KR101094174B1

KR101094174B1 - 탐색 전략에 의한 국부 최적화 제어 방법 및 장치와 가스 분리, 특히 저온 공기 분리를 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101094174B1
Application number: KR1020040103434A
Authority: KR
Inventors: 울리히 에베르트
Original assignee: 린데 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2011-12-14
Also published as: EP1542102A1; KR20050056881A; DE502004009646D1; JP2005174334A; EP1542102B1; ATE434783T1; ES2328242T3; JP4611725B2

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 조작 변수, 제어 변수 및 각각의 경우에 시스템의 외부로부터 제어 변수로 작용하는 외란 변수를 가지는 공업 시스템의 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 제 1 물리-수학적 모델은 조작 변수와 제어 변수간의 관계를 설명하고, 제 2 물리-수학적 모델은 외란 변수와 제어 변수간의 관계를 설명하며, 현재 시간 t₀ 및 예측 시간 t_n간의 외란 변수의 향후 시간 과정(course)에 대한 예측, 조작 변수 및/또는 제어 변수에 대한 경계 조건들의 세트, 및 조작 변수에 대한 미리정의된 가능한 이산 변경들의 유한 갯수를 설명한다. 모든 예측 변화량들은 서로 다른 우선순위 값을 갖는다. 탐색 전략에 의해, 현재 시간 t₀ 및 예측 시간 t_n간의 조작된 변수와 제어된 변수의 향후 시간 과정은 경계조건을 만족하고 조작 변수에서 미리정의된 예측 변화량들을 우선순위 값들을 고려할 때 사용하는 것으로 결정된다. 상기 변경에 상응하며 탐색 전략내에서 결정되는 신호는 현재 시간 t₀에서 조작 변수에 출력된다.

Description

탐색 전략에 의한 국부 최적화 제어 방법 및 장치와 가스 분리, 특히 저온 공기 분리를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SUBOPTIMAL CONTROL BY MEANS OF A SEARCH STRATEGY, AND METHOD AND APPARATUS FOR GAS SEPARATION, IN PARTICULAR FOR LOW-TEMPERATURE AIR SEPARATION}

도 1은 본 발명에 따른 예측 생산량 제어 시스템의 예를 도시한다.

도 2는 체적 및 압력의 예측값들을 표시한다.

도 3은 실제 애플리케이션에서 본 발명에 따른 탐색 알고리즘의 과정에 대한 흐름도를 도시한다.

본 발명은 공업 시스템, 특히 가스 분리, 더 자세히는 저온 공기 분리 시스템의 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

제어 변수, 조작 변수, 및 상기 변수들 사이에서 수학적으로 작용하는 모델("제 1 모델")에 추가로, 상기 방법내에는 실제로 ("제 2 모델")로 공지된 방식에서 제어 변수에 작용하는 외란 변수가 제공된다.

용어들 "제어 변수", "조작 변수" 및 "외란 변수"는 본 명세서에서 일반적인 의미로 사용된다. 상기 변수들은 단일 파라미터뿐만 아니라 각 경우에 물리 파라미터들과 같은 둘 또는 그 이상의 파라미터들의 세트를 설명할 수 있다. 실제로, 모두 3개의 변수들의 경우에 빈번하게 단 하나의 파라미터를 고려하는 것이 충분하지만, 본 발명은 제어 변수, 조작 변수 및/또는 외란 변수가 하나 이상의 파라미터에 의해 형성되는 시스템에 용이하게 적용될 수 있다.

상기 제어 방법과 관련하여 결정된 조작 변수의 값은 기계적으로 동작하는 디바이스에 직접 전달될 수 있거나 또는 상기 제어 방법과 관련하여 결정되는 조작 변수의 적절한 값에 도달하기 위해 추가적인 물리 파라미터들을 조절하는 추가 제어 시스템으로의 제어 변수로서 아날로그 또는 디지털 신호 형태로 전달될 수 있다.

외란 변수와 관련하여, 적어도 시간에 따라 제안된 장래의 과정에 이용할 수 있는 정보가 존재한다. 실제로, 모든 외란 변수들이 시간에 따른 과정과 관련하여 예측되는 것은 불가능하다. 상기 정보가 완전히 부족한 시간들 또는 시간 간격들에 대하여 외란 변수들은 변경되지 않는 것으로 가정되며; 이러한 경우에 본 발명의 견지에서 "예측치(prediction)"은 일정한 과정을 가진다.

