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WO2001040883A1 - Method for a data-based modeling of technical processes - Google Patents

Method for a data-based modeling of technical processes Download PDF

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Publication number
WO2001040883A1
WO2001040883A1 PCT/EP2000/011842 EP0011842W WO0140883A1 WO 2001040883 A1 WO2001040883 A1 WO 2001040883A1 EP 0011842 W EP0011842 W EP 0011842W WO 0140883 A1 WO0140883 A1 WO 0140883A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
defining
input
specifying
instructions
branches
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/011842
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stephan Freyer
Peter Marenbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to AU20025/01A priority Critical patent/AU2002501A/en
Publication of WO2001040883A1 publication Critical patent/WO2001040883A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Definitions

  • the invention relates to a method for modeling technical processes such as e.g. Process engineering processes in which, for example, chemical synthesis processes or biotechnological processes take place, in which metabolic processes are used.
  • technical processes such as e.g. Process engineering processes in which, for example, chemical synthesis processes or biotechnological processes take place, in which metabolic processes are used.
  • model-based methods are also used to develop new processes or improve the cost-effectiveness of old processes and to identify potential weak points.
  • data-driven modeling In the case of data-driven methods, one proceeds empirically and looks for a model that describes the observed process behavior, whereas the theoretical knowledge, for example about physical laws, is the starting point for analytical model formation.
  • the model building tool should therefore not only limit data-based knowledge acquisition to the setting of numerical parameters, but also continuously improve and adapt the model structure.
  • the data-based model structure generation considered here represents an iterative optimization. In order to bring about a match between model and real process behavior. The optimization strategy that is followed is of crucial importance. Unlike parameter optimization, structures can be optimized variable length do not define gradients or directions. Therefore, iterative progress in the form of random or heuristic steps is necessary. With the iterative progress, the use of evolutionary algorithms (Kursawe Frank and Hans Paul Schwefel 1997, Optimization of Evolutionary Algorithms. ATP Automation Practice 39 (9), pages 10 to 17). proven.
  • the said tree structure is based on a syntax on the basis of which it can be converted into an interpretable solution structure, the syntax also being contained in variation operations.
  • a representation of a process model consists in an equation-oriented coding.
  • Internal nodes and connection nodes correspond directly to mathematical equations because the structure of the tree structure on recursive Calculation steps with a digital computer is oriented.
  • a weakness of the equation-oriented coding is that only comparatively simple tasks can be considered. Necessary constants are put together from a set of randomly chosen constants, which leads to very extensive and elongated expressions.
  • the block diagram itself is formulated in a tree structure.
  • the signal flow in the block diagram corresponds to the direction from the branches to the trunk in the tree structure.
  • branches can only be made against the signal flow, ie from the output to the input variables. Branches in which a size or intermediate size affects several paths of the overall model are not possible. Another disadvantage is that with this procedure, the input variable is only selected as the last step in the sense of selecting a final node.
  • the object of the invention is to optimize process engineering processes using a model. This requires a process that is able to independently improve the model structure, whereby existing models can also be assumed.
  • this object is achieved by a method for modeling the behavior of technical processes, for example process engineering processes, using models, the model of the technical process or processes being represented as a block diagram and using genetic programming for finding model structure with an indirect block-oriented coding in one Tree structure is coded, following the following process steps:
  • a tree structure contains structure-defining branches and input-specifying branches
  • structure-defined branches consist of structure-defined instructions
  • input-specifying branches consist of input-specifying instructions whereby structure-defining instructions themselves can originate both structure-defining and input-specifying branches
  • the tree structure contains a root from which both a structure-defining branch and an input-specifying branch extend.
  • the model which depicts the process or processes to be optimized can essentially be composed of structure-defining instructions which, for example, represent model blocks with an input variable.
  • structure-defining statements can also define link operators.
  • input-specifying instructions preferably represent model input variables; references to output variables of other tree structures or constants can also be represented in this form.
  • input-specific branches In addition to the root of a tree structure, the input-specific branches only assume instructions that branch in the block diagram.
  • a model for describing a biotechnological process are provided, in which an educt is taken up by microorganisms, modified and excreted as a product.
  • La is a block diagram with a delay element of the second order and a dead time element
  • FIG. 2 a tree structure of the indirect coding with structure-defining and input-specifying branches describing the block diagram from FIG.
  • FIG. 3 shows the block diagram after interpretation of the elements of the first level of the tree structure according to FIG. 2,
  • Fig. 4 shows the block diagram after interpreting the elements of the second level
  • FIG. 5 shows the block diagram after interpretation of the elements of the third level of the tree structure according to FIG. 2,
  • FIG. 6 shows the block diagram after interpretation of the entire tree structure according to FIG. 2
  • 7 shows the realization of a feedback loop with a second order delay element
  • FIG. 8 shows a tree structure for describing a block diagram with multiplicative coupling of two parallel paths
  • Fig. 9 represents the first of the listed examples
  • La shows a block diagram with a delay element of the second order and a dead time element.
  • the block diagram has two input variables 1 and 2, namely ui and u.
  • the input signal passes through two model blocks 3 and 4 before it is passed together with the first input signal 1 to a summation point 5, at which the output signal 6 is formed.
  • the associated tree structure 7 is shown in FIG. 1b, which is shown in a direct block-oriented representation form. In this case, branches against the signal flow are not possible due to the strict tree structure. Branches in which, for example, an intermediate variable influences several paths of the overall model are not provided.
  • FIG. 2 shows a tree structure for describing a block diagram in indirect coding with structure-defining and input-specifying instructions.
  • the tree structure 10 shown can be divided into three levels 13, 14 and 16.
  • the input-specifying instruction 13.1 represents the first influencing variable on the output Y represented by the root 15, which runs in an input-specifying branch 12 of the tree structure 10.
  • the structure-defining branch 11 contains an addition node 13.2, that is to say a structure-defining instruction, from which the structure-defining part branches to levels 14, 16 below.
  • the underlying second level 14 contains an input-specifying branch 12, via which the input-specifying instruction 14.1 is connected to the branching point 13.2 of the first level 13 lying above it.
  • the second level 14 there are a termination instruction 14.2 which closes a gap in the block diagram and a branch instruction 14.3 with which it is possible to selectively connect several model blocks in series.
  • the nodes 14.2 and 14.3 mentioned lie in the structure-defining branch 11 of the tree structure 10; Since the addition instruction 13.2 in the first level 13 results in a branching in the block diagram, the tree structure 10 according to FIG. 2 contains not only two structure-defining branches 11 starting from the instruction 13.2, but also the input-specifying branch 12.
  • the structure-specifying instruction 14.2 can be used to produce a conclusion of the tree structure 10 at this well-defined point.
  • instruction 14.2 represents a termination instruction.
  • structure-specifying instruction 14.3 can be used to selectively connect several blocks in series.
  • FIG. 3 to 6 show how a block diagram can be developed successively, in accordance with the levels 13, 14 and 16 of the tree structure 10 according to FIG. 2 described.
  • FIG. 3 shows the result of the input-specifying instruction 13.1, which influences the output variable y via an addition instruction 13.2. Since the addition instruction 13.2 branches further, its outlines are only shown in dashed lines. As can be seen, the output signal y is initially only dependent on the input-specifying instruction 13.1.
  • FIG. 4 shows the effect of the elements of the second level 14. The input-specifying instruction shown in the tree structure 10 according to FIG. 2 in the second level 14
  • 14.1 serves as the input variable for the new path; this is described by the left of the two structure-defining branches 11 from 13.2 to 14.2 and 14.3 lying in the second plane 14.
  • the indirect coding described here results in improved search behavior when using the evolutionary optimization strategy of the shape, that more compact models are created which are limited to the dominant effects and are easier for the user to interpret.
  • FIGS. 7 and 8 show design variants of feedback loops and multiplicative coupling of two parallel branches.
  • FIG. 7 shows how a block diagram with inhibitory feedback is encoded in the tree structure.
  • the structure-defining instruction 19 is interpreted as a branch point in the block diagram.
  • instruction 19 contains the information that the left structure-defining branch originating from the node describes the forward path of the loop and the right describes the feedback path in the block diagram.
  • both paths are linked on the input side to a subtraction point.
  • 8 shows a multiplicative coupling of two parallel branches as a tree structure and as a block diagram.
  • the input-specifying instruction 25 can accordingly be taken into account as an input variable in two different branches of the block diagram, which is not possible with the direct coding according to FIG. 1b.
  • the fermentation of recombinant Escherichia coli bacteria may be mentioned as exemplary processes whose behavior could be optimized by means of the method described above. Fermentation is a sub-step of a complex synthesis process for the artificial production of a protein suitable for cancer therapy. This active ingredient has so far been obtained from a plant extract. In order to ensure high purity and in particular a defined concentration of the active ingredient, a high level of technological effort is necessary. A number of biological and chemical reactions are required to synthesize the active substance. An essential process here is the fermentative production of the protein in a stirred tank reactor. Genetically modified, recombinant Escherichia Koli bacteria serve as the production strain. They start production in the presence of an activating substance (inductor).
  • an activating substance inductor
  • Glycose is added during the fermentation in order to keep its concentration neither in the limiting nor in the inhibiting range between 10 and 25 g / l.
  • the addition of oxygen beyond the usual gassing of the reactor is dispensed with. It is characteristic of this process that the growth behavior of the cells changes completely upon induction, ie when the inductor (isopropyl- ⁇ -D-thiogalactopyranoside) is added.
  • the microorganisms stop growing and are devoted almost exclusively to product formation. Since after a while even the proteins necessary for the survival of the cells are no longer available in sufficient quantities, the process passes into the death phase after a comparatively short production phase, regardless of the oxygen and glycose availability. Important process parameters of this process can be optimized based on models.
  • FIG. 9 A tree structure according to the invention, which describes the process outlined here, is shown in FIG. 9.
  • Another example is an enzymatic conversion in which a biotechnologically obtained enzyme is used.
  • the reactor is filled with water and a varying concentration of an enzyme at the start of the reaction.
  • a reactant E A is zugefuttert continuously.
  • a product is created as well as two intermediate products and a by-product.
  • Product formation takes place in two different ways.
  • the chemical reaction results in a chemical equilibrium between the two enantiomers of the feed educt E A and the corresponding enantiomer of the product.
  • only an R-form of the product is generated, which is why one speaks of an enzyme-catalyzed synthesis.
  • the kinetics of the chemical conversion were known, while there was great uncertainty for the enzyme kinetics.
  • the effects of varying enzyme kinetics can be run through using the method described above and the resulting consequences can be estimated.
  • ethoxylation is a highly complex process.
  • a reactor is at the beginning of the reaction the educts EQ, the solvent E L and the catalyst Co.
  • the ethoxylation process is also operated as a semi-batch process, with the educt E N being added.
  • the products P G and Pi as well as a number of by-products (BB, B, BE, B K , BM) and intermediates (Iß, IR, I S , I D , I H ) exist - in the reaction balances of the 17th
  • the substances involved also deal with the chemical back and forth reactions taking place in the reactor. The behavior of this highly complex process could be described using the process described above.
  • the method according to the invention can also be used for computer-aided controller design.
  • Tree structure structure -defining branch input-specifying branch first level 13.1 input-specifying instruction
  • Termination node first model block second model block feedback loop end multiplicative coupling block diagram K 24.
  • second parallel circuit first parallel circuit 25.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for modeling the behavior of technical processes, for example industrial processes using block diagrams (3, 4), the model of the industrial process or processes being encoded in a tree structure (7, 10). Said tree structure (10) comprises structure-defining branches (11) and input-specifying branches (12). The structure-defining branches (11) consist of structure-defining instructions (for example 13.2, 14.2, 14.3, 16.1 and 16.2), the input-specifying branches consist of input-specifying instructions (for example 13.1, 14.1). Both structure-defining and input-specifying branches (11 or 12) may issue forth from the structure-defining instructions. The tree structure (10) comprises a root (15) from which both a structure-defining branch (11) and an input-specifying branch (12) may issue forth.

