專利名稱：采用范圍控制的多變量預(yù)測(cè)控制器中的變量最佳定標(biāo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于控制系統(tǒng)，較具體說(shuō)是關(guān)于確定采用范圍控制的增強(qiáng)(robust)多變量預(yù)測(cè)控制器(RMPC)的受控和被操作變量的加權(quán)值的方法。
當(dāng)前的系統(tǒng)中，控制器(RMPC)沒有關(guān)于受控變量和被操作變量的重要性的觀念，從而要求操作人員(或工程師)“告之”控制器哪一個(gè)是最重要的變量，哪個(gè)是其次重要的變量，或這些變量是否是等同重要。用戶輸入變量的重要性(或加權(quán)值)作為一增強(qiáng)多變量預(yù)測(cè)控制器的初始化過(guò)程的部分。受控變量(cV)或被操作變量(mV)的重要性是數(shù)種因子的函數(shù)，其中包括用于cV和mV的單位?，F(xiàn)在工程師們計(jì)算出用于cV和mV的單位并將一重要性附加至cV和mV的高低權(quán)值。
假定例如有三個(gè)受控變量cV1、cV2、和cV3的例子，其中cV1為溫度，cV2為壓力，和cV3為過(guò)程的集聚變量，當(dāng)然各自具有不同的工程單位。在此例中一個(gè)受控變量對(duì)控制器而言可比另一受控變量更重要。如果壓力為很小的工程單位(PSI)，這些單位可以具有達(dá)25000PSI的范圍，每一單位的壓力變化可能不如1°溫度變化那樣對(duì)過(guò)程重要。但是如果壓力為大氣壓，那么壓力中一大氣壓的變化將比1°溫度變化要重要得多。
本發(fā)明中將提供脫機(jī)的RMPC的最佳解答，它確定相對(duì)意義上的cV和mV對(duì)過(guò)程的重要性。這樣，操作人員就不必牽涉到作出這種決定。用戶仍然能超越或微調(diào)此解答輸出(亦即可加大或減少各個(gè)別變量的加權(quán)值)，但本發(fā)明給用戶提供用于初始該控制器的最佳開始點(diǎn)。
從而以對(duì)過(guò)程的變量附加以加權(quán)值，降低對(duì)系統(tǒng)的影響而能得到更增強(qiáng)的控制器。
為此本發(fā)明提供一種確定采用范圍控制的增強(qiáng)的多變量預(yù)測(cè)控制器的受控和被操作變量的加權(quán)值的方法。本發(fā)明提供的控制器控制過(guò)程的每一受控變量使在相應(yīng)的預(yù)定范圍之內(nèi)，一過(guò)程控制系統(tǒng)包含至少一被操作變量和至少一受控變量。提供過(guò)程的增強(qiáng)控制的方法，包括對(duì)被操作變量和過(guò)程變量計(jì)算一組定標(biāo)因子的步驟。該控制器以該組定標(biāo)因子被初始化，這些定標(biāo)因子確定被操作變量和過(guò)程變量對(duì)該過(guò)程的相對(duì)重要性。對(duì)增強(qiáng)控制進(jìn)行初始化以具有被操作變量和受控變量的預(yù)定約束。而后得到被操作變量和受控變量的當(dāng)前值。計(jì)算對(duì)將來(lái)預(yù)定數(shù)量的點(diǎn)的受控變量的新值，以使得受控變量的值在預(yù)定范圍之內(nèi)由此來(lái)獲得最終控制器的最佳堅(jiān)固性。被操作變量也被計(jì)算使在預(yù)定的約束之內(nèi)，而當(dāng)可控制時(shí)受控變量落入預(yù)定范圍內(nèi)；否則即保持受控變量約束擾亂為最小。從多個(gè)解答中選擇一最大增強(qiáng)的解答。然后將被操作變量調(diào)整到使得過(guò)程控制系統(tǒng)將受控變量的值驅(qū)至計(jì)算得的值。
因此本發(fā)明的目的就是提供確定采用范圍控制的增強(qiáng)多變量預(yù)測(cè)控制器的受控的和被操作的變量的加權(quán)值的方法。
