DE4434294A1 - Verfahren zur Steuerung eines nichtlinearen, technischen Prozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines nichtlinearen, technischen Prozesses mit einer Vielzahl miteinander verkoppelter Prozeßvariablen und langen Verzugszeiten mit Optimierung einer oder mehrerer seiner Ausgangsgrößen in verschiedenen Arbeitspunkten.

Wegen der langen Verzugszeiten ist es sehr langwierig, nach jedem Arbeitspunktwechsel den stationären Zustand des Prozesses abzuwarten, um anschließend im Arbeitspunkt vorgebbare Ausgangsgrößen des Prozesses zu optimieren. Darüber hinaus können Instabilitäten auftreten, die den Prozeß zum Abbruch führen oder gefährliche Zustände hervorrufen. Zur Vorausbestimmung der Prozeßparameter ist bekannt, den Prozeß in einem Modell zu beschreiben, das die Eigenschaften des Prozesses nachbildet.

Zur Steuerung derartiger Prozesse ist es aus "Rechnergestützte Optimierung statischer und dynamischer Systeme", Heinrich G. Jacob, Fachberichte Messen/Steuern/Regeln. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, New York, 1982 bekannt, ein statisches Modell des Prozesses vorzusehen, das das Verhalten des Prozesses in allen Arbeitspunkten exakt nachbildet. Bei einem Arbeitspunktwechsel werden die neuen, den Arbeitspunkt beschreibenden Parameter vorgegeben und mit Hilfe des Modells die zugehörigen Sollwerte ermittelt, die als Führungsgrößen an den Regelkreisen des Prozesses eingestellt werden.

Die Erstellung eines derart exakten Modells ist sehr aufwendig und darüber hinaus explizit an eine fest vorgegebene, dem Prozeß unterlagerte Anlagenstruktur, Anlagenausstattung und Dimensionierung gebunden. Jede Änderung in der Anlage beeinflußt deren Verhalten und ist demzufolge in dem exakten Modell zu berücksichtigen. Insbesondere für Unikate und sich in fortschreibender Entwicklung befindlicher Anlagen und darauf ablaufender Prozesse ist die Erstellung eines exakten statischen Modells ungeeignet.

Bekannterweise ist es demgegenüber vergleichsweise einfach für einen auf einer gegebenen Anlage ablaufenden Prozeß ein Modell anzugeben, das den Prozeß nur näherungsweise beschreibt. Dabei sind jedoch die über das Modell ermittelten Sollwerte so ungenau wie das Modell, so daß einerseits vorgegebene Arbeitspunkte nicht erreicht werden können und andererseits die Gefahr von Instabilitäten besteht, weil durch das ungenaue Modell Sollwerte eingestellt werden können, die einen Arbeitspunkt jenseits der Stabilitätsgrenze beschreiben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Prozesses anzugeben, das trotz der Verwendung eines ungenauen Modells geeignet ist, in verschiedenen, vorgebbaren Arbeitspunkten eine oder mehrere Ausgangsgrößen zu optimieren und Instabilitäten des Prozesses vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel einer Meerwasserentsalzungsanlage näher erläutert. Die dazu erforderlichen Figuren zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meerwasserentsalzungsanlage

Fig. 2 ein Wirkschaltbild einer Steuerung.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Bestandteile einer Meerwasserentsalzungsanlage schematisch dargestellt, die im wesentlichen aus den Bestandteilen Wärmerückgewinnungssektion 100 und Kühlsektion 200 besteht. Die Wärmerückgewinnungssektion 100 besteht aus n Stufen die als Kammern 110 bis 11n dargestellt sind. In jeder der Kammern 110 bis 11n ist jeweils ein Kondensator 120 bis 12n und ein Auffangbehälter 130 bis 13n angeordnet. Die einzelnen Kammern 110 bis 11n sind im Bodenbereich über jeweils einen Durchlaß 141 bis 14n miteinander verbunden. Die Kondensatoren 120 bis 12n und die Auffangbehälter 130 bis 13n der Kammern 110 bis 11 n sind jeweils in Kette geschaltet. In ausgeführten Meerwasserentsalzungsanlagen beträgt die Anzahl n der Kammern üblicherweise 10n50.

