用于在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中預測終結并且改進過程控制的裝置和方法
【專利摘要】一種方法包括標識用來實現(xiàn)操縱變量的輸出(OP)值所位于的范圍中的多個區(qū)(302-306b)中的一個。所述操縱變量與工業(yè)過程(111a-111b)相關聯(lián)，并且所述OP值表示下游控制器(104)的輸出。所述方法還包括基于所述OP值位于在其中的所述區(qū)為所述操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制。例如，當所述OP值位于一個區(qū)中時，所述可達到的MV限制能夠和用戶指定的限制匹配或者是基于所述OP值與過程變量的值之間的增益的。當所述OP值位于另一區(qū)中時，所述可達到的MV限制能夠隨著間隙而跟蹤所述過程變量的值。
【專利說明】用于在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中預測終結并且改進過程控制的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本公開一般地涉及工業(yè)過程控制系統(tǒng)。更具體地，本公開涉及一種用于在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中預測終結并且改進過程控制的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]處理設施常常使用過程控制系統(tǒng)來管理。示例處理設施包括制造廠、化工廠、原油精煉廠、礦石加工廠、發(fā)電廠以及紙或紙漿制造和加工廠。在其他操作中，過程控制系統(tǒng)典型地管理處理設施中的電動機、閥門以及其他工業(yè)設備的使用。在常規(guī)過程控制系統(tǒng)中，控制器常常被用來控制處理設施中的工業(yè)設備的操作?？刂破骼缒軌虮O(jiān)控工業(yè)設備的操作，將控制信號提供給工業(yè)設備，并且當檢測到故障時生成警報。
[0003]在使用模型預測控制(MPC)技術的控制器中，至少一個操縱變量(MV)被用來使至少一個受控變量(CV)保持在設定點(MPC.SP)或在設定點附近或在上限與下限(MPC.限制)之間。例如，MPC控制器能夠接收反應器內部的溫度的測量結果(受控變量)并且試圖通過改變給反應器的夾套的冷卻水流(操縱變量)來使溫度保持在設定點或在設定點附近。冷卻水流能夠被下游比例-積分-微分或“PID”控制器控制，所述比例-積分-微分或“PID”控制器能夠接收來自上游MPC控制器的設定點(SP)命令和通過管道的冷卻水流速的過程變量(PV)測量結果并且試圖通過改變閥門的開度(OP)使流速保持在所命令的設定點。MPC控制器還能夠調整其操縱變量以實現(xiàn)改進的或最大經(jīng)濟效益。然而，不能夠無限地改變操縱變量。操縱變量能夠被改變的最大數(shù)量受過程及其設備的物理限制或者受下游控制器的操作限制所限制。在本文檔中，實際物理限制(APL)被定義為無論是由過程、過程設備還是下游控制器所強加于的所有限制之中的最具限制性的限制。
[0004]用戶常常被要求為每個操縱變量指定上和下操作限制。這些限制定義其中操縱變量能夠被控制器改變或者“移動”的容許范圍。然而，因為實際物理限制隨著時間的推移(諸如由于過程擾動或改變或者由于下游控制器配置改變)而變化，所以用戶指定的限制能夠逐漸變得陳舊或過時。MPC控制器可以總是假定在為該變量確定優(yōu)化解時用戶指定的限制是可達到的，并且還能夠在該假設情況下計算其他操縱變量的優(yōu)化解。MPC控制器可以因此一致地將下游控制推向看上去可達到的限制直到下游控制器命中實際物理限制并且進入終結狀態(tài)為止。物理限制或終結限制能夠比用戶指定的限制更接近于操縱變量的當前值。
[0005]當這個發(fā)生時，MPC控制器停止使用用戶指定的限制并且開始使用實際物理限制。這常常使(一個或多個)優(yōu)化解因已終結操縱變量和所有相關的操縱變量而跳躍。下游控制器還能夠重復地進入和退出終結，這能夠引起許多復雜化。在較長的時間段期間，例如，優(yōu)化解可以來回跳躍，因為被實際上用于優(yōu)化的限制來回切換，并且隨著一個或多個下游控制器(以及因此它們關聯(lián)的操縱變量)重復地進出終結用戶可以觀測到不定的之字形移動。并且，隨著下游控制器接近終結或者操作接近于終結狀態(tài)，其過程變量(在本文檔中常常被表示為PV)可以游離所期望的設定點，從而在預測操縱或擾動變量對受控變量的影響時和在確定如何配置操縱變量時造成困難。此外，因為常常不易于預測下游控制器(以及因此它關聯(lián)的操縱變量)進入終結所在的實際物理限制，所以常常采用各種臨時解決方案，這能夠產(chǎn)生混合且不一致的結果。

【發(fā)明內容】

