專利名稱：多變量預(yù)測(cè)控制器中的過(guò)程控制器優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)，更具體地涉及健壯(robust)的多變量預(yù)測(cè)控制器(RMPC)中的動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化方法，該RMPC采用范圍控制。
在當(dāng)前的控制系統(tǒng)中，優(yōu)化是通過(guò)計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)解(solution)，然后將該解級(jí)聯(lián)到執(zhí)行控制問(wèn)題的多變量預(yù)測(cè)控制器(MPC)上而完成的。這一當(dāng)前的方法存在兩種主要缺陷。首先，由于穩(wěn)定狀態(tài)解的級(jí)聯(lián)配置，優(yōu)化速度完全取決于MPC的速度。從而如果MPC速度較慢，執(zhí)行穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化的速度便不會(huì)快。其次，穩(wěn)定狀態(tài)解通常不與MPC的控制解動(dòng)態(tài)兼容。
從而，存在著對(duì)以動(dòng)態(tài)地與控制器解兼容的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化解的要求。本發(fā)明的方法將優(yōu)化解與控制解合并而得出受控制的過(guò)程的整體兼容控制結(jié)果。
因此，本發(fā)明提供了動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化方法，其中的優(yōu)化解與控制解協(xié)調(diào)地工作。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，具有用于提供過(guò)程的健壯控制的控制器，該控制器采用預(yù)定的范圍控制程序，其結(jié)果為一個(gè)控制解。該過(guò)程具有至少一個(gè)操縱變量及至少一個(gè)控制變量。提供動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法包括計(jì)算操縱變量與控制變量的一組優(yōu)化的穩(wěn)定狀態(tài)值的步驟。建立增廣范圍控制程序以使穩(wěn)定狀態(tài)值組與控制解相協(xié)調(diào)。該增廣范圍控制程序被求解，借此生成的操縱變量是與穩(wěn)定狀態(tài)值組及控制解兼容的。根據(jù)由該增廣范圍控制程序生成的操縱變量來(lái)控制該過(guò)程，借此提供該過(guò)程的最佳控制。
因此，本發(fā)明的目的為提供動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化方法。
本發(fā)明的另一目的為提供在其中將優(yōu)化解與控制解合并的動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化方法。
本發(fā)明的又另一目的為提供其中的優(yōu)化解與控制解協(xié)調(diào)工作的動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化方法。
結(jié)合以下的描述與附圖，本發(fā)明的這些與其它目的將成為顯而易見的，附圖中，相同的字符表示相同的部分，并且這些圖構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分。


圖1示出在其中可采用本發(fā)明的過(guò)程控制系統(tǒng)的功能框圖；圖2示出本發(fā)明的方法的流程圖；圖3示出一個(gè)示例性問(wèn)題的控制變量1-4的曲線；及圖4示出采用本發(fā)明的方法的圖3的示例的操縱變量5-7的曲線。
在描述本發(fā)明的方法之前，理解在其中采用本發(fā)明的系統(tǒng)環(huán)境是有幫助的。
參見圖1，其中示出了可采用本發(fā)明的過(guò)程控制系統(tǒng)的功能框圖?？刂破?0具有作為輸入變量u耦合到過(guò)程20上的多個(gè)輸出。過(guò)程20可包括諸如閥門、加熱器等能加以控制的多個(gè)元件。過(guò)程20的過(guò)程變量y包含溫度、壓力、電平、流量等，它們控制產(chǎn)品質(zhì)量。輸入變量(或操縱變量)u定義為u=u1u2...um]]>或mv=mv1mv2...mvm]]>而輸出變量(或控制變量)cv則定義為cv=cv1cv2...cvn]]>從而，過(guò)程20為具有m個(gè)操縱變量及n個(gè)控制變量的動(dòng)態(tài)過(guò)程P(s)?？刂谱兞?cv)包含n1個(gè)穩(wěn)定cv、n2個(gè)約束cv及n3個(gè)優(yōu)化cv。通常，n≥m≥n1在本發(fā)明中，控制規(guī)范r(在以前的系統(tǒng)中稱作設(shè)定點(diǎn))定義如下r=r1∈[r‾1r‾1]r1∈[r‾1r1]..rn∈[r‾n rn]]]>對(duì)于穩(wěn)定CVi，下界等于上界，ri＝ri。對(duì)于約束CVj，上界大于下界，rj≥rj，或者只存在下界或只存在上界。最后，對(duì)于優(yōu)化CV，完全不存在界限。
