專利名稱：：用于組合材料的控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于組合材料的方法和控制系統(tǒng)。技術(shù)背景在本領(lǐng)域中已知有多種用于組合材料的方法。通常，所述材料在混合槽的上游被組合。這些材料然后被共同添加到混合槽中并進(jìn)行攪拌，直到獲得均一化的共混物。匯合區(qū)域下游的進(jìn)一步的加工步驟可包括添加更多的材料、添加或移除能量，例如熱能等。除此之外或作為另外一種選擇，這些材料可在動態(tài)混合槽中使用機(jī)械攪拌和/或攪拌的替代形式例如超聲振動來混合。組合的材料或共混物可然后被傳送到下游并成為用于進(jìn)一步加工的中間體。作為另外一種選擇，這些材料可被添加到容器中以用于最終銷售或使用?，F(xiàn)有技術(shù)方法和系統(tǒng)具有幾種缺點。如果使用這種混合槽，它需要相當(dāng)大的能量來獲得所期望的混合。如果期望改變制劑或甚至次要材料，該更改通常需要清潔整個槽及相關(guān)系統(tǒng)。清潔整個系統(tǒng)可能會既耗時又費力。然后添加新的材料，加工重新開始。這可能會浪費大量的時間和材料。當(dāng)不同產(chǎn)品之間的更改發(fā)生時，從停產(chǎn)或低生產(chǎn)率到全能力生產(chǎn)的過渡是不可避免的。一般期望這種過渡能夠盡快結(jié)束，并且能夠盡快地恢復(fù)穩(wěn)態(tài):操作。這是因為人們通常期望以最快可行的速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)率。此外，在過渡期間制造的不符合規(guī)格的產(chǎn)品可能被浪費。如果接受較慢的過渡，則很可能可以在過渡期間所制造的產(chǎn)品具有更大的精度，并且由于具有較慢的過渡而可能減少產(chǎn)品的浪費。因此，本領(lǐng)域存在著折衷。系統(tǒng)響應(yīng)過渡的速度經(jīng)常受到硬件的制約。例如，旨在在某個特定時間點提供實際流量的流量計未能如人們對于所述過渡的變化速度那樣快速地跟隨和/或指示流量的變化。例如，提供流動控制及最終材料添加速度率的閥門的響應(yīng)速度沒有人們所期望的那樣迅速。此外，與閥門、同閥門聯(lián)合使用的操作員、甚至不同制造商制造的閥門的不同尺寸在接收到命令時的響應(yīng)速度可能不同。此外，即使是相同的閥門在打開/關(guān)閉循環(huán)的不同階段的響應(yīng)速度也可能不同。因此，所需要的是一種設(shè)備以及使用該設(shè)備的方法，所述方法允許快速地更改共混物的配方、準(zhǔn)確地跟隨過渡、最小化材料浪費、以及快速地提供共混物的均一性。除非另外指明，本文中所表示的所有時間均為秒，本文中的比例和百分比均基于體積?？蛇x地，本發(fā)明可使用基于質(zhì)量的比例和百分比。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明包括一種用于以預(yù)定比例將兩種或更多種材料共混在一起的方法和設(shè)備。所述材料可以不同的流量組合并且期間具有不同的斜率，同時將預(yù)定比例保持在相對小的誤差范圍內(nèi)，考慮某一時間點的瞬時誤差或一段時間內(nèi)的累積誤差。圖1為根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)的示意圖，其以局部剖開的形式顯示并提供八種次要材料。圖2為根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)的瞬時垂直截面圖，示意性地用于向匯合區(qū)域供給次要材料的泵和圍繞其的環(huán)形夾具。圖3為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示例性系統(tǒng)的性能曲線圖，所述系統(tǒng)用于具有階躍輸入的命令信號。圖4為根據(jù)本發(fā)明的用于階躍輸入的示例性系統(tǒng)的瞬時響應(yīng)曲線圖，與現(xiàn)有技術(shù)的用于相同階躍輸入的理想的理論響應(yīng)形成對比。圖5為用于0.2秒斜率輸入的瞬時響應(yīng)曲線圖，其顯示命令信號和用于一種主要材料和兩種次要材料的某些工藝變量。圖6為圖5中的一種次要材料的瞬時響應(yīng)曲線的放大圖。圖7顯示圖4的系統(tǒng)的瞬時誤差。圖8顯示圖4的系統(tǒng)的累積誤差。圖9為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的流量反饋控制系統(tǒng)的示意圖。圖10為可用于本發(fā)明的馬達(dá)位置反饋控制系統(tǒng)的示例性示意圖，其以虛線顯示任選組件。具體實施方式參見圖1至2，本發(fā)明包括用于組合、共混或混合兩種或更多種材料的設(shè)備10和方法。組合是指使用或不使用大量的混合將材料添加在一起以獲得均一性?；旌虾凸不炜苫Q使用，其是指組合并在之后進(jìn)一步獲得相對更大程度的均一性。所得的材料的組合可設(shè)置在容器內(nèi)(未示出)?？蓪⑷萜鞑迦氲皆O(shè)備10內(nèi)，也可將容器從設(shè)備10中移除。設(shè)備10包括用于將至少一種主要或第一材料添加到容器中和用于將至少一種次要或第二至第n種材料添加到容器中的設(shè)備10硬件。用于添加主要材料和次要材料的設(shè)備10使得這些材料中的一些或全部在匯合區(qū)域12中混合。匯合區(qū)域12為一個區(qū)域或點，所述主要材料和至少一種(可能每種)次要材料在該區(qū)域或點上初始形成相互接觸的關(guān)系并可發(fā)生混合。