專利名稱：動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在模型預(yù)測(cè)控制器中確定操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，具體地，本發(fā) 明涉及一種計(jì)算方法，其中，作為一個(gè)優(yōu)化解法的一部分同時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和 動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算。
背景技術(shù)：
自從1980年開始，模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的基本公式包括兩步解法。受 約束的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化解法的第 一步包括根據(jù)過去操作變量運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，基于當(dāng)前預(yù) 測(cè)的將來穩(wěn)態(tài)，對(duì)受控變量和操作變量二者確定最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)。在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì) 算解法的第二步中，計(jì)算操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)以獲得達(dá)到最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)的過 程。然而，通過控制時(shí)域上的操作變量的多個(gè)將來運(yùn)動(dòng)或它們的某些改變，動(dòng) 態(tài)運(yùn)動(dòng)被計(jì)算為不受約束的最少均方解以最小化受控變量在預(yù)測(cè)時(shí)域上的預(yù) 測(cè)誤差的平方，而不是計(jì)算為明確的約束動(dòng)態(tài)解。此外，通過采用滾動(dòng)時(shí)域 (receding horizon)方法，重復(fù)執(zhí)行這些兩步解法以持續(xù)更新最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)及 動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。2步解法的一個(gè)關(guān)鍵不足是即使穩(wěn)態(tài)解不違反(violate)上/下限， 受控變量值也可能違反上/下限。作為無約束解的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算不能確保受控 變量不違反受控變量各自的上/下限，同時(shí)如穩(wěn)態(tài)優(yōu)化步驟更早確定的那樣向 穩(wěn)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。因此，在現(xiàn)有的MPC中，在改變過程條件的情況下，MPC的 動(dòng)態(tài)性能可能發(fā)生顯著的改變。另夕卜，在一組過程條件下，改善不良性能的任 何企圖必然將導(dǎo)致控制器調(diào)節(jié)(controllertuning)的改變，在某些其它過程條 件下，這隨后會(huì)產(chǎn)生不良的性能。對(duì)于寬范圍的操作條件，現(xiàn)有的MPC在性 能上并不良好。
，實(shí)際上，為了避免該問題，使用用于受控變量和操作變量二者的各種形式 的調(diào)節(jié)權(quán)重。特定地，對(duì)于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算，需要受控變量權(quán)重和操作變量權(quán)重 以確保使受控變量的動(dòng)態(tài)違反最小。通常，通過減少運(yùn)動(dòng)的尺寸來并從而降低 接近最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)的速度，增加操作變量權(quán)重減少受控變量的動(dòng)態(tài)違反。 一定量的操作變量的調(diào)節(jié)權(quán)重對(duì)于維持在控制下的過程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是必不可少 的。然而，實(shí)際上，調(diào)節(jié)權(quán)重的有效性相當(dāng)受限于并且非常依賴于操作的范圍。 一組調(diào)節(jié)權(quán)重值不能確保在改變操作條件的情況下受控變量的動(dòng)態(tài)違反是相 同的。因此，實(shí)際上，基于折衷的辦法來設(shè)置調(diào)節(jié)權(quán)重，由此通過接受緩慢的 過程性能來取得受控變量的動(dòng)態(tài)違反。因此，為了維持控制下的過程的響應(yīng)和 穩(wěn)定性，需要不時(shí)地調(diào)整調(diào)節(jié)權(quán)重。這是試錯(cuò)法。在改變干擾條件的情況下，
被不良調(diào)節(jié)的MPC將通過根據(jù)受控變量的過量的動(dòng)態(tài)違反來執(zhí)行。在中等大 小的MPC中，不容易設(shè)置在所有時(shí)間始終如一地進(jìn)4亍執(zhí)行的調(diào)節(jié)權(quán)重。本質(zhì) 上，現(xiàn)有技術(shù)中的2步解法包括特征為在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中無約束的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的效果 的正反饋環(huán)路及相反的情況。這使得現(xiàn)有的MPC由于在包括受控變量和操作 變量二者的調(diào)節(jié)權(quán)重的可測(cè)量的和不可測(cè)量的干擾干擾中的一定的動(dòng)態(tài)改變 量而更容易受到自身引起的不穩(wěn)定性。
在最近的25年中，在工業(yè)領(lǐng)域，2步解法已經(jīng)是MPC實(shí)施的壁壘。從 1980年Shell開發(fā)公司第一次引入2步解法至今，該解法基本保持相同。Lu 等人的現(xiàn)有專利US PAT#5758047涉及一種2步解，其中第一步的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)和 動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算是協(xié)調(diào)的，在第二步中通過增強(qiáng)的問題求解動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)?；旧?， 在另一較早的US專利#4616308中Morshedi等人公開了涉及動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算 的相同的2步過程。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有MPC的關(guān)鍵問題是通常僅通過調(diào)節(jié)權(quán)重來控制受控變量的動(dòng)態(tài)違反。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法明確地約束在 到達(dá)操縱變量運(yùn)動(dòng)中受控變量的動(dòng)態(tài)違反，從而導(dǎo)致改善的和魯棒的控制性 B匕。


圖1是說明現(xiàn)有MPC中的2步解的框圖； 圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)態(tài)MPC的框圖； 圖3是受控變量的動(dòng)態(tài)違反的說明； 圖4.1是動(dòng)態(tài)MPC的說明；圖4.2是具有約束穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)違反的動(dòng)態(tài)MPC的說明； 圖4.3是具有不約束穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)違反的現(xiàn)有MPC的說明； 圖5說明操作變量運(yùn)動(dòng)約束錐形； 圖6是DeButanizer示意性過程流圖表； 圖7是DeButanizer示例的過程變量； 圖8是具有和不具有U8PC01的動(dòng)態(tài)嵌入的性能比較。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，示出說明2步現(xiàn)有MPC過程控制的框圖。過程201的特征是 多個(gè)通常被稱作受控變量(過程輸出變量)203、操作變量(過程輸入變量) 202及干擾變量(過程不受控制的輸入變量)204的變量。該過程涉及其中操 作變量和干擾變量的改變的結(jié)果引起受控變量在一段時(shí)間上的某些改變的任 何形式的操作。典型地，普遍已知穩(wěn)態(tài)為受控變量的改變固定為常數(shù)或包括以 不變速度改變的近常數(shù)值。穩(wěn)態(tài)表示在操作變量和/或干擾變量改變之后過程 的最終狀態(tài)。對(duì)于穩(wěn)定過程，對(duì)于固有地穩(wěn)定過程當(dāng)輸出變量的改變速度變?yōu)?零，或者對(duì)于開環(huán)非穩(wěn)定過程，輸出的改變速度達(dá)到常數(shù)，則獲得穩(wěn)態(tài)，例如 液體蓄電池，當(dāng)輸出變量的改變速度達(dá)到常數(shù)時(shí)獲得穩(wěn)態(tài)。為了揭示本發(fā)明， 這些類型的過程都被認(rèn)為以它們各自的方式達(dá)到穩(wěn)態(tài)。然而，為了說明，本文 將僅考慮固有穩(wěn)定過程而不喪失一般性。
