穩(wěn)定確定性的基于最優(yōu)化的控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】提供了一種穩(wěn)定確定性的基于最優(yōu)化的控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明所描述的實(shí)施方式包括一個(gè)提供一種控制方法的實(shí)施方式，該控制方法包括確定受控過程的多個(gè)變量的第一穩(wěn)定可行控制軌跡，針對繼第一時(shí)間步長之后的第二時(shí)間步長確定多個(gè)變量的第二穩(wěn)定可行控制軌跡，在第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用第一可行控制軌跡的第一成本，在第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用第二可行控制軌跡的第二成本，比較第一成本和第二成本，基于在預(yù)先確定的時(shí)間幀中的比較，選擇第一可行控制軌跡或第二可行控制軌跡，以及通過應(yīng)用所選擇的控制軌跡來控制受控過程。
【專利說明】穩(wěn)定確定性的基于最優(yōu)化的控制系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及控制系統(tǒng)并且更具體地涉及確定性的基于最優(yōu)化控制的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 通常，如工業(yè)設(shè)備或發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以是動態(tài)的并且包括各種約束條件。 例如，對控制系統(tǒng)的約束條件可以是執(zhí)行器限制、可操作約束條件、經(jīng)濟(jì)制約和/或安全性 制約的結(jié)果。因此，對這種多變量約束的動態(tài)系統(tǒng)的控制會是復(fù)雜的。如耦接的多回路的比 例積分微分（PID)控制器的技術(shù)可能不是最適用于處理對這種復(fù)雜的控制系統(tǒng)的控制。另 一方面，能夠處理多變量約束條件的一種過程控制技術(shù)是基于最優(yōu)化控制（0BC)。具體地， 0BC可以通過使系統(tǒng)能夠更靠近各種約束條件進(jìn)行工作（即通過動態(tài)最優(yōu)化)來改進(jìn)控制系 統(tǒng)的性能。
[0003] 然而，由于動態(tài)最優(yōu)化計(jì)算涉及在每個(gè)采樣時(shí)間處解決約束的最優(yōu)化問題如二次 規(guī)劃（QP)問題，所以0BC會是計(jì)算上費(fèi)力的。利用通用求解器可能花費(fèi)數(shù)秒甚至數(shù)分鐘。 另外，難以預(yù)測優(yōu)化器解決約束的最優(yōu)化問題所需的時(shí)間。因此，為了將0BC用于具有更快 的動態(tài)的控制系統(tǒng)，常常有益的是可以使確定性的0BC能夠在預(yù)先確定的控制時(shí)間內(nèi)提供 可行的控制動作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 與最初要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍相稱的某些實(shí)施方式被概述如下。這些實(shí)施方式 不意圖限制所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是這些實(shí)施方式僅意圖提供本發(fā)明的可能的形 式的提要。實(shí)際上，本發(fā)明可以包含可以與下面所闡述的實(shí)施方式相似或不同的各種形式。
[0005] 第一實(shí)施方式提供了一種控制方法，該控制方法包括：確定受控過程的多個(gè)變量 的第一穩(wěn)定可行控制軌跡，該第一控制軌跡與針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡相同或 者是針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡的延伸，該軌跡在第一時(shí)間步長之后的多個(gè)未來 時(shí)間步長上延伸；針對繼第一時(shí)間步長之后的第二時(shí)間步長確定多個(gè)變量的第二穩(wěn)定可行 控制軌跡；在第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用第一可行控制軌跡的第一成本；在第二時(shí)間步長處 確定應(yīng)用第二可行控制軌跡的第二成本；比較第一成本和第二成本；基于在預(yù)先確定的時(shí) 間幀中的比較，選擇第一可行控制軌跡或第二可行控制軌跡；以及通過應(yīng)用所選擇的控制 軌跡來控制受控過程。
[0006] 第二實(shí)施方式提供了一種控制方法，該控制方法包括：基于針對第二時(shí)間步長之 前的第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡，在預(yù)先確定的時(shí)間幀內(nèi)針對第二時(shí)間步長來確定受 控過程的多個(gè)變量的第一穩(wěn)定可行控制軌跡，該軌跡在第一時(shí)間步長之后的多個(gè)未來時(shí)間 步長上延伸；應(yīng)用基于最優(yōu)化控制算法針對第二時(shí)間步長來確定第二可行控制軌跡；如果 應(yīng)用第一可行控制軌跡的第一成本小于應(yīng)用第二可行控制軌跡的第二成本，或者如果基于 最優(yōu)化控制算法在允許的時(shí)間內(nèi)不確定第二可行控制軌跡，則選擇第一可行控制軌跡；以 及通過應(yīng)用所選擇的控制軌跡來控制受控過程。
