專利名稱：先進過程控制和實時優(yōu)化的基于經濟的協調的制作方法
技術領域：
使用經濟目標函數的制造過程控制。
背景技術：
制造過程的一個目標是把原材料轉變?yōu)槠谕漠a品，其間存在著不斷變化的外部影響，比如氣溫、水溫等，以及需求，比如產品規(guī)格、操作約束以及安全和環(huán)境規(guī)章。使用先進過程控制(APC)和實時優(yōu)化(RTO)的首要動機是在使利潤在存在約束的情況下最大化的區(qū)域中調整系統運行。在當前的實踐中，使用RTO模塊與APC模塊之間的遠程設定點/目標傳遞框架追求這個動機。RTO模塊與APC模塊之間的這個遠程設定點傳遞策略本質上是把主要經濟目標轉化為過程控制目標。例如，在常規(guī)的過程自動化方案中，RTO模塊試圖通過傳達一組過程控制變量(如全部過程控制變量或過程控制變量的子集)的目標來驅動APC模塊到最經濟的運行點。確切地說，RTO模塊一般包含要被控制的過程的經濟和約束的嚴格、非線性穩(wěn)定狀態(tài)模型。當過程處于穩(wěn)定狀態(tài)(即一組已定義變量在變化的規(guī)定容差內的狀態(tài))時，RTO模塊使用這個模型計算經濟上最優(yōu)運行點，并以特定過程控制變量的形式傳達給APC模塊。以比RTO模塊高得多的頻率執(zhí)行的APC模塊試圖動態(tài)地驅動這些過程變量趨向其各自的目標，同時遵守全部約束。APC模塊繼續(xù)驅動這些過程變量趨向其各自的目標，直到從RTO系統收到新的目標。如上所述，在協調RTO模塊與APC模塊之間的操作的常規(guī)方式中，由RTO模塊向APC模塊傳遞的目標表示RTO模塊提取過程、約束和經濟數據時的受約束的最佳經濟效果。這種受約束的最佳經濟效果表示根據操作員、工程師或其他人對過程中多種先進過程控制變量施加的約束的最優(yōu)化。不過，APC模塊不了解無約束的最佳經濟效果，它表示不考慮約束的最優(yōu)化。圖Ia展示了與制造過程有關的過程控制變量TGl和TG2的圖100中無約束最佳經濟效果102和受約束最佳經濟效果104。等值線103中的每個圈都表示RTO模塊所用的經濟目標函數的常數值。等值線105表示離受約束最佳經濟效果104距離最小的APC目標函數，其中距離被度量為變量值與其目標之間差異平方的加權和。例如，TGl可以與石化廠中可能采用的生產過程中某過程流的流速有關，而TG2可以與流的溫度有關。圖100表示的制造過程受控于現有技術的過程控制和優(yōu)化系統，它包括RTO模塊和APC模塊，協同作用以驅動制造過程趨向遵守全部約束的最佳經濟效果。約束106限制了過程控制變量TGl的可行值。RTO模塊堅持約束106，將確定制造過程的受約束最佳經濟效果104，它由TGl和TG2中每一個的特定值組成。例如，在以上介紹的情況下，TGl表示在執(zhí)行制造過程的反應容器的入口處某物質的送料流速，約束106可以由制造過程的操作員設定為每秒十立方米的最大值。因此，根據約束106，RT0模塊將向APC模塊發(fā)送小于或等于每秒十立方米的TGl 的目標以及TG2的目標。例如，RTO模塊可以向APC模塊發(fā)送每秒十立方米的TGl目標以及120攝氏度的TG2目標。這些目標表示受約束最佳經濟效果104，制造過程在此利潤最高同時堅持全部約束(即約束106)。APC模塊又驅動送料流速TGl趨向每秒十立方米而溫度TG2趨向120攝氏度。盡管存在著對制造過程提供更大利潤(如無約束最佳經濟效果102)的TGl和TG2值，但是這些TGl和TG2值不遵守約束106。因此，調整制造過程趨向受約束最佳經濟效果104是理想的同時約束106保持在圖100中同一位置。發(fā)生了使受約束最佳經濟效果104移動的擾動后，RTO模塊對TGl和TG2設定的目標不再是最優(yōu)的。例如，可能發(fā)生改變約束106的擾動，使得對TGl提供了更多的“空間”。例如，操作員可能把約束106改變?yōu)槊棵胧⒎矫?。圖Ib展示了發(fā)生以上介紹的擾動后的圖100。無約束最佳經濟效果102保持在與之前同一位置而根據此擾動已經產生了新的受約束最佳經濟效果108。新的受約束最佳經濟效果108比受約束最佳經濟效果104更接近無約束最佳經濟效果102，因為約束106的變化允許新的受約束最佳經濟效果108利用TGl的更大空間。受制于傳統的設定點過程控制系統，在RTO提交新的受約束最佳經濟效果108對應的新的設定點目標前，APC模塊可能不知曉新的受約束最佳經濟效果108。