)構(gòu)改變涉及閉環(huán)控制變量和閉環(huán)控制器操縱變量的分配中的改變。其它有利的結(jié)構(gòu)改變構(gòu)成另一控制算法的選擇。領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)改變優(yōu)選地在各種依賴狀態(tài)的計(jì)算規(guī)則之間進(jìn)行改變。結(jié)構(gòu)改變還可以優(yōu)選地包括在被用于計(jì)算的其它變量中。領(lǐng)示控制器的另一優(yōu)選的結(jié)構(gòu)改變是一個(gè)或多個(gè)其它或不同領(lǐng)示控制器操縱變量的選擇。此外，將一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)值軌線分配給切換模式。在根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在從一個(gè)切換狀態(tài)到新的切換狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)，重新計(jì)算一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)值軌線。在切換模式期間，例如如果閉環(huán)控制變量或其它狀態(tài)變量方法限制所述值，并且當(dāng)超過或低于控制誤差的閾值，或?qū)儆谕獠刻幏?，切換邏輯還可以帶來關(guān)于設(shè)定點(diǎn)值軌線的重新計(jì)算。在一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)值軌線的重新計(jì)算之后，可以改變控制算法或領(lǐng)示控制的參數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選精煉中，根據(jù)切換邏輯和各自的過程條件發(fā)生不同的、按時(shí)間順序的連續(xù)切換模式。從一個(gè)切換模式到下一個(gè)的改變可以影響領(lǐng)示控制器、控制算法、 設(shè)定點(diǎn)值軌線的重新計(jì)算或其組合。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法用于監(jiān)測(cè)和遵循用于一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)變量的限制。在切換邏輯中使用相應(yīng)的限制值，以確定用于轉(zhuǎn)變到新切換模式的條件或者帶來關(guān)于設(shè)定點(diǎn)值軌線的重新計(jì)算。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法用于靶向方式的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)變量的方法限制。這種過程控制具有的優(yōu)點(diǎn)是，可以更經(jīng)濟(jì)地操作所述過程，例如關(guān)于質(zhì)量要求或空間/時(shí)間產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方法，優(yōu)選地提供閉環(huán)控制設(shè)備，其在每種情況中包括至少一個(gè)信號(hào)生成器，用于形成用于閉環(huán)控制變量的可得的設(shè)定點(diǎn)值軌跡；用于檢測(cè)過程的閉環(huán)控制變量以及其它狀態(tài)變量的裝置；閉環(huán)控制器，其基于控制誤差通過控制算法確定閉環(huán)控制器操作變量；領(lǐng)示控制器，用于確定領(lǐng)示控制器操縱變量；用于通過閉環(huán)控制器操縱變量和領(lǐng)示控制器操縱變量來計(jì)算結(jié)果操縱變量的裝置；用于調(diào)整過程中的結(jié)果操縱變量的裝置，其中閉環(huán)控制設(shè)備還具有至少一個(gè)切換邏輯，其適于根據(jù)閉環(huán)控制變量、其它狀態(tài)變量和/或設(shè)定點(diǎn)值軌線來改變控制算法和/或領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)。用于檢測(cè)閉環(huán)控制器變量和/或其它狀態(tài)變量的設(shè)備以及用于計(jì)算和用于設(shè)置過程中的操縱變量的裝置是所屬領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，例如信號(hào)生成器、閉環(huán)控制器、控制算法、領(lǐng)示控制器以及可能使用硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，領(lǐng)示控制器、控制算法以及切換邏輯的計(jì)算規(guī)則在具有程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)，例如在利用編程語言或使用商業(yè)上可用的軟件來創(chuàng)建的程序中，編程語言或使用商業(yè)上可用的軟件適于在過程工程過程的閉環(huán)控制中使用。