CN101287542B - 用于组合材料的控制系统及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于将多种材料组合成流的设备(10)及方法。所述多种材料可包括主要材料和一种或多种次要材料。所述次要材料使用入口管(141)来添加。所述主要材料和次要材料在短暂或稳定流量时添加，这取决于来自控制信号的命令。所述设备和方法利用一种控制系统，该控制系统不使用流量控制阀、流量控制反馈回路或动态混合槽。实际流量跟踪被指令的流量，但以一定误差偏离。该受权利要求书保护的布置方式提供了据信现有技术中无法获得的基于时间的误差。

Description

用于组合材料的控制系统及其控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于组合材料的方法和控制系统。
背景技术
在本领域中已知有多种用于组合材料的方法。通常，所述材料在混合槽的上游被组合。这些材料然后被共同添加到混合槽中并进行搅拌，直到获得均一化的共混物。汇合区域下游的进一步的加工步骤可包括添加更多的材料、添加或移除能量，例如热能等。
除此之外或作为另外一种选择，这些材料可在动态混合槽中使用机械搅拌和/或搅拌的替代形式例如超声振动来混合。组合的材料或共混物可然后被传送到下游并成为用于进一步加工的中间体。作为另外一种选择，这些材料可被添加到容器中以用于最终销售或使用。
现有技术方法和系统具有几种缺点。如果使用这种混合槽，它需要相当大的能量来获得所期望的混合。如果期望改变制剂或甚至次要材料，该更改通常需要清洁整个槽及相关系统。清洁整个系统可能会既耗时又费力。然后添加新的材料，加工重新开始。这可能会浪费大量的时间和材料。
当不同产品之间的更改发生时，从停产或低生产率到全能力生产的过渡是不可避免的。一般期望这种过渡能够尽快结束，并且能够尽快地恢复稳态操作。这是因为人们通常期望以最快可行的速度达到稳态生产率。此外，在过渡期间制造的不符合规格的产品可能被浪费。如果接受较慢的过渡，则很可能可以在过渡期间所制造的产品具有更大的精度，并且由于具有较慢的过渡而可能减少产品的浪费。因此，本领域存在着折衷。
系统响应过渡的速度经常受到硬件的制约。例如，旨在于某个特定时间点提供实际流量的流量计未能如人们对于所述过渡的变化速度那样快速地跟随和/或指示流量的变化。例如，提供流动控制及最终材料添加速度率的阀门的响应速度没有人们所期望的那样迅速。此外，与阀门、同阀门联合使用的操作员、甚至不同制造商制造的阀门的不同尺寸在接收到命令时的响应速度可能不同。此外，即使相同的阀门在打开/关闭循环的不同阶段的响应速度也可能不同。
因此，所需要的是一种设备以及使用该设备的方法，所述方法允许快速地更改共混物的配方、准确地跟随过渡、最小化材料浪费、以及快速地提供共混物的均一性。除非另外指明，本文中所表示的所有时间均为秒，本文中的比例和百分比均基于体积。可选地，本发明可使用基于质量的比例和百分比。
发明内容
本发明包括一种用于组合□材料来制造组合物的设备。所述材料可包括至少一种主要材料和至少一种次要材料。所述主要和次要材料在汇合区域中组合。汇合区域具有一用于供给每种主要材料的入口和一个或多个用于供给每种次要材料的入口。组合的材料通过共用的出口从汇合区域排放，而不使用混合槽、流动控制阀门或入口与共用的出口之间的流动控制反馈回路。
在另一个实施方案中，本发明包括一种用于将两种或更多种材料共混在一起的方法。所述方法包括以下步骤：提供第一材料和至少一种附加材料，然后将这些材料以预定的比例组合。所述材料可以不同的流量组合，并同时将预定的比例保持在相对的紧密度容限内。
附图说明
图1为根据本发明的示例性系统的示意图，其以局部剖开的形式显示并提供八种次要材料。
图2为根据本发明的示例性系统的瞬时垂直截面图，示意性地用于向汇合区域供给次要材料的泵和围绕其的环形夹具。
图3为根据现有技术的示例性系统的性能曲线图，所述系统用于具有阶跃输入的命令信号。
图4为根据本发明的用于阶跃输入的示例性系统的瞬时响应曲线图，与现有技术的用于相同阶跃输入的理想的理论响应形成对比。
图5为用于0.2秒斜率输入的瞬时响应曲线图，其显示命令信号和用于一种主要材料和两种次要材料的某些工艺变量。
图6为图5中的一种次要材料的瞬时响应曲线的放大图。