[0006]本公開提供了用于在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中預測終結并且改進過程控制的裝置和方法。
[0007]在第一實施例中，方法包括標識用來實現(xiàn)操縱變量的輸出(OP)值所位于的范圍中的多個區(qū)中的一個。操縱變量與工業(yè)過程相關聯(lián)，并且OP值表示下游控制器的輸出。所述方法還包括基于OP值位于其中的區(qū)為操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制。
[0008]在第二實施例中，裝置包括至少一個處理單元，所述至少一個處理單元被配置成標識用來實現(xiàn)操縱變量的輸出(OP)值所位于的范圍中的多個區(qū)中的一個。操縱變量與工業(yè)過程相關聯(lián)，并且OP值表示下游控制器的輸出。所述至少一個處理單元還被配置成基于OP值位于其中的區(qū)為操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制。
[0009]在第三實施例中，系統(tǒng)包括被配置成控制工業(yè)過程的第一控制器和被配置成生成用來實現(xiàn)與該工藝過程相關聯(lián)的操縱變量的輸出(OP)值的下游第二控制器。第一控制器被配置成標識OP值所位于的范圍中的多個區(qū)中的一個并且基于OP值位于其中的區(qū)為操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制。
[0010]根據(jù)以下圖、說明以及權利要求，其他技術特征對于本領域的技術人員而言可以是容易地顯而易見的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了更徹底地理解本公開，現(xiàn)對結合附圖進行的以下說明進行參考，在附圖中:
圖1圖示了根據(jù)本公開的示例過程控制系統(tǒng)的一部分；
圖2至6D圖示了根據(jù)本公開的過程控制系統(tǒng)中的終結控制的示例細節(jié)；以及 圖7和8圖示了用于根據(jù)本公開的過程控制系統(tǒng)中的終結控制的示例方法。
【具體實施方式】
[0012]在下面所討論的圖1至8以及用來在本專利文獻中描述本發(fā)明的原理的各種實施例僅是通過圖示的方式的，并且不應該被以任何方式解釋成限制本發(fā)明的范圍。本領域的技術人員將理解的是，可以在任何類型的適當?shù)夭贾玫脑O備或系統(tǒng)中實現(xiàn)本發(fā)明的原理。
[0013]圖1圖示了根據(jù)本公開的示例過程控制系統(tǒng)100的一部分。如圖1中所示，過程控制系統(tǒng)100包括第一控制器102和第二控制器104?？刂破?02-104控制工業(yè)過程Illa-1llb的至少一部分。在這個示例中，控制器102-104控制包括一個或多個致動器108的執(zhí)行機制106的操作，所述一個或多個致動器108操作來調整一件或多件工業(yè)設備110的操作。
[0014]工業(yè)過程Illa-1llb共同地表不以某方式生產(chǎn)或者處理一個或多個材料的任何適合的技術。執(zhí)行機制106表示用于改變工業(yè)過程Illa-1llb的任何適合的系統(tǒng)或其一部分。執(zhí)行機制106能夠包括任何數(shù)目的致動器108和數(shù)件工業(yè)設備110。每個致動器108都包括用于調整一件或多件工業(yè)設備110的任何適合的結構。每件工業(yè)設備110都能夠在執(zhí)行機制106中執(zhí)行(一個或多個)任何適合的功能。工業(yè)設備110例如能夠表示閥門、加熱器、電動機或其他設備。
[0015]至少一個傳感器112a測量與過程Illa相關聯(lián)的一個或多個過程變量(PV)，并且至少一個傳感器112b測量與過程Illb相關聯(lián)的一個或多個受控變量(CV)。每個PV或CV都表示過程的任何適合的特性，諸如流速、溫度、壓力或其他值。每個傳感器112a-112b都包括用于測量過程的一個或多個特性的任何適合的結構。
[0016]如上面所指出的那樣，控制器典型地調整一個或多個操縱變量(MV)以便控制一個或多個受控變量(CV)。操縱變量一般地與能夠被調整的致動變量相關聯(lián)，所述致動變量諸如下游控制器的設定點或輸出。受控變量一般地表示被控制(通過對一個或多個操縱變量的改變)以便使得該受控變量被維持在指定的值或在指定的限制內的過程的測量變量。這個的示例是當閥門的開度(與操縱變量相關聯(lián))的量被用來控制反應器內部的溫度(受控變量)時。擾動變量一般地表示能夠影響受控變量并且能夠被考慮而不是直接地調整的變量，諸如環(huán)境溫度或大氣壓力。