Description

Verfahren zur datengetriebenen Modellierung technischer Prozesse Process for data-driven modeling of technical processes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Modellierung technischer Prozesse wie z.B. verfahrenstechnischer Prozese, in denen beispielsweise chemische Synthesevorgänge oder biotechnologische Prozesse ablaufen, bei denen Stoffwechselvorgänge genutzt werden.The invention relates to a method for modeling technical processes such as e.g. Process engineering processes in which, for example, chemical synthesis processes or biotechnological processes take place, in which metabolic processes are used.

Zur Optimierung technischer Prozesse bedient man sich vielfach der Methode der Modellbildung, um Versuche vorzuplanen, aufwendige Labor- und Technikumsexperimente zu reduzieren und meßtechnische Probleme im voraus zu erkennen und zu beheben. Auch bei der Entwicklung neuer Prozesse oder der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit alter Verfahren sowie der Erkennung potentieller Schwachstellen werden modellbasierte Methoden eingesetzt. Bei der Generierung von Modellen wird zwischen Methoden der datengetriebenen Modellbildung und solchen der analytischen Modellbildung unterschieden. Bei datengetriebenen Methoden geht man empirisch vor und sucht ein Modell, welches das beobachtete Prozeßverhalten beschreibt, dagegen stellt bei der analytischen Modellbildung das theoretische Wissen beispielsweise über physikalische Gesetze den Ausgangspunkt dar.To optimize technical processes, the method of modeling is often used in order to plan experiments, to reduce time-consuming laboratory and pilot plant experiments, and to identify and correct measurement problems in advance. Model-based methods are also used to develop new processes or improve the cost-effectiveness of old processes and to identify potential weak points. When generating models, a distinction is made between methods of data-driven modeling and those of analytical modeling. In the case of data-driven methods, one proceeds empirically and looks for a model that describes the observed process behavior, whereas the theoretical knowledge, for example about physical laws, is the starting point for analytical model formation.