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)程序被配置為能夠運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上并且具有用于與過程工程過程進(jìn)行通信的接口。例如，可以利用過程控制系統(tǒng)來執(zhí)行通信，通過過程控制系統(tǒng)來控制當(dāng)前的許多過程工程過程。在不具有過程控制系統(tǒng)的過程的情況中，可以通過接口來進(jìn)行通信，所述接口允許與測(cè)量設(shè)備和過程的閉環(huán)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種接口以及它們的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的。在這種情況中的計(jì)算機(jī)可以位于過程工程過程的附近，例如在測(cè)量站，但是其還可以是在空間上的遠(yuǎn)端并且通過通常網(wǎng)絡(luò)連接與過程進(jìn)行通信。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，領(lǐng)示控制器、控制算法和切換邏輯的計(jì)算規(guī)則可以至少部分地實(shí)現(xiàn)為過程控制系統(tǒng)中的軟件模塊。在本發(fā)明的另一優(yōu)選精煉中，領(lǐng)示控制器、控制算法和切換邏輯的計(jì)算規(guī)則可以完全在過程控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)或集成。根據(jù)本發(fā)明的用于實(shí)現(xiàn)過程工程過程的閉環(huán)控制的方法帶來改進(jìn)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(jié)果，空間/時(shí)間上的產(chǎn)量通?？梢栽黾?。根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選地可以應(yīng)用于大量的過程工程過程。特別的優(yōu)點(diǎn)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(jīng)?？梢钥s短批量時(shí)間并且改進(jìn)批量的重
9復(fù)性。


下面將通過參考附圖來解釋本發(fā)明，其中附圖將被理解為基本示意。它們不包括本發(fā)明的限制，例如關(guān)于結(jié)構(gòu)特征或應(yīng)用。附圖中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的領(lǐng)示控制器和狀態(tài)估計(jì)器的控制回路；圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的利用領(lǐng)示控制器和狀態(tài)估計(jì)器的主-從配置中的控制回路；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的利用領(lǐng)示控制器、狀態(tài)估計(jì)器和切換邏輯的閉環(huán)控制方法的實(shí)施方式；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的利用領(lǐng)示控制器、狀態(tài)估計(jì)器和切換邏輯在主-從配置中的閉環(huán)控制方法的實(shí)施方式；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的利用領(lǐng)示控制器、狀態(tài)估計(jì)器、切換邏輯和選擇塊的閉環(huán)控制方法的實(shí)施方式；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的具有冷卻套管和閉環(huán)控制設(shè)備的半批量反應(yīng)器的基本視圖；圖7示出了在實(shí)施例中介紹的半批量過程的特征變量的時(shí)間分布；以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的具有冷卻套管和閉環(huán)控制設(shè)備的另一半批量反應(yīng)器的基本視圖。使用的附圖標(biāo)記的列表10用于設(shè)定點(diǎn)值軌線的信號(hào)生成器
20閉環(huán)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(lǐng)示控制器
50狀態(tài)估計(jì)器
60切換邏輯
61在閉環(huán)控制器輸入處的選擇塊
62在閉環(huán)控制器輸出處的選擇塊