圖1中描述的過程101可以是包括一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量的簡(jiǎn)單過 程或是包括多個(gè)輸入變量和多個(gè)輸出變量的更復(fù)雜的過程。隨著現(xiàn)有MPC的 過程的大小變大，受控變量的動(dòng)態(tài)違反問題變得更加困難并且富有挑戰(zhàn)性。
在圖1中，113構(gòu)成在現(xiàn)有技術(shù)中一般知道的模型預(yù)測(cè)控制，模型預(yù)測(cè)控 制包括穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器和動(dòng)態(tài)控制器。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器112首先根據(jù)操作變量的先前的 運(yùn)動(dòng)、干擾變量的改變及受控變量的反饋，基于預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)，計(jì)算操作變量和 受控變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)。然后將穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)傳到動(dòng)態(tài)控制器以確定可能使 過程達(dá)到目標(biāo)穩(wěn)態(tài)的操作變量的將來運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)控制器111不管怎樣將這個(gè)執(zhí) 行為預(yù)測(cè)的受控變量距它們的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)的最小均方最小化。然后對(duì)過程應(yīng)用操 作變量的計(jì)算出的將來運(yùn)動(dòng)102的第一運(yùn)動(dòng)以對(duì)過程起作用。重復(fù)該計(jì)算循 環(huán)，然后過程漸漸地達(dá)到最終的穩(wěn)態(tài)。圖3說明現(xiàn)有MPC中出現(xiàn)的有關(guān)于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的受 控變量301的動(dòng)態(tài)違反的非典型問題。圖3也說明了所期望或希望的根據(jù)本發(fā) 明的不違反CV路徑302。如下所述，根據(jù)本發(fā)明，不違反CV路徑被確定為 包括穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制運(yùn)動(dòng)計(jì)算的組合優(yōu)化解法的一部分。
在圖2中，提出了改進(jìn)的MPC，在該MPC中，將現(xiàn)有MPC中的2步解 法合并為一個(gè)優(yōu)化步驟解法。
假設(shè)通過一組變量來表征過程，該一組變量例如是 Md表示操作變量的動(dòng)態(tài)值 Cd表示受控變量的動(dòng)態(tài)值 Dd表示干擾變量的動(dòng)態(tài)值 M表示操作變量的穩(wěn)定值 C表示受控變量的穩(wěn)態(tài)值 D表示初始時(shí)干擾變量的值。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，C=Cd， M=Md 此外，假設(shè)
存在m個(gè)操作變量， 存在c個(gè)受控變量， 存在d個(gè)干擾變量。 對(duì)于大多數(shù)典型的MPC應(yīng)用，除了過去值和當(dāng)前值，不存在已知或給出 的干擾變量的將來值，在這些情況下，使用D就夠了。然而，除了已知/給出 的將來值，使用Dd將認(rèn)為是使用如慣常使用的D。因此，在公式中，適當(dāng)?shù)?Dd和D將被互換使用。
過程201被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過下面的公式表征受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng) (C, Cd) =G (Md， Dd) 1 其中，G描述對(duì)于給出的一組動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)Md和Dd中動(dòng)態(tài)干擾將來改變，作為(C, Cd)的受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(C， Cd)被認(rèn)為由作為C的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和作為Cd 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)組成。當(dāng)然，在過程的穩(wěn)態(tài)中，Cd達(dá)到值C。為了明確表達(dá)，在 適當(dāng)?shù)那闆r下，C和Cd二者4皮認(rèn)為是分離的。除了變量Md，為了穩(wěn)態(tài)優(yōu)化， 將使用M作為穩(wěn)態(tài)變量。重要的是應(yīng)該注意，Dd被本質(zhì)上認(rèn)為是外部變量，其不通過優(yōu)化解法確定而是影響優(yōu)化解法。通常，在MPC應(yīng)用中，D"步及在
控制循環(huán)開始時(shí)測(cè)量的實(shí)際動(dòng)態(tài)改變，而對(duì)于大多數(shù)將來的動(dòng)態(tài)改變被認(rèn)為是 未知的并因此為零。然而，如在本發(fā)明的另一實(shí)施例中進(jìn)一步揭示的，本文中
的公式允許更有趣的情況，其中，可以包括將來的D的動(dòng)態(tài)改變。
本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)MPC的目的是通過以上述等式1表征的過程，優(yōu)化受 到與變量(C, Cd, M, Md)相關(guān)的一組約束的涉及(C， Cd, M， Md)的目 標(biāo)函數(shù)，如下所述，這將導(dǎo)致(c, cd, m， md)的最優(yōu)值的確定。由于(c， Cd)是相互依賴的變量，因此本質(zhì)上，所提出的動(dòng)態(tài)優(yōu)化產(chǎn)生(M， M"作為 最優(yōu)解。
如下以普通形式并以等式2的示例性形成使目標(biāo)函數(shù)J被最大化。
j=f (m, c, dd, md, cd)十n:E'cG'+2i:Eh工h i.i
其中，F(xiàn)是過程經(jīng)過時(shí)域達(dá)到過程的穩(wěn)態(tài)的某個(gè)優(yōu)化函數(shù)。因此，如上述公式 所述，要考慮到通過本文進(jìn)一步描述的優(yōu)化過程確定的穩(wěn)態(tài)變化及相關(guān)動(dòng)態(tài)運(yùn) 動(dòng)二者來優(yōu)化J。然而，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)(M, C, Dd， Md, Cd)實(shí)際 形式是F(M, C, D),不包括動(dòng)態(tài)變量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解不包括動(dòng)態(tài) 變量(Md， Cd)實(shí)際上并不破壞這里給出的公式。因此，在本文中，我們可 以假設(shè)優(yōu)化函數(shù)將是形式f (m, c, D)而不損失一般性。 為了說明而不是限制，下面是簡(jiǎn)單形式的優(yōu)化函數(shù)
等式2結(jié)合了穩(wěn)態(tài)優(yōu)化函數(shù)和受控變量的所有下/上動(dòng)態(tài)違反的全部罰值 (penalty)的總數(shù)。應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員將期望在本文描述的優(yōu)化過程中 可以包括的F(M， C， Dd， Md, Cd)的各種變化形式。為了說明而不是限制， 本文中G被認(rèn)為是在模型預(yù)測(cè)控制領(lǐng)域中普遍使用的階躍響應(yīng)(離散時(shí)間) 類型的線性動(dòng)態(tài)模型。這就是說，對(duì)過程使用離散系數(shù)動(dòng)態(tài)模型，可以通過下 式確定受控變量的穩(wěn)態(tài)值
CrC,+Zgij ( MrMj*) + ( D,-D/ )。 通過下式確定受控變量的動(dòng)態(tài)值
Cjk-Ci"+i;gi/AMjVZg/AD,jk。 其中，服從<formula>formula see original document page 16</formula>