Auch bei der datengetriebenen Modellbildung ist es zweckmäßig, das vorhandene Expertenwissen soweit wie möglich zu nutzen, um es zu vervollständigen und zu erweitern. Das Modellbildungswerkzeug sollte daher den datenbasierten Wissenserwerb nicht nur auf die Einstellung numerischer Parameter beschränken, sondern auch die Modellstruktur kontinuierlich verbessern und adaptieren. Die hier betrachtete datenbasierte Modellstrukturgenerierung stellt eine iterativ ablaufende Optimierung dar. um eine Übereinstimmung zwischen Modell- und realem Prozeßverhalten herbeizuführen. Von ausschlaggebender Bedeutung ist die Optimierungsstrategie, nach der vorgegangen wird. Anders als bei einer Parameteroptimierung lassen sich für die Optimierung von Strukturen variabler Länge keine Gradienten oder Richtungen definieren. Daher ist ein iteratives Voranschreiten in Form von zufälligen oder heuristisch erfolgenden Schritten notwendig. Beim iterativen Voranschreiten hat sich der Einsatz von evolutionären Algorithmen (Kursawe Frank und Hans Paul Schwefel 1997, Optimierung von evolutionären Algorithmen. ATP-automatisierungstechnische Praxis 39 (9), Seiten 10 bis 17). bewährt. Diesen ist gemeinsam, daß sie Mechanismen der natürlichen Evolution zur Lösung technischer Optimierungsprobleme heranziehen. Unterscheidungsmerkmale der evolutionären Optimierungskonzepte ist insbesondere deren Repräsentationsform, das heißt die Codierung, mit welcher sich der Lösungsraum intern darstellen läßt. Als Ansatz zur datengetriebenen Erzeugung von Modellstrukturen bedient man sich der genetischen Programmierung (Koza John 1990, Genetic Programming: a Paradigm for Genetically Breeding Populations of Computer Programs to Solve Problems, technischer Bericht STAN-CS-90-1314 Computer Since Department Stanford University California), Koza John R. (1992): Genetic Programming: On the Programing of Computer by Means of Natural Selection, The MIT Press. Cambridge, Massachusetts, USA), bei der die Lösung in einer Baumstruktur variabler Größe kodiert ist. Innerhalb dieser Baumstruktur werden innere Knoten, von denen mindestens ein Ast abzweigt, und Abschlußknoten, die keinen weiteren Verzweigungen aufweisen, unterschieden. Der besagten Baumstruktur liegt eine Syntax zugrunde, anhand der sie in eine interpretierbare Lösungsstruktur überführbar ist, wobei die Syntax auch in Variationsoperationen enthalten ist.When it comes to data-driven modeling, it is advisable to use the existing expert knowledge as far as possible to complete and expand it. The model building tool should therefore not only limit data-based knowledge acquisition to the setting of numerical parameters, but also continuously improve and adapt the model structure. The data-based model structure generation considered here represents an iterative optimization. In order to bring about a match between model and real process behavior. The optimization strategy that is followed is of crucial importance. Unlike parameter optimization, structures can be optimized variable length do not define gradients or directions. Therefore, iterative progress in the form of random or heuristic steps is necessary. With the iterative progress, the use of evolutionary algorithms (Kursawe Frank and Hans Paul Schwefel 1997, Optimization of Evolutionary Algorithms. ATP Automation Practice 39 (9), pages 10 to 17). proven. These have in common that they use mechanisms of natural evolution to solve technical optimization problems. The distinguishing feature of the evolutionary optimization concepts is, in particular, their form of representation, i.e. the coding with which the solution space can be represented internally. Genetic programming is used as an approach to the data-driven generation of model structures (Koza John 1990, Genetic Programming: a Paradigm for Genetically Breeding Populations of Computer Programs to Solve Problems, technical report STAN-CS-90-1314 Computer Since Department Stanford University California) , Koza John R. (1992): Genetic Programming: On the Programming of Computer by Means of Natural Selection, The MIT Press. Cambridge, Massachusetts, USA), in which the solution is encoded in a tree structure of variable size. Within this tree structure, a distinction is made between inner nodes, of which at least one branch branches off, and terminating nodes, which have no further branches. The said tree structure is based on a syntax on the basis of which it can be converted into an interpretable solution structure, the syntax also being contained in variation operations.

Bei Einsatz der genetischen Programmierung zur Generierung eines Modells ergeben sich Freiheitsgrade dergestalt, daß die Repräsentationsform, in der die zu optimierende Struktur als Baum kodiert wird, freier vorwählbar ist. Die iterative Vorgehensweise bei der Verwendung evolutionärer Algorithmen impliziert, daß eine neue Lösung nur aus Variationsoperationen einer vorangegangenen Lösung hervorgeht. Daher sind Kodierungen der zu optimierenden Struktur anzustreben, bei denen eine mögliche Lösung in möglichst wenigen Variationsschritten in jede andere Lösung überfuhrt werden kann.When using genetic programming to generate a model, there are degrees of freedom such that the form of representation in which the structure to be optimized is encoded as a tree can be freely selected. The iterative procedure when using evolutionary algorithms implies that a new solution only results from variation operations of a previous solution. Coding of the structure to be optimized should therefore be aimed for, in which a possible solution can be converted into any other solution in as few variation steps as possible.

Eine Repräsentationsmöglichkeit eines Prozeßmodells besteht in einer gleichungs- orientierten Kodierung. Interne Knoten und Anschlußknoten entsprechen dabei mathematischen Gleichungen direkt, weil der Aufbau der Baumstruktur an rekursiven Berechnungsschritten mit einem Digitalrechner orientiert ist. Eine Schwäche der gleichungsorientierten Kodierung liegt darin, daß nur vergleichsweise einfache Aufgabenstellungen in Betracht gezogen werden können. Notwendige Konstanten werden aus einer Menge zufällig gewählter Konstanten zusammengesetzt, was zu sehr umfangreichen und länglichen Ausdrücken führt.A representation of a process model consists in an equation-oriented coding. Internal nodes and connection nodes correspond directly to mathematical equations because the structure of the tree structure on recursive Calculation steps with a digital computer is oriented. A weakness of the equation-oriented coding is that only comparatively simple tasks can be considered. Necessary constants are put together from a set of randomly chosen constants, which leads to very extensive and elongated expressions.

Ein weiterer Nachteil einer gleichungsorientierten Kodierung ist darin zu erblicken, daß vermutete Abhängigkeiten und Wechselbeziehungen sowie deren Dynamik nur unzureichend abgebildet werden können. Die so automatisch generierten Modelle sind für den Benutzer nur schwer zu interpretieren und daher nicht transparent.Another disadvantage of an equation-oriented coding is that presumed dependencies and interrelationships and their dynamics can only be mapped inadequately. The automatically generated models are difficult to interpret for the user and therefore not transparent.

Es hat sich herausgestellt, daß Blockschaltbilder für eine datengetriebene Modellstruktursuche einen geeigneteren Ansatz darstellen, als die gleichungsorientierte Darstellung. Bei der Kodierung dieser Repräsentationsform in eine von der genetischen Programmierung zu optimierende Struktur, stehen die verwendeten Knoten jeweils für einen Modellblock. Notwendige Konstanten, die auch in den Modellblöcken enthalten sein können, werden durch klassische Optimierungsstrategien, wie z.B. das Rosenbrock, Hoke- Jeeves oder Gauß-Newton- Verfahren ermittelt.It has been found that block diagrams for a data-driven model structure search represent a more suitable approach than the equation-oriented representation. When coding this form of representation into a structure to be optimized by genetic programming, the nodes used each represent a model block. Necessary constants, which can also be contained in the model blocks, are determined by classic optimization strategies, such as the Rosenbrock, Hoke-Jeeves or Gauss-Newton method.

In der direkten blockorientierten Kodierung wird das Blockschaltbild selbst in einer Baumstruktur formuliert. Der Signalfluß im Blockschaltbild entspricht dabei der Richtung von den Ästen zum Stamm in der Baumstruktur. Die Wurzel einer Baumstruktur repräsentiert die Ausgangsgröße des Modelles, von der aus das Modell hin zu den Eingangsgrößen, die durch die Endpunkte (= Blätter) der Baumstruktur kodiert sind, entwickelt wird.In the direct block-oriented coding, the block diagram itself is formulated in a tree structure. The signal flow in the block diagram corresponds to the direction from the branches to the trunk in the tree structure. The root of a tree structure represents the initial size of the model, from which the model is developed to the input sizes, which are coded by the end points (= leaves) of the tree structure.

Daraus ergibt sich, daß bei der direkten blockorientierten Kodierung aufgrund der strikten Baumstruktur Verzweigungen nur entgegen dem Signalfluß, d.h. von der Ausgangs- zu den Eingangsgrößen hin erfolgen können. Verzweigungen, bei denen eine Größe oder Zwischengröße mehrere Pfade des Gesamtmodelles beeinflußt, sind nicht möglich. Nachteilig ist ferner, daß bei dieser Vorgehensweise die Eingangsgröße erst als letzter Schritt im Sinne der Auswahl eines abschließenden Knotens ausgewählt wird.It follows from this that in direct block-oriented coding, due to the strict tree structure, branches can only be made against the signal flow, ie from the output to the input variables. Branches in which a size or intermediate size affects several paths of the overall model are not possible. Another disadvantage is that with this procedure, the input variable is only selected as the last step in the sense of selecting a final node.

Schließlich ist es bei der Methode der direkten blockorientierten Kodierung von Nachteil, daß es bei Anwendung der oben erwähnten evolutionären Optimierungsstrategie zu einer gehäuften Hintereinanderschaltung von Blöcken kommt, hingegen sind unterschiedliche Einflüsse durch parallele Pfade additiver oder auch multiplikativer Natur nicht darstellbar.Finally, with the method of direct block-oriented coding, it is disadvantageous that when the above-mentioned evolutionary optimization strategy is used, blocks are cascaded in series, whereas different influences due to parallel paths of an additive or multiplicative nature cannot be represented.