图7显示图4的系统的瞬时误差。
图8显示图4的系统的雷击错误。
图9为根据现有技术的流量反馈控制系统的示意图。
图10为可用于本发明的马达位置反馈控制系统的示例性示意图，其以虚线显示任选组件。
具体实施方式
参见图1-2，本发明包括用于组合、共混或混合两种或更多种材料的设备10和方法。组合是指使用或不使用大量的混合将材料添加在一起以获得均一性。混合和共混可互换使用，其是指组合并在之后进一步获得相对更大程度的均一性。
所得的材料的组合可设置在容器内(未示出)。可将容器插入到设备10内，也可将容器从设备10中移除。设备10包括用于将至少一种主要或第一材料添加到容器中和用于将至少一种次要或第二至n种材料添加到容器中的设备10硬件。用于添加主要材料和次要材料的设备10使得这些材料中的一些或全部在汇合区域12中混合。汇合区域12为一个区域或点，所述主要材料和至少一种(可能每种)次要材料在该区域或点上初始进入相互接触的关系并可发生混合。主要材料和次要材料的混合可在汇合区域12、其下游或这两个位置发生。
汇合区域12可包括一个或多个入口14A和至少一个入口14I，所述入口14A被称作主要材料入口并用于供给一种或多种主要材料，每个所述入口14I可被称作次要材料入口并用于供给一种或多种次要材料。汇合区域12可进一步包括至少一个共用的出口16，该出口用于将主要材料和次要材料从汇合区域12排放，并且任选地直接排放到容器中，或任选地在进一步加工之后排放到容器中。应当理解，在材料通过共用的出口16离开汇合区域12后，可填充单个的容器，或者可平行填充具有相同容量和流量的多个容器。
用于提供次要材料的设备10可包括一个或多个入口管14I，该入口管被插入到设备10内来用于将次要材料直接供给到汇合区域12。每种次要材料可具有指定的入口管14I或者作为另外一种选择，可通过单一入口管14I将多种次要材料插入。当然，如果需要的话，相同的次要材料可以类似或不同的材料的各种组合、不同的量、不同的供给速率、流量、浓度、温度等通过多于一个的入口管14I来添加。
用于每种次要材料的入口14I终止于入口排放点18处。入口排放点18可位于一个共用平面内，如图所示。入口排放点18限定汇合区域12的起点，如上所述。入口排放点18为次要材料各自入口14I和进入汇合区域12的点。入口排放点18可与在线混合器紧密并置，使得材料的混合在汇合区域12内几乎立刻发生。
尽管图示了设备10具有八个入口管14I，每个管之间等距间隔，但技术人员将认识到本发明不受此限制。可提供更多或更少的入口管14I，并且可以周边、径向和/或纵向地等距或不等距间隔。此外，入口管14I可具有相等或不等的横截面积、形状、长度和通过它的流量。次要材料可从一个或多个共同来源或从不同来源供给到入口管14I。
如果需要，用于次要材料的入口管14I的体积相对于整个设备10的总体积可相对较小。该相对的尺寸提供了以下有益效果：由于泵20和汇合区域12之间的入口管14I的较小体积，因此降低了系统中的滞后的发生。
设备10可包括多个用于次要材料的供给线。每条供给线可从至少一种主要材料或至少一种次要材料的源延伸至汇合区域12内的相应入口排放点18。
入口排放点18可位于入口管14I的远端。每条供给线由此限定从其各自材料供给到其相应的汇合区域12内的排放的体积。所述至少一个用于添加至少一种主要材料的供给部分对着第一体积从材料源延伸至发生入口排放点18的共用平面。用于添加每种所述次要材料的每个供给部分对着一个子体积。将所述子体积组合以产生第二体积。将第一体积和第二体积合计以得出总体积。第二体积可小于所述总体积的20％，小于10％，小于5％，或小于3％。
可将第一材料以第一速度注入到汇合区域12内。可将第二至第n种材料以用于N种次要材料的第二速度、第三速度、至第N种速度注入到汇合区域12内。第二至第N种速度可与第一速度或彼此完全匹配、基本上相同或稍微不同。一种或多种次要材料的流量可通常在进入汇合区域12内时与所述至少一种主要材料在汇合区域12的同一横截面处的速度对应或匹配。在本发明的一个实施方案中，次要材料的任何或所有第二至第N种速度可在主要材料的速度的±50百分比内，并且可近似匹配至±25百分比内，甚至更近似匹配至±5百分比内。这种安排允许次要材料以连续流的形式进入物流中而没有漏泄，从而促进更好的混合。次要材料排放到物流中的速度将由排放孔(如果有的话)与供给该次要材料的泵20的输出的组合确定。在衰退的情况下，第一速度可与任何或所有第二至第N种速度完全匹配。