Die Kühlsektion 200 ist in Kammern 210 bis 212 eingeteilt, die jeweils mit einem Kondensator 220 bis 222 und einem Auffangbehälter 230 bis 232 ausgestattet sind. Die Kammern 210 bis 212 sind jeweils im Bodenbereich über Durchlässe 241 und 242 miteinander verbunden. Die Kondensatoren 220 bis 222 und die Auffangbehälter 230 bis 232 in den Kammern 210 bis 212 der Kühlsektion 200 und die Auffangbehälter 230 bis 232 sind jeweils in Kette geschaltet.

Das Meerwasser wird der Meerwasserentsalzungsanlage in einem offenen Kreislauf zunächst als Kühlwasser am Kühlwasserzufluß 401 zugeführt und fließt durch die Kondensatoren 220 bis 222 der Kühlsektion 200. Der größte Teil des Meerwassers fließt über den Kühlwasserabfluß 402 zurück ins Meer. Zur Realisierung eines geschlossenen Kühlkreislaufes ist die Kühlwasserpumpe 400 vorgesehen. Der zu entsalzende Teil des Meerwassers wird dem Kühlkreislauf nach dem Kondensator 220 vorgewärmt entnommen und in den Konditionierer 600 geleitet. Im Konditionierer 600 wird das vorgewärmte Meerwasser entgast und von groben Verunreinigungen befreit. Das entsprechend konditionierte Meerwasser wird vor der Rezirkulationspumpe 500 in die zirkulierende Salzlake eingespeist. Die Salzlake wird von der Rezirkulationspumpe 500 zunächst durch die Kondensatoren 12n bis 120 der Kammern 11n bis 110 der Wärmerückgewinnungssektion 100 befördert, wobei der in den Kammern 11n bis 110 befindliche Dampf an den Kondensatoren 12n bis 120 kondensiert und dabei die durch die Kondensatoren 12n bis 120 strömende Salzlake zunehmend erwärmt. Die aus dem Kondensator 120 der ersten Kammer 110 ausströmende vorgewärmte Salzlake wird in in einem Wärmetauscher 900 auf Siedetemperatur erhitzt. Der Wärmetauscher 900 wird von einer Wärmequelle 800 gespeist, die als wärmeelektrisches Kraftwerk ausgeführt sein kann, wobei die Kraftwerksabwärme zur Erhitzung der Lake benutzt wird.

Die erhitzte Salzlake strömt in die erste Kammer 110 der Wärmerückgewinnungssektion 100, in der sie teilweise verdampft. Durch die Durchlässe 141 bis 14n gelangt die Salzlake in alle weiteren Kammern 111 bis 11n der Wärmerückgewinnungssektion. Aus der letzten Kammer 11n der Wärmerückgewinnungssektion 100 gelangt die Salzlake in die erste Kammer 210 der Kühlsektion 200 und über die Durchlässe 241 und 242 in die Kammern 212 und 213 der Kühlsektion 200. Aus der dritten Kammer 212 der Kühlsektion 200 wird die Salzlake mit der Rezirkulationspumpe 500 abgesaugt.

Infolge der Sogwirkung der Rezirkulationspumpe 500 besteht zwischen zwei benachbarten Kammern der Wärmerückgewinnungssektion 100 und der Kühlsektion 200 jeweils eine Druckdifferenz, wobei in der ersten Kammer 110 der Wärmerückgewinnungssektion 100 der höchste Druck und in der letzten Kammer 212 der Kühlsektion 200 der niedrigste Druck besteht. Infolge der Druckdifferenzen verdampft in jeder der Kammern 110 bis 11 n der Wärmerückgewinnungssektion und der Kammern 210 bis 212 der Kühlsektion ein Teil der Lake, und der Rest kühlt sich bis auf die Sättigungstemperatur ab. Dabei steigt der Salzgehalt der Lake von Kammer zu Kammer und erreicht sein Maximum in der letzten Kammer 212 der Kühlsektion 200. Aus dieser Kammer wird ein vorgegebener Teil der Lake mit der Lakenpumpe 700 abgepumpt.

Das sich an den Kondensatoren 120 bis 12n und 220 bis 222 abscheidende Destillat wird in den Auffangbehältern 130 bis 13n in der Wärmerückgewinnungssektion 100 und den Auffangbehältern 230 bis 232 in der Kühlsektion 200 gesammelt und mit der Destillatpumpe 300 abgepumpt. Dazu ist der letzte Auffangbehälter 13n der Wärmerückgewinnungssektion 100 mit dem ersten Auffangbehälter 230 der Kühlsektion 200 verbunden.