Ausgehend von den skizzierten Lösungsversuchen aus dem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verfahrenstechnische Abläufe anhand eines Modelles zu optimieren. Hierzu wird ein Verfahren benötigt, welches in der Lage ist, selbständig die Modellstruktur zu verbessern, wobei auch von schon vorhandenen Modellen ausgegangen werden kann.Based on the outlined attempts to solve the prior art, the object of the invention is to optimize process engineering processes using a model. This requires a process that is able to independently improve the model structure, whereby existing models can also be assumed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Modellierung des Verhaltens technischer Prozesse, beispielsweise verfahrenstechnischer Prozesse gelöst, unter Heranziehung von Modellen, wobei das Modell des oder der technischen Prozesse als Blockschaltbild dargestellt und bei Anwendung der genetischen Programmierung zur Modellstrukturfindung mit einer indirekten blockorientierten Kodierung in einer Baumstruktur kodiert wird, wobei nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden:According to the invention, this object is achieved by a method for modeling the behavior of technical processes, for example process engineering processes, using models, the model of the technical process or processes being represented as a block diagram and using genetic programming for finding model structure with an indirect block-oriented coding in one Tree structure is coded, following the following process steps:

eine Baumstruktur enthält strukturdefinierende Zweige und eingangsspezifizierende Zweige,a tree structure contains structure-defining branches and input-specifying branches,

strukturdefinierte Zweige bestehen aus strukturdefinierten Anweisungen, eingangsspezifizierende Zweige aus eingangsspezifizierenden Anweisungen wobei von strukturdefinierenden Anweisungen selbst sowohl strukturdefinierende als auch eingangsspezifizierende Zweige ausgehen können,structure-defined branches consist of structure-defined instructions, input-specifying branches consist of input-specifying instructions whereby structure-defining instructions themselves can originate both structure-defining and input-specifying branches,

die Baumstruktur enthält eine Wurzel, von der aus sich sowohl ein strukturdefinierender Zweig als auch ein eingangsspezifizierender Zweig erstreckt. Gemäß des vorgeschlagenen Verfahrens läßt sich das den oder die zu optimierenden Prozesse jeweils abbildende Modell im wesentlichen aus strukturdefinierenden Anweisungen zusammensetzen, die beispielsweise Modellblöcke mit einer Eingangsgröße darstellen.the tree structure contains a root from which both a structure-defining branch and an input-specifying branch extend. According to the proposed method, the model which depicts the process or processes to be optimized can essentially be composed of structure-defining instructions which, for example, represent model blocks with an input variable.

Daneben können strukturdefinierenden Anweisungen auch Verknüpfungsoperatoren definieren.In addition, structure-defining statements can also define link operators.

Demgegenüber werden durch eingangsspezifizierende Anweisungen vorzugsweise Modelleingangsgrößen dargestellt; auch können Referenzen auf Ausgangsgrößen anderer Baumstrukturen oder Konstanten in dieser Form repräsentiert werden. Die eingangsspezifischen Zweige gehen außer von der Wurzel einer Baumstruktur nur von solchen Anweisungen aus, die eine Verzweigung im Blockschaltbild bewirken.In contrast, input-specifying instructions preferably represent model input variables; references to output variables of other tree structures or constants can also be represented in this form. In addition to the root of a tree structure, the input-specific branches only assume instructions that branch in the block diagram.

In den derart als Baumstrukturen kodierten Prozeßmodellen können rückkoppelnde Schleifen dargestellt werden.In the process models coded as tree structures in this way, feedback loops can be represented.

Dazu gehen von einer strukturdefinierenden Anweisung mehrere strukturdefinierende Zweige ab, die jeweils einen parallelen Pfad beschreiben. Jeder dieser parallelen Pfade ist mit der gleichen Eingangsgröße verbunden, welche ihrerseits durch eine eingangsspezifizierende Anweisung repräsentiert wird.To do this, a structure-defining statement is followed by several structure-defining branches, each of which describes a parallel path. Each of these parallel paths is connected to the same input variable, which in turn is represented by an input-specifying instruction.

Die mit dieser Lösung einhergehenden Vorteile liegen unter anderem darin, daß eine gemäß der vorgeschlagenen Verfahrensweise erfolgende Modellauslegung eine Modellstruktur zur Verfügung stellt, die sich ständig verbessert. Es ist ein schrittweises, iteratives Vorgehen bei der Modellermittlung möglich, bei dem das aus vorhergehenden Itrationsschritten erhaltene Ergebnis schrittweise berücksichtigt und weiterentwickelt wird und interaktiv beeinflußbar ist.The advantages associated with this solution are, inter alia, that a model design which is carried out in accordance with the proposed procedure provides a model structure which is constantly improving. A step-by-step, iterative approach to model determination is possible, in which the result obtained from previous iteration steps is taken into account step by step and developed further and can be influenced interactively.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zur Bildung eines einen technischen Prozeß abbildenden Modelles kann beispielsweise ein Modell zur Beschreibung eines biotechnologischen Prozesses bereitgestellt werden, bei dem ein Edukt von Mikroorganismen aufgenommen, modifiziert und als Produkt wieder ausgeschieden wird.With the method proposed according to the invention for forming a model depicting a technical process, for example, a model for describing a biotechnological process are provided, in which an educt is taken up by microorganisms, modified and excreted as a product.

Anhand einer Zeichnung werden die zur datengetriebenen Modellbildung benötigten Kodierungen näher erläutert.The codes required for data-driven modeling are explained in more detail using a drawing.

Es zeigt:It shows:

Fig. la ein Blockschaltbild mit einem Verzögerungsglied zweiter Ordnung sowie einem Totzeitglied,La is a block diagram with a delay element of the second order and a dead time element,

Fig. lb dessen zugehörige Baumstruktur in direkter Kodierung,Lb its associated tree structure in direct coding,

Fig. 2 eine das Blockschaltbild aus Fig. la beschreibende Baumstruktur der indirekten Kodierung mit strukturdefinierenden und eingangsspezifizierenden Zweigen,2 a tree structure of the indirect coding with structure-defining and input-specifying branches describing the block diagram from FIG.

Fig. 3 das Blockschaltbild nach Interpretation der Elemente der ersten Ebene der Baumstruktur nach Fig. 2,3 shows the block diagram after interpretation of the elements of the first level of the tree structure according to FIG. 2,

Fig. 4 das Blockschaltbild nach Interpretation der Elemente der zweiten Ebene derFig. 4 shows the block diagram after interpreting the elements of the second level

Baumstruktur nach Fig. 2 mit eingangsspezifizierenden Anweisungen dieser Ebene,2 with input-specifying instructions of this level,

Fig. 5 das Blockschaltbild nach Interpretation der Elemente der der dritten Ebene der Baumstruktur nach Fig. 2,5 shows the block diagram after interpretation of the elements of the third level of the tree structure according to FIG. 2,

Fig. 6 das Blockschaltbild nach Interpretation der gesamten Baumstruktur nach Fig. 2, Fig. 7 die Realisierung einer Rückkopplungsschleife mit einem Verzögerungsglied zweiter Ordnung und6 shows the block diagram after interpretation of the entire tree structure according to FIG. 2, 7 shows the realization of a feedback loop with a second order delay element and

Fig. 8 eine Baumstruktur zur Beschreibung eines Blockschaltbildes mit multiplikativer Verkopplung zweier paralleler Pfade, und8 shows a tree structure for describing a block diagram with multiplicative coupling of two parallel paths, and

Fig. 9 eine das erst genannte der aufgeführten Beispiele repräsentierendeFig. 9 represents the first of the listed examples

Baumstruktur.Tree structure.

Die Darstellung gemäß Fig. la zeigt ein Blockschaltbild mit einem Verzögerungsglied zweiter Ordnung und einem Totzeitglied.La shows a block diagram with a delay element of the second order and a dead time element.