主要材料和次要材料的混合可在匯合區(qū)域12、其下游或這兩個位置發(fā)生。匯合區(qū)域12可包括一個或多個入口14A和至少一個入口141,所述入口14A被稱作主要材料入口并用于供給一種或多種主要材料。每個所述入口141可被稱作次要材料入口并用于供給一種或多種次要材料。匯合區(qū)域12可進(jìn)一步包括至少一個共同的出口16，該出口用于將主要材料和次要材料從匯合區(qū)域12排放，并且任選地直接排放到容器中，或任選地在進(jìn)一步加工之后排放到容器中。應(yīng)當(dāng)理解，在材料通過共同的出口16離開匯合區(qū)域12后，可填充單個的容器，或者可平行填充具有相同容量和流量的多個容器。用于提供次要材料的設(shè)備10可包括一個或多個入口管141，該入口管被插入到設(shè)備10內(nèi)來用于將次要材料直接供給到匯合區(qū)域12。每種次要材料可具有指定的入口管141或者作為另外一種選擇，可通過單一入口管141將多種次要材料插入。當(dāng)然，如果需要的話，相同的次要材料可以類似或不同的材料的各種組合、不同的量、不同的供給速率、流量、濃度、溫度等通過多于一個的入口管141來添加。用于每種次要材料的入口141終止于入口排放點18處。入口排放點18可位于一個共用平面內(nèi)，如圖所示。入口排放點18限定匯合區(qū)域12的起點，如上所述。入口排放點18為次要材料各自入口141和進(jìn)入?yún)R合區(qū)域12的點。入口排放點18可與在線混合器緊密并置，使得材料的混合在匯合區(qū)域12內(nèi)幾乎立刻發(fā)生。盡管圖示了設(shè)備10具有八個入口管141，每個管之間等距間隔，但技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明不受此限制?？商峁└嗷蚋俚娜肟诠?41，并且可以周邊、徑向和/或縱向地等距或不等距間隔。此外，入口管141可具有相等或不等的橫截面積、形狀、長度和通過它的流量。}要材料可從一個或多個共同來源或從不同來源供給到入口管141。如果需要，用于次要材料的入口管141的體積相對于整個設(shè)備10的總體積可相對較小。該相對的尺寸提供了以下有益效果由于泵20和匯合區(qū)域12之間的入口管141的較小體積，因此降低了系統(tǒng)中的滯后的發(fā)生。設(shè)備10可包括多個用于次要材料的供給線。每條供給線可從至少一種主要材料或至少一種次要材料的來源延伸至匯合區(qū)域12內(nèi)的相應(yīng)入口排放點18。入口排放點18可位于入口管141的遠(yuǎn)端。每條供給線因此限定從其各自材料供給到其相應(yīng)的匯合區(qū)域12內(nèi)的排放的體積。所述至少一種用于添加至少一種主要材料的供給對著第一體積從材料源延伸至發(fā)生入口排放點18的共用平面。用于添加每種所述次要材料的每個供給對著一個子體積。將所述子體積組合以產(chǎn)生第二體積。將第一體積和第二體積合計以得出總體積。第二體積可小于所述總體積的20%,小于10%，小于5%，或小于3%?？蓪⒌谝徊牧弦缘谝凰俣茸⑷氲絽R合區(qū)域12內(nèi)?？蓪⒌诙恋趎種材料以用于N種次要材料的第二速度、第三速度、至第N種速度注入到匯合區(qū)域12內(nèi)。第二至第N種速度可與第一速度或彼此完全匹配、基本上相同或稍微不同。一種或多種次要材料的流量可通常在進(jìn)入?yún)R合區(qū)域12內(nèi)時與所述至少一種主要材料在匯合區(qū)域12的同一橫截面處的速度對應(yīng)或匹配。在本發(fā)明的一個實施方案中，次要材料的任何或所有第二至第N種速度可在主要材料的速度的±50百分比內(nèi)，并且可近似匹配至±25百分比內(nèi)，甚至更近似匹配至±5百分比內(nèi)。這種安排允許次要材料以連續(xù)流的形式進(jìn)入物流中，而沒有漏泄，從而促進(jìn)更好的混合。次要材料排放到物流中的速度將由排放孔(如果有的話)與供給該次要材料的泵20的輸出的組合確定。在衰退的情況下，第一速度可與任何或所有第二至第N種速度完全匹配。如果需要，包括本發(fā)明的設(shè)備10和方法可利用多個匯合區(qū)域12。多個匯合區(qū)域12可以串行、平行或它們的組合的形式設(shè)置。多個匯合區(qū)域12的任何或所有主要材料、次要材料、比例、流量、命令信號等可相同或不同。某些多個匯合區(qū)域12可用來預(yù)混將在后來與其它材料在匯合區(qū)域12中混合的次要材料、主要材料或它們的任何組合。所述容器可以是在主要材料和次要材料共混在一起并離開匯合區(qū)域12后用于這兩種材料的組合的最終容器。所述容器可最終運(yùn)輸并銷售給消費者，或者可用于運(yùn)輸和存儲主要材料和次要材料的共混物作為中間體。所述容器可依靠自身的原動力移入和移出設(shè)備10，如油罐卡車容器，也可以通過設(shè)備10本身移動，或由外部的原動力移動。在衰退的情況下，在同一點將所有的次要材料添加到一種主要材料中，從而限定匯合區(qū)域12的起點。匯合區(qū)域12的終點被限定為從那里的共同的出口16。在衰退的情況下，共同的出口16可進(jìn)入大氣壓條件下，如進(jìn)入充有空氣的容器中，進(jìn)入真空中，如真空容器中，或甚至進(jìn)入加壓容器中?？蓪⒐不煳锘蚱渌牧系慕M合在從匯合區(qū)域合12到排放到容器中的點期間保持高于大氣壓。所述容器可以是任何適當(dāng)大小、幾何形狀、構(gòu)型、數(shù)目等。容器的容積積可為幾立方厘米至至少鐵路油罐車那樣大小。如本領(lǐng)域所熟知，容器可具有脆弱封口或可重新密封的封口，并且可由任何適于容納根據(jù)本發(fā)明組合的材料的材料制成。