如果需要，包括本发明的设备10和方法可利用多个汇合区域12。多个汇合区域12可以串行、平行或它们的组合的形式设置。多个汇合区域12的任何或所有主要材料、次要材料、比例、流量、命令信号等可相同或不同。某些多个汇合区域12可用来预混将在后来与其它材料在汇合区域12中混合的次要材料、主要材料或它们的任何组合。
所述容器可以是在主要材料和次要材料共混在一起并离开汇合区域12后用于这两种材料的组合的最终容器。所述容器可最终运输并销售给消费者，或者可用于运输和存储主要材料和次要材料的共混物作为中间体。
所述容器可依靠自身的原动力移入和移出设备10，如油罐卡车容器，也可以通过设备10本身移动，或由外部的原动力移动。在衰退的情况下，在同一点将所有的次要材料添加到一种主要材料中，从而限定汇合区域12的起点。汇合区域12的终点被限定为从那里的共用的出口16。在衰退的情况下，共用的出口16可进入大气压条件下，如进入充有空气的容器中，进入真空(如真空容器)中，或甚至进入加压容器中。可将共混物或其它材料的组合在从汇合区域合12到排放到容器中的点期间保持高于大气压。
所述容器可以是任何适当大小、几何形状、构型、数目等。容器的容积可为几立方厘米至至少铁路油罐车那样大小。如本领域所熟知，容器可具有脆弱封口或可重新密封的封口，并且可由任何适于容纳根据本发明组合的材料的材料制成。
汇合区域12的终点也可定义为获得显著的均一性并且不同的材料的附加混合不显著的点。该点可发生在排放到容器中之前。汇合区域12的长度被定义为从汇合区域12的起点到上述共用□的出口16的距离。汇合区域12的容积为长度乘以其内的汇合区域12的横截面积。汇合区域12与入口管14I和系统中的其它几何形相比可相对较短。
尽管显示了恒定横截面的汇合区域12，但应当认识到，本发明不受此限制。本发明可以是不同的横截面，如会聚、分开、圆筒形状、文氏管形状等。
如本文所用，主要材料是最终组合中的最大单一材料，并且是指任何占总组合物的大于33％，在另一个实施方案中甚至大于50％，并且甚至大于67％的材料。本文也设想了等同体积的多种主要材料和次要材料。与主要材料相反，次要材料是指任何一种可占总组合物的小于或等于50％，在另一个实施方案中10％，在另一个实施方案中小于5％，在另一个实施方案小于1％的材料。本发明也设想了等同和/或相对等同的比例和/或流量的多种材料。
用于供给主要材料的设备10可包括材料可流动通过的管道、导管、开口通道、或任何其它合适的设备10。尽管图示了圆形的管道，但本发明不受此限制。可以利用任何所需的横截面、常数或变量。
本文描述和要求保护的设备10和方法不需要动态混合槽。如本文所用，混合槽是指槽、桶、容器和反应器并且包括间歇式或连续搅拌系统，所述搅拌系统使用叶轮、射流混合喷嘴、再循环环路、气体过滤、或类似的搅拌装置来组合其内的材料。使用动态混合槽来迅速和准确地跟随和获得所需的流量可能较困难。这是因为材料在动态混合槽中被组合时，可能会发生流动停滞和中断。可能出现不同的流量比例，从而影响获得所需的产品配方。如果未获得所需的产品配方，产品将被浪费。此外，获得材料的混合和轴向分散所需的驻留时间需要能量并且可能难以获得次要材料的多重添加。
本文描述和要求保护的设备10可利用在线混合器。如本文所用，在线混合器是指如下混合装置：其不归因于宏观流动停滞，或防止发生连续流动通过具有在线混合器的设备10的部分。一种非限制性类型的在线混合器是例如超声或气穴类型的混合器。这样一种系统是Sonolator均一化系统，其可得自Sonic Corporation，Stratford，CT.。另一种非限制性类型的在线混合器是本领域已知的静态搅拌器，其公开于2001年2月13日授予Phallen等人的美国专利6,186,193 B1中和2003年4月22日授予Catalfamo等人的普通转让的美国专利6,550,960 B2中，2004年5月25日授予Pinyayev等人的6,740,281 B2中，2004年6月1日授予Jaffer等人的6,743,006 B2中，以及2004年9月21日授予Verbrugge的6,793,192 B2中。此外，如果需要，静态搅拌器或其它在线混合器可设置在一个或多个入口管14A内或汇合区域12的上游或与它们一起设置。另外，浪涌槽可用来提供被本文描述和要求保护的设备10和方法组合的材料的更恒定的流动。此外或作为另外一种选择，可利用一种Zanker板。
