用于控制分批过程的方法和系统技术方案

第一原理模型可以用于仿真分批过程，而且第一原理模型可用于配置用于控制分批过程的多输入／多输出控制例行程序。第一原理模型可产生在实际分批过程操作期间无法测量或没有测量的分批参数的估计值。这种参数的例子可以是分批过程的组分变化率（例如，产率、细胞增长率等）。第一原理模型和所配置的多输入／多输出控制例行程序可用于使分批过程的控制更方便。

Method and system for controlling batch process

The first principle model can be used to simulate batch processes, and the first principles model can be used to configure a multiple input / output control routine for controlling batch processes. The first principles model can produce estimates of the batch parameters that cannot be measured or measured during actual batch process operations. Examples of this parameter can be the rate of component change in batch processes (e.g., yield, cell growth rate, etc.). The first principle model and the configured multi input / multiple output control routine can be used to make the batch process more convenient.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总地涉及过程控制系统，具体涉及用于对分批过程进行控制和/或建模的系统。
技术介绍
诸如化学、石油或其它工业中所使用的过程控制系统，例如分布式或可扩展的过程控制系统，一般包括一个或多个过程控制器，过程控制器经由模拟、数字或模拟/数字混合总线与至少一个主机或操作员工作站以及一个或多个现场设备通信连接。现场设备可以例如是阀、阀门定位器、开关、传感器(例如温度、压力和流量传感器)等，它们在过程中执行诸如开启或关闭阀以及测量过程参数等功能。过程控制器接收表示由现场设备产生的过程测量值的信号，和/或关于现场设备的其它信息，利用这些信息执行控制例行程序，并随后产生通过总线发送到现场设备以控制过程操作的控制信号。来自现场设备和控制器的信息典型地用于由操作员工作站执行的一个或多个应用程序中，以使操作员执行与过程相关的任何期望功能，例如查看过程的当前状态、修正过程操作等。过去，传统的现场设备用于经由模拟总线或模拟线路向过程控制器发送模拟信号(例如4-20毫安)，并从过程控制器接收模拟信号(例如4-20毫安)。因为这些4-20毫安的信号表示由设备所作的测量值或表示控制器所产生的需要控制设备操作的控制信号，所以它们实际上是有局限的。然而，在过去的大约十年中，包括微处理器和存储器的智能现场设备已经普遍用于过程控制行业。除了在过程中发挥的主要功能以外，智能现场设备还存储属于设备的数据，以数字或数字和模拟混合的形式与控制器和/或其它设备通信，并执行例如自校准，识别，诊断等次要任务。已经开发出很多标准且开放的智能设备通信协议，例如HART、PROFIBUS、WORLDFIP、DeviceNet和CAN协议，使得不同制造商制造的智能现场设备可以在同一个过程控制网络内一起使用。此外，由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)发布的全数字、双线总线协议，称为FOUNDATIONTM现场总线(下文称“Fieldbus”)协议，其使用位于不同现场设备的功能块，执行之前已在集中控制器内执行了的控制操作。在这种情况下，Fieldbus现场设备能够存储和运行一个或多个功能块，每个功能块都会从其它功能块(或者在同一设备内或者在不同设备内)接收输入，和/或向其它功能块提供输出，并执行一些过程控制操作，例如测量或检测过程参数，控制设备或执行控制操作，例如执行比例-积分-微分(PID)控制例行程序。过程控制系统内的不同功能块设置为彼此通信(例如通过总线)，以形成一个或更多个的控制回路，其各自的操作遍及整个过程，并因此分散开。无论如何，过程控制器(或现场设备)通常被编程为，针对限定在或包含在过程中的每个不同回路，运行不同的算法、子程序或控制回路(它们都是控制例行程序)，例如流量控制回路、温度控制回路、压力控制回路等。