추가로, 시스템은 예를 들면 제어 변수의 허용된 값의 범위에 대한 경계 조건들의 세트, 조작 변수의 한계 조절 속도 및 최대 조절 속도 등을 포함한다.

종래의 제어 방법들 및 공지된 모델-지원 방법들(모델 예측 제어-MPC)은 일반적으로 외란 변수의 예측치로 나타나는 것과 같은 장래에 예측될 시스템 외부에서의 이벤트들에 관한 정보를 고려하지 않는다.

본 발명은 연속식으로 작동하는 공업 시스템의 특히 바람직한 동작을 수행하기 위해 시스템의 제어에 대한 이러한 정보들을 사용하는 기본적인 개념에 기초한다.

먼저, 상기 개념은 과거 및 현재에 관한 사용가능한 정보 외에, 장래에 대한 외란 변수의 예측치가 통합되는 최적화 문제이다. 이를 위해, 근본적으로 방정식들이 설정될 수 있고 수치적으로 계산될 수 있다. 그러나, 이를 위해 요구되는 계산의 노력은 상당하며, 추가로 시스템의 가동은 특정 상황에서 불안정하고 기술자에게 투명하지 못하다.

본 발명은 엄밀한 수학적인 의미에서 "최적인(optimal)" 제어 및/또는 조작 변수의 과정(course)이 다수의 공업 시스템들에서 필요하지 않다는 지식에 근거한다. 반대로, 엄밀한 의미의 최적화는 동작시 빈번한 변동을 초래하고, 이는 본질적으로 바람직하지 않다. 그러므로, 본 발명의 경우에, 의도적으로 제어 변수의 단지 국부 최적화 과정만을 목표로 한다. 조작 변수의 최적값이 탐색되는 것이 아니라, 미리정의된 한 세트의 경계 조건들에 지장을 주지 않는 수용 가능한 몇가지 시간 과정만이 탐색된다.

제어 변수의 이러한 국부 최적화의 장래 과정을 결정하기 위해, 제어 변수를 변화시키는 가능성들에 관한 간단화된 가정들이 미리 정의된 탐색 알고리즘을 이용한다. 이러한 가정들은 유한한 세트의 이산적인 예측 변화량들로 구성되며, 상기 세트의 각 엘리먼트(즉, 각각의 예측 변화량)에는 서로 다른 우선순위 값이 할당된다. 상기 예측 변화량들 및 그들의 우선순위 값들은 일반적으로 일정하지만; 원칙적으로 본 발명에 따른 방법은 예측 변화량들이 일정하지 않은 시변(time-variable) 파라미터들의 타입에 적용될 수 있다.

1차원 조작 변수의 경우에, 가장 간단한 경우의 예측 변화량들은 예를들면, 하기와 같은 3개의 값들에 의해 형성된다:

- 단위 시간당 조작 변수의 증가분 △+,

- 단위 시간당 조작 변수의 감소분 △- (예를 들면, △- = - △+), 및

- 값 0(일정한 조작 변수).

우선순위 값들은 예를 들면 긴급 조치(emergency measures)를 위한 기술적인 가능성들 범위 내에서 결정된다. 상기 긴급 조치들은 예측 변화량들의 이용 범위 내에서 제어 변수의 허용가능한 한계값이 침범될 우려가 있는 경우에 사용된다. 만약, 예를 들어, 상한값에 도달할 때 수행될 긴급 조치가 하한값이 침범될 우려가 있는 경우에 사용될 긴급조치보다 비용이 덜 든다면, 증가분 △+은 감소분 △-보다 더 높은 우선순위가 제공된다. 변화량 0은 최저 우선순위를 갖는다. 이는 하기와 같이 표로 설명될 수 있다:

예측 변화량 우선순위 값

△+ 2

△- 1

0 0

(이러한 예는 1차원 제어 변수에 관한 것이나, 다-차원의 변수들로 쉽게 전환될 수 있고, 이는 우선순위 결정이 임의의 경우에서 위의 정의된 방식의 2열 테이블로 복귀할 수 있기 때문이다.)

