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Von der Regelung zur Online-Optimierung
Sebastian Engell
Lehrstuhl für AnlagensteuerungstechnikFachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen
Universität Dortmund
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asGVC/Dechema FA PAT 2004
Übersicht
• Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage
• Modifiziertes Verständnis der Regelung• Reglerstrukturauswahl• Kopplung von Regelung mit online Optimierung• Direkte optimierende Regelung• DFG-Paketantrag „Optimierungsbasierte
Regelung verfahrenstechnischer Prozesse“
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Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage
Sollwert
Strecke
Regler
Störung
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Regelungstechnische Sicht
• Was ist zu tun? Sollwerteinregelung
Wo ist überhaupt Folgeregelung gefragt?
Störungsausregelung
Welche Größen sollen konstant gehalten werden?
Regelgröße
t
Stellgröße
Störung
t
???
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Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise
• Führungsverhalten steht an erster Stelle„schöne Sprungantwort“, Optimalität Nachfahren von Sollwerten selten gefordert meist für Hilfsgrößen relevant
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Beheizungsanlage der Kolonne
Qheiz
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Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise
• Führungsverhalten steht an erster Stelle„schöne Sprungantwort“, Optimalität Nachfahren von Sollwerten selten gefordert meist für Hilfsgrößen relevant
• Aufgabenstellung wird als extern vorgegeben angenommen, ist aber häufig entscheidend und erfordert auch regelungstechnischen Sachverstand.
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Beispiel Reaktionskolonne
R xMeAc
T
Strecke
Regler
Störung
Sollwert
Feed
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Stationäre Kennlinien der Kolonne
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Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise
• Führungsverhalten steht an erster Stelle„schöne Sprungantwort“, Optimalität Nachfahren von Sollwerten selten gefordert meist für Hilfsgrößen relevant
• Aufgabenstellung wird als extern vorgegeben angenommen.
Regelungstechnik wird als untergeordnete Hilfsfunktion aufgefasst.
Umfangreicher „Werkzeugkasten“ bleibt meist ungenutzt, außer wenn es „brennt“.
Beide Seiten unterschätzen das Potenzial!
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Modifiziertes Verständnis der Regelung
• Zweck der Regelung ist nicht die möglichst gute Einhaltung von Sollwerten sondern die Sicherstellung des sicheren anforderungsgerechten wirtschaftlich optimalen Betriebs
von Anlagen trotz erheblichen Abweichungen der Realität von der
Planung. • Regelung sollte als Mittel zur Optimierung unter
Unsicherheit gesehen werden!
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Übersicht
• Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage
• Modifiziertes Verständnis der Regelung• Reglerstrukturauswahl• Kopplung von Regelung mit online Optimierung• Direkte optimierende Regelung• DFG-Paketantrag „Optimierungsbasierte
Regelung verfahrenstechnischer Prozesse“
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Reglerstrukturauswahl
• Traditionelle Sicht: Auswahl der Regelungsstruktur erfolgt im wesentlichen im
Hinblick auf das dynamische Verhalten.
• Neue Sicht: Bewertung zuerst im Hinblick darauf, ob der ökonomisch
optimale Betrieb erreicht wird in Gegenwart von• Abweichungen zwischen Modell und Realität• Störungen
Einhaltung von Sollwerten ist ein Mittel zur vereinfachten Realisierung einer Optimierung!
Dynamik wird im zweiten Schritt untersucht.
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• Betrachtung einer ökonomischen Gütefunktion J
• Stellgrößen u sind eigentlich freie Variablen zur Optimierung des Prozesses,
• werden bei Regelung festgelegt durch Fixieren gemessener Größen y auf feste Sollwerte.
• Kostenfunktion wird für verschiedene Störungsszenarios betrachtet, hieraus ergeben sich geeignete Strukturen.
Prinzip der Regelungsstrukturauswahl
Prozessu
y
J
d
+y
-J+u
≈ ysoll
Jerwmaxu
Regler
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Übersicht
• Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage
• Modifiziertes Verständnis der Regelung• Reglerstrukturauswahl• Kopplung von Regelung mit online Optimierung• Direkte optimierende Regelung• DFG-Paketantrag „Optimierungsbasierte
Regelung verfahrenstechnischer Prozesse“
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Kombination von Regelung mit Optimierung
• Optimale Sollwerttrajektorie:
),,(
8,0:...