[0017]控制器102-104中的每一個都包括用于執(zhí)行控制操作以控制過程11 Ia-1 I Ib的至少一部分的任何適合的結構。每個控制器102-104都例如能夠使用硬件或硬件和軟件/固件指令的組合來實現(xiàn)。在圖1中所示出的示例中，每個控制器102-104都使用至少一個處理單元114、至少一個存儲器單元116以及至少一個接口 118來實現(xiàn)。至少一個處理單元114包括(一個或多個)任何適合的處理結構，諸如微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器、專用集成電路或現(xiàn)場可編程門陣列。至少一個存儲器單元116包括(一個或多個)任何適合的易失性和/或非易失性存儲和檢索設備，諸如硬盤、光學存儲盤、RAM或ROM。至少一個接口 118包括用于將數(shù)據(jù)提供給一個或多個外部目的地或者從一個或多個外部源接收數(shù)據(jù)的(一個或多個)任何適合的結構。
[0018]在特定實施例中，控制器102被實現(xiàn)為模型預測控制(MPC)控制器。MPC控制器使用模型來預測一個或多個受控變量(CV)的特征值并且相應地調整一個或多個操縱變量(MV)。結果，準確地預測CV的特征值的能力直接地影響MPC控制器的控制能力。并且，在特定實施例中，控制器104被實現(xiàn)為比例-積分-微分(PID)控制器。然而，諸如當控制器102表示模糊邏輯控制器、基于人工智能的控制器、基于啟發(fā)式的控制器或實時優(yōu)化器或者控制器104表示PI控制器時，能夠使用(一個或多個)任何其他適合類型的(一個或多個)控制器。并且，在特定實施例中，控制器104能夠被實現(xiàn)為單PID控制器。然而，諸如當控制器104表示一群級聯(lián)控制器時，還能夠使用(一個或多個)任何適合類型的多個層的級聯(lián)控制器。
[0019]這表示工業(yè)過程及其相關控制系統(tǒng)的一部分的簡要描述。過程控制系統(tǒng)的附加的細節(jié)為本領域的技術人員眾所周知，并且對于在本專利文檔中所公開的本發(fā)明的理解來說不是需要的。
[0020]在這個示例中，第一控制器102生成MV值，所述MV值成為用于控制與過程Illb相關聯(lián)的至少一個受控變量(CV)的設定點(SP)。第二控制器104操作來控制過程變量(PV)，這允許估計SP與PV值之間的差。PV被第二控制器104控制以便使得PV等于或者靠近SP?？刂破?04試圖通過改變控制器的輸出信號OP來實現(xiàn)這個。傳感器112a測量PV的實際值。SP與傳感器測量結果之間的差表示誤差信號E，其識別PV離它期望的SP有多遠。誤差信號被第二控制器104用來生成0P。執(zhí)行機制106使用OP來調整致動器108，所述致動器108操縱然后對PV引起改變的過程設備110。PV還能夠被一個或多個擾動變量Dl影響。隨著PV改變，它使過程Illb中的(一個或多個)受控變量CV改變，這然后通過傳感器112b反饋回到第一控制器102。CV還能夠被一個或多個擾動變量D2影響。第一控制器102繼續(xù)生成新的MV值直到過程112b中的CV滿足第一控制器102中用戶指定的限制為止。注意的是，諸如PV、SP以及OP之類的術語能夠被用來表示與PID控制器相關聯(lián)的值，并且諸如MPC.SP之類的術語被用來表示與MPC控制器相關聯(lián)的值，但是其他類型的控制器能夠被用作控制器102和/或104。
[0021]在圖1中，從控制器102的角度看，用于控制器104的SP是關聯(lián)的操縱變量(MV)。SP能夠在一些實施例中使用MV與CV之間的模型并且使用傳感器測量結果來計算，而無論什么其他數(shù)據(jù)是可用的或需要的。模型典型地是非常復雜過程的非常簡化的或近似的數(shù)學表示，以及二次控制回路(控制器104)常常是該復雜過程的一部分。理想地，控制器104調整OP以便使得PV到達并且保持接近于SP。然而，當OP到達設備限度時，PV不再能夠在向上方向或向下方向中的一個上移動。當發(fā)生這個并且PV不能夠實現(xiàn)所期望的SP時，控制器104進入終結狀態(tài)?？刂破?02被迫兌現(xiàn)這個狀態(tài)，并且與已終結控制器104相關聯(lián)的MV進入終結狀態(tài)而且被禁止移動SP更遠離當前PV。一旦OP不再受設備限制終結狀態(tài)就被從控制器104移除。這能夠要么通過PV向SP漂移(諸如由于Dl的有利擾動)要么通過在接近于無法達到的PV的方向上移動SP來實現(xiàn)。一旦控制器104中的終結條件被校正，控制器102中所關聯(lián)的MV的終結狀態(tài)就被移除，并且控制器102自由地往上或往下移動所關聯(lián)的MV。
[0022]如上面所指出的那樣，用戶能夠為MV提供用戶指定的上限和下限，其被控制器102使用。在正常情況下，控制器102將用戶指定的限制用作其中MV能夠被調整的容許范圍。然而，如果用戶指定的限制未準確地表示工業(yè)設備110實際上能夠實現(xiàn)什么，則這能夠導致如上面所描述的MV的終結。在那時，能夠發(fā)生對容許范圍的大改變并且能夠確保對穩(wěn)態(tài)優(yōu)化解的大改變。當MV重復地進出終結時，能夠發(fā)生第二控制器104 SP之字形運動，這是由設法通過以使SP向PV移動的方式移動所關聯(lián)的MV來校正第二控制器104的終結狀態(tài)的現(xiàn)有控制器102 SP-PV跟蹤機制所引起的。這還能夠在針對相關操縱變量的優(yōu)化解中引起跳躍。