作為替代，可能發(fā)生改變約束106的擾動，使得對TGl提供了更少的“空間”，使RTO模塊對TGl和TG2設定的目標不再是可行的。例如，操作員可能把約束106改變?yōu)槊棵氚肆⒎矫?。圖Ic展示了發(fā)生以上介紹的擾動后的圖100。無約束最佳經濟效果102保持在與之前同一位置而根據此擾動已經產生了新的受約束最佳經濟效果110。新的受約束最佳經濟效果Iio比受約束最佳經濟效果104離無約束最佳經濟效果102更遠，因為約束106的變化使受約束最優(yōu)化104不可行。受制于傳統的設定點過程控制系統，APC模塊可能根據其非經濟目標函數，試圖找到使離受約束最佳經濟效果104距離最小的可行點。在這個實例中，該點是APC目標112，它與新的受約束最佳經濟效果110不同。不過，由于與APC模塊相比RTO模塊傳統上不頻繁地運行，所以APC模塊將在延長的時間段趨向舊設定點目標(即受約束最佳經濟效果104)驅動，同時它等待新的設定點目標組(即新的受約束最佳經濟效果108)，它或者利用操作的更大空間或者對于約束106的改變引起的可行區(qū)域減小經濟地調整。在約束106改變之時與APC模塊收到新的設定點目標組之時之間可能將損失大量的利潤。所以，根據常規(guī)方式為了協調以上介紹的RTO模塊與APC模塊之間的操作，如上所述，當擾動進入此過程(如周圍溫度變化、操作員限度改變等)時，APC模塊繼續(xù)嘗試把此過程保持在RTO模塊原始設定的目標值。這些擾動可以改變相對于目標的約束，或者通過放松活化的約束或者使這些目標不可行。在第一種情況下，APC模塊不利用可行區(qū)域內額外的“空間”，因為APC模塊不了解由活化的約束放松引起的額外的“空間”。在第二種情況下，APC模塊使用非經濟的準則盡可能接近目標，并可能達到非最優(yōu)的經濟點。無論在哪種情況下，常規(guī)的APC模塊的策略都不尋求優(yōu)化利潤。另外，如上所述，RTO模塊傳統上相對于APC模塊相對不頻繁地運行。一個實例是RTO模塊每小時地運行，與之相比APC模塊每分鐘地運行。因為RTO模塊的不頻繁運行，RTO解滯后于此過程的變化。某擾動進入此過程時與說明了該擾動的、來自RTO模塊的新目標被傳遞到APC模塊之間的時間表示失去的機會。擾動(的幅度和延續(xù)時間)越顯著，從RTO模塊收到更新的目標之間的時間將越可能延長，因為RTO模塊要求此過程處于穩(wěn)定狀態(tài)以、計算新目標?，F在可用于鏈接APC模塊和RTO模塊的技術采用遠程設定點傳遞策略。以這種方式的目標的轉化因為APC模塊沒有關于原始過程經濟的信息而導致經濟信息的損失，并且容易受到過程的擾動或運行約束的改變的影響因此，需要一種系統和方法，使RTO模塊與APC模塊的執(zhí)行協調到更緊密地接近制造過程的最優(yōu)化經濟運行。


本發(fā)明的實施例在附圖中作為實例而不作為限制展示，其中相同的附圖標記指明類似要素。應當注意，對本公開中本發(fā)明的“某”或“一個”實施例的引用不一定對同一實施例，并且它們意味著至少一個。圖Ia是與制造過程有關的過程控制變量TGl和TG2的圖；圖Ib是擾動后與制造過程有關的過程控制變量TGl和TG2的圖；圖Ic是擾動后與制造過程有關的過程控制變量TGl和TG2的圖；圖2展示了根據本發(fā)明實施例的制造過程；圖3是根據本發(fā)明實施例的過程控制和優(yōu)化系統的系統圖；圖4是根據本發(fā)明實施例，控制制造過程的制造過程控制方法的數據流；圖5a是與制造過程有關的過程控制變量Qf和Ta的圖；圖5b是擾動后與制造過程有關的過程控制變量Qf和Ta的圖；圖5c是擾動后與制造過程有關的過程控制變量Qf和Ta的圖。
具體實施例方式現在講解參考附圖的本發(fā)明的幾個實施例。雖然闡述了無數細節(jié)，但是應當理解，沒有這些細節(jié)也可以實踐本發(fā)明的某些實施例。在其他實例中，沒有顯示眾所周知的結構和技術，以便不干擾對本說明的理解。圖2展示了制造過程200。制造過程200使用反應容器202把物質A轉換為物質B。制造過程200包括入口閥204，它以送料濃度CAf、送料流速Qf和送料溫度Tf把包含物質A和B的液體釋放到反應容器202中。反應容器202把物質A轉換為物質B。反應容器202的溫度以具有冷卻劑溫度Ta的冷卻劑來調整。在出口閥206，物質A和B的混合物排出。