Sistema de asesoramiento dinámico en línea a partir de modelos MPC.

Un método para crear y usar un sistema de asesoramiento a operadores en línea para uso en simulación deprocesos y para simuladores de entrenamiento para un proceso que tiene una pluralidad de variables manipuladas,

controlables independientemente, y al menos una variable controlada dependiente de dichas variables manipuladas,controlables independientemente; en que dicho proceso opera bajo un esquema de control regulatorio definido decontroladores proporcionales-integrales-derivativos (PID); que comprende los pasos de:

a. recoger datos acerca de dicho proceso mediante introducción separada de una perturbación de pruebaen cada una de dichas variables manipuladas y medir el efecto de las perturbaciones sobre dicha variablecontrolada;

b. usar dichos efectos de las perturbaciones sobre dicha variable controlada para generar un primer modelodinámico linealizado que relaciona dicha por lo menos una variable controlada con dichas variablesmanipuladas, controlables independientemente;

c. intercambiar variables seleccionadas, controladas por posiciones de elementos de control finales, por suscorrespondientes variables seleccionadas de punto de consigna de controlador proporcional-integralderivativo(PID) manipuladas, controlables independientemente, en dicho primer modelo dinámicolinealizado usando operaciones matemáticas de eliminación de filas de matriz para generar un segundomodelo dinámico linealizado que tiene un nuevo conjunto de variables manipuladas, controlablesindependientemente, en que dicho segundo modelo dinámico linealizado tiene la dinámica de dichasvariables seleccionadas de punto de consigna de controlador proporcional-integral-derivativo (PID)manipuladas, controlables independientemente, eliminada de dicho segundo modelo dinámico linealizado yreemplazada por posiciones de elementos de control finales; y

caracterizado por

i. emular externamente el esquema de control regulatorio a través de emuladores matemáticos para emularcontroladores proporcionales-integrales-derivativos (PID) en modos manual, en cascada o automático paraobtener un sistema de asesoramiento a operadores en línea completado de dicho proceso;

ii. acceder a datos en tiempo real procedentes de dicho proceso para inicializar dicho sistema deasesoramiento a operadores en línea completado con el estado de las variables dependientes eindependientes;

iii. inicializar la configuración y el ajuste del esquema de control regulatorio; y;

iv. inicializar el estado de vectores de predicción de elementos de control finales de bucle abierto;

v. resolver matemáticamente dicho sistema de asesoramiento a operadores en línea completado parapredecir respuestas futuras de dicha al menos una variable controlada.

Sistema de asesoramiento dinámico en línea a partir de modelos MPC

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El Control Predictivo de Modelos (MPC, del inglés “Model Predictive Control”) se refiere a una clase de algoritmos que computan una secuencia de ajustes de variables manipuladas con el fin de optimizar el comportamiento futuro de procesos multivariable complejos. Originalmente desarrollado para satisfacer las necesidades de refinerías de petróleo y procesos químicos, el control MPC puede encontrarse ahora en una amplia variedad de áreas de aplicación que incluyen sustancias químicas, procesado de alimentos, automoción, industria aeroespacial,

metalurgia, y pasta papelera y papel. Una implementación bien conocida del control MPC en aplicaciones químicas y en refinerías es el Control de Matrices Dinámicas o DMC (del inglés “Dynamic Matrix Control”) .

El Controlador MPC emplea un modelo de software del proceso para predecir el efecto de cambios pasados de variable manipulada y perturbaciones medibles sobre las variables de salida de interés. Las variables independientes son computadas de modo que se optimiza el comportamiento futuro del sistema sobre un intervalo de tiempo conocido como el horizonte de predicción. En el caso general puede usarse cualquier función objetivo deseada para la optimización. La dinámica del sistema es descrita por un modelo de proceso explícito, que puede tomar, en principio, un número de formas matemáticas diferentes. Las restricciones de entrada y salida del proceso son incluidas directamente en la formulación del problema de modo que violaciones futuras de restricciones son anticipadas y evitadas.

En la práctica se han desarrollado y comercializado un número de diferentes aproximaciones en la implementación de Controladores MPC. Las implementaciones más exitosas han hecho uso de un modelo lineal para la dinámica de planta. El modelo lineal es desarrollado en un primer paso recogiendo datos sobre el proceso por introducción de perturbaciones de prueba en las variables independientes y midiendo los efectos de las perturbaciones sobre las variables dependientes. Este paso principal es denominado Identificación.