[0023]這個的示例在圖2中被示出。圖2圖示了由根據(jù)本公開的過程控制系統(tǒng)100中的MV終結所引起的示例振蕩。如圖2中所示,線202表示從控制器102操縱變量生成的用于控制器104的設定點，以及線204表示來自第二控制器104的輸出信號(OP)。并且，線206表示用于控制器104的過程變量(PV)，以及線208表示用于控制器102的操縱變量的有效上限。
[0024]在圖2中，OP信號開始在采樣245附近接近上限飽和(約略地80%)，在這時間之后第二控制器104被推入和推出終結。隨著第二控制器104進出終結并且控制器102中所關聯(lián)的MV同樣進出終結，對于所關聯(lián)的MV的有效限制偏離用戶指定的限制并且被鉗制到控制器104的當前SP值。一旦終結條件被移除，MV就返回到用戶指定的限制。這對于MV重復地在較高的值與較低的值之間振蕩通過有效上限來看到。較高的值能夠表示用戶指定的較高的MV限制，以及較低的值能夠表示MV由于控制器104 OP到達設備限度而導致的物理限制。
[0025]當用戶指定的MV限制變得無法達到時，控制器和優(yōu)化器常常僅在MV進入終結時實現(xiàn)這個。結果，用戶常常被迫輸入非常保守的MV限制，這不利地影響MPC或其他控制能力和優(yōu)化潛力。過分樂觀的MV限制常常驅使控制器104進入終結中，從而產(chǎn)生預測、優(yōu)化以及控制問題。
[0026]對于這種問題的常規(guī)解決辦法是建立控制器102的MV與控制器104的OP值之間的模型。OP值被作為CV包括在控制器102中并且遭受某種類型的變換。限制然后被應用于表示OP值的CV來約束MV解。然而，這種方法是非常不方便的，MV-OP模型可能是不可靠的，并且OP噪聲能夠被變換成MV值。
[0027]盡管未在圖2中示出，但是在較長的時間段期間，由SP值所表示的MV能夠隨著PV值由于過程擾動Dl而上下移動或者控制器102 SP-PV跟蹤機制正在試圖校正終結狀態(tài)而上下之字形運動。MV值的下移可能是由控制器102設法得到SP值以在終結情形期間跟蹤PV值所引起的。MV值的上移可能是由一旦控制器104退出終結控制器102就將MV值推向其用戶指定的上限所引起的。當控制器104進入終結并且在控制器104退出終結時跳回直到用戶指定的上限時穩(wěn)態(tài)MV值能夠下降至SP值。當穩(wěn)態(tài)MV值上下跳躍時，與其他操縱變量相關聯(lián)的穩(wěn)態(tài)值還能夠上下跳躍。
[0028]常規(guī)終結處理技術的另一問題是所關聯(lián)的MV的SP值常常被用于預測CV值，這在一旦OP進入致動器的非線性操作區(qū)控制器104的PV就不能夠跟隨SP值時引起問題。并且，控制器102的SP-PV跟蹤機制當在終結中時使所關聯(lián)的MV的SP斜線上升至PV，從而在斜線上升期間產(chǎn)生顯著的預測問題(因為PV值不在移動并且那是在控制器102中使CV移動的東西)。
[0029]依照本公開，控制器102實現(xiàn)用于評估并且選擇性地應用有效MV限制的技術。這種技術的結果被稱作“可達到的’IV限制?？蛇_到的MV限制鑒于過程的實際物理限制(代替典型地不準確地表示物理限制的用戶指定的MV限制)來定義潛在的MV移動空間。除確定可達到的MV限制之外，當控制器104是在終結中時技術跟蹤控制器104的PV移動。PV值在被適當?shù)貫V波之后，代替當前MV值被用來預測MV對一個或多個受控變量所具有的將來影響。
[0030]在普通系統(tǒng)中，如果MPC控制器102將SP值發(fā)送到第二控制器104，則常常假定控制器104起作用以便使得PV跟隨SP。然而，能夠出現(xiàn)其中控制器104不能夠改變PV以便使得它跟隨SP值的情況。一個這樣的情況是如上面所描述的終結條件。例如，考慮圖3。圖3圖示了根據(jù)本公開的過程控制系統(tǒng)100中的示例OP-PV關系。在圖3中，線301表示針對典型PID的OP值與PV值之間的示例關系。在范圍302內，PV和OP值具有基本上線性的關系(或至少能夠被線性地近似的關系)。這種線性關系由直線308來圖示。線308的斜率定義OP值與PV值之間的增益。在這種特定情況下，線308具有近似二的斜率，指示在OP值與PV值之間存在約二的增益。
[0031]在過渡范圍304a_304b內，OP-PV關系的行為變得更非線性。不是具有二的基本上線性的增益，而是例如，線301向上(區(qū)304a)或向下(區(qū)304b)彎曲。這指示增益變得非線性，所以PV值對OP值的改變的響應變小。
