《实践实验室中级联控制器与燃料电池工厂的教育进展》

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德在实践实验室中教授级联控制器与燃料电池工厂LarsEvertz，KaiKrüning，UlrichEpple德国亚琛工业大学过程控制工程系主任，52064 Aachen，（电子邮件：{l.evertz，k.kruening，u.epple} @ plt.rwth-aachen.de）翻译后摘要：人们普遍认为，实践经验的学习过程中有积极的影响。因此，动手实验室是亚琛工业大学过程控制工程教席教育理念的主要支柱。级联控制器的主题最近被添加到“过程控制工程”的讲座中。这些控制器的行为并不容易想象。因此，动手实验是加深学生知识、树立相关基础形象的必由之路。在本文中，我们将展示如何动手实验室扩展到包括新的主题。我们将介绍一个燃料电池工厂，这是建立在实验室的新的实验，并显示这些实验是如何适合整个实验室课程。关键词：教育，闭环控制，PID，级联控制器，过程自动化，在线仿真，燃料电池1. 介绍人们普遍认为，实践经验对学习过程有积极的影响。Kolb（1984）在他的学习周期中也有这种影响。后来，Hughes等人（1992）修改了这个循环。根据学习周期，实验室工作可以作为自学的主要支柱。特别是实践实验室对于建立与技术接触的基本信心是有用的，正如Ma和Nickerson（2006）所指出的那样。Krausser等人（2012）描述了过程控制工程主席的教育理念由于讲座被修改，以包括新的主题，实验室也必须调整。讲座的一个新主题是级联控制器的行为。这种行为并非想象中的微不足道。因此，动手实验室是一个注定的方式来教这个话题。实验室将扩建一个新的工厂来教授这个课题。新工厂结合了燃料电池和自热重整器。该工厂是负载驱动的，需要几个级联的控制器的重整器和燃料电池本身。这些控制器是学生他们将调整控制器，以了解级联控制器的行为。此外，由于工厂使用新技术，这是一种激励学生的手段，唤醒他们的兴趣（比较Abdulwahed和Nagy（2008）。本文展示了我们如何倾向于教的特点和级联控制器在动手实验室的处理。本文首先简要概述了我国的教育观念。之后，新的实验室工厂的过程和有关控制器的影响进行了描述。下一节描述了如何Fig. 1.教育概念与休斯等人所假设的学习过程（1992年）。图片来自Krausser et al. （2012年）我们将在实验室中使用新的植物本文件最后作了一些结论性发言。2. 教育理念正如Krausser等人（2012）指出的那样，亚琛工业大学过程控制工程主席的教育理念基于Hughes 等人（1992）的这个概念包括讲座和实验室工作，如图1所示。讲授一个主题的第一步是介绍。这是一个经典的讲座。之后，学生在自学阶段加深知识。然后，他们在实验室实验中使用他们的知识。实践活动有助于学生对所学知识点进行反思，增强他们的知识和信心。随着讲座设置的发展，实验室课程必须修改以适应。© IFAC 203 10.3182/20130828-3-UK-2039.00008第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲204Krausser等人（2012）描述了整体教育概念从这里开始，只提到这一概念中与本文主题有关的部分。从讲座的教育理念部分来看，两个讲座是相关的。这些是：• 过程测量和• 过程控制工程前一讲介绍了测量的基本概念以及测量数据的处理方法。 后一个讲座介绍了过程控制系统。Foci是标准的编程语言（包括顺序功能图和功能框图）以及闭环和开环控制的基本概念。介绍性讲座之后是自学阶段。在这个阶段，学生扩大和深化他们的知识。第三个也是最后一个阶段是实验室工作。在这个阶段，学生们使用实验室植物M3P.AC1（比较Krausser等人）。（2012）），解决既定任务。这些任务涉及回路控制以及其他主题。随着讲座的不断改编，级联控制器作为一个新的话题被添加进来。 这个话题是以理论的方式教授的。操作图可以显示控制器和不同回路之间的互连。然而，相关性并不容易想象。为了使这些相互关系变得可以想象，并提供实际的经验，实验室的工作似乎很有希望.因此，开发了一套新的实验室实验，并正在建造另一个实验室工厂。该实验室选择燃料电池工厂有两个原因：(1) 它提供多个互连的控制器。(2) 它使用新技术来吸引学生的兴趣。3. 燃料电池设备3.1 工艺描述近年来，燃料电池成为一种众所周知的发电方式。大多数商用燃料电池使用氢（H2）作为燃料.由于氢的运输和储存仍然存在问题，因此重整器用于从烃（例如天然气、化石燃料）现场制氢。在我们的工厂中，甲烷（CH4）用于生产含有大量氢气的合成气。图2显示了燃料调用工厂的流程模型。之初在该方法中，甲烷在气体制备步骤中与水和空气混合。 之后，使用重整器来产生合成气体（合成气）。这种合成气主要由氢气和一氧化碳（CO）组成。由于一氧化碳对用过的燃料电池是有毒的，因此需要清洁过程。在这个清洁过程中，所谓的变换反应用于从水和一氧化碳中产生更多的氢气。