主要和/或次要材料可包括流体、典型地为液体，尽管也设想到了气体的主要材料和次要材料。液体包括悬浮液、乳液、浆液、气体和非气体材料、纯材料、材料的共混物等，它们均具有物质的液态。
可选地，至少一种主要材料和一种或多种次要材料可包括固体，如颗粒状的物质。颗粒状的材料可以任何已知的形式添加，这些形式包括但不限于2004年3月30日授予Kressin等人的普通转让的美国专利6,712,496 B2中公开的形式。
尽管本发明在下文中以泵20和伺服马达的非限制性、示例性术语进行了描述，但本发明不限于此并且可使用任何原动力或类似的用于供给主要材料和次要材料的装置。如本文所用，原动力是指用来提供能量，该能量继而用来将材料供给到汇合区域12的任何力，并且可包括但不限于电动马达、重力自流进料、人工进料、液压式进料、气动式进料等。
可将所述至少一种主要材料和/或至少一种次要材料从料斗、槽、贮存器、泵20(如容积式泵20)、或其它供给或来源供给到管道或其它供给装置，如本领域所知，并提供用于定量此种材料的所需的准确性。主要材料和/或次要材料可通过泵20、螺旋喂送、或任何其它合适的装置来供给。
用于提供主要材料和/或次要材料的设备10可包括多个容积式泵20。每个泵20可用联合的马达如AC马达或伺服马达来驱动。每个伺服马达可指定用于单个泵20或任选地可驱动多个泵20。这种安排消除了本领域使用的流量控制阀、流量计和联合的流量控制反馈回路的必要。
如本文所用，流量控制阀是指这样一种阀门：其定量用来允许特定量和流量的材料由其通过并用于调节实际流量。流量控制阀不包括允许本发明的方法来定性启动或停止的开关阀门。
参见图9，其示出了根据现有技术的示例性流量控制反馈回路。流量控制反馈回路将流量设定值或命令信号与实测的流量相比较。进行减法运算来确定错误。所述错误继而用来调节或纠正速度驱动控制。速度驱动控制与可操作地连接至泵20的马达相关联，从泵测得实际流量。该系统具有以下缺点：系统响应可能受流量计的准确率和响应时间的控制和约束。
参见图10，其示出了根据本发明的非限制性、示例性马达控制回路。这种马达控制回路可能包括或不包括前馈回路和/或后馈回路，只要在没有利用适当的前馈回路的情况下，控制系统在位置控制或速度控制方面不具有零增益。
如果需要，马达控制回路可包括嵌套的控制回路。这些回路的最里面可以是扭矩控制反馈回路，其显示为同时标识扭距和电流的单个框。扭矩命令输入给扭矩控制器。扭矩控制将扭矩命令转换成等量电流命令，该命令被输入给马达的电流控制器。电流控制器继而将电流反馈提供给电流控制器。然而，可利用扭矩控制，因为认识到扭矩和电流之间具有数学关系，这可以使用计数器来确定。扭矩控制回路可由速度控制反馈回路围绕，该速度控制反馈回路继而可由位置控制反馈回路围绕。用于速度和/或加速度的速度反馈控制回路、位置反馈控制回路和/或前馈路径对于本发明是可选的功能。速度和加速度反馈回路可利用各自增益Kvff和Kaff，如图所示。
可取马达位置相对于时间的导数以得出马达速度，或者相反，可求速度反馈相对于时间的积分以得出马达位置。马达位置控制回路可使用马达位置命令信号并将该设定值或命令信号与马达位置反馈比较以计算位置错误。速度设定值可使用位置控制器从位置错误衍生。
速度设定值可与实际马达速度比较来确定速度错误。可使用已知的技术用该速度错误来调节马达的实际速度。然后可将马达速度与泵20输出相关联，如本领域所知。
可选地，所述位置设定值可具有相对于时间获取的其导数以得出前馈速度。前馈速度可输入给速度设定值并与位置回路控制的输出联合使用以生成速度回路命令信号。前馈速度也可使用而不考虑位置回路控制信号，以便生成速度回路命令信号。可选地，前馈速度可具有其所取的导数以得出前馈加速度。同样，前馈加速度可与速度回路控制器的输出联合使用或不联合使用，以确定马达的加速度特征，其于发送给马达的扭矩命令信号成比例。
主要材料和次要材料的设定值可作为总体积设定值的分数或百分比或命令信号生成。可定义总体积设定值的流量、流量、和/或流量改变的时间速率。