Zum bestimmungsgemäßen Gebrauch der Anlage ist die korrekte Beeinflussung einer Vielzahl von Prozeßvariablen, die miteinander verkoppelt sind, bedeutsam. Zu diesen Prozeßvariablen gehören beispielsweise der Druck, die Temperatur und das Volumen der Lake in jeder der Kammern 110 bis 11n und 210 bis 212 der Wärmerückgewinnungssektion 100 und der Kühlsektion 200. Es ist offensichtlich, daß beispielsweise der Druck und der Lakenspiegel in der Kammer 212 der Kühlsektion 200 abhängig sind von den Drücken, den Temperaturen und den Lakespiegeln in den benachbarten Kammern 210 und 212 und vom Fördervolumen der Rezirkulationspumpe 500. Darüber hinaus ändern sich die genannten Parameter in der Kammer 211 auf eine Änderung des Fördervolumens der Rezikulationspumpe 500 erst nach einer anlagenspezifischen Verzugszeit. Unter Verzugszeit im Sinne dieser Beschreibung ist zu verstehen, daß sich die Prozeßvariablen nach einer Sollwertänderung zunächst kaum ändern, nach Ablauf einer objektspezifischen, meßbaren Zeit verzögert jedoch proportional zur Sollwertänderung einstellen. Jede derartige Sollwertänderung ruft eine Kettenreaktion in den beteiligten Objekten hervor, so daß sich die Verzugszeiten von Kammer zu Kammer entsprechend ihrer prozessualen Lage in der Wärmerückgewinnungssektion 100 bzw. der Kühlsektion 200 unterscheiden. Dabei gilt allgemein, daß jeder Istwert eine Funktion der Prozeßparameter, der Sollwerte, weiterer Istwerte und der Zeit ist.

In einem derartigen Prozeß kann es vorgesehen sein, vorgebbare Prozeßgrößen gezielt zu beeinflussen. So kann beispielsweise vorgegeben sein, einen bestimmten Destillatstrom 301 bei maximalem Wirkungsgrad zu erzeugen oder eine zugeführte Wärmemenge 801 maximal auszunutzen. Jede dieser Vorgaben entspricht einem Arbeitspunkt des Prozesses.

Ein derartiger Prozeß wird gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Wirkschaltbild gesteuert. Dabei sind dem Prozeß 1100 Regler 1200 zugeordnet, mit denen aus tatsächlichen Sollwerten 1601 und tatsächlichen Istwerten 1101 Führungsgrößen 1201 ermittelt werden, mit denen prozessuale Stellglieder gemäß den vorgegebenen Sollwerten 1601 variiert werden.

Zur Steuerung des Prozesses ist ein Modell 1300 vorgesehen, das den Prozeß näherungsweise beschreibt. Das bedeutet, daß mit den Parametern des Modells qualitativ exakte und quantitativ annähernde Istwertänderungen auf vorgebbare Sollwertänderungen ermittelbar sind.

In einem ersten, nachstehend als Adaptierungsphase bezeichneten Intervall wird das Modell 1300 bei der in Fig. 2 dargestellten Stellung der Schalter 1701 bis 1703 mit vorgebbaren Sollwerten 1302 beaufschlagt, die gleich den tatsächlichen Sollwerten 1601 des Prozesses 1100 sind. Dabei wird der aktuelle Arbeitspunkt A_t zum Zeitpunkt t auf das Modell 1300 abgebildet. In Abhängigkeit von vorgegebenen Modellparametern 1401 generiert das Modell 1300 aus den vorgegebenen Sollwerten 1302 geschätzte Istwerte 1301, die in einem Adaptierer 1400 mit den tatsächlichen prozessualen Istwerten 1101 verglichen werden. Nach einem vorgebbaren numerischen Adaptierungsalgorithmus generiert der Adaptierer 1400 so lange neue Modellparameter 1401. bis die geschätzten Istwerte 1301 des Modells 1300 mit den tatsächlichen Istwerten 1101 des Prozesses 1100 zum aktuellen Arbeitspunkt A_t übereinstimmen. Die dabei gefundenen Modellparameter 1401 werden als Parametersatz P_t(A_t) im Modell 1300 hinterlegt. Das bedeutet, daß im aktuellen Arbeitspunkt A_t das Modell 1300 exakt mit dem Prozeß 1100 übereinstimmt.