63在領(lǐng)示控制器輸出處的選擇塊 使用的符號(hào)列表 Cm P P, 閉環(huán)控制裝置開始材料入流冷卻劑入流壓力 預(yù)定義壓力0076]Sc從閉環(huán)控制器到切換邏輯的信號(hào)0077]SCM從閉環(huán)控制器到切換邏輯的信號(hào)(主控制器)0078]Scs從閉環(huán)控制器到切換邏輯的信號(hào)(從控制器)0079]Sf從領(lǐng)示控制器到切換邏輯的信號(hào)0080]SLC從切換邏輯到閉環(huán)控制器的信號(hào)0081]SLCM從切換邏輯到閉環(huán)控制器的信號(hào)(主控制器)0082]Slcs切換邏輯到閉環(huán)控制器的信號(hào)(從控制器)0083]SLF從切換邏輯到領(lǐng)示控制器的信號(hào)0084]SLS從切換邏輯到選擇塊的信號(hào)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(yīng)混合物中的溫度0088]T 1ES預(yù)定義反應(yīng)溫度0089]U結(jié)果操縱變量0090]Uc閉環(huán)控制器操縱變量0091]UCM閉環(huán)控制器操縱變量(主控制器)0092]Ucs閉環(huán)控制器操縱變量(從控制器)0093]UF領(lǐng)示控制器操縱變量0094]UFM領(lǐng)示控制器操縱變量(主控制器)0095]%S領(lǐng)示控制器操縱變量(從控制器)0096]U1結(jié)果操縱變量(主控制器)0097]Us結(jié)果操縱變量(從控制器)0098]W設(shè)定點(diǎn)值0099]Wext外部設(shè)定點(diǎn)值0100]Wt設(shè)定點(diǎn)值軌線0101]y閉環(huán)控制變量0102]Yi閉環(huán)控制變量(主控制器)0103]y2閉環(huán)控制變量(從控制器)0104]t其它狀態(tài)變量0105]y女測(cè)量的狀態(tài)變量0106]Yi女第一子過程測(cè)量的狀態(tài)變量(主控制器)0107]I2女第二子過程測(cè)量的狀態(tài)變量(從控制器)
具體實(shí)施例方式
圖1說明了如現(xiàn)有技術(shù)中已知的具有領(lǐng)示控制器40和狀態(tài)估計(jì)器50的控制回路。信號(hào)生成器10生成可用的設(shè)定點(diǎn)值W，其相比于它們各自的閉環(huán)控制變量y。在這種情況中，可以為信號(hào)生成器10預(yù)定義外部設(shè)定點(diǎn)值Wext，例如，通過用于過程自動(dòng)化的疊加系統(tǒng)或由設(shè)備操作者的手工輸入。設(shè)定點(diǎn)值w和它們各自的閉環(huán)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(huán)控制器20，其由此閉環(huán)控制器20計(jì)算閉環(huán)控制器操縱變量u。M。于此并行的是，領(lǐng)示控制器40通過設(shè)定點(diǎn)值w和其它狀態(tài)變量夕來確定領(lǐng)示控制器操縱變量％。通過所述領(lǐng)示控制器操縱變量和通過閉環(huán)控制器操縱變量1 來計(jì)算在過程30中設(shè)置的結(jié)果操縱變量U。獲得閉環(huán)控制變量y并且然后將其用于計(jì)算控制誤差。如果所有的狀態(tài)變量夕不能在過程30中直接地測(cè)量，則提供通過測(cè)量的狀態(tài)變量y * 確定需求變量的狀態(tài)估計(jì)器50。圖2中說明的控制回路形成對(duì)來自上面介紹的圖1的控制回路的擴(kuò)展，其中兩個(gè)閉環(huán)控制器用在級(jí)聯(lián)形式中，其被稱為主-從配置。將受到閉環(huán)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(huán)控制變量y1;以通過預(yù)定義的設(shè)定點(diǎn)值 w來計(jì)算用于主控制器21的控制誤差。將由主控制器21確定的閉環(huán)控制器操縱變量11 與領(lǐng)示控制器操縱變量％數(shù)學(xué)地結(jié)合，并且產(chǎn)生主控制器的結(jié)果操縱變量uM。這些操縱變量作為從控制器22的設(shè)定點(diǎn)值。從所述設(shè)定點(diǎn)值通過與第二子過程32的閉環(huán)控制變量y2相比較來形成用于從控制器22的控制誤差，并且所述從控制器確定閉環(huán)控制器操縱變量ucs 所述控制誤差。在第二子過程32中設(shè)置這些閉環(huán)控制器操縱變量ucs。狀態(tài)估計(jì)器50還可以被設(shè)置在所述控制回路中，所述狀態(tài)估計(jì)器50通過第一子過程的測(cè)量狀態(tài)變量yi女和第二子過程的測(cè)量狀態(tài)變量72 *來確定其它狀態(tài)變量夕，其可以用在領(lǐng)示控制器40中， 以計(jì)算領(lǐng)示控制器操縱變量％。圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的使用與圖1類似的簡(jiǎn)單控制回路的實(shí)例的控制回路。設(shè)定點(diǎn)值生成器10、閉環(huán)控制器20、過程30、領(lǐng)示控制器40以及可選的狀態(tài)估計(jì)器50執(zhí)行與圖1中介紹的相同功能。根據(jù)本發(fā)明，控制回路還具有切換邏輯60，其可以處理作為輸入信號(hào)的不同信息，例如設(shè)定點(diǎn)值《、閉環(huán)控制變量y、測(cè)量的狀態(tài)變量y *、其它狀態(tài)變量夕、或來自閉環(huán)控制器的信號(hào)sc或來自領(lǐng)示控制器的信號(hào)sF?；谶@種信息，可以在切換邏輯60 中通過基于狀態(tài)的計(jì)算規(guī)則來計(jì)算信號(hào)sLC和s『并將其傳送到閉環(huán)控制器20和領(lǐng)示控制器40。