匯合區(qū)域12的終點也可定義為獲得顯著的均一性并且不同的材料的附加混合不顯著的點。該點可發(fā)生在排放到容器中之前。匯合區(qū)域12的長度被定義為從匯合區(qū)域12的起點到上述共同的出口16的距離。匯合區(qū)域12的容積為長度乘以其內(nèi)的匯合區(qū)域12的橫截面積。匯合區(qū)域12與入口管141和系統(tǒng)中的其它幾何形相比可相對較短。盡管顯示了恒定橫截面的匯合區(qū)域12，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明不受此限制。本發(fā)明可以是不同的橫截面，如會聚、分開、圓筒形狀、文氏管形狀等。如本文所用，主要材料是最終組合中的最大單一材料，并且是指任何占總組合物的大于33%,在另一個實施方案中甚至大于50%，并且甚至大于67%的材料。本文也設(shè)想了等同體積的多種主要材料和次要材料。與主要材料相反，次要材料是指任何一種可占總組合物的小于或等于50%,在另一個實施方案中10%，在另一個實施方案中小于5%,在另一個實施方案小于1%的材料。本發(fā)明也設(shè)想了等同和/或相對等同的比例和/或流量的多種材料。用于供給主要材料的設(shè)備10可包括材料可流動通過的管道、導(dǎo)管、開口通道、或任何其它合適的設(shè)備10。盡管圖示了圓形的管道，但本發(fā)明不受此限制?？梢岳萌魏嗡璧臋M截面、常數(shù)或變量。本文描述和要求保護(hù)的設(shè)備10和方法不需要動態(tài)混合槽。如本文所用，混合槽是指槽、桶、容器和反應(yīng)器并且包括間歇式或連續(xù)攪拌系統(tǒng)，所述攪拌系統(tǒng)使用葉輪、射流混合噴嘴、再循環(huán)環(huán)路、氣體過濾、或類似的攪拌裝置來組合其內(nèi)的材料。使用動態(tài)混合槽來迅速和準(zhǔn)確地跟隨和獲得所需的流量可能較困難。這是因為材料在動態(tài)混合槽中被組合時，可能會發(fā)生流動停滯和中斷。可能出現(xiàn)不同的流量比例，從而影響獲得所需的產(chǎn)品配方。如果未獲得所需的產(chǎn)品配方，產(chǎn)品將被浪費。此外，獲得材料的混合和軸向分散所需的駐留時間需要能量并且可能難以獲得次要材料的多重添力口。本文描述和要求保護(hù)的設(shè)備10可利用在線混合器。如本文所用，在線混合器是指如下混合裝置其不歸因于宏觀流動停滯，或防止發(fā)生連續(xù)流動通過具有在線混合器的設(shè)備10的部分。一種非限制性類型的在線混合器是例如超聲或氣穴類型的混合器。這樣一種系統(tǒng)是Sonolator均一化系統(tǒng)，其可得自SonicCorporation,Stratford,CT.。另一種非限制性類型的在線混合器是本領(lǐng)域已知的靜態(tài)攪拌器，其公開于2001年2月13曰授予Phallen等人的美國專利6，186，193Bl中和2003年4月22日授予Catalfamo等人的普通轉(zhuǎn)讓的美國專利6,550,960B2中，2004年5月25日授予Pinyayev等人的6，740,281B2中，2004年6月1日授予Jaffer等人的6,743,006B2中，以及2004年9月21日授予Verbrugge的6,793,192B2中。此外，如果需要，靜態(tài)攪拌器或其它在線混合器可設(shè)置在一個或多個入口管14A內(nèi)或匯合區(qū)域12的上游或與它們一起設(shè)置。另外，浪涌槽可用來提供被本文描述和要求保護(hù)的設(shè)備10和方法組合的材料的更恒定的流動。此外或作為另外一種選擇，可利用一種Zanker板。主要和/或次要材料可包括流體、典型地為液體，盡管也設(shè)想到了氣體的主要材料和次要材料。液體包括懸浮液、乳液、漿液、氣體和非氣體材料、純材料、材料的共混物等，它們均具有物質(zhì)的液態(tài)。可選地，至少一種主要材料和一種或多種次要材料可包括固體，如顆粒狀的物質(zhì)。顆粒狀的材料可以任何已知的形式添加，這些形式包括但不限于2004年3月30日授予Kressin等人的普通轉(zhuǎn)讓的美國專利6,712，496B2中公開的形式。盡管本發(fā)明在下文中以泵20和伺服馬達(dá)的非限制性、示例性術(shù)語進(jìn)要材料和次要材料的裝置。如本文;斤用，原動力是指^來:供能量r該能量繼而用來將材料供給到匯合區(qū)域12的任何力，并且可包括但不限于電動馬達(dá)、重力自流進(jìn)料、人工進(jìn)料、液壓式進(jìn)料、氣動式進(jìn)料等?？蓪⑺鲋辽僖环N主要材料和/或至少一種次要材料從料斗、槽、貯存器、泵20(如容積式泵20)、或其它供給或來源供給到管道湖其它供給裝置，如本領(lǐng)域所知，并提供用于定量此種材料的所需的準(zhǔn)確性。主要材料和/或次要材料可通過泵20、螺旋喂送、或任何其它合適的裝置來供給。用于提供主要材料和/或次要材料的設(shè)備10可包括多個容積式泵20。每個泵20可用聯(lián)合的馬達(dá)如AC馬達(dá)或伺服馬達(dá)來驅(qū)動。每個伺服馬達(dá)可指定用于單個泵20或任選地可驅(qū)動多個泵20。這種安排消除了本領(lǐng)域使用的流量控制閥、流量計和聯(lián)合的流量控制反饋回路的必要。如本文所用，流量控制閥是指這樣一種閥門其定量用來允許特定量和流量的材料由其通過并用于調(diào)節(jié)實際流量。流量控制閥不包括允許本發(fā)明的方法來定性啟動或停止的開關(guān)閥門。參見圖9，其示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示例性流量控制反饋回路。