專利名稱：過程控制系統(tǒng)中的集成模型預(yù)測控制與優(yōu)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及過程控制系統(tǒng)，尤其是，涉及過程控制系統(tǒng)中優(yōu)化的模型預(yù)測控制器。
背景技術(shù)：
過程控制系統(tǒng)，例如應(yīng)用如在化學(xué)、石油或其他過程中的分布式或可升級的過程控制系統(tǒng)，通常包括一個或多個彼此通信連接的過程控制器，并通過模擬或數(shù)字或二者混合的總線連接到至少一個主機或操作員工作站，及一個或多個現(xiàn)場設(shè)備上。這些現(xiàn)場設(shè)備可能是，例如，閥，閥門定位器，開關(guān)及變送器(例如溫度、壓力和流率傳感器)， 在過程中實現(xiàn)例如打開或關(guān)閉閥門及測量過程參數(shù)的功能。過程控制器接收代表由所述現(xiàn)場設(shè)備獲得的過程測量的信號和/或與所述現(xiàn)場設(shè)備有關(guān)的其他信息，應(yīng)用這些信息完成控制例行程序，然后產(chǎn)生控制信號，通過總線發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備從而控制過程的操作。從現(xiàn)場設(shè)備和控制器得到的信息通常對于操作員工作站執(zhí)行的一個或多個應(yīng)用來說，都是可用于使操作器實現(xiàn)與過程相關(guān)的任一期望功能，例如觀察過程當前狀態(tài)，修改過程的操作，等等。
過程控制器通常被編程執(zhí)行不同的算法、例行子程序或控制回路(全部都是控制例行程序)，每個不同的回路都由過程定義或包含在一個過程之中，例如，流量控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路等。通常來說，每個這種控制回路都包括一個或多個輸入塊，例如模擬輸入(AI)功能塊，單輸出控制塊，例如，比例-積分-微分(PID)或者模糊邏輯控制功能塊，以及單輸出塊，例如模擬輸出(AO)功能塊。由于控制塊生成單一控制輸出用來控制單一過程輸入，例如閥位置，等等，所以這些控制回路通常執(zhí)行單輸入/單輸出控制。然而，在某些特定的情況下，應(yīng)用幾個互相獨立的操作，單輸入/單輸出控制回路并不是十分有效，因為被控的過程變量是受不止一個單一過程輸入影響的，事實上，每個過程輸入都可能影響多個過程輸出的狀態(tài)。這樣的例子可能發(fā)生在，例如，具有一個容器的流程，通過兩條輸入管路注入該容器，通過一個單一的輸出管路排空，每條管路都由一個不同的閥門進行控制，其中溫度、壓力和容器的吞吐量都被控制在或接近于一個期望值。如上所述，對于容器的吞吐量、溫度和壓力的控制可以通過應(yīng)用單獨的吞吐量控制回路、單獨的溫度控制回路以及單獨的壓力控制回路來完成。然而，在這種情況下，通過改變一個輸入閥的設(shè)定來控制容器溫度的溫度控制回路的操作可能會引起容器中壓力的升高，例如，會引起壓力回路打開輸出閥從而降低壓力。這個移動可能進而引起吞吐量控制回路關(guān)閉其中一個輸入閥，進而影響溫度并使溫度控制回路執(zhí)行其他一些操作。通過這個例子可以理解，單輸入/單輸出控制回路將導(dǎo)致過程輸出(在此例中為吞吐量、溫度和壓力)表現(xiàn)為一種不可接受的方式，使輸出振蕩不能達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。
在一個特定的受控過程變量的變化影響大于過程變量或輸出的情況下，模型預(yù)測控制(MPC)或其他類型的高級控制方法已經(jīng)用于實現(xiàn)過程控制。自從70年代后期以來，已經(jīng)報道了許多成功的模型預(yù)測控制的實例，并且MPC已經(jīng)在過程工業(yè)中成為高級的多變量控制的原始形式。更進一步，MPC控制已經(jīng)在分布式控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，作為分布式控制系統(tǒng)的分層軟件。美國專利US4616308和US4349869描述了可以在一個過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用的MPC控制器。
通常來說，MPC是一個多輸入/多輸出的控制策略，即改變多個過程輸入的每個輸入所產(chǎn)生的影響將在多個過程輸出的每個輸出中測量到，于是，這些被測量到的響應(yīng)用來生成控制矩陣或過程模型。對這個過程模型或控制矩陣(通常用來定義過程的穩(wěn)定狀態(tài)操作)進行算術(shù)求逆，然后其用于或用作一個多輸入/多輸出控制器，基于過程輸入的變化來控制過程輸出。在一些情況下，過程模型用一個對于每個過程輸入的過程輸出響應(yīng)曲線來表示(通常是一個階躍響應(yīng)曲線)，這些曲線可以基于一系列，例如發(fā)送到每個過程輸入的偽隨機階躍變化來生成。這些響應(yīng)曲線可以用于按照已知的方法對過程進行建模。模型預(yù)測控制已經(jīng)是本領(lǐng)域公知的，因此，在這里不再對其進行詳細描述。在Qin，S.Joe和Thomas A.Badgwell于1996年發(fā)表在AIChEConference上的文章“工業(yè)模型預(yù)測控制技術(shù)綜述”中對MPC進行了一般描述。
MPC已經(jīng)被認為是一種很有效并有用的控制技術(shù)，并已被與其他過程優(yōu)化聯(lián)合使用。當優(yōu)化應(yīng)用MPC的過程時，優(yōu)化器最小化或最大化一個或多個由MPC例行程序確定的過程輸入變量，從而使過程在最優(yōu)點運行。盡管這個技術(shù)在計算上是可能的，但它還需要選擇過程變量，該過程變量具有，例如，改善過程操作運行(例如過程吞吐量或質(zhì)量)從而從經(jīng)濟角度優(yōu)化該過程的重大影響。從財政或經(jīng)濟的角度來看，在最優(yōu)點的操作過程通常需要控制許多互相聯(lián)系的過程變量，而不僅僅是一個變量。
采用二次編程技術(shù)或更流行的例如內(nèi)點法(interior point method)的技術(shù)進行優(yōu)化被認為是應(yīng)用MPC提供動態(tài)優(yōu)化的一個解決方法。采用這些方法，確定一個優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化器將控制器輸出的移動提供給控制器(例如多個操作過程變量)，需要考慮工藝動態(tài)、當前約束和優(yōu)化目標。然而，這種趨近方法需要大量的計算，在當前的技術(shù)水平上實際是不可行的。
在大多數(shù)應(yīng)用MPC的情況下，過程中可用的多個操作變量的數(shù)量(例如MPC例行程序的控制輸出)大于過程控制變量的數(shù)量(例如，必須控制過程變量的數(shù)量在一個特定設(shè)定點上)。結(jié)果，對于優(yōu)化和約束處理通常有更大的自由度。理論上，為了執(zhí)行這種優(yōu)化，要計算過程變量、約束、限制及經(jīng)濟因素所表達的值，其定義了過程優(yōu)化操作點。在許多情況下，由于過程變量受到與物理過程有關(guān)的限制，該變量必須適合并保持這些限制，因此這些過程變量是約束變量。例如，一個代表容器液面的過程變量，限制在實際容器可達到的最大值和最小值之間。一個優(yōu)化函數(shù)可以計算出與每個受限或輔助變量相關(guān)的成本和/或利潤，從而可以在利潤最大化、成本最小化的水平上操作，等等。這些輔助變量的測試可以提供作為MPC例行程序的輸入，并被MPC例行程序視為具有一個與輔助變量的操作點相等的設(shè)定點的控制變量，該操作點由優(yōu)化例行程序定義。
MPC發(fā)送通常只有方形控制(square control)應(yīng)用需要的最優(yōu)操作，在此操作中，過程的控制輸入的數(shù)目(例如，由控制例行程序所開發(fā)的操作變量)與被控過程變量的數(shù)目相同(例如，控制器的輸入)。然而，在大多數(shù)情況下，輔助約束變量的數(shù)目與過程控制變量的數(shù)目相加之和大于操作變量的數(shù)目。對于這種非方形配置的MPC應(yīng)用將引起不可接受的不良操作。
人們相信，其他一些人已經(jīng)試圖通過動態(tài)選擇一系列與操作變量數(shù)目相同的控制和約束變量，并在線或在操作過程中生成控制器以確定操作變量的下一步移動(move)，來解決這個問題。然而，這種技術(shù)，由于它需要矩陣求逆，對于計算機實現(xiàn)是非常昂貴的，同時，在一些情況下是不能使用的，例如將MPC在過程控制器中作為一個功能塊來實現(xiàn)的情況下。同樣重要的是，生成的控制器的一些輸入和輸出的組合可能產(chǎn)生一個故障狀態(tài)控制器，引起不可接受的操作。盡管當將控制器的配置設(shè)置為離線時，可以檢查并改進控制器的狀態(tài)，該任務(wù)對于在線操作來說也是一個過度的負擔(dān)，并且實際上在控制器水平上是不可實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種過程控制配置系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用在生成或觀察集成優(yōu)化和控制塊中，執(zhí)行優(yōu)化程序和多輸入/多輸出的控制程序。該配置系統(tǒng)可以使用戶顯示或配置這個優(yōu)化器或控制程序。例如，存儲程序可以存儲有關(guān)多個控制和輔助變量及多個在優(yōu)化程序和/或控制程序中應(yīng)用的操作變量的信息，同時，顯示程序可以為用戶顯示關(guān)于有關(guān)多個控制和輔助變量及多個操作變量的信息。
在一個實施例中，存儲程序存儲至少一些控制和輔助變量中每個變量的響應(yīng)信息。控制或輔助變量的響應(yīng)信息可以包括指示控制或輔助變量對于相應(yīng)操作變量的相應(yīng)響應(yīng)的信息。這些響應(yīng)可以是，例如，階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)，斜坡響應(yīng)等。顯示程序可以為用戶顯示響應(yīng)信息。例如，用戶可以指定操作變量，顯示程序可以顯示一個或多個控制和輔助變量的指定操作變量的響應(yīng)。
在另一個方面，控制一個過程的過程控制系統(tǒng)包括多輸入/多輸出控制器和優(yōu)化器。這個多輸入/多輸出控制器，在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期中，基于過程的多個測量輸入和在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期中提供給多輸入/多輸出控制器的一系列目標值，產(chǎn)生用于控制這個過程的多個控制輸出。這個優(yōu)化器在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期中發(fā)展了用于多輸入/多輸出控制器的一系列目標值。當保持一系列控制變量在預(yù)定的設(shè)定點界限、一系列的輔助變量及一系列的操作變量處于預(yù)定的輔助和操作變量限制區(qū)間之內(nèi)時，優(yōu)化器試圖最小化或最大化一個目標函數(shù)。如果優(yōu)化器不能確定結(jié)果，那么優(yōu)化器就試圖最小化或最大化一個目標函數(shù)，而允許違反至少一個設(shè)定點區(qū)間限制。
在另外一個方面，用于控制具有多個操作變量和多個控制及輔助變量的過程的過程控制技術(shù)包括選擇控制和輔助變量的子集用于實現(xiàn)過程控制，其中，至少一個控制和輔助變量是根據(jù)與操作變量之一最具響應(yīng)性來進行選擇的。控制矩陣是應(yīng)用所選控制和輔助變量及操作變量來產(chǎn)生的，并且控制器是從控制矩陣中生成的。控制器的輸入包括所選擇的控制和輔助變量，控制器的輸出包括操作變量。優(yōu)化是通過選擇過程操作點來實現(xiàn)的，用來最小化或最大化目標函數(shù)，過程操作點通過所選擇的控制和輔助變量的一系列目標值來定義，該控制器用來實現(xiàn)多輸入/多輸出控制技術(shù)，以從目標值中開發(fā)(develop)出一系列操作變量值。


圖1是過程控制系統(tǒng)的方塊圖，該過程控制系統(tǒng)包括具有將優(yōu)化器與MPC控制器集成在一起的高級控制器功能塊的控制模塊；圖2是圖1所示具有集成優(yōu)化器和MPC控制器的高級控制器功能塊的方塊圖；圖3是說明圖2所示集成優(yōu)化器和MPC控制器功能塊的生成和安裝方法的流程圖；圖4是說明在在線操作過程中，圖2所示集成優(yōu)化器和MPC控制器的操作的流程圖；圖5是設(shè)定程序的屏幕顯示，說明在實施過程控制的控制模塊中的高級控制塊；圖6是設(shè)定程序的屏幕顯示，說明了代表圖5所示高級控制塊的特性的對話框；圖7是設(shè)定程序的屏幕顯示，說明了選擇或指定圖5所示高級控制功能塊的輸入、輸出的方法；
圖8是設(shè)定程序所提供的屏幕顯示，該程序使用戶或操作者選擇一系列目標函數(shù)中的一個，用以生成高級控制塊；圖9是測試屏幕的屏幕顯示，可以用來使用戶在生成高級控制塊的過程中完成測試和生成過程模型；圖10是設(shè)定程序的屏幕顯示，顯示若干階躍響應(yīng)，該若干階躍響應(yīng)表示不同的控制和輔助變量對特定操作變量的響應(yīng)；圖11是設(shè)定程序的屏幕顯示，說明了選擇與操作變量初始相關(guān)的、圖9所示的控制或輔助變量之一的方法；圖12是設(shè)定程序的屏幕顯示，顯示若干階躍響應(yīng)，該若干階躍響應(yīng)表示相同的控制或輔助變量對操作變量中不同的變量的響應(yīng)；圖13是設(shè)定程序的屏幕顯示，說明了選擇與操作變量相關(guān)的控制或輔助變量的另一種方法；圖14是設(shè)定程序的屏幕顯示，說明了選擇與操作變量相關(guān)的控制或輔助變量的另一種方法；圖15是屏幕顯示，說明了復(fù)制模型的階躍響應(yīng)的方法，其復(fù)制用于不同模型；圖16是屏幕顯示，說明了觀察和改變階躍響應(yīng)曲線的一種方法；圖17是屏幕顯示，說明了在高級控制塊操作過程中為操作者提供信息的對話屏；和圖18是屏幕顯示，說明了診斷(識別)屏幕，將該屏幕提供給使用戶或操作者以對高級控制塊進行診斷。