이처럼 예측 변화량들의 간단화된 기술은 탐색 알고리즘을 이용할 수 있게 한다. 탐색 알고리즘은 일반적으로 현재의 실제 시간과 동일한 시작 시점 t₀로부터 시작하여, 추후 시점 t_n, 즉 예측 구간(prediction horizon)까지의 조작 변수의 장래 과정을 결정한다. 이러한 탐색 동안, 외란 변수의 과정과 관련하여 시점 t₀에서 입수가능한 정보는 시간 주기 t₀ 부터 t_n까지 내에서 고려된다.

실제 제어를 위해, 제어 변수의 결정된 장래의 시간 과정의 초기값이 고려된다. 이러한 초기값은 디지털 또는 아날로그 신호로서 출력되거나 공업 시스템내에서 세팅된다.

실시간에서 다음 포인트를 위해, 전체 탐색 알고리즘이 반복된다. 상기 경우에, 조작 및 제어 변수들의 현재의 측정값들 및 외란 변수의 장래 시간 과정에 대한 업데이트된 예측치가 통합될 수 있다. 원칙적으로, 탐색 알고리즘의 적용이 갱신되는 동안 실시간에서 이전 포인트에서 결정된 제어 변수의 장래 과정의 결과가 고려될 수 있지만, 바람직하게 탐색 알고리즘은 단지 현재의 측정값들 및 외란 변수의 현재 예측치에 기초하여 새로운 예측 구간까지 완전히 새롭게 수행된다. 일반적으로 실시간과 예측 구간 사이의 시간 간격은 일정하게 유지될 것이지만, 본 발명에 따라 원칙적으로 상기 간격을 변경시키는 것이 가능하다.

탐색 알고리즘이 수행될 때, 현재 시점 t₀ 및 예측 시점 t_n 간의 간격은 이산의, 특히 동일한 간격의 시간 단계들 [t₀, t₁], [t₁, t₂] 내지 [t_n-1, t_n]로 분할되며, 각각의 중간 시점 t₁(i=1,...,n)에 대하여 제어 변수와 조작 변수의 값이 결정된다. 그러므로, 이러한 결과는 모든 변수들의 예측 과정(predicted course)이다. 제어 변수의 현재 시점에서의 조정 동안, 일반적으로 상기 예측의 첫번째 값만이 사용되지만, 조작 및/또는 제어 변수의 전체 장래의 과정은 가치있는 정보를 표시하며, 이러한 목적을 위해 그래프로 또는 숫자로 출력될 수 있다. 이는 특히 운영 인원(operating personnel) 또는 추가 제어 디바이스들이 장래 과정에 영향을 미칠 수 있는 경우에 바람직하다. 예를 들어, 만약 상기 방법이 시스템의 물리적인 한계들을 고려할 때 피할 수 없는 한계값 침범을 예측하다면, 경고 알람을 형성하여서 운영 인원에게 공지하고 적절한 조치들을 시작시킬 수 있다.

다수의 경우에, 공업 시스템은 제어 변수들에서 목표된 변경들을 즉시 수행할 수는 없고, 이를 위해 특정 유한 시간을 필요로 한다. 상기 동작은 제어 변수 변경의 시간적 거동에 대한 모델에 의해 설명되고 본 발명에 따른 탐색 알고리즘에서 고려될 수 있다.

외란 변수의 측정이 사용불가능하거나 측정이 부정확하면, 상기 모델은 외란 변수의 추정값 또는 측정 에러에 대한 추정치를 사용할 수 있다.

공업 시스템은 예를 들면, 가스 분리 시스템, 특히 저온 공기 분리 시스템을 가지는 가스 공급 디바이스에 의해 형성될 수 있다. 1차원 변수들의 가장 간단한 경우에, 조작 변수는 예를 들어 가스 분리시 생산되는 생산 유체의 체적 유량(volume flow)에 의해 형성되고, 제어 변수는 생산 유체의 저장기 내의 압력에 의해 형성되며, 외란 변수는 생산 유체의 소비시 변동량들에 의해 결정된다. 예를 들면, 저장기는 압력 라인(예를 들면, 파이프라인 시스템) 또는 전용 압력 저장기 또는 두가지 모두에 의해 형성될 수 있다.

본 발명 및 본 발명의 추가 설명들이 하기의 예시적인 실시예에서 더 상세히 설명될 것이며, 하기의 실시예는 공기 분리 플랜트의 생산량, 특히 저온 공기 분리 플랜트의 생산량 제어에 관련된다.