尽管上述讨论设计基于马达位置的马达控制回路，但技术人员将认识到本发明不受此限制。马达控制回路可基于马达位置、马达速度、马达加速度、马达电流、马达电压、扭矩等。这样一种控制系统和方法可用来限定总设定值的扭矩/电流、位置、速度和/或加速度，条件是流量与扭矩/电流/位置/速度/加速度之间有一种直接的关系，如本发明的情况。主要材料和次要材料的设定值可作为命令位置和/或速度和/或扭矩设定值被输入给单独的原动力系统。
可将马达位置设定值或命令信号发送给一个或多个伺服马达。根据本发明，所有主要材料和次要材料可通过这种伺服马达一致驱动，每个伺服马达可与一个或多个泵20连接。除了泵20/伺服马达组合之外或将其取代，普通技术人员可使用变频调速来变化供应给AC马达驱动的泵20的电压。作为另外一种选择或除此之外，泵20输出可使用不同的其它装置来改变，如本领域所知。例如，要改变对于某个马达的泵20的输出，可以使用机械变速/可调速的传动、多速变速箱、和/或液压式可调速传动。
这种安排提供了以下有益效果：一些或所有主要材料和次要材料的流量可一致地升高或降低而不需要共同的传动或流量控制阀，从而提供对于所有材料的最终共混物的所需配方的最大忠实性。因此，如果希望步骤变更，升高或降低的变更，或甚至一种或多种流量的启动/停止，该过渡可比发明人所知的现有技术更迅速地适应。因此，主要材料和次要材料的比例保持在所希望的配方的相对紧密度容限内而没有不适当地中断或不适当地降低可用于生生产量的流量。
如上所述，该安排提供以下有益效果：没有必要具有控制回路来直接监测流量。相反，用于主要材料和次要材料的流量可由对于泵20在给定流体粘度、泵20的类型、以及入口/出口压差下的特性的了解来确定。基于所需的流量，泵20补偿算法可用来获得准确的流量递送而不需要直接的流量测量。直接流量测量可由于在使用仪器、系统滞后方面内在的限制而在高速瞬时响应期间产生延迟和不准确性。
泵20可被驱动至其所需的旋转速度，取决于泵20容量，包括任何马达或泵20滑动系数以说明泵20以小于100％的效率工作。如果需要，根据本发明的设备10和方法可监测马达转轴的扭矩、位置、速度和/或加速度。
因此，根据本发明的设备10和方法可能没有流量反馈回路来补偿流量的变化，或者甚至没有流量计来监测主要材料或次要材料的添加和/或添加速率，例如当它们被添加到汇合区域12时。这样一种控制系统提供对于所需的(即，命令的)响应的相对高度的忠实度。
本文要求保护的设备10和方法可由本领域已知的命令信号来控制。命令信号可被认为是一个动态的设定值，并且是每种材料在给定时间点的材料添加速率。命令信号可从计算机如PLC发送。来自PLC的信号可发送至马达驱动系统。PLC和驱动系统对于所考虑的系统可以是内置的或外置的。
如果需要，每个马达可具有指定的驱动控制器。命令信号从计算机发送至少驱动控制器，然后发送至马达，该马达可以是伺服马达。当然，技术人员将认识到，可使用用于添加材料的其它设备10和方法并且命令信号从控制器发送至用于材料添加的该设备10或装置。在收到命令信号时，伺服马达加速或减速到适合于其相关的泵20或用于材料添加的其它设备10或装置的指定转速。材料添加速率因此从命令信号控制。
本发明考虑两种类型的跟踪错误。跟踪错误是命令信号值和工艺变量之间的差异。第一个是在给定的每单位时间内传送的材料体积下的瞬时跟踪错误。瞬时误差测定在特定时间点任何工艺变量和命令信号之间的差异。
第二跟踪错误可考虑累积误差。所述累积误差是在整个指定的时间段内每种所考虑的材料的每个瞬时误差的总合并且以体积测量。所考虑的时间段将取决于瞬时现象的长度。
参见图3和4，所示的跟踪错误是命令信号和反馈程序变量之间的差异。在图3中，具体的反馈程序变量为了基准的目的由流量计测得的实际流量。然而，根据本发明，流量计对于生产材料组合、混合物或共混物而言不是必需的。
图3具体显示了根据现有技术的一种系统的性能。该系统具有标称直径为5.1cm的管道。使用得自Fisher Controls(位于Emerson，St.Louis，Missouri的分公司)的流量控制球形阀来控制流量。所述阀由Allen-Bradley ControLogix 1756-5550控制器控制。控制器基于实测的流量将信号传送给控制阀。流量使用同样得自Emerson的具有RFT 9739发射器的Micro Motion CMF100 ELITE质量流量计测量。系统使用压力为大约1MPa(10巴)的水作为对阶跃输入的响应。从图3可看出系统花费了大约40秒钟才达到稳态状况。