[0032]如在這里所示，PV值不總是對OP值的改變線性地做出響應。PV值可以在區(qū)302內一般線性地響應，但該效果在過渡區(qū)304a-304b中衰落并且基本上在終結區(qū)306a_306b中停止?；谶@個，能夠取決于當前OP值落在哪里而不同地確定可達到的MV限制。
[0033]在一些實施例中，可達到的MV限制基于用戶指定的信息和過去的OP、PV以及SP值以控制器102的每個執(zhí)行間隔被估計。在可達到的MV限制估計期間所使用的用戶指定的信息能夠包括估計的OP對PV增益和/或表示OP-PV行為的非線性特性曲線。取決于實施方式，用戶能夠提供基本的或更詳細的信息。在其他實施例中，在線工具能夠被用來通過使用例如SP、OP以及PV值的歷史數(shù)據(jù)自動地對OP-PV行為建模。
[0034]在一些實施例中，用戶能夠簡單地為OP值提供定義不同范圍的四個值。這個的示例在圖4A中被示出，其中四個值(0P_LL、0P_L、0Ρ_Η以及0Ρ_ΗΗ)定義區(qū)302_306b之間的邊界。值0Ρ_Ι^Ρ0Ρ_Η為OP值定義正常范圍302。值0P_LL定義區(qū)304a的下限，其被定義為OP值在0P_LL與0P_L之間的范圍。類似地，值0Ρ_ΗΗ定義區(qū)304b的上限，其被定義為OP值在0Ρ_Η與0Ρ_ΗΗ之間的范圍。區(qū)306a被定義低于0P_LL的OP值，以及區(qū)306b被定義為高于0Ρ_ΗΗ的OP值。
[0035]當被以這種方式定義時，如果當前OP值是在范圍302內，則對于MV的用戶指定的限制能夠表示自PV值有效地對OP改變做出響應以來可達到的MV限制。如果當前OP值是在任何一個范圍306a-306b內，則PV值對OP改變具有少量或沒有響應，并且操縱變量的SP和可達到的限制隨著間隙而跟蹤PV值。這意味著操縱變量的SP和可達到的限制一般地跟蹤具有小偏移的PV值的移動。如果當前OP值是在任何一個范圍304a-304b內，則用戶指定的MV限制可能不是 有效的，并且可達到的限制能夠被修改諸如以慢慢地或迅速地接近在終結區(qū)306a-306中使用的可達到的MV限制。對于這種技術可能不需要附加的規(guī)格以令人滿意地適用于一大類設備110 (諸如大量的閥門)。
[0036]在其他實施例中，用戶能夠提供更詳細的信息。例如，用戶能夠提供四個值(0P_LL、0P_L、0Ρ_Η以及0Ρ_ΗΗ)以及OP值與PV值之間的估計增益值。OP-PV增益能夠通過確定如圖4B中所示出的曲線的特定部分的斜率(dPV/dOP)來計算。這個曲線能夠使用與PV和OP值相關聯(lián)的歷史數(shù)據(jù)來生成。估計OP-PV增益的另一方式能夠通過計算下式的值來完成:
(PV高過程限制-PV低過程限制)/ (0P過程上限-OP過程下限)
其中OP過程上限和OP過程下限是最大OP值和最小OP值，并且PV高過程限制和PV低過程限制分別是當OP以OP過程上限和OP過程下限操作時預期的/測量的過程值。然而增益值被確定，控制器102能夠使用該增益值來修改可達到的MV限制，而無論當前OP值是在正常區(qū)302還是傳統(tǒng)區(qū)304a-304b內。一旦當前OP值進入終結區(qū)306a_306b，操縱變量的SP和可達到的限制就隨著間隙而跟蹤PV值。
[0037]在仍然其他的實施例中，用戶能夠通過為多項式曲線提供系數(shù)或通過定義分段的線性分段曲線來定義OP-PV關系。在特定實施例中，多項式能夠具有形式:
PV = a0 + x OP + dj、OP^ + α? y' OP3 + a4 OPi + Dl0
[0038]在這里，見表示圖1中所示出的(一個或多個)擾動變量并且可以或者可能不由用戶來估計。在這種情況下，用戶能夠通過提供系數(shù)來定義多項式。用戶還能夠指定OP_LL和OP_HH值，或者算法能夠使用多項式曲線系數(shù)或分段的線性段(諸如通過標識其中發(fā)生明顯修平的多項式或分段的線性分段曲線的區(qū)域)來估計OP_LL和OP_HH值。只要當前OP值保持在0P_LL與0Ρ_ΗΗ之間，控制器102就能夠基于多項式曲線系數(shù)或分段的線性段和0P、PV以及SP值來預測可達到的MV限制。一旦當前OP值進入終結區(qū)306a-306b，操縱變量的SP和可達到的限制就隨著間隙而跟蹤PV值。例如，如果用戶具有帶一些不平常特性的專用的一件設備110，則這種方法可能是有用的。當用戶提供多項式系數(shù)時，多項式曲線能夠被用來對設備的行為建模。當用戶定義了分段的線性分段曲線時，該機制基本上與多項式曲線相同，除了分段的線性分段曲線篡奪(usurp)多項式曲線。
[0039]然而提供了定義OP-PV關系的信息，控制器102使用這種信息來預測可達到的MV限制。可達到的MV限制然后被用來確定最好的MV值以用于預測對受控變量的將來改變。
[0040]以這種方式，控制器102能夠更快地使用更準確的預測來估計什么能夠使用MV改變來實現(xiàn)，這促進對過程Illa-1llb的更好控制。有效地，控制器102獲得“真實的”MV限制的知識，而不是簡單地依靠用戶指定的限制。這可以允許用戶輸入寬松的MV限制，并且控制器102決定那些限制的全部潛力。