將控制器10的范圍控制函數(shù)按照minx,y||1/2W(Ax-y)||2]]>被公式化為處理上而提出的三種情況。
假定MV≤X≤MV，及PV≤y≤PV；其中W為用戶加權(quán)矩陣。
A為將輸出的過(guò)程動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)到輸入上的動(dòng)態(tài)模型矩陣(aij系數(shù))；y(最佳響應(yīng)軌線)為范圍變量(設(shè)定點(diǎn)的擴(kuò)展)；而X(控制解)則為取決于應(yīng)用的操縱變量Δu(即，Δu＝u當(dāng)前-u上一個(gè))。PV與PV(過(guò)程變量)為希望使過(guò)程操作的范圍，而MV與MV則為希望使過(guò)程操作的范圍物理極限。
通過(guò)參考轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的同一受讓人的名為“利用范圍控制的多變量預(yù)測(cè)控制方法”的1994年9月27日授權(quán)的美國(guó)專利號(hào)5,351,184的專利可以得到多變量預(yù)測(cè)控制器(MPC)的更詳細(xì)的描述，將其引用在此作為參數(shù)。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，將最佳解合并到采用范圍控制的RMPC控制解中，更具體地，合并到范圍控制程序中，即范圍控制算法(RCA)，并得出下面將描述的總體兼容解。參見圖2，其中示出了本發(fā)明的方法的流程圖。在起動(dòng)控制過(guò)程時(shí)，根據(jù)需要執(zhí)行初始化、內(nèi)務(wù)處理等(框101)。然后增廣范圍控制算法(RCA)以加入穩(wěn)定狀態(tài)解(框105)。增廣的RCA程序的形式在下面描述。下一步驟(框110)解穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，即解
這是本領(lǐng)域熟練本技術(shù)人員眾所周知的二次穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化表達(dá)式。下一步驟(框115)解增廣的范圍控制算法。對(duì)增廣的RCA的輸入?yún)?shù)包含設(shè)定點(diǎn)、上/下極限、系統(tǒng)干擾等。用動(dòng)態(tài)控制解對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化解的增廣(或合并，有時(shí)稱作調(diào)諧)得出一個(gè)總體兼容解。輸出新計(jì)算出的MVs(框120)來(lái)控制過(guò)程。如果不要終止過(guò)程(框125)，便在框110重復(fù)控制過(guò)程。通過(guò)擴(kuò)展A矩陣完成增廣，例如使得對(duì)于3個(gè)mv解及對(duì)于5點(diǎn)預(yù)測(cè)解的增廣的A矩陣，即
矩陣得出
在更一般的形式中，增廣的范圍控制算法解具有形式minx,y1/2||Ax-Y||2]]>其中minx,y1/2||Ax-Y||2]]>
或
Xss為已知值，其作用象從框110導(dǎo)出的設(shè)定點(diǎn)變化。Wo為調(diào)節(jié)優(yōu)化速度的調(diào)節(jié)權(quán)重。
X矩陣表示第一mv(即mv1)的第一次移動(dòng)(現(xiàn)在)，mv1的第二次移動(dòng)(如一分鐘以后)，mv1的第三次移動(dòng)(如2分鐘以后)...第五次移動(dòng)(如4分鐘以后)，...，mv2的當(dāng)前移動(dòng)，第二次移動(dòng)(一分鐘以后)，...，及最終地mv3的第五次移動(dòng)(即4分鐘以后)。從而，
從而，
矩陣乘以X的第一增廣行表示在本例中計(jì)算的5個(gè)點(diǎn)的第一mv(mv1)的所有移動(dòng)之和。從而，＝Δmv1(1)+Δmv1(2)+Δmv1(3)+Δmv1(4)+Δmv1(5)增廣的范圍控制算法minx,y1/2||A111110000000000000001111100000000000000011111X-yXss(1)Xss(2)Xss(3)||2]]>等于minx,y1/2||Ax-Y||2]]>它具有與范圍控制算法類似的形式，使得穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化解與動(dòng)態(tài)控制矩陣的合并的實(shí)現(xiàn)相對(duì)地直觀(在本發(fā)明中沒有級(jí)聯(lián))。
