專利名稱：過程控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于礦業(yè)的工業(yè)過程控制系統(tǒng)的先進(jìn)建模技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分中所述的過程控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
最優(yōu)控制(OC)和模型預(yù)測(cè)控制(MPC)是現(xiàn)代控制技術(shù)中的重要工具。它們使包括過程控制、監(jiān)控、計(jì)劃、安排和最優(yōu)化等內(nèi)容在內(nèi)的所有程序都成為可能。它們的應(yīng)用是基于一種數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)，例如公式dx/dt＝f(t，x，u) (1)0＝h(t，x，u)，和一個(gè)最優(yōu)化函數(shù)J[x(0)，u(·)]＝∫f0(τ，x(τ)，u(τ))dτ (2)其中x是系統(tǒng)狀態(tài)，u是受控變量。
參見圖1，OC和MPC是通過使關(guān)于u(·)的函數(shù)J(2)最小化來實(shí)現(xiàn)的，而u(·)又受到了方程(1)的限制。當(dāng)針對(duì)復(fù)雜過程和性能測(cè)量，并且用“恰好”的直覺幾乎不可能找到最優(yōu)策略時(shí)，基于OC/MPC的控制器是有用的。
另一方面，基于專家系統(tǒng)(ES)的過程控制屬于另外一種構(gòu)思。這種控制不需要明確建立公式(1)那樣的數(shù)學(xué)模型，而是建立一種規(guī)則系統(tǒng)，如果這種規(guī)則能夠被準(zhǔn)確遵循，那么將可以使過程變量保持在確定的范圍內(nèi)，或者接近預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值。這些規(guī)則來源于最好的操作實(shí)踐或者換句話說就是，操作者的經(jīng)驗(yàn)。這種專家系統(tǒng)的一個(gè)成功例子就是在WORLD CEMENT，2002年1月，卷33，Nr.1的“ExpertlyControlled(專家控制)”中描述的ABB的鍋爐控制專家最優(yōu)化器。
在對(duì)于怎樣使過程保持在確定的范圍內(nèi)或接近確定的目標(biāo)可以得到操作者的經(jīng)驗(yàn)的情況下，ES是有效的。圖2示出了這種情況測(cè)量值y和過程目標(biāo)U被饋送給專家系統(tǒng)ES。然后，ES遵循它的規(guī)則系統(tǒng)并且控制受控變量C以使過程盡可能地接近目標(biāo)U。應(yīng)當(dāng)注意，到目前為止性能標(biāo)準(zhǔn)J并沒有對(duì)設(shè)備被操作的方式發(fā)揮直接的作用。
這兩種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。OC和MPC既依賴于一個(gè)好的過程模型，又依賴于最優(yōu)化器(即用于找到J[x(0)，u(·)]的argmin的算法)的性能(速度)和可靠性。專家系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)與用系統(tǒng)方法使復(fù)雜過程的性能最大化的難度有關(guān)。
OC、MPC和ES算法都通過計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)，在這些程序中，給定過程的測(cè)量值通過反饋用一種自動(dòng)的方式來驅(qū)動(dòng)過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是建立一種用于操作工業(yè)設(shè)備的改進(jìn)的過程控制系統(tǒng)。
這些目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)使用數(shù)學(xué)模型技術(shù)來選擇ES的目標(biāo)U。U是通過使性能標(biāo)準(zhǔn)J最小化來選擇的。數(shù)學(xué)模型的受控變量是ES的目標(biāo)U，而輸入是測(cè)量值y和性能標(biāo)準(zhǔn)J。數(shù)學(xué)模型使用OC和/或MPC技術(shù)來計(jì)算U。
與具有標(biāo)準(zhǔn)OC/MPC應(yīng)用的過程控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)允許OC/MPC應(yīng)用的最優(yōu)化器在較低的采樣率下運(yùn)行。
本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)改進(jìn)工業(yè)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性能。


在下文中將參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的主題，其中圖1表示一種最優(yōu)控制/模型預(yù)測(cè)控制的配置，圖2表示一種專家系統(tǒng)的配置，和圖3表示本發(fā)明的配置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)使用OC和/或MPC技術(shù)來選擇ES的目標(biāo)U。ES的目標(biāo)U是通過使性能標(biāo)準(zhǔn)J最小化來選擇的。換句話說就是，建立了一種由過程P和ES給定的擴(kuò)展系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。就其中既存在連續(xù)動(dòng)態(tài)特性(主要是過程)又存在邏輯關(guān)系(主要是ES)來說，這一數(shù)學(xué)模型具有混合特性。數(shù)學(xué)模型的受控變量是ES的目標(biāo)U，而輸入是測(cè)量值y和性能標(biāo)準(zhǔn)J?，F(xiàn)在，參見圖3，OC和/或MPC技術(shù)被用來計(jì)算U。
本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)的其中一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)可以由下面的事實(shí)反映出來在標(biāo)準(zhǔn)的OC/MPC應(yīng)用中，最優(yōu)化器需要實(shí)時(shí)地選擇控制器值C。這種情況給系統(tǒng)帶來了很大的壓力并且對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。隨著本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)的建立，最優(yōu)化器僅選擇ES的目標(biāo)U的值。與選擇C相比，這一操作具有更低的采樣率，這就使OC/MPC控制器的設(shè)計(jì)更加容易或者更加切實(shí)可行。此外，構(gòu)造相關(guān)的數(shù)學(xué)模型也更加容易，因?yàn)樗锌赡芎雎躁P(guān)于快速時(shí)間常數(shù)的現(xiàn)象。
