相關(guān)申請的交叉引用和優(yōu)先權(quán)要求

本申請根據(jù)35u.s.c.§120要求作為2014年7月21日提交的美國專利申請?zhí)?4/336,888的部分繼續(xù)申請的優(yōu)先權(quán)，該申請被整體地通過引用結(jié)合到本文中。

本公開一般地涉及工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)。更具體地，本公開涉及一種用于計(jì)算用于支持級聯(lián)模型預(yù)測控制（mpc）的代理極限的裝置和方法。

背景技術(shù)：

常常使用工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)來管理處理設(shè)施。許多控制和自動化系統(tǒng)包括執(zhí)行不同功能的多個(gè)分級層。例如，較低層可以包括執(zhí)行過程控制功能和模型預(yù)測控制（mpc）操作的設(shè)備，而較高層可以包括提供全工廠范圍優(yōu)化解決方案的設(shè)備。

理想地，控制和全工廠范圍優(yōu)化將聯(lián)合地設(shè)計(jì)，但是出現(xiàn)如何同時(shí)地在較低層級處提供分散式控制并在較高層級處提供集中式優(yōu)化的一個(gè)問題。分散式mpc解決方案常常由于其在處理過程擾動、設(shè)備故障以及維護(hù)方面的可操作性和靈活性而是更加期望的。集中式規(guī)劃優(yōu)化常常是更加期望的，因?yàn)槠漭^高層級視圖提取出非必要或者含糊不清的細(xì)節(jié)。然而，常規(guī)控制和自動化系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)在于缺少跨多個(gè)層的保證解決方案一致性。實(shí)際上，全工廠范圍規(guī)劃優(yōu)化很少（如果有過的話）被實(shí)現(xiàn)為閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分。結(jié)果，大量的優(yōu)化收益仍是達(dá)不到的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供了一種用于計(jì)算用以支持級聯(lián)模型預(yù)測控制（mpc）的代理極限的裝置和方法。

在第一實(shí)施例中，一種方法包括在主模型預(yù)測控制（mpc）控制器處從從mpc控制器接收指示從mpc控制器能夠在不違反從mpc控制器的過程變量約束的情況下在變量空間內(nèi)的多個(gè)方向中的每一個(gè)上改變多個(gè)被操縱變量達(dá)到什么程度的信息。所述方法還包括使用所述信息來估計(jì)與從mpc控制器相關(guān)聯(lián)的可行性區(qū)域，其中，該可行性區(qū)域識別其中被操縱變量值的組合滿足過程變量約束的變量空間的一部分。另外，所述方法包括使用可行性區(qū)域在主mpc控制器處執(zhí)行全工廠范圍優(yōu)化，其中，在全工廠范圍優(yōu)化期間產(chǎn)生的解決方案包括可行性區(qū)域內(nèi)的被操縱變量值的組合中的一個(gè)。

在第二實(shí)施例中，一種裝置包括主mpc控制器，其包括至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口和至少一個(gè)處理設(shè)備。所述至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口被配置成從從mpc控制器接收指示從mpc控制器能夠在不違反從mpc控制器的過程變量約束的情況下在變量空間內(nèi)的多個(gè)方向中的每一個(gè)上改變多個(gè)被操縱變量達(dá)到什么程度的信息。所述至少一個(gè)處理設(shè)備被配置成使用所述信息來估計(jì)與從mpc控制器相關(guān)聯(lián)的可行性區(qū)域，其中，該可行性區(qū)域識別其中被操縱變量值的組合滿足過程變量約束的變量空間的一部分。所述至少一個(gè)處理設(shè)備還被配置成使用可行性區(qū)域來執(zhí)行全工廠范圍優(yōu)化，其中，在全工廠范圍優(yōu)化期間產(chǎn)生的解決方案包括可行性區(qū)域內(nèi)的被操縱變量值的組合中的一個(gè)。

在第三實(shí)施例中，一種非臨時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包含計(jì)算機(jī)程序。所述計(jì)算機(jī)程序包括用于在主mpc控制器處從從mpc控制器接收指示從mpc控制器能夠在不違反從mpc控制器的過程變量約束的情況下在變量空間內(nèi)的多個(gè)方向中的每一個(gè)上改變多個(gè)被操縱變量達(dá)到什么程度的信息的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。所述計(jì)算機(jī)程序還包括用于使用所述信息來估計(jì)與從mpc控制器相關(guān)聯(lián)的可行性區(qū)域的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，其中，該可行性區(qū)域識別其中被操縱變量值的組合滿足過程變量約束的變量空間的一部分。所述計(jì)算機(jī)程序還包括