공기 분리기 자동화의 어려운 작업들은 플랜트들의 생산 속도들을 현재 소비량과 매칭시키고, 즉 소비량의 예측 과정이 고려되는 방식(파이프라인 추적 제어)으로 플랜트들을 구동시키는 제어 시스템을 포함한다. 하기에서 설명되는 방법은 생산 속도들의 국부 최적화 과정을 예측하는 수치 탐색 알고리즘에 기초한다. 이와 관련하여, 국부 최적화는 긴급 공급 시스템(emergency supply system)을 통한 공급 또는 생성물들의 방출이 가능하다면 피해지지만, 어떠한 추가적 최적화도, 예를 들어 생산 플랜트의 에너지 소모를 가장 낮게 할 수 있는 처리는 행하지 않는다는 효과로 이해되어져야 한다.

이론적인 배경

목적

공기 분리기는 체적유량 F_I("제어 변수")을 가지는 가스상태의 생성물을 파이프라인에 공급한다. 파이프라인에 접속되는 소비자의 전체 소비량을 F₀이라 한다. 파이프라인 내의 압력("조작 변수")이 장래 시점 t_n에서 계산되며, 다음과 같다:

심볼들은 하기와 같이 사용된다:

P_g 파이프라인에서 측정된 압력

P_p 파이프라인에서 예측된 압력

F_Ip 플랜트의 예측된 생산량

F_Op 예측된 전체 소비

F_err 체적 측정치에서의 계통적 에러

T_p 파이프라인 압력의 시간 상수

t 시간

t₀ 현재 시점

t_n 장래 시점

하기의 2차 부등식들과 같이 공식화될 수 있는 플랜트의 동작은 제한될 수 있으며, 즉, 플랜트의 생산량들 및 조절 속도가 제한된다:

플랜트를 동작시키는 목적은 미리정의된 한계치들내에서 파이프라인내의 압력을 유지하기 위한 것이다:

장래의 소비량들 F_Op(t)은 시간 급수적 예측치("외란 변수의 장래 시간 과정에 대한 예측치")로서 제공되고, 상기 예측치는 임의의 목표된 시점에서 정정할 수 있어야만 한다. 만약 체적 측정치에서의 계통적인 에러가 거의 일정하면, F_err는 하기와 같이 추정될 수 있다:

심볼들은 하기와 같이 사용된다:

P_g 파이프라인에서 측정된 압력

F_Ip 플랜트의 측정된 생산량

F_Op 측정된 전체 소비

F_err 체적 측정치에서의 계통적 에러

T_p 파이프라인 압력의 시간 상수

t 시간

t₀ 현재 시점

t_m 과거로부터의 시점

또한, 플랜트의 생산량이 조절될 수 있는 특징이 제공된다. 이는 정상적으로 로드 변경 프로그램 ALC을 기초로하는 1차의 지연이며, 하기의 미분 방정식을 갖는다:

심볼들은 하기와 같이 사용된다:

F_I 플랜트의 생산량

F_S 로드 변경 프로그램으로부터 목표된 체적

f_ALC(F_s) 일반적으로 1차 다항식인 ALC 함수

T_ALC(Fs/dt) ALC 프로그램의 시간 상수

ALC 프로그램의 시간 상수 T_1(Fs/dt)는 변경 방향에 따라 결정될 수 있다:

탐색되는 것은 미리결정된 한계들내에서 파이프라인 압력을 유지할 수 있는 장래 시간 과정 F_s이다.

시간-이산 형태로의 변환

전술된 문제를 해결하기 위해, 방정식들은 먼저 시간-이산 형태로 변환된다(오일러(Euler) 적분).

파이프라인 압력은:

체적 에러는:

ALC 특징은:

심볼들은 하기와 같이 사용된다:

P_s 파이프라인에서 측정된 압력

P_p 파이프라인에서 예측된 압력

F_Ip 플랜트의 예측된 생산량

F_Op 예측된 전체 소비량

F_err 체적 측정치에서의 계통적 에러

F_S 로드 변경 프로그램으로부터 목표된 체적

F'₁ ALC에 의해 계산된 체적

T_p 파이프라인 압력의 시간 상수

T_ALC ALC 로드 변경의 시간 상수

△t 샘플링 시간

i 시간 급수로부터의 지수들

n 예측 구간의 지수

m 평가 구간의 지수, m은 음수

0 현재 시점

최적화 문제

하기의 품질 기준이 최소가 되는 시간 급수 F_S(i)가 고려된다:

심볼들은 하기와 같이 사용된다.