流量控制反饋回路將流量設(shè)定值或命令信號與實測的流量相比較。進(jìn)行減法運(yùn)算來確定錯誤。所述錯誤繼而用來調(diào)節(jié)或糾正速度驅(qū)動控制。速度驅(qū)動控制與可操作地連接至泵20的馬達(dá)相關(guān)聯(lián)，從泵測得實際流量。該系統(tǒng)具有以下缺點系統(tǒng)響應(yīng)可能受流量計的準(zhǔn)確率和響應(yīng)時間的控制和約束。參見圖10，其示出了根據(jù)本發(fā)明的非限制性、示例性馬達(dá)控制回路。這種馬達(dá)控制回路可能包括或不包括前饋回路和/或后饋回路，只要在沒有利用適當(dāng)?shù)那梆伝芈返那闆r下，控制系統(tǒng)在位置控制或速度控制方面不具有零增益。如果需要，馬達(dá)控制回路可包括嵌套的控制回路。這些回路的最里面可以是扭矩控制反饋回路，其顯示為同時標(biāo)識扭距和電流的單個框。扭矩命令輸入給扭矩控制。扭矩控制將扭矩命令轉(zhuǎn)換成等量電流命令，該命令被輸入給馬達(dá)的電流控制器。電流控制器繼而將電流反饋提供給電流控制。然而，可利用扭矩控制，因為認(rèn)識到扭矩和電流之間具有數(shù)學(xué)關(guān)系，這可以使用計數(shù)器來確定。扭矩控制回路可由速度控制反饋回路圍繞，該速度控制反饋回路繼而可由位置控制反饋回路圍繞。用于速度和/或加速度的速度反饋控制回路、位置反饋控制回路和/或前饋路徑對于本發(fā)明是可選的功能。速度和加速度反饋回路可利用各自增益Kvff和Kaff,如圖所示?？扇●R達(dá)位置相對于時間的導(dǎo)數(shù)以得出馬達(dá)速度，或相反，可求速度反饋相對于時間的積分以得出馬達(dá)位置。馬達(dá)位置控制回路可使用馬達(dá)位置命令信號并將該設(shè)定值或命令信號與馬達(dá)位置反饋比較以計算位置錯誤。速度設(shè)定值可使用位置控制器從位置錯誤衍生。速度設(shè)定值可與實際馬達(dá)速度比較來確定速度錯誤。可使用已知的技術(shù)用該速度錯誤來調(diào)節(jié)馬達(dá)的實際速度。然后可將馬達(dá)速度與泵20輸出相關(guān)聯(lián)，如本領(lǐng)域所知?？蛇x地，所述位置設(shè)定值可具有相對于時間獲取的其導(dǎo)數(shù)以得出前饋速度。前饋速度可輸入給速度設(shè)定值并與位置回路控制的輸出聯(lián)合使用以生成速度回路命令信號。前饋速度也可使用而不考慮位置回路控制信號，以便生成速度回路命令信號。可選地，前饋速度可具有其所取的導(dǎo)數(shù)以得出前饋加速度。同樣，前饋加速度可與速度回路控制器的輸出聯(lián)合使用或不聯(lián)合使用，以確定馬達(dá)的加速度特征，其于發(fā)送給馬達(dá)的扭矩命令信號成比例。主要材料和次要材料的設(shè)定值可作為總體積設(shè)定值的分?jǐn)?shù)或百分比或命令信號生成。可定義總體積設(shè)定值的流量、流量、和/或流量改變的時間速率。盡管上述討論設(shè)計基于馬達(dá)位置的馬達(dá)控制回路，但技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明不受此限制。馬達(dá)控制回路可基于馬達(dá)位置、馬達(dá)速度、馬達(dá)加速度、馬達(dá)電流、馬達(dá)電壓、扭矩等。這樣一種控制系統(tǒng)和方法可用來限定總設(shè)定值的扭矩/電流、位置、速度和/或加速度，條件是流量與扭矩/電流/位置/速度/加速度之間有一種直接的關(guān)系，如本發(fā)明的情況。主要材料和次要材料的設(shè)定值可作為命令位置和/或速度和/或扭矩設(shè)定值被輸入給單獨的原動力系統(tǒng)?？蓪ⅠR達(dá)位置設(shè)定值或命令信號發(fā)送給一個或多個伺服馬達(dá)。根據(jù)本發(fā)明，所有主要材料和次要材料可通過這種伺服馬達(dá)一致驅(qū)動，每個伺服馬達(dá)可與一個或多個泵20連接。除了泵20/伺服馬達(dá)組合之外或?qū)⑵淙〈胀夹g(shù)人員可使用變頻調(diào)速來變化供應(yīng)給AC馬達(dá)驅(qū)動的泵20的電壓。作為另外一種選擇或除此之外，泵20輸出可使用不同的其它裝置來改變，如本領(lǐng)域所知。例如，要改變對于某個馬達(dá)的泵20的輸出，可以使用機(jī)械變速/可調(diào)速的傳動、多速變速箱、和/或液壓式可調(diào)速傳動。這種安排提供了以下有益效果一些或所有主要材料和次要材料的流量可一致地升高或降低而不需要共同的傳動或流量控制閥，從而提供對于所有材料的最終共混物的所需配方的最大忠實性。因此，如果希望步驟變更，升高或降低的變更，或甚至一種或多種流量的啟動/停止，該過渡可比發(fā)明人所知的現(xiàn)有技術(shù)更迅速地適應(yīng)。因此，主要材料和次要材料的比例保持在所希望的配方的相對緊密度容限內(nèi)而沒有不適當(dāng)?shù)刂袛嗷虿贿m當(dāng)?shù)亟档涂捎糜谏a(chǎn)量的流量。如上所述，該安排提供以下有益效果沒有必要具有控制回路來直接監(jiān)測流量。相反，用于主要材料和次要材料的流量可由對于泵20在給定流體粘度、泵20的類型、以及入口/出口壓差下的特性的了解來確定?；谒璧牧髁浚?0補(bǔ)償算法可用來獲得準(zhǔn)確的流量遞送而不需要直接的流量測量。直接流量測量可由于在使用儀器、系統(tǒng)滯后方面內(nèi)在的限制而在高速瞬時響應(yīng)期間產(chǎn)生延遲和不準(zhǔn)確性。