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Von der Regelung zur Online-Optimierung Sebastian Engell Lehrstuhl für Anlagensteuerungstechnik Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen Universität Dortmund.

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Präsentation zum Thema: "Von der Regelung zur Online-Optimierung Sebastian Engell Lehrstuhl für Anlagensteuerungstechnik Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen Universität Dortmund."—  Präsentation transkript:

1 Von der Regelung zur Online-Optimierung Sebastian Engell Lehrstuhl für Anlagensteuerungstechnik Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen Universität Dortmund

2 GVC/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

3 GVC/Dechema FA PAT 2004 Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage Sollwert Strecke Regler Störung

4 GVC/Dechema FA PAT 2004 Regelungstechnische Sicht Was ist zu tun? >Sollwerteinregelung >Wo ist überhaupt Folgeregelung gefragt? >Störungsausregelung >Welche Größen sollen konstant gehalten werden? Regelgröße t Stellgröße Störung t ? ????

5 GVC/Dechema FA PAT 2004 Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise Führungsverhalten steht an erster Stelle schöne Sprungantwort, Optimalität >Nachfahren von Sollwerten selten gefordert >meist für Hilfsgrößen relevant

6 GVC/Dechema FA PAT 2004 Beheizungsanlage der Kolonne Q heiz

7 GVC/Dechema FA PAT 2004 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.

8 GVC/Dechema FA PAT 2004 Beispiel Reaktionskolonne R x MeAc T Strecke Regler Störung Sollwert Feed

9 GVC/Dechema FA PAT 2004 Stationäre Kennlinien der Kolonne

10 GVC/Dechema FA PAT 2004 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!

11 GVC/Dechema FA PAT 2004 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!

12 GVC/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

13 GVC/Dechema FA PAT 2004 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.

14 GVC/Dechema FA PAT 2004 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 Prozess u y J d + y - J + u y soll J erw max u Regler

15 GVC/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

16 GVC/Dechema FA PAT 2004 Kombination von Regelung mit Optimierung Optimale Sollwerttrajektorie: t y(t) Sollwerte Strecke Regler u(t) y(t) Störung Re-Optimierung Parameterschätzung

17 GVC/Dechema FA PAT 2004 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.

18 GVC/Dechema FA PAT 2004 jetzt Vergangenheit Prädiktive Regelung Zukunft u y k HpHp HrHr Sollwert Berechnung der Stellgrößen durch Lösen eines Optimierungs- problems mit Beschränkungen

19 GVC/Dechema FA PAT 2004 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.

20 GVC/Dechema FA PAT 2004 Hierarchisches Konzept zur Regelung von SMB-Prozessen (Klatt et al.) Off-Line On-Line Reduziertes Modell Prädiktive Regelung Modellbasierte Optimierung SMB ProzessAnlage Identifikation lokaler Modelle Modellparameter Messungen Simulationsdaten Eingänge Optimale Betriebsparameter Parameter- schätzung

21 GVC/Dechema FA PAT 2004 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

22 GVC/Dechema FA PAT 2004 Direkte optimierende Regelung Anlage Störungen Kosten- funktion Messgrößen Zustands- schätzung Freiheits- grade Optimierung Nicht Optimale Produktion Online Optimierung

23 GVC/Dechema FA PAT 2004 Beispiel SMB-Chromatographie Regelung durch Optimierung (A. Toumi) Freiheitsgrade Reinheitsforderung als Beschränkung! s.t. Maximaler Druckverlust Gütefunktion: Durchsatz Prozessmodell

24 GVC/Dechema FA PAT 2004 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

25 GVC/Dechema FA PAT 2004 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

26 GVC/Dechema FA PAT 2004 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


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