可以根據(jù)這些信號(hào)來改變領(lǐng)示控制器40或控制算法的參數(shù)或結(jié)構(gòu)。此外，切換邏輯 60還可以影響用于設(shè)定點(diǎn)值軌線10的信號(hào)生成器。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的級(jí)聯(lián)控制回路的實(shí)例，控制回路對(duì)應(yīng)于圖2中表示的控制回路的基本設(shè)計(jì)。設(shè)定點(diǎn)值生成器10、主控制器21、從控制器22、子過程31和32，領(lǐng)示控制器40和可選的狀態(tài)估計(jì)器50執(zhí)行與圖2中介紹的那些設(shè)備相同的功能。根據(jù)本發(fā)明，提供切換邏輯60，其可以從過程的完整地或從各個(gè)子過程訪問不同信息，例如，設(shè)定點(diǎn)值w、閉環(huán)控制變量yi和y2、測(cè)量的狀態(tài)變量7工*和y2 *、其它狀態(tài)變量夕以及來自閉環(huán)控制器的信號(hào)和scs，或領(lǐng)示控制器的信號(hào)％。基于這種信息，可以在切換邏輯60中通過基于狀態(tài)的計(jì)算規(guī)則來生成信號(hào)sM、sLCS和Sm，并且將其傳送到主控制器21、從控制器22 以及領(lǐng)示控制器40。此外，切換邏輯60還可以影響用于設(shè)定點(diǎn)值軌線10的信號(hào)生成器。傳送到閉環(huán)控制器21、22以及領(lǐng)示控制器40的切換邏輯60的信號(hào)可以促使改變控制算法或領(lǐng)示控制器40的結(jié)構(gòu)或參數(shù)。在這種情況中，可以僅在閉環(huán)控制器中，僅在領(lǐng)示控制器中，還可以在多個(gè)閉環(huán)控制器和/或領(lǐng)示控制器中組合地改變結(jié)構(gòu)和參數(shù)。優(yōu)選地，在閉環(huán)控制器和同時(shí)分配的領(lǐng)示控制器中執(zhí)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(jí)聯(lián)控制回路。然
而，根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制行為不限制為這種配置，而是可以優(yōu)選地用于主控制器和從控
制器的任意期望組合中。例如，因此可能的是，在控制回路的多層級(jí)聯(lián)的情況中，從控制器22自己又稱為其它閉環(huán)控制器的主控制器?？梢杂迷诰哂袃H一個(gè)閉環(huán)控制變量和一個(gè)操縱變量的控制回路中，被稱為SISO系統(tǒng)，以及還可以用在具有多個(gè)閉環(huán)控制變量和操縱變量的MIMO系統(tǒng)中。SISO和MIMO系統(tǒng)可以是級(jí)聯(lián)的，并且本發(fā)明還可以覆蓋各種組合，例如在具有下級(jí)SISO閉環(huán)控制器的上級(jí)MIMO閉環(huán)控制器的情況中。實(shí)例根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方式已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)半批量過程中。這是一種大量放熱的加聚反應(yīng)。將第一開始材料放置在攪拌釜反應(yīng)器，如圖6中示意性說明的。經(jīng)由線路連續(xù)地執(zhí)行將第二開始材料輸入到反應(yīng)器中。通過通流速率(through-flow rate)測(cè)量設(shè)備來檢測(cè)第二開始材料的流動(dòng)速率Fin，并且通過控制閥來設(shè)置。反應(yīng)器的較低部分由套管包圍，冷卻水通過所述套管流動(dòng)作為熱載體介質(zhì)。可以通過其它控制閥來影響入流冷卻水的流動(dòng)速率&。通過測(cè)量設(shè)備來檢測(cè)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(cè)量技術(shù)來檢測(cè)反應(yīng)器中的壓力P和反應(yīng)混合物中的溫度Τκ。 將所有的測(cè)量裝置連接到根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制裝置CM，以便測(cè)量的值(如測(cè)量的狀態(tài)變量y * )可用于根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法。應(yīng)當(dāng)按照實(shí)現(xiàn)最高可能的空間/時(shí)間產(chǎn)量的方式來控制反應(yīng)過程。在另一方面， 盡可能快速地達(dá)到獲得的閉環(huán)控制方法，如外部處方Wrait,反應(yīng)溫度Tks，以確保較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)換率。另一方面，根據(jù)過程的當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)定義不應(yīng)當(dāng)超過反應(yīng)器的壓力Ps。