[0007] 第三實(shí)施方式提供了一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括用于存儲可執(zhí)行代碼的存儲 器電路以及用于執(zhí)行代碼的處理電路。當(dāng)代碼被執(zhí)行時(shí)該代碼定義了下述步驟：確定受控 過程的多個(gè)變量的第一穩(wěn)定可行控制軌跡，該第一控制軌跡與針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的 控制軌跡相同或者是針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡的延伸，該軌跡在第一時(shí)間步長 之后的多個(gè)未來時(shí)間步長上延伸；針對繼第一時(shí)間步長之后的第二時(shí)間步長確定多個(gè)變量 的第二穩(wěn)定可行控制軌跡；在第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用第一可行控制軌跡的第一成本；在 第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用第二可行控制軌跡的第二成本；比較第一成本和第二成本；基于 在預(yù)先確定的時(shí)間幀內(nèi)的比較，選擇第一可行控制軌跡或第二可行控制軌跡；以及通過應(yīng) 用所選擇的控制軌跡來控制受控過程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 當(dāng)參考附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將變得 更好理解，在附圖中，貫穿附圖相似的符號表示相似的部分。
[0009] 圖1描述了利用確定性的基于最優(yōu)化控制（0BC)的控制系統(tǒng)的實(shí)施方式的框圖；
[0010] 圖2描述了根據(jù)圖1的確定性的基于最優(yōu)化控制的實(shí)施方式的框圖；
[0011] 圖3描述了根據(jù)圖2的處理電路的實(shí)施方式的框圖；
[0012] 圖4描述了控制系統(tǒng)內(nèi)通信地耦接到其他模塊的確定性的0BC模塊的實(shí)施方式；
[0013] 圖5A描述了用于解決找到了最優(yōu)解的二次規(guī)劃問題的可行搜索方法的實(shí)施方 式；
[0014] 圖5B描述了用于解決未找到最優(yōu)解的二次規(guī)劃問題的可行搜索方法的實(shí)施方 式；
[0015] 圖5C描述了用于解決找到了最優(yōu)解的二次規(guī)劃問題的不可行搜索方法的實(shí)施方 式；
[0016] 圖6描述了基于最優(yōu)化控制中所使用的穩(wěn)定化過程的實(shí)施方式的框圖；
[0017] 圖7A描述了二次規(guī)劃問題的第一可行解；
[0018] 圖7B描述了與二次規(guī)劃問題的第二可行解相比推進(jìn)了一步的第一可行解；
[0019] 圖8描述了利用圖6中所描述的穩(wěn)定化過程的過程控制的實(shí)施方式；
[0020] 圖9描述了利用穩(wěn)定狀態(tài)塊、動態(tài)目標(biāo)生成塊及動態(tài)最優(yōu)化塊的動態(tài)基于最優(yōu)化 控制（0BC)的實(shí)施方式；
[0021] 圖10描述了利用穩(wěn)定狀態(tài)塊和動態(tài)目標(biāo)生成塊的動態(tài)基于最優(yōu)化控制（0BC)的 實(shí)施方式；
[0022] 圖11描述了利用動態(tài)最優(yōu)化塊的動態(tài)基于最優(yōu)化控制（0BC)的實(shí)施方式；
[0023] 圖12描述了與基于線性控制塊的近似相比的基于控制塊的近似；
[0024] 圖13A描述了復(fù)雜約束條件的實(shí)施方式；以及
[0025] 圖13B描述了作用為針對復(fù)雜約束條件的漏斗狀（funnel)的簡單界限約束條件 的實(shí)施方式。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將描述本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)【具體實(shí)施方式】。在提供這些實(shí)施方式的簡明描 述中，可能在說明書中不對實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何這樣的 實(shí)際實(shí)現(xiàn)的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須做出多個(gè)具體實(shí)現(xiàn)的判定以實(shí)現(xiàn)開 發(fā)者的具體目標(biāo)，如遵從系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束條件，該約束條件可以從一個(gè)實(shí)現(xiàn)到 另一個(gè)實(shí)現(xiàn)而變化。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣的開發(fā)努力會是復(fù)雜的且費(fèi)時(shí)的，但是對于 具有本公開內(nèi)容的利益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說不過是承擔(dān)設(shè)計(jì)、裝配和制造的例行程 序。
[0027] 在介紹本發(fā)明的各種實(shí)施方式的元件時(shí)，冠詞"一（a)"、"一個(gè)（an)"、"該 (the)"和"所述（said)"意指存在一個(gè)或更多個(gè)元件。術(shù)語"包括（comprising)"，包括 (including)"和"具有（having)"意圖是包含的并且意指可以存在除了所列的元件之外的 附加元件。