其中
'M'是操作變量M的下限， Mh是操作變量M的上限， C"是受控變量C的下限， Ch是受控變量C的上限， AMj是^t喿作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量， △Mj+是操作變量j的正的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量， △M/是操作變量j的負(fù)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量， AM/是操作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的下限， AMjh是^l喿作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的上限， AMjk是從現(xiàn)在開始在時(shí)間k的操作變量Mj的動(dòng)態(tài)控制運(yùn)動(dòng)， Mj是操作變量j的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)， M/是操作變量j的當(dāng)前值， D,i是干擾變量l的當(dāng)前值，D,是干擾變量1的前一時(shí)間周期值， C,是受控變量的當(dāng)前預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)值， Cj基于最近過去的過程條件， Cj是通過優(yōu)化確定的穩(wěn)態(tài)值，
C,是從現(xiàn)在開始到k時(shí)間間隔的受控變量Ci的預(yù)測(cè)值，
Cjk W是從現(xiàn)在開始在k時(shí)間間隔的受控變量Cj的期望值，下面進(jìn)一步對(duì) 此進(jìn)行描述，
G-h是受控變量Q的上限動(dòng)態(tài)違反變量，
&是受控變量Ci的下限動(dòng)態(tài)違反變量，
Cf是基于過去的過程條件在時(shí)間K上的受控變量Ci的動(dòng)態(tài)值，
&是對(duì)于操作變量Mj的單位改變受控變量Cj的階躍響應(yīng)模型的穩(wěn)態(tài)增
益，
givik是對(duì)于操作變量Mj的單位改變受控變量Q的過程模型的階躍響應(yīng)系
數(shù)，
AD,k是在時(shí)間k上D,的改變，
是對(duì)于干擾變量D,的單位改變受控變量Ci的過程模型的階躍響應(yīng)系
數(shù)，
e是受控變量的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)值距其參考路徑的偏差的允許容差，是較小的數(shù)，
Pm是操作變量的價(jià)格值，通常負(fù)值表示花費(fèi)，正值表示收益， Pc是受控變量的價(jià)格值，通常負(fù)值表示罰值，正值表示收益，
Ec1是要對(duì)動(dòng)態(tài)違反受控變量的下限的受控變量應(yīng)用的大的罰值， ￡eh是要對(duì)動(dòng)態(tài)違反上限的受控變量應(yīng)用的大的罰值，
K涉及從現(xiàn)在開始的將來時(shí)間，k= l.. kMV.. kcv
其中，kMv與用于操作變量運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)域相關(guān)，沒有操作變量被應(yīng)用至 該時(shí)域之外，從而允許受控變量達(dá)到它們的穩(wěn)態(tài)。
Kcv與用于受控變量達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相關(guān)，其應(yīng)該是對(duì)于操作變量M中 的變化而達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的最長(zhǎng)時(shí)間加上最長(zhǎng)控制時(shí)域。為了簡(jiǎn)單說明，假設(shè) 該時(shí)間為考慮了對(duì)于全部操作變量的改變受控變量的全部響應(yīng)的到穩(wěn)態(tài)的最 大時(shí)間加上全部操作變量的最長(zhǎng)控制時(shí)域。Dd是干擾變量在其將來值方面的動(dòng)態(tài)值的向量，對(duì)于本文的大多數(shù)部分,
將使用D代替Dd而不損失一般性。
提供上面引出的約束的簡(jiǎn)短描述以進(jìn)一步闡明公式。約束2.1是操作變量 的穩(wěn)態(tài)最優(yōu)值的下/上限約束。
約束2.2是受控變量的穩(wěn)態(tài)最優(yōu)值的下/上限約束。約束2.2.1涉及對(duì)于操 作變量M的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)中的改變受控變量C中的穩(wěn)態(tài)改變。
約束2.3是用于操作變量的控制運(yùn)動(dòng)的下/上限約束。根據(jù)2.3.1和2.3.3其 可以進(jìn)一步拆分為正動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和負(fù)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)約束。這些代替2.3成為操:作約束。
約束2.3.3用于操作變量的控制運(yùn)動(dòng)的總數(shù)，j必須等于其最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)和 當(dāng)前值之差。這是為了確保動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)使受控變量成為最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值。
可以將約束2.3進(jìn)一步修改如下
-(1- kMV/k) AMj1 S (1- k醇/k) AMjh k=l ..kMV 2.3.7
約束2.3.7形成用于最大控制運(yùn)動(dòng)的錐形約束輪廓(profile) 501，確保更 早地應(yīng)用最重要的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)而不是更晚。在圖5中描述了操作變量運(yùn)動(dòng)約束錐 形的說明。存在許多其它的各種形狀的錐形，這些錐形可以用于基于下面的過 程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需要及其特性來定義每一個(gè)操作變量的動(dòng)態(tài)約束輪廓。
約束2.4是導(dǎo)致對(duì)于距期望的參考路徑的偏差具有允許的容差的穩(wěn)態(tài)目標(biāo) 的受控變量的動(dòng)態(tài)約束?？梢砸栽S多替換的方式指定Ci，kref。最簡(jiǎn)單的形式是 線性路徑(見圖4.1， 411 )
Cj"ef:Ci"+r (Ci-Ci1*) k=l..kref
Ci^Ci1 k=kref+l..kcv 2.4.1
按照所希望的那樣來設(shè)置r。也可以通過適當(dāng)?shù)墓?.4.1來使用第一階響應(yīng)路 徑(見圖4.1， 412)。為了簡(jiǎn)單，在本文中假設(shè)是線性路徑。典型地，雖然參 考路徑可能比操作變量使用的控制時(shí)域更長(zhǎng)，但是在受控變量到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間 之前，參考路徑應(yīng)該完全終止。
重要地，注意約束2.4.1提供了穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)和受控變量的動(dòng)態(tài)路徑的互 連(interlinking)。另外，約束2.4-2.7本質(zhì)上約束了穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)以避免受控 變量動(dòng)態(tài)違反下/上限。
約束2.5涉及當(dāng)受控變量違反上限時(shí)受控變量的動(dòng)態(tài)違反變量。當(dāng)不違反上限時(shí)，這些上限動(dòng)態(tài)違反變量將達(dá)到零的值。然而，在無可行解的情況下，
上限動(dòng)態(tài)違反變量將是非零的，其值將表示在將來的各個(gè)時(shí)間上受控變量的違
反程度。
約束2.6涉及當(dāng)受控變量違反下限時(shí)受控變量的動(dòng)態(tài)違反。當(dāng)不違反下限 時(shí)，這些下限動(dòng)態(tài)違反變量將達(dá)到零的值。然而，在無可行解的情況下，下限 動(dòng)態(tài)違反變量將是非零的，其值將表示在將來的各個(gè)時(shí)間上受控變量的違反程 度。
約束2.7涉及響應(yīng)于操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，使用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的階躍 響應(yīng)模型的受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