Las patentes de los EE. UU. 4.349.869 y 4.616.308 describen una implementación de control MPC denominada Control de Matrices Dinámicas (DMC) . Estas patentes describen los algoritmos MPC basados en modelos lineales de una planta y describen cómo se incluyen restricciones de proceso en la formulación del problema. También se describe la identificación inicial del controlador MPC usando datos de proceso.

A modo de ampliación de los antecedentes, esta Identificación de dinámica de proceso requiere una prueba previa en la que las variables independientes del proceso son variadas siguiendo algún patrón para determinar el efecto sobre las variables dependientes. En un proceso químico o de refinería, las variables independientes incluyen los puntos de consigna de controlador PID (proporcional-integral-derivativo) para variables dependientes seleccionadas, las posiciones de elementos de control finales de controladores PID en manual, y temperaturas, flujos de material, presiones y composiciones que son determinados fuera del alcance del dominio del controlador. Para cualquier

prueba de Identificación de proceso, las variables independientes son fijadas para el análisis de los datos. Además, el ajuste de cualquiera de los controladores PID en el dominio del controlador MPC está fijado. El controlador MPC que está construido para usar los modelos dinámicos de proceso a partir de la identificación debe tener exactamente la misma configuración de variables independientes que existía cuando se realizó la identificación. De este modo, la configuración del controlador PID que está presente durante la identificación incrusta la dinámica del controlador PID

en el modelo dinámico. Debido a que la dinámica PID es una parte del comportamiento de planta, hay una correlación inherente de variables que se produce al ocurrir perturbaciones no medidas en el proceso. Los diversos bucles de control PID responden a esas perturbaciones no medidas y varían muchas de las variables controladas en respuesta. Esto ha impedido siempre históricamente que los profesionales creen controladores MPC libres de dinámica PID usando pruebas de identificación estándar.

La solicitud de patente de los EE.UU. US-A-2003/0195665 (concedida como patente 6.980.938) da a conocer aquellas características expuestas en la parte precaracterizante de la reivindicación 1.

La solicitud US-A-2003/0195665 trata la cuestión anteriormente mencionada y describe una metodología para eliminar la dinámica PID del modelo dinámico mediante uso de un algoritmo matemático de matrices novedoso que intercambia variables seleccionadas, controladas por posiciones de elementos de control finales (habitualmente 50 posiciones de válvula) , por sus correspondientes variables seleccionadas de punto de consigna de controlador PID manipuladas, controlables independientemente, en el modelo linealizado usando operaciones matemáticas de eliminación de filas de matriz para generar un segundo modelo linealizado que tiene un nuevo conjunto de variables manipuladas, controlables independientemente, en que el segundo modelo tiene eliminada del modelo la dinámica de las variables seleccionadas de punto de consigna de controlador PID manipuladas, controlables 55 independientemente.

Este segundo modelo linealizado es un modelo de bucle abierto basado sólo en posiciones de elementos de control finales. Debido a que es un modelo de Respuesta Finita al Impulso de bucle abierto, se ha mostrado que puede ser ejecutado 50 o 100 veces más rápido que el proceso en tiempo real. La solicitud US-A-2003/0195665 describe y reivindica el uso de este tipo de modelo tanto en control como en el desarrollo de simuladores de entrenamiento desconectados.

La solicitud de patente de los EE.UU. US-A-2004/00117766 da a conocer otra aproximación para tratar el control predictivo de modelo y su optimización dentro de un sistema de control. El documento EP-A-0919889 describe un simulador basado en modelos mecánicos dinámicos (no lineales) de un proceso particular. El documento US-A2002/0178133 da a conocer un dispositivo predictivo dinámico no lineal.

Una necesidad fuertemente deseada pero no satisfecha en el control de procesos multivariable complejos tales como producción química y refinamiento de petróleo es la posibilidad de un sistema de asesoramiento en línearápido para el operador. Éste puede usarse de dos modos importantes. En un modo en primer plano, el sistema de asesoramiento a operadores puede ejecutarse para proporcionar una predicción continua de hacia dónde está avanzando el proceso sobre la base de cambios pasados en las variables independientes y configuraciones. En un modo en segundo plano, el sistema de asesoramiento puede asesorar al operador y proporcionar un modo de entrenamiento para enseñar a operadores nuevos y experimentados el uso de escenarios. Esta capacidad nunca ha estado disponible en la técnica anterior o en la práctica. El beneficio obvio de esta capacidad es la prevención de paradas no programadas y la seguridad de la unidad.