[0028] 本公開內(nèi)容總體上指向針對如工業(yè)設(shè)備和發(fā)電系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)的確定性的基 于最優(yōu)化控制（0BC)的系統(tǒng)和方法。通常，控制系統(tǒng)可以利用過程控制技術(shù)來控制該系統(tǒng)。 例如，一些控制系統(tǒng)利用耦接在多回路配置中的比例積分微分（PID)控制器。多回路PID控 制器可以提供對控制系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制。另外，PID控制器可以運(yùn)行在具有較小計(jì)算能 力的嵌入式系統(tǒng)上。然而，當(dāng)控制系統(tǒng)具有復(fù)雜動態(tài)和/或控制系統(tǒng)的操作受約束時(shí)，過程 控制的復(fù)雜性可以極大地增加并且多回路PID控制器可以不提供適當(dāng)?shù)目刂啤＠?，控?系統(tǒng)可以包括具有大的死區(qū)時(shí)間或非最小相位動態(tài)的過程。
[0029] 用于控制動態(tài)多變量系統(tǒng)的一種過程控制技術(shù)是基于最優(yōu)化控制（OBC)，0BC可 以提供更好的控制(例如，減少過程變化以使操作能夠在更有利的操作點(diǎn)處更靠近約束條 件)。具體地，0BC使用過程模型以基于過程輸入軌跡來預(yù)測未來過程輸出軌跡。換言之， 0BC計(jì)算被操縱的變量的軌跡以使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化（S卩，使成本最小化)。如此處所使用的， 成本包括確定所輸出的軌跡與想要的設(shè)定點(diǎn)匹配的如何好。應(yīng)當(dāng)理解的是，在線性控制系 統(tǒng)中，成本可以捕獲為二次規(guī)劃（QP)問題。因此，包括在0BC中的動態(tài)最優(yōu)化可以是計(jì)算 上復(fù)雜的并且在具有通用求解器的計(jì)算機(jī)服務(wù)器上運(yùn)行，這可能花費(fèi)數(shù)秒或甚至數(shù)分鐘以 生成解。因此，為了在用于實(shí)時(shí)過程控制的嵌入式系統(tǒng)上包括0BC，可以有利的是改進(jìn)0BC 的效率同時(shí)確保0BC是穩(wěn)定的。
[0030] 因此，一個(gè)實(shí)施方式提供了一種控制方法，該控制方法包括：確定待受控制的過程 的預(yù)先確定的非線性模型的線性近似，確定非線性約束集的凸近似，針對控制軌跡的多個(gè) 采樣時(shí)段確定初始的穩(wěn)定化可行控制軌跡，執(zhí)行基于最優(yōu)化控制算法，以針對控制軌跡的 多個(gè)采樣時(shí)段改進(jìn)初始的穩(wěn)定化可行控制軌跡，以及通過在預(yù)先確定的時(shí)間窗內(nèi)應(yīng)用可行 控制軌跡來控制受控過程。換言之，確定性的0BC可以通過包括穩(wěn)定化函數(shù)以生成針對每 個(gè)預(yù)先確定的采樣時(shí)間可用的穩(wěn)定可行解（即不增加成本函數(shù)的解)、而被用于基于快速動 態(tài)的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
[0031] 通過介紹的方式，圖1描述了針對設(shè)備/過程12的控制系統(tǒng)10的實(shí)施方式。通 常，控制系統(tǒng)10可以控制設(shè)備/過程12的功能，設(shè)備/過程12可以是工業(yè)制造系統(tǒng)、自動 化系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、渦輪系統(tǒng)等。因此，如所描述的，控制系統(tǒng)10可以控制設(shè)備/過程12將 原料輸入14變換成原料輸出16。例如，設(shè)備/過程12可以是將糖漿（即原料輸入14)變 換成糖晶體(即原料輸出16)的糖結(jié)晶過程。另外，控制系統(tǒng)10可以通過操縱輸入變量20 (即受操縱的干擾變量)來控制輸出變量(即受控變量）18。返回糖結(jié)晶的示例，控制系統(tǒng)10 可以操縱蒸汽閥（即受操縱變量）來控制溫度（即受控變量)。在一些實(shí)施方式中，原料輸入 也可以是受操縱變量(例如，控制器可以控制對設(shè)備的原料輸入的進(jìn)料速率)。
[0032] 為了優(yōu)化對設(shè)備/過程12的控制，控制系統(tǒng)10還可以包括基于最優(yōu)化控制（0BC) 22，0BC22被配置成在預(yù)先確定的時(shí)間窗內(nèi)找到最優(yōu)化問題的穩(wěn)定化可行解。換言之，0BC22 可以確定控制系統(tǒng)10所采取的可行動作（即解)。具體地，0BC22可以被配置成在控制范圍 (即采取動作的時(shí)間段）上確定控制軌跡26 (即一組動作）。因此，0BC22可以在指定采樣時(shí) 間處對設(shè)備/過程12的狀態(tài)進(jìn)行采樣。在一些實(shí)施方式中，設(shè)備/過程12的狀態(tài)可以包 括先前輸出變量18、想要的輸出軌跡23、想要的控制軌跡24或其任意組合。基于所采樣的 設(shè)備/過程12的狀態(tài)，0BC22可以在控制時(shí)間期間確定控制軌跡26 (即最優(yōu)化問題的可行 解)。如此處所使用的，控制時(shí)間指的是在其期間設(shè)備/過程12可以起作用的時(shí)間，其可以 是實(shí)時(shí)的。在由0BC22確定了控制軌跡26之后，在一些實(shí)施方式中，在比較器32中將控制 軌跡26與想要的控制軌跡24進(jìn)行比較，以確定對設(shè)備/過程12的輸入變量20 (即在控 制系統(tǒng)10中待采取的動作)?；蛘?，控制軌跡26可以直接反映在輸入變量20中。應(yīng)當(dāng)理 解的是，0BC22可以被實(shí)現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)上，例如來自Milwaukee、Wisconsin的Rockwell Automation 的可利用的 ControlLogix。
