LPT-2009-42 [BibTeX]
Lynn Würth, Arndt Hartwich, Jens Bausa, Nina Salau, Wolfgang Marquardt:
Nichtlineare modellprädiktive Regelung eines Polymerisationsreaktors im Labor
In: Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, Weinheim, 16-17.11.2009
Abstract:
Das Konzept der nichtlinearen modellprädiktiven Regelung (NMPC) wird seit den achtziger Jahren intensiv beforscht und es gibt bereits einige Implementierungen dieser Algorithmen, die grundsätzlich in der Industrie zur Anwendung kommen könnten. Dennoch wird diese vielversprechende Technologie nur an sehr wenigen Prozessen in der chemischen Industrie eingesetzt. Der wirtschaftlichen Ausreizung des Prozesses durch optimierungsbasierte Regelung steht die Komplexität des Einsatzes von NMPC gegenüber. Effiziente Algorithmen, realitätsnahe Modelle, aber auch das Vertrauen in diese Technologie auf Betreiberseite sind erforderlich.
In diesem Beitrag wird eine experimentelle Anwendung der nichtlinearen modellprädiktiven Regelung an einem Semi-Batch Polymerisationsreaktor im Labor vorgestellt. Das Ziel der Prozessführung besteht in der Optimierung eines wirtschaftlichen Gütekriteriums unter Einhaltung bestimmter Polymereigenschaften, welche zum Ende des Batches erfüllt sein müssen. Das komplexe nichtlineare Optimierungsproblem wird mit der dynamischen Optimierungssoftware DyOS auf einer Zeitskala von 2 Minuten gelöst. Unterlagert fährt ein linearer zeitvarianter MPC-Regler die optimierte Trajektorie auf einer schnelleren Zeitskala von 10 Sekunden nach. Die experimentelle Umgebung, in welcher ausschließlich Temperatur-, Druck- und Dosiermessungen zur Verfügung stehen, ähnelt einer Umgebung in einem industriellen Prozess. Mit Hilfe eines EKF-Filters werden die nicht messbaren Prozesszustände geschätzt. Neben der Ansteuerung von verschiedenen Produktqualitäten wurde auch ein Experiment mit einer Störung durch einen längeren Pumpenausfall erfolgreich durchgeführt.
Technische Problemstellungen und Lösungsansätze hinsichtlich der Robustheit der Prozessführungsstrategie sowie zur praktischen Implementierung am Reaktor werden vorgestellt. Diese experimentelle Arbeit trägt dazu bei, wissenschaftliche Fragestellungen beim Brückenschlag von Forschung und Anwendung von NMPC zu beantworten und auf offene Forschungspunkte hinzuweisen.