[0041]在⑴操縱變量的SP與可達到的限制之間的間隙和(ii)當OP在終結區(qū)306a-306b中時的PV值可以大于存在于PV值中的典型噪聲。能夠在線計算PV值噪聲，并且然后能夠根據(jù)噪聲計算間隙。通過這些操作，能夠使控制器104保持在終結條件下以使PV保持在極值(這能夠被完成來實現(xiàn)最大經(jīng) 濟效益)。因為控制器104不進出終結，所以穩(wěn)態(tài)解不經(jīng)歷大跳躍。
[0042]當在反終結方向上(遠離終結條件)需要MV改變時，對MV的以下改變能夠替代地由控制器102來做出:
dMVF 二 dMVa (PV _ SP)
其中如果MV不在終結中則?/#匕表示正常MV改變，以及?/#匕表示由控制器102考慮表示為PV-SP的間隙所做出的已調整MV改變。移動以接近PV值與SP之間的間隙不用于預測。
[0043]可達到的MV限制能夠被控制器102用于優(yōu)化和控制移動計算。以這種方式，能夠在控制器104進入終結時避免優(yōu)化解中的大跳躍，并且能夠顯著地改進控制行為。PV值跟蹤幫助確保用來預測對(一個或多個)受控變量的影響的MV值更緊密地與在實際過程Illb中正發(fā)生的相關。這能夠導致由控制器102用來確定優(yōu)化解和將來的控制移動的更準確的正向預測。
[0044]在實現(xiàn)這種技術以用于計算可達到的MV限制并且做出更準確的將來預測情況下，用戶能夠更樂觀地指定用戶指定的MV限制，從而知道控制器102已內置了“寬限節(jié)約(grace-saving)”算法。此外,采用這種技術,用戶能夠選擇允許控制器102用完全飽和的OP值或在設備限制下進行操作。在那種情況下，用戶不再需要創(chuàng)建在發(fā)生終結時對于控制器102防止假的/不準確的預測的解或者實現(xiàn)跟蹤算法以在控制器104需要移出終結時使SP保持接近于PV值。此外，用戶不再需要為控制器104的OP創(chuàng)建臨時CV約束來防止飽和或者實現(xiàn)并且維持針對被添加到控制器102以防止飽和的任何CV約束的變換。
[0045]能夠實現(xiàn)這種技術以便使得高頻噪聲和擾動不顯著地影響所估計的可達到的MV限制或者不利地影響在將來的CV預測計算中使用的MV值的選擇。這能夠幫助使控制系統(tǒng)變得甚至更穩(wěn)健。
[0046]圖5A和5B圖示了能夠在根據(jù)本公開的過程控制系統(tǒng)100中使用終結控制來計算的示例可達到的MV限制。特別地，圖5A和5B圖示了當用戶簡單地提供四個值0P_LL、0P_L、0Ρ_Η以及0Ρ_ΗΗ時的模擬行為。
[0047]圖5A圖示了在控制器102的操作期間在不同區(qū)302、304b、306b內的可達到的MV上限。在圖5A中，線502表示用于操縱變量的SP，以及線504表示所關聯(lián)的PID控制器的OP值。線506表示所關聯(lián)的PID控制器的PV值，以及線508表示用于操縱變量的可達到的上限。
[0048]當OP值是在操作的正常范圍302內時，由線508所表示的可達到的限制保持在高水平，這能夠表示用戶指定的MV上限。然而，隨著OP值增加，OP值進入過渡范圍304b。在這個范圍304b中，由線508所表示的可達到的限制遠離用戶指定的MV上限并且接近操縱變量的SP。當OP值進入終結區(qū)306b時，操縱變量的SP和可達到的限制隨著間隙而跟蹤PV值。
[0049]圖5B圖示了在控制器102的操作期間在終結區(qū)306b內的示例可達到的MV限制。如圖5B中所示，由線504所表示的OP值保持在高水平，指示MV是在終結中。即使由線506所表示的PV值上下擺動，控制器102也確保操縱變量的SP (由線502表示)和可達到的限制(由線508表示)兩者都隨著間隙而跟蹤PV值。如上面所描述的那樣，這能夠取決于實施方式而提供各種有益效果。
[0050]圖6A至6D圖示了能夠在根據(jù)本公開的過程控制系統(tǒng)100中使用終結控制來計算的可達到的MV限制的其他示例。特別地，圖6A和6B圖示了由PID控制器針對操縱變量MV2由于無法達到的用戶指定的MV限制而進入和退出終結所引起的模擬的持久性穩(wěn)態(tài)解擺動。在這種情況下，MV2用戶指定的上限是50，并且(因為控制器102被配置成最大化MV2)它為MV2計算值大約40的穩(wěn)態(tài)目標并且設法將MV2推向目標。然而，當MV2到達大約28的值時用于MV2的下游PID控制器進入終結狀態(tài)?？刂破?02僅然后認識到，基于MV2所計算的目標不是實際上可達到的，并且它開始做出調整。控制器102做出的調整引起MVl和MV2優(yōu)化解振蕩。