[0033] 為了利于確定控制軌跡26,如所描述的，0BC22包括預(yù)先確定的模型28和確定性 求解器30。具體地，確定性求解器30可以使用可行搜索策略如原始活動集方法，以確定具 有約束的最優(yōu)化問題的解。如將在下面更詳細(xì)地描述的那樣，可行搜索策略在控制系統(tǒng)10 的可行區(qū)域內(nèi)的起始點(diǎn)處開始并且圍繞可行區(qū)域移動以搜索最優(yōu)化可行解（即具有最小成 本的控制軌跡)。換言之，確定性求解器30可以確定可以由控制系統(tǒng)10采用的各種可行動 作（即控制軌跡)?；谟纱_定性求解器30確定的可行解，模型28可以用于預(yù)測設(shè)備/過 程12的行為。在線性系統(tǒng)或具有線性近似的非線性系統(tǒng)中，模型28可以是線性模型，如狀 態(tài)空間模型、步驟或脈沖響應(yīng)模型、具有外源項(xiàng)的自回歸（ARX)模型、傳遞函數(shù)模型等。因 此，0BC22可以比較每個(gè)可行解的成本并且選擇具有最低成本的控制軌跡26。
[0034] 理想地，所確定的控制軌跡26是與最低成本相關(guān)聯(lián)的最優(yōu)解，但是，如上所述，最 優(yōu)化計(jì)算會是復(fù)雜的。因此，如將在詳細(xì)的示例部分中下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣，此處所 描述的技術(shù)目的在于增加動態(tài)最優(yōu)化計(jì)算的效率。例如，此處所描述的技術(shù)可以修改目標(biāo) (即，成本)函數(shù)以限定控制系統(tǒng)10的具有簡單邊界的約束條件。因此，動態(tài)優(yōu)化計(jì)算可以被 極大地減少并且在嵌入式系統(tǒng)上執(zhí)行，這是因?yàn)樵S多動態(tài)最優(yōu)化求解器（即，二次規(guī)劃（QP) 求解器）更有效地處理與復(fù)雜約束條件相比的簡單邊界。
[0035] 盡管動態(tài)最優(yōu)化可以被有效配置，但是0BC22可能在每個(gè)控制時(shí)間期間不總是找 到最優(yōu)（即最低成本）控制軌跡26。然而，在實(shí)踐中，穩(wěn)定的次最優(yōu)控制軌跡26是足夠的。 如在此處使用的，在通過采取動作與先前步驟相比成本不增加時(shí)，控制軌跡26是穩(wěn)定的。
[0036] 為了利于此處所描述的功能，應(yīng)當(dāng)理解的是，0BC22可以包括用于執(zhí)行計(jì)算指令 (即，步驟)的處理器和用于存儲計(jì)算機(jī)指令（即，代碼)和/或數(shù)據(jù)的存儲器。如圖2所描述 的，0BC22可以通過處理電路34實(shí)現(xiàn)處理器并且通過存儲器電路36實(shí)現(xiàn)存儲器。更具體 地，處理電路34可以被配置成處理控制系統(tǒng)的通用功能性如控制執(zhí)行器以及0BC22的功能 如動態(tài)最優(yōu)化。另外，如圖3所描述的，處理電路34可以包括多個(gè)處理部件(例如，并行處 理器核或單獨(dú)的處理器核)，這可以使處理電路34能夠更好地管理各種功能。例如，如所描 述的，第一處理部件38可以進(jìn)行控制系統(tǒng)10的一般操作?？刂葡到y(tǒng)10的通用操作可以包 括對控制系統(tǒng)10的部件進(jìn)行控制、進(jìn)行計(jì)算等。關(guān)于OBC22的功能，可以對第二處理部件 40進(jìn)行計(jì)算上的加強(qiáng)的動態(tài)優(yōu)化。因此，這使動態(tài)優(yōu)化能夠從第一處理部件38被調(diào)用并 且在第二處理部件40上同步地或非同步地執(zhí)行，這可以改進(jìn)最優(yōu)化計(jì)算的效率?；蛘?，應(yīng) 當(dāng)理解的是，可以伴隨控制系統(tǒng)10的通用功能在第一處理部件38上進(jìn)行動態(tài)最優(yōu)化。此 夕卜，如所描述的，處理電路34包括N個(gè)處理部件，N個(gè)處理部件可以各自被配置成處理不同 功能，如計(jì)算控制系統(tǒng)10的線性近似。
[0037] 返回參考圖2,存儲器電路36可以存儲描述模型28、確定性求解器30的計(jì)算機(jī)指 令（即，代碼)、配置參數(shù)42以及其他指令44,如針對用于控制系統(tǒng)10的通用功能的未測量 的處理變量來計(jì)算虛擬測量。具體地，存儲在存儲器電路中的指令可以被配置成引導(dǎo)模型 28和確定性求解器30的功能。因此，存儲器電路36通信地耦接到處理電路34,以使存儲 器電路36能夠讀取和/或執(zhí)行指令（S卩，步驟)。