用于使用可行性區(qū)域在主mpc控制器處執(zhí)行全工廠范圍優(yōu)化的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼，其中，在全工廠范圍優(yōu)化期間產(chǎn)生的解決方案包括可行性區(qū)域內(nèi)的被操縱變量值的組合中的一個(gè)。

根據(jù)以下附圖、描述以及權(quán)利要求，其它技術(shù)特征對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言可以是顯而易見的。

附圖說明

為了更完整地理解本公開，現(xiàn)在對結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述進(jìn)行參考，在所述附圖中：

圖1圖示出根據(jù)本公開的示例性工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)；

圖2a和2b圖示出根據(jù)本公開的用來在工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中支持級聯(lián)mpc方法的示例規(guī)劃和模型預(yù)測控制（mpc）模型；

圖3a至3c圖示出根據(jù)本公開的用于工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)的示例性級聯(lián)mpc架構(gòu)；

圖4圖示出根據(jù)本公開的級聯(lián)mpc架構(gòu)中的代理極限的示例性使用；

圖5圖示出根據(jù)本公開的供級聯(lián)mpc架構(gòu)使用的示例性圖形用戶界面（gui）；

圖6圖示出根據(jù)本公開的用于將貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本與級聯(lián)mpc架構(gòu)一起使用的示例性技術(shù)；

圖7至9圖示出根據(jù)本公開的用于在級聯(lián)mpc架構(gòu)中形成規(guī)劃模型的示例性基礎(chǔ)模型；

圖10圖示出根據(jù)本公開的用于在級聯(lián)mpc架構(gòu)中確認(rèn)規(guī)劃模型的示例性技術(shù)；

圖11和12圖示出根據(jù)本公開的用于在級聯(lián)mpc架構(gòu)中將主mpc控制器和從mpc控制器中的變量鏈接的示例性技術(shù)；

圖13圖示出根據(jù)本公開的用于在工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中使用級聯(lián)mpc控制器的示例性方法；

圖14至18圖示出根據(jù)本公開的用于產(chǎn)生用以支持級聯(lián)mpc的與可行性區(qū)域相關(guān)聯(lián)的代理極限的示例性技術(shù)；以及

圖19圖示出根據(jù)本公開的用于計(jì)算用以支持級聯(lián)mpc的代理極限的示例性方法。

具體實(shí)施方式

下面討論的圖1至19以及用來在本專利文獻(xiàn)中描述本本發(fā)明的原理的各種實(shí)施例僅僅是作為例證且不應(yīng)以任何方式解釋成限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是可在任何類型的適當(dāng)布置的設(shè)備或系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理。

圖1圖示出根據(jù)本公開的示例性工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)100。如圖1中所示，系統(tǒng)100包括促進(jìn)至少一個(gè)產(chǎn)品或其它材料的生產(chǎn)或處理的各種部件。例如，系統(tǒng)100在這里被用來促進(jìn)對一個(gè)或多個(gè)工廠（plant）101a—101n中的部件的控制。每個(gè)工廠101a—101n表示一個(gè)或多個(gè)處理設(shè)施（或其一個(gè)或多個(gè)部分），諸如用于產(chǎn)生至少一個(gè)產(chǎn)品或其它材料的一個(gè)或多個(gè)制造設(shè)施。一般地，每個(gè)工廠101a—101n可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)過程，并且可單獨(dú)地或共同地稱為過程系統(tǒng)。過程系統(tǒng)一般地表示被配置成以某種方式處理一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品或其它材料的任何系統(tǒng)或其一部分。

在圖1中，使用過程控制的purdue模型來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)100。在purdue模型中，“層級0”可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器102a和一個(gè)或多個(gè)致動器102b。傳感器102a和致動器102b表示可執(zhí)行各種各樣功能中的任何一個(gè)的過程系統(tǒng)中的部件。例如，傳感器102a可以測量過程系統(tǒng)中的各種各樣的特性，諸如溫度、壓力（pressure）或流速率。并且，致動器102b可以改變過程系統(tǒng)中的各種各樣的特性。傳感器102a和致動器102b可以表示任何適當(dāng)過程系統(tǒng)中的任何其它或附加部件。每個(gè)傳感器102a包括用于測量過程系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)特性的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)致動器102b包括用于對過程系統(tǒng)進(jìn)行操作或影響過程系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)條件的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。