图4显示使用控制阀对于阶跃输入的理想理论响应。命令信号显示阶跃输入。所述响应根据以下公式计算：g(t)＝1-e-t/τ使用一秒时间t常数(τ)。即使在这种有利的理论条件下，图4显示可能需要大约四个时间常数，因此在该例子中四秒钟，才能达到稳态状况。
图4还显示，对于阶跃输入，根据本发明的稳态状况可在小于0.1秒内达到。图4的根据本发明的系统利用来自从通过Sercos 1756-M16SE通讯卡通讯的Allen Bradley ControlLogix 1756-L61处理器到用于次要材料的Allen Bradley Kinetix 6000驱动系统的命令信号。次要材料(一种染料溶液)由可得自Colfax Pump Group，Monroe，NC的Zenith C-9000泵供给并且由Allen Bradley MPF-B330P伺服马达驱动。伺服马达具有指定的Sercos Rack K6000传动。伺服马达和泵20通过可得自Alpha Gear of Alpha Gear Drives，Inc.(位于Elk GroveVillage，IL.)的Alpha Gear SP+传动。
如图3至4所示，在现有技术中，使用步骤变更或剧烈升高变更难以实现低跟踪错误和材料的相对恒定的比例。这是因为并非所有的阀门、致动器等都能够在这些急速变更条件下同时、同步和以相同的比例响应。然而，在本发明的情况下和在没有阀门、尤其是流量控制阀、动态混合槽、相关滞后等的情况下，可获得对于命令信号的更大忠实性。
一种可考虑的过渡是从流动开始或流量命令改变的开始到实现稳态操作的点。这样一种过渡示于图5至6中。图5至6使用根据本发明的系统生成。该系统具有水平设置的、5.1cm直径的汇合区域12，该汇合区域具有恒定的横截面。汇合区域12具有八个入口14I，其中每个入口都具有3mm的内径，设置在1.5cm的直径上，如图1至2所示，尽管本实例仅仅使用两个入口14I。
主要材料包括液体肥皂混合物。第一和第二次要材料包括两种不同的染料溶液。将主要材料、第一次要材料和第二次要材料分别设定为所需的比例：98.75％，0.75％和0.5％。可根据已知的泵20补偿算法来调节发送给伺服马达控制的实际命令信号以解决共用泵20的低效和不规则性。
主要材料由可得自SPX Corp.，Delavan，WI的Waukesha UII-060泵供给并由Allen Bradley MPF-B540K伺服马达驱动。每种次要材料由可得自Colfax Pump Group，Monroe，NC的Zenith C-9000泵供给并且由Allen Bradley MPF-B330P伺服马达驱动。每个伺服马达具有指定的Sercos Rack K6000传动并通过可得自Alpha Gear of Alpha GearDrives，Inc.(位于Elk Grove Village，IL)的Alpha Gear SP+传动连接。系统分别由通过Sercos 1756-M16SE通讯卡通讯的AllenBradley ControlLogix 1756-L61处理器到用于主要材料和次要材料的Allen Bradley Ultra 3000或Allen Bradley Kinetix 6000驱动系统控制。
可得自Sulzer的第十四元件SMX静态搅拌器设置在汇合区域12的起点的大约一毫米内。第十二元件SMX静态搅拌器设置在第一静态搅拌器的下游的大约46cm处。在第二静态搅拌器之后，既认为材料被充分混合。
如图5至6所示，本发明可用于以下过渡中，所述过渡具有不同的增长流量、不同的降低流量、或具有在不同恒速下的稳态操作。图5中所示的曲线可分为三个大致不同的线段。所述曲线的第一段是上升，其中每种材料的流量从零增加至每种材料的预定值。所述曲线的第二段是稳态流，其中所述流量相对保持恒定并可用于生产量。所述曲线的第三段显示从稳态流量到较不稳定流量的下降。在衰退的情况下，较少的流量可能是零，或者其可以是仅仅小于曲线的其他部分中显示的流量的流量。在这些曲线的所有三个段中，每种材料与进料中的所有材料的总共混物的比例基本上保持恒定。