[0038] 此外，0BC22的所描述的實(shí)施方式還包括輸出接口 46、用戶接口 48、網(wǎng)絡(luò)接口 50 及反饋接口 52。具體地，用戶接口 48可以被配置成使用戶能夠與0BC22通信。例如，如圖 4所描述的，用戶接口 48可以包括圖形用戶接口（⑶1)54,⑶154被配置成顯示0BC22的規(guī) 格，如所確定的控制軌跡26。另外，用戶接口 48可以包括按鈕56,按鈕56使用戶能夠向 0BC22輸入命令。與用戶接口 48相似，網(wǎng)絡(luò)接口 50可以使用戶能夠經(jīng)由如廣域網(wǎng)（WAN)的 網(wǎng)絡(luò)58與0BC22通信。在一些實(shí)施方式中，網(wǎng)絡(luò)58可以是來自Milwaukee、Wisconsin的 Rockwell Automation的可利用的ControlNet網(wǎng)絡(luò)或EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)。更具體地，如圖 4所描述的，網(wǎng)絡(luò)接口 50可以經(jīng)由通信模塊60通信地耦接到網(wǎng)絡(luò)58。或者，網(wǎng)絡(luò)接口 50 可以通過0BC22的底板通信地直接耦接到網(wǎng)絡(luò)58。此外，如所描述的，網(wǎng)絡(luò)58可以通信地 耦接到遠(yuǎn)程監(jiān)視/控制系統(tǒng)62,如監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA)，以使用戶能夠與0BC22遠(yuǎn) 程地通信。因此，如圖2所描述的，用戶接口 48和網(wǎng)絡(luò)接口 50二者通信地耦接到處理電路 34,以使用戶命令能夠被傳送給處理電路34并且使關(guān)于0BC22的信息被傳送給用戶。注意， 存儲器電路36中的每個(gè)模塊可以被配置成可以響應(yīng)作為響應(yīng)于來自各種接口的查詢的服 務(wù)器。例如，模型模塊28可以被用戶接口查詢以報(bào)告模型模塊28的保真度。另外，模型模 塊28可以被求解器代碼模塊30調(diào)用以確定最優(yōu)控制軌跡。
[0039] 返回圖2,如上所述，0BC22可以被配置成基于來自設(shè)備/過程12的反饋來確定 控制系統(tǒng)10的穩(wěn)定可行控制軌跡。因此，反饋接口 52可以被配置成接收反饋，如先前輸出 變量18、想要的輸出軌跡23、想要的控制軌跡24或其任意組合，并且將反饋傳送給處理電 路34。例如，反饋接口 52可以是位于0BC22的底板上的串行端口，該串行端口使0BC22能 夠接收來自控制系統(tǒng)10中的傳感器的采樣。在處理電路34確定了控制軌跡26之后，控制 軌跡26被傳送給輸出接口 46。如將在下面更詳細(xì)地描述的那樣，處理電路34可以利用各 種搜索功能(例如QP求解器)和穩(wěn)定功能來確定控制軌跡26。因此，輸出接口 46可以被配 置成將控制軌跡26傳輸給設(shè)備/過程12。與反饋接口 52相似，輸出接口 46可以是位于 0BC22的底板上的串行端口，以使輸出接口能夠與控制器通信，該控制器控制到設(shè)備/過程 12中的輸入。應(yīng)當(dāng)理解的是，如上所述，控制器可以是相同的處理部件、處理器的不同核或 者不同的處理器模塊。
[0040] 如上所述，處理電路可以利用各種搜索方法來利于確定控制軌跡26(8卩，動態(tài)最優(yōu) 化)。在圖5A至圖5C中描述了這樣的搜索方法的示例。包括在各個(gè)圖中的如所描述的是 可行區(qū)域64和不可行區(qū)域66。更具體地，可行區(qū)域64是不違反控制系統(tǒng)10的約束條件的 所有的解或控制軌跡26。另一方面，不可行區(qū)域中的解或控制軌跡26違反了控制系統(tǒng)10 的約束條件并且是不可行的。如所描述的，約束條件被描述為分離可行區(qū)域64和不可行區(qū) 域66的約束線68。如上所述，約束條件可以是執(zhí)行器限制、技術(shù)制約、經(jīng)濟(jì)制約和/或安全 性制約的結(jié)果。
[0041] 如上所述，處理電路34可以利用各種求解器方法（S卩，算法）來利于確定控制軌跡 26 (S卩，動態(tài)最優(yōu)化)。在圖5A至圖5C中描述了這樣的求解器方法的示例。包括在各個(gè)圖 中的如所描述的是可行區(qū)域64和不可行區(qū)域66。更具體地，可行區(qū)域64是不違反控制系 統(tǒng)10的約束條件的所有的解或控制軌跡26。另一方面，不可行區(qū)域中的解或控制軌跡26 違反了控制系統(tǒng)10的約束條件并且是不可行的。如所描述的，約束條件被描述為分離可行 區(qū)域64和不可行區(qū)域66的約束線68。如上所述，約束條件可以是執(zhí)行器限制、技術(shù)制約、 經(jīng)濟(jì)制約和/或安全性制約的結(jié)果。
[0042] 具體地，圖5A和圖5B描述了可行搜索方法（S卩，算法)、而圖5C描述了不可行搜 索方法（即，算法)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，各圖不意圖描述任何特定的搜索方法或算法而只 是說明性的。如圖5A和圖5B二者所描述的，可行搜索方法從可行區(qū)域64內(nèi)的可行點(diǎn)70 開始?？尚兴阉鞣椒ㄔ诳刂茣r(shí)間期間從起始可行點(diǎn)70圍繞可行區(qū)域64移動以搜索最優(yōu) 解（即，控制軌跡）72。在一些情況下，如圖5A所示，找到了最優(yōu)控制軌跡72。在其他情況 下，如圖5B所示，找到了次優(yōu)但仍可行的控制軌跡74?？尚兴阉鞣椒ǖ氖纠窃加行Ъ?(primal active set)求解方法（即，算法)。相比而言，如圖5C所描述的，不可行搜索方法 從不可行區(qū)域66內(nèi)的不可行點(diǎn)76開始。不可行搜索方法從起始不可行點(diǎn)76確定不可行 解，直到不可行解收斂于最優(yōu)解（即，控制軌跡）72。不可行搜索方法的示例是對偶有效集 (dual active set)求解方法。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，如果在找到最優(yōu)控制軌跡72之前終 止，那么可行搜索方法將生成可行控制軌跡，而不可行搜索方法可以生成不可行控制軌跡。 [0043] 另外，如上所述，動態(tài)最優(yōu)化（即，可行搜索方法或不可行搜索方法）可以與控制系 統(tǒng)10的剩余部分同步運(yùn)行。因此，如果在控制時(shí)間期間找到了次于最優(yōu)控制軌跡，那么最 優(yōu)化可以持續(xù)到后面控制時(shí)間，這給0BC22更多時(shí)間用于復(fù)雜最優(yōu)化計(jì)算。此外，當(dāng)找到了 最優(yōu)化軌跡72時(shí)，可以是時(shí)間移位、時(shí)間填補(bǔ)并且包括在未來最優(yōu)化計(jì)算中。