約束2.1-2.2.1涉及如在現(xiàn)有MPC中所普遍執(zhí)行的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，但是，約束 2.3-2.7是特定并明確地有關(guān)于操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的 附加的約束，將操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)4于合并來產(chǎn)生動(dòng) 態(tài)最優(yōu)解，其中穩(wěn)態(tài)目標(biāo)和受控變量距其下/上限的偏差的避免/最小化一致。 在動(dòng)態(tài)MPC2U中將這些約束合并為一個(gè)優(yōu)化問題。
相反地，在現(xiàn)有技術(shù)中，目標(biāo)函數(shù)僅涉及J=F (M, C, D)，外在分離地 確定Md, Cd。
因此，動(dòng)態(tài)MPC的以上公式將導(dǎo)致過程的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)，同時(shí)確保當(dāng)使動(dòng)態(tài) 違反最小化不可行或失敗時(shí)，避免受控變量的動(dòng)態(tài)違反。
以上的優(yōu)化解法將導(dǎo)致操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)與變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)一起 被確定。由此獲得的解將表示操作變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)二者的一步 解，其中當(dāng)可行時(shí)完全避免了受控變量對(duì)其限值的動(dòng)態(tài)違反，或者將用于違反 的罰值最小化。通過相對(duì)于其它受控變量以及對(duì)于上/下動(dòng)態(tài)違反變量多次調(diào) 整罰值的相對(duì)值，能夠定義受控變量的動(dòng)態(tài)違反的程度和行為。
如上所述，有趣的是不存在用于操作變量的調(diào)節(jié)參數(shù)。在動(dòng)態(tài)控制運(yùn)動(dòng)計(jì) 算及穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中，現(xiàn)有的MPC包括用于受控變量和操作變量二者的調(diào)節(jié)權(quán)重。 在本發(fā)明中，不需要用于操作變量的調(diào)節(jié)權(quán)重，僅需要有關(guān)于受控變量的調(diào)節(jié) 權(quán)重。通過在最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的組合解法中明確地包括受控變量的動(dòng) 態(tài)違反，完全消除了現(xiàn)有MPC中的操作變量調(diào)節(jié)權(quán)重。通過較少數(shù)量的調(diào)節(jié) 權(quán)重，動(dòng)態(tài)MPC的調(diào)節(jié)將更簡(jiǎn)單和更有效。在現(xiàn)有技術(shù)中，代替在確定操作變量動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中受控變量的明確的動(dòng)態(tài)違反，對(duì)于操作變量設(shè)計(jì)各種形式的調(diào)
節(jié)權(quán)重以控制受控變量的動(dòng)態(tài)違反。以需要頻繁修正的自組(adhoc)方式來
最佳設(shè)置操作變量調(diào)節(jié)權(quán)重。
在本發(fā)明中，通過在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中嵌入動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算，作為直接結(jié)果，解的 穩(wěn)態(tài)部分阻止優(yōu)化器向最終穩(wěn)態(tài)前進(jìn)的太猛烈。這^f吏得過程完成閉環(huán)中的動(dòng)態(tài) 工作，并使得過程在不動(dòng)態(tài)地違反受控變量限值的情況下，以最大改變速度逐 漸達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)。然而，在由于干擾影響的結(jié)果動(dòng)態(tài)違反變得不可避免的情況 下，在本發(fā)明中，優(yōu)化器將盡力將違反維持到最小。
上述動(dòng)態(tài)MPC將被應(yīng)用在"滾動(dòng)時(shí)域"方法中，在該方法中將應(yīng)用每一 個(gè)操作變量的第 一動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并且將考慮包括任何測(cè)量和沒有測(cè)量的干擾影響 的結(jié)果的實(shí)際過程響應(yīng)的反饋重復(fù)優(yōu)化的全部計(jì)算。然而，在每一個(gè)控制周期， 動(dòng)態(tài)MPC將避免受控變量的動(dòng)態(tài)違反，同時(shí)逐漸地使過程向最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)狀 態(tài)前進(jìn)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，上述動(dòng)態(tài)MPC優(yōu)化的方法可以適用于與普遍已 知為例如蓄電池等級(jí)等的斜坡(ramp)形過程行為一起進(jìn)行工作。
再次分析約束2.4是有趣的。其表述了包括下側(cè)動(dòng)態(tài)違反和上側(cè)動(dòng)態(tài)違反 的雙側(cè)約束。雙側(cè)不等約束引起動(dòng)態(tài)MPC性能的有趣的改善。在圖4.2中， 示出動(dòng)態(tài)MPC可能出現(xiàn)的有趣的情況。在該情況下，初始時(shí)將受控變量421 調(diào)整為較小以確保不存在受控變量的任何上限動(dòng)態(tài)違反。即，在該情況下，動(dòng) 態(tài)運(yùn)動(dòng)約束穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)。如果已預(yù)測(cè)的上限動(dòng)態(tài)違反先前是由于任何不利的 干擾影響，當(dāng)干擾影響變?nèi)鯐r(shí)，動(dòng)態(tài)MPC逐漸將最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)向上限423推 回。為了避免動(dòng)態(tài)違反的該最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)臨時(shí)調(diào)整是現(xiàn)有MPC不可能有的、 動(dòng)態(tài)MPC的獨(dú)特特征。
相反地，如圖4.3所示，現(xiàn)有MPC中立即將最優(yōu)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)推到上限，而 不管預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)違反431。實(shí)際上，除了源于由于將進(jìn)一步引起動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性 的干擾影響的原始的動(dòng)態(tài)違反，該立刻強(qiáng)烈的推向最終的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)還將導(dǎo)致自 身的動(dòng)態(tài)違反。 本發(fā)明的另一實(shí)施例
通過對(duì)以上普通形式采用下面的改變能夠獲得在本發(fā)明中給出的動(dòng)態(tài)MPC的第一替換簡(jiǎn)化形式。例如，為了優(yōu)化，以(C， Cd) =G (M， Dd)考 慮過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過M代替Md。換句話說，排除Md作為優(yōu)化解法的一部 分。這將導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)變?yōu)?br> j=f (m， c， dd, cd)十i:2^+ii:^h
在該簡(jiǎn)化形式中，將避免由穩(wěn)態(tài)解法產(chǎn)生的受控變量的動(dòng)態(tài)違反或使其最小 化。然而，由于外部確定的操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，受控變量可以后來依然進(jìn)行 動(dòng)態(tài)違反。在包括大問題的環(huán)境中該簡(jiǎn)化形式可能是有利的，從而節(jié)省計(jì)算時(shí) 間。通過該形式，也將相應(yīng)的操作變量動(dòng)態(tài)約束2.3-2.3.7從優(yōu)化中消除。
通過將(C， Cd) =G (M， Dd)釆用為(Cd) =G (Md， Dd)并且采用J=F (Dd, Md ， Cd)十2;2^^+n:Eh^h能夠獲得上述動(dòng)態(tài)MPC的第二替換簡(jiǎn)化 形式。在該形式中，明顯地，在確定(c， m)過程中在外部完成穩(wěn)態(tài)解。然 而，通過如下的修改約束2.3.6合并外部穩(wěn)態(tài)解