至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)104被耦合到傳感器102a和致動器102b。網(wǎng)絡(luò)104促進(jìn)與傳感器102a和致動器102b的交互。例如，網(wǎng)絡(luò)104可以傳輸來自傳感器102a的測量數(shù)據(jù)，并向致動器102b提供控制信號。網(wǎng)絡(luò)104可以表示任何適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)組合。作為特定示例，網(wǎng)絡(luò)104可以表示以太網(wǎng)、電信號網(wǎng)絡(luò)（諸如hart或foundationfieldbus網(wǎng)絡(luò)）、氣動控制信號網(wǎng)絡(luò)、或任何其它或附加（多個(gè)）類型的（多個(gè)）網(wǎng)絡(luò)。

在purdue模型中，“層級1”可以包括一個(gè)或多個(gè)控制器106，其被耦合到網(wǎng)絡(luò)104。除其它的事物之外，每個(gè)控制器106可以使用來自一個(gè)或多個(gè)傳感器102a的測量結(jié)果來控制一個(gè)或多個(gè)致動器102b的操作。例如，控制器106可以從一個(gè)或多個(gè)傳感器102a接收測量數(shù)據(jù)并使用該測量數(shù)據(jù)來生成用于一個(gè)或多個(gè)致動器102b的控制信號。每個(gè)控制器106包括用于與一個(gè)或多個(gè)傳感器102a相交互并控制一個(gè)或多個(gè)致動器102b的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)控制器106可以例如表示多變量控制器，諸如魯棒多變量預(yù)測控制技術(shù)（rmpct）控制器或?qū)崿F(xiàn)模型預(yù)測控制（mpc）、動態(tài)矩陣控制（dmc）、shell全局解多變量優(yōu)化和控制（smoc）或其它高級預(yù)測控制（apc）的其它類型控制器。作為特定示例，每個(gè)控制器106可以表示運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)108被耦合到控制器106。網(wǎng)絡(luò)108諸如通過向和從控制器106傳送數(shù)據(jù)來促進(jìn)與控制器106的交互。該網(wǎng)絡(luò)108可以表示任何適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)組合。作為特定示例，網(wǎng)絡(luò)108可以表示冗余的一對以太網(wǎng)，諸如來自honeywellinternational公司的faulttolerantethernet（fte）網(wǎng)絡(luò)。

至少一個(gè)交換機(jī)/防火墻110將網(wǎng)絡(luò)108耦合到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)112。交換機(jī)/防火墻110可以從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)向另一個(gè)傳送業(yè)務(wù)。交換機(jī)/防火墻110還可以阻止一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)到達(dá)另一網(wǎng)絡(luò)。交換機(jī)/防火墻110包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，諸如honeywellcontrolfirewall（cf9）設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)112可以表示任何適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)，諸如fte網(wǎng)絡(luò)。

在purdue模型中，“層級2”可以包括被耦合到網(wǎng)絡(luò)112的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器級控制器114。機(jī)器級控制器114執(zhí)行各種功能以支持控制器106、傳感器102a以及致動器102b（其可以與特定的一臺工業(yè)設(shè)備（諸如鍋爐或其它機(jī)器）相關(guān)聯(lián)）的操作和控制。例如，機(jī)器級控制器114可以記錄（log）由控制器106收集或生成的信息，諸如來自傳感器102a的測量數(shù)據(jù)或用于致動器102b的控制信號。機(jī)器級控制器114還可以執(zhí)行控制控制器106的操作的應(yīng)用程序，從而控制致動器102b的操作。另外，機(jī)器級控制器114可以提供對控制器106的安全訪問。每個(gè)機(jī)器級控制器114包括用于提供對機(jī)器或其它單個(gè)一臺設(shè)備的訪問、對其控制、或與其有關(guān)的操作的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)機(jī)器級控制器114可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。雖然未示出，但可以使用不同的機(jī)器級控制器114來控制過程系統(tǒng)中的不同的各臺設(shè)備（其中，每臺設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)控制器106、傳感器102a以及致動器102b相關(guān)聯(lián)）。