泵20可被驅(qū)動至其所需的旋轉(zhuǎn)速度，取決于泵20容量，包括任何馬達(dá)或泵20滑動系數(shù)以說明泵20以小于100%的效率工作。如果需要，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備10和方法可監(jiān)測馬達(dá)轉(zhuǎn)軸的扭矩、位置、速度和/或加速度。因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備10和方法可能沒有流量反饋回路來補(bǔ)償流量的變化，或者甚至沒有流量計來監(jiān)測主要材料或次要材料的添加和/或添加速率，例如當(dāng)它們被添加到匯合區(qū)域12時。這樣一種控制系統(tǒng)提供對于所需的(即，命令的)響應(yīng)的相對高度的忠實度。本文要求保護(hù)的設(shè)備10和方法可由本領(lǐng)域已知的命令信號來控制。命令信號可被認(rèn)為是一個動態(tài)的設(shè)定值，并且是每種材料在給定時間點的材料添加速率。命令信號可從計算機(jī)如PLC發(fā)送。來自PLC的信號可發(fā)送至馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)。PLC和驅(qū)動系統(tǒng)對于所考慮的系統(tǒng)可以是內(nèi)置的或外置的。如果需要，每個馬達(dá)可具有指定的驅(qū)動控制器。命令信號從計算機(jī)發(fā)送至少驅(qū)動控制器，然后發(fā)送至馬達(dá)，該馬達(dá)可以是伺服馬達(dá)。當(dāng)然，技術(shù)人員將認(rèn)識到，可使用用于添加材料的其它設(shè)備10和方法并且命令信號從控制器發(fā)送至用于材料添加的該設(shè)備10或裝置。在收到命令信號時，伺服馬達(dá)加速或減速到適合于其相關(guān)的泵20或用于材料添加的其它設(shè)備IO或裝置的指定轉(zhuǎn)速。材料添加速率因此從命令信號控制。本發(fā)明考慮兩種類型的跟蹤錯誤。跟蹤錯誤是命令信號值和工藝變量之間的差異。第一個是在給定的每單位時間內(nèi)傳送的材料體積下的瞬時跟蹤錯誤。瞬時誤差觀'J定在特定時間點任何工藝變量和命令信號之間的差異。第二跟蹤錯誤可考慮累積誤差。所述累積誤差是在整個指定的時間段內(nèi)每種所考慮的材料的每個瞬時誤差的總合并且以體積測量。所考慮的時間段將取決于瞬時現(xiàn)象的長度。參見圖3和4,所示的跟蹤錯誤是命令信號和反饋程序變量之間的差異。在圖3中，具體的反饋程序變量為了基準(zhǔn)的目的由流量計測得的實際流量。然而，根據(jù)本發(fā)明，流量計對于生產(chǎn)材料組合、混合物或共混物而言不是必需的。圖3具體顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一種系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)具有標(biāo)稱直徑為5.lcm的管道。使用得自FisherControls(位于Emerson，St.Louis,Missouri的分公司)的流量控制球形閥來控制流量。所述閥由Allen-BradleyControLogix1756-5550控制器控制?？刂破骰趯崪y的流量將信號傳送給控制閥。流量使用同樣得自Emerson的具有RFT9739發(fā)射器的MicroMotionCMF100ELITE質(zhì)量流量計測量。系統(tǒng)使用壓力為大約1MPa(lO巴)的水作為對階躍輸入的響應(yīng)。從圖3可看出系統(tǒng)花費了大約40秒鐘才達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀況。圖4顯示使用控制閥對于階躍輸入的理想理論響應(yīng)。命令信號顯示階躍輸入。所述響應(yīng)根據(jù)以下公式進(jìn)行計算g(t)-1-e—"M吏用一秒時間常數(shù)(t)。即使在這種有利的理論條件下，圖4顯示可能需要大約四個時間常數(shù)，因此在該例子中四秒鐘，才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀況。圖4還顯示，對于階躍輸入，根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)態(tài)狀況可在小于0.1秒內(nèi)達(dá)到。圖4的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)利用來自從通過Sercos1756-M16SE通訊卡通訊的AllenBradleyControlLogix1756-L61處理器到用于次要材料的AllenBradleyKinetix6000驅(qū)動系統(tǒng)的命令信號。次要材料(一種染料溶液)由可得自ColfaxPumpGroup,Monroe,NC的ZenithC-9000泵供給并且由AllenBradleyMPF-B330P伺服馬達(dá)驅(qū)動。伺服馬達(dá)具有指定的SercosRackK6000傳動。伺力良馬達(dá)和泵20通過可得自AlphaGearofAlphaGearDrives,Inc.(位于ElkGroveVillage,IL.)的AlphaGearSP十傳動。如圖3至4所示，在現(xiàn)有技術(shù)中，使用步驟變更或劇烈升高變更難以實現(xiàn)低跟蹤錯誤和材料的相對恒定的比例。這是因為并非所有的閥門、致動器等都能夠在這些急速變更條件下同時、同步和以相同的比例響應(yīng)。