結(jié)合下面的說(shuō)明和附圖將會(huì)對(duì)本發(fā)明這一和其他目的有更清楚的理解，附圖構(gòu)成本發(fā)明的一部分，其中同樣的符號(hào)指明同樣的部分。所列附圖為

圖1為可采用本發(fā)明的過(guò)程控制系統(tǒng)的功能方框圖；和圖2為確定所得到的對(duì)角矩陣的最小條件數(shù)的流程圖。
在本發(fā)明的采用范圍控制的增強(qiáng)多變量預(yù)測(cè)控制器(RMPC)中，以脫機(jī)方式產(chǎn)生最佳解答，相對(duì)地確定各受控變量(cV)和各被操作變量(mV)對(duì)過(guò)程的重要性。參照美國(guó)專利5,351,184可詳細(xì)了解采用范圍控制的RMPC，該專利被指定給本申請(qǐng)的同一受讓人并在此被引用作為對(duì)本發(fā)明理解的進(jìn)一步需要。
參看圖1，其中表示可采用本發(fā)明的一過(guò)程控制系統(tǒng)的功能框圖?？刂破?0具有多個(gè)輸出，作為輸入變量u耦合到過(guò)程20。此過(guò)程20可包含例如多個(gè)能被控制的如閥門、加熱器……的部件。過(guò)程20的過(guò)程變量y包含溫度、壓力、濃度……等左右產(chǎn)品質(zhì)量的因素。輸入變量u(即被操作變量mV)被定義為mv=mv1mv2mv3]]>而輸出變量y(過(guò)程變量pn或受控變量cV)，被定義為cv=cv1cv2cv3]]>這樣，在此例中，過(guò)程20為具有三個(gè)被操作變量和三個(gè)受控變量的動(dòng)態(tài)過(guò)程P(s)。
此過(guò)程20通過(guò)G被定義，其中G(初始模式矩陣)為G=g11,g12,g13g21,g22,g23g31,g32,g33]]>這樣，如果cV1為壓力，cV2為溫度和cV3為濃度，運(yùn)行上述的示例，則(壓力)cV1＝g11·mV1+g12·mV2+g13·mV3(溫度)cV2＝g21·mV1+g22·mV2+g23·mV3(濃度)cV3＝g31·mV1+g32·mV2+g33·mV3如可以看到的，壓力受三個(gè)相關(guān)的mV(mV1、mV2、mV3)的影響，……。
g11、g12、g13……的值將作為對(duì)受控變量所選擇的工程單位(或更簡(jiǎn)單地為單位)的函數(shù)而變化。
如果cV2以英寸作線性量度時(shí)，而且如果例如目標(biāo)G21、g22、和g23分別為10、12、24，則cV2(英寸)＝10·mV1+12·mV2+24·mV3從而對(duì)每一單位(即一英寸)mV1變化，cV2改變10英寸，每英寸的mV2變化使cV2改變12英寸，和每一英寸的mV3變化使cV2改變24英寸。如果單位是英尺而不是英寸，則g21、g22和g23分別被改變到0.8，1.0和2.0。但是，cV2的意義增加，因?yàn)閏V2每單位變化對(duì)應(yīng)于不是cV2中的英寸變化的影響。因而在整個(gè)控制過(guò)程中，與在cV2以英寸表示時(shí)相比較，不希望具有從設(shè)定點(diǎn)偏離一個(gè)單位的CV2。
由于控制器對(duì)單位不敏感，控制器就將力圖首先校正較大地偏離其希望位置的cV。這樣，例如，如果cVx和cVy分別由其各自所希望位置偏離2和1，控制器首先就因cVx具有較高的數(shù)量而力圖將其移動(dòng)到它所希望的位置，控制器不了解單位，但是cVx中的2單位的偏離可能具有小于cVy中的1單位偏離的意義(例如，如果cVx為mm而cVy為英尺，cVx離開2mm而cVy離開1英尺。在這種情況下cVy應(yīng)當(dāng)是重要的參數(shù))。因而cVy上必須存在一較高的cV權(quán)值。同樣也必須確定用于mV的單位選擇。本發(fā)明確定包含cV和mV單元的定標(biāo)因子。