P_S 압력 세트포인트

P_p 파이프라인의 예측된 압력

i 시간 급수로부터의 지수들

n 예측 구간

상기 2차 부등식들은 최소/최대량들 및 체적 기울기들과 관련하여 엄격(hard) 제한적이며(이는 엄격한 물리적 한계들임) 파이프라인 압력과 관련하여 완만(soft) 제한적이다. 제어 시스템이 파이프 라인의 압력 아래 위로 떨어지는 것을 방지할 수 없는 경우에 긴급 공급 또는 방출에 의해 파이프 라인의 압력 상하로 떨어지는 것이 방지될 수 있다.

지수 n는 예측 구간에 지정된다. 지수 m는 필터 구간 또는 평가 구간의 함수를 갖는다.

문제점: 종래의 최적화 방법들이 사용될 때, 극히 대다수의 파라미터들이 최적화되어야만 하며, 즉 시간 급수 F_S(i)의 값들이 최적화되어야만 한다. 하기에 제공된 하나의 해결책이 하기의 탐색 전략에 의해 제공되며, 이는 목표된 애플리케이션에 충분한 국부 최적화 해결을 제공한다.

탐색 전략

파이프라인내의 압력을 유지하는 문제를 해결하기 위해, 시간 급수 F_S(i)에 대한 최적의 해답을 발견하는 것은 실제로는 필요하지 않다. 허용된 한계들(제어 변수에 대한 경계 조건들)내에서 파이프라인 압력을 유지할 수 있는 임의의 시간 급수를 발견하는 것은 충분하다. 이는 탐색 알고리즘을 사용하여 해결될 수 있다. 프로세스에서, F_S(i+1)의 값들은 F_S(i)와 관련하여 변경되지 않거나 +/-△F_Smax에 의해 변경되며, 즉 +/-△F_S(i)는 0, +△F_Smax, 또는 -△F_Smax이다. 또한, 한방향으로의 변경은 상반되는 방향의 변경에 비해 우선순위를 가지는 것이 가정되며, 예를 들면, 생산량 증가는 감소에 비해 우선순위를 가지는데, 그 이유는 긴급 공급이 생산물을 방출하는 것보다 더 비용이 많이 들기 때문이다. 가능한 탐색 전략은 하기와 같다:

1. 압력이 한계값을 침범할 때까지 파이프라인 압력 P_p(i)의 장래 과정을 계산한다. 최소 한계 또는 최대 한계가 침범되었는지에 따라, 선행 시점에서의 F_S는 증가되거나 감소된다. 이러한 선행 시점이 탐색된다.

2. 시간 급수에서 k개의 간격들만큼 최대 현재 간격 0까지 되돌아간다. 간격들 k의 수는 ALC 로드(load) 변동의 시간 상수에 따라 결정된다. 그러나, 최소 또는 최대 한계들로 인해 F_S(i)의 추가 조절이 불가능한 시점에 도달하자마자 탐색은 중지된다. 탐색이 중지된 경우 단계 4에 의해 계속된다.

3. 만약 △F_S(i-n)이 이미 목표된 △F_S와 동일하면, 목표된 △F_S와 동일하지 않은 △F_S(i-n)이 발견될 때까지 최대 현재 간격 0까지 이전으로 추가로 되돌아간다.

4. (i-k)에서 시작하여 i가 △F_S와 동일하지 않은 가장 인접한 △F_S(i-j)일 때까지 간격(i-k)을 탐색한다. 만약 △F_S가 △F_S(i-j)와 상반되는 부호를 가지고 △F_S(i-j)가 △F_S에 비해 높은 우선순위를 가지면 이후 추가로 탐색한다.

5. 만약 시점 i까지 F_S의 어떤 조절도 불가능하다면, 다음 시점으로 이동하고 단계 1이 계속된다(즉, 생산 속도의 추가 조절이 불가능하다).

6. △F_S(i-j)를 △F_S로 교체하고 i=i-j로 세팅한다. 변경된 i를 고려하여 단계 1이 계속된다.

7. 완전한 시간 급수(i=1부터 n까지)가 계산될 때까지 상기 절차를 반복한다.