ZAMjk=MjS-M/ 2.3.6.1 并且，約束2.2被^修改為
C^C《 2.2.1
其中，
Mjs是分開確定的穩(wěn)態(tài)解值，
Cs是分開確定的穩(wěn)態(tài)解值。 在該形式中，除了在約束設(shè)置中需要的操作變量和受控變量的穩(wěn)態(tài)值被給出之 外，以與在完整形式公式中的相同的方式來避免受控變量的動(dòng)態(tài)違反或使其最 小化，但是，在完整形式的公式中穩(wěn)態(tài)值和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)一起被確定。在包括具有 多個(gè)控制器的大過程的實(shí)踐中，該形式的動(dòng)態(tài)mpc依然是有用的，其中，每 一個(gè)控制器本身采用所提出的動(dòng)態(tài)優(yōu)化的簡(jiǎn)化形式，同時(shí)對(duì)分開確定的穩(wěn)態(tài)解 1故出響應(yīng)。 動(dòng)態(tài)前饋約束
揭示了本發(fā)明的另 一實(shí)施例，其中在優(yōu)化中如何考慮Dd。對(duì)于典型的MPC 應(yīng)用中，Dd被認(rèn)為是控制周期開始時(shí)的被測(cè)量干擾向量，不具有已知的或所 分配的將來值的。然而，在本發(fā)明提出的優(yōu)化公式中，Dd可以具有將來時(shí)間 依賴值，尤其在與動(dòng)態(tài)操作變量相同的時(shí)域中。在該情況下，這提供了有趣并有用的應(yīng)用。在一個(gè)特定情況下，其中如果Dd是與上游(upstream) MPC相 關(guān)的前饋?zhàn)兞?，則Dd提供不僅包含對(duì)上游MPC的當(dāng)前動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)而且包含對(duì)在 下游(downstream) MPC動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的確定中由當(dāng)前動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)確定的將來動(dòng)態(tài) 運(yùn)動(dòng)。換句話說，下游的動(dòng)態(tài)MPC不僅對(duì)由上游的動(dòng)態(tài)MPC產(chǎn)生的當(dāng)前動(dòng) 態(tài)運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)，而且還對(duì)由上游動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的所有將來動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)做出響 應(yīng)。上游動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)下游動(dòng)態(tài)MPC的這種前^t效果肯定是在現(xiàn)有技術(shù)中無法 意料的。這是至今為止管理兩個(gè)互聯(lián)的MPC的交互作用的完全新穎的方式， 在現(xiàn)有技術(shù)對(duì)此根據(jù)沒有考慮。
在另一種情況下，其中Dd可以涉及通過在例如計(jì)劃的關(guān)機(jī)或電涌過程中 發(fā)生的已知?jiǎng)討B(tài)改變而被表征的"真實(shí)環(huán)境/外部"前饋?zhàn)兞俊?br> 總之，Dd可以具有將來值，并通過這樣來在本文給出的動(dòng)態(tài)優(yōu)化結(jié)構(gòu)中 提供多個(gè)新穎的應(yīng)用和能力。 靈活的嵌入式動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制
本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例涉及本文描述的作為在動(dòng)態(tài)優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)模 型預(yù)測(cè)控制的模型預(yù)測(cè)控制的部分的"嵌入"。通過認(rèn)識(shí)到變量組(Md， Cd) 不需要包括組(M, C)中所有的變量來達(dá)到這一點(diǎn)。也就是說僅被選擇的操 作變量和相關(guān)的被選擇的受控變量被包括在(Md， Cd)中，為此可以在上面 提出的公式中使用(Md， Cd)的部分選擇的組。這意味著有時(shí)可以選擇大的 模式預(yù)測(cè)控制中的一部分以具有所選擇的操作變量和受控變量的完整的動(dòng)態(tài) 處理。換句話說，在改變?cè)O(shè)備操作條件的情況下，可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行在大的;f莫型 預(yù)測(cè)控制中的動(dòng)態(tài)嵌入。例如，在處于或接近某流體或控制器輸出的閥飽和時(shí)， 可以實(shí)時(shí)進(jìn)行該動(dòng)態(tài)嵌入以提高更大的模型預(yù)測(cè)控制器的魯棒性。這完全是在 現(xiàn)有技術(shù)中不存在的MPC的新的能力。換句話說，在本發(fā)明提出的優(yōu)化方法 的構(gòu)架中，在改變條件的情況下，可以執(zhí)行包括動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的混合和匹配 的方法。這意味著當(dāng)保證特定設(shè)備條件時(shí)，如在不安全的操作條件的情況下， 可以進(jìn)行大MPC的部分的動(dòng)態(tài)嵌入。這也可以用于在以動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解大MPC 的情況下禁止昂貴的計(jì)算和緩慢的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
給出了說明動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制的嵌入的本發(fā)明的該實(shí)施例的示例。在圖6 中，描述了典型的DeButanizer過程單元的示意圖。在圖7中，給出了操作變量、受控變量及前饋?zhàn)兞康牧斜怼Ｈ鐖D6所示，過程單元控制包括壓力調(diào)節(jié)環(huán)
與單元的其它控制。組成大的MPC控制器以包括圖7中列出的所有變量，這 些變量包括具有10個(gè)操作變量、17個(gè)受控變量及2個(gè)干擾變量的壓力調(diào)節(jié)環(huán)。 如本發(fā)明的嵌入式動(dòng)態(tài)MPC的應(yīng)用所表明的，選擇例如作為操作變量的 U8PC01—P和作為受控變量的U8PC01一PV等與壓力調(diào)節(jié)相關(guān)的變量，以僅在 剩余的其它變量穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的環(huán)境中對(duì)嵌入式動(dòng)態(tài)優(yōu)化處理這些變量。在該示例 中，對(duì)嵌入式動(dòng)態(tài)優(yōu)化選擇壓力控制環(huán)的原因是將對(duì)單元的饋送速率推到其最 大值時(shí)，壓力控制輸出U8PC01—OP將飽和。在多種示例中，為了在最大饋送 速率維持單元的穩(wěn)定性，需要一直保持壓力被控制。單元壓力往往影響再沸器 (reboiler)溫度，該溫度反過來將影響頂層和底層產(chǎn)品流的質(zhì)量。因此，對(duì)于 整體性能來說，控制壓力通常是至關(guān)重要的。為此，將對(duì)動(dòng)態(tài)嵌入選擇壓力控 制環(huán)路。
在圖8中，示出具有和不具有動(dòng)態(tài)嵌入的壓力控制環(huán)路的單元的性能的比 較。特定地，比較頂層和底層產(chǎn)品流的質(zhì)量的性能，示出在動(dòng)態(tài)嵌入情況下的 改善的性能。注意，即使質(zhì)量變量本身沒有被動(dòng)態(tài)地嵌入，但是，具有動(dòng)態(tài)嵌 入的壓力控制環(huán)路導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量控制上的改善的性能。該改善來自壓力調(diào)節(jié)環(huán) 路的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)受控變量控制的間接的影響。使用來自Princeton的 Unified Control Technology Corp的MPA仿真包NJ O8540來產(chǎn)生對(duì)比的結(jié)果。 該示例顯示在提高大的MPC性能上本發(fā)明潛在的有益效果。這顯示了即使部 分的動(dòng)態(tài)嵌入也可以導(dǎo)致改善的性能。
總之，上面揭示的一般形式的動(dòng)態(tài)MPC及其簡(jiǎn)化形式提供了多種公式， 該公式可用于解決包括具有多個(gè)MPC的復(fù)雜過程的大的控制系統(tǒng)應(yīng)用。該設(shè) 計(jì)基于考慮到計(jì)算時(shí)間和復(fù)雜性的明智的工程平衡性能。