然而，在本發(fā)明的情況下和在沒有閥門、尤其是流量控制閥、動態(tài)混合槽、相關(guān)滯后等的情況下，可獲得對于命令信號的更大忠實性。一種可考慮的過渡是從流動開始或流量命令改變的開始到實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)操作的點。這樣一種過渡示于圖5至6中。圖5至6使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)生成。該系統(tǒng)具有水平設(shè)置的、5.1cm直徑的匯合區(qū)域12,該匯合區(qū)域具有恒定的橫截面。匯合區(qū)域12具有八個入口141，其中每個入口都具有3mm的內(nèi)徑，設(shè)置在1.5cm的直徑上，如圖1至2所示，盡管本實例^又^U吏用兩個入口141。主要材料包括液體肥皂混合物。第一和第二次要材料包括兩種不同的染料溶液。將主要材料、第一次要材料和第二次要材料分別設(shè)定為所需的比例98.75%，0.75%和0.5°/。。可根據(jù)已知的泵20補(bǔ)償算法來調(diào)節(jié)發(fā)送給伺服馬達(dá)控制的實際命令信號以解決共用泵20的低效和不規(guī)則性。主要材料由可得自SPXCorp.,Delavan，WI的WaukeshaUII-060泵供給并由AllenBradleyMPF-B540K伺服馬達(dá)驅(qū)動。每種次要材料由可得自ColfaxPumpGroup,Monroe,NC的ZenithC-9000泵供給并且由AllenBradleyMPF-B330P伺服馬達(dá)驅(qū)動。每個伺服馬達(dá)具有指定的SercosRackK60004專動并通過可4尋自AlphaGearofAlphaGearDrives,Inc.(位于ElkGroveVillage,IL)的AlphaGearSP+傳動連接。系統(tǒng)分別由通過Sercos1756-M16SE通訊卡通訊的AllenBradleyControlLogix1756-L61處理器到用于主要材料和次要材料的AllenBradleyUltra3000或AllenBradleyKinetix6000驅(qū)動系統(tǒng)控制?？傻米許ulzer的第十四元件SMX靜態(tài)攪拌器設(shè)置在匯合區(qū)域12的起點的大約一毫米內(nèi)。第十二元件SMX靜態(tài)攪拌器設(shè)置在第一靜態(tài)攪拌器的下游的大約46cm處。在第二靜態(tài)攪拌器之后，既認(rèn)為材料被充分混合。如圖5至6所示，本發(fā)明可用于以下過渡中，所述過渡具有不同的增長流量、不同的降低流量、或具有在不同恒速下的穩(wěn)態(tài)操作。圖5中所示的曲線可分為三個大致不同的線段。所述曲線的第一段是上升，其中每種材料的流量從零增加至每種材料的預(yù)定值。所述曲線的第二部分是穩(wěn)態(tài)流，其中所述流量相對保持恒定并可用于生產(chǎn)量。所述曲線的第三部分顯示從穩(wěn)態(tài)流量到較不穩(wěn)定流量的下降。在衰退的情況下，較少的流量可能是零，或者其可以是僅僅小于曲線的其他部分中顯示的流量的流量。在這些曲線的所有三個部分中，每種材料與進(jìn)料中的所有材料的總共混物的比例基本上保持恒定。在一個實施方案中，命令信號可以用于過渡以從沒有流動或零流動信號到在單一過渡中百分之百滿標(biāo)度流動的信號，盡管也可利用小于百分之百的穩(wěn)態(tài)流量?？擅钸^渡在不超過2秒，不超過一秒，不超過半秒或更短時間內(nèi)發(fā)生。在這種過渡期間，根據(jù)本發(fā)明，每種主要材料或次要材料，即第一、第二、第三至第n種材料在整個過渡期間可保持在實測的滿標(biāo)度流動的±10°/。、5%、3%內(nèi)。該百分比可基于瞬時誤差，如下文所述。當(dāng)然，普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明不限于具有三種不同流量的過渡。從第一穩(wěn)態(tài)流動的過渡可大于或小于穩(wěn)態(tài)流量?？筛鶕?jù)需要使用多重過渡，相等或不等的時間段、上升等的任何組合、圖案的增加和降低。根據(jù)本發(fā)明，所述至少一種第一材料和至少一種第二材料以大致恒定的比例發(fā)生，即，在整個穩(wěn)態(tài)操作時間段內(nèi)以相對恒定的流量進(jìn)入到匯合區(qū)域12內(nèi)。同樣，也在整個過渡流量時間段內(nèi)保持基本上恒定的比例?；旧虾愣ǖ谋壤仍诹髁吭黾訒r保持也在流量降低時保持，只要流量大雨接近零、非平凡的值。盡管圖5至6顯示了在整個過渡區(qū)域的一階、線性變化率，但本發(fā)明不限于此。可利用二階、三階等變化率，只要保持基本上恒定的比例。僅有必要控制泵20或其它原動力，使得大致恒定的比例關(guān)系被保持。盡管可能很容易地設(shè)想、利用線性變化速率更容易地執(zhí)行和編程恒定比例，技術(shù)人員將認(rèn)識到，也有其它選項可用來在整個過渡期間保持恒定比例。再次參見圖3至4的系統(tǒng)并如表1(其列出了圖4中所示的數(shù)據(jù))所示，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的瞬時誤差在整個過渡期間降低。然而，該錯誤從沒有在5秒的時間段內(nèi)達(dá)到本發(fā)明的相對低值，如表1所示。表1也示出了既用于現(xiàn)有技術(shù)也用于本發(fā)明的累積誤差。表1跟蹤錯誤從命令信號步驟開始后的時間，以秒計。以T=1秒發(fā)送的命令信號。