在一个实施方案中，命令信号可以用于过渡以从没有流动或零流动信号到在单一过渡中百分之百满标度流动的信号，尽管也可利用小于百分之百的稳态流量。可命令过渡在不超过2秒，不超过一秒，不超过半秒或更短时间内发生。在这种过渡期间，根据本发明，每种主要材料或次要材料，即第一、第二、第三至第n种材料在整个过渡期间可保持在实测的满标度流动的±10％、5％、3％或1％内。该百分比可基于瞬时误差，如下文所述。
当然，普通技术人员将认识到，本发明不限于具有三种不同流量的过渡。从第一稳态流动的过渡可大于或小于稳态流量。可根据需要使用多重过渡，相等或不等的时间段、上升等的任何组合、图案的增加和降低。
根据本发明，所述至少一种第一材料和至少一种第二材料以大致恒定的比例发生，即，在整个稳态操作时间段内以相对恒定的流量进入到汇合区域12内。同样，也在整个过渡流量时间段内保持基本上恒定的比例。基本上恒定的比例既在流量增加时保持也在流量降低时保持，只要流量大雨接近零、非平凡的值。
尽管图5至6显示了在整个过渡区域的一阶、线性变化率，但本发明不限于此。可利用二阶、三阶等变化率，只要保持基本上恒定的比例。仅有必要控制泵20或其它原动力，使得大致恒定的比例关系被保持。尽管可能很容易地设想、利用线性变化速率更容易地执行和编程恒定比例，技术人员将认识到，也有其它选项可用来在整个过渡期间保持恒定比例。
再次参见图3至4的系统并如表1(其列出了图4中所示的数据)所示，根据现有技术的瞬时误差在整个过渡期间降低。然而，该错误从没有在5秒的时间段内达到本发明的相对低值，如表1所示。表1也示出了既用于现有技术也用于本发明的累积误差。
表1
Figure S2006800381026D00141
图7示出，瞬时误差可通过一阶指数公式来近似计算：
IE＝A*M*exp(-t/τ)
其中IE是每单位时间体积的瞬时误差，并且
A是设定值变化的量值，规一化为一来用于本发明。
M是振幅的系数，其将振幅的值从规一化为一的设定值量值降低为从0到1，或从0.1到1，或从0.2到1，或从0.3到1，或从0.4到1，或从0.5到1(根据需要)的任何值，
t是以秒为单位的瞬间时间，
τ是以秒为单位的时间常数。
该近似计算尤其适用于现有技术过渡，该过渡持续最多1秒，2秒，3秒，4秒，和甚至5秒。所考虑的系数、时间常数和时间段的示例性的、非限制性组合如表2所述。
表2
  M   Tau   t(秒)
  0.5   1.0   0-0.5*τ
  0.5   0.75   0-1.33*τ0-1*τ0-0.5*τ
  0.5   0.5   0-3*τ0-2*τ0-1*τ
  0.5   0.25   0-8*τ0-4*τ0-2*τ
  0.25   1.0   0-1.5*τ0-1*τ
  0.25   0.75   0-2*τ0-1*τ
  0.25   0.5   0--3*τ0-1.5*τ
  0.25   0.25   0-4*τ0--2*τ
图7还显示，本发明可通过跟踪下列示例的不平等所提供的瞬时误差，尽管可利用表2中所示的任何组合。
IE＜A*M*exp(-t/τ)，对于值M＝0.5，τ＝1，从时间t＝0到0.5*τ估算，或更具体地讲
IE＜A*M*exp(-t/τ)，对于值M＝0.5，τ＝0.5，t从0到3.0*τ估算，或更具体地讲
IE＜A*M*exp(-t/τ)，对于值M＝0.25，τ＝1.0，t从0到1.5*τ估算。
可求得瞬时误差在所需要的时间段内的积分以根据下面的公式得到该时间段的累积误差
CE = ∫ t 1 t 2 IEd ( t )
其中CE是累积误差，
t1为起始时间并在衰退的情况下设定为0，和
t2为所考虑的时间段的结束。
图8示出根据现有技术的累积误差可用以下公式计算近似值
CEk＝(0.5*(IEk-1+IEk)*ΔT)+CEk-1
其中CE为体积的累积误差，
k为具体离散时间段的标号，
ΔT为以秒为单位的离散时间取样和时间段，和
IE保持如前所定义。
然而，技术人员将认识到，随着时间朝着稳态流动继续，瞬时误差接近零。由于累积误差取决于瞬时误差，因此当瞬时误差接近零时，累积误差不会显著增加。普通技术人员将认识到，表2中所示的值的任何组合可用于本发明，因此本发明不限于对于瞬时误差或相关累积误差的不平等。