基于已知的過程工程限制，特別是根據(jù)反應(yīng)器的填充級(jí)別和反應(yīng)溫度Tks，計(jì)算連接的過程控制系統(tǒng)中的這種限制值。在使用程序包MATLAB(數(shù)學(xué)工作公司，Natick，MA，USA)的商業(yè)上可用的工作站計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法，并且工作站計(jì)算機(jī)經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)接口 OPC(用于過程控制的OLE)連接到過程控制系統(tǒng)。在圖5中示例性地表示閉環(huán)控制方法的分解并且對(duì)應(yīng)于圖6中的閉環(huán)控制塊“C/。為了實(shí)現(xiàn)較高的空間/時(shí)間產(chǎn)量，需要操作過程30盡可能地靠近一個(gè)或多個(gè)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(dòng)速率Fin以及冷卻水入流的流動(dòng)速率FT。這些兩個(gè)流動(dòng)速率被選作操縱變量u。反應(yīng)器中的壓力P和反應(yīng)混合物中的溫度Tk被選作閉環(huán)控制變量y?？刂扑惴ǖ幕A(chǔ)形成具有相應(yīng)領(lǐng)示控制器40的三個(gè)SISO 閉環(huán)控制器20，具有隨后分配的操縱變量和閉環(huán)控制變量開始材料入流Fin-壓力P開始材料入流Fin-反應(yīng)溫度Tk
冷卻水入流Ft-反應(yīng)溫度Tk通過基于被傳送到選擇塊61和62的切換邏輯60的信號(hào)^而選擇的操縱變量Uc 以及各自的閉環(huán)控制變量y，在同一時(shí)間激活這三個(gè)單獨(dú)閉環(huán)控制器中的最多兩個(gè)。在類似的方式中，基于被傳送到選擇塊63的切換邏輯60的信號(hào)S。來選擇相應(yīng)的領(lǐng)示控制器操作變量W。在每種情況中，將相關(guān)的基于平坦性的領(lǐng)示控制器(40，63)分配給激活的閉環(huán)控制器(61，20，6幻。在領(lǐng)示控制器40中通過數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，基于閉環(huán)控制變量y、測(cè)量的狀態(tài)變量1 *和由觀察器50確定的狀態(tài)變量夕來確定領(lǐng)示控制器操縱變量uF，其代表關(guān)于是設(shè)定點(diǎn)值的期望的改變和考慮的當(dāng)前動(dòng)作模型系統(tǒng)干擾變量的最佳操縱變量。在文本中如下，基于示例性批量運(yùn)行更為詳細(xì)地解釋了根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法。圖7示出了標(biāo)準(zhǔn)化值中多個(gè)過程的選擇的變量的時(shí)間分布。在上面的圖形中，代表反應(yīng)器溫度的分布。點(diǎn)直線對(duì)應(yīng)于外部預(yù)定的反應(yīng)溫度Tks，其將盡可能快速地達(dá)到。細(xì)的連續(xù)曲線示出了設(shè)定點(diǎn)值生成器10可得的反應(yīng)器溫度的設(shè)定點(diǎn)值軌線，且粗的連續(xù)曲線代表實(shí)際測(cè)量的反應(yīng)器溫度Τκ。中間的圖形將開始材料入流Fin的操縱變量的實(shí)際分布表示為連續(xù)曲線，并且將冷卻水入流Ft表示為點(diǎn)劃曲線。在下面的圖形中，虛線曲線表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的外部預(yù)定的壓力Ps。按照與上面圖形類似的方式，細(xì)的連續(xù)曲線示出用于壓力的計(jì)算的設(shè)定點(diǎn)值軌線，且粗的連續(xù)曲線代表實(shí)際測(cè)量的壓力P。當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法用于操作時(shí)，最初基于當(dāng)前過程信息來生成用于閉環(huán)控制變量的設(shè)定點(diǎn)值軌線、反應(yīng)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(yīng)器溫度Τκ。開始材料的入流Fin不用于這種模式中的閉環(huán)控制，而是沿過程中預(yù)先計(jì)算的軌線來設(shè)置。監(jiān)測(cè)壓力P以確保其不會(huì)超過預(yù)定的、依賴狀態(tài)的壓力Ps。由于當(dāng)前值和設(shè)定點(diǎn)值之間的偏差已經(jīng)變得太大，在時(shí)間t = 0. 022處重新計(jì)算用于反應(yīng)器溫度Tk的設(shè)定點(diǎn)值軌線。憑借上面圖形中細(xì)的連續(xù)曲線的垂直掉落可以在圖7中看到這種重新計(jì)算。在關(guān)注的反應(yīng)系統(tǒng)中，在原理上存在開始材料累積而不反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。在突然開始反應(yīng)的情況中，壓力和溫度可能非常快速地增加，導(dǎo)致過程可能會(huì)失去控制。