[0051]圖6C和6D圖示了在與圖6A和6B相同的條件下的模擬行為，只是用戶提供了四個值0P_LL、0P_L、0P_H以及0Ρ_ΗΗ和估計OP-PV增益值來估計可達到的MV限制。在這里，圖6A至6D圖示了兩個操縱變量(MVl和MV2)的模擬使用，所述兩個操縱變量(MVl和MV2)被用來控制兩個受控變量(CVl和CV2)。能夠用一的PID控制器增益(K。)和十的積分時間來控制MV1，并且能夠用0.5的PID控制器增益和十的積分時間來控制MV2。理想地，MVl和MV2被用來使CVl和CV2保持在限制內，并且出于優(yōu)化目的MV2和CV2被最大化。
[0052]在圖6C中，圖表表示與使用MVl的控制相關聯(lián)的信號。在這里，線602表示MVl的SP’以及線604表示MVl的關聯(lián)PV值。并且，線606表示MVl的穩(wěn)態(tài)目標。穩(wěn)態(tài)目標對于MVl使用可達到的限制來計算，所述可達到的限制能夠像上面所描述的那樣被計算。在這種情況下，在OP-PV關系的中央?yún)^(qū)(區(qū)302)中的估計增益被提供為0.7，并且限制值被定義為 0P_HH=95、0P_H=80、0P_LL=0 以及 0P_L=15。
[0053]在圖6D中，圖表表示與使用MV2的控制相關聯(lián)的信號。在這里，線622表示MV2的SP’以及線624表示MV2的關聯(lián)PV值。并且，線626表示MV2的穩(wěn)態(tài)目標。穩(wěn)態(tài)目標對于MV2使用可達到的限制來計算，所述可達到的限制能夠像上面所描述的那樣被計算。在這種情況下，在OP-PV關系的中央?yún)^(qū)(區(qū)302)中的估計增益被提供為0.3，并且限制值被定義為0P_HH=90、0P_H=75、0P_LL=25以及0P_L=25 (意味著對于MV2不存在過渡區(qū)304a)。
[0054]對于圖6C和6D中所示出的兩種情況，可達到的MV限制被用在針對MV值的穩(wěn)態(tài)目標的計算中。基于用戶指定的信息，控制器102估計MV2可達到的限制起初僅是約24 (而不是用戶指定的值50)。隨著計算繼續(xù)，MV2可達到的限制被調整為約28。結果，MVl和MV2的穩(wěn)態(tài)目標不像它們在圖6A和6B中那樣上下跳躍?？蛇_到的MV限制的使用能夠幫助使穩(wěn)態(tài)目標的計算變得更準確。這是因為這些計算能夠用“真實的”MV限制是什么的知識(而不總是簡單地基于用戶指定的限制)來做出。
[0055]注意在圖6C和6D中，用戶已經(jīng)為OP-PV關系的區(qū)302人工地定義了增益。如上面所描述的那樣，用戶可替換地能夠為多項式曲線提供系數(shù)或者定義描述MV.0P和MV.PV關系的分段的線性分段曲線。例如，用于MVl的多項式系數(shù)可以是[7.306743，0.266297,
0.0150809, -0.0001153, O]，以及用于MV2 的多項式系數(shù)可以是[-31.738496，1.535986,-0.01222, 0.0000279, O]。采用這些值，在圖6C和6D中線606和626能夠形成較陡直角。這是由于系統(tǒng)能夠使用多項式或分段的線性分段曲線而不是僅僅使用0P_HH、0P_H、0P_L以及0P_LL和用戶指定的OP-PV增益來更準確地標識可達到的MV限制的事實而導致的。
[0056]返回到圖3，下文描述了能夠以其在不同區(qū)302_306b中計算MV的可達到的MV限制的特定方式。在以下討論中，僅可達到的MV上限被處理，但是能夠針對可達到的MV下限做出類似計算。在過渡范圍304b內，終結比率(Jf)能夠被表達為:
【權利要求】
1.一種方法，其包括: 標識用來實現(xiàn)操縱變量的輸出(OP)值所位于的范圍中的多個區(qū)(302-306b)中的一個，所述操縱變量與工業(yè)過程(Illa-1llb)相關聯(lián)，所述OP值包括下游控制器(104)的輸出；以及 基于所述OP值位于其中的所述區(qū)為所述操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制(710)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中計算所述可達到的MV限制包括: 當所述OP值位于所述區(qū)中的第一個中時，使所述可達到的MV限制和用戶指定的MV限制匹配(808);以及 當所述OP值位于所述區(qū)中的第二個中時，使所述可達到的MV限制隨著所述可達到的MV限制與過程變量的值之間的間隙而跟蹤過程變量的值(814)，所述過程變量與所述工業(yè)過程相關聯(lián)并且受所述操縱變量影響。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中計算所述可達到的MV限制進一步包括: 當所述OP值位于所述第一和第二區(qū)之間的所述區(qū)中的第三個中時，使所述可達到的MV限制從所述用戶指定的限制向所述過程變量的值移動(812)。