物質A以濃度Ca、溫度I；和流速Q從出口閥206釋放，而物質B以濃度Cb、溫度I；和流速Q從出口閥206釋放。以下將關于圖3-5討論制造過程200的控制系統和方法。圖3展示了根據一個實施例的過程控制和優(yōu)化系統300。過程控制和優(yōu)化系統300通過使用實時優(yōu)化(RTO)模塊302和先進過程控制(APC)模塊304驅動制造過程200，使得制造過程以經濟上最佳方式運行。RTO模塊302通過構建函數用作制造過程200的操作者，該函數描述制造過程200圍繞當前運行點的經濟面，使得制造過程200可以實現某設定的目標。APC模塊304用作制造過程200的控制器，它從RTO模塊302接收經濟函數并且根據此經濟函數構建路徑或計劃以實現此設定的目標。在一個實施例中，此設定的目標(即經濟目標)是實現制造過程200的經濟目標函數的最優(yōu)化。制造過程200的最佳經濟效果對應于制造過程200的經濟利潤最大化的狀態(tài)。盡管本文使用的最佳經濟效果按照最大化利潤描述，但是作為替代，最佳經濟效果也可以專注于制造過程200的能耗最小化、制造過程200的吞吐量最大化或者具有經濟、安全、環(huán)境或可靠性影響的制造過程200的任何其他方面。
在一個實施例中，經濟函數由非線性穩(wěn)定狀態(tài)經濟目標函數定義，它由RTO模塊302構建。此經濟目標函數模擬制造過程200并且可以由APC模塊304用于控制制造過程200的運行，致力于實現此設定的目標。不過，RTO模塊302不是向APC模塊304傳達此經濟目標函數，而是導出經濟目標函數的局部二次逼近并向APC模塊304傳達該逼近。經濟目標函數的局部二次逼近306概括了經濟目標函數的復雜性，同時仍然按照過程控制變量提供了最佳經濟效果位置的代表性評估。所以，APC模塊304可以按高于RTO模塊302的頻度分析受約束最佳經濟效果的位置，因為局部二次逼近306與經濟目標函數相比被簡化了。在某些實施例中，過程控制變量的完整集合或子集可以是先進過程控制變量。在一個實施例中，RTO模塊302使用序列二次規(guī)劃(SQP)求解程序導出經濟目標函數的局部二次逼近306。SQP求解程序在其求解的每次迭代都構建局部二次逼近。來自求解程序最后一次迭代的局部二次逼近對應于經濟目標函數的局部二次逼近306。在一個實施例中，RTO模塊204和APC模塊206可以運行在能夠計算經濟目標函數的局部二次逼近并根據局部二次逼近來控制制造過程的臺式計算機、便攜式計算機、筆記本計算機、大型計算機上，或者任何其他類似計算平臺上。在一個實施例中，RTO模塊302和APC模塊304可以運行在分開的計算機上并且通過網絡通信，比如廣域網、局域網、蜂窩網、點對點網等。在另一個實施例中，RTO模塊302和APC模塊304每個都運行在同一計算機上并行地工作?，F在將更詳細地介紹根據經濟目標函數的局部二次逼近306控制制造過程200的系統和方法。圖4展示了根據一個實施例，控制制造過程200的制造過程控制方法400。圖4的制造過程控制方法400可以由過程控制和優(yōu)化系統300執(zhí)行，使得制造過程控制方法400由RTO模塊302和APC模塊304雙方部分地執(zhí)行。所以，圖4的制造過程控制方法400指定由RTO模塊302執(zhí)行的操作和由APC模塊304執(zhí)行的操作。隨著在方框402中從用戶處接收過程、約束和經濟數據，制造過程控制方法400開始操作。用戶可以是操作員、機器或人機結合，把過程和經濟數據傳遞到制造過程控制方法400。在一個實施例中，由RTO模塊302通過推拉數據檢索方案接收過程、約束和經濟數據。過程數據包括對應于制造過程200的組件或操作的測量的數字和/或狀態(tài)值。例如，過程數據可以包括流的流速、反應容器中的壓力、流的溫度、熱交換器的運行中狀態(tài)等。約束數據包括過程變量的上下限。經濟數據包括與輸入到制造過程200中的原材料相關聯的經濟值、與制造過程200生產的產品相關聯的經濟值或者與制造過程200中執(zhí)行操作相關聯的經濟值。例如，經濟數據可以包括公用事業(yè)比如電力的價格、原材料的價格等。在一個實施例中，制造過程控制方法400在方框404使用制造過程200的非線性穩(wěn)定狀態(tài)數學模型。確切地說，非線性穩(wěn)定狀態(tài)數學模型可以由RTO模塊302使用。