"Von der Regelung zur Online-Optimierung"
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Von der Regelung zur Online-Optimierung Sebastian Engell Lehrstuhl für Anlagensteuerungstechnik Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen Universität Dortmund an l a g e n steuerungs echnik 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“ GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage Strecke Störung Sollwert Regler GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Regelungstechnische Sicht • Was ist zu tun? Sollwerteinregelung Störungsausregelung ? ? ? Regelgröße Stellgröße Störung t Wo ist überhaupt Folgeregelung gefragt? Welche Größen sollen konstant gehalten werden? GVC/Dechema FA PAT 2004 t an l a g e n steuerungs echnik Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise • Führungsverhalten steht an erster Stelle „schöne Sprungantwort“, Optimalität Nachfahren von Sollwerten selten gefordert meist für Hilfsgrößen relevant GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Beheizungsanlage der Kolonne Qheiz GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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. GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Beispiel Reaktionskolonne Störung Sollwert Regler xMeAc R Feed T Strecke GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Stationäre Kennlinien der Kolonne GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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! GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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! GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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“ GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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. GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Prinzip der Regelungsstrukturauswahl • 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. ≈ ysoll y +y Regler u+u Prozess Jerw max J -J d GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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“ GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Kombination von Regelung mit Optimierung • Optimale Sollwerttrajektorie: max J (u , x, t ) t y (t ) Re-Optimierung u.B.v. : x MeAc 0,8 Parameterschätzung y f (u , x, t ) y(t) J x MeAcn Destillat 0 Störung t Sollwerte Regler y(t) u(t) Strecke t GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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. GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Prädiktive Regelung Vergangenheit jetzt Zukunft Sollwert jetzt y u Berechnung der Stellgrößen durch Lösen eines Optimierungsproblems mit Beschränkungen k Hr GVC/Dechema FA PAT 2004 Hp an l a g e n steuerungs echnik 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. GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Hierarchisches Konzept zur Regelung von SMB-Prozessen (Klatt et al.) SMB Prozess Anlage Prädiktive Regelung On-Line Optimale Betriebsparameter Reduziertes Modell Identifikation lokaler Modelle Parameterschätzung Modellbasierte Optimierung GVC/Dechema FA PAT 2004 Off-Line an l a g e n steuerungs echnik 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 GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Direkte optimierende Regelung Kostenfunktion Störungen Nicht Optimale Produktion Online Optimierung FreiheitsOptimierung grade Anlage Zustandsschätzung Messgrößen GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik Beispiel SMB-Chromatographie Regelung durch Optimierung (A. Toumi) min( J k , k 1 ,.., k H r s.t. kH p T (( j ) j R j j )) j k Gütefunktion: Durchsatz Freiheitsgrade x j 1, 0 Mx j x f ( x j , u j , p j ) y h( x , u ) j j j Prozessmodell PurEx, H r PurEx PurEx, min PurEx, H p PurEx PurEx, min p j p max Reinheitsforderung als Beschränkung! Maximaler Druckverlust j k ,.., k H p GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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 GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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 GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik 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 GVC/Dechema FA PAT 2004 an l a g e n steuerungs echnik