具體實施例方式
參考圖1，過程控制系統(tǒng)10包括通訊連接到歷史記錄庫12及一個或多個主工作站或計算機13(可以是任何類型的個人計算機、工作站等)上的過程控制器11，每個都具有顯示屏幕14?？刂破?1還通過輸入、輸出(I/O)卡26和28連接到現(xiàn)場設(shè)備15-22上。歷史記錄庫12可以是任何所需類型的數(shù)據(jù)采集器件，其具有用于存儲數(shù)據(jù)的任何所需類型的存儲器和任何所需或已知的軟件、硬件或固件，歷史記錄庫12也可以與工作站13分開(如圖1中所示)或作為工作站13的一部分。控制器11，可以是，例如，F(xiàn)isher-Rosemount System公司銷售的DeltaVTM控制器，通過，例如，以太網(wǎng)(Ethernet)連接或其他任何所需的通訊網(wǎng)絡(luò)29以通訊的形式連接到主計算機13和歷史記錄庫12上。通訊網(wǎng)絡(luò)29可以采用局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、遠程通訊網(wǎng)絡(luò)等形式，可以通過硬連線或無線技術(shù)實現(xiàn)。控制器11通過任何所需的與之對應(yīng)的硬件和軟件以通訊的形式連接到現(xiàn)場設(shè)備15-22上，例如，標準的4-20ma設(shè)備和/或任何智能(smart)通訊協(xié)議，例如FOUNDATION現(xiàn)場總線協(xié)議(Fieldbus)、HART協(xié)議等。
現(xiàn)場設(shè)備15-22可以是任何類型的設(shè)備，例如傳感器、閥、變送器、定位器等，而I/O卡26和28可以是遵守任何所需通訊或控制協(xié)議的任何類型的I/O設(shè)備。在圖1所示的實施例中，現(xiàn)場設(shè)備15-18是標準的4-20ma設(shè)備，其通過模擬線路連接到I/O卡26，而現(xiàn)場設(shè)備19-22是智能設(shè)備，例如Fieldbus設(shè)備，其通過數(shù)字線應(yīng)用Fieldbus通訊協(xié)議連接到I/O卡28。當然，現(xiàn)場設(shè)備15-22可以遵守任何其他所需的標準或協(xié)議，包括任何將來開發(fā)的標準或協(xié)議。
控制器11，可以是在具有至少一個處理器的設(shè)備(plant)10上的許多分布式控制器中的一個，實施或監(jiān)控一個或多個過程控制程序，該一個或多個過程控制程序可以包括存儲在內(nèi)或其他與之相關(guān)的控制回路流程?？刂破?1還與設(shè)備15-22、主計算機13和歷史記錄庫12進行通訊，以采用任何所需方法控制一個過程。需要注意的是，如果需要的話，在此描述的任何控制程序或控制元件可以具有由不同的控制器或其他設(shè)備所實現(xiàn)或執(zhí)行的部分。同樣，在此描述的在過程控制系統(tǒng)10中實施的控制程序或控制元件也可以采用任何形式，包括軟件、固件、硬件等。為了實現(xiàn)所述目的，過程控制元件可以是過程控制系統(tǒng)的任何部分，包括，例如，存儲在任何計算機可讀介質(zhì)中的程序、塊或模型?？刂瞥绦?，可以是一個控制過程中的模塊或任何部分，例如，子程序，子程序的一部分(例如代碼行)等，該控制程序可以采用任何所需的軟件格式實現(xiàn)，例如使用階躍邏輯(ladder logic)、時序功能圖(sequential function chart)、功能塊圖(function block diagram)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計或其他軟件編程語言或設(shè)計模式。與此類似的，控制程序可以是例如，一個或多個EPROMs，EEPROMs，專用集成電路(ASICs)，或任何其他硬件或固件元件中的固化代碼(hard-coded)。更進一步的，控制程序可以采用任何設(shè)計工具設(shè)計，包括圖形設(shè)計工具或任何其他類型的軟件/硬件/固件編程或設(shè)計工具。因此，控制器11以任何所需方法配置來執(zhí)行控制策略或控制程序。
在一個實施例中，控制器11采用通常稱為功能塊的控制策略來實現(xiàn)，其中每個功能塊都是一個總控制程序的一部分或一個對象，并與其他功能塊一起進行操作(通過稱為“鏈接”的通信)以在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)部實現(xiàn)過程控制環(huán)路。功能塊通常執(zhí)行輸入功能、控制功能或輸出功能中的一個以在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)部實現(xiàn)某些物理功能，該輸入功能例如與變送器、傳感器或其他過程參數(shù)測量裝置有關(guān)，該控制功能，例如與執(zhí)行PID、模糊邏輯等控制的控制程序有關(guān)，該輸出功能，控制某些設(shè)備例如閥的操作。當然，也存在混合及其他類型的功能塊。功能塊可以存儲在控制器11中并通過控制器11來執(zhí)行，通常當這些功能塊被用于或與標準的4-20ma設(shè)備及一些智能型現(xiàn)場設(shè)備例如HART設(shè)備等相聯(lián)系的情況下，或者與現(xiàn)場總線設(shè)備情況相同在應(yīng)用Fieldbus設(shè)備的情況下，功能塊也可以存儲在現(xiàn)場設(shè)備中并通過現(xiàn)場設(shè)備本身來執(zhí)行。盡管在此應(yīng)用了使用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計范例的功能塊控制策略而提供了關(guān)于控制系統(tǒng)的描述，但控制策略或控制環(huán)路或模塊也同樣可以采用其他慣例，例如階躍邏輯、順序函數(shù)圖表等，或采用其他所需的編程語言或范例實現(xiàn)或進行設(shè)計。
如在圖1中的擴展塊30所表示的，控制器11包括多個單循環(huán)控制程序，如程序32、34所示，其可以執(zhí)行一個或多個高級控制環(huán)路，如控制環(huán)路36所示。每個這樣的循環(huán)通常稱為控制模塊。單循環(huán)程序32、34分別采用單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊，來實現(xiàn)單循環(huán)控制，所述控制塊連接到適當?shù)哪M輸入(AI)和模擬輸出(AO)功能塊，它們與例如閥的過程控制設(shè)備、例如溫度和壓力變送器的測量設(shè)備，或過程控制系統(tǒng)10中的其他設(shè)備有關(guān)。盡管高級控制塊38的輸入和輸出可以與任何其他所需的功能塊或控制元件進行通訊聯(lián)系以接收其他類型的輸入并提供其他類型的控制輸出，但高級控制環(huán)路36包括一個具有與多個AI功能塊通訊聯(lián)系的輸入及與多個AO功能塊通訊聯(lián)系的輸出的高級控制塊38。下面進一步描述，高級控制塊38可以是一控制塊，它集成了模型預(yù)測控制程序與優(yōu)化器以實現(xiàn)過程或部分過程的優(yōu)化控制。盡管將在此描述的高級控制塊38包括模型預(yù)測控制(MPC)塊，但高級控制塊38可以包括任何其他的多輸入/多輸出控制程序或過程，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建?；蚩刂瞥绦?、多變量模糊邏輯控制程序等?？梢岳斫獾氖牵ǜ呒壙刂茐K38的如圖1所示的功能塊，可以由控制器11執(zhí)行，或者，位于任何其他處理設(shè)備并由其執(zhí)行，例如工作站13中的一個或甚至是現(xiàn)場設(shè)備19-22中的一個。
如圖1所示，工作站13中的包括一個高級控制塊生成程序40，其用于產(chǎn)生、下載及執(zhí)行高級控制塊38。盡管高級控制塊生成程序40可以存儲在工作站13的內(nèi)存中并由在此的處理器執(zhí)行，但如果需要的話，這個程序(或它的任意部分)可以另外或可選擇性地存儲于過程控制系統(tǒng)10中的任何其他設(shè)備中并由其執(zhí)行。通常說來，高級控制塊生成程序40包括將在此進一步描述的用來生成高級控制塊并把該高級控制塊連接到過程控制系統(tǒng)中的控制塊生成程序42，根據(jù)高級控制塊收集的數(shù)據(jù)，用來為過程或它的一部分生成過程模型的過程建模程序44，為高級控制塊從過程模型中生成控制邏輯參數(shù)并存儲或?qū)⑦@些控制邏輯參數(shù)下載到高級控制塊中用來控制過程的控制邏輯參數(shù)生成程序46，以及用于生成與高級控制塊一同使用的優(yōu)化器的優(yōu)化器程序48。可以理解，程序42、44、46和48可以由一系列不同的程序組成，例如生成高級控制元件的第一程序，該元件具有適合于接收過程輸出的控制輸入及適合于為過程輸入提供控制信號的控制輸出，第二程序，能夠使用戶下載并以通訊的形式連接控制程序(可以是任何需要的設(shè)定程序)中的高級控制元件，第三程序，采用高級控制元件為每個過程輸入提供激勵波形，第四程序，采用高級控制元件收集反映每個過程輸出對激勵波形響應(yīng)的數(shù)據(jù)，第五程序，選擇或能夠使用戶選擇高級控制塊的一系列輸入，第六程序，生成過程模型，第七程序，從過程模型中發(fā)展出高級控制邏輯參數(shù)，第八程序，將高級控制邏輯及過程模型(如果需要的話)放置到高級控制元件中，以使高級控制元件能夠控制過程，以及第九程序，選擇或能夠使用戶選擇用于高級控制塊38的優(yōu)化器。
圖2表示出了與處理器50以通訊的方式連接的高級控制塊38的一個實施例的更詳細的方塊圖，可以理解，高級控制塊38產(chǎn)生提供給依次連接到過程50的控制輸入的其他功能塊的一系列操作變量MV。如圖2所示，高級控制塊38包括MPC控制器塊52、優(yōu)化器54、目標轉(zhuǎn)化塊55、階躍響應(yīng)模型或控制矩陣56、以及輸入處理/濾波塊58。MPC控制器52可以是任何標準的M*M(M是任何大于1的數(shù))的具有相同數(shù)量輸入和輸出的MPC程序或過程。MPC控制器52接收一系列N個在過程50中測量到的控制和輔助變量CV和AV(是矢量值)、一系列在將來某一時刻提供給過程50的已知或預(yù)期的變化或干擾的擾動變量DV，以及一系列從目標轉(zhuǎn)化塊55提供的穩(wěn)定狀態(tài)目標控制和輔助變量CVT和AVT作為輸入。MPC控制器52應(yīng)用這些輸入生成M操作變量集(以控制信號的形式)并發(fā)送這些操作變量MV信號給控制過程50。
進一步地，與一系列分別代表控制變量CV、輔助變量AV和操作變量MV預(yù)期值的預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)操作變量MVSS一起，MPC控制器52按照預(yù)期的水平計算并提供給輸入處理/濾波塊58一系列預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)控制變量CVSS和輔助變量AVSS。輸入處理/濾波塊58處理控制、輔助和操作變量的確定的預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)值CVSS、AVSS、MVSS，以減少噪音的影響和意料不到的干擾對這些變量的影響?？梢岳斫?，輸入處理/濾波塊58可以包括低通濾波器或任何其他輸入處理，其減少噪音、建模誤差和干擾對這些值的影響，并為優(yōu)化器54提供濾波過的控制、輔助、操作變量CVSSfil、AVSSfil、MVSSfil。
在這個例子中，優(yōu)化器54是一個線性規(guī)劃(LP)優(yōu)化器，其應(yīng)用可以由選擇塊62提供以實現(xiàn)過程優(yōu)化的目標函數(shù)(OF)?；蛘?，優(yōu)化器54可以是具有線性模型和二次目標函數(shù)的二次規(guī)劃優(yōu)化器。通常來說，目標函數(shù)OF將規(guī)定與每個控制、輔助和操作變量相關(guān)的成本與利潤，同時優(yōu)化器54通過最大化或最小化目標函數(shù)為這些變量設(shè)定目標值。選擇塊62可以選擇提供給優(yōu)化器54的目標函數(shù)OF，作為一系列預(yù)存儲目標函數(shù)64之一，該預(yù)存儲目標函數(shù)算術(shù)地代表了定義過程50最優(yōu)操作的不同方法。例如，預(yù)存儲目標函數(shù)64之一可以配置以最大化生產(chǎn)利潤，也可以配置以最小化處于供應(yīng)短缺狀態(tài)的特殊材料的使用，而目標函數(shù)64之一更進一步可以配置以使過程50生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量最大化。通常來說，目標函數(shù)應(yīng)用與每個控制、輔助、和操作變量的移動相關(guān)的成本或利潤以確定在一系列可接受點中，由控制變量CV的設(shè)定點值或范圍及輔助、操作變量AV、MV的限制所決定的最優(yōu)過程操作點。當然，任何所需目標函數(shù)可以用來代替或附加那些在此描述的包括優(yōu)化每個所關(guān)心的問題的目標函數(shù)至某一程度，這些問題例如原材料的使用、收益率等。
為了選擇目標函數(shù)64之一，用戶或操作者可以通過在操作者或用戶終端上(例如圖1中的一個工作站13)選擇該目標函數(shù)，來提供一個關(guān)于要使用的目標函數(shù)64的指示，該選擇通過輸入66向選擇塊62提供。響應(yīng)于輸入66，選擇塊62提供所選的目標函數(shù)OF給優(yōu)化器54。當然，用戶或操作者可以改變在過程操作中應(yīng)用的目標函數(shù)。如果需要，在用戶不提供或不選擇目標函數(shù)的情況下，可以采用缺省的目標函數(shù)。合理的缺省目標函數(shù)將在下面進行更詳細地描述。盡管作為高級控制塊38的一部分進行了說明，但不同的目標函數(shù)可以存儲在如圖1所示的控制器終端13上，并且這些目標函數(shù)之一可以在形成或生成這個塊的過程中提供給高級控制塊38。