在一個實施例中，通過使用網絡媒介執(zhí)行過程數據、約束數據和經濟數據到數學模型的通信，而在另一個實施例中，通過使用共享內存把過程數據、約束數據和經濟數據傳達到數學模型。非線性穩(wěn)定狀態(tài)數學模型包括建立制造過程200的物理分量之間的關系的一個或多個方程。組成數學模型的方程定義了制造過程200的過程變量之間的關系，包括制造過程200的輸入和輸出。例如，在制造過程200中，過程變量可以包括在入口處A的送料濃度(CAf)、在入口處送料流速(Qf)、在入口處送料溫度(Tf)、冷卻劑溫度(Ta)、在出口處A的濃度(Ca)、反應容器溫度(I；)、在出口處B的濃度(Cb)和在出口處產品流速(Q)。在一個實施例中，過程控制變量是一組過程變量，或者是過程變量的完整集合或者是過程變量的子集，其中過程變量可以是被控變量、控制變量或者被控變量與控制變量的結合。被控變量對應于這樣的變量，其狀態(tài)或數量在改變(受控)時調整或啟動控制變量 的狀態(tài)或數量變化。例如，在制造過程200中，在入口處送料流速(Qf)和冷卻劑溫度(Ta)可以是被控變量，因為這些變量可以由制造過程200的操作員直接調整。另外，在出口處A的濃度(Ca)、反應容器溫度(I；)、在出口處B的濃度(Cb )和在出口處產品流速(Q)可以被視為控制變量，因為以上介紹的被控變量的改變會弓I起這些變量的改變。收到過程數據和經濟數據后，過程控制方法400在方框404按照收到的過程和經濟數據計算經濟目標函數。在一個實施例中，調整數學模型中的參數使模型與過程數據之間的差異最小。之后，按照模型中表示的過程變量和經濟數據來表達經濟目標函數。所以，根據過程和經濟數據與數學模型的結合，導出的經濟目標函數使制造過程組件和操作與當前經濟因素相關。算出的經濟目標函數表示由制造過程控制方法400控制的制造過程200的運行經濟效果。盡管受約束最佳經濟效果可以從經濟目標函數導出，但是典型的制造過程的復雜性要求數學上復雜的經濟目標函數來表示它們。所以，按照時間和處理量，處理經濟目標函數以導出制造過程200的受約束最佳經濟效果成本很高。擾動被定義為輸入到過程控制方法400中的值的任何一個的變化，包括過程數據、經濟數據或約束數據。一般來說，擾動是所發(fā)生的影響制造過程200性能的任何情況。例如，擾動可能與過程的變化相關，它可能緣于自然現象(如外界溫度的變化)或經濟變化(如原材料價格的波動)。作為替代，擾動可能與約束改變相關，它可能緣于例如先前設定約束的改變(如由控制器調整對某變量設置的約束)或向新變量引入限制。隨著某擾動進入制造過程200的環(huán)境，運行制造過程200的最佳經濟效果移位了。所以，制造過程控制方法400針對該擾動使制造過程200的運行移位，使得制造過程200集中在由擾動造成的新的最佳經濟效果上。擾動后果的實例展示在圖la、lb和Ic中，擾動使約束106的位置移動，產生了新的受約束最佳經濟效果108和受約束最佳經濟效果110。為了降低制造過程200的最佳經濟效果的確定成本，過程控制方法400在方框406按照過程控制變量導出經濟目標函數的局部二次逼近306。經濟目標函數的局部二次逼近306概括了經濟目標函數的復雜性，同時仍然提供了制造過程200的當前運行點附近經濟面的代表性評估?；诰植慷伪平?06的降低的復雜性，可以在更短的時間內導出受約束最佳經濟效果的代表性逼近，計算機系統比如APC模塊302的計算機系統上的處理負載也降低了。所以，與使用經濟目標函數相比，通過導出基于經濟目標函數的局部二次逼近306的近似的受約束最佳經濟效果，過程控制和優(yōu)化系統300可以以更高的頻度計算近似的受約束最佳經濟效果。在一個實施例中，通過經濟目標函數的逐次逼近而導出經濟目標函數的局部二次逼近306。在一個實施例中，經濟目標函數的局部二次逼近306由非線性的二階分量和線性的一階分量組成。在這個實施例中，非線性的二階分量可以是海森矩陣而線性的一階分量可以是梯度向量。海森矩陣和梯度向量一起按照過程控制變量的完整集合或子集表示經濟面。在一個實施例中，過程控制變量的子集可以對應于APC模塊中的被控變量。在一個實施例中，經濟目標函數的局部二次逼近306由SimSci-Esscor出品的軟件包RigorousOn-line Modeling with equation-based optimization (ROMeo )中的 opera 求解程序構建，它可以是RTO 模塊302的一部分。在一個實施例中，在求解程序用于優(yōu)化受制于約束數據的經濟目標函數時，導出局部二次逼近。