[0044] 由于在一些實(shí)施方式中動態(tài)最優(yōu)化計(jì)算可以在控制時(shí)間期間找到次優(yōu)控制軌跡 74,所以穩(wěn)定過程78可以有利于使控制系統(tǒng)10穩(wěn)定。換言之，穩(wěn)定過程78可以被配置成 減小控制系統(tǒng)10的成本由于次優(yōu)控制軌跡74而增加的風(fēng)險(xiǎn)。如圖6所描述的，穩(wěn)定過程 78可以通過計(jì)算可行解或控制軌跡(過程塊80)而開始?？梢砸愿鞣N方式計(jì)算可行解。例 如，如將在下面更詳細(xì)地描述的那樣，可以使用穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化方法。或者，可以使用其他 搜索方法，如原始有效集求解方法。
[0045] 為了使控制系統(tǒng)10穩(wěn)定，過程塊80中所確定的可行解（S卩，第一穩(wěn)定控制軌跡)可 以與過程塊84中所確定的先前解（previous solution)(即，第二穩(wěn)定控制軌跡）進(jìn)行比 較。更具體地，使先前解推進(jìn)到下一個(gè)控制時(shí)間(這可以包括移位和填補(bǔ)）（過程塊86)。作 為示例，圖7A描述了具有在時(shí)間i處確定的控制范圍為六（S卩，六個(gè)時(shí)間步長）的控制軌跡 88。如上所述，控制軌跡88表示受操縱變量的設(shè)置，如閥打開的百分比。因此，基于控制軌 跡88,控制系統(tǒng)10將針對時(shí)間i與時(shí)間i+1之間的控制時(shí)間采取第一動作90。在時(shí)間i+1 處，進(jìn)行了第一動作90。因此，如圖7B所描述的，剩余的控制軌跡88 (S卩，時(shí)間i+1與時(shí)間 i+6之間的軌跡)時(shí)間移位以形成先前解92。另外，由于針對時(shí)間移位控制軌跡的控制范圍 為5 (S卩，五個(gè)時(shí)間步長)，所以先前解92被填補(bǔ)有附加的控制系統(tǒng)動作94。在一些實(shí)施方 式中，這可以包括重復(fù)最后的控制系統(tǒng)動作96。此外，圖7B描述了由虛線表示的如由過程 塊80最新計(jì)算的解98。因此，先前解92可以與最新計(jì)算的解98進(jìn)行比較。
[0046] 返回圖6,在先前解92和最新計(jì)算的解98被調(diào)整成相同的控制范圍之后，待比較 的一個(gè)特征可以是各自的成本。因此，基于目標(biāo)（即，成本）函數(shù)，（過程塊100)可以計(jì)算先 前解92的成本和最新計(jì)算的解98的成本(過程塊99)。接下來，新的解98的成本與先前解 92的成本進(jìn)行比較(過程塊102)。最后，（過程塊104)可以選擇具有最低成本的解（S卩，控 制軌跡)。
[0047] 如將在下面更詳細(xì)地描述的那樣，所選擇的控制軌跡可以被控制系統(tǒng)10利用，來 通過應(yīng)用所選擇的控制軌跡控制設(shè)備/過程12。例如，所選擇的控制軌跡可以直接用于控 制輸入到設(shè)備/過程12中的受操縱變量20?；蛘?，如圖8所描述的，所選擇的控制軌跡可 以用于穩(wěn)定確定性的基于最優(yōu)化的控制（0BC)過程（S卩，算法）106,這可以在0BC22中實(shí)現(xiàn)。 開始過程106,用戶定義的設(shè)定點(diǎn)107和/或可行目標(biāo)（S卩，映射到可行區(qū)域中的不可行設(shè)定 點(diǎn)）108可以被輸入到初始（S卩，上游）處理，初始處理可以被配置成確定可行解或控制軌跡 (過程塊110)。如上所述，初始處理(過程塊110)可以利用任何方法來確定可行解（即，控制 軌跡)。接下來，穩(wěn)定過程可以使控制系統(tǒng)10 (過程塊78)穩(wěn)定。然后，由穩(wěn)定過程78選擇 的解可以用于使動態(tài)最優(yōu)化初始化(過程塊112)。這可以是有幫助的，尤其當(dāng)輸入到利用可 行起始解的可行搜索方法中時(shí)。例如，如將在詳細(xì)的示例部分更詳細(xì)的描述的那樣，用由穩(wěn) 定過程78選擇的解使原始有效集求解方法(S卩，算法)初始化可以提高最優(yōu)化搜索112的效 率。最后，基于由最優(yōu)化搜索112確定的控制軌跡，可以控制輸入到設(shè)備/過程12中的受 操縱變量20 (過程塊114)。
[0048] 圖9至圖11描述了利用穩(wěn)定確定性的基于最優(yōu)化處理控制106的0BC22的不同的 實(shí)施方式。三個(gè)實(shí)施方式中所包括的是三個(gè)可選的且可配置的塊：穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116、 動態(tài)目標(biāo)生成塊118及動態(tài)最優(yōu)化塊120。因此，用戶可以根據(jù)閉合回路性能、魯棒性和/ 或執(zhí)行速度，選擇適合特定應(yīng)用的具體需要的0BC22的適當(dāng)?shù)呐渲谩?br> [0049] 穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116可以具有兩個(gè)不同的目的。穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116的第一 目的是基于模型28和用戶定義的設(shè)定點(diǎn)107,查找最有利的穩(wěn)定狀態(tài)控制目標(biāo)。穩(wěn)定狀態(tài) 最優(yōu)化塊116的第二目的是查找盡可能靠近不可行設(shè)定點(diǎn)的可行穩(wěn)定狀態(tài)目標(biāo)，然后，可 行穩(wěn)定狀態(tài)目標(biāo)可以用于動態(tài)最優(yōu)化112。在一些實(shí)施方式中，穩(wěn)定狀態(tài)目標(biāo)是具有單個(gè)操 作點(diǎn)的控制軌跡。此外，在一些實(shí)施方式中，穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116可以占用控制變量區(qū)。 換言之，區(qū)設(shè)定點(diǎn)代替了特定點(diǎn)。更具體地，穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊可以利用軟約束條件。