一般来说，每个这样的控制回路都包括诸如模拟输入(AI)功能块的一个或多个输入块，诸如PID或模糊逻辑控制功能块的单输出控制块，以及诸如模拟输出(AO)功能块的单输出块。这些控制回路通常执行单输入/单输出控制，因为控制块创建了用于控制单过程输入的单输出，例如阀门位置等。然而，在某些情况下，使用多个独立操作的单输入/单输出控制回路不是非常有效，因为被控过程变量或过程输出被不只一个过程输入所影响，实际上，每个过程输入都可以影响许多过程输出的状态。这样的实例有可能发生在例如这样的过程中用两个输入管道填充一个储罐，并由一个输出管道将该储罐抽空，每个管道被不同的阀门控制，且在该过程中储罐的温度、压力和吞吐量都被控制为达到或接近期望值。如上所述，储罐吞吐量、温度和压力的控制可以用单独的吞吐量控制回路、单独的温度控制回路和单独的压力控制回路来执行。然而，在这种情况下，改变一个输入阀门的设置来控制储罐内温度的温度控制回路的操作，可能导致储罐内的压力的增加，这例如又会导致压力回路打开输出阀门以降低压力。这种动作随后可能导致吞吐量控制回路关闭其中一个输入阀门，由此影响温度并导致温度控制回路进行其它的动作。诚如对该例子的理解，单输入/单输出控制回路可能导致过程输出(在该例子中是吞吐量、温度和压力)振荡，而永远不会达到稳定的状态条件，这种情况是不希望看到的。在过去已经将模型预测控制(MPC)或其它类型的先进控制用于在这种类型的情况下执行控制。一般来说，模型预测控制是多输入/多输出控制策略，其中改变每个过程输入对每个过程输出的影响都会被测量到，而且这些被测的响应随后被用于产生该过程的典型线性模型。该过程的线性模型被数学转换，并随后用作多输入/多输出控制器，以根据对过程输入作出的改变来控制过程输出。在一些情况下，过程模型包括对应每个过程输入的过程输出响应曲线，而且这些曲线可以基于一系列的、例如传送到每个过程输入的伪随机阶跃变化来创建。这些响应曲线可用于以已知的方式对过程建模。模拟预测控制是公知技术，因此其具体细节这里不再描述。然而，模拟预测控制总地记述于Qin，S.Joe和Thomas A.Badgwell在1996年的美国化学工程师协会(AIChE)的会议上所发表的“工业模型预测控制技术综述(An Overviewof Industrial Model Predictive Control Technology)”中。此外，美国专利No.6,445,963所公开的内容也合并于此作为参考，其公开了一种将模型预测控制块与过程控制系统整合以用于控制过程的方法。通常可以将过程分成三类连续过程、半连续过程和分批过程。连续过程以连续的速率操作原料或馈送元件，以在输出端产生连续的产品流。连续过程的例子包括炼油过程、维生素C生产过程和某些大量生产型化学品的制造过程。在连续过程中，诸如温度、压力、流速等过程变量值，通常在任何位置都随着时间的推移而保持不变。分批过程成组地操作有限数量的原料或馈送元件，而且分批过程迫使这些馈送元件随时间经过一系列的工序，在工序完成时出产产品。通常，在操作工序中，没有新的馈送元件引入分批过程。分批过程的例子包括啤酒生产、一些药品生产和许多特殊化学品的生产。在分批过程中，诸如温度、压力、流速等过程变量值，通常在一个或多个位置随时间的推移而变化。半连续过程是其中带有分批过程组成部分的连续过程。典型地，半连续过程对连续供给的原料操作以产生连续的产品流，但是，例如，在过程中的某处，有一套混合器将已经处理了有限时间的有限数量的材料进行混合。对于分批过程(以及半连续过程的分批过程组成部分)来说，过程的相关变量在过程操作期间经常无法被测量，或者在允许测量值来调整过程的足够短的时间内不可测量。例如，在生产过程中为了测量容器内产生的青霉素浓度，从容器中取出样本然后送到实验室分析。实验室的分析结果可能在样本取出后一段时间内都无法使用，甚至到分批过程完成时也不能使用。因而，这样的测量对于在生产过程期间进行调整，例如，以增加分批过程产量，提高分批过程完成速度等方面是无用的。同样，这样的测量也不能足够及时地因质量差而提前结束过程，或延长分批过程以提高产量等。在一个典型的操作分批过程的方法中，操作员可以记录下在成功的分批过程期间发生的过程条件。然后，在随后的分批过程中，操作员可以设法将分批过程的条件精确地保持与已知的成功分批过程条件接近。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制分批过程的方法，包括：　　　　利用第一原理模型生成分批过程的不可测量的实时参数的估计值；　　　　将所述估计值提供给用于控制分批过程的过程控制例行程序；　　　　利用所述过程控制例行程序，基于所述估计值生成信号，以控制所述分批过程。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：特瑞思L贝利文斯，迈克尔A邦德瑞，格雷戈里K麦克米伦，
申请(专利权)人：费舍柔斯芒特系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]