在經濟目標函數的局部二次逼近306被導出后，在過程控制方法400的方框408從RTO模塊302傳送到APC模塊304。在一個實施例中，執(zhí)行經濟目標函數的局部二次逼近306從RTO模塊302到APC模塊304的傳達時通過使用網絡或總線媒介，而在另一個實施例中，通過使用共享內存?zhèn)鬟_經濟目標函數的局部二次逼近306。在一個實施例中，APC模塊304從過程控制和優(yōu)化系統300外部的來源比如制造過程200的操作員來接收與制造過程200的過程控制變量相關聯的約束數據。APC模塊304收到經濟目標函數的局部二次逼近306后，根據受制于對過程控制變量設置的約束的經濟目標函數的局部二次逼近306來控制制造過程200。通過利用經濟目標函數的局部二次逼近306而不是由RTO模塊302設定的設定點目標，APC模塊304便在運行的一切時間知曉制造過程200的經濟運行狀態(tài)變化的影響。通過保持對經濟目標函數等值線的了解，APC模塊304可以適當地把關注點移動到由對制造過程200的擾動造成的新的受約束最佳經濟效果。例如，圖5a展示了制造過程200的變量Qf和Ta的圖500。制造過程200的操作員可以對Qf施加約束502使得Qf不上升到高于每秒十立方米。所以，APC模塊304使用遵守對Qf設置的約束502 (即Qf <每秒十立方米)的經濟目標函數的局部二次逼近306，對Qf和Ta都計算穩(wěn)定狀態(tài)目標。對于制造過程200，使Qf和Ta的穩(wěn)定狀態(tài)目標與受約束最佳經濟效果504相關聯。APC模塊304也知曉無約束最佳經濟效果506周圍的經濟目標函數等值線507。盡管無約束最佳經濟效果506表示與受約束最佳經濟效果504相比對制造過程200提供更高利潤的Qf和Ta的值，但是APC模塊304驅動制造過程200趨向受約束最佳經濟效果504，因為必須遵守約束502。圖5b和5c展示了擾動發(fā)生后Qf對Ta的圖。在圖5b中，擾動改變了約束502，使得例如通過把約束502從Qf <每秒十立方米改變到Qf <每秒十二立方米，對Qf提供了更大的“空間”。在圖5c中，擾動改變了約束502，使得例如通過把約束502從Qf <每秒十立方米改變到Qf <每秒八立方米，對Qf提供了更小的“空間”。無論在哪種情況下，都產生了新的受約束最佳經濟效果508。因此，APC模塊304操縱過程趨向新的受約束最佳經濟效果508，如以下介紹。為了簡便起見，將僅僅討論按照圖5b的擾動操縱過程趨向新的受約束最佳經濟效果508的步驟。不過，類似的步驟可以用于按照圖5c的擾動操縱過程趨向新的受約束最佳經濟效果508。APC模塊304根據經濟目標函數的局部二次逼近306，能夠利用由圖5b的擾動使約束502移動而引起的Qf移動空間增大，并操縱過程趨向更接近無約束最佳經濟效果506的新的受約束最佳經濟效果508。APC模塊移位制造過程200趨向Qf和Ta的新的穩(wěn)定狀態(tài)目標而不是仿佛在傳統的設定點過程控制系統中那樣等待來自RTO模塊302的指引。因此，通過不堅持舊的目標同時等待RTO模塊302提供新的設定點目標，而是根據經濟目標函數的局部二次逼近306，對Qf和Ta導出新的經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)目標，將實現潛在地大量的利潤。以下將介紹APC模塊304面對擾動時把制造過程200的關注點從受約束最佳經濟效果504移位到新的受約束最佳經濟效果508的方法。正如先前對過程控制方法400的討論，在RTO模塊304的每次執(zhí)行時，都向APC模塊306傳達制造經濟目標函數的逼近。方框409基于過程數據和APC模型計算擾動的估計。APC模塊306的方框410在受操縱和受控制變量的空間上并在受制于APC模型、最新的擾動估計和過程約束的情況下優(yōu)化這個近似的經濟目標函數，為APC模塊確定一組經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)目標。在一個實施例中，標準的二次規(guī)劃求解程序比如QPS0L/IP0PT用于優(yōu)化經濟目標函數。在APC模塊306中使用線性動態(tài)模型表示制造過程200的受操縱和受控制變量之間的關系。為了計算受約束最佳經濟效果，使用了線性動態(tài)模型的穩(wěn)定狀態(tài)表達。