[0050] 動態(tài)目標(biāo)生成塊118可以被配置成基于用戶定義的設(shè)定點(diǎn)107、可行目標(biāo)108和 /或穩(wěn)定狀態(tài)目標(biāo)，生成可行動態(tài)控制軌跡。因此，可以減少拖延的效應(yīng)并且魯棒性可以是 良好的。如此處所使用的，拖延指的是所預(yù)測的控制軌跡是不可行的并且因此不被應(yīng)用。 例如，動態(tài)目標(biāo)生成塊118可以被配置成通過在每個(gè)不可行設(shè)定點(diǎn)處起始并且在可行目標(biāo) 108處終止來生成可行控制軌跡。另外，動態(tài)最優(yōu)化塊120可以被配置成實(shí)現(xiàn)動態(tài)最優(yōu)化處 理112。此外，如圖9至圖11所描述的，每個(gè)實(shí)施方式包括穩(wěn)定過程78。
[0051] 圖9描述了包括穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116、動態(tài)目標(biāo)生成塊118以及動態(tài)最優(yōu)化塊 120的實(shí)施方式。在所描述的實(shí)施方式中，利用原始有效集求解方法(S卩，算法)的穩(wěn)定狀態(tài) 最優(yōu)化塊116被配置成確定穩(wěn)定狀態(tài)目標(biāo)124。接下來，動態(tài)目標(biāo)生成塊118被配置成通過 過濾器結(jié)合來生成可行動態(tài)控制軌跡126。因此，在本實(shí)施方式中，穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116 和動態(tài)最優(yōu)化塊120組成初始處理110。因而，如上所述，穩(wěn)定過程78可以對控制系統(tǒng)10 進(jìn)行穩(wěn)定。基于穩(wěn)定過程78的輸出（S卩，所選擇的可行控制軌跡)，動態(tài)最優(yōu)化塊120可以 嘗試尋找最優(yōu)解(即，控制軌跡)。例如，所描述的實(shí)施方式使用原始有效集求解方法(即，算 法）122。圖9中所描述的0BC22實(shí)施方式可以是最通用的但最慢的配置。
[0052] 圖10描述了包括穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊116和動態(tài)目標(biāo)生成塊118的實(shí)施方式。與 圖9中所描述的實(shí)施方式相似，在所描述的實(shí)施方式中，穩(wěn)定狀態(tài)最優(yōu)化塊生成穩(wěn)定狀態(tài) 目標(biāo)124,動態(tài)目標(biāo)生成塊118生成可行動態(tài)控制軌跡126,并且穩(wěn)定過程78對控制系統(tǒng)10 進(jìn)行穩(wěn)定。在本實(shí)施方式中，穩(wěn)定過程78所選擇的可行控制軌跡被直接傳給控制系統(tǒng)10。 圖10中所描述的0BC22實(shí)施方式可以是時(shí)間敏感應(yīng)用的良好選擇。
[0053] 圖11描述了包括動態(tài)最優(yōu)化塊120的實(shí)施方式。在所描述的實(shí)施方式中，穩(wěn)定過 程78使用用戶輸入設(shè)定點(diǎn)107作為控制軌跡。與圖9中所描述的實(shí)施方式相似，基于穩(wěn)定 過程78的輸出，動態(tài)最優(yōu)化塊120可以嘗試尋找最優(yōu)解(S卩，控制軌跡)。圖11中所描述的 0BC22實(shí)施方式可以用于具有良好閉環(huán)性能的小規(guī)模應(yīng)用。
[0054] 詳細(xì)的示例
[0055] 以下是幫助對本文中所教導(dǎo)的技術(shù)進(jìn)行說明的詳細(xì)示例。首先，如上所述，可以通 過對動態(tài)優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行簡化來提高0BC22的效率。在某些實(shí)施方式中，對動態(tài)優(yōu)化計(jì)算進(jìn) 行簡化包括對模型28的簡化。一般情況下，可以將模型28表示為標(biāo)準(zhǔn)公式。

【權(quán)利要求】