出于這種原因，在觀察器50中實(shí)現(xiàn)用于當(dāng)前轉(zhuǎn)換率的計(jì)算規(guī)則，以及在切換邏輯60中預(yù)定義相關(guān)聯(lián)的限制值。在時(shí)間t = 0. 031，達(dá)到了所述限制值?；谇袚Q邏輯60中存儲(chǔ)的規(guī)則，系統(tǒng)于是從用于開始材料入流Fin的固定軌線切換到依賴狀態(tài)的軌線，其構(gòu)成領(lǐng)示控制器40中的結(jié)構(gòu)的切換。冷卻水入流Ft的操縱變量到閉環(huán)控制變量的分配、放應(yīng)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(jì)算用于壓力P的設(shè)定點(diǎn)值軌線。在預(yù)定義壓力I3S和實(shí)際壓力P之間的差異具有最小值之后，通過切換邏輯 60中的規(guī)則來觸發(fā)所述過程。然而，這種重新計(jì)算不改變控制算法的結(jié)構(gòu)，也不改變領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)，結(jié)果不存在到新切換模式的改變。在時(shí)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(yīng)計(jì)算規(guī)則觸發(fā)到新切換模式(III)的改變。在所述切換模式中，反應(yīng)器溫度不再通過冷卻水入流 &來調(diào)整，而是通過作為操縱變量的開始材料入流Fin來調(diào)整。還按照類似的方式來改變領(lǐng)示控制器操縱變量的計(jì)算。因此，發(fā)生控制算法和領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)改變。由于與用于切換到作為操縱變量的開始材料入流Fin的設(shè)定點(diǎn)值的偏差過大，在所述時(shí)間還重新計(jì)算用于反應(yīng)器溫度Tk的設(shè)定點(diǎn)值軌線。為冷卻水入流Ft計(jì)算軌線并且在過程中設(shè)置軌線。連續(xù)監(jiān)測(cè)壓力P。在時(shí)間t = 0.089，再次達(dá)到累積限制，結(jié)果是發(fā)生到新切換模式(IV)的切換。這個(gè)切換模式對(duì)應(yīng)于上面已經(jīng)介紹的切換模式(II)的結(jié)構(gòu)，并且因此再次發(fā)生控制算法和領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)改變。由于此時(shí)設(shè)定點(diǎn)值和實(shí)際值之間的偏差較低，所以不重新計(jì)算用于反應(yīng)器溫度Tk的設(shè)定點(diǎn)值軌線。在時(shí)間t = 0. 136，冷卻水入流FJ到達(dá)其最大值。通過冷卻水的反應(yīng)器溫度Tk的閉環(huán)控制因此受到限制，并且切換邏輯60發(fā)起到切換模式(V)的切換，切換模式(V)對(duì)應(yīng)于切換模式(III)中的結(jié)構(gòu)。然而，用于切換模式(V)中的冷卻水入流!^的軌線包含恒定值、其最大值。在批量運(yùn)行時(shí)間的更大部分上保持所述模式。朝向運(yùn)行時(shí)間的結(jié)束，由于當(dāng)前壓力P低于關(guān)于外部預(yù)定壓力Ps的差值，二次重新計(jì)算壓力P的設(shè)定點(diǎn)值軌線。當(dāng)在時(shí)間t = 0. 970處當(dāng)前壓力P超過其設(shè)定點(diǎn)值時(shí)，切換邏輯60觸發(fā)切換模式 (VI)。存在控制算法和領(lǐng)示控制器結(jié)構(gòu)中的改變，以便現(xiàn)在通過開始材料入流Fin調(diào)整壓力 P，以及再次通過冷卻水入流Ft調(diào)整反應(yīng)器溫度Τκ。保持這個(gè)模式，直到批量運(yùn)行時(shí)間按的結(jié)束為止。由過程控制系統(tǒng)中的配制控制器(formulation controller)基于開始材料的計(jì)量質(zhì)量來確定批量運(yùn)行的結(jié)束，并且將其通信到根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法。對(duì)于閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)中的所有改變，重新初始化在切換之后激活的閉環(huán)控制器的參數(shù)。圖8說明了其中成功使用根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法的其它反應(yīng)器配置。與上述介紹的實(shí)例不同的是圍繞反應(yīng)器的套管的冷卻能力不受冷卻水入流的影響，而是經(jīng)由分程 (split-range)閉環(huán)控制系統(tǒng)而受冷卻水入流溫度TT,in的設(shè)定的影響。相比于前述過程控制概念，其沒有提供控制算法或領(lǐng)示控制器的任何切換，在兩個(gè)反應(yīng)器配置中，基于該批量的配制根據(jù)本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量時(shí)間10%到30%的降低。