一個(gè)或多個(gè)操作員站116被耦合到網(wǎng)絡(luò)112。操作員站116表示提供對機(jī)器級控制器114的用戶訪問的計(jì)算或通信設(shè)備，其然后可以提供對控制器106（和可能的傳感器102a和致動器102b）的用戶訪問。作為特定示例，操作員站116可以允許用戶使用由控制器106和/或機(jī)器級控制器114收集的信息來回顧傳感器102a和致動器102b的操作歷史。操作員站116還可以允許用戶調(diào)整傳感器102a、致動器102b、控制器106或機(jī)器級控制器114的操作。另外，操作員站116可以接收并顯示由控制器106或機(jī)器級控制器114生成的警告、警報(bào)或其它消息或顯示。每個(gè)操作員站116包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作員站116可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

至少一個(gè)路由器/防火墻118將網(wǎng)絡(luò)112耦合到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)120。路由器/防火墻118包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，諸如安全路由器或組合路由器/防火墻。網(wǎng)絡(luò)120可以表示任何適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)，諸如fte網(wǎng)絡(luò)。

在purdue模型中，“層級3”可以包括被耦合到網(wǎng)絡(luò)120的一個(gè)或多個(gè)單元級控制器122。每個(gè)單元級控制器112通常與過程系統(tǒng)中的單元相關(guān)聯(lián)，該單元表示一起操作以實(shí)現(xiàn)過程的至少一部分的不同機(jī)器的集合。單元級控制器122執(zhí)行各種功能以支持較低層級中的部件的操作和控制。例如，單元級控制器122可以記錄由較低層級中的部件收集或生成的信息，執(zhí)行控制較低層級中的部件的應(yīng)用程序，并提供對較低層級中的部件的安全訪問。每個(gè)單元級控制器122包括用于提供對過程單元中的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器或其它各臺設(shè)備的訪問、其控制、或與其有關(guān)的操作的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元級控制器122可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。雖然未示出，但可以使用不同的單元級控制器122來控制過程系統(tǒng)中的不同單元（其中，每個(gè)單元與一個(gè)或多個(gè)機(jī)器級控制器114、控制器106、傳感器102a、以及致動器102b相關(guān)聯(lián)）。

對單元級控制器122的訪問可由一個(gè)或多個(gè)操作員站124提供。每個(gè)操作員站124包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作員站124可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

至少一個(gè)路由器/防火墻126將網(wǎng)絡(luò)120耦合到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)128。路由器/防火墻126包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，諸如安全路由器或組合路由器/防火墻。網(wǎng)絡(luò)128可以表示任何適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)，諸如fte網(wǎng)絡(luò)。

在purdue模型中，“層級4”可以包括被耦合到網(wǎng)絡(luò)128的一個(gè)或多個(gè)工廠級控制器130。每個(gè)工廠級控制器130通常與工廠101a—101n中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)，其可以包括實(shí)現(xiàn)相同、類似或不同過程的一個(gè)或多個(gè)過程單元。工廠級控制器130執(zhí)行各種功能以支持較低層級中的部件的操作和控制。作為特定示例，工廠級控制器130可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（ms）應(yīng)用程序、調(diào)度應(yīng)用程序或其它或附加工廠或過程控制應(yīng)用程序。每個(gè)工廠級控制器130包括用于提供對過程工廠中的一個(gè)或多個(gè)過程單元的訪問、其控制、或與其有關(guān)的操作的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)工廠級控制器130可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。

對工廠級控制器130的訪問可由一個(gè)或多個(gè)操作員站132提供。每個(gè)操作員站132包括用于支持對系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作員站132可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

至少一個(gè)路由器/防火墻134將網(wǎng)絡(luò)128耦合到一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)136。路由器/防火墻134包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，諸如安全路由器或組合路由器/防火墻。網(wǎng)絡(luò)136可以表示任何適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)，諸如企業(yè)范圍的以太網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò)或者較大網(wǎng)絡(luò)（諸如因特網(wǎng)）的全部或一部分。

在purdue模型中，“層級5”可以包括被耦合到網(wǎng)絡(luò)136的一個(gè)或多個(gè)企業(yè)級控制器138。每個(gè)企業(yè)級控制器138通常能夠執(zhí)行用于多個(gè)工廠101a—101n的規(guī)劃操作并控制工廠101a—101n的各種方面。企業(yè)級控制器138還可以執(zhí)行各種功能以支持工廠101a—101n中的部件的操作和控制。作為特定示例，企業(yè)級控制器138可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)訂單處理應(yīng)用程序、企業(yè)資源規(guī)劃（erp）應(yīng)用程序、高級規(guī)劃和調(diào)度（aps）應(yīng)用程序、或任何其它或附加企業(yè)控制應(yīng)用程序。每個(gè)企業(yè)級控制器138包括用于提供對一個(gè)或多個(gè)工廠的訪問、其控制或與其控制有關(guān)的操作的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)企業(yè)級控制器138可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。在本文中，術(shù)語“企業(yè)”指代具有要管理的一個(gè)或多個(gè)工廠或其它處理設(shè)施的組織。請注意，如果要管理單個(gè)工廠101a，則可以將企業(yè)級控制器138的功能結(jié)合到工廠級控制器130中。