除目標函數(shù)OF之外，作為輸入，優(yōu)化器54接收，一系列控制變量設(shè)定點(通常為控制器指定的過程50的控制變量CV的設(shè)定點，并可以由控制器或其他用戶改變)及與每個控制變量CV相關(guān)的量程、加權(quán)或優(yōu)先權(quán)。優(yōu)化器54另外還接收一系列量程界限或約束界限、一系列輔助變量AV的加權(quán)或優(yōu)先權(quán)及一系列用于控制過程50的操作變量MV的界限。通常來說，輔助和操作變量的量程范圍定義了輔助和操作變量的界限(通常是基于設(shè)備的物理特性)，而控制變量的量程提供了一個范圍，在該范圍中，操作控制變量以達到過程的理想控制?？刂坪洼o助變量的加權(quán)規(guī)定了控制變量和輔助變量在優(yōu)化過程中相互之間的相關(guān)重要性，并且在一些情況中，如果違反了一些約束條件，其可以用來使優(yōu)化器54產(chǎn)生控制目標的結(jié)果。
在操作過程中，優(yōu)化器54可以采用線性規(guī)劃(LP)技術(shù)來實現(xiàn)優(yōu)化。正如所知道的，線性規(guī)劃技術(shù)是一種用來解決一系列線性方程或不等式，以用于最大化或最小化一個特定的稱作目標函數(shù)的附加函數(shù)的數(shù)學(xué)方法。如上面所描述的，目標函數(shù)可以表示如成本或利潤的經(jīng)濟價值，但也可以表示其他可替代的目標。進一步地，可以理解，穩(wěn)定狀態(tài)增益矩陣定義了對于每一對可能的操作變量和控制或輔助變量的穩(wěn)定狀態(tài)增益。換句話說，穩(wěn)定狀態(tài)增益矩陣定義了對于每個操作和干擾變量的單位變化來說每個控制和輔助變量的穩(wěn)定狀態(tài)增益。這個穩(wěn)定狀態(tài)增益矩陣通常是N*M矩陣，其中N為控制和輔助變量的數(shù)目，M是在優(yōu)化器程序中應(yīng)用的操作變量的數(shù)目。通常，N可以大于、等于或小于M，在大多數(shù)情況下，N大于M。
采用任何已知的或標準的LP運算法則或技術(shù)，當引起的過程操作符合或落入控制變量CV設(shè)定點限制范圍、輔助變量AV約束界限及操作變量MV的限制范圍內(nèi)時，優(yōu)化器54重復(fù)執(zhí)行以確定目標操作變量MVT集(如從穩(wěn)定狀態(tài)增益矩陣中確定)，其最大化或最小化所選目標函數(shù)OF。在一個實施例中，優(yōu)化器54實際確定操作變量的變化，并應(yīng)用預(yù)測穩(wěn)定狀態(tài)控制變量、輔助變量和操作變量CVSSfil、AVSSfil、MVSSfil的指示以便從當前操作確定過程操作中的變化，即，確定MPC控制程序在達到目標或最優(yōu)過程操作點的過程中的動態(tài)操作。由于其對于保證從當前操作點運動到目標操作點的過程中沒有違反約束限制是必須的，因而這個動態(tài)操作非常重要。
在一個實施例中，可以設(shè)計LP優(yōu)化器54以便最小化下面格式的目標函數(shù)Q＝Pt*A*ΔMV+CtΔMV其中，Q＝總成本/利潤，P＝與AVS和CVS相關(guān)的利潤向量，C＝與MVS相關(guān)的成本向量，A＝增益矩陣，ΔMV＝在MVS中計算出的變化的向量，利潤值是個正數(shù)，成本值是個負數(shù)，用來表示它們對于目標的影響。應(yīng)用這個目標函數(shù)，當保證控制變量CV維持在其目標設(shè)定點的限制范圍內(nèi)、輔助變量AV在其上、下約束界限內(nèi)以及操作變量MV在其上、下界限內(nèi)時，LP優(yōu)化器54計算使目標函數(shù)最小化的操作變量MV中的變化。
在可采用的一個優(yōu)化過程中，與LP典型應(yīng)用不同，操作變量的增加值在當前時刻(t)應(yīng)用，并且在整個控制范圍內(nèi)，應(yīng)用操作變量增加值的總和并且在預(yù)測范圍終端確定控制和輔助變量的增加值，而非位置的當前值。當然，可以為這個變化適當修改LP算法。無論如何，LP優(yōu)化器54可以采用穩(wěn)定狀態(tài)模型，結(jié)果需要穩(wěn)定狀態(tài)條件以便應(yīng)用。由于具有通常在MPC設(shè)計中采用的預(yù)測范圍，對于一個自調(diào)節(jié)過程，將來的穩(wěn)定狀態(tài)是可以保證的。對于一個具有預(yù)測范圍p、控制范圍c、M*N的輸入-輸出過程的可能預(yù)測過程穩(wěn)定狀態(tài)方程，以增量形式表示為ΔCV(t+p)＝A*ΔMV(t+c)其中，ΔCV(t+p)=Δcv1...Δcvn]]>指示出在預(yù)測范圍的終端(t+p)處的輸出預(yù)測變化，A=a11...a1m......an1...anm]]>是過程穩(wěn)定狀態(tài)m*n的增益矩陣，
ΔMV(t+c)=Δmv1...Δmvm]]>指示出在控制范圍終端(t+c)處操作變量的變化，向量ΔMV(t+c)代表了整個控制范圍內(nèi)每個控制器輸出mvi產(chǎn)生的變化的總和，于是Δmvi=Σj=1cmvi(t+j)---i=1,2...m]]>所述變化應(yīng)滿足操作變量MV及控制變量CV(在此輔助變量被視為控制變量)的限制范圍MVmin≤MVcurrent+ΔMV(t+c)≤MVmaxCVmin≤CVpredicted+ΔCV(t+p)≤CVmax在這種情況下，可以共同定義最大化產(chǎn)值和最小化原材料成本的目標函數(shù)為Q‾min=-UCVT*ΔCV(t+p)+UMVT*ΔMV(t+c)]]>其中，UCV是控制變量CV過程值中單位變化的成本向量，UMV是操作變量MV過程值中單位變化的成本向量。
采用上述第一個方程，目標函數(shù)可以根據(jù)操作變量MV表示為Q‾min=-UCVT*A*ΔMV(t+c)+UMVT*ΔMV(t+c)]]>要得到最優(yōu)的結(jié)果，LP算法計算由上述方程定義的區(qū)域內(nèi)初始頂點的目標函數(shù)，并在每個下一步驟改進該結(jié)果，直到該算法確定出具有目標函數(shù)的最大(或最小)值的頂點為最優(yōu)的結(jié)果。確定的最優(yōu)操作變量值作為在整個控制范圍中要達到的目標操作變量MVT。
通常來說，在準備好的矩陣中運行LP算法獲得、產(chǎn)生返回三個可能的結(jié)果。第一，對于目標操作變量MVT有唯一的結(jié)果。第二，結(jié)果是極大(unbounded)的，如果每個控制和輔助變量有高、低界限的話，將是不可能發(fā)生的。第三，沒有結(jié)果，這意味著輔助變量的范圍或約束太窄了。為了解決第三種情況，可以放松所有的約束以獲得結(jié)果?；镜募僭O(shè)是，操作變量的限制(Hi/Lo界限)不能由優(yōu)化器改變。同樣，對于輔助變量的限制或約束(Hi/Lo界限)也是成立的。然而，優(yōu)化器可以從驅(qū)動控制變量CV改變到指定的設(shè)定點(CV設(shè)定點控制)，以驅(qū)動控制變量達到在設(shè)定點(CV范圍控制)延伸的一個范圍內(nèi)或在設(shè)定點周圍的任何值。在這種情況下，允許控制變量值設(shè)置在一個范圍內(nèi)，而不是在指定的設(shè)定點。如果有多個輔助變量AV違反它們的約束條件，及從CV設(shè)定點控制切換為不能得到結(jié)果的CV范圍控制，那么也可能在所提供的加權(quán)或優(yōu)先權(quán)指示的基礎(chǔ)上，放松或忽視輔助變量的約束條件。在一個實施例中，可以通過最小化輔助變量的均方誤差或通過放棄一個時序方法中具有最低優(yōu)先權(quán)的輔助變量的約束來得到一個結(jié)果，該輔助變量允許其中每個變量違反它們各自的約束條件。
正如上面所指出的，目標函數(shù)OF可以由控制塊生成程序40默認選擇或設(shè)定。將在下面給出建立這類缺省設(shè)置的一個方法。尤其是，盡管需要提供優(yōu)化的性能，但許多情況可以只要求控制變量的設(shè)定點維持在遵守輔助變量和操作變量的操作約束條件上。對于這些應(yīng)用，可以配置塊38作為一個MPC功能塊單獨進行操作。為提供這種方便應(yīng)用，可以自動生成一個缺省的“操作(Operate)”目標函數(shù)，其具有分配給其中不同變量的缺省成本及缺省輔助變量AV加權(quán)。這些缺省值可以將所有輔助變量AV和操作變量MV的成本設(shè)置為相等，或可以提供分配給輔助和操作變量AV、MV的一些其他的預(yù)定成本。當選擇了一個最優(yōu)選項時，用戶可以生成附加的優(yōu)化選擇并針對不同的目標函數(shù)64定義它們相關(guān)的成本。也可以允許專家用戶修改缺省目標函數(shù)的缺省輔助變量和控制變量AV及CV加權(quán)。
在一個實施例中，例如，當沒有定義這種過程配置的經(jīng)濟性時，目標函數(shù)可以由MPC配置自動構(gòu)造。通常，目標函數(shù)可以采用下式構(gòu)造CDT=CT+PT*A=[C1,...,Cj,...,Cm]+[Σi=1nPiail,Σi=1nPiai2...,Σi=1nPiaim]=[CD1,...,]]>CDj,...,CDm]]]>變量Cj和pj可以從配置設(shè)定中定義。尤其是，假設(shè)控制變量CV設(shè)定點只能定義在LL或HL處，pj值按照下面方式定義pj＝-1，如果在LL定義設(shè)定點或選擇最小化，并且pj＝1，如果在HL定義設(shè)定點或選擇最大化。
假設(shè)對輔助變量AV來說沒有配置信息輸入，則對于所有的輔助變量AV來說，pj＝0。類似對于操作變量MV，cj變量值依賴于是否定義了優(yōu)選操作變量目標MVT。優(yōu)選操作目標變量MVT定義為cj＝1，如果MVT處于HL(高端界限處)或選擇最大化；cj＝-1，如果MVT處于LL(低端界限處)或選擇最小化；cj＝0，如果沒定義MVT。
如果需要，將應(yīng)用優(yōu)化器54與MPC控制器52結(jié)合使用的選擇是可以調(diào)節(jié)的以提供一定的優(yōu)化程度。為實現(xiàn)這個功能，可以通過施加不同的加權(quán)到由MPC控制器52和優(yōu)化器54所確定的操作變量MV的變化，將控制器52中應(yīng)用的操作變量MV的變化改變。這種操作變量MV的加權(quán)組合在此稱為有效MV(MVeff)。有效MVeff可以定義如下ΔMVeff＝ΔMVmpc(α/S)+ΔMVopt(1-α) 0≤α≤1其中，可以任意或啟發(fā)性地選擇S。通常，S大于1并在10以內(nèi)。
在此，由于α＝0，由于在生成時設(shè)置優(yōu)化器，它將貢獻出有效的輸出。由于α＝1，控制器僅僅提供MPC動態(tài)控制。
當然，0到1的范圍為優(yōu)化器和MPC控制提供不同的貢獻。
以上所描述的缺省目標函數(shù)可以用于在優(yōu)化器操作的不同可能操作模式中建立優(yōu)化器操作。尤其是，當控制變量CVs的數(shù)目與操作變量MVs的數(shù)目相符時，具有缺省設(shè)置的期望行為是如下的行為只要輔助變量AV和操作變量MV控制在它們的限制界限之內(nèi)，則控制變量CV的設(shè)定點將維持不變。如果預(yù)測到輔助變量或操作變量將違反它的約束條件，那么控制變量的工作設(shè)定點將在其范圍內(nèi)改變以阻止違反限制條件。在這種情況下，如果優(yōu)化器54在維持控制變量在其限制范圍內(nèi)的過程中，不能找到一個滿足輔助和操作變量限制條件的結(jié)果，那么控制變量將維持在其限制范圍內(nèi)，而將允許輔助變量偏離其約束限制范圍。為了得到最優(yōu)的結(jié)果，將等同地處理表現(xiàn)出要違反限制條件的輔助變量，并使它們的平均限制范圍偏移達到最小。
為了獲得以上操作，目標函數(shù)中應(yīng)用的缺省成本/利潤將自動設(shè)置，以致使如果范圍定義為允許向設(shè)定點之下偏離時，則控制變量CV將被賦予利潤為1；如果范圍被定義為允許向設(shè)定點之上偏離時，則控制變量CV將被賦予利潤為-1。在限制范圍內(nèi)的輔助變量AVs將被賦予利潤為0，同時，操作變量MVs將被賦予成本為0。
當控制變量CVs的數(shù)目小于操作變量MVs的數(shù)目時，那么將采用額外的自由度，用于為與所配置的操作變量MV的最終靜止位置相關(guān)的需求定址。在此，只要輔助變量和操作變量控制在其限制范圍內(nèi)，那么控制變量設(shè)定點(如果定義了任何控制變量CV)將維持不變。將要最小化操作變量相對于所配置的最終靜止位置的平均偏離。如果預(yù)測到一個或多個輔助和操作變量將偏離其限制范圍，那么控制變量的工作設(shè)定點將在其范圍內(nèi)改變，以阻止其違反限制范圍。在這種情況下，如果存在多個結(jié)果，那么用于控制的一個結(jié)果將使操作變量相對于所配置的最終靜止位置的平均偏離最小化。
在將控制變量維持在其范圍之內(nèi)的過程中，當優(yōu)化器54不能找到一個滿足輔助和操作變量的限制的結(jié)果(即結(jié)果不存在)時，控制變量將維持在其范圍內(nèi)，而允許輔助變量違反其約束條件。為了找到最優(yōu)結(jié)果，將等同地處理表現(xiàn)出要違反限制條件的輔助變量，并使它們的平均限制偏離最小。為了實現(xiàn)這個操作，目標函數(shù)中應(yīng)用的缺省成本/利潤將自動設(shè)置，以致使如果利潤范圍定義為允許偏離到設(shè)定點之下，則控制變量CV將被賦予利潤為1；如果范圍定義為允許偏離到設(shè)定點之上，則控制變量CV將被賦予利潤值為-1。輔助變量將被賦予利潤為-1，同時，操作變量將被賦予成本為0.1。
在任何情況下，在進行操作之后，優(yōu)化器54提供最優(yōu)或目標操作變量MVT的設(shè)定給目標轉(zhuǎn)化塊55，該塊使用穩(wěn)定狀態(tài)增益矩陣以確定目標穩(wěn)定狀態(tài)控制和從目標操作變量MVT得到的輔助變量結(jié)果。這個轉(zhuǎn)化是直接計算得到的，由于穩(wěn)定狀態(tài)增益矩陣定義了操作變量與控制和輔助變量之間的交互作用，因此其可以用于由所定義的目標(穩(wěn)定狀態(tài))操作變量MVT唯一地確定目標控制和輔助變量CVT、AVT。