大，將需要越具體的計(jì)算步驟。對(duì)于線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，包括如本文所述的公式的 優(yōu)化的線性設(shè)計(jì)方法將產(chǎn)生用于模型預(yù)測(cè)控制器的組合的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制運(yùn) 動(dòng)結(jié)果?？梢灶A(yù)想對(duì)于非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，將使用適當(dāng)?shù)姆蔷€性優(yōu)化方法。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種 修正和改變。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器的操作方法，所述動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器用于控制和優(yōu)化具有多個(gè)獨(dú)立受控的操作變量、至少一個(gè)受控變量及零個(gè)或更多干擾變量的過程的操作，所述動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器的操作方法包括以下步驟a)將所述操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)、以及所述操作變量和所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值同時(shí)確定作為組合了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的優(yōu)化過程的結(jié)果，其中，根據(jù)與所述操作變量和所述受控變量相關(guān)的穩(wěn)態(tài)約束以及與所述操作變量和所述受控變量相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束，與所述操作變量和所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值一起確定所述操作變量的預(yù)定數(shù)量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，所述動(dòng)態(tài)約束包括恰當(dāng)時(shí)與所述干擾變量相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束；b)執(zhí)行滾動(dòng)時(shí)域形式的控制，其中，通過對(duì)由在先前時(shí)間間隔上應(yīng)用的控制動(dòng)作產(chǎn)生的過程響應(yīng)的監(jiān)視和反饋來在連續(xù)的時(shí)間間隔上執(zhí)行所述優(yōu)化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述優(yōu)化過程進(jìn)一步包括PF(M，c, Dd， Md， cd)十i;i:E'^+i:2BhcGh形式的目標(biāo)函數(shù)j，其中F是在到達(dá)所述過程的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間的時(shí)域上用于所述過程的某個(gè)優(yōu)化函數(shù)，Md是操作變量在 預(yù)定時(shí)域上的動(dòng)態(tài)值，M是所述操作變量的穩(wěn)態(tài)值，Cd是受控變量在達(dá)到穩(wěn) 態(tài)的時(shí)域上的動(dòng)態(tài)值，C是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值，Dd是所述干擾變量在不 大于所述操作變量的動(dòng)態(tài)值的所述時(shí)域的時(shí)域上的動(dòng)態(tài)值向量，并且其中所述 過程被進(jìn)一步認(rèn)為是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并通過(C, Cd) =G (Md, Dd)來表征在穩(wěn) 態(tài)和動(dòng)態(tài)中的所述受控變量的響應(yīng)，是要對(duì)動(dòng)態(tài)地違反受控變量的下限的 受控變量所應(yīng)用的罰值，￡eh是要對(duì)動(dòng)態(tài)地違反受控變量的上限的受控變量所 應(yīng)用的罰值，此外，C是受控變量Ci的上限動(dòng)態(tài)違反變量，^是所述受控變 量Ci的下限動(dòng)態(tài)違反變量，根據(jù)所述受控變量的屬性和特征，受控變量罰值 與經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)和/或安全標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述穩(wěn)態(tài)約束包括其中，括:M是所述操作變量的穩(wěn)態(tài)值 C是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值M1是所述操作變量M的下限， Mh是所述操作變量M的上限d是所述受控變量c的下限，Ch是所述受控變量C的上限。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述動(dòng)態(tài)操作變量約束包括:△Mj=AMj+-AMj'畫(l-k雨/k) AM^AMj,s (l-kMV/k) AM/ k=l..kMV其中△Mj^Mj^M/ ,其中，M/是Mj的當(dāng)前值 AMj是操作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量 △Mj+是操作變量j的正的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量 AMj-是操作變量j的負(fù)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量△M/是操作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的下限 AMjh是操作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的上限AMjk是從現(xiàn)在開始到時(shí)間k的所述操作變量Mj的動(dòng)態(tài)控制運(yùn)動(dòng) Mj是所述操作變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值 M/是所述操作變量j的當(dāng)前值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述受控變量的所述動(dòng)態(tài)約束包0《i其中，Cik是^v現(xiàn)在開始在k時(shí)間間隔的所述受控變量Ci的預(yù)測(cè)值 Cikref是從現(xiàn)在開始在k時(shí)間間隔的所述受控變量Cj的期望值 .Qh是所述受控變量Ci的上限動(dòng)態(tài)違反變量， G/是所述受控變量Cj的下限動(dòng)態(tài)違反變量，Ci"是基于過去的過程條件在時(shí)間k上的所述受控變量Cj的動(dòng)態(tài)值e是所述受控變量的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)值距其參考路徑的偏差的允許容差，e是較小的凝k涉及>^人現(xiàn)在開始的將來時(shí)間，k= l.. kMv.. kcvkMV涉及用于操作變量運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)域，操作變量不被應(yīng)用于該時(shí)域之 外以允許所述受控變量達(dá)到穩(wěn)態(tài)kcv涉及達(dá)到所述受控變量的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，kcv是由于所述操作變量M的 改變而達(dá)到穩(wěn)態(tài)的最長(zhǎng)的時(shí)間加上最長(zhǎng)的控制時(shí)域。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的優(yōu)化函數(shù)F (M， C， D, Md, Cd)，其中，所述 優(yōu)化函數(shù)F(M, C, D， Md, Cd)是對(duì)優(yōu)化函數(shù)F()不存在所述操作變量和所 述受控變量的動(dòng)態(tài)值的影響的例如PmM+PcC的簡(jiǎn)單形式，其中，Pm是所述操作變量的價(jià)格值，通常負(fù)值表示花費(fèi)，正值表示收益， Pc是所述受控變量的價(jià)格值，通常負(fù)值表示罰值，正值表示收益。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的受控變量動(dòng)態(tài)響應(yīng)(C, Cd)=G(Md， Dd),其 中，所述(C, Cd) =G (Md, Dd)是用于穩(wěn)態(tài)的表示為CK^+i:&j (MrM/) 的線性動(dòng)態(tài)形式以及用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的表示為Cik=C, +ZgukAMjk+ Zgi/ADik 的線性動(dòng)態(tài)形式中的一個(gè)，其中，C,是基于所述操作變量和所述干擾變量的過去的改變的、所述受控變量 的當(dāng)前預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)值Cj是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值Cik是從現(xiàn)在開始到時(shí)間K上的所述受控變量Ci的預(yù)測(cè)值cr是基于過去的過程條件在時(shí)間K上的所述受控變量Ci的動(dòng)態(tài)值gij是對(duì)于所述操作變量Mj的單位變化所述受控變量Ci的階躍響應(yīng)模型的穩(wěn)、態(tài)增益gi/是對(duì)于所述操作變量Mj的單位變化受控變量Cj的過程模型的階躍響 應(yīng)系數(shù)△D,k是在時(shí)間k上Q的變化是對(duì)于所述干擾變量D,的單位變化受控變量Ci的過程模型的階躍響應(yīng)系數(shù)。