擾動估計是APC模型的重要元素，并且使用對未測量擾動的狀態(tài)估計器單元和測量的擾動的實時測量結果來獲得。過程約束被表示為最優(yōu)化問題中的不等式約束。在另一個實施例中，在每次執(zhí)行 RTO 模塊 304 時，都向 Yokogawa Electric Corporation 出品的ExaSIIlOC aPC控制器傳達海森矩陣和梯度向量的元素。Exasmocd).控制器在受制于線性過程模型、約束和擾動估計的情況下優(yōu)化這個經濟目標。在每次執(zhí)行APC模塊306時，這個最優(yōu)化問題的解產生穩(wěn)定狀態(tài)目標，APC模塊試圖趨向該目標來操縱過程。在RTO模塊304執(zhí)行的時段，受約束最佳經濟效果504表示制造過程200的穩(wěn)定狀態(tài)，在該穩(wěn)定狀態(tài)經濟利潤最大化同時仍然遵守一切約束(因此是可行的經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài))。在一個實施例中，受約束最佳經濟效果504被表不為一個或多個過程控制變量(它們是制造過程200的一部分)的穩(wěn)定狀態(tài)目標。例如，正如以上討論，受約束最佳經濟效果504可以被表示為入口處送料流速(Qf)和冷卻劑溫度(Ta)的穩(wěn)定狀態(tài)目標。在RTO執(zhí)行之間的階段，可能發(fā)生制造過程200的運行狀態(tài)變化。這些變化的形式可能是約束改變，有可能是對制造過程200的新的過程擾動。在一個實施例中，在APC模塊306的每次執(zhí)行時都計算新的擾動估計。在APC模塊306的每次執(zhí)行時都求解基于經濟目標函數的局部二次逼近306的經濟最優(yōu)化問題以計算在新的過程和/或約束條件下經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)目標。在過程控制方法400的方框412，對過程控制變量確定路徑，使得它們達到在最新約束集合和過程條件下在方框410導出的算出的經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)目標508。在一個實施例中，該路徑包括被控變量移動的預測，使得過程控制變量被調整為達到經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)目標。在另一個實施例中，先產生中間目標，再達到制造過程200的受約束最佳經濟效果508。例如，對于終極目標為每秒i^一立方米的入口處送料流速(Qf)，一組中間目標可以包括每秒兩立方米、每秒四立方米、每秒六立方米、每秒八立方米和每秒十立方米。在達到受約束最佳經濟效果508對應的每秒十一立方米的目標后，該路徑終止。在一個實施例中，算出的路徑可以是到受約束最佳經濟效果508的最快路程。在一個實施例中，等級和/或權重被應用到一個或多個過程控制變量，使得與更高等級或更、高權重的過程控制變量相關聯的目標被過程控制方法400認為比更低等級或更低權重的過程控制變量更重要。所以，高權重的過程控制變量被認為比更低權重的過程控制變量更重要。例如，入口處送料流速(Qf)可以被認為比冷卻劑溫度(Ta)更重要。因此，使Qf與某權重相關聯，使得APC模塊304對待Qf的目標比Ta的目標更緊急。在另一個實施例中，所算出的路徑是根據經濟目標函數的局部二次逼近306到達到經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)的經濟上最佳的軌跡。在一個實施例中，所算出的路徑是一種預測。在每次執(zhí)行APC模塊306時，對此過程僅僅應用在產生路徑中每個被控變量的第一次移動以達到經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)508。在下一個APC執(zhí)行周期，產生新的預測并且再次僅僅應用每個被控變量的第一次移動。在一個實施例中，在每次執(zhí)行過程控制模塊時，使用卡爾曼濾波器估計系統狀態(tài)和未測量的擾動，在卡爾曼濾波器中用輸入和/或輸出擾動模型增強線性動態(tài)模型。在計 算經濟上最佳的穩(wěn)定狀態(tài)目標的同時，使用對受操縱和受控制變量的當前限度。在過程控制方法400開始后，用戶可以預設過程控制方法400執(zhí)行的頻度。