Das Blockschaltbild besitzt zwei Eingangsgrößen 1 und 2, nämlich ui und u . Das Eingangssignal durchläuft zwei Modellblöcke 3 bzw. 4 bevor es mitsamt des ersten Eingangssignales 1 auf einen Summationspunkt 5 gegeben wird, an welchem das Ausgangssignal 6 gebildet wird. In Fig. lb ist die zugehörige Baumstruktur 7 wiedergegeben, die in direkter blockorientierter Repräsentationsform dargestellt ist. Hier sind Verzweigungen entgegen des Signalflusses wegen der strikten Baumstruktur nicht möglich. Verzweigungen, bei denen beispielsweise eine Zwischengröße mehrere Pfade des Gesamtmodelles beeinflußt, sind nicht vorgesehen.The block diagram has two input variables 1 and 2, namely ui and u. The input signal passes through two model blocks 3 and 4 before it is passed together with the first input signal 1 to a summation point 5, at which the output signal 6 is formed. The associated tree structure 7 is shown in FIG. 1b, which is shown in a direct block-oriented representation form. In this case, branches against the signal flow are not possible due to the strict tree structure. Branches in which, for example, an intermediate variable influences several paths of the overall model are not provided.

Fig. 2 zeigt eine Baumstruktur zur Beschreibung eines Blockschaltbildes in der indirekten Kodierung mit strukturdefinierenden und eingangsspezifizierenden Anweisungen.2 shows a tree structure for describing a block diagram in indirect coding with structure-defining and input-specifying instructions.

Ausgehend von einer am Kopf der Baumstruktur 10 dargestellten Wurzel läßt sich die dargestellte Baumstruktur 10 in drei Ebenen 13, 14 und 16 unterteilen. Die eingangsspezifizierende Anweisung 13.1 stellt die erste Einflußgröße auf den durch die Wurzel 15 repräsentierten Ausgang Y dar, die in einem eingangsspezifizierenden Zweig 12 der Baumstruktur 10 verläuft. Demgegenüber ist im strukturdefinierenden Zweig 11 ein Additionsknoten 13.2, d.h. eine strukturdefinierende Anweisung enthalten, von der aus im strukturdefinierenden Teil in darunterliegende Ebenen 14, 16 verzweigt wird. Die darunterliegende zweite Ebene 14 enthält einen eingangsspezifizierenden Zweig 12, über den die eingangsspezifizierende Anweisung 14.1 mit der darüberliegenden Verzweigungsstelle 13.2 der ersten Ebene 13 verbunden ist. In der zweiten Ebene 14 liegen darüber hinaus eine Abschlußanweisung 14.2, die eine Lücke im Blockschaltbild schließt und eine Verzweigungsanweisung 14.3 vor, mit dem ein gezieltes Hintereinanderschalten mehrerer Modellblöcke möglich ist. Die genannten Knoten 14.2 bzw. 14.3 liegen im strukturdefinierenden Zweig 11 der Baumstruktur 10; da die Additionsanweisung 13.2 in der ersten Ebene 13 eine Verzweigung im Blockschaltbild zur Folge hat, sind in der Baumstruktur 10 gemäß Fig. 2 nicht nur zwei von der Anweisung 13.2 ausgehende strukturdefinierende Zweige 11 vorhanden, sondern darüber hinaus auch der eingangsspezifizierende Zweig 12.Starting from a root shown at the head of the tree structure 10, the tree structure 10 shown can be divided into three levels 13, 14 and 16. The input-specifying instruction 13.1 represents the first influencing variable on the output Y represented by the root 15, which runs in an input-specifying branch 12 of the tree structure 10. In contrast, the structure-defining branch 11 contains an addition node 13.2, that is to say a structure-defining instruction, from which the structure-defining part branches to levels 14, 16 below. The underlying second level 14 contains an input-specifying branch 12, via which the input-specifying instruction 14.1 is connected to the branching point 13.2 of the first level 13 lying above it. In addition, in the second level 14 there are a termination instruction 14.2 which closes a gap in the block diagram and a branch instruction 14.3 with which it is possible to selectively connect several model blocks in series. The nodes 14.2 and 14.3 mentioned lie in the structure-defining branch 11 of the tree structure 10; Since the addition instruction 13.2 in the first level 13 results in a branching in the block diagram, the tree structure 10 according to FIG. 2 contains not only two structure-defining branches 11 starting from the instruction 13.2, but also the input-specifying branch 12.

In der dritten Ebene 16 der Baumstruktur 10 gemäß Fig. 2 läßt sich durch die strukturspezifizierende Anweisung 14.2 ein Abschluß der Baumstruktur 10 an dieser wohl definierten Stelle erzeugen. Die Anweisung 14.2 stellt in diesem Sinne einen Abschlußanweisung dar. Hingegen kann durch die strukturspezifizierende Anweisung 14.3 ein gezieltes Hintereinanderschalten mehrerer Blöcke erreicht werden.In the third level 16 of the tree structure 10 according to FIG. 2, the structure-specifying instruction 14.2 can be used to produce a conclusion of the tree structure 10 at this well-defined point. In this sense, instruction 14.2 represents a termination instruction. In contrast, structure-specifying instruction 14.3 can be used to selectively connect several blocks in series.

Von der in der zweiten Ebene 14 vorgesehenen strukturdefinierenden Anweisung 14.3 ausgehend, bilden die Anweisungen 16.1 bzw. 16.2 der dritten Ebene 16 dieStarting from the structure-defining instruction 14.3 provided in the second level 14, the instructions 16.1 and 16.2 of the third level 16 form the

Abschlußanweisung des strukturdefinierenden Teiles 11 der Baumstruktur 10 gemäß Fig.Final instruction of the structure-defining part 11 of the tree structure 10 according to FIG.

2.Second

In die Fig. 3 bis 6 ist dargestellt, wie sich ein Blockschaltbild sukzessive, entsprechend der beschriebenen Ebenen 13, 14, und 16 der Baumstruktur 10 gemäß Fig. 2 entwickeln läßt.3 to 6 show how a block diagram can be developed successively, in accordance with the levels 13, 14 and 16 of the tree structure 10 according to FIG. 2 described.

Fig. 3 zeigt das Resultat der eingangsspezifizierende Anweisung 13.1, die über eine Additionsanweisung 13.2 die Ausgangsgröße y beeinflußt. Da die Additionsanweisung 13.2 noch weiterverzweigt, sind ihre Umrisse lediglich gestrichelt dargestellt. Wie ersichtlich, ist das Ausgangssignal y zunächst lediglich von der eingangsspezifizierenden Anweisung 13.1 abhängig. Fig. 4 zeigt die Auswirkung der Elemente der zweiten Ebene 14. Die in der Baumstruktur 10 gemäß Fig. 2 in der zweiten Ebene 14 dargestellte eingangsspezifizierende Anweisung3 shows the result of the input-specifying instruction 13.1, which influences the output variable y via an addition instruction 13.2. Since the addition instruction 13.2 branches further, its outlines are only shown in dashed lines. As can be seen, the output signal y is initially only dependent on the input-specifying instruction 13.1. FIG. 4 shows the effect of the elements of the second level 14. The input-specifying instruction shown in the tree structure 10 according to FIG. 2 in the second level 14

14.1 dient als Eingangsgröße für den neuen Pfad; dieser wird durch den linken der beiden strukturdefinierenden Zweige 11 von 13.2 zu 14.2 und 14.3 in der zweiten Ebene 14 liegend, beschrieben.14.1 serves as the input variable for the new path; this is described by the left of the two structure-defining branches 11 from 13.2 to 14.2 and 14.3 lying in the second plane 14.