現(xiàn)在來(lái)說(shuō)明按照本發(fā)明的方法的確定“定標(biāo)因子”的方法。定義一對(duì)角矩陣以使G(s)=DR1000DR2000DR3g11g12g13g21g22g23g31g32g33DC100DC3]]>(行定標(biāo)) (列定標(biāo))
DR確定各cV的重要性，而DC確定各mV的重要性。則(利用本技術(shù)領(lǐng)域熟知人員所公知的矩陣代數(shù)運(yùn)算)G(s)=DR1·g11·DC1DR1·g12·DC2DR1·g13·DC3DR2·g21·DC1DR2·g22·DC2DR2·g23·DC3DR3·g31·DC1DR3·g32·DC2DR3·g33·DC3]]>(被定標(biāo)的)接著，尋找前定標(biāo)因子(行定標(biāo)因子)和后定標(biāo)因子(列定標(biāo)因子)以使得最后得到的矩陣[G(S)被定標(biāo)矩陣]的條件數(shù)為最小。此最小化條件數(shù)總是給予最佳的重要性選擇(即最佳定標(biāo)或最佳加權(quán))。
最佳定標(biāo)因子DR和DC按照?qǐng)D2的流程圖被確定。為找到最小條件數(shù)，執(zhí)行一迭代過(guò)程。
此過(guò)程以t0＝∞(這里t0＝(G)的條件數(shù)＝cond(G))開始，其中G為
計(jì)算DR(塊101)，其中
DR1=(Σj=1mglj2)-1]]>DRi=(Σj=lmgij2)-1fori=1ton]]>然后計(jì)算DC(塊105)，其中
DC1=(Σi=lngil2)-1]]>DCj=(Σi=lngij2)-1forj=1tom]]>存放每一次迭代的DR和DC值。
計(jì)算Cond(G)(塊110)，其中G＝(DR)r·G·(DC)r針對(duì)前一迭代的G的條件數(shù)G檢查G的條件數(shù)G(塊115)，如果它小于一預(yù)定數(shù)，此過(guò)程存在。如果相差值大于該預(yù)定數(shù)ε(容許水平)，過(guò)程在塊101重復(fù)，并將剛完成的迭代的條件數(shù)加以存放(塊120)。應(yīng)注意，第一次通過(guò)該循環(huán)，對(duì)塊115的答案總是NO。一典型的情況中迭代數(shù)約為10。
在第r次迭代，當(dāng)過(guò)程存在時(shí)，DR＝DR(1)·DR(2)……DR(r)DC＝DC(1)·DC(2)……DC(r)和G(S)＝DR·G·DC然后將以上脫機(jī)得到的解答應(yīng)用到控制器，特別應(yīng)用到預(yù)定實(shí)施例的RMPC控制器。將定標(biāo)的模式數(shù)據(jù)裝載進(jìn)RMPC控制器(即G(S))。G(S)基本上是一具有不同的cV單位和mV單位的新的增益矩陣。還裝載上面確定的前和后定標(biāo)因之，生成如圖1中所示的控制器10的結(jié)構(gòu)。
雖然上面的說(shuō)明是關(guān)于RMPC的，但本領(lǐng)域的熟練人員將會(huì)理解此最佳定標(biāo)技術(shù)可應(yīng)用于任何過(guò)程控制器。
盡管已表明被認(rèn)為是本發(fā)明的最佳實(shí)施例的內(nèi)容，但很顯見可在其中作出許多的變化和修改而不離開本發(fā)明的基本精神和范疇。因此將以所附權(quán)利要求來(lái)概括所有處于本發(fā)明的實(shí)際范圍之內(nèi)的變化和修正。
權(quán)利要求
1.在一過(guò)程控制系統(tǒng)中，一種提供一過(guò)程的增強(qiáng)控制的方法，該過(guò)程控制系統(tǒng)中具有提供增強(qiáng)的控制給一過(guò)程的控制器，此過(guò)程還具有至少一被操作變量和至少一過(guò)程變量，該方法包括步聚a)對(duì)被操作變量和過(guò)程變量計(jì)算一組定標(biāo)因子；b)以該組定標(biāo)因子對(duì)控制器進(jìn)行初始化，這組定標(biāo)因子確定被操作變量和過(guò)程變量對(duì)過(guò)程的相對(duì)