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中計算所述可達到的MV限制包括: 當所述OP值位于所述區(qū)中的第一個中時，基于所述OP值與過程變量的值之間的增益來計算所述可達到的MV限制(818)，所述過程變量與所述工業(yè)過程相關聯(lián)并且受所述操縱變量影響；并且 當所述OP值位于所述區(qū)中的第二個中時，使所述可達到的MV限制隨著所述可達到的MV限制與所述過程變量的值之間的間隙而跟蹤所述過程變量的值。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括: 使用所述可達到的MV限制來預測過程變量的值，所述過程變量與所述工業(yè)過程相關聯(lián)并且受所述操縱變量影響。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括: 使用所述可達到的MV限制來標識用于控制所述操縱變量和一個或多個相關的操縱變量的優(yōu)化解； 其中使用所述可達到的MV限制來標識所述優(yōu)化解防止所述優(yōu)化解重復地來回跳躍。
7.一種裝置(102)，其包括: 至少一個處理單元(114)，其被配置成: 標識用來實現(xiàn)操縱變量的輸出(OP)值所位于在的范圍中的多個區(qū)(302-306b)中的一個，所述操縱變量與工業(yè)過程(Illa-1llb)相關聯(lián)，所述OP值包括下游控制器(104)的輸出；以及 基于所述OP值位于其中的所述區(qū)為所述操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中所述至少一個處理單元被配置成通過以下各項來計算所述可達到的MV限制: 當所述OP值位于所述區(qū)中的第一個中時，使所述可達到的MV限制和用戶指定的MV限制匹配；以及 當所述OP值位于所述區(qū)中的第二個中時，使所述可達到的MV限制隨著所述可達到的MV限制與過程變量的值之間的間隙而跟蹤過程變量的值，所述過程變量與所述工業(yè)過程相關聯(lián)并且受所述操縱變量影響。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中所述至少一個處理單元被配置成進一步通過以下各項來計算所述可達到的MV限制: 當所述OP值位于在所述第一和第二區(qū)之間的所述區(qū)中的第三個中時，使所述可達到的MV限制從所述用戶指定的限制向所述過程變量的值移動。
10.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中所述至少一個處理單元被配置成通過以下各項來計算所述可達到的MV限制: 當所述OP值位于所述區(qū)中的第一個中時，基于所述OP值與過程變量的值之間的增益來計算所述可達到的MV限制，所述過程變量與所述工業(yè)過程相關聯(lián)并且受所述操縱變量影響；以及 當所述OP值位于所述區(qū)中的第二個中時，使所述可達到的MV限制隨著所述可達到的MV限制與所述過程變量的值之間的間隙而跟蹤所述過程變量的值。
11.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中所述至少一個處理單元被進一步配置成: 基于所述OP值位于其中的所述區(qū)為所述操縱變量計算設定點以便使得當所述OP值是在指定的區(qū)中時所述設定點隨著間隙而跟蹤過程變量的值，所述過程變量與所述工業(yè)過程相關聯(lián)并且受所述操縱變量影響。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，進一步包括: 至少一個接口(1 18)，其被配置成將所述設定點提供給所述下游控制器； 其中所述至少一個處理單元被配置成當所述下游控制器是在終結中時，針對所述操縱變量來標識并且調整所述可達到的MV限制和所述設定點。
13.一種系統(tǒng)(100)，其包括: 第一控制器(102)，其被配置成控制工業(yè)過程(1lla-1llb);以及下游第二控制器(104)，其被配置成生成用來實現(xiàn)與所述工業(yè)過程相關聯(lián)的操縱變量的輸出(OP)值； 其中所述第一控制器被配置成: 標識所述OP值所位于的范圍中的多個區(qū)(302-306b)中的一個；以及 基于所述OP值位于在其中的所述區(qū)為所述操縱變量計算可達到的操縱變量(MV)限制。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中: 所述第一控制器包括模型預測控制(MPC)控制器；以及 所述第二控制器包括比例-積分-微分(PID)控制器。
【文檔編號】G05B13/04GK104024964SQ201280053633
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年8月28日 優(yōu)先權日:2011年9月1日
【發(fā)明者】J.A.埃斯卡塞加, C.Q.詹, J.Z.盧 申請人:霍尼韋爾國際公司