),,(max)(
txufy
xvBu
txuJ
MeAc
ty
t
nxJ
t
DestillatMeAc0
t
y(t) Sollwerte
Strecke
Regleru(t) y(t)
Störung
Re-OptimierungParameterschätzung
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Kommentare
• Für die Auswahl der geregelten Größen gelten dieselben Überlegungen wie im Fall fester Sollwerte.
• Standardlösung in der Petrochemie ist die Einregelung der optimierten Sollwerte mittels linearer modellprädiktiver Regelung.
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jetzt
jetztVergangenheit
Prädiktive Regelung
Zukunft
u
y
k HpHr
Sollwert
Berechnung der Stellgrößen durch Lösen eines Optimierungs- problems mit Beschränkungen
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Kommentare
• MPC wird standardmäßig mit linearen Modellen eingesetzt
• Handhabung von harten Beschränkungen Sicherheitsmarge erforderlich, sonst keine Regelung
möglich Verlust der Optimalität
• Verteilung der Freiheitsgrade?• Gesamtschema kann recht komplex werden.
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Hierarchisches Konzept zur Regelung von SMB-Prozessen (Klatt et al.)
Off-Line
On-Line
Reduziertes Modell
PrädiktiveRegelung
ModellbasierteOptimierung
SMB Prozess Anlage
Identifikation lokaler Modelle
Modellparameter
Messungen
Simulationsdaten
Ein
gäng
eO
ptim
ale
Bet
riebs
para
met
er
Parameter-schätzung
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Alternative: Direkte optimierende Regelung
In der modellprädiktiven Regelung wird online ein Optimierungsproblem mit Beschränkungen gelöst.
Dies ist im Prinzip auch möglich für beliebige nichtlineare Modelle.
Warum dann zweimal optimieren?
Formulierung eines Reglers, der auf bewegtem Horizont ein ökonomisches Kostenfunktional optimiert, dabei Formulierung der Qualitätsanforderungen als Beschränkung
Nutzung aller Freiheitsgrade Keine unnötigen Sollwertvorgaben (Einfrieren von FG) Nur ein Modell statt verschiedener für Regelung und
Optimierung, nur eine integrierte Optimierung
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Direkte optimierende Regelung
Anlage
StörungenKosten-funktion
MessgrößenZustands-schätzung
Freiheits-grade
Optimierung
Nicht Optimale
ProduktionOnline Optimierung
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Beispiel SMB-Chromatographie
Regelung durch Optimierung (A. Toumi)
Freiheitsgrade
Reinheitsforderung als Beschränkung!
s.t.
Maximaler Druckverlust
Gütefunktion: Durchsatz)))((min(
pHk
kjjj
Tj RjJ
rHkkk ,..,, 1
p
j
ExExHEx
ExExHEx
jjj
jjj
jj
Hkkj
pp
PurPurPur
PurPurPur
uxhy
puxfx
Mxx
p
r
,..,
),(
),,(
max
min,,
min,,
0,1
Prozessmodell
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Voraussetzungen
• Strukturell richtiges Prozessmodell verfügbar• Prozess nicht zu schnell• Zahl der Freiheitsgrade nicht zu hoch und vernünftiges
Verhältnis von Optimierungshorizont und Abtastzeit• Effiziente Lösung des Optimierungsproblems möglich
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Forschungs- und Entwicklungsbedarf
• Praxisrelevante Problemformulierungen Vortrag Busch
• Optimierungsmethoden Echtzeitoptimierung ist mehr als schnelle Optimierung Vortrag Diehl
• Sicherheit Sicherung der Stabilität Verhalten bei Modellfehlern, Einfluss der Zustandsschätzung Vortrag Findeisen
• Realisierung von Anwendungen Vortrag Küpper
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DFG-Paketantrag Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse
• Projekt Allgöwer (Stuttgart) Regelungstechnische Grundlagen Stabilität, Zustandsschätzung
• Projekt Bock/Schlöder (IWR Heidelberg) Optimierungsverfahren v.a. unter Echtzeitaspekten Handhabung von Unsicherheit
• Projekt Marquardt (Aachen) Anwendung auf Abwasseraufbereitung mit Membrantrennung Dekomposition, hierarchische Steuerung
• Projekt Engell (Dortmund) Anwendung auf Varianten von SMB-Prozessen Periodische Prozesse, Zustandsschätzung