對企業(yè)級控制器138的訪問可以由一個(gè)或多個(gè)操作員站140提供。每個(gè)操作員站140包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作員站140可以例如表示運(yùn)行microsoftwindows操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

purdue模型的各種層級可以包括其它部件，諸如一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫。與每個(gè)層級相關(guān)聯(lián)的（多個(gè)）數(shù)據(jù)庫可以存儲與該層級或系統(tǒng)100的一個(gè)或多個(gè)其它層級相關(guān)聯(lián)的任何適當(dāng)信息。例如，可以將歷史學(xué)家（historian）141耦合到網(wǎng)絡(luò)136。歷史學(xué)家141可以表示存儲關(guān)于系統(tǒng)100的各種信息的部件。歷史學(xué)家141可以例如存儲在生產(chǎn)調(diào)度和優(yōu)化期間使用的信息。歷史學(xué)家141表示用于存儲和促進(jìn)信息檢索的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。雖然被示為耦合到網(wǎng)絡(luò)136的單個(gè)集中式部件，但歷史學(xué)家141可以位于系統(tǒng)100中的別處，或者可以將多個(gè)歷史學(xué)家分布在系統(tǒng)100的不同位置上。

在特定實(shí)施例中，圖1中的各種控制器和操作員站可表示計(jì)算設(shè)備。例如，控制器106、114、122、130、138中的每一個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理設(shè)備142和一個(gè)或多個(gè)存儲器144，其用于存儲由（多個(gè)）處理設(shè)備142使用、生成或收集的指令和數(shù)據(jù)?？刂破?06、114、122、130、138中的每一個(gè)還可以包括至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口146，諸如一個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)接口或無線收發(fā)機(jī)。并且，操作員站116、124、132、140中的每一個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理設(shè)備148和一個(gè)或多個(gè)存儲器150，其用于存儲由（多個(gè)）處理設(shè)備148使用、生成或收集的指令和數(shù)據(jù)。操作員站116、124、132、140中的每一個(gè)還可以包括至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口152，諸如一個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)接口或無線收發(fā)機(jī)。

在過去幾十年來，mpc對于許多行業(yè)而言已變成標(biāo)準(zhǔn)多變量控制解決方案。mpc的廣泛使用已經(jīng)為更加經(jīng)濟(jì)上顯著的進(jìn)步（即閉環(huán)全工場范圍優(yōu)化）打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)。然而，對于大多數(shù)行業(yè)而言在嘗試提供閉環(huán)全工廠范圍優(yōu)化方面存在許多技術(shù)、工作流程以及用戶體驗(yàn)挑戰(zhàn)。結(jié)果，仍執(zhí)行開環(huán)全工廠范圍優(yōu)化，一般地稱為生產(chǎn)規(guī)劃。實(shí)際上，如果曾經(jīng)被實(shí)現(xiàn)為閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分，則全工廠范圍規(guī)劃優(yōu)化很少。事實(shí)上，在許多行業(yè)中，常常通過調(diào)解儀器（諸如日常操作員指令表）來手動地（且因此非最佳地）調(diào)整規(guī)劃結(jié)果。因此，大量的制造利潤仍然是不可得到的。

在某些行業(yè)中，已經(jīng)發(fā)明了調(diào)解解決方案層（諸如開環(huán)生產(chǎn)調(diào)度器）以將生產(chǎn)計(jì)劃分解成較小的可執(zhí)行塊。此調(diào)度器幫助將規(guī)劃解決方案轉(zhuǎn)換成操作員動作，但是其并未消除手動調(diào)整。在其它行業(yè)中，已經(jīng)使用開環(huán)生產(chǎn)調(diào)度器來代替生產(chǎn)規(guī)劃，但是其輸出目標(biāo)常常也是手動調(diào)整的。