例如，APC模塊304可以每分鐘執(zhí)行，正如所介紹。之后，過程控制方法400繼續(xù)運行，正如先前介紹，趨向新的受約束最佳經濟效果508來調整此過程。確切地說，操縱與制造過程相關聯的過程控制變量穿過趨向新的受約束最佳經濟效果508的路徑。因此，過程控制方法400按照需要繼續(xù)說明擾動并調整新的受約束最佳經濟效果508。如果制造過程200處于穩(wěn)定狀態(tài)，正如在方框418所判斷，過程控制方法400便回返到方框402，使得根據制造過程200的當前狀態(tài)導出經濟目標函數的新的局部二次逼近。在一個實施例中，根據當前檢測的值，新鮮的過程數據和經濟數據被讀入過程控制方法400。如上所述，經濟目標函數的新的局部二次逼近由RTO模塊302計算并傳送給APC模塊304。經濟目標函數的這個新的局部二次逼近考慮了自從上次導出局部二次逼近后經濟數據中或者過程裝備狀態(tài)中的變化。它還考慮了改變運行點引起的非線性經濟目標函數的形狀變化，這些變化沒有在經濟目標函數的局部二次逼近中捕獲。過程控制方法400根據經濟目標函數的這個新導出的局部二次逼近，把控制變量引導到新的受約束最佳經濟效果。因此，過程控制方法400按照需要繼續(xù)監(jiān)視擾動并調整過程控制變量的目標。總之，已經介紹了通過使用從RTO模塊向APC模塊傳遞的經濟目標函數的局部二次逼近，把制造過程驅動到受約束最佳經濟效果的系統和方法的多個方面。正如以上的講解，本發(fā)明的實施例可以是機器可讀的介質，比如其中已經存儲了指令的一片或多片固態(tài)存儲器器件，它們設置一個或多個數據處理組件(這里一般地稱為“處理器”)來執(zhí)行以上介紹的操作。在其他實施例中，這些操作的某些可能由包含硬連線邏輯的特定硬件組件執(zhí)行。作為替代，這些操作也可能由編程的數據處理組件和固定硬件電路組件的任何結合執(zhí)行。雖然在附圖中已經介紹和顯示了某些實施例，但是應當理解，這樣的實施例僅僅是寬泛發(fā)明的展示而不是限制，并且本發(fā)明不限于顯示和介紹的特定構造和布局，因為本領域的普通技術人員可以想象多種其他修改。
權利要求
1.一種用于協調過程的先進過程控制和實時優(yōu)化的方法，包括 接收對應于要被控制的過程的過程數據和經濟數據； 基于所述過程數據、所述經濟數據和所述過程的非線性穩(wěn)定狀態(tài)模型由實時優(yōu)化模塊計算經濟目標函數； 按照與所述過程相關聯的一組過 程控制變量由所述實時優(yōu)化模塊導出所述經濟目標函數的非線性逼近； 將所述非線性逼近傳送到先進過程控制模塊；以及 由所述先進過程控制模塊根據所述非線性逼近并在約束內控制所述過程以驅動所述過程趨向所述經濟目標。
2.根據權利要求I的方法，其中，基于所述非線性逼近控制所述過程包括 在所述先進過程控制模塊中利用所述非線性逼近來計算過程控制變量的穩(wěn)定狀態(tài)目標，其中，所述穩(wěn)定狀態(tài)目標相對于所述約束內的經濟目標來計算。
3.根據權利要求2的方法，其中，基于所述非線性逼近控制所述過程進一步包括 在所述先進過程控制模塊中利用所述非線性逼近來計算動態(tài)地達到所述穩(wěn)定狀態(tài)目標的路徑。
4.根據權利要求1-3中的一個或多個權利要求的方法，其中，基于所述非線性逼近控制所述過程進一步包括 在所述先進過程控制模塊中利用所述非線性逼近來計算相對于所述約束內的經濟目標的動態(tài)路徑。
5.根據權利要求1-4中的一個或多個權利要求的方法，其中，由所述實時優(yōu)化模塊執(zhí)行的所述經濟目標函數的計算和所述經濟目標函數的非線性逼近的導出，以低于所述先進過程控制模塊基于所述非線性逼近控制所述過程的頻度來執(zhí)行。
6.根據權利要求1-5中的一個或多個權利要求的方法，其中，所述經濟目標函數的計算、所述經濟目標函數的非線性逼近的導出和所述非線性逼近的傳送在所述過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時啟動。
7.根據權利要求1-6中的一個或多個權利要求的方法，其中，由所述先進過程控制模塊執(zhí)行的根據所述非線性逼近并在約束內控制所述過程以驅動所述過程趨向所述經濟目標的步驟，與所述過程處于穩(wěn)定狀態(tài)無關地執(zhí)行。
8.根據權利要求1-7中的一個或多個權利要求的方法，其中，所述非線性逼近由按照所述過程的過程控制變量組表示經濟面的海森矩陣和梯度向量組成。