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>圖7示出，瞬時誤差可通過一階指數(shù)公式來近似計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>其中IE是每單位時間體積的瞬時誤差，并且A是設(shè)定值變化的量值，規(guī)一化為一來用于本發(fā)明。M是振幅的系數(shù)，其將振幅的值從規(guī)一化為一的設(shè)定值量值降低為從0至)J1,或乂人0.1到1,或從0.2到1，或/人0.3到1，或從0.4到1，或從0.5到1(根據(jù)需要)的任何值，t是以秒為單位的瞬間時間，t是以秒為單位的時間常數(shù)。該近似計算尤其適用于現(xiàn)有技術(shù)過渡，該過渡持續(xù)最多1秒，2秒，3秒，4秒，和甚至5秒。所考慮的系數(shù)、時間常數(shù)和時間段的示例性的、非限制性組合如表2所述。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>圖7還顯示，本發(fā)明可通過跟蹤下列示例的不平等所提供的瞬時誤差，盡管可利用表2中所示的任何組合。IE<A*M*exp(-t/t)對于^f直M=0.5，t=1，/人時間t=0到0.5*t估算，或更具體地講IE<A*M*exp(-t/t)對于值M=0.5，t=0.5，t從0到3.0*t估算，或更具體地講IE<A*M*exp(-t/t)，對于值M=0.25,t=1,0,t/人0到1.5*t估算。可求得瞬時誤差在所需要的時間段內(nèi)的積分以根據(jù)下面的公式得到該時間段的累積誤差CE=J"IEd(t)其中CE是累積誤差，t,為起始時間并在衰退的情況下設(shè)定為0，且t2為所考慮的時間段的結(jié)束。圖8示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的累積誤差可用以下公式計算近似值CEk=(0.5*(IEH+IEk)*AT)+CEH其中CE為體積的累積誤差，k為具體離散時間段的標(biāo)號，△T為以秒為單位的離散時間取樣和時間_艮，且IE保持如前所定義。然而，技術(shù)人員將認(rèn)識到，隨著時間朝著穩(wěn)態(tài)流動繼續(xù)，瞬時誤差接近零。由于累積誤差取決于瞬時誤差，因此當(dāng)瞬時誤差接近零時，累積誤差不會顯著增加。普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，表2中所示的值的任何組合可用于本發(fā)明，因此本發(fā)明不限于對于瞬時誤差或相關(guān)累積誤差的不平等。如果需要，可將活塞泵用于本發(fā)明?；钊每蔀槟承┝黧w提供更大的靈活性并且可具有脈動輸出，所述流體可用于本發(fā)明，所述脈動輸出提供流量的重復(fù)性波動。如果需要，可對伺服馬達(dá)進(jìn)行編程以具有與實際泵輸出的負(fù)重疊，使得通過使用馬達(dá)的凸輪系統(tǒng)來抑制波動，如本領(lǐng)域所知。這提供了以下優(yōu)點在活塞泵的下游系統(tǒng)中將不需要阻尼器。阻尼器可增添滯后或其他不可取的影響，本發(fā)明避免了這些影響。呈現(xiàn)了本發(fā)明的一個可供選擇的實施方案。在該實施方案中，使產(chǎn)品流的一個小部分(其可以是少數(shù)部分)轉(zhuǎn)向。產(chǎn)品的轉(zhuǎn)向部分可具有所需的最終產(chǎn)品的所有材料。作為另外一種選擇，轉(zhuǎn)向的少數(shù)部分可能缺少一種或多種材料。產(chǎn)品流的轉(zhuǎn)向的少數(shù)部分可具有使用本文公開的設(shè)備10和方法添加的至少一種材料?？蓪⒋我牧咸砑拥轿挥诔曌兎鶙U、靜態(tài)攪拌器的上游處的轉(zhuǎn)向流中。所述流的該部分然后可用作中間體或最終產(chǎn)品。如此完成的少數(shù)部分然后被排放到容器中以用于最終用途。所述流的多數(shù)部分可繼續(xù)不減弱地通過該過程，而無需進(jìn)一步添加次要材料并且無需轉(zhuǎn)向。作為另外一種選擇，可將附加的次要材料添加到產(chǎn)品流的主要部分中。產(chǎn)品流的主要部分然后被送到容器中以用于最終用途，如上所述。該安排提供以下有益效果可同時完成主要產(chǎn)品和次要產(chǎn)品的平行制造。例如，產(chǎn)品的主要部分可包括第一染料、香料、添加劑等?？蓪a(chǎn)品流的較不流行或較少使用的次要部分轉(zhuǎn)向并具有第二染料、香料、或最終產(chǎn)品中包括的其他添加劑。作為另外一種選擇，該安排提供以下有益效果可生產(chǎn)產(chǎn)品的主要部分而不使用特定的染料、香料、添加劑等，同時所需的染料、香料或其他添加劑包括在少數(shù)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)向的流中，反之亦然。該安排提供以下有益效果可以任何所需的比例來生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，而沒有代價昂貴的停機(jī)、清潔等。當(dāng)然，技術(shù)人員將認(rèn)識到，可轉(zhuǎn)向不止單一少數(shù)產(chǎn)品流?？赊D(zhuǎn)向多種少數(shù)流，每種流在使用或不使用具體和其他添加劑的情況下生產(chǎn)相對小量的最終產(chǎn)品。該安排為制造工藝提供靈活性，所述制造工藝用于生產(chǎn)大的或多數(shù)第一量的材料的共混物和一種或多種較小、少數(shù)量的材料，所有這些都不需要停機(jī)和清潔設(shè)備10及相關(guān)系統(tǒng)。在發(fā)明詳述中所有引用文獻(xiàn)的相關(guān)部分均以引用的方式并入本文。