清洁的合成气现在用作高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEM）的可燃物。我们的工厂使用该工艺从甲烷中产生高达1 kW的电力和高达3 kW的热量。所以这种植物1www.m3p.ac图二. 过程模型是未来供暖系统的一个完美例子，也可以用于分散式电力生产。3.2 控制理论生产合成气的最重要部分是重整装置。合成气必须来自高质量，这意味着它必须由尽可能多的氢气和尽可能少的一氧化碳组成这一过程的控制策略仍然是 一 个 研 究 领 域 （ 例 如 Weickgenannt 和 Sawodny（2012）），也是学生感兴趣的。我们厂使用自热转化炉。这种重整器类型结合了两种重整方法：部分 氧 化 （ POX ， Equ.1 和 2 ） 和 蒸 汽 重 整 （ SR ，Equ.3）。事实上，POX是一种正常的燃烧，空气比必要的少。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲205nM22RnM4222RnCH+O →nCO+mHh 0（1）0（3）n m222R对 于 该 反 应 ， 我 们 必 须 控 制 蒸 汽 与 碳 的 比 率（SCR）。这意味着我们必须控制三个相互依赖的体积流量，以使自热反应器工作，但我们不必关心外部热量输入或冷却。这允许使用相对简单和小的反应器作为重整器。如已经提到的，生产具有大量氢气和较少一氧化碳的合成气是重整方法的目的大多数复杂的控制方法认为合成气的组成是被测量的（例如Weickgenannt和Sawodny（2012））。在大多数实际工厂中，由于所需测量设备的高成本，情况并非如此。在实际工厂中，气体组成由重整器出口处的合成气的温度控制所有提到的控制都是用简单的PID控制器实现的整体设置允许学生使用最新技术研究不同PID控制器的相互影响效果仔细看看更复杂的控制方法。3.3 新工厂的结构燃料电池工厂由六个子系统组成这些是- 气体制备系统，用于向重整器供应正确的气体混合物;生产合成气的重整器;两个变换反应器，用于清洁合成气中的一氧化碳;• 燃料电池产生电力，• 废气排放系统其中，制气系统是控制装置运行点的主要环节。需要控制的变量是重整器出口温度和工厂产生的电量由于电厂是负载驱动的，因此该电量遵循动态轨迹。学生将不得不布置每个控制器，以应对不同的负载情况。与实验相关的测量点和致动器输入在下面的段落中描述。电厂管道和仪表图中的一组补丁用于描述单个子系统并显示它们的互连。关于实验室实验，变换反应器和排气系统无关紧要。所关注的子系统是气体制备系统（图3所示）、自热重整器（图4所示）和燃料电池本身（图5所示）。这些子系统按照它们被提到的顺序连接。图三.制气系统管道及仪表图。圆圈和箭头显示学生控制器设置的值。图片由Constantin Wagner提供。图3描绘了气体制备系统的结构。圆圈和箭头表示对过程的主要影响点。这些是甲烷和压缩空气的流动。这些流的组合决定了重整器的操作点，并因此决定了合成气的组成合成气的这种组成和总量限定了系统一次产生的电量。自热重整器产生合成气。合成气是燃料电池的可燃物.合成气的组成由不同反应（POX和SR，比较Equ.1、2和3）在重整器中。由于不同的反应是吸热的或放热的，合成气的组成与重整器出口温度相关。因此，该温度（图4中圈出的测量点）用于控制甲烷和压缩空气之间的比例。重整器配备有许多温度传感器。这些可用于测量重整器内部的温度分布。温度分布可用于开发这种类型的重整器的经验模型。这是未来实验室的一个可能课题。燃料电池重整器系统一次产生的电量取决于合成气的总流量以及合成气的成分，即其氢含量。图5中的黑色箭头显示了从系统中获取电力的位置。此时的负载不可预测，但在当前时间是已知的。因此，该负载可用作控制待生产的合成气总量的指导。当进入重整器的气体的总流量改变时，合成气的组成也改变。后者的变化基于重整器的热性质。更多的气体意味着更高的温度。这改变了热力学平衡.因此，合成气的组成和重整器出口温度改变。这意味着之前提到的控制阶段需要调节甲烷和空气之间的比例，以便······222第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲206图四、转化装置管道仪表图浅色箭头表示气体通过系统的路径。圆圈标记受控过程变量。图片由Constantin Wagner提供。图五、燃料电池的管道和仪表图浅色箭头表示气体通过系统的路径黑色箭头暗示了从系统中获取的电力。图片由Constantin Wagner提供。重新获得合成气的正确组成。这是不同控制回路之间的互连。燃料电池厂是建立在一个封闭的，可移动的钻机。该装置有一个透明的前面，使学生可以看到植物的内部结构出于安全原因，开放式结构是不可能的封闭钻机内的通风系统通过排气系统将钻机内的空气泵出。这样做是为了稀释废气，含有一氧化碳由于钻机是封闭的，内部的空气被抽出，因此没有将一氧化碳排放到实验室的危险该装置的控制软件采用基于ACPLT技术的功能块系统。