1. 一種控制方法，包括： 確定受控過程（12)的多個(gè)變量的第一穩(wěn)定可行控制軌跡（80)，所述第一控制軌跡與 針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡相同或者是針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡的 延伸，所述軌跡在所述第一時(shí)間步長之后的多個(gè)未來時(shí)間步長上延伸； 針對繼所述第一時(shí)間步長之后的第二時(shí)間步長確定所述多個(gè)變量的第二穩(wěn)定可行控 制軌跡（84); 在所述第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用所述第一可行控制軌跡的第一成本（90); 在所述第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用所述第二可行控制軌跡的第二成本（100); 比較所述第一成本和所述第二成本（102); 基于在預(yù)先確定的時(shí)間幀中的比較，選擇所述第一可行控制軌跡或所述第二可行控制 軌跡（104);以及 通過應(yīng)用所選擇的控制軌跡來控制所述受控過程（114)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一可行控制軌跡是通過應(yīng)用基于最優(yōu)化 控制算法而被確定的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述基于最優(yōu)化控制算法包括可行最優(yōu)化搜索。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述可行最優(yōu)化搜索包括原始有效集求解算法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一可行控制軌跡包括在所述第一時(shí)間步 長處所應(yīng)用的控制軌跡的移位和填補(bǔ)版本。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二可行控制軌跡是通過應(yīng)用基于最優(yōu)化 控制算法而被確定的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述基于最優(yōu)化控制算法包括可行最優(yōu)化搜索。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述可行最優(yōu)化搜索包括原始有效集求解算法。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述受控過程（12)的實(shí)時(shí)控制期間循環(huán)重復(fù)所 述步驟。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一可行控制軌跡是通過將至少一個(gè)不可 行變量值移動到可行區(qū)域而被確定的（80)，盡管所得的第一可行控制軌跡是次優(yōu)的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二可行控制軌跡是通過將至少一個(gè)不可 行變量值移動到可行區(qū)域而被確定的，盡管所得的第二可行控制軌跡是次優(yōu)的。
12. -種控制方法，包括： 基于針對第二時(shí)間步長之前的第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡，在預(yù)先確定的時(shí)間 幀內(nèi)針對所述第二時(shí)間步長來確定受控過程（12)的多個(gè)變量的第一穩(wěn)定可行控制軌跡 (80)，所述軌跡在所述第一時(shí)間步長之后的多個(gè)未來時(shí)間步長上延伸； 應(yīng)用基于最優(yōu)化控制算法（106)，針對所述第二時(shí)間步長來確定第二可行控制軌跡； 如果應(yīng)用所述第一可行控制軌跡的第一成本小于應(yīng)用所述第二可行控制軌跡的第二 成本，或者如果所述基于最優(yōu)化控制算法在允許的時(shí)間內(nèi)不確定所述第二可行控制軌跡， 則選擇所述第一可行控制軌跡（104);以及 通過應(yīng)用所選擇的控制軌跡來控制所述受控過程（114)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一可行控制軌跡是通過應(yīng)用基于最優(yōu) 化控制算法而被確定的。
14. 一種控制系統(tǒng)（10)，包括： 用于存儲可執(zhí)行代碼的存儲器電路（36)以及用于執(zhí)行所述代碼的處理電路（34)，當(dāng) 所述代碼被執(zhí)行時(shí)所述代碼定義了下述步驟： 確定受控過程（12)的多個(gè)變量的第一穩(wěn)定可行控制軌跡（80)，所述第一控制軌跡與 針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡相同或者是針對第一時(shí)間步長所應(yīng)用的控制軌跡的 延伸，所述軌跡在所述第一時(shí)間步長之后的多個(gè)未來時(shí)間步長上延伸； 針對繼所述第一時(shí)間步長之后的第二時(shí)間步長確定所述多個(gè)變量的第二可行控制軌 跡（84); 在所述第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用所述第一可行控制軌跡的第一成本（99); 在所述第二時(shí)間步長處確定應(yīng)用所述第二可行控制軌跡的第二成本（100); 比較所述第一成本和所述第二成本（102); 基于在預(yù)先確定的時(shí)間幀內(nèi)的比較，選擇所述第一可行控制軌跡或所述第二可行控制 軌跡（104);以及 通過應(yīng)用所選擇的控制軌跡來控制所述受控過程。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述處理電路（34)包括多核處理器，并且其中 所述多核處理器中的一個(gè)核專用于確定可行控制軌跡，而所述多核處理器中的其他核執(zhí)行 其他處理功能。
【文檔編號】G05B19/418GK104049596SQ201410099092
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】揚(yáng)·科林斯基, 伊日·漢日利克, 彼得·霍拉切克, 比詹·薩亞爾羅德薩里 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司