此外，可以增加相同類型的批量重復(fù)性。在上述實(shí)例中，過程工程過程基本上發(fā)生在被套管圍繞的半批量反應(yīng)器中，冷卻水通過所述套管流動(dòng)作為熱載體介質(zhì)。然而，本發(fā)明不限制于這個(gè)實(shí)例。例如，用于在反應(yīng)器中交換熱量的其它設(shè)備對(duì)所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是已知的，例如反應(yīng)器外部或內(nèi)部的半線圈，熱載體介質(zhì)通過其進(jìn)行流動(dòng)，還有反應(yīng)器中的設(shè)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(tǒng)方法是蒸發(fā)冷卻，特別是在聚合過程的情況中，其中存在氣相并且通過反應(yīng)來生成氣相。此處，在反應(yīng)器中的內(nèi)部蒸發(fā)冷卻和外部蒸發(fā)冷卻之間進(jìn)行區(qū)分，其中部分氣態(tài)反應(yīng)器內(nèi)容物被導(dǎo)引到連接到反應(yīng)器的熱交換器，并且在此處進(jìn)行冷凝。還在外部熱交換器中冷卻或加熱液體相，并且所有已知的設(shè)置在此處可以作為熱交換器，特別是那些在熱載體側(cè)使用蒸發(fā)冷卻的原理的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)控制方法還可以有利地應(yīng)用到上面說明的實(shí)例的這種精煉中。 依賴于根據(jù)設(shè)備的各自條件，特別是饋入開始材料的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)速率、饋入熱載體介質(zhì)的流動(dòng)速率、饋入熱載體介質(zhì)的溫度、安裝在反應(yīng)器中或上的加熱器的功率、反應(yīng)器或連接到反應(yīng)器的熱交換器中的壓力、以及關(guān)于外部熱交換器的熱載體介質(zhì)的流動(dòng)速率或溫度，在此處適于作為操縱變量。本發(fā)明同樣不局限于其中必須帶走反應(yīng)所發(fā)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(jù)本發(fā)明的方法。此處，如上所述的熱載體介質(zhì)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(jù)本發(fā)明的方法使其可以改進(jìn)不僅是半批量反應(yīng)器和批量反應(yīng)器情況中的過程控制，還可以改進(jìn)用于轉(zhuǎn)換或分離材料的其它過程技術(shù)設(shè)備或設(shè)施中的過程控制，例如在結(jié)晶器、色譜柱、蒸餾塔、精餾塔或吸收塔的情況下。
權(quán)利要求
1.一種用于執(zhí)行過程工程過程的閉環(huán)控制的方法，包括下述步驟-提供用于閉環(huán)控制變量(y)的設(shè)定點(diǎn)值軌線OO ；-檢測(cè)所述過程的閉環(huán)控制變量(y)以及其它狀態(tài)變量(夕)；-通過比較閉環(huán)控制變量(y)和它們的設(shè)定點(diǎn)值⑷來計(jì)算控制誤差；-基于所述控制誤差通過控制算法來確定閉環(huán)控制器操縱變量(uc)；-確定領(lǐng)示控制器操縱變量(％)；-通過閉環(huán)控制器操縱變量(U。)和領(lǐng)示控制器操縱變量(Uf)來計(jì)算結(jié)果操縱變量 (U)；以及-設(shè)置所述過程的結(jié)果操縱變量(U)；其中，根據(jù)閉環(huán)控制變量(y)、其它狀態(tài)變量(f )和/或設(shè)定點(diǎn)值軌線(Wt)來改變所述控制算法和/或所述領(lǐng)示控制的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法是級(jí)聯(lián)的，并且基于各自的閉環(huán)控制器操縱變量和分配至其的領(lǐng)示控制操縱變量，計(jì)算至少一個(gè)主控制器和從屬于所述主控制器的至少一個(gè)從控制器的結(jié)果操縱變量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中改變至少一個(gè)從控制器的控制算法和/或領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的方法，其中定義所述控制算法和/或所述領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)中的改變?cè)谟诔霈F(xiàn)連續(xù)切換模式。。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中在切換到新切換模式時(shí)或在切換模式期間，重新計(jì)算一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)值軌線OO。