장래 생산 과정("조작 변수의 장래 시간 과정")에 대한 완전한 시간 급수의 계산은 각각의 시간 단계에서 재실행된다. 예측 소비량에서의 변화량들 및 측정 에러들은 결과적으로 즉시 고려된다. 예측된 시간 급수들로부터 오직 첫 번째 값, 즉 현재 시점에 대하여 요구되는 생산량 변경치가 사용된다. 시간 급수의 모든 장래 값들은 버리고 후속하는 시간 단계에서 재계산된다.

변경된 탐색 전략들에 의해, 예측 소비량들에서 불확실성들에 대항하기 위해 하기의 추가 특징들을 달성하는 것이 가능하다:

●한계값에 인접하게 남겨진 제어 변수를 회피하고 제어 변수(외란으로부터 임의의 영향이 없음)가 평균 세트포인트쪽으로 유도되는 상황을 달성하기 위해, 상기 계산에서 사용된 파이프라인 압력의 한계치들을 조작하는 것 및/또는 조작 변수의 변경들이 수행되는 시점을 조작하는 것이 가능하다.

●파이프라인 압력에 대하여 허용된 대역폭에 의해, 특정 한계치들 내에서 세트포인트 변경의 시점과 관련하여 변경들이 가능한다. 이러한 예측 변화량은 세트포인트 변경들의 우선순위를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를들면, 설명된 애플리케이션에서 세트포인트에서 증가를 가능한 빨리 실행하고 세트포인트에서 감소를 가능한 늦추는 것이 적절하며, 이는 파이프라인 압력을 가능하면 높게 유지하는 제어 동작을 유도한다.

본 발명의 목적은 적어도 하나의 조작 변수, 제어 변수 및 시스템의 외부로부터 제어 변수로 작용하는 외란 변수를 가지는 공업 시스템을 제어하는 데 있다.

도 1은 개시된 탐색 전략의 일반적인 애플리케이션 예를 도시한다. 저온 공기 분리 플랜트(LZA)는 파이프라인 네트워크에 생성물 GOX(가스형태의 산소)를 제공한다. 공기 분리 플랜트는 로드 변경을 위한 자동화 시스템(ALC-자동 로드 변경)에 의해 관리된다. LZA의 생산량과 파이프라인 네트워크내의 압력은 관련 측정 변수들로 사용가능하다. 가능한 경우에, 또다른 변수인 측정된 소비량이 사용될 수 있다. 만약 소비량의 측정치가 사용불가능하면, 이는 측정 에러 F_err에 대한 전술된 방정식에 의해 추정된다. (측정 에러에 대한 추정 방정식에서, 측정된 전체 소비량 F_0g는 이후 0으로 세팅되거나 추정된 전체 소비량으로 교체된다.)

생산량의 예측 제어는 하기의 내용에서 APA(자동 생산 적응화)로 지칭되는 개시된 탐색 알고리즘에 기초한다. 탐색 알고리즘은 프로세스 모델로서 압력 저장기 또는 파이프라인의 모델("제 2 모델") 및 ALC에 의해 관리되는 공기 분리기의 동작 모델("제 1 모델")을 포함한다. 따라서, APA의 관점에서, ALC-관리되는 분리기는 제어될 프로세스의 부분이다.

APA에 대한 입력 변수들은 파이프라인 압력 및 현재 생산량이다. 추가로, 소비량들의 예측치는 예를 들면 플랜트 운영자에 의해 사용될 수 있다. 상기 데이터를 기초로 하여, APA는 목표된 ALC 세트 포인트의 장래 과정을 계산한다. 상기 계산의 부차적 산출값은 예측된 소비량들이 유지되고 공기 분리기가 ALC 세트포인트들을 후속한다는 가정하에 파이프라인내의 압력 과정의 예측치이다.

매시간 단계에서, 예를 들면, 매 15초마다, APA는 예측치를 재계산한다. 현재 파이프라인 압력 및 소비량의 예측치에서의 변경들은 재계산시 통합되며, 상기 방식에서 예측치들의 즉시 정정을 보장한다.

예측된 소비량들의 과정들, 즉, ALC 세트포인트 및 파이프라인 압력은 플랜트 운영자에게 가치있는 정보이며 플랜트 운영자를 위해 방향 곡선(도 2)으로 표시된다.

