Vergleich zweier gehobener modellbasierter Regelungsmethoden anhand des Klatt-Engell-Reaktormodells

Abstract

Angeregt durch aktuelle Diskussionen im Fachzentrum für Automatisierungstechnik der BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen werden zwei gehobene und modellbasierte Reglerentwurfsmethoden im industriellen Kontext anhand eines Arbeitspunktwechsels eines Benchmarkprozesses vergleichend bewertet. Als Benchmarkprozess dient das Klatt-Engell-Reaktormodell, das einen kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor mit Mantelkühlung beschreibt, in dem eine Reaktion nach dem van de Vusse-Schema abläuft.

Die betrachteten Reglerentwurfsmethoden sind zum einen die nichtlineare modellprädiktive Regelung (NMPC), zum anderen die flachheitsbasierte Zwei-Freiheitsgrade-Regelung (2FHG). NMPC beruht auf der fortlaufenden Lösung eines Optimal-Control-Problems mit Beschränkungen und der Implementierung des jeweils ersten Lösungsschrittes. Die Grundidee der 2FHG-Regelung besteht darin, das Führungsverhalten des Reglers über eine flachheitsbasiert berechnete Vorsteuerung zu entwerfen und das Störverhalten unabhängig davon durch eine Regelung einzustellen; in dieser Arbeit wird dafür eine dezentrale PI-Reglerstruktur benützt. Die Realisierung von NMPC und 2FHG verwendet ein erweitertes Kalman-Filter zur Zustands- und Störgrößenschätzung.

Anhand von Simulationsergebnissen werden die beiden Regler bezüglich der Regelgüte und verschiedener Robustheitskriterien untersucht und verglichen. Es wird gezeigt, dass mit dem NMPC Regelergebnisse mit kürzeren Transitionszeiten möglich sind als mit dem 2FHG-Regler, dass aber z.B. eine Beschleunigung des Arbeitspunktwechsels des NMPC mit einer Verschlechterung von Robustheitseigenschaften einhergeht. Dagegen bleiben diese Eigenschaften beim 2FHG-Regler erhalten. Darüber hinaus werden anwendungstechnische Aspekte der beiden Regler verglichen. Hier zeigt sich, dass der NMPC mit einem bereits vorhandenen Modell leichter zu entwerfen ist, sich aber die Einbindung in ein Prozessleitsystem (PLS) schwieriger gestaltet.

Motivated by current discussions within the Competence Centre Automation Technology of BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen, two advanced model-based controller design methods are compared in an industrial context. This comparison is carried out on a setpoint-transition of the Klatt-Engell reactor model, which describes a continuous stirred tank reactor with cooling jacket, wherein a reaction following the van de Vusse reaction scheme takes place.

The controller design methods being compared are nonlinear model predictive control (NMPC) and flatness-based two-degree-of-freedom control (2DOF). NMPC is based on solving continuously online a constrained optimal control problem and implementing each first step of the solution. The key idea of 2DOF control is to separately design the tracking behaviour by implementing a flatness-based feedforward control and the disturbance and robustness properties by a feedback control. Thereby, the latter is accomplished by a decentralized PI-controller. The implementation of both NMPC and 2DOF uses an extended Kalman filter for state and disturbance estimation.

Based on an analysis of simulation scenarios, the controllers are compared with respect to controller performance and several robustness criteria. It is shown that NMPC facilitates more time-optimal results than 2DOF control, but also suffers from degradation of robustness properties e.g. when accelerating the setpoint-transition, whereas with the 2DOF controller, these properties remain unchanged. Beyond that, implementation issues of both controllers are discussed. NMPC can be more easily designed if an appropriate model is given, but is slightly harder to integrate into a process computer system.