功能块系统在消费者或工业计算机上的软SPS中工作。目前该系统可以在ARM上使用X86架构对于燃料电池工厂，基于X86的工业PC用作控制器。的其他实例同样的控制软件在实验室的消费者电脑上运行。功能块系统可以与其他软件组件（如Matlab-Simulink）进行通信。这是必要的，让学生在不同的任务并行工作。4. 新工厂互联控制回路的行为是不容易想象的。这种行为可以在实验室中得到很好的证明在这一章中，我们介绍了新的实验与燃料电池厂，并显示这些实验是如何融入实验室作为一个整体。关于燃料电池设备，前面提到的两个控制回路（重整器出口温度和电负载）是互连等级最高的回路。工厂内有更多的控制回路，但互连较少但即使是这些影响彼此时，没有调整好。例如，在反应器之间存在一些热交换器以将入口温度调节到适当的值。当用于这些热交换器的控制器未被调整以适应其它回路的行为时，温度可能达到对设备危险的值。学生们三人一组做所有的实验。实验室里至少有三组人同时工作。新实验的基本思想是，每组在燃料电池工厂的不同控制回路上工作。然后将控制器放在一起并作为一个整体进行测试。学生们在做新实验之前先把这门课通常的实验过一遍.这些实验引入开环和闭环控制器。有些练习涉及PID控制器的整定。因此，学生们现在掌握了调整这种控制器的基本技术。有了这些知识，学生们开始在新工厂的控制回路之一。新实验的第一步是介绍燃料电池重整系统。为此，使用燃料电池工厂然后，每个组从调整一个PID控制器开始。其他控制器使用预定义值进行调整，以获得令人满意的性能。这些小组反对模拟工厂。因此，它们可以自由地、没有危险地试验和调整它们的控制器。模拟由简单的IO模型组成，代表工厂的有趣部分。大多数模型考虑两个或三个传感器和一个执行器。由于工厂内的化学反应，所使用的数学描述由二阶非线性微分方程组成。在Matlab-Simulink中编写了被控对象的仿真程序第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲207它与工厂控制软件的一个实例相耦合。每组学生使用自己的控制软件和模拟实例。因此，小组可以独立工作。当所有组都认为他们的控制器调优满意时，所有控制器的调优参数都放在控制软件的另一个实例尽管如此，这个实例仍然可以对抗模拟。在整个工厂的模拟运行中，可以看到互连控制回路的影响在这种情况下，对整个工厂的控制很可能无法正常工作这是学生们要记住的一相互连接的控制器必须在整个系统中进行调整当发现这一点时，学生们将系统作为一个整体来改变他们的调谐参数。在这一步中，小组合作。当参数对于模拟工作良好时，它们针对真实工厂进行测试。对于这些最终测试，使用预定义的负载轨迹。学生们事先并不知道这个轨迹所以他们不能只为这个轨迹优化控制器。这就完成了实验室的实践部分。在实践部分之后，还有一个解释部分。在这一部分中，将展示控制燃料电池重整器系统的新可能性。这些可能性包括用于单个系统以及用于整个系统的模型预测控制器和用于估计合成气组成的数据驱动模型（神经元这些主题将在未来的实验室中得到深化目前，新的实验被纳入实验课程。5. 结论由于互联控制器的行为是不容易想象的动手实验室似乎有希望教这个话题。通过在过程控制工程主席实验室的新实验，我们打算以实际的方式向学生介绍这个主题。学生们以小组为单位研究燃料电池重整系统的不同这些控制器由于工厂结构而相互连接。每组学生调整一个控制器。当控制器的表现令人满意时，它们被放在一起来控制整个系统。在这一点上，控制策略很可能失败。因此，学生们看到了控制器之间的影响点之后，学生们合作对整个系统进行调优。实践课程结束时，对整体控制策略进行测试，并对燃料电池重整系统的新控制策略进行说明学生们首先对植物进行模拟。因此，不存在对自身或设备造成损坏的风险。当整体控制策略已被证明是可行的，最后的测试是针对实际工厂进行的。工厂建在一个封闭的钻井平台上。钻机内部的空气不断被抽出。因此，没有气体排放到实验室的危险。这对于安全的实验室课程非常重要。引用Abdulwahed，M.，Nagy，Z.，2008.走向建构主义实验室教育：过程控制实验室的案例研究。In：FIE 2008.第38届年会p. S1B 914。休斯，C.，图希，S.，Hatherly，S.，1992.培养以学习为 中 心 的 培 训 员 和 辅 导 员 。 Studies in ContinuingEducation 14（1），14Kolb，D.，一九八四年经验学习：经验作为学习和发展的源泉。普伦蒂斯·霍尔Krausser，T.，埃弗茨湖埃普尔，美国，2012年6月。一个工业硬件、过程控制和先进自动化的动手实验室。ACE 2012：第九届IFAC研讨会控制教育的进展。妈，杰，Nickerson，J.，2006.动手，模拟和远程实验室：比较文献综述。ACM Computing Surveys 38（3）.Weickgenannt，M.，Sawodny，O.，2012.固定式燃料电池 系 统 之 有 效 氢 气 产 生 。 IEC 控 制 系 统 杂 志 32（2），54