9.根據權利要求1-8中的一個或多個權利要求的方法，其中，所述經濟目標函數的非線性逼近是所述經濟目標函數的局部二次逼近。
10.一種用于協調過程的先進過程控制和實時優(yōu)化的系統，包括 實時優(yōu)化(RTO)模塊，用于基于過程數據、經濟數據和所述過程的非線性穩(wěn)定狀態(tài)模型計算經濟目標函數以及按照所述過程的一組過程控制變量導出所述經濟目標函數的非線性逼近；以及 先進過程控制(APC)模塊，用于根據所述非線性逼近并在約束內控制所述過程以驅動所述過程趨向所述經濟目標。
11.根據權利要求10的系統，其中，由APC模塊基于所述非線性逼近控制所述過程包括 利用所述非線性逼近來計算過程控制變量之一的穩(wěn)定狀態(tài)目標，其中，所述穩(wěn)定狀態(tài)目標相對于所述約束內的經濟目標來計算。
12.根據權利要求11的系統，其中，由APC模塊基于所述非線性逼近控制所述過程進一步包括 利用所述非線性逼近來計算動態(tài)地達到所述穩(wěn)定狀態(tài)目標的路徑。
13.根據權利要求10-12中的一個或多個權利要求的系統，其中，由APC模塊基于所述非線性逼近控制所述過程進一步包括 響應于所述過程的變化或過程上約束的約束變化，基于所述非線性逼近再次計算所述過程控制變量的所述穩(wěn)定狀態(tài)目標； 基于以所述非線性逼近再次計算的所述穩(wěn)定狀態(tài)目標再次計算所述路徑。
14.根據權利要求10-13中的一個或多個權利要求的系統,其中,所述RTO模塊以低于APC模塊的頻度運行。
15.根據權利要求10-14中的一個或多個權利要求的系統，其中，所述RTO模塊在所述過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時運行。
16.一種包括機器可讀的介質的制品，在機器可讀的介質上存儲有指令，在由計算機系統執(zhí)行所述指令時 接收對應于要被控制的過程的過程數據和經濟數據； 基于所述過程數據、所述經濟數據和所述過程的非線性穩(wěn)定狀態(tài)模型由實時優(yōu)化模塊計算經濟目標函數； 按照與所述過程相關聯的一組過程控制變量由所述實時優(yōu)化模塊導出所述經濟目標函數的非線性逼近； 將所述非線性逼近傳送到先進過程控制模塊；以及 由所述先進過程控制模塊根據所述非線性逼近并在約束內控制所述過程以驅動所述過程趨向所述經濟目標。
17.根據權利要求16的制品，其中，所述機器可讀的介質具有指令，使所述計算機系統 在所述先進過程控制模塊中利用所述非線性逼近來計算過程控制變量的穩(wěn)定狀態(tài)目標，其中，所述穩(wěn)定狀態(tài)目標相對于所述約束內的經濟目標來計算。
18.根據權利要求17的制品，其中，所述機器可讀的介質具有指令，使所述計算機系統 在所述先進過程控制模塊中利用所述非線性逼近來計算動態(tài)地達到所述穩(wěn)定狀態(tài)目標的路徑。
19.根據權利要求18的制品，其中，所述機器可讀的介質具有指令，使所述計算機系統 響應于所述過程的變化或對所述過程的約束變化，基于所述非線性逼近再次計算所述過程控制變量的所述穩(wěn)定狀態(tài)目標； 基于以所述非線性逼近再次計算的所述穩(wěn)定狀態(tài)目標再次計算所述路徑。
20.根據權利要求16-19中的一個或多個權利要求的制品，其中，所述經濟目標函數的非線性逼近是所述經濟目標函數的局部二次逼近 。
全文摘要
提供了一種用于協調制造過程的先進過程控制和實時優(yōu)化的系統和方法。所述系統和方法接收對應于要被控制和優(yōu)化的制造過程的過程數據和經濟數據?；谒鲞^程數據、所述經濟數據和所述過程的非線性穩(wěn)定狀態(tài)模型，由實時優(yōu)化模塊計算經濟目標函數。隨后由所述實時優(yōu)化模塊計算所述經濟目標函數的降階的非線性逼近并傳送到先進過程控制模塊。所述先進過程控制模塊采用所述經濟目標函數的降階的非線性逼近來控制所述制造過程趨向受約束最佳經濟效果。
文檔編號G05B13/02GK102640065SQ201080054507
公開日2012年8月15日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2009年12月2日
發(fā)明者P·C·M·卡瑞特爾 申請人:國際殼牌研究有限公司