In der Darstellung gemäß Fig. 5 sind die Veränderungen nach Interpretation der beiden strukturdefinierenden Anweisungen 14.2 und 14.3 dargestellt. Während aus der Anweisung5 shows the changes after interpreting the two structure-defining instructions 14.2 and 14.3. While out of the instruction

14.2 keine weitere Ergänzung im Blockschaltbild resultiert, bewirkt die Anweisung 14.3 eine Hintereinanderschaltung. Die hintereinander geschalteten Elemente werden durch die strukturdefinierende Anweisung 16.1 und 16.2 definiert. In Fig. 6 ist schließlich die Auswirkung der Interpretation der im strukturdefinierenden Zweig 11 der dritten Ebene 16 liegenden Abschlußanweisungen 16.1 bzw. 16.2 dargestellt. In die beiden Lücken wurden die Modellblöcke 17 bzw. 18 eingesetzt.14.2 no further addition results in the block diagram, the instruction 14.3 effects a series connection. The elements connected in series are defined by structure-defining instructions 16.1 and 16.2. 6 finally shows the effect of the interpretation of the closing instructions 16.1 and 16.2 in the structure-defining branch 11 of the third level 16. Model blocks 17 and 18 were inserted into the two gaps.

Im Vergleich zu der direkten Kodierung bewirkt die hier beschriebene indirekte Kodierung ein verbessertes Suchverhalten bei der Anwendung der evolutionären Optimierungsstrategie der Gestalt, daß kompaktere sich auf die dominanten Effekte beschränkende Modelle entstehen, die vom Anwender besser interpretierbar sind.Compared to direct coding, the indirect coding described here results in improved search behavior when using the evolutionary optimization strategy of the shape, that more compact models are created which are limited to the dominant effects and are easier for the user to interpret.

Die Figuren 7 und 8 zeigen Ausführungsvarianten von Rückkopplungsschleifen und multiplikativer Verkopplung zweier Parallelzweige.FIGS. 7 and 8 show design variants of feedback loops and multiplicative coupling of two parallel branches.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie ein Blockschaltbild mit hemmender Rückkopplung in der Baumstruktur kodiert wird. Die strukturdefinierende Anweisung 19 wird als Verzweigungspunkt im Blockschaltbild interpretiert. Gleichzeitig beinhaltet die Anweisung 19 die Information, daß der linke von dem Knoten ausgehende strukturdefinierende Zweig den Vorwärtspfad der Schleife und die rechte den Rückkopplungspfad im Blockschaltbild beschreiben. Beide Pfade werden im Falle der hemmenden Rückkopplung eingangsseitig mit einer Subtraktionsstelle verknüpft. Fig. 8 zeigt eine multiplikative Verkopplung zweier Parallelzweige als Baumstruktur und als Blockschaltbild.FIG. 7 shows how a block diagram with inhibitory feedback is encoded in the tree structure. The structure-defining instruction 19 is interpreted as a branch point in the block diagram. At the same time, instruction 19 contains the information that the left structure-defining branch originating from the node describes the forward path of the loop and the right describes the feedback path in the block diagram. In the case of inhibitory feedback, both paths are linked on the input side to a subtraction point. 8 shows a multiplicative coupling of two parallel branches as a tree structure and as a block diagram.

Die eingangsspezifizierende Anweisung 25 kann demnach als Eingangsgröße in zwei verschiedenen Zweigen des Blockschaltbildes berücksichtigt werden, was mit der direkten Kodierung gemäß Fig. lb nicht möglich ist.The input-specifying instruction 25 can accordingly be taken into account as an input variable in two different branches of the block diagram, which is not possible with the direct coding according to FIG. 1b.

Die vorliegende Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert, die jedoch nicht limitierend sind:The present invention is illustrated by the following examples, which, however, are not limiting:

Als beispielhafte Prozesse, deren Verhalten mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens optimiert werden konnten, ist z.B. die Fermentation rekombinanter Escherichia-Koli-Bakterien zu nennen. Die Fermentation ist ein Teilschritt eines komplexen Syntheseverfahrens zur künstlichen Herstellung eines für die Krebstherapie geeigneten Proteins. Dieser Wirkstoff wird bislang aus Extrakt einer Pflanze gewonnen. Um hohe Reinheit und insbesondere eine definierte Konzentration des Wirkstoffs zu gewährleisten, ist dabei ein hoher technologischer Aufwand notwendig. Zur Synthese des Wirkstoffs sind eine Reihe biologischer und chemischer Reaktionen notwendig. Ein wesentlicher Vorgang hierbei ist die fermentative Herstellung des Proteins in einem Rührkesselreaktor. Als Produktionsstamm dienen gentechnisch veränderte, rekombinante Escherichia-Koli-Bakterien. In Gegenwart eines Aktivierungsstoffes (Induktor) beginnen sie mit der Produktion. Während der Fermentation wird Glycose zugefüttert, um deren Konzentration weder im limitierenden noch inhibierenden Bereich zwischen 10 und 25 g/1 zu halten. Auf die Zugabe von Sauerstoff über die übliche Begasung des Reaktors hinaus wird verzichtet. Charakteristisch für diesen Prozeß ist, daß sich das Wachstumsverhalten der Zellen bei Induktion, d.h. bei Zugabe des Induktors (Isopropyl-ß-D- thiogalactopyranosid) vollkommen verändert. Die Mikroorganismen stellen das Wachstum ein und widmen sich fast ausschließlich der Produktbildung. Da nach einiger Zeit selbst die für das Überleben der Zellen notwendigen Proteine nicht mehr in ausreichender Menge vorhanden sind, geht der Prozeß nach einer vergleichsweise kurzen Produktionsphase unabhängig vom Sauerstoff und Glycoseverfügbarkeit in die Absterbephase über. Wichtige Prozeßparameter dieses Prozesses können modellbasiert optimiert werden. Bei dem betrachteten Prozesses ist insbesondere ein optimale Wahl des Induktionszeitpunktes von hohem Interesse. Da das Produkt intrazellulär gebildet und akkumuliert wird, ist dessen erreichbare Menge beschränkt. Um eine hohe Produktivität zu erreichen, muß möglichst viel produzierende Biomasse in möglichst kurzer Zeit gebildet werden. Bei einer zu frühen Induktion wird eine nur geringe Zelldichte erreicht, eine zu späte Induktion bedeutet eine Vergeudung von Zeit und Ressourcen.The fermentation of recombinant Escherichia coli bacteria may be mentioned as exemplary processes whose behavior could be optimized by means of the method described above. Fermentation is a sub-step of a complex synthesis process for the artificial production of a protein suitable for cancer therapy. This active ingredient has so far been obtained from a plant extract. In order to ensure high purity and in particular a defined concentration of the active ingredient, a high level of technological effort is necessary. A number of biological and chemical reactions are required to synthesize the active substance. An essential process here is the fermentative production of the protein in a stirred tank reactor. Genetically modified, recombinant Escherichia Koli bacteria serve as the production strain. They start production in the presence of an activating substance (inductor). Glycose is added during the fermentation in order to keep its concentration neither in the limiting nor in the inhibiting range between 10 and 25 g / l. The addition of oxygen beyond the usual gassing of the reactor is dispensed with. It is characteristic of this process that the growth behavior of the cells changes completely upon induction, ie when the inductor (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) is added. The microorganisms stop growing and are devoted almost exclusively to product formation. Since after a while even the proteins necessary for the survival of the cells are no longer available in sufficient quantities, the process passes into the death phase after a comparatively short production phase, regardless of the oxygen and glycose availability. Important process parameters of this process can be optimized based on models. In which The process under consideration is of particular interest when it comes to choosing the best time for induction. Since the product is formed and accumulated intracellularly, the amount that can be achieved is limited. In order to achieve high productivity, as much biomass as possible must be produced in the shortest possible time. If the induction is too early, the cell density is low, and induction too late means a waste of time and resources.

Dieser Zeitpunkt konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren optimiert werden.This point in time could be optimized with the method according to the invention.

Eine erfindungsgemäße Baumstruktur, die den hier skizzierten Prozeß beschreibt, ist in Fig. 9 wiedergegeben.A tree structure according to the invention, which describes the process outlined here, is shown in FIG. 9.

