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

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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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Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische
Sicht auf die Anlage
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Regelungstechnische Sicht

• Was ist zu tun?
• Sollwerteinregelung
• Wo ist überhaupt Folgeregelung gefragt?

• Störungsausregelung
• Welche Größen sollen konstant gehalten werden?

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Regelgröße
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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
xMeAc
R
Feed
T
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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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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
-?J
Jerw?max
J
u
?u
u
Prozess
d
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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

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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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Prädiktive Regelung
Vergangenheit
Zukunft
Sollwert
jetzt
Berechnung der Stellgrößen durch Lösen eines
Optimierungs- problems mit Beschränkungen

• Hp

k

• Hr

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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.)
On-Line
Off-Line
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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
Kosten- funktion
Optimale Produktion
Nicht
Optimierung
Online Optimierung
Freiheits- grade
Anlage
Messgrößen
Zustands-schätzung
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Beispiel SMB-Chromatographie
Gütefunktion Durchsatz
Freiheitsgrade
s.t.
Prozessmodell
Reinheitsforderung als Beschränkung!
Maximaler Druckverlust
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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