一旦確定，至少一個目標控制和輔助變量CVT、AVT的N子集將作為輸入提供給MPC控制器52，就象前面所提到的，該控制器采用這些目標變量CVT、AVT以確定一組新的穩(wěn)定狀態(tài)操作變量(在整個控制范圍內(nèi))MVSS，該穩(wěn)定狀態(tài)操作變量(在整個控制范圍內(nèi))MVSS驅(qū)動當前控制和輔助變量CV、AV到達位于預(yù)測范圍終點的目標值CVT和AVT。當然，已知的，MPC控制器分步改變操作變量，以努力達到這些變量MVSS的穩(wěn)定狀態(tài)值，從理論上來說，這些變量就是由優(yōu)化器54確定的目標操作變量MVT。由于優(yōu)化器54和MPC控制器52在每個過程掃描期間如上所述地進行操作，所以可以通過一次次地掃描改變操作變量MVT的目標值，結(jié)果，MPC控制器將永遠不會達到目標操作變量MVT的任何一個特定設(shè)置，尤其是存在噪音、預(yù)料不到的干擾、過程50發(fā)生改變等的情況下。然而，優(yōu)化器54通常驅(qū)動控制器52將操作變量MV向優(yōu)化結(jié)果的方向移動。
已知，MPC控制器52包括控制預(yù)測過程模型70，其可以是N*(M+D)階躍響應(yīng)矩陣(其中，N是控制變量CV的數(shù)目加上輔助變量AV的數(shù)目之和，M是操作變量MV的數(shù)目，D是干擾變量DV的數(shù)目)?？刂祁A(yù)測過程模型70在輸出72處生成對于每個控制和輔助變量CV、AV的一個已計算的預(yù)測，同時向量加法器74從控制和輔助變量CV、AV的實際測量值中減去當前時刻的預(yù)測值，以在輸入76生成誤差或校正向量。
于是，控制預(yù)測過程模型70根據(jù)提供到控制預(yù)測過程模型70的其他輸入的干擾和操作變量，采用這個N*(M+D)階躍響應(yīng)矩陣，為在(over)預(yù)測范圍內(nèi)的每個控制和輔助變量CV、AV預(yù)測一個將來的控制參數(shù)。控制預(yù)測過程模型70也提供控制和輔助變量CVSS、AVSS的預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)值給輸入處理/濾波塊58。
控制目標塊80為每個N目標控制和輔助變量CVT、AVT確定一個由目標轉(zhuǎn)化塊55通過應(yīng)用前面為塊38所建立的彈道濾波器(trajectory filter)82而提供的控制目標向量。特別是，彈道濾波器提供單位向量，它定義了控制和輔助變量在時間過程中被驅(qū)動至它們的目標值的方法?？刂颇繕藟K80使用這個單位向量和目標變量CVT、AVT從而為每個控制和輔助變量產(chǎn)生動態(tài)控制目標向量，該動態(tài)控制目標向量定義了目標變量CVT、AVT在由預(yù)測范圍時間決定的時間周期內(nèi)的變化。于是，向量加法器84于是從動態(tài)控制向量中減去每個控制和輔助變量CV、AV的將來控制參數(shù)向量，來為每個控制和輔助變量CV、AV定義誤差向量。于是提供每個控制和輔助變量CV、AV的將來誤差向量給執(zhí)行選擇操作變量MV步驟的MPC算法，該步驟在操作變量MV的控制范圍和控制及輔助變量CV、AV的預(yù)測范圍內(nèi)將，例如，最小均方誤差最小化。當然，MPC算法或控制器采用根據(jù)輸入到MPC控制器的N個控制和輔助變量與從MPC控制器52輸出的M個操作變量之間的關(guān)系而產(chǎn)生的M*M過程模型或控制矩陣。
更特別的是，應(yīng)用于優(yōu)化器的MPC算法具有兩個主要目標。第一，MPC算法試圖在操作約束條件的范圍內(nèi)，使具有最小MV移動的CV控制誤差最??；第二，試圖獲得由優(yōu)化器設(shè)置的最優(yōu)穩(wěn)定狀態(tài)MV值和由最優(yōu)穩(wěn)定狀態(tài)MV值直接計算得到的目標CV值。
為了滿足這些目標，原始的不受約束的MPC算法可以擴展為在最小方差結(jié)果中包括MV目標。這種MPC控制器的目標函數(shù)為minΔmv(k){Γy[CV(k)-R(k)]||2+||ΓuΔMV(k)||2+||Γu[ΣΔMV(k)-ΔMVT]||2}]]>其中，CV(k)是受控的輸出p階(p-step)前預(yù)測向量；R(k)是p階前參考彈道(設(shè)定點)向量；ΔMV(k)是c階前增加控制移動向量；Γy＝diag{Γy1，...，Γyp}是受控輸出誤差上的損失矩陣(penaltymatrix)；Γu＝diag{Γu1，...，Γuc}是控制移動上的損失矩陣(penaltymatrix)；p是預(yù)測范圍(步驟數(shù))；c是控制范圍(步驟數(shù))；并且Γ0是在整個控制范圍內(nèi)，控制器輸出移動總和的誤差損失(penalty)，該總和與優(yōu)化器定義的MV的目標最優(yōu)變化相關(guān)。為了符號的簡化，目標函數(shù)用單輸入/單輸出(SISO)控制來表示。
可以理解，前兩項是無約束MPC控制器的目標函數(shù)，而第三項設(shè)置了附加的狀態(tài)，其使控制器輸出移動的總和等于最優(yōu)目標處的。換句話說，前兩項設(shè)置了控制器動態(tài)操作目標，而第三項設(shè)置了穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)化目標。
需要注意，這種控制器的通常結(jié)果與無約束MPC控制器類似，可以表示為ΔMV(k)＝(SuTΓTΓSu+ΓuTΓu)-1SuTΓTΓEp+1(k)＝kompcEp+1(k)其中ΔMV(k)是MPC控制器在時刻k的輸出的變化；Kompc是優(yōu)化的MPC控制器增益；Su是過程動態(tài)矩陣，該矩陣從SISO模型p×c維階躍響應(yīng)，及具有M個操作輸入和N個控制輸出的多輸入/多輸出MIMO模型p*n×c*m維階躍響應(yīng)中建立。
對于優(yōu)化的MPC，動態(tài)矩陣擴展到如下尺寸對于SISO模型為(p+1)×m維，對于MIMO模型，為(p+m)*n×c*m維，以調(diào)節(jié)MV誤差。Ep+1(k)是在預(yù)測范圍內(nèi)的CV誤差向量和在控制范圍內(nèi)，與MV目標最優(yōu)變化相關(guān)的控制器輸出移動的總和的誤差。矩陣Γ將矩陣Γy與Γ0結(jié)合起來，它是對于SISO控制器來說的(p+1)維及對于多變量控制器來說的[n(p+m)]維方陣。上標T代表轉(zhuǎn)置矩陣。
已經(jīng)確定，由于優(yōu)化器54是在所有控制和輔助變量CV、AV的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化以確定定義唯一最優(yōu)操作點的操作變量MVT的目標設(shè)置，所以這并不意味著MPC控制器52在它的控制矩陣內(nèi)僅僅應(yīng)用控制和輔助變量CV、AV的子集進行操作以實際產(chǎn)生操作變量MV的輸出，這是因為，當控制器52驅(qū)動所選控制和輔助變量CV、AV的子集至它們相應(yīng)的目標時，控制和輔助變量全集中的其它部分也將位于它們的目標值。結(jié)果，這決定了具有M*M控制矩陣的方形(M*M)MPC控制器與可以與采用矩形(N*M)過程模型的優(yōu)化器一起應(yīng)用以實現(xiàn)過程優(yōu)化。這使標準MPC控制器技術(shù)能夠與標準優(yōu)化技術(shù)一起應(yīng)用，而不必對非方矩陣求逆，該非方矩陣具有與控制器中這種變換技術(shù)相關(guān)的伴隨近似(approximation)和風(fēng)險。
在一個實施例中，當MPC控制器是方形(square)時，即操作變量MV的數(shù)目與控制變量CV的數(shù)目相同，那么，可以通過下面所示的CV值的變化有效地達到操作變量MV的目標ΔCV＝A*ΔMVT其中，ΔMVT--MV的最優(yōu)目標變化，ΔCV-以達到最優(yōu)MV的CV變化，CV變化量是通過控制CV設(shè)定點實現(xiàn)的。
在操作中，優(yōu)化器54在每次掃描期間設(shè)置并更新MPC無約束控制器的穩(wěn)定狀態(tài)目標。因此，MPC控制器52執(zhí)行無約束算法。由于目標CVT和AVT以解決約束的方式設(shè)定，所以只要存在一個可行的結(jié)果，控制器就會在約束的限制范圍內(nèi)工作。因此，優(yōu)化是MPC控制器的一個必要的部分。
圖3和4描述了說明用于執(zhí)行集成模型預(yù)測控制和優(yōu)化的步驟的流程圖90。流程圖90通常分為兩部分90a(圖3)和90b(圖4)，其說明了發(fā)生在過程操作(90a)之前的功能和在過程操作過程中(90b)的功能，如，在過程操作的每個掃描過程中。在過程操作之前，操作者或工程師執(zhí)行一系列步驟以生成包括集成MPC控制器和優(yōu)化器的高級控制塊38。特別是，在塊92中，可以選擇高級控制模板以用作高級控制塊38。模板可以存儲在或從位于用戶接口13上的配置應(yīng)用內(nèi)部的程序庫中拷貝過來，并可以包括MPC控制器程序52和優(yōu)化器54常用的算術(shù)和邏輯函數(shù)，而不需要特定的MPC、過程模型和穩(wěn)定狀態(tài)增益或控制矩陣及特定的目標函數(shù)。這種高級的控制模板可以放置在包含其他塊的模型中，例如配置成與過程50內(nèi)部設(shè)備通訊的輸入和輸出塊，以及其他類型的功能塊，例如控制塊，包括PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制塊。可以理解，在一個實施例中，模型中塊是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計范例中具有互相連接的輸入和輸出的每個對象，以執(zhí)行塊之間的通信。在操作過程中，運行該模型的處理器，應(yīng)用對塊的輸入以不同時序執(zhí)行每個塊，以產(chǎn)生塊的輸出，然后這些輸出如塊間所指定的通信鏈接所定義的那樣，提供給其他塊的輸入。
在塊94中，操作者定義在塊38中應(yīng)用的特殊操作變量、控制變量、約束變量和干擾變量。如果需要，在設(shè)定程序中，例如圖1中的程序40，用戶可以觀察控制模板，選擇被命名和配置的輸入和輸出，應(yīng)用任何標準的瀏覽器在配置環(huán)境中瀏覽以找到控制系統(tǒng)中實際的輸入和輸出，及選擇這些實際的控制變量作為控制模板的輸入和輸出控制變量。圖5示出由設(shè)定程序所生成的屏幕顯示，說明控制模塊DEB_MPC具有多個互連功能塊，包括多個AI(模擬輸入)和AO(模擬輸出)功能塊、多個PID控制功能塊和屬于高級功能塊的MPC-PRO功能塊。圖5所示屏幕顯示中左手邊的樹狀結(jié)構(gòu)說明了DEB_MPC模塊內(nèi)部的功能塊，包括例如Block 1、C4_AI、C4_DGEN等。
可以理解，用戶可以通過在該輸入和輸出及其他功能塊的輸入和輸出之間畫線指定從MPC-PRO功能塊的輸入和輸出?；蛘?，用戶可以選擇MPC-PRO功能塊以獲得對MPC-PRO塊的特性的存取?？梢燥@示一個對話框，例如圖6所示的，使用戶可以觀察MPC-PRO塊的特性。如圖6中表示的，可以為每個控制、操作、干擾和約束(輔助)變量提供不同的標記，用于提供這些變量的組合，該組合當有例如20或更多變量與高級控制塊38相聯(lián)系時尤為必要。在對于特殊類型的變量的標記中，可以提供說明、低的和高的邊界(約束)以及路徑名稱。另外，用戶或操作者可以在變量失敗的情況下，指定塊做什么，例如不操作、用變量的模擬值代替被測值或接受手動輸入。更進一步，操作者可以指定是否最小化或最大化該變量以執(zhí)行與該變量有關(guān)的優(yōu)化，和優(yōu)先權(quán)或加權(quán)及利潤值。當沒有使用缺省的目標函數(shù)時，這些域必須被填充。當然，用戶可以用對話框右側(cè)的適當?shù)陌粹o添加、移動、修改或刪除信息或變量。
用戶可以通過選擇變量，為一個或多個變量指定或改變信息。在這種情況下，如圖7所示的REFLUX FLOW操作變量的對話框，可以呈現(xiàn)給用戶。用戶可以通過瀏覽在不同的對話框中改變信息并指定信息，例如變量的路徑名(即，它的輸入或輸出連接)。應(yīng)用圖7所示的屏幕，用戶可以選擇內(nèi)部瀏覽按鈕或外部瀏覽按鈕，以在定位于MPC-PRO塊內(nèi)部的模塊或模塊外部瀏覽。當然，如果非常需要的話，操作者或用戶可以手動提供一個地址、路徑名、標記名稱等，它們定義了與高級控制塊輸入和輸出的連接。
在選擇高級控制功能塊的輸入和輸出后，用戶可以定義與控制變量有關(guān)的設(shè)定點，與控制變量、輔助變量、操作變量有關(guān)的范圍或界限，及與控制變量、輔助變量、操作變量中的每一個有關(guān)的加權(quán)。當然，由于這些變量在過程控制系統(tǒng)配置環(huán)境中選擇或得出，那么這些信息中有一些，例如約束界限或范圍可能已經(jīng)與這些變量相聯(lián)系。如果需要，在圖3中的塊96中，操作者可以通過指定每個操作變量、控制變量和輔助變量的單位成本/或利潤，來配置一個或多個在優(yōu)化器中應(yīng)用的目標函數(shù)。當然，在該點，操作者可以如上所述選擇應(yīng)用缺省目標函數(shù)。圖8是由設(shè)定程序(configuration program)提供的屏幕顯示，其使用戶或操作者可以選擇一系列目標函數(shù)中的一個用于生成高級控制塊?？梢岳斫猓脩艨梢允褂萌鐖D8提供的屏幕顯示以選擇一系列預(yù)存儲的目標函數(shù)，在此，如標準目標函數(shù)和目標函數(shù)2-5。
在輸入(控制、輔助和干擾變量)被命名并連接到高級控制模板并且加權(quán)、邊界及設(shè)定點與其相關(guān)之后，在圖3的塊98中，將高級控制模板下載到過程內(nèi)部的一個所選的控制器中，作為用于控制的功能塊?？刂茐K的常規(guī)種類，及設(shè)定該控制塊的方法在美國專利US6445963，名為“過程控制系統(tǒng)中集成高級控制塊”中記載，該專利轉(zhuǎn)讓給本文中的受讓人，并因此特別在此引用作為參考。盡管該專利描述了在過程控制系統(tǒng)中生成MPC控制器的類型，并沒有討論優(yōu)化器與控制器相聯(lián)系的方法，但可以理解的是，用于聯(lián)系和配置控制器的常用的方法都可用于在此描述的控制塊38，該控制塊38具有包括所有在此討論的用于控制塊38的邏輯元件的模板，而并不僅是在該專利中所描述的控制塊。