從而，本發(fā)明規(guī)定了mv的值，即指定這些點(diǎn)必須在何處，而不指示mv如何到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)。這些點(diǎn)(即mvs的單個(gè)值)如何到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)為控制器與控制解的功能。
從當(dāng)前點(diǎn)到最后最佳點(diǎn)各mv必須采取的路徑不是由優(yōu)化結(jié)果規(guī)定的，而是由本發(fā)明的解所解決的，從而保證了優(yōu)化解與控制解的兼容性。選擇加權(quán)矩陣W與Wo，使得既非控制解也非優(yōu)化解在合并的情況中處于支配地位。
作為實(shí)例，示出了用于殘余液化催化裂化單元RFCCV的RMPC應(yīng)用，RFCCV具有20個(gè)CV及7個(gè)mv，如表1與2中所示。cv1是穩(wěn)定的而其余的cv具有上/下界。參見圖3，其中示出了對(duì)于cv1-4的cv值的曲線。參見圖4，其中示出了mv5-7的值的曲線。注意，mv5(預(yù)熱器2空氣，圖4A)的值示出該值在向最佳值增加以前先降低。這是為了與cv值及其它mv值兼容。如果級(jí)聯(lián)了表1
表2
優(yōu)化解，便已利用了虛線曲線，但是與cv1(預(yù)熱器2氧氣，圖3A)不兼容。如果取虛線的路徑，cv1的誤差會(huì)較大，將會(huì)有更多的氧氣，使燃燒速度更難控制，并且太多氧氣使混合物更易爆炸。
雖然已示出了認(rèn)為是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但表明可在其中作出許多改變與修正而不脫離本發(fā)明的主要精神與范圍。因此，所附的權(quán)利要求書旨在覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)范圍內(nèi)的所有這些改變與修正。
權(quán)利要求
1.在過(guò)程控制系統(tǒng)中，具有用于提供過(guò)程的健壯控制的控制器，該控制器采用預(yù)定的范圍控制程序，其結(jié)果為一個(gè)控制解，該過(guò)程還具有至少一個(gè)操縱變量及至少一個(gè)控制變量，提供動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法包括下述步驟a)建立增廣的范圍控制程序來(lái)協(xié)調(diào)穩(wěn)定狀態(tài)值組與控制解；b)解該增廣的范圍控制程序，借此生成的操縱變量是與穩(wěn)定狀態(tài)值組及與控制解兼容的；以及c)按照該增廣的范圍控制程序所生成的操縱變量控制該過(guò)程，借此提供該過(guò)程的最佳控制。
2.按照權(quán)利要求1的提供動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法，還包括下述步驟a)在建立一增廣的范圍控制程序之前，計(jì)算操縱變量與控制變量的一組優(yōu)化的穩(wěn)定狀態(tài)值。
3.在過(guò)程控制系統(tǒng)中，權(quán)利要求1的方法，其中的計(jì)算步驟包括采用二次穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化表達(dá)式計(jì)算操縱變量與控制變量的一組優(yōu)化穩(wěn)定狀態(tài)變量的步驟。
全文摘要
在過(guò)程控制系統(tǒng)中,具有用于提供一過(guò)程的健壯控制的控制器,該控制器采用預(yù)定的范圍控制程序,其結(jié)果為一個(gè)控制解。該過(guò)程具有至少一個(gè)操縱變量及至少一個(gè)控制變量。提供動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法包括計(jì)算操縱變量與控制變量的一組優(yōu)化穩(wěn)定狀態(tài)值的步驟。建立增廣的范圍控制程序來(lái)協(xié)調(diào)該穩(wěn)定的狀態(tài)值組與控制解。解增廣的范圍控制程序,借此生成的操縱變量是與該穩(wěn)定狀態(tài)值組及控制解兼容的。按照增廣的范圍控制程序所生成的操縱變量控制該過(guò)程,借此提供過(guò)程的最佳控制。
文檔編號(hào)G05B13/02GK1187888SQ96194774
公開日1998年7月15日 申請(qǐng)日期1996年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月13日
發(fā)明者盧祝新, J·沃德·麥克阿瑟, 布賴恩·C·霍恩 申請(qǐng)人:霍尼韋爾公司