8. —種動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器的操作方法，所述動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器用于 控制和優(yōu)化具有多個(gè)獨(dú)立受控的操作變量、至少一個(gè)受控變量及零個(gè)或更多千 擾變量的過程的操作，所述動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器的操作方法包括以下步驟a) 將所述操作變量和所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值確定作為組合了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài) 的優(yōu)化過程的結(jié)果，其中，根據(jù)與所述操作變量和所述受控變量相關(guān)的穩(wěn)態(tài)約 束以及所述受控變量相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束，以所述操作變量和所述受控變量的穩(wěn)態(tài) 值進(jìn)行確定，所述動(dòng)態(tài)約束包括恰當(dāng)時(shí)與所述干擾變量相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束；b) 執(zhí)行滾動(dòng)時(shí)域形式的控制，其中，通過對(duì)由在先前時(shí)間間隔上應(yīng)用的 控制動(dòng)作產(chǎn)生的過程響應(yīng)的監(jiān)視和反饋來在連續(xù)的時(shí)間間隔上執(zhí)行所述優(yōu)化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述優(yōu)化過程進(jìn)一步包括^F(M， C， Dd， Cd) +22￡1￡1+2:2:￡11￡11形式的目標(biāo)函數(shù)>1，其中F是在到達(dá)所述過程 的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間的時(shí)域上用于所述過程的某個(gè)優(yōu)化函數(shù)，M是所述操作變量的 穩(wěn)態(tài)值向量，C是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值向量，Dd是干擾變量的向量，d是 受控變量在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)域上的向量動(dòng)態(tài)值，&是要對(duì)動(dòng)態(tài)地違反受控變量 的下限的受控變量所應(yīng)用的罰值，￡eh是要對(duì)動(dòng)態(tài)地違反受控變量的上限的受 控變量所應(yīng)用的罰值，并且其中所述過程被進(jìn)一步認(rèn)為是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并通過(C, Cd)=G(M, Dd)來表征所述受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，此外，&是受控 變量Cj的上限動(dòng)態(tài)違反變量，^是所述受控變量Ci的下限動(dòng)態(tài)違反變量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述穩(wěn)態(tài)約束包括其中，M是所述操作變量的穩(wěn)態(tài)值C是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值M1是所述操作變量M的下限， Mh是所述操作變量M的上限Ci是所述受控變量C的下限， Ch是所述受控變量C的上限。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述受控變量的所述動(dòng)態(tài)約束包括-e^Cik-Cikref-Ghi+G^e0《、 0《、其中，C,是從現(xiàn)在開始到k時(shí)間間隔的受控變量Ci的預(yù)測(cè)值 Cjkref是從現(xiàn)在開始到k時(shí)間間隔的受控變量Ci的期望值 Gh是受控變量Ci的上限動(dòng)態(tài)違反變量， Gi'是受控變量Ci的下限動(dòng)態(tài)違反變量，Ci"是基于過去的過程條件在時(shí)間k上的所述受控變量Ci的動(dòng)態(tài)值e是所述受控變量的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)值距其參考路徑的偏差的允許容差，e是較 小的凄丈k涉及從現(xiàn)在開始的將來時(shí)間，k= l.. kMV.. kcvkMV涉及用于操作變量運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)域，操作變量不被應(yīng)用于該時(shí)域之 外以允許所述受控變量達(dá)到穩(wěn)態(tài)kcv涉及達(dá)到所述受控變量的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，kcv是由于所述操作變量M的 改變而達(dá)到穩(wěn)、態(tài)的最長(zhǎng)的時(shí)間加上最長(zhǎng)的控制時(shí)域。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的優(yōu)化函數(shù)F (M， C, D， Cd),其中，所述優(yōu) 化函數(shù)F(M, C, D， Cd)是不存在所述操作變量和所述受控變量的動(dòng)態(tài)值的 影響的例如PmM+PcC的一個(gè)簡(jiǎn)單形式，其中，Pm是所述操作變量的價(jià)格值，通常負(fù)值表示花費(fèi)，正值表示收益， Pc是所述受控變量的價(jià)格值，通常負(fù)值表示罰值，正值表示收益。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的受控變量動(dòng)態(tài)響應(yīng)(C, Cd) =G (M, Dd)， 其中，所述(C， Cd) =G ( M, Dd)是用于穩(wěn)態(tài)的表示為C產(chǎn)CiVSgij (Mj-M/ ) 的線性動(dòng)態(tài)形式以及用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的表示為Ci^Ci" +Zgu (Mj-M/) + Zgijk △D,k的線性動(dòng)態(tài)形式中的 一個(gè)，其中，cV是基于所述操作變量和所述干擾變量的過去的改變的、所述受控變量的當(dāng)前預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)值Ci是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值C,是從現(xiàn)在開始到時(shí)間K上的所述受控變量Ci的預(yù)測(cè)值 Cr是基于過去的過程條件在時(shí)間K上的受控變量Cj的動(dòng)態(tài)值 gij是對(duì)于所述操作變量Mj的單位變化所述受控變量Q的階躍響應(yīng)模型 的穩(wěn)、態(tài)增益AD,k是在時(shí)間k上D,的變化gi/是對(duì)于所述干擾變量D,的單位變化受控變量Ci的過程模型的階躍響 應(yīng)系數(shù)。