在任何情況下，在高級控制模板被下載到控制器之后，在塊100中，操作者可以選擇運行控制模板的測試階段以生成階躍響應(yīng)矩陣和用于MPC控制器算法中的過程模型。象在上述專利中所描述的，在測試階段，高級控制塊38中的控制邏輯提供了一系列偽隨機波形給過程作為操作變量，并觀察控制和輔助變量(MPC控制器將其視為控制變量)的變化。如果需要，操作和干擾變量，連同控制和輔助變量一起，可以由圖1中的歷史記錄庫12收集，操作者可以設(shè)置設(shè)定程序40(圖1)以從歷史記錄庫12中獲取這個數(shù)據(jù)，并以任何方法求這個數(shù)據(jù)的趨勢，以取得或確定階躍響應(yīng)矩陣，同時每個階躍響應(yīng)及時識別控制和輔助變量之一對于操作和控制變量之一(僅僅是一個)單位變化的響應(yīng)。這個單位變化通常是階躍變化，但也可能是其他類型的變化，例如脈沖或斜坡變化。另一方面，如果需要，當施加偽隨機波形給過程50，然后提供這些波形給操作者或用戶所使用的控制器接口13時，生成并安裝高級控制塊38，該控制塊38可以生成階躍響應(yīng)矩陣以響應(yīng)收集到的數(shù)據(jù)。
圖9表示了屏幕顯示，其可以由測試程序提供，以提供給操作者采集到的趨勢數(shù)據(jù)的曲線，該曲線使操作者能夠控制階躍響應(yīng)曲線的產(chǎn)生，及由此產(chǎn)生的高級控制塊中MPC控制器中所應(yīng)用的過程模型或控制矩陣。特別是，曲線區(qū)域101繪制了響應(yīng)于測試波形的多個輸入、輸出或其他數(shù)據(jù)(在前面由操作者指定的)。條形圖區(qū)域102提供了每個趨勢數(shù)據(jù)變量的條形圖，該條形圖說明了每個被追蹤的變量、變量的名稱、按照條形格式表示的變量的當前值、可用的設(shè)定點(由條形圖上的大三角形表示)，及可用的邊界限制(由條形圖上的小三角形表示)。其他的顯示區(qū)域表示出有關(guān)高級控制塊的其他信息，例如目標、塊(104)的實際模式、穩(wěn)定狀態(tài)(106)的配置時間。
在生成高級控制塊的過程模型之前，操作者可以用圖形方式從趨勢圖101中指定所應(yīng)用的數(shù)據(jù)。特別是，操作者可以指定曲線102的起點和終點108和110，作為用來生成階躍響應(yīng)的數(shù)據(jù)。這個區(qū)域的數(shù)據(jù)可以涂以不同顏色的陰影，例如綠色，以可視地表示所選擇的數(shù)據(jù)。類似地，操作者可以指示陰影區(qū)域內(nèi)將排除的區(qū)域(如屬于非典型，噪音的影響或不希望的干擾，等)。在線112和114之間表示該區(qū)域，并被涂上陰影，例如，用紅色表示該數(shù)據(jù)將不包括在階躍響應(yīng)的數(shù)據(jù)中。當然，用戶可以包括或排除任何所需的數(shù)據(jù)，并可以為每個趨勢曲線執(zhí)行這些功能。(圖9表示在這種情況下可用的8個趨勢曲線)，不同的趨勢曲線與，例如，不同的操作變量、控制變量和輔助變量有關(guān)。
為了生成一系列階躍響應(yīng)，操作者可以選擇圖9中所示的屏幕顯示中的生成模型按鈕116，并且生成程序?qū)?yīng)用從趨勢曲線中選擇的數(shù)據(jù)生成一系列階躍響應(yīng)，每一階躍響應(yīng)指定控制或輔助變量中的一個對于操作或干擾變量之一的響應(yīng)。這個生成過程是公知的，將不在此進行進一步詳細的描述。
再參考圖3，在生成階躍響應(yīng)矩陣(或脈沖、斜坡響應(yīng)矩陣等)之后，在控制和輔助變量比操作變量多的情況下，階躍響應(yīng)矩陣(或脈沖、斜坡響應(yīng)矩陣等)用于選擇將在MPC算法中應(yīng)用的控制和輔助變量的子集，作為將在MPC控制器52中取逆并應(yīng)用的M*M過程模型或控制矩陣。該選擇過程可以由操作者人工執(zhí)行或由例如，有權(quán)使用階躍響應(yīng)矩陣的用戶接口13中的程序自動執(zhí)行。一般來說，單個的控制和輔助變量是被認為是與單個操作變量聯(lián)系最近的。因此，單個和唯一(即，不同的)控制或輔助變量(輸入到過程控制器)將與每個不同的操作變量(是過程控制器的輸出)相關(guān)(配對)，所以MPC算法能以M*M組的階躍響應(yīng)組所產(chǎn)生的過程模型為基礎(chǔ)。
在一個實施例中，該實施例在提供配對時使用了啟發(fā)式近似法(heuristic approach)，自動程序或操作器將選擇包括M(在此，M等于操作變量數(shù))個控制和輔助變量的組以試圖選擇出單個的控制或輔助變量并且使這兩個變量配對，所述單個的控制或輔助變量相對于在特定的一個操作變量中的單位變化既有最大的增益又有最快的響應(yīng)時間。當然，在一些情況中，特定的控制或輔助變量對于多個操作變量也可能具有大的增益和快的響應(yīng)時間。此時，控制或輔助變量可以與任何有關(guān)的操作變量配對，并且實際上也可以與沒產(chǎn)生最大增益和最快響應(yīng)時間的操作變量配對，因為總的來說，在可接受的程度范圍內(nèi)，導(dǎo)致較小增益或較慢響應(yīng)時間的操作變量不可能影響任何其他控制或輔助變量。因此，總體來說，選擇一方是操作變量而另一方是控制或輔助變量的配對以使操作變量與控制和輔助變量的子集配對，這些控制和輔助變量的子集對于操作變量來說代表最具有響應(yīng)性的控制變量。
自動程序或操作者也可以試著包括不相關(guān)的、不太相關(guān)的、很少相關(guān)等的控制和輔助變量CV和AV。進一步，如果所有的控制變量都沒被選擇作為M個控制和輔助變量子集中的一個并且因此MPC控制器不接收所有的控制變量作為其輸入，是沒關(guān)系的，這是因為控制和輔助變量目標的組由優(yōu)化器選擇，用以代表過程的操作點，在該點上，沒有被選擇的控制(也沒有被選擇的輔助)變量處在它們的設(shè)定點或在它們提供的操作范圍內(nèi)。
當然，因為一方面可能有成十甚至成百的控制和輔助變量，而另一方面有成十或成百的操作變量，所以至少從一可視觀點來看，選擇出對于每個不同的操作變量都有最優(yōu)響應(yīng)的控制和輔助變量組是很困難的。為了克服該問題，操作器接口13中的高級控制塊生成程序40可以包括或提供對于用戶或操作者來說的屏幕顯示組以幫助或使操作者能夠合適地選出控制和輔助變量，該控制和輔助變量可以用作控制和輔助變量的子集，使其在操作過程中應(yīng)用于MPC控制器52中。
因此，在圖3所示的塊120中，可以為操作者提供屏幕，通過該屏幕操作者能夠觀察到每個控制和輔助變量對一特定的或選擇的操作變量的響應(yīng)。該屏幕示例在圖10中，描述了若干控制和輔助(標記作約束)變量中的每個相對于稱為TOP_DRAW的操作變量的響應(yīng)。操作者可以一次一個的上翻操作變量，并且觀察每個控制和輔助變量對于每個不同的操作變量的階躍響應(yīng)，并在該過程中選擇出一個對于操作變量具有最優(yōu)響應(yīng)性的控制或輔助變量。典型的，操作者將試著選擇相對于操作變量來說具有最高穩(wěn)態(tài)增益和最快響應(yīng)時間組合的控制或操作變量。如圖11所示，通過使用對話塊，可將控制和輔助變量中的一個可以選擇成對于該操作變量來說是有效的。如果需要的話，如圖11所示，該選擇出的控制和輔助變量之一可以用不同的顏色，如紅色高亮度顯示，盡管以前已經(jīng)選擇出了許多(即，對于其它操作變量的已經(jīng)選擇的控制和輔助變量用不同的顏色高亮度顯示，如黃色高亮度顯示)。在該實施例中，在存儲器中自然存儲了以前選擇的控制和輔助變量的控制程序40可以核實以確保操作者不會選擇相同的，且與兩個不同的操作變量相關(guān)的控制或操作變量。如果用戶或操作者選擇了控制或輔助變量，該控制或輔助變量已經(jīng)對另一個操作變量來說是被選擇的，那么程序40可以向用戶或操作者提供錯誤信息通知用戶或操作者該選擇是以前被選擇的控制或輔助變量。通過這種方式，程序40防止了對于兩個或多個不同操作變量選擇出相同的控制或輔助變量。
如圖12所示，操作者或用戶也可以選擇觀察對每個不同的操作變量和干擾變量來說不同的階躍響應(yīng)。圖12示出了TOP_END_POINT對于每個操作和干擾變量的階躍響應(yīng)，對于所產(chǎn)生的高級控制塊來說，這些變量被提前指定。當然，操作者可以使用圖12的屏幕來選擇一個與控制變量TOP_END_POINT相關(guān)的操作變量。
該選擇程序?qū)⒄請D10-12基于圖形顯示進行描寫，其中通過該顯示能夠選擇出最有效的控制或輔助變量。操作者可以附加地或有選擇地以不同的方式，如以表格形式獲得信息以參與完成M*M控制器的配置。用于參與完成M*M控制器配置的顯示屏，和以表格形式提供信息的示例在圖13中顯示。在該示例中，以表格形式提供控制矩陣的可用變量(控制CV、輔助AV、和操作MV)，矩陣配置的條件數(shù)，等等。在顯示屏200的部分204中，列出了還不是控制矩陣配置部分的控制和輔助變量的指示，以及與控制和輔助變量相對于任何過程操作變量來說相關(guān)的響應(yīng)參數(shù)(如，增益，停滯時間(dead time)，優(yōu)先權(quán)，時間常數(shù)，等等)。在部分208中，顯示了MPC控制器當前配置的指示。列212提供了可用操作變量的指示，而列216提供了當前包括在MPC控制矩陣中的輸出變量(如，控制或輔助)的指示。
該示例顯示200顯示了具有MVs TOP_DRAW，SIDE_DRAW和BOT_REFLUX，以及具有包括控制和輔助變量BOT_TEMP，SIDE_END_POINT，TOP_END_POINT的控制器輸入的方形控制器(square controller)。如果用戶通過使用輸入裝置，如鼠標、跟蹤球、觸摸屏等來選擇操作變量之一，那么該選擇的操作變量可以高亮度顯示。例如，在示例顯示屏200中，使顯示操作變量TOP_DRAW高亮度。另外，顯示在部分204中所顯示的并且與可用控制和輔助變量相關(guān)響應(yīng)參數(shù)，該響應(yīng)參數(shù)相應(yīng)于所選擇的操作變量。例如，在示例顯示屏200中，也顯示相應(yīng)于操作變量TOP_DRAW并且與可用控制和輔助變量228相關(guān)的增益220和停滯時間224。
顯示200還包括添加按鈕232a和移動按鈕232b以便在部分204和208之間移動控制或輔助(約束)變量。該圖也示出了各種增益矩陣配置的條件數(shù)。
-過程矩陣完整的N*M過程矩陣，包括沿著第一軸的控制和約束變量以及沿著第二軸的操作變量；-當前配置M*M配置，由操作者當前選擇并且以表格“MPC控制器輸入-輸出配置”顯示；-自動配置M*M配置，由MPC應(yīng)用程序中的選擇程序自動選擇。
顯示200還包括用于回復(fù)到自動確定的配置的按鈕236。因此，如果在改變到自動配置之后，操作者希望回復(fù)到自動配置的話，其可以選擇按鈕236。
使用顯示中的信息，如顯示在顯示器200中的內(nèi)容和過程知識，操作者可以以任何想要的方式建立方形矩陣。
可以理解，圖10-13中的顯示屏可以使操作者設(shè)想并選擇M個控制和輔助變量的子集，以用作MPC控制算法的輸入(圖3中的塊120)，當有大量這些變量時，這點尤其是有用的。而且，在塊120中確定的控制和約束變量組可以基于一些預(yù)先建立的標準或選擇程序自動或電子地選擇出。在一個實施例中，基于某響應(yīng)參數(shù)(如，一個或幾個增益，停滯時間，優(yōu)先權(quán)，時間常數(shù)，等等)的組合，選擇程序可以選擇輸入變量，以便使用這些變量正如從對于控制約束變量和操作變量的階躍響應(yīng)(或脈沖響應(yīng)，斜坡響應(yīng)，等等)中確定的一樣。在另一實施例中，選擇程序可以利用某種形式的對于控制器輸入和輸出值的時間序列分析。例如，在操作和控制或輔助變量之間的交叉相關(guān)可以用來選擇最具有響應(yīng)性(most responsive)的控制或輔助變量作為控制器輸入。另一例，在控制和操作變量之間的交叉相關(guān)可以用來從矩陣中刪除相互成線性(co-linear)(即，相關(guān)的)的控制器輸入。程序也可以包括從模型分析或過程知識產(chǎn)生的任何一組啟發(fā)。
在另一個實施例中，自動選擇過程可以通過基于矩陣的條件數(shù)來選擇輸入/輸出矩陣，如通過減少條件數(shù)到想要的程度，然后通過從控制矩陣產(chǎn)生控制器配置來首先確定控制矩陣。
在該例中，對于過程增益矩陣A來說，矩陣ATA的條件數(shù)可以確定用來測試矩陣的能控性。在動態(tài)控制操作中，越小的條件數(shù)通常意味著更好的能控性，而越高的條件數(shù)意味著較差的能控性和更多的控制步驟或越大的移動。沒有嚴格的標準用來定義能控性的可接受程度，因此，條件數(shù)可以用作各種重要控制矩陣(potential control matrix)的相對比較，也可以用作不良狀況矩陣(ill conditioned matrix)的測試。眾所周知，不良狀況矩陣的條件數(shù)接近無窮大。在數(shù)學(xué)上，不良狀況發(fā)生在相互成線性的過程變量的條件下，也就是說，由于在控制矩陣中的相互成線性的行或列。因此，影響條件數(shù)和能控性的主要因素是矩陣行與列的交叉相關(guān)。控制矩陣中輸入-輸出變量的認真選擇可以減少條件問題。實際上，如果控制矩陣的條件數(shù)是成百的(如，500)或更高，就應(yīng)該多加注意。對于這種矩陣，控制器操作變量的移動可能會過多。
如上所討論的，控制矩陣解決了動態(tài)控制問題，而LP優(yōu)化器解決的是穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題，并且即使MPC控制器塊可以有不相同的MV和CV數(shù)(包括AV數(shù))，但控制矩陣也需要是方形的輸入-輸出矩陣。為了開始選擇控制矩陣的輸入和輸出用來產(chǎn)生控制器，典型地將所有可用的MV包括或選擇為控制器輸出。在選擇輸出(MV)之后，成為動態(tài)控制矩陣一部分的過程輸出變量(即，多個CV和AV)必須以如此一種方式被選擇，該方式能夠產(chǎn)生非不良狀況的方形控制矩陣。