Die repräsentierte Baumstruktur gemäß Figur 9 findet ihren Widerpart in den weiter unten angegebenen Differentialgleichungen.The represented tree structure according to FIG. 9 finds its counterpart in the differential equations given further below.

Als weiteres Beispiel sei eine enzymatische Umsetzung erwähnt, bei der ein biotechnologisch gewonnenes Enzym zur Anwendung kommt. Bei diesem Prozeß wird zur Beginn der Umsetzung der Reaktor mit Wasser sowie einer variierenden Konzentration eines Enzyms gefüllt. Während der Umsetzung wird kontinuierlich ein Edukt EA zugefuttert. Es entsteht ein Produkt sowie zwei Zwischenprodukte und ein Nebenprodukt. Die Produktbildung erfolgt auf zwei unterschiedlichen Wegen. Bei der chemischen Umsetzung entsteht ein chemisches Gleichgewicht der beiden Enantiomere des zugefütterten Eduktes EA zu dem jeweils entsprechenden Enantiomer des Produkt. Bei der enzymatischen Umsetzung wird ausschließlich eine R- Ausprägung des Produktes erzeugt, weshalb man auch von einer enzymkatalysierten Synthese spricht. Bei dem hier betrachteten Beispiel waren die Kinetiken der chemischen Umsetzung bekannt, während für die Enzymkinetik eine große Unsicherheit bestand. Die Auswirkungen einer variierenden Enzymkinetik können mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens durchgespielt und sich einstellende Folgen abgeschätzt werden.Another example is an enzymatic conversion in which a biotechnologically obtained enzyme is used. In this process, the reactor is filled with water and a varying concentration of an enzyme at the start of the reaction. During the reaction, a reactant E A is zugefuttert continuously. A product is created as well as two intermediate products and a by-product. Product formation takes place in two different ways. The chemical reaction results in a chemical equilibrium between the two enantiomers of the feed educt E A and the corresponding enantiomer of the product. During the enzymatic conversion, only an R-form of the product is generated, which is why one speaks of an enzyme-catalyzed synthesis. In the example considered here, the kinetics of the chemical conversion were known, while there was great uncertainty for the enzyme kinetics. The effects of varying enzyme kinetics can be run through using the method described above and the resulting consequences can be estimated.

Als chemisches Verfahren sei beispielhaft die Ethoxylierung genannt, welches einen hochkomplexen Prozeß darstellt. In einem Reaktor befinden sich zu Beginn der Reaktion die Edukte EQ, das Lösungsmittel EL und der Katalysator Co. Auch der Ethoxylierungsprozeß wird als Semi-Batch-Prozeß betrieben, wobei das Edukt EN zugefüttert wird. Im Laufe der Reaktion bestehen die Produkte PG und Pi sowie eine Reihe von Nebenprodukte (BB, B , BE, BK, BM) und Zwischenprodukte (Iß, IR, IS, ID, IH)- In die Reaktionsbilanzen der 17 beteiligten Stoffe gehen neben der Konzentrationsänderung durch eine Verdünnung D, die Zufütterung, auch die im Reaktor ablaufenden chemischen Hin- und Rückreaktionen ein. Das Verhalten dieses hochkomplexen Verfahrens konnte mit dem vorstehend dargestellten Verfahren beschrieben werden. An example of a chemical process is ethoxylation, which is a highly complex process. A reactor is at the beginning of the reaction the educts EQ, the solvent E L and the catalyst Co. The ethoxylation process is also operated as a semi-batch process, with the educt E N being added. In the course of the reaction, the products P G and Pi as well as a number of by-products (BB, B, BE, B K , BM) and intermediates (Iß, IR, I S , I D , I H ) exist - in the reaction balances of the 17th In addition to the change in concentration through dilution D, the substances involved also deal with the chemical back and forth reactions taking place in the reactor. The behavior of this highly complex process could be described using the process described above.

B = BB - D + r!2hB = B B - D + r! 2h

B = Bc D + r9h - r9r + rl3hB = Bc D + r9h - r9r + rl3h

X = ID ' D + r6h - r9h + r9rX = I D 'D + r6h - r9h + r9r

BL = BE ' D + r7h = PG ' D - r 11 h + r5h - r5r - r2hB L = B E ' D + r7h = P G ' D - r 11 h + r5h - r5r - r2h

Außer zur datengetriebenen Modellgenerierung kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum rechnergestützten Reglerentwurf eingesetzt werden.In addition to data-driven model generation, the method according to the invention can also be used for computer-aided controller design.

Bei einem kontinuierlich arbeitenden Rührkesselreaktor (Klart, K. O. und Engel, S. 1992 „Testbeispiel zum Entwurf nicht linearer Regler", zweite Version technischer Bericht, Lehrstuhl für Anlagensteuerungstechnik, Fachbereich Chemie, Technik, Universität Dortmund) mit Neben- und Folgenreaktionen ist die Regelgröße die Produktkonzentration Cß. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses hängt von der Temperatur des Reaktorinhaltes teta ab, diese ist zudem an einem konstanten Arbeitspunkt zu halten. Stellgrößen sind der auf das Reaktorvolumen bezogene Zulauf V. NR und die Kühlleistung Q.κ. Schwankungen der Eduktkonzentration im Zulauf CAO treten als Störung auf. Der Prozeßt weist eine instabile Nulldynamik auf, deren Einfluß um so stärker in Erscheinung tritt, je wirtschaftlich günstiger der Arbeitspunkt gewählt wird. Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die Auslegung eines die Regelaufgabe lösenden Reglers vorgenommen werden. For a continuously operating stirred tank reactor (Klart, KO and Engel, p. 1992 "Test example for the design of non-linear controllers", second version of a technical report, chair for plant control technology, Department of Chemistry, Technology, University of Dortmund) with side and follow-up reactions is the controlled variable Product concentration C ß . The economy of the process depends on the temperature of the reactor contents teta, which must also be kept at a constant operating point. Control variables are the inlet V. N R based on the reactor volume and the cooling capacity Q. κ . Fluctuations in the educt concentration in Intake C AO appear as interference. the Prozeßt has an unstable zero dynamics, whose influence occurs more strongly in appearance depending economically more favorable the operating point is selected. by means of the inventively proposed method, the design of a control task solved controller be made.

Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001

P = π-Xr P = π-X r

S = S0F- X -m-X

Figure imgf000016_0002
ϊ = (η-μ)-Xa S = S 0 F-X -mX
Figure imgf000016_0002
ϊ = (η-μ) -X a

Figure imgf000016_0003
Figure imgf000016_0003

Figure imgf000016_0004
π =
Figure imgf000016_0004
π =

4,99 + S4.99 + p

Figure imgf000016_0005
Figure imgf000016_0005

YPIS=\0Y PIS = \ 0

Figure imgf000016_0006
Figure imgf000016_0006

Figure imgf000016_0007
Bezugszeichenliste erste Eingangsgröße zweite Eingangsgröße erstes Blockschaltbild zweites Blockschaltbild
Figure imgf000016_0007
Reference character list first input variable second input variable first block diagram second block diagram

SummationspunktSummation point

Ausgangsgrößeoutput

BaumstrukturThreaded

Verzögerungsglied zweiter Ordnung TotzeitgliedSecond order delay element dead time element

Baumstruktur strukturdefinierender Zweig eingangsspezifizierender Zweig erste Ebene 13.1 eingangsspezifizierende AnweisungTree structure structure-defining branch input-specifying branch first level 13.1 input-specifying instruction

13.2 Additionsknoten zweite Ebene13.2 Second level addition node

14.1 eingangsspezifizierende Anweisung14.1 instruction specifying the input

14.2 Abschluß 14.3 Verzweigungsknoten Wurzel dritte Ebene14.2 conclusion 14.3 branch node root third level

16.1 Abschlußknoten16.1 Final node

16.2 Abschlußknoten erster Modellblock zweiter Modellblock Rückkopplungsschleife Schleifenende multiplikative Verkopplung Blockschaltbild K 24. zweiter Parallelkreis erster Parallellkreis 25. erste Eingangsgröße für 21 16.2 Termination node first model block second model block feedback loop loop end multiplicative coupling block diagram K 24. second parallel circuit first parallel circuit 25. first input variable for 21