如果需要，可将活塞泵用于本发明。活塞泵可为某些流体提供更大的灵活性并且可具有脉动输出，所述流体可用于本发明，所述脉动输出提供流量的重复性波动。如果需要，可对伺服马达进行编程以具有与实际泵输出的负重叠，使得通过使用马达的凸轮系统来抑制波动，如本领域所知。这提供了以下优点：在活塞泵的下游系统中将不需要阻尼器。阻尼器可增添滞后或其他不可取的影响，本发明避免了这些影响。
呈现了本发明的一个可供选择的实施方案。在该实施方案中，使产品流的一个小部分(其可以是少数部分)转向。产品的转向部分可具有所需的最终产品的所有材料。作为另外一种选择，转向的少数部分可能缺少一种或多种材料。
产品流的转向的少数部分可具有使用本文公开的设备10和方法添加的至少一种材料。可将次要材料添加到位于超声变幅杆、静态搅拌器的上游处的转向流中。所述流的该部分然后可用作中间体或最终产品。如此完成的少数部分然后被排放到容器中以用于最终用途。
所述流的多数部分可继续不减弱地通过该过程，而无需进一步添加次要材料并且无需转向。作为另外一种选择，可将附加的次要材料添加到产品流的主要部分中。产品流的主要部分然后被送到容器中以用于最终用途，如上所述。
该安排提供以下有益效果：可同时完成主要产品和次要产品的平行制造。例如，产品的主要部分可包括第一染料、香料、添加剂等。可将产品流的较不流行或较少使用的次要部分转向并具有第二染料、香料、或最终产品中包括的其他添加剂。作为另外一种选择，该安排提供以下有益效果：可生产产品的主要部分而不使用特定的染料、香料、添加剂等，同时所需的染料、香料或其他添加剂包括在少数产品的转向的流中，反之亦然。该安排提供以下有益效果：可以任何所需的比例来生产两种产品，而没有代价昂贵的停机、清洁等。
当然，技术人员将认识到，可转向不止单一少数产品流。可转向多种少数流，每种流在使用或不使用具体和其他添加剂的情况下生产相对小量的最终产品。该安排为制造工艺提供灵活性，所述制造工艺用于生产大的或多数第一量的材料的共混物和一种或多种较小、少数量的材料，所有这些都不需要停机和清洁设备10及相关系统。
在发明详述中所有引用文献的相关部分均以引用的方式并入本文。任何文献的引用并不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。当本书面文献中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文献中的术语的任何含义或定义冲突时，将以赋予本书面文献中的术语的含义或定义为准。
尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许多其它的变化和修改。因此，有意识地在附加的权利要求书中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (3)

1.一种可用于共混多种材料的控制系统，所述控制系统包括：
位置控制器，所述位置控制器被构造成能够接收位置设定值并将所述位置设定值转换为速度设定值；
速度控制器，其被构造成能够接收所述速度设定值并将所述速度设定值转换为马达控制设定值；和
马达控制器，其被构造成能够接收所述马达控制设定值并将所述马达控制设定值转换为命令信号，所述命令信号控制马达的速度，其特征在于所述控制系统可被操作来将多种材料以预定比率共混而无需测量以所述比率共混的所述多种材料中的任何一种的流量。
2.如权利要求1所述的控制系统，所述控制系统还包括用于接收所述命令信号的马达，所述马达与泵可操作地联合，其特征在于所述马达在操作期间具有马达速度，并且所述的控制系统还包括第一加法器，所述加法器接收所述马达速度和所述速度设定值，所述第一加法器能够识别其间的速度误差，所述速度误差可由所述速度控制器接收，由此所述速度控制器可基于所述速度误差来调节所述马达控制设定值。
3.如权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于还包括第一前馈回路，所述第一前馈回路取所述位置相对于时间的导数，从而得出速度前馈命令，所述速度前馈命令和所述速度设定值可由第一加法器接收，所述第一加法器能够识别其间的速度误差并将所述速度误差提供给所述速度控制器。
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