現(xiàn)在將討論在控制矩陣中自動或手動選擇CV和AV作為輸入的方法，可以理解其它方法也可以使用。該實施例通過應(yīng)用稱為MV繞回(wrap around)(或自身被控MV)的技術(shù)，以及自動估算MPC控制器的MV移動因素上的損失(penalty)來進一步增強所得控制器的魯棒性。
步驟1-如果可能，選擇CV直到CV的數(shù)量等于MV的數(shù)量(即，控制器輸出的數(shù)量)。在CV多于MV的情況中，基于任何希望的標準，如優(yōu)先權(quán)、增益或相位響應(yīng)、用戶輸入、相關(guān)分析等，以任意順序地選擇CV。如果CV的可能總數(shù)等于MV的總數(shù)，那么進入步驟4為可接受性去測試由此產(chǎn)生的方形控制矩陣條件數(shù)。如果該CV數(shù)量少于MV的數(shù)量，就如步驟2所述那樣選擇AV。如果沒有定義CV，就選擇相對于MV具有最大增益的AV，并且進入步驟2。
步驟2-一個接一個地進行計算，將用于每個可能AV的條件數(shù)添加到已經(jīng)選擇的由先前選擇的CV和AV所定義的控制矩陣。應(yīng)當理解，由選擇的CV所定義的矩陣將包括用于每個所選擇的CV和AV的行，這就定義了這些CV或AV相對于每個在先前所選擇的MV的穩(wěn)定狀態(tài)增益。
步驟3-選擇在步驟2中確定的AV，其產(chǎn)生了用于由此產(chǎn)生的矩陣的最小條件數(shù)，并增加所選擇的AV來定義該矩陣為先前矩陣。如果現(xiàn)在MV的數(shù)量等于所選擇的CV的數(shù)量加上所選擇的AV的數(shù)量(就是說，如果該矩陣現(xiàn)在是方形)，就進入到步驟4。否則返回到步驟2。
步驟4-計算所產(chǎn)生的方形控制矩陣AC的條件數(shù)。如果需要的話，由于這些不同矩陣的條件數(shù)與其他矩陣的平方根有關(guān)，則可以用計算矩陣AC的條件數(shù)代替計算矩陣ACTAC的條件數(shù)。如果該條件數(shù)是可接受的，跳過步驟5和6進入到步驟7。
步驟5-對每個選擇的MV執(zhí)行繞回程序(wrap-around)，并計算由每個繞回程序產(chǎn)生的矩陣的條件數(shù)。實質(zhì)上，對每個不同的MV而不是刪除的AV(或CV)，通過輪流放置單位響應(yīng)(增益1.0；停滯時間＝0，時間常數(shù)＝0)來執(zhí)行繞回程序。該單位響應(yīng)將在該矩陣行中的一個位置上為1(unity)而其它位置為0。實質(zhì)上，每個特殊的MV代替AV(或CV)用作該情況中的輸入和輸出以形成良好條件的方形控制矩陣。作為一個示例，對于4*4矩陣，組合1000、0100、0010、和0001將被放置在增益矩陣AC中刪除AV的行中。
步驟6-在執(zhí)行用于每個MV的繞回程序之后，選擇產(chǎn)生最小條件數(shù)的組合。如果與在步驟4中獲得的條件數(shù)比較沒有獲得改善，則保持最初矩陣。
步驟7-在這點上，通過選擇與一個特定MV有關(guān)的具有最優(yōu)響應(yīng)(最大增益，最快響應(yīng)時間)的CV或AV，及排除用于控制自身(即，繞回的MV)的MV，而將每個所選CV和所選AV與MV建立聯(lián)系。確信每個MV與唯一的CV(或AV)配對，以防不只一個MV具有高增益及與單一CV(或AV)或用于CV(AV)參數(shù)的相反方向的快速響應(yīng)關(guān)系。該繞回MV與它自身相關(guān)。一旦完成了所有參數(shù)的配對，就完成了該選擇過程。
當然，該程序定義的控制矩陣以及產(chǎn)生的條件數(shù)可以提供給用戶，用戶可以接受或拒絕將該定義的控制矩陣用于產(chǎn)生控制器。
應(yīng)該指出，在上述的自動程序中，為了提高能控性，最多只能選擇一個MV用作控制自身(即，繞回)。在該手動處理程序中，繞回的MV的數(shù)量是任意的。例如，參照圖11，可以取消選定“最有效的”CV和AV。參照圖13，使用刪除按鈕232b能夠刪除CV或AV。在這些例子中，當在控制器配置中相應(yīng)輸出變量選擇的缺乏時，選擇用于控制自身的MV是顯而易見的。例如，圖14示出了圖13的顯示器200，但在此，操作變量TOP_DRAW和SIDE_DRAW不包括相應(yīng)的受控變量CV。因此，操作變量TOP_DRAW和SIDE_DRAW被繞回。可以通過先在顯示器200中選擇BOT_TEMP和TOP_DRAW對，然后選擇刪除按鈕232b，來將圖13所示顯示器200修改成圖14中的那樣。接著，可以選擇顯示器200中的SIDE_END_POINT和SIDE_DRAW對，然后選擇刪除按鈕232b。在圖14的顯示器200中，接著將BOT_TEMP和SIDE_END_POINT變量放在可用變量列228中。另外，圖14說明的當前配置的條件數(shù)不同于自動配置的條件數(shù)。
而且，如果MV的數(shù)量大于CV加AV的數(shù)量之和，那么可以使用更多的MV作為用于控制的繞回。這樣，最后，仍然將方形控制矩陣提供給具有每個MV的控制器作為輸出。可以理解，執(zhí)行和使用繞回的過程意味著為控制矩陣選擇的CV和AV的數(shù)量可以少于控制器控制的MV的數(shù)量，該作為控制矩陣輸入的差是MV繞回的數(shù)量。進一步，該繞回程序可以用在CV和AV的和小于MV的過程中。
當然，上述使用穩(wěn)態(tài)增益能夠計算出條件數(shù)，因此，控制矩陣能從本質(zhì)上定義穩(wěn)態(tài)能控性。過程動態(tài)特性(停滯時間，延遲，等等)和模型的不確定性也對動態(tài)能控性有影響，并且這些影響通過改變過程變量(如，控制和輔助變量)的優(yōu)先權(quán)被考慮，由于它們對動態(tài)控制有影響，所以這些影響可以指示出它們包括在控制矩陣中。
使用其它企圖提高穩(wěn)態(tài)和動態(tài)能控性的啟發(fā)式程序也是可能的。這種程序典型地具有啟發(fā)標準，可能一些還是對立的，該標準應(yīng)用在幾個階段以產(chǎn)生出一個控制矩陣，因此，上述程序選擇出合適的控制器輸入組，該組將對控制矩陣提供改進。在這樣一個啟發(fā)式程序中，基于最高增益關(guān)系，CV和AV將由MV編組。然后，對于每次MV分組，將選擇出具有最快動態(tài)特性和最大增益的一個過程輸出。該選擇過程可以考慮置信區(qū)間并越過AV(其它的相同)優(yōu)先選擇CV。在MPC控制產(chǎn)生期間，該過程模型產(chǎn)生程序?qū)⑹褂脧拿拷M中選擇的參數(shù)。因為對于每個MV僅有一個參數(shù)被選擇，所以響應(yīng)矩陣是方形的并且能被轉(zhuǎn)置。
無論如何，在選擇包括M個(或更少)控制和輔助變量的子集并輸入到MPC控制器之后，在圖3中的塊124從確定的方形控制矩陣中產(chǎn)生用于圖2所示MPC控制算法86中的過程模型或控制器。眾所周知，該控制器產(chǎn)生步驟是一個計算集約程序。用于控制器產(chǎn)生的主要調(diào)諧因素是在控制器操作變量的移動(PM)參數(shù)上的損失。分析表明在計算PM中停滯時間是一主要因素，而過程增益則影響控制器的移動。下面的實驗公式說明了在估計PM因素時的停滯時間和增益，該因素對于達到50％的模型誤差能夠提供穩(wěn)定的和響應(yīng)性的MPC操作PMi=3[1+6DTiP+3GiDTiP]]]>其中DTi是用于MVi_CVj對在MPC掃描中的停滯時間，Gi是用于MVi_CVj對的增益(無單位)，并且配對是在方形控制器配置期間的一個設(shè)置。因此該方形矩陣配對能傳送PM值，該值可以平衡控制器所要求的運行和耐用性之間的矛盾。
之后，在塊126將該MPC過程模型(自然包括控制矩陣)或控制器并且，如果需要的話，該階躍響應(yīng)和穩(wěn)定狀態(tài)階躍響應(yīng)增益矩陣下載給控制塊38，并且該數(shù)據(jù)被結(jié)合到控制塊38中用于操作。此時，控制塊38準備在過程50中在線操作。
如果需要，該過程階躍響應(yīng)可以以一種不是產(chǎn)生這些階躍響應(yīng)的方式被重新配置或被提供。例如，任何階躍響應(yīng)都可以從不同的模型中復(fù)制，并提供到，如圖10-12的屏幕中以指示某一控制或輔助變量對操作或干擾變量的階躍響應(yīng)。圖15示出了一屏幕顯示器，其中用戶可以選擇和復(fù)制某一過程或模型的一個階躍響應(yīng)，之后將同樣的響應(yīng)放置或粘貼到不同的模型中，并且將該階躍響應(yīng)粘貼到新的模型中，由此使用戶能手動指定一階躍響應(yīng)模型。當然，作為該過程的一部分，如上所述用戶可以刪除一個或多個自動產(chǎn)生的階躍響應(yīng)模型。
圖16示出了屏幕顯示，其中用戶可以更詳細地觀察一個階躍響應(yīng)(這里是TOP_END_POINT對TOP_DRAW的階躍響應(yīng))。在顯示器上顯示用于該階躍響應(yīng)的參數(shù)，例如穩(wěn)定狀態(tài)增益，響應(yīng)時間，第一命令時間常數(shù)和均方誤差，以使用戶或操作者容易參考。如果需要的話，該用戶可以通過指定不同的參數(shù)，如不同的增益和時間常數(shù)，來觀察和改變該階躍響應(yīng)的特性。如果用戶指定不同的增益或其它參數(shù)，該階躍響應(yīng)模型可以數(shù)學(xué)地再生以具有該新的參數(shù)或參數(shù)組。當用戶知道該階躍響應(yīng)的參數(shù)并且需要改變該產(chǎn)生的階躍響應(yīng)以匹配或符合這些參數(shù)時，這些操作是有用的。因為利用了增益和動態(tài)響應(yīng)，所以將依次在該方形控制矩陣配對和產(chǎn)生中反映該階躍響應(yīng)模型的變化。
現(xiàn)在參考圖4，說明了當過程50在線操作時，利用圖3的流程圖90a產(chǎn)生的在每個操作周期或高級控制塊38的掃描期間執(zhí)行的總體步驟。在塊150中，該MPC控制器52(圖2)接收并處理該控制與輔助變量CV和AV的測量值。尤其是，該控制預(yù)測過程模型處理該CV、AV和DV測量值或輸入以產(chǎn)生進一步的控制參數(shù)向量，以及預(yù)測的穩(wěn)定狀態(tài)控制和輔助變量CVSS和AVSS。
接著，在塊152，該輸入處理/濾波器塊58(圖2)處理或過濾由MPC控制器52產(chǎn)生的預(yù)測的控制、輔助和操作變量CVSS、AVSS和MVSS，并且提供這些濾波后的值給優(yōu)化器54。在塊154，該優(yōu)化器54執(zhí)行標準LP技術(shù)以確定包括M個操作變量目標MVT的組，該技術(shù)能夠最大化或最小化所選擇的或默認的目標函數(shù)，而不違反任何輔助和操作變量的限制，并保持該控制變量在它們指定的設(shè)定點或在這些變量的指定范圍內(nèi)?？偟膩碚f，該優(yōu)化器54通過將每個控制變量和輔助變量強制在它們的限制范圍內(nèi)來計算目標操作變量結(jié)果MVT。如上所述，在很多情況中，將存在一個結(jié)果，其中每個控制變量都位于它們的設(shè)定點(可以初始被處理為控制變量的上限)，而每個輔助變量仍然維持在它們各自的約束范圍內(nèi)。如果是這種情況，那么該優(yōu)化器54僅僅需要輸出產(chǎn)生用于目標函數(shù)的最優(yōu)結(jié)果的確定的操作變量目標MVT。
然而，在一些情況中，由于一些或所有輔助或操作變量的緊密約束，就不可能找到一個操作點，在該操作點上，所有的控制變量位于它們的設(shè)定點并且所有的輔助變量在它們各自的約束范圍內(nèi)，這是因為這樣的結(jié)果是不存在的。在這些情況下，如上所述，優(yōu)化器54可以允許控制變量在它們的指定設(shè)定點范圍內(nèi)放寬，以便找到一個操作點，在該點，輔助變量在它們各自的限制范圍內(nèi)進行操作。如果在這種情況下得不到結(jié)果，那么該優(yōu)化器可以降低作為限制的一個或多個輔助變量的約束界限使其落入該結(jié)果的范圍中，和/或可以降低控制變量設(shè)定點范圍使其落入該結(jié)果中，而不用確定出忽略了下降的輔助變量約束范圍和/或下降的控制變量設(shè)定點范圍的最優(yōu)過程操作點。在此，優(yōu)化器基于提供給每個控制與輔助變量的各自的加權(quán)來選擇降低哪個輔助或控制變量(例如，具有最小加權(quán)或最高優(yōu)先權(quán)的將最先下降)。該優(yōu)化器54基于提供給它們的加權(quán)或優(yōu)先權(quán)繼續(xù)降低輔助或控制變量，直至找到目標操作變量MVT的結(jié)果，其中為了保留較高優(yōu)先權(quán)控制或輔助變量，控制變量的所有設(shè)定點范圍和輔助變量的限制范圍是相符的。
接著，在塊156中，目標轉(zhuǎn)換塊55(圖2)使用穩(wěn)定狀態(tài)階躍響應(yīng)增益矩陣從用于操作變量MVT的目標值中確定出該控制與輔助變量CVT和AVT的目標值，并且將所選擇的這些值中的所選的N個(其中N等于或小于M)子集提供給MPC控制器52作為目標輸入。在塊158中，MPC控制器52使用控制矩陣或由此衍生的邏輯算法來作為如上所述的無約束MPC控制器操作，以確定這些目標值的進一步CV和AV向量，用將來的控制參數(shù)向量執(zhí)行向量減法以產(chǎn)生將來的誤差向量。以公知的方式操作MPC算法以便基于從M*M階躍響應(yīng)中開發(fā)的過程模型來確定穩(wěn)定狀態(tài)操作變量MVSS，并提供這些MVSS值給輸入處理/過濾塊58(圖2)。在塊160中，該MPC算法還確定向過程50輸出的MV階躍，并以任何合適的方式將這些階躍中的第一個輸出給該過程50。
在操作期間，運行一個或多個監(jiān)控應(yīng)用程序，例如，接口13之一可以從高級控制塊或，其它直接或通過歷史記錄庫(historian)12通訊連接到此的功能塊中預(yù)定信息，并且向用戶或操作者提供一個或多個觀察或診斷屏幕用于觀察該高級控制塊的操作狀態(tài)。功能塊技術(shù)以在控制和輸出功能塊上的級聯(lián)輸入(CAS_IN)和遠程級聯(lián)輸入(RCAS_IN)以及回應(yīng)計算輸出(BKCAL_OUT和RCAS_OUT)為特征。使用這些連接器，在現(xiàn)有控制策略的基礎(chǔ)上，附加一個監(jiān)控優(yōu)化MPC控制策略，并且利用一個或多個觀察屏幕或顯示器來觀察該監(jiān)控控制策略是可行的。同樣，如果需要的話，最優(yōu)MPC控制器的目標也可以在一個策略中修改。