任何文獻(xiàn)的引用并不可理解為是對其作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)可。當(dāng)本書面文獻(xiàn)中術(shù)語的任何含義或定義與以引用方式并入的文獻(xiàn)中的術(shù)語的任何含義或定義沖突時，將以賦予本書面文獻(xiàn)中的術(shù)語的含義或定義為準(zhǔn)。盡管已用具體實施方案來說明和描述了本發(fā)明，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下可作出許多其它的變化和修改。因此，有意識地在附加的權(quán)利要求書中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。權(quán)利要求1.一種組合材料的方法，所述材料包括至少一種主要材料和至少一種次要材料，所述至少一種主要材料和至少一種次要材料組合在一起以得到總材料，所述方法包括以下步驟提供匯合區(qū)域；將至少一種主要材料供給到所述匯合區(qū)域中；將至少一種次要材料鄰近所述至少一種主要材料添加到所述匯合區(qū)域中，由此所述至少一種主要材料和所述至少一種次要材料以第一比例形成相互接觸的關(guān)系并被保持在所述匯合區(qū)域內(nèi)；和改變在整個第一時間段內(nèi)添加到所述匯合區(qū)域中的所述至少一種主要材料和所述至少一種次要材料的量，其特征在于將所述至少一種主要材料與相應(yīng)設(shè)定值的所述第一比例和所述至少一種次要材料與相應(yīng)設(shè)定值的所述第一比例保持在不超過滿標(biāo)度流量的±5％的瞬時誤差內(nèi)，所述第一時間段少于一秒鐘。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述瞬時誤差不超過士3%。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一時間段不超過二分之一秒。4.一種用于將至少兩種材料組合在一起的設(shè)備，所述設(shè)備能夠經(jīng)受一種過渡，由此每單位時間被共混的所述材料的量發(fā)生變化，所述量大于或小于共混所述材料的先前速率，由此所述過渡在具有于時間T=0時改變的設(shè)定值的命令信號和實測的流量之間產(chǎn)生瞬時誤差和累積誤差，其特征在于所述瞬時誤差不超過IE<A*M*exp(-t/t)其中IE是每單位時間體積的瞬時誤差，并且A是時間為零時設(shè)定值變化的量值，規(guī)一化為一，M為0.1至0.5范圍內(nèi)的尺寸系數(shù)，t是以秒為單位的瞬時時間，不超過1.5*t,t是在0.1至1.0秒范圍內(nèi)的時間常數(shù)。5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于T為1,并且t在0至0.5*t的范圍內(nèi)。6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于M為0.5,T為0.5，并且t在0至2承T的范圍內(nèi)。7.—種用于將至少兩種流體材料共混在一起的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)能夠經(jīng)受持續(xù)不超過一秒鐘的過渡，由此每單位時間被添加的材料的量發(fā)生變化，所述量大于或小于在所述過渡之前添加所述材料的速率，由此所述過渡在下式給出的時間段內(nèi)產(chǎn)生累積誤差<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中CE為體積的累積誤差，k為離散時間段的標(biāo)號，其在零至kf^的范圍內(nèi)，AT為控制系統(tǒng)的離散時間段，以秒為單位；IEk=[用于流量的命令信號]k-[實際流量k其中"用于流量的命令信號"是期望的流量，"實際流量"是所述系統(tǒng)中的所得流量，且由下式給出連續(xù)時間t和離散時間之間的過渡t=k*AT,其中k為用于離散時間段AT的標(biāo)號，t和AT以秒、測量；其特征在于，對于標(biāo)準(zhǔn)幅度的過渡命令信號等于一，下式給出了對于從t=0至t=Tf^的時間段，對于Tflnal最多5秒或更小時的所述累積誤差CETfinal<0.50。8.如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于所述累積誤差由下式給出CETfmal<0.37。9.如權(quán)利要求7或8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于Tfinai為最多4秒。10.如權(quán)利要求7至9中任一項所述的控制系統(tǒng)，其特征在于Tfinai為最多3秒。全文摘要用于組合多種材料的設(shè)備和方法。所述多種材料可包括主要材料和一種或多種次要材料。所述主要材料和次要材料在短暫或穩(wěn)定流量時添加，這取決于來自控制信號的命令。實際流量跟蹤被指令的流量，但以一定誤差偏離。該受權(quán)利要求書保護(hù)的布置方式提供了據(jù)信現(xiàn)有技術(shù)無法獲得的瞬時誤差和基于時間的誤差。文檔編號G05D11/13GK101288034SQ200680038138公開日2008年10月15日申請日期2006年8月30日優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日發(fā)明者約恩·凱文·麥克勞克林,羅杰·菲利普·威廉斯申請人:寶潔公司