14. 一種動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器的操作方法，所述動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器用于 控制和優(yōu)化具有多個(gè)獨(dú)立受控的操作變量、至少一個(gè)受控變量及零個(gè)或更多干 擾變量的過程的操作，所述動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器的操作方法包括以下步驟a) 將所述操作變量的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)確定作為組合了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的優(yōu)化過程的 結(jié)果，其中，根據(jù)與所述操作變量和所述受控變量相關(guān)的穩(wěn)態(tài)約束以及與所述 ，燥縱變量和所述受控變量相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束，確定所述"t喿作變量的預(yù)定數(shù)量的動(dòng) 態(tài)運(yùn)動(dòng)以滿足所述操作變量和所述受控變量的給定/已知穩(wěn)態(tài)值，所述動(dòng)態(tài)約 束包括恰當(dāng)時(shí)與所述干護(hù)C變量相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束；b) 執(zhí)行滾動(dòng)時(shí)域形式的控制，其中，通過對(duì)由在先前時(shí)間間隔上應(yīng)用的 控制動(dòng)作產(chǎn)生的過程響應(yīng)的監(jiān)視和反饋來在連續(xù)的時(shí)間間隔上執(zhí)行所述優(yōu)化。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述優(yōu)化過程進(jìn)一步包括J=F (Dd， Md， Cd)+Z22'^+ZHhcGh形式的目標(biāo)函數(shù)J，其中F是在到達(dá)所述過穩(wěn)態(tài)的時(shí)域上的向量動(dòng)態(tài)值，是要對(duì)動(dòng)態(tài)地違反受控變量的下限的受控變量所應(yīng)用的罰值，￡ch是要對(duì)動(dòng)態(tài)地違反受控變量的上限的受控變量所應(yīng)用的罰值，并且其中所述過程被進(jìn)一步認(rèn)為是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并通過(C， Cd)=G(Md， Dd)來表征所述受控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，此外，Gih是受控變量Ci的上限動(dòng)態(tài)違 反變量，G'是所述受控變量Ci的下限動(dòng)態(tài)違反變量。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述動(dòng)態(tài)操作變量約束包括M^Md，hAM產(chǎn)AMj+-AMj-ZAM廣Ms-M0其中，△M—Mj'-M/,其中，M/是Mj的當(dāng)前值 AMj是才喿作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量 △M/是操作變量j的正的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量 AM/是操作變量j的負(fù)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)向量△M/是操作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的下限 AMjh是操作變量j的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的上限 AMjk是在時(shí)間k上所述操作變量Mj的動(dòng)態(tài)控制運(yùn)動(dòng)Mj是所述操作變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值 M/是所述操作變量j的當(dāng)前值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述受控變量的所述動(dòng)態(tài)約束 包括<formula>formula see original document page 8</formula>其中，C,是從現(xiàn)在開始到k時(shí)間間隔的所述受控變量Cj的預(yù)測(cè)值 Cj"ef是從現(xiàn)在開始到k時(shí)間間隔的所述受控變量Ci的期望值 ￡,是所述受控變量Cj的上限動(dòng)態(tài)違反變量， 是所述受控變量Cj的下限動(dòng)態(tài)違反變量， C"是基于過去的過程條件在時(shí)間k上的受控變量Ci的動(dòng)態(tài)值 CS是給出的所述受控變量的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)e是所述受控變量的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)值距其參考路徑的偏差的允許容差，e是較 小的凄史k涉及從現(xiàn)在開始的將來時(shí)間，k= l.. kMv.. kcvkMV涉及用于操作變量運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)域，操作變量不被應(yīng)用于該時(shí)域之 外以允許所述受控變量達(dá)到穩(wěn)態(tài)kcv涉及達(dá)到所述受控變量的穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，kcv是由于所述操作變量M的 改變而達(dá)到穩(wěn)態(tài)的最長(zhǎng)的時(shí)間加上最長(zhǎng)的控制時(shí)域。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的優(yōu)化函數(shù)F (Dd， Md， Cd),其中，所述優(yōu)化 函數(shù)F(Dd， Md， Cd)可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的空形式，其中執(zhí)行所述動(dòng)態(tài)變量以滿 足外在確定的所述操作變量和所述受控變量的穩(wěn)態(tài)^f直。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的受控變量動(dòng)態(tài)響應(yīng)Cd=G (Md, Dd)，其中， 所述C^G (Md, Dd)是用于穩(wěn)態(tài)的表示為CrCr+Zgu (Mj-M/)的線性動(dòng)態(tài) 形式以及用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的表示為Cik=Ci" +S&jkAMjk+ ZgukADj的線性動(dòng)態(tài) 形式中的一個(gè)，其中，C,是基于所述操作變量和所述干擾變量的過去的改變的、所述受控變量 的當(dāng)前預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)值Cj是所述受控變量的穩(wěn)態(tài)值C,是從現(xiàn)在開始到時(shí)間K上的所述受控變量Ci的預(yù)測(cè)值 Cf是基于過去的過程條件在時(shí)間K上的受控變量Ci的動(dòng)態(tài)值 gij是對(duì)于所述操作變量Mj的單位變化所述受控變量Cj的階躍響應(yīng)模型 的穩(wěn)態(tài)增益&/是對(duì)于所述操作變量Mj的單位變化受控變量Cj的過程模型的階躍響應(yīng)系數(shù)AD,k是在時(shí)間k上D,的變化是對(duì)于所述干擾變量D,的單位變化受控變量Cj的過程模型的階躍響應(yīng)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制的方法，其中，將操作變量的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算一起確定為一個(gè)優(yōu)化解法(211)的一部分。該方法組合了穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算，由此確定與過程的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一致的穩(wěn)態(tài)最優(yōu)目標(biāo)，從而受控變量在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)中都不違反受控變量的下/上限。該方法使用與每一個(gè)受控變量相對(duì)應(yīng)的上限動(dòng)態(tài)違反變量和下限動(dòng)態(tài)違反變量。當(dāng)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與改變條件下的大模型預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用相關(guān)時(shí)，該方法提供將部分動(dòng)態(tài)優(yōu)化與穩(wěn)態(tài)優(yōu)化相混合的獨(dú)特的性能，特別在約束違反或接近約束違反時(shí)，在不必改變控制器調(diào)節(jié)的情況下，為了改善的和增強(qiáng)的控制性能，可以動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)使用該方法。
文檔編號(hào)G06F15/00GK101589363SQ200780044442
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者法赫爾丁·T.·阿塔爾瓦拉 申請(qǐng)人:法赫爾丁·T.·阿塔爾瓦拉