Für jeden neu vorgegebenen Arbeitspunkt A_{t+ Δ t} wird in einem als Optimierungsphase bezeichneten Intervall mit dem aktuellen Parametersatz P_t(A_t) des Modells 1300 für den alten Arbeitspunkt A_t neue Sollwerte ermittelt. Dazu werden die Schalter 1701 bis 1703 in ihre alternative Stellung gebracht, so daß die geschätzten Istwerte 1301 des Modells 1300 Eingangsgrößen eines Optimierers 1500 sind, der optimierte Sollwerte 1501 aus dem Vergleich der Vorgaben 1502 und der geschätzten Istwerte 1301 ermittelt. Das Modell 1300 wird dabei mit den optimierten Sollwerten 1501 als vorgebbare Sollwerte 1302 beaufschlagt.

Während der Optimierungsphase generiert der Optimierer 1500 mit einem vorgegebenen numerischen Optimierungsalgorithmus so lange berechnete Sollwerte SB_t, die als optimierte Sollwerte 1501 ausgegeben werden, bis die berechneten Istwerte IB_t, die das Modell 1300 als geschätzte Istwerte 1301 an den Optimierer 1500 ausgibt, mit den Vorgaben 1502 des neuen Arbeitspunktes A_{t+ Δ t} übereinstimmt. Die für den Übereinstimmungsfall ermittelten optimierten Sollwerte 1501 werden während der folgenden Adaptionsphase an einen Speicher 1600 übertragen, der die optimierten Sollwerte 1501 während der folgenden Optimierungsphase als tatsächliche Sollwerte 1601 bereitstellt.

Bei Erreichen jedes neuen Arbeitspunktes A_{t+ Δ t} werden aus den eingestellten neuen Sollwerten S_{t+ Δ t}(A_t), die im neuen Arbeitspunkt A_{t+ Δ t} in Form der tatsächlichen Sollwerte 1601 gegeben sind und den sich einstellenden prozessualen Istwerten I_{t+ Δ t}(A_t), die als tatsächliche Istwerte 1101 verfügbar sind, mit Hilfe des Adaptierungsalgorithmus ein neuer Parametersatz P_{t+ Δ t}(A_{t+ Δ t}) des Modells 1300 durch Variation der Modellparameter 1401 bestimmt.

Vorteilhafterweise wird dabei erreicht, daß für einen gegebenen Arbeitspunkt A_t nach Ablauf der Adaptionsphase das Modell 1300 ein korrektes Abbild des Prozesses 1100 ist. Auf der Basis dieses nunmehr korrekten Modells 1300 werden die Prozeßparameter sukzessive über wechselweise Optimierungs- und Adaptionsphasen an die Vorgaben 1502 angepaßt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden bei jeder Überführung des Prozesses 1100 von einem gegebenen Arbeitspunkt A_t auf einen neu vorgegebenen Arbeitspunkt A_{t+ Δ t} Zwischenarbeitspunkte A_{t+ ϑ t} definiert, deren Summe die Gesamtarbeitspunktänderung darstellt. Für jeden Zwischenarbeitspunkt A_{t+ ϑ t} wird in einer Adaptionsphase ein neuer Parametersatz P_{t+ ϑ t}(A_{t+ ϑ t}) berechnet.

Bei Erreichen jedes neuen Zwischenarbeitspunktes A_{t+ ϑ t} werden aus dem aktuellen Parametersatz P_{t+ ϑ t}(A_{t+ j t}) mit dem Optimierer 1500 neue Sollwerte ST_{t+ ϑ t}(A_{t+ ϑ t}) für den Zwischenarbeitspunkt A_{t+ ϑ t} bestimmt. Dabei ist es zweckmäßig, die Sollwertdifferenzen zwischen zwei Arbeitspunkten zu limitieren. Dadurch wird erreicht, daß die Abweichungen des Modells 1300 vom Prozeß 1100 stets so klein bleiben, daß Instabilitäten des Prozesses sicher vermieden werden.