圖17是由一個或多個這種觀察應(yīng)用程序產(chǎn)生的屏幕顯示示例，該觀察應(yīng)用程序說明了提供信息給操作者的一個優(yōu)化器對話框屏幕，該信息是有關(guān)于高級控制模塊在操作期間的操作的。尤其是，分別說明了該過程的輸入(操作變量MV)和輸出(控制與輔助變量CV與AV)。對于這些變量中的每一個，該屏幕顯示器顯示了變量的名稱(描述符)、被測量的當前值、可應(yīng)用的設(shè)定點、由優(yōu)化器計算的目標值、變量變化的單位和單位值以及當前變量值的指示。對于輸出變量，還指示出該變量是否是用于MPC控制器中所選擇的變量之一，是否是由MPC控制器確定的該變量的預(yù)測值，以及是否是該變量的預(yù)置優(yōu)先權(quán)。該屏幕使操作者能夠觀察到高級控制塊的當前操作狀態(tài)，從而觀察高級控制塊的運行控制方式。進一步，用戶可以配置一些用于遠程設(shè)定點性能(capability)的受控參數(shù)，以便外部應(yīng)用程序可以設(shè)置用于處理輸入輸出總和的協(xié)調(diào)(through coordination)的操作目標。
圖18是由描述診斷應(yīng)用程序的診斷應(yīng)用程序產(chǎn)生的屏幕顯示，該診斷屏幕可以提供給用戶或操作者以執(zhí)行對高級控制塊的診斷。尤其是，圖18的診斷屏幕分別描述了控制與約束(輔助)變量、操作變量和擾動變量。對于每個變量來說，提供有該變量的名稱或描述符以及(在第一欄中)表示該變量是否存在錯誤狀態(tài)或報警狀態(tài)的指示?？梢詧D形表示該誤差或警報，利用，例如，綠色檢驗標記或紅色“X”或任何其他所需的方式。這些變量中的每個變量的值和狀態(tài)也被顯示。對于操作變量來說，說明了這些信號的Back_Cal(返回計算或反饋)變量的值和狀態(tài)。應(yīng)當理解，通過提供給操作者必要的信息，該屏幕可以用于對高級控制塊執(zhí)行診斷，以確定控制系統(tǒng)中存在的問題。當然，可以提供給操作者其它類型的屏幕和信息使其能夠觀察高級控制塊和模塊的操作并執(zhí)行對高級控制塊和模塊的診斷。
盡管在此已經(jīng)描述了高級功能塊具有位于相同功能塊中的優(yōu)化器，并因此在如MPC控制器的相同的裝置中執(zhí)行，但是，在一個單獨的裝置中操作該優(yōu)化器也是可能的。尤其是，該優(yōu)化器可以位于不同的設(shè)備中，例如在用戶工作站13之一中，并且在控制器的每個操作或掃描期間如圖2所述與MPC控制器通信連接，以計算并提供給MPC控制器目標操作變量(MVT)或由此確定的控制與輔助變量(CV和AV)的子集。當然，一個特殊接口，例如公知的OPC接口，可以用來提供在控制器和其中具有MPC控制器的功能塊以及工作站或其它實施或執(zhí)行該優(yōu)化器的計算機之間的通信接口。在與圖2有關(guān)的所述具體實施例中，優(yōu)化器和MPC控制器在每個掃描周期內(nèi)必須保持互相通信，以執(zhí)行集成優(yōu)化MPC控制。然而，在這種情況中，可以使用其他期望類型的優(yōu)化器，例如公知的或標準的已在過程控制環(huán)境中存在的實時優(yōu)化器。如果優(yōu)化問題是非線性的并且該結(jié)果要求非線性編程技術(shù)，那么也可以方便地使用該特征(feature)。
盡管已經(jīng)描述了所述的高級控制塊和其他塊以及程序與Fieldbus和標準的4-20ma設(shè)備結(jié)合應(yīng)用，但是當然，他們可以利用任何其他過程控制通信協(xié)議或編程環(huán)境得以實施，并且可以與其它類型的設(shè)備、功能塊或控制器一起應(yīng)用。盡管在此描述的高級控制塊和相關(guān)的產(chǎn)生以及測試程序優(yōu)選地在軟件中執(zhí)行，但他們也可以在硬件、固件等中實現(xiàn)，并且可以由任何其他與過程控制系統(tǒng)有關(guān)的處理器執(zhí)行。因此，如果需要的話，在此描述的程序40可以在標準的多功能CPU或在特殊設(shè)計的硬件或固件，例如ASIC中實現(xiàn)。當在軟件中執(zhí)行時，該軟件可以存儲在任何計算機可讀存儲器中，例如在磁盤、激光影碟、光盤、或其他存儲介質(zhì)中，也可存儲在計算機的RAM或ROM或處理器中，等。同樣，該軟件可以通過任何公知的或理想的傳送方法包括，例如，在計算機可讀磁盤或其他移動式計算機存儲機構(gòu)中，發(fā)送給用戶或發(fā)送給過程控制系統(tǒng)，或者通過通信信道例如電話線、國際互聯(lián)網(wǎng)等得以調(diào)制。(被視為通過移動式存儲介質(zhì)于該軟件相同或可交互提供)。
因此，盡管已經(jīng)參考具體實施例對本發(fā)明進行了描述，所述實施例僅是示例性的而不約束本發(fā)明，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下，可以對公開的實施例進行改變、添加或刪減。
權(quán)利要求
1.一種過程控制配置系統(tǒng)，用于產(chǎn)生或觀察控制塊，該控制塊具有集成優(yōu)化器以及多輸入/多輸出的控制程序，包括計算機可讀介質(zhì)設(shè)定程序，存儲在計算機可讀介質(zhì)中并且適于在處理器上執(zhí)行，該設(shè)定程序包括存儲程序，該程序存儲了關(guān)于多個控制和輔助變量以及關(guān)于多個由優(yōu)化器和多路輸入/多路輸出控制程序中的一個或二者所使用的操作變量的信息，該信息關(guān)于該多個控制和輔助變量以及關(guān)于該多個操作變量，該操作變量包括對于至少一些控制和輔助變量中每個變量的響應(yīng)信息，該響應(yīng)信息表示至少一些控制和輔助變量中的每個對各自操作變量的響應(yīng)；和顯示程序，適于向用戶提供涉及一個或多個控制、輔助和操作變量的顯示，該顯示包括響應(yīng)信息的子集，該響應(yīng)信息的子集包括表示至少一些控制和輔助變量中的每個變量對至少一個操作變量的響應(yīng)的響應(yīng)信息。
2.如權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中設(shè)定程序進一步包括能夠使用戶從所述多個操作變量中選擇一個操作變量的第一程序。
3.如權(quán)利要求2所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中設(shè)定程序進一步包括能夠使用戶將所述操作變量之一與控制和輔助變量之一聯(lián)系起來的第二程序。
4.如權(quán)利要求3所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中設(shè)定程序進一步包括能夠使用戶分離與操作變量之一相關(guān)的控制及輔助變量之一的第三程序。
5.如權(quán)利要求4所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中顯示程序適于顯示多個操作變量的指示，并且對于每個操作變量來說，如果有的話，顯示多個控制和輔助變量中相關(guān)的一個的指示。
6.如權(quán)利要求5所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中顯示程序適于顯示與配置相關(guān)的當前配置條件數(shù)的指示，該配置對應(yīng)于當前相關(guān)的操作變量和控制及輔助變量。
7.如權(quán)利要求6所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中顯示程序適于顯示與自動產(chǎn)生的配置相關(guān)的自動配置條件數(shù)的指示。
8.如權(quán)利要求6所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中顯示程序適于顯示與配置相關(guān)的過程矩陣配置條件數(shù)的指示，該配置對應(yīng)于具有沿著過程矩陣的第一軸的所有多個控制與輔助變量和沿著過程矩陣的第二軸的所有操作變量的過程矩陣。
9.如權(quán)利要求3所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中顯示程序適于顯示多個控制與輔助變量的可用變量的指示，該可用變量將與操作變量相關(guān)。
10.如權(quán)利要求3所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中顯示程序適于顯示用于每個可用變量的響應(yīng)信息的指示，該響應(yīng)信息表示每個可用變量對操作變量之一的響應(yīng)。
11.如權(quán)利要求3所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中對于每個可用變量的響應(yīng)信息至少包括增益的指示、停滯時間的指示、優(yōu)先權(quán)的指示，以及時間常數(shù)的指示之一。
12.如權(quán)利要求11所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中增益的指示包括一數(shù)值。
13.如權(quán)利要求11所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中停滯時間的指示包括一數(shù)值。
14.如權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中用于至少一些控制與輔助變量中的每個變量的響應(yīng)信息至少包括增益的指示、停滯時間的指示、優(yōu)先權(quán)的指示，和時間常數(shù)的指示之一。
15.如權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中用于至少一些控制與輔助變量中的每個變量的響應(yīng)信息包括與階躍響應(yīng)相關(guān)的信息。
16.如權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中用于至少一些控制與輔助變量中的每個變量的響應(yīng)信息包括與脈沖響應(yīng)相關(guān)的信息。
17.如權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中用于至少一些控制與輔助變量中每個變量應(yīng)信息包括與斜坡響應(yīng)相關(guān)的信息。
18.一種用于控制過程的過程控制系統(tǒng)，包括多輸入/多輸出控制器，適于在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期內(nèi)，基于來自該過程的多路測量輸入和基于在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期內(nèi)提供給多輸入/多輸出控制器的一組目標值，產(chǎn)生多路配置的控制輸出以控制該過程；優(yōu)化器，適于產(chǎn)生由多輸入/多輸出控制器在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期內(nèi)應(yīng)用的一組目標值；其中該優(yōu)化器是包括目標函數(shù)的線性或二次編程優(yōu)化器，并且該優(yōu)化器適于最小化或最大化該目標函數(shù)，而保持一組控制變量在預(yù)定設(shè)定點的限制范圍內(nèi)，保持一組輔助變量在一組預(yù)定輔助變量的限制范圍內(nèi)，及保持一組操作變量在一組預(yù)定操作變量的限制范圍內(nèi)，如果不存在結(jié)果，就違反至少一個設(shè)定點的限制范圍。
19.如權(quán)利要求18所述的過程控制系統(tǒng)，其中該優(yōu)化器適于存儲一組對應(yīng)于一組控制變量的優(yōu)先權(quán)，并且其中該優(yōu)化器使用該組中的優(yōu)先權(quán)來確定要違反的至少一個控制設(shè)定點的限制范圍。
20.如權(quán)利要求18所述的過程控制系統(tǒng)，其中如果不存在結(jié)果，該優(yōu)化器就適于違反至少一個設(shè)定點的限制范圍和輔助變量的限制范圍。
21.如權(quán)利要求20所述的過程控制系統(tǒng)，其中該優(yōu)化器適于存儲對應(yīng)于該組控制變量的第一組優(yōu)先權(quán)，以及對應(yīng)于該組輔助變量的第二組優(yōu)先權(quán)，其中該優(yōu)化器應(yīng)用第一組優(yōu)先權(quán)和第二組優(yōu)先權(quán)來確定至少違反控制設(shè)定點的限制范圍和輔助變量的限制范圍之一。