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的方法，其中改變所述控制算法的結(jié)構(gòu)包括改變閉環(huán)控制變量(y)和閉環(huán)控制器操縱變量( )的邏輯組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)所述的方法，其中改變所述領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)包括在各種依賴狀態(tài)的計(jì)算規(guī)則或預(yù)定義領(lǐng)示控制操縱變量(％)之間的改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項(xiàng)所述的方法，其中在至少一個(gè)切換模式期間通過系統(tǒng)反轉(zhuǎn)形成一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)示控制操縱變量(％)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的方法，其中為了檢測(cè)閉環(huán)控制變量(y)和/或其它狀態(tài)變量($)，使用基于能夠在所述過程中直接測(cè)量的狀態(tài)變量(y * )的狀態(tài)估計(jì)方法。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述狀態(tài)估計(jì)方法包括擴(kuò)展的卡爾曼濾波器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的一項(xiàng)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(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中受到閉環(huán)控制的過程包括具有熱交換設(shè)備的批量反應(yīng)器或半批量反應(yīng)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中至少一個(gè)操縱變量選自下述列表-饋入的開始材料的流動(dòng)速率；-饋入的熱載體介質(zhì)的流動(dòng)速率；-所述饋入的熱載體介質(zhì)的溫度；-在所述反應(yīng)器中或上安裝的加熱器的功率；-所述反應(yīng)器中的壓力或連接到所述反應(yīng)器的熱交換器中的壓力；以及 -關(guān)于外部熱交換器的熱載體介質(zhì)的流動(dòng)速率或溫度。
14.一種用于進(jìn)行過程工程過程的閉環(huán)控制的閉環(huán)控制設(shè)備，在每種情況下包括至少-一個(gè)信號(hào)生成器(10)，用于產(chǎn)生用于閉環(huán)控制變量(y)的可得的設(shè)定點(diǎn)值軌線(Wt)； -用于檢測(cè)所述過程的閉環(huán)控制變量(y)以及其它狀態(tài)變量(f )的裝置； -閉環(huán)控制器00，21,22),其基于控制誤差通過控制算法確定閉環(huán)控制器操作變量 (Uc)；-領(lǐng)示控制器(40)，用于確定領(lǐng)示控制操縱變量(％)；-用于通過閉環(huán)控制器操縱變量(U。)和領(lǐng)示控制操縱變量(Uf)來計(jì)算結(jié)果操縱變量 (U)的裝置；以及-用于調(diào)整所述過程中的結(jié)果操縱變量(U)的裝置；其中所述閉環(huán)控制設(shè)備還具有至少一個(gè)切換邏輯(60)，其適于根據(jù)閉環(huán)控制變量 (y)、其它狀態(tài)變量(y)和/或設(shè)定點(diǎn)值軌線(Wt)來改變控制算法和/或領(lǐng)示控制器的結(jié)構(gòu)。
15.一種具有程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行在計(jì)算機(jī)、過程控制系統(tǒng)或相應(yīng)的計(jì)算單元中時(shí)，所述程序代碼裝置用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至13中的一項(xiàng)所述方法的所有步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制化學(xué)工程過程的方法，其中為受控變量提供目標(biāo)值軌線，捕獲過程的受控變量和其它狀態(tài)變量，計(jì)算控制偏差，以及通過控制算法來計(jì)算控制操縱變量，確定領(lǐng)示操縱變量，在過程中計(jì)算且調(diào)整從自控制器操縱變量和領(lǐng)示控制操縱變量產(chǎn)生的操縱變量，其中根據(jù)控制變量、其它狀態(tài)變量和/或目標(biāo)軌線來改變控制算法和/或領(lǐng)示控制的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于實(shí)現(xiàn)所述方法的控制設(shè)備和計(jì)算機(jī)程序。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102548650SQ201080041576
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者M·諾爾, M·齊普利斯, O·凱爾, V·哈根邁爾 申請(qǐng)人:巴斯夫歐洲公司