El reconocimiento de esta necesidad no satisfecha y un método para tratar la necesidad mediante uso de un modelo de respuesta finita al impulso de bucle abierto con la dinámica PID eliminada acoplado a una emulación de los controladores PID y tener este nuevo modelo acoplado a un sistema de control distribuido (DCS, del inglés “Distributed Control System”) constituye un aspecto de esta invención.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Un objeto de esta invención es proporcionar un método para eliminar del controlador MPC, que fue creado mediante una prueba de identificación de planta, la dinámica de los controladores PID. Esto permite la creación de un modelo FIR (del inglés “Finite Impulse Response”, de Respuesta Finita al Impulso) , basado en elementos de control finales, del proceso. Este modelo basado en elementos de control finales puede ser acoplado entonces a una emulación del esquema de control PID y acoplado a través de una consola de sistema de control distribuido (DCS) para crear un sistema de asesoramiento a operadores en línea, rápido y auténtico, para guiar a operadores durante la ejecución del proceso. Debido a que la dinámica de los controladores PID ha sido desacoplada del modelo FIR basado en elementos de control finales, este sistema de asesoramiento a operadores en línea puede ser usado en diversas configuraciones de control sin tener que repetir la prueba de identificación de planta. Este tipo de sistema de asesoramiento en línea... [Seguir leyendo]

1. Un método para crear y usar un sistema de asesoramiento a operadores en línea para uso en simulación de procesos y para simuladores de entrenamiento para un proceso que tiene una pluralidad de variables manipuladas,

controlables independientemente, y al menos una variable controlada dependiente de dichas variables manipuladas, controlables independientemente; en que dicho proceso opera bajo un esquema de control regulatorio definido de controladores proporcionales-integrales-derivativos (PID) ; que comprende los pasos de:

a. recoger datos acerca de dicho proceso mediante introducción separada de una perturbación de prueba en cada una de dichas variables manipuladas y medir el efecto de las perturbaciones sobre dicha variable 10 controlada;

b. usar dichos efectos de las perturbaciones sobre dicha variable controlada para generar un primer modelo dinámico linealizado que relaciona dicha por lo menos una variable controlada con dichas variables manipuladas, controlables independientemente;

c. intercambiar variables seleccionadas, controladas por posiciones de elementos de control finales, por sus

correspondientes variables seleccionadas de punto de consigna de controlador proporcional-integralderivativo (PID) manipuladas, controlables independientemente, en dicho primer modelo dinámico linealizado usando operaciones matemáticas de eliminación de filas de matriz para generar un segundo modelo dinámico linealizado que tiene un nuevo conjunto de variables manipuladas, controlables independientemente, en que dicho segundo modelo dinámico linealizado tiene la dinámica de dichas variables seleccionadas de punto de consigna de controlador proporcional-integral-derivativo (PID) manipuladas, controlables independientemente, eliminada de dicho segundo modelo dinámico linealizado y reemplazada por posiciones de elementos de control finales; y

caracterizado por

i. emular externamente el esquema de control regulatorio a través de emuladores matemáticos para emular

controladores proporcionales-integrales-derivativos (PID) en modos manual, en cascada o automático para obtener un sistema de asesoramiento a operadores en línea completado de dicho proceso;

ii. acceder a datos en tiempo real procedentes de dicho proceso para inicializar dicho sistema de asesoramiento a operadores en línea completado con el estado de las variables dependientes e independientes;

iii. inicializar la configuración y el ajuste del esquema de control regulatorio; y;

iv. inicializar el estado de vectores de predicción de elementos de control finales de bucle abierto;

v. resolver matemáticamente dicho sistema de asesoramiento a operadores en línea completado para predecir respuestas futuras de dicha al menos una variable controlada.

2. El método según la reivindicación 1, en que dicho primer modelo dinámico linealizado es un modelo de respuesta 35 por pasos.

3. El método según la reivindicación 1, en que dicho primer modelo dinámico linealizado es un modelo de respuesta finita al impulso.

4. El método según la reivindicación 1, que comprende además los pasos de:

a. parar manualmente dicha resolución matemática de dicho sistema de asesoramiento a operadores en 40 línea completado;

b. volver a acceder a datos en tiempo real procedentes de dicho proceso para inicializar dicho modelo completado con el estado de las variables dependientes e independientes;

c. reinicializar la configuración y el ajuste del sistema de control regulatorio;

d. reinicializar el estado de los vectores de predicción de elementos de control finales de bucle abierto;

e. volver a resolver el sistema de asesoramiento a operadores en línea completado para predecir las respuestas futuras de dicha al menos una variable controlada.

5. Un sistema de asesoramiento a operadores en línea creado con el método de la reivindicación 1.

6. Un sistema de asesoramiento a operadores en línea creado con el método de la reivindicación 4.