도 3의 흐름도는 하기의 구체적인 파라미터들을 사용하여 특정 애플리케이션에서의 탐색 전략의 과정을 도시한다:

●예측 범위를 n개의 같은 거리의 시간 단계들로 분할

●3개의 가능한 이산 변화량들 0, △+, △-, 여기서 △- = -△+

●우선 순위 값들을 사용:

Prio(0) = 0

Prio(△-) = prio(-1) = 1

Prio(△+) = Prio(1) = 2

●지수가 대응하는 시점들에서 조작 변수의 변화량 값들에 대한 벡터 △F(i), 상기 i=1,...,n

조작 변수 벡터 △F(i)의 성분들은 초기에 원칙적으로 목표된 바와 같이 예를 들면 값 0으로 미리채워진다. 그후에, 현재 시점으로부터 장래 시점으로 단계적으로, 제어 변수(압력)는 현재 조작 변수 벡터, 현재 공지된 외란 변수 과정 및 물리적-수학적 모델에 기초하여 계산된다.

i=1에서 시작하여, i<n인 각각의 지수에 대하여, 제어 변수가 미리결정된 한계값들 중 하나를 침범하였는지의 여부를 알기위한 검사가 수행되며, 한계값 침범의 방향 R은 다음과 같이 형성된다:

만약 상한값이 침범되면 R=1이고 하한값이 침범되면 R=-1이다.

목표된 변경 방향 -R은 침범된 상한값의 방향 R과 반대이다.

만약 한계값이 침범되면, 시간 급수는 0과 동일하지 않은 값 △F(i-k)이 발견될 때까지 또는 시점 0(k=i) 또는 역방향 단계들의 개수에 대하여 미리정의된 최대값 kmax이 도달될 때까지 다시 진행된다. 이후 우선 순위값들이 발견된 시점 (i-k)에서 고려된다.

만약 목표된 변경 방향의 우선순위 값 Prio(-R)이 현재 계산된 조작 변수값의 우선순위값 Prio(△F(i-k))보다 높으면, 조작 변수 벡터들의 성분은 적절히 변경되고 i는 증가된다.

만약 이 경우가 아니라면, 장래 시점으로의 이동이 다시 실행되며 우선순위가 목표된 변경 -R의 우선순위보다 낮은 △F(i-k)에 대하여 탐색이 수행되어 목표된 변경이 실행된다. 만약 상기 탐색이 성공적이지 못하면, 상기 포인트에서 침범된 한계값은 미리정의된 경계조건들에서 회피할 수 없으며 조작 변수 벡터가 변경되지 않고 i에 대하여 더 높은 값을 사용하여 계산이 계속된다.

i=n에 도달되면, 현재 시점에 대한 조작 변수 및 제어 변수의 장래 시간 과정의 계산이 완료되고 계산된 조작 변수 벡터의 첫 번째 값 △F(1)이 물리적인 제어 시스템에 미리 정의된다. 값 △F(1)은 디지털 또는 아날로그 신호로 출력되거나 공업 시스템내에서 세팅된다.

본 발명은 적어도 하나의 조작 변수, 제어 변수 및 시스템의 외부로 부터 제어 변수로 작용하는 외란 변수를 사용하여 연속식으로 작동하는 공업 시스템을 효율적으로 제어하는 효과를 가진다.

Claims

연속식으로 작동하는 공업 시스템(continuously operating technical system)을 제어하기 위한 방법으로서,

조작 변수(manipulated variable),

제어 변수, 및

상기 시스템의 외부로부터 상기 제어 변수에 작용하는 외란 변수(disturbance variable)를 포함하며, 각 경우에,

상기 조작 변수와 상기 제어 변수 간의 관계를 설명하는 제 1 물리-수학적 모델,

상기 외란 변수와 상기 제어 변수 간의 관계를 설명하는 제 2 물리-수학적 모델,

현재 시점 t₀와 예측 시점 t_n사이에 상기 외란 변수의 장래의 시간 과정에 대한 예측치,

상기 조작 변수 및 상기 제어 변수 중 하나 이상에 대한 경계 조건들의 세트, 및

상기 조작 변수에 대한 유한 개수의 미리정의된 이산의 예측 변화량들이 존재하고,

상기 예측 변화량들 모두는 서로 다르게 할당되는 우선순위 값들을 가지고,

국부 최적화 과정(suboptimal course)을 예측하는 탐색 알고리즘에 의해, 상기 현재 시점 t₀와 상기 예측 시점 t_n사이의 상기 조작 변수 및 상기 제어 변수의 장래 시간 과정(future time course)으로서, 상기 경계조건들을 만족시키며, 상기 변화량들의 우선순위 값들을 할당해 넣은 상기 조작 변수의 미리정의된 상기 예측 변화량들을 이용하는 상기 현재 시점 t₀와 상기 예측 시점 t_n사이의 상기 조작 변수 및 상기 제어 변수의 장래 시간 과정(future time course)을 결정하고,