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur Modellierung des Verhaltens technischer Prozesse, beispielsweise verfahrenstechnischer Prozesse unter Heranziehung von Blockschaltbildern (3, 4), wobei das Modell des oder der technischen Prozesse zur rechnerinternen Verarbeitung und insbesondere zur automatischen Erzeugung und Verbesserung der Modellstrukturen in einer Baumstruktur (7, 10) kodiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß1.Procedure for modeling the behavior of technical processes, e.g. process engineering processes using block diagrams (3, 4), whereby the model of the technical process or processes for internal computer processing and in particular for the automatic generation and improvement of the model structures in a tree structure (7, 10 ) is coded, characterized in that - die Baumstruktur (10) strukturdefinierende Zweige (11) und eingangsspezifizierende Zweige (12) enthält.,- The tree structure (10) contains structure-defining branches (11) and input-specifying branches (12). - strukturdefinierende Zweige (11) aus strukturdefmierenden Anweisun- gen- Structure-defining branches (11) from structure-defining instructions (13.2, 14.2, 14.3, 16.1, 16.2) und eingangsspezifizierende Zwei- ge (12) aus eingangsspezifizierenden Anweisungen (z.B. 13.1, 14.1), bestehen, wobei von strukturdefinierenden Anweisungen selbst sowohl strukturdefinierende als auch eingangsspezifierende Zweige (11 bzw. 12 ) ausgehen,(13.2, 14.2, 14.3, 16.1, 16.2) and input-specifying branches (12) consist of input-specifying instructions (e.g. 13.1, 14.1), whereby structure-defining instructions themselves start with both structure-defining and input-specifying branches (11 and 12), die Baumstruktur (10) eine Wurzel (15) enthält, von der aus sich sowohl ein struturdefinierender Zweig (11) als auch ein eingangsspezifizierender Zweig (12) erstreckt.the tree structure (10) contains a root (15) from which both a structure-defining branch (11) and an input-specifying branch (12) extend. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ein zu optimierendes Modell abbildende Baumstruktur (10) im wesentlichen strukturdefinierende Anweisungen (z.B. 13.2, 14.2. 14.3, 16.1, 16.2) enthält. 2. The method according to claim 1, characterized in that the tree structure to be optimized (10) contains essentially structure-defining instructions (for example 13.2, 14.2, 14.3, 16.1, 16.2). 3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellblöcke durch strukturdefinierende Anweisungen z.B. (17, 18) kodiert sind.3. The method according to claim 1, characterized in that the model blocks by structure-defining instructions e.g. (17, 18) are encoded. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturdefinierenden Anweisungen für Modellblöcke (17, 18) mit einer Eingangsgröße (13.1, 14.1)4. The method according to claim 3, characterized in that the structure-defining instructions for model blocks (17, 18) with an input variable (13.1, 14.1) Abschlußknoten darstellen.Represent termination nodes. 5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturdefnierenden Zweige (11) nur strukturdefinierende Anweisungen (13.2, 14.2, 14.3, 16.1, 16.2) enthalten.5. The method according to claim 1, characterized in that the structure-defining branches (11) contain only structure-defining instructions (13.2, 14.2, 14.3, 16.1, 16.2). 6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsspezifischen Zweige (12) der Baumstruktur (10) nur eingangsspezifizierende Anweisungen (13.1, 14.1) enthalten.6. The method according to claim 1, characterized in that the input-specific branches (12) of the tree structure (10) contain only input-specifying instructions (13.1, 14.1). 7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verknüpfiingsoperatoren durch strukturdefinierende Anweisungen (13.2, 14.2. 14.3, 16.1, 16.2) kodiert sind.7. The method according to claim 1, characterized in that linking operators are coded by structure-defining instructions (13.2, 14.2, 14.3, 16.1, 16.2). 8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Anfänge von Schleifen oder paralleler Pfade im Blockschaltbild durch strukturdefinierende Anweisungen (19,8. The method according to claim 1, characterized in that the beginning of loops or parallel paths in the block diagram by structure-defining instructions (19, 20) kodiert sind.20) are encoded. 9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Modelleingangsgrößen durch die eingangsspezifizierende Anweisungen (13.1, 14.1) kodiert sind. 9. The method according to claim 1, characterized in that model input variables are encoded by the input-specifying instructions (13.1, 14.1). 10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Referenzen auf Ausgangsgrößen einer anderen Baumstruktur (7) oder Konstanten (22) durch eingangsspezifiziernde Anweisungen (13.1, 14.1) kodiert sind.10. The method according to claim 1, characterized in that references to output variables of another tree structure (7) or constants (22) are coded by input-specifying instructions (13.1, 14.1). 11. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsspezifiziernden Zweige (12) außer von der Wurzel (15) nur von strukturdefinierenden Anweisungen (13.2) ausgehen, die eine Verzweigung innerhalb der Baumstruktur (10) bewirken.11. The method according to claim 1, characterized in that the input-specifying branches (12) except from the root (15) only start from structure-defining instructions (13.2) which cause branching within the tree structure (10). 12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltungen durch eine strukturdefinierende Anweisung (14.3) kodiert sind.12. The method according to claim 1, characterized in that the series connections are coded by a structure-defining instruction (14.3). 13. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modell zur Beschreibung eines biotechnologischen Prozesses gebildet wird, wobei ein Edukt von13. The method according to claim 1, characterized in that a model for describing a biotechnological process is formed, wherein an educt of Mikroorganismen aufgenommen, modifiziert und als Produkt ausgeschieden wird.Microorganisms are absorbed, modified and excreted as a product. 14. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Benutzer klassisch erstellte Modelle automatisch modifiziert und/oder optimiert und ergänzt werden. 14. The method according to claims 1 and 2, characterized in that classically created models are automatically modified and / or optimized and supplemented by the user.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003038618A1 (en) * 2001-10-29 2003-05-08 Goalart Ab A method, an apparatus and a computer program product for managing hierarchical structures

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5008810A (en) * 1988-09-29 1991-04-16 Process Modeling Investment Corp. System for displaying different subsets of screen views, entering different amount of information, and determining correctness of input dependent upon current user input
EP0490478A2 (en) * 1990-12-14 1992-06-17 Tektronix Inc. Automatic compilation of model equations into a gradient based analog simulator
US5379231A (en) * 1992-05-29 1995-01-03 University Of Texas System Method and apparatus for simulating a microelectric interconnect circuit
DE19523483A1 (en) * 1995-06-28 1997-01-02 Daimler Benz Ag Computer-aided fault diagnosis device for a complex technical system
EP0902343A2 (en) * 1997-09-09 1999-03-17 Traub Drehmaschinen GmbH Method and system for creating or displaying control instructions
WO2000063751A1 (en) * 1999-04-16 2000-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for modelling a technical system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5008810A (en) * 1988-09-29 1991-04-16 Process Modeling Investment Corp. System for displaying different subsets of screen views, entering different amount of information, and determining correctness of input dependent upon current user input
EP0490478A2 (en) * 1990-12-14 1992-06-17 Tektronix Inc. Automatic compilation of model equations into a gradient based analog simulator
US5379231A (en) * 1992-05-29 1995-01-03 University Of Texas System Method and apparatus for simulating a microelectric interconnect circuit
DE19523483A1 (en) * 1995-06-28 1997-01-02 Daimler Benz Ag Computer-aided fault diagnosis device for a complex technical system
EP0902343A2 (en) * 1997-09-09 1999-03-17 Traub Drehmaschinen GmbH Method and system for creating or displaying control instructions
WO2000063751A1 (en) * 1999-04-16 2000-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for modelling a technical system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003038618A1 (en) * 2001-10-29 2003-05-08 Goalart Ab A method, an apparatus and a computer program product for managing hierarchical structures

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