22.一種用于控制過程的過程控制系統(tǒng)，包括響應(yīng)矩陣，定義了一組控制與輔助變量中每個變量對于一組操作變量中每個變量的變化的反應(yīng)，其中在該組控制與輔助變量中的控制與輔助變量的數(shù)量等于第一數(shù)值，在該組操作變量中的操作變量的數(shù)量等于第二數(shù)值；線性或二次優(yōu)化器適于基于該過程控制和輔助變量的一組預(yù)測值及基于該過程操作變量的一組當前值，產(chǎn)生一組目標操作變量值，該目標操作變量值定義了最優(yōu)操作點，其中在該組控制與輔助變量的預(yù)測值中的控制和輔助變量的預(yù)測值的數(shù)量等于第一數(shù)值，其中在該組操作變量的當前值中的操作變量的數(shù)量等于第二數(shù)值；應(yīng)用一組預(yù)測控制與輔助變量，一組預(yù)測操作變量，和響應(yīng)矩陣來產(chǎn)生一組目標值用于一組控制與輔助變量的預(yù)定子集，其中在該組預(yù)測控制與輔助變量中預(yù)測控制和輔助變量的數(shù)量等于第一數(shù)值，在該組控制與輔助變量的預(yù)定子集中的控制與輔助變量的數(shù)量不同于第一數(shù)值；其中線性或二次優(yōu)化器適于產(chǎn)生最大化或最小化目標函數(shù)的該組目標操作變量值，同時保持每個控制變量在預(yù)定設(shè)定點，及保持每個輔助變量和操作變量在預(yù)定的約束范圍內(nèi)；其中該優(yōu)化器適于當保持每個控制變量在預(yù)定設(shè)定點以及每個輔助變量和操作變量在預(yù)定約束范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生用于最大化或最小化目標函數(shù)的該組目標操作變量值，同時保持每個控制變量在預(yù)定設(shè)定點的限制范圍內(nèi)，并保持每個輔助變量和操作變量在約束范圍內(nèi)；其中該優(yōu)化器適于當保持每個控制變量在預(yù)定設(shè)定點的限制范圍內(nèi)以及保持每個輔助變量和操作變量在預(yù)定約束范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生最大化或最小化該目標函數(shù)的該組目標操作變量值，同時基于與控制變量相關(guān)的優(yōu)先權(quán)，保持每個輔助變量在預(yù)定約束范圍內(nèi)、該操作變量在預(yù)定約束范圍內(nèi)，而允許一個或多個控制變量違反預(yù)定設(shè)定點的限制范圍；多輸入/多輸出控制器適于產(chǎn)生該組預(yù)測控制與輔助變量和該組預(yù)測操作變量；以及將用于該組控制與輔助變量的預(yù)定子集的該組目標值和該組控制與輔助變量的預(yù)定子集的測量值結(jié)合，以產(chǎn)生一組操作控制信號來控制該過程的操作變量，其中在該組操作控制信號中的操作控制信號數(shù)量等于第二數(shù)值。
23.如權(quán)利要求22所述的過程控制系統(tǒng)，其中該優(yōu)化器適于當保持每個輔助變量和操作變量在預(yù)定約束范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生最大化或最小化該目標函數(shù)的該組目標操作變量值，同時基于與控制和輔助變量相關(guān)的優(yōu)先權(quán)，保持操作變量在預(yù)定的約束范圍內(nèi)，而允許一個或多個控制變量違反預(yù)定設(shè)定點的限制范圍，以及允許該輔助變量違反預(yù)定約束范圍。
24.如權(quán)利要求22所述的過程控制系統(tǒng)，其中該優(yōu)化器適于當保持每個控制變量在預(yù)定設(shè)定點的限制范圍內(nèi)及保持操作變量在預(yù)定約束范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生最大化或最小化該目標函數(shù)的該組目標操作變量值，同時基于與控制變量和輔助變量相關(guān)的優(yōu)先權(quán)，保持操作變量在預(yù)定約束范圍，而允許一個或多個控制變量違反預(yù)定設(shè)定點的限制范圍以及允許輔助變量違反預(yù)定約束范圍。
25.一種控制過程的方法，該過程具有多個操作變量和多個能夠由操作變量的變化影響的控制和輔助變量，其中多個操作變量在數(shù)量上不同于該多個控制和輔助變量，該方法包括選擇該多個控制和輔助變量的子集用于執(zhí)行過程控制，其中選擇該子集包括選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一；利用所選擇的多個控制和輔助變量的子集和多個操作變量產(chǎn)生控制矩陣；從控制矩陣中產(chǎn)生控制器，該控制矩陣具有作為輸入的多個控制和輔助變量及作為輸出的多個操作變量的所選子集；通過選擇過程操作點來執(zhí)行過程最優(yōu)化，以最小化或最大化依賴于多個操作變量和多個控制及輔助變量的目標函數(shù)，所述過程操作點是由所選擇的的多個控制和輔助變量子集的一組目標值定義的；利用從該控制矩陣產(chǎn)生的控制器執(zhí)行多輸入/多輸出控制技術(shù)，以從用于所選擇的多個控制和輔助變量子集的目標值與所選擇的多個控制和輔助變量子集的測量值中產(chǎn)生一組操作變量值；以及利用產(chǎn)生的該組操作變量值控制該過程。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一的步驟包括至少根據(jù)交叉相關(guān)分析來選擇控制或輔助變量之一。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一的步驟包括至少啟發(fā)性地選擇控制或輔助變量之一。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其中選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一的步驟包括至少根據(jù)與控制和輔助變量相關(guān)的優(yōu)先權(quán)來選擇控制或輔助變量之一。
29.一種控制過程的方法，該過程具有多個操作變量和多個能夠由操作變量的變化影響的控制和輔助變量，其中多個操作變量在數(shù)量上不同于該多個控制和輔助變量，該方法包括選擇該多個控制和輔助變量的子集，用于執(zhí)行過程控制，其中該子集中的控制和輔助變量的數(shù)量少于多個操作變量中的操作變量的數(shù)量；利用所選擇的多個控制和輔助變量的子集和多個操作變量產(chǎn)生控制矩陣；從控制矩陣中產(chǎn)生控制器，該控制矩陣具有作為輸入的多個控制和輔助變量及作為輸出的多個操作變量的所選子集；通過選擇過程操作點來執(zhí)行過程最優(yōu)化，以最小化或最大化依賴于多個操作變量和多個控制及輔助變量目標函數(shù)，所述過程操作點是由所選擇的多個控制和輔助變量子集的一組目標值定義的；利用從該控制矩陣產(chǎn)生的控制器執(zhí)行多輸入/多輸出控制技術(shù)，以從用于所選擇的多個控制和輔助變量子集的目標值與所選擇的多個控制和輔助變量子集的測量值中產(chǎn)生一組操作變量值；以及利用產(chǎn)生的該組操作變量值控制該過程。
30.一種過程控制元件，適于用作在處理器上實施的過程控制程序的一部分，以便利用多個操作參數(shù)控制一過程的多個控制和輔助參數(shù)，該過程控制元件包括計算機可讀介質(zhì)；存儲在計算機可讀介質(zhì)上的、適于在處理器中執(zhí)行的功能塊，用于在每個控制掃描期間實施該過程的多路輸入/多路輸出控制，該功能塊包括目標函數(shù)，該函數(shù)基于多個控制和輔助參數(shù)定義了優(yōu)化標準，其中該目標函數(shù)基于控制和輔助參數(shù)的第一數(shù)值來定義優(yōu)化標準；優(yōu)化器程序，該程序使用該目標函數(shù)在每個控制掃描期間產(chǎn)生一組用于控制和輔助變量的最優(yōu)目標值，其中該優(yōu)化器程序包括線性或二次編程程序；控制矩陣，該矩陣使得多個控制和輔助參數(shù)的預(yù)定子集相關(guān)于多個操作參數(shù)，其中在預(yù)定子集中的控制和輔助參數(shù)的數(shù)量等于第一數(shù)值，其中在多個操作參數(shù)中的操作參數(shù)的數(shù)量等于第一數(shù)值；以及多輸入/多輸出控制程序，該程序在每個控制掃描期間利用控制矩陣和多個控制與輔助變量子集的目標值產(chǎn)生對于多個操作參數(shù)中每個參數(shù)的控制信號，其中確定控制信號以驅(qū)動多個控制和輔助參數(shù)的子集達到該控制和輔助參數(shù)子集的最優(yōu)目標值，其中該多輸入/多輸出控制程序包括模型預(yù)測控制程序。
31.一種過程控制元件，適于用作在處理器上實施的過程控制程序的一部分，以便利用多個操作參數(shù)控制過程的多個控制和輔助參數(shù)，該過程控制元件包括計算機可讀介質(zhì)；存儲在計算機可讀介質(zhì)上的、適于在處理器中執(zhí)行的功能塊，用于在每個控制掃描期間實施該過程的多路輸入/多路輸出控制，該功能塊包括目標函數(shù)，該函數(shù)基于多個控制和輔助參數(shù)定義了優(yōu)化標準；優(yōu)化器程序，該程序使用該目標函數(shù)在每個控制掃描期間產(chǎn)生一組用于控制和輔助變量的最優(yōu)目標值；控制矩陣，該矩陣使得多個控制和輔助參數(shù)的預(yù)定子集相關(guān)于多個操作參數(shù)；以及多輸入/多輸出控制程序，該程序在每個控制掃描期間利用控制矩陣和多個控制與輔助變量子集的目標值產(chǎn)生對于多個操作參數(shù)中每個參數(shù)的控制信號，其中確定控制信號以驅(qū)動多個控制和輔助參數(shù)的子集達到該控制和輔助參數(shù)的子集的最優(yōu)目標值；其中該功能塊包括存儲器，用于存儲一組控制參數(shù)設(shè)定點和一組輔助與操作參數(shù)的限制范圍，并且其中設(shè)定該優(yōu)化器程序以確定操作參數(shù)的該組最優(yōu)目標值，其導(dǎo)致該控制參數(shù)處于控制參數(shù)設(shè)定點，輔助和操作參數(shù)在該輔助和操作參數(shù)的限制范圍內(nèi)，及最小化或最大化該目標函數(shù)；其中該存儲器也存儲一組控制參數(shù)設(shè)定點的限制范圍，并且該優(yōu)化器程序適于當保持該控制參數(shù)在控制參數(shù)設(shè)定點以及輔助和操作參數(shù)在輔助和操作參數(shù)的限制范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生用于最大化或最小化該目標函數(shù)的操作參數(shù)的最優(yōu)目標值組，同時保持每個控制參數(shù)在控制參數(shù)設(shè)定點的限制范圍內(nèi)，及保持每個輔助參數(shù)和操作參數(shù)在輔助和操作參數(shù)的限制范圍內(nèi)；其中該存儲器也存儲一組用于控制參數(shù)的優(yōu)先權(quán)指示，并且該優(yōu)化器程序適于當保持每個控制參數(shù)在控制參數(shù)設(shè)定點的限制范圍內(nèi)以及每個輔助參數(shù)和操作參數(shù)在輔助和操作參數(shù)的限制范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生最大化或最小化該目標函數(shù)的該組目標操作參數(shù)，同時根據(jù)用于控制參數(shù)的優(yōu)先權(quán)指示，保持每個控制參數(shù)在控制參數(shù)設(shè)定點的限制范圍內(nèi)，而允許一個或多個控制參數(shù)違反該控制參數(shù)設(shè)定點的限制范圍；其中該存儲器也存儲了一組用于輔助參數(shù)的優(yōu)先權(quán)指示，并且該優(yōu)化器程序適于當保持每個控制參數(shù)在控制參數(shù)設(shè)定點的限制范圍內(nèi)以及每個輔助參數(shù)和操作參數(shù)在輔助和操作參數(shù)的限制范圍內(nèi)的結(jié)果不存在時，產(chǎn)生最大化或最小化該目標函數(shù)的該組目標操作參數(shù)，而根據(jù)用于輔助參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)先權(quán)指示，允許至少一個輔助參數(shù)違反該輔助參數(shù)的限制范圍。
32.一種執(zhí)行過程控制的方法，該過程具有由操作變量的第二數(shù)值控制的控制和輔助變量的第一數(shù)值，該方法包括確定階躍響應(yīng)矩陣，該矩陣定義了每個控制與輔助變量對于每個操作變量的變化的響應(yīng)；選擇控制與輔助變量的子集，該子集具有與操作變量的數(shù)量相同或少于該數(shù)量的控制與輔助變量，其中選擇該子集包括選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一；從響應(yīng)矩陣內(nèi)部的響應(yīng)中產(chǎn)生方形控制矩陣，該響應(yīng)矩陣用于所選的控制與輔助變量的子集以及操作變量；以及在該過程的每個掃描期間；獲得每個所選的控制與輔助變量的子集的測量值；計算每個所選的控制與輔助變量的子集的最優(yōu)操作目標值；通過應(yīng)用每個所選的控制與輔助變量的子集的目標值，對每個所選的控制與輔助變量的子集的測量值以及該控制矩陣來執(zhí)行多輸入/多輸出控制程序，以產(chǎn)生一組操作參數(shù)信號；以及利用該操作參數(shù)信號來控制該過程。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一的步驟包括至少根據(jù)交叉相關(guān)分析來選擇控制或輔助變量之一。
34.如權(quán)利要求32所述的方法，選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一的步驟包括至少啟發(fā)性的選擇控制或輔助變量之一。
35.如權(quán)利要求32所述的方法，選擇對操作變量之一最具有響應(yīng)性的控制或輔助變量之一的步驟包括至少根據(jù)與控制和輔助變量相關(guān)的優(yōu)先權(quán)來選擇控制或輔助變量之一。
全文摘要
提供一種過程控制配置系統(tǒng)，用于產(chǎn)生或觀察集成優(yōu)化和控制模塊，該模塊執(zhí)行優(yōu)化程序和多輸入/多輸出控制程序。該配置系統(tǒng)可以使用戶顯示或配置優(yōu)化器或該控制程序。存儲程序可以存儲關(guān)于多個控制與輔助變量以及關(guān)于由優(yōu)化程序和/或控制程序使用的多個操作變量的信息。顯示程序可以向用戶提供與該多個控制與輔助變量及該多個操作變量相關(guān)的信息的顯示。
文檔編號G05B13/04GK1514318SQ0316497
公開日2004年7月21日 申請日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者阿希什·梅塔, 威廉·沃杰茨尼斯, 德克·蒂勒, 彼得·沃杰茨尼斯, 馬克·尼克松, 特里·布萊文斯, 羅恩·奧騰巴克爾, 奧騰巴克爾, 尼克松, 布萊文斯, 沃杰茨尼斯, 蒂勒, 阿希什 梅塔 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司