상기 현재 시점 t₀에서의 상기 조작 변수에 대해 상기 탐색 알고리즘에 따라 결정되는 변화량에 상응하는 신호를 출력하는,

연속식으로 작동하는 공업 시스템을 제어하기 위한 방법.
제 1항에 있어서,

상기 공업 시스템의 제어 변수는 상기 출력된 신호에 따라 세팅되는,

연속식으로 작동하는 공업 시스템을 제어하기 위한 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 미리정의된 예측 변화량들의 범위 내에서 오직 상기 제어 변수만을 변경시킴으로써 상기 경계조건들을 유지하는 것이 불가능한 경우에 하나 이상의 긴급 조치가 제공되고, 상기 현재 시점 t₀와 상기 예측 시점 t_n사이에서의 긴급 조치들에 대한 장래의 요구사항이 상기 탐색 알고리즘에서 결정되며, 운영 인원에 상기 장래의 요구 사항에 대해 통보하는 것 및 필요한 경우 상기 긴급 조치를 활성화시키기 위한 신호를 출력하는 것 중 하나 이상을 실행하는,

연속식으로 작동하는 공업 시스템을 제어하기 위한 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

실시간에서 각각의 새로운 포인트 t_0'에 대하여, 상기 외란 변수의 장래 시간 과정에 대한 예측치로서 필요한 경우 업데이트되는 예측치를 기초로 하여, 또는 상기 조작 변수 및 상기 제어 변수 중 하나 이상의 현재 측정된 값들을 기초로 하여, 또는 상기 외란 변수의 장래 시간 과정에 대한 예측치로서 필요한 경우 업데이트되는 예측치를 기초로 하고 그리고 상기 조작 변수 및 상기 제어 변수 중 하나 이상의 현재 측정된 값들을 기초로 하여 상기 탐색 알고리즘이 다시 수행되는,

연속식으로 작동하는 공업 시스템을 제어하기 위한 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 현재 시점 t₀와 상기 예측 시점 t_n사이의 간격은 이산의 시간 단계들 [t₀, t₁], [t₁, t₂] 내지 [t_n-1, t_n]로 분할되고, 각각의 중간 시점 t_i(i=1, ..., n)에 대해 상기 탐색 알고리즘에서, 상기 제어 변수 및 상기 조작 변수 중 하나 이상에 대한 값을 결정하는,

연속식으로 작동하는 공업 시스템을 제어하기 위한 방법.
제 5항에 있어서,

상기 공업 시스템은 상기 조작 변수에서의 변화와 상기 제어 변수에의 영향 사이에 시간 응답을 가지며, 상기 시간 응답은 상기 탐색 알고리즘의 프로세스 모델에 의해 고려되는,

연속식으로 작동하는 공업 시스템을 제어하기 위한 방법.
제 1항 또는 제 2항에 따른 제어 방법에 의해 제어되며 하나 이상의 생산 유체(product fluid)가 생산되는 가스 분리를 위한 방법으로서,

상기 조작 변수의 전체 또는 일부가 상기 생산된 생산 유체의 체적에 의해 형성되는,

가스 분리를 위한 방법.
제 7항에 있어서,

상기 외란 변수의 전체 또는 일부가 상기 생산된 생산 유체의 소비 변동들에 의해 형성되는,

가스 분리를 위한 방법.
제 7항에 있어서,

상기 제어 변수의 전제 또는 일부가 생산된 상기 생산 유체의 저장기 내의 압력에 의해 형성되는,

가스 분리를 위한 방법.
제 1항 또는 제 2항에 따른 방법에 의해 공업 시스템을 제어하기 위한 장치로서,

상기 조작 변수 및 상기 제어 변수 중 하나 이상에 대한 측정 디바이스들;

상기 탐색 알고리즘이 수행되는 아날로그 또는 디지털 계산 디바이스; 및

상기 현재 시점 t₀에서 상기 조작 변수에 대한 변화량에 상응하는 신호를 출력하기 위한 출력 디바이스를 포함하는,

공업 시스템을 제어하기 위한 장치.