優(yōu)選地使用混合邏輯動(dòng)態(tài)(MLD)系統(tǒng)方法(參見Bemporad A.和M.Morari的“Control of systems integrating logic，dynamics，and constraints(結(jié)合邏輯、動(dòng)力學(xué)和約束來控制系統(tǒng))”Automatica，Special issue on hybrid systems，1999年，卷35，n.3，407-427頁)來建立擴(kuò)展系統(tǒng)“Plant+ES”的模型。但是，很明顯這些數(shù)學(xué)模型能夠使用基本原理方法學(xué)、黑箱技術(shù)或它們的任意組合來構(gòu)造。
這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是使升級(jí)經(jīng)典(傳統(tǒng))ES控制方案變得容易。事實(shí)上，使用這一級(jí)別的控制器，ES控制性能可以被影響和改變以滿足不同的性能標(biāo)準(zhǔn)，從而延長“舊”系統(tǒng)的使用壽命。
在本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)的另一個(gè)應(yīng)用實(shí)施例中，上述方案的多個(gè)層都可以被放置在適當(dāng)位置以便最優(yōu)化過程控制。在該情況下，一個(gè)ES受到一個(gè)基于OC/MPC的控制器的監(jiān)督，而這一控制器又受到另一個(gè)ES的監(jiān)督，等等。這種結(jié)構(gòu)可以為每個(gè)特定的任務(wù)提供對(duì)每種方法的優(yōu)點(diǎn)的最優(yōu)化利用。
為了進(jìn)一步說明，現(xiàn)在通過一個(gè)水泥窯爐的實(shí)際例子來描述本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)。
通常窯爐控制專家系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)就是燃燒區(qū)域的溫度(BZT)。有規(guī)則會(huì)指示ES如何使系統(tǒng)接近這個(gè)固定的目標(biāo)。另一方面，OC/MPC控制器已經(jīng)被設(shè)計(jì)用來監(jiān)督熔渣的化學(xué)性質(zhì)。
現(xiàn)在，考慮這樣一種情況，其中數(shù)學(xué)模型檢測(cè)到相對(duì)較冷的供給將要到達(dá)燃燒區(qū)域的情況，該情況具有低BZT值的很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，用來監(jiān)控溫度對(duì)熔渣質(zhì)量的影響的OC/MPC控制器，很可能會(huì)在這種情況發(fā)生之前的幾個(gè)采樣時(shí)間改變BZT的目標(biāo)使其達(dá)到一個(gè)更高值。因此，最優(yōu)的過程溫度將不會(huì)受到影響。
在另一個(gè)例子中，一種OC/MPC控制器降低原料供給速率的目標(biāo)以便滿足某種發(fā)射率的限制，或者在一些特殊的情況下，用來增加某種低質(zhì)量(熱值)的替代燃料的使用。
ES系統(tǒng)更加關(guān)注過程的穩(wěn)定性，而OC/MPC系統(tǒng)在某種意義上更加關(guān)心“最優(yōu)性”，例如他們使過程達(dá)到它們的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)點(diǎn)。因此，在本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)中，性能標(biāo)準(zhǔn)J優(yōu)選地涉及某種經(jīng)濟(jì)性能測(cè)量。
本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)也可以應(yīng)用在垃圾焚燒設(shè)備的控制中。
權(quán)利要求
1.過程控制系統(tǒng)，包括專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)在過程的操作區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)過程操作者的動(dòng)作進(jìn)行建模，表示一組動(dòng)作的規(guī)則，這些動(dòng)作是一旦在過程的操作中出現(xiàn)預(yù)定情況時(shí)，操作者為了滿足給定的過程目標(biāo)而采取的動(dòng)作，和在其中一個(gè)預(yù)定的情況存在時(shí)，采取動(dòng)作以便通過改變一個(gè)或多個(gè)根據(jù)所述規(guī)則組控制過程的過程控制變量來控制過程的操作；和模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以被用來接收表示過程的測(cè)量變量的輸入，和根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的輸出來預(yù)測(cè)控制過程的受控變量的預(yù)測(cè)控制值；其特征在于模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)和專家系統(tǒng)是串聯(lián)連接的，使得模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制值作為專家系統(tǒng)的過程目標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于控制專家系統(tǒng)的過程目標(biāo)的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)受到另一個(gè)專家系統(tǒng)的監(jiān)督。
3.如權(quán)利要求2所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于多層的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)和專家系統(tǒng)是串聯(lián)連接的。
全文摘要
本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)使用最優(yōu)控制(OC)和模型預(yù)測(cè)控制(MPC)技術(shù)來選擇專家系統(tǒng)(ES)的目標(biāo)U。ES的目標(biāo)U是通過使性能標(biāo)準(zhǔn)J最小化來選擇的。換句話說就是，建立了一種由過程P和ES給定的擴(kuò)展系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。就其中既存在連續(xù)動(dòng)態(tài)特性(主要是過程)又存在邏輯關(guān)系(主要是ES)來說，這一數(shù)學(xué)模型具有混合特性。數(shù)學(xué)模型的受控變量是ES的目標(biāo)U，而輸入是測(cè)量值y和性能標(biāo)準(zhǔn)J。OC和/或MPC技術(shù)被用來計(jì)算U。OC/MPC的最優(yōu)化器僅選擇ES的目標(biāo)U的值。與選擇C相比，這一操作具有更低的采樣率，這就使OC/MPC控制器的設(shè)計(jì)更加容易。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1637669SQ200510003619
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者E·A·加勒斯泰, A·斯托特爾特 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司