重要性；c)初始化該增強(qiáng)的控制以具有被操作變量和受控變量的預(yù)定的約束；d)獲取被操作變量和過(guò)程變量的當(dāng)前值，所述過(guò)程變量對(duì)應(yīng)于該過(guò)程的測(cè)量參數(shù)；e)計(jì)算用于將來(lái)預(yù)定數(shù)量點(diǎn)的過(guò)程變量的新值使過(guò)程變量具有預(yù)定范圍內(nèi)的值，以便得到最終控制器的最佳堅(jiān)固性，被操作變量處于預(yù)定的約束之內(nèi)，而過(guò)程變量則在可控制時(shí)落入一預(yù)定的范圍內(nèi)；否則將過(guò)程變量約束擾亂保持為最??；f)從多個(gè)解答中選擇一最大增強(qiáng)的解答；和g)按照最大增強(qiáng)的解答，控制該過(guò)程。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中計(jì)算一組定標(biāo)因子的步驟包含步驟a)定義包含行定標(biāo)矩陣、控制器的增益矩陣、和列定標(biāo)矩陣的對(duì)角矩陣；b)從行定標(biāo)矩陣中確定一前定標(biāo)因子；c)從列定標(biāo)矩陣中確定一后定標(biāo)因子；d)由前定標(biāo)因子和后定標(biāo)因子中確定條件數(shù)；e)確定條件數(shù)是否低于預(yù)定的容許水平；f)如果條件數(shù)大于預(yù)定的容許水平，重復(fù)步驟(b)至步驟(e)，否則繼續(xù)；g)由從各迭代計(jì)算得的前定標(biāo)因子和后定標(biāo)因子計(jì)算該組定標(biāo)因子以加入該控制器。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中控制步驟包括步驟；a)將權(quán)利要求1的步驟(f)的最大增強(qiáng)的解答的被操作變量輸出給該過(guò)程；和b)按照被操作變量的調(diào)整過(guò)程，使過(guò)程控制系統(tǒng)將過(guò)程變量的值驅(qū)至權(quán)利要求1步驟(f)的計(jì)算得的值，由此提供過(guò)程的控制。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中選擇步驟包括步驟a)確定一組對(duì)應(yīng)于最小控制器尺寸的受控變量。
全文摘要
一包含至少一被操作變量和至少一受控變量的過(guò)程控制系統(tǒng),提供用于過(guò)程的增強(qiáng)控制的方法。獲取被操作變量和受控變量的預(yù)定約束以及被操作變量的當(dāng)前值。計(jì)算被操作變量和過(guò)程變量的一組定標(biāo)因子。及以這組定標(biāo)因子來(lái)對(duì)控制器(10)進(jìn)行初始化,這組定標(biāo)因子確定被操作變量和過(guò)程變量對(duì)過(guò)程的相對(duì)重要性。計(jì)算用于未來(lái)預(yù)定數(shù)量點(diǎn)的受控變量的新值,使這些受控變量的值處于預(yù)定范圍之內(nèi)由此得到最終控制器的最佳堅(jiān)固性。被操作變量也被計(jì)算使在預(yù)定的約束之內(nèi),而使受控制變量在可加控制時(shí)落入一預(yù)定的范圍。從多個(gè)解答中選擇一最大增強(qiáng)的解。然后調(diào)整被操作變量促使過(guò)程控制系統(tǒng)將受控變量的值驅(qū)至所計(jì)算得的值。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1179839SQ96192963
公開日1998年4月22日 申請(qǐng)日期1996年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月3日
發(fā)明者盧祝新 申請(qǐng)人:霍尼韋爾公司