Bezugszeichenliste

100 Wärmerückgewinnungssektion
110 bis 11n Kammern
120 bis 12n Kondensator
130 bis 13n Auffangbehälter
141 bis 14n Durchlaß
200 Kühlsektion
210 bis 212 Kammern
220 bis 222 Kondensator
230 bis 232 Auffangbehälter
241 bis 242 Durchlaß
300 Destillatpumpe
301 Destillatstrom
400 Kühlwasserpumpe
401 Kühlwasserzufluß
402 Kühlwasserabfluß
500 Rezirkulationspumpe
600 Konditionierer
700 Lakenpumpe
800 Wärmequelle
801 zugeführte Wärmemenge
900 Wärmetauscher
901 Abwärme
1100 Prozeß
1101 tatsächliche Istwerte
1200 Regler
1201 Führungsgröße
1300 Modell
1301 geschätzter Istwert
1302 vorgebbare Sollwerte
1400 Adaptierer
1401 Modellparameter
1500 Optimierer
1501 optimierte Sollwerte
1502 Vorgaben
1600 Speicher
1601 tatsächliche Sollwerte
1701 bis 1703 Schalter

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung eines nichtlinearen, technischen Prozesses mit einer Vielzahl von Prozeßvariablen, die miteinander verkoppelt sind, und mit langen Verzugszeiten unter Optimierung einer oder mehrerer seiner Ausgangsgrößen in vorgebbaren Arbeitspunkten mit Hilfe eines Modells, das das Verhalten des Prozesses annähernd nachbildet, dadurch gekennzeichnet

• - daß in einem gegebenen, aktuellen Arbeitspunkt A_t zum Zeitpunkt t ein Parametersatz P_t(A_t) des Modells aus vorgegebenen Sollwerten S_t und prozessualen Istwerten I_t mit Hilfe eines vorgebbaren numerischen Adaptierungsalgorithmus bestimmt wird,
• - daß für jeden neu vorgegebenen Arbeitspunkt A_{t+ Δ t} mit dem aktuellen Parametersatz P_t(A_t) des Modells für den alten Arbeitspunktes A_t neue Sollwerte S_{t+ Δ t}(A_t) mit Hilfe eines vorgebbaren, numerischen Optimierungsalgorithmus voraus berechnet werden und
• - daß bei Erreichen des neuen Arbeitspunktes A_{t+ Δ t} aus den neuen Sollwerten S_{t+ Δ t}(A_t) und den sich einstellenden, prozessualen Istwerten I_{t+ Δ t}(A_t) mit Hilfe des Adaptierungsalgorithmus ein neuer Parametersatz P_{t+ Δ t}(A_{t+ Δ t}) des Modells für den neuen Arbeitspunkt A_{t+ Δ t} bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein neuer Parametersatz P_{t+ Δ t}(A_{t+ Δ t}) des Modells bestimmt wird, indem die Parameter des alten Parametersatzes P_t(A_t) durch den Adaptierungsalgorithmus solange variiert werden bis aus den eingestellten Sollwerten S_{t+ Δ t}(A_t) mit dem Modell berechnete Istwerte IB_t generiert werden, die den aktuellen Istwerten I_{t+ Δ t}(A_t) des Prozesses entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß neue Sollwerte S_{t+ Δ t}(A_t) bestimmt werden, indem mit dem aktuellen Parametersatz P_t(A_t) des Modells durch den Optimierungsalgorithmus solange berechnete Sollwerte SB_t generiert werden, bis die berechneten Istwerte IB_t des Modells mit den Vorgaben des neuen Arbeitspunktes A_{t+ Δ t} übereinstimmen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Überführung des Prozesses von einem gegebenen Arbeitspunkt A_t auf den neu vorgegebenen Arbeitspunkt A_{t+ Δ t} Zwischenarbeitspunkte A_{t+ ϑ t} definiert werden, deren Summe die Gesamtarbeitspunktänderung darstellt und daß für jeden Zwischenarbeitspunkt A_{t+ ϑ t} ein neuer Parametersatz P_{t+ ϑ t}(A_{t+ ϑ t}) berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen jedes neuen Zwischenarbeitspunkt A_{t+ ϑ t} aus dem aktuellen Parametersatz P_{t+ ϑ t}(A_{t+ ϑ t}) mit Hilfe des Optimierungsalgorithmus neue - Sollwerte S_{t+ ϑ}(A_{t+ ϑ t}) für den Zwischenarbeitspunkt A_{t+ ϑ t} bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertdifferenzen zwischen zwei Arbeitspunkten limitiert sind.