手動地調(diào)整開環(huán)解決方案的慣例常常源自于對轉(zhuǎn)化或修訂高級生產(chǎn)目標(biāo)以便（i）以過程單位滿足低層級（可能安全相關(guān)的）控制約束并（ii）補(bǔ)償對生產(chǎn)庫存或產(chǎn)品質(zhì)量（在規(guī)劃術(shù)語中稱為“非計(jì)劃事件”）的擾動的需要。在手動轉(zhuǎn)化中涉及到的技術(shù)困難在很大程度上與在將使用處于不同標(biāo)度（scale）的模型的多層級解決方案集成中涉及到的困難一致。

本公開提供了一種用于全工廠范圍控制和優(yōu)化的級聯(lián)mpc解決方案，其幫助提供全工廠范圍優(yōu)化作為自動控制和自動化系統(tǒng)的一部分。如下所述，“主”mpc控制器被配置成使用規(guī)劃模型（諸如單周期規(guī)劃模型或（多個(gè)）其它適當(dāng)縮減模型）作為種子模型。主mpc控制器使用其優(yōu)化器來執(zhí)行全工廠范圍經(jīng)濟(jì)優(yōu)化來控制工廠內(nèi)部的生產(chǎn)庫存、制造活動、或產(chǎn)品質(zhì)量。主mpc控制器在一個(gè)或多個(gè)從mpc控制器頂部被級聯(lián)。從mpc控制器可以例如表示系統(tǒng)的單元層級（層級3）處的控制器，并且每個(gè)從mpc控制器為主mpc控制器提供其操作狀態(tài)和約束。因此，來自主mpc控制器的全工廠范圍優(yōu)化解決方案可以承受（honor）來自從mpc控制器的所有單元層級操作約束。mpc級聯(lián)聯(lián)合地同時(shí)地在單個(gè)一致的控制系統(tǒng)中提供分散式控制（諸如在單元層級處）和集中式全工廠范圍優(yōu)化（諸如在工廠層級處）兩者。短語“全工廠范圍優(yōu)化”或“全工廠范圍控制”指的是工業(yè)設(shè)施中的多個(gè)單元的優(yōu)化或控制，而無論那些多個(gè)單元是否表示工業(yè)設(shè)施中的每個(gè)單個(gè)單元。

這樣，此mpc級聯(lián)解決方案使得嵌入式實(shí)時(shí)規(guī)劃解決方案能夠承受較低層級操作約束。通過在線交叉利用（cross-leverage）規(guī)劃和控制模型兩者，mpc級聯(lián)解決方案使得可能實(shí)時(shí)地在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行“縮減范圍（reduced-horizon）”形式的規(guī)劃優(yōu)化。除其它事物之外，可以使用mpc級聯(lián)解決方案來通過其從mpc控制器自動地執(zhí)行即時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃。主mpc控制器中的縮減范圍規(guī)劃優(yōu)化的公式化可以與如在離線規(guī)劃工具中使用的單周期規(guī)劃優(yōu)化的公式化相似或相同，但是通常其時(shí)間范圍被縮短，諸如在一天與十四天之間。

如下劃分本專利文獻(xiàn)中的其余描述。描述了可以在工業(yè)過程控制和自動化環(huán)境中使用的多標(biāo)度模型，并且提供了一種使用多標(biāo)度模型的mpc級聯(lián)解決方案。描述了一種用于以代理極限的形式合并多標(biāo)度模型的管道，并且提供了一種用于改善用戶的體驗(yàn)的多標(biāo)度解決方案。此外，公開了使用貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本作為將中央經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)投射到中間流的價(jià)格/成本的方式，并且描述了可以在使用mpc級聯(lián)解決方案的某些系統(tǒng)中使用的模型結(jié)構(gòu)。最后，提供了一種模型確認(rèn)技術(shù)，公開了用于處理mpc級聯(lián)解決方案中的主—從變量的技術(shù)，并且提供了用于估計(jì)在其中可以調(diào)整工業(yè)過程的可行區(qū)域的技術(shù)。

雖然圖1圖示出工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)100的一個(gè)示例，但可以對圖1進(jìn)行各種改變。例如，控制和自動化系統(tǒng)可以包括任何數(shù)目的傳感器、致動器、控制器、服務(wù)器、操作員站、網(wǎng)絡(luò)及其它部件。并且，圖1中的系統(tǒng)100的組成和布置僅僅用于舉例說明。根據(jù)特定需要，可以以任何其它適當(dāng)配置來添加、省略、組合或放置部件。此外，特定功能已被描述為由系統(tǒng)100的特定部件執(zhí)行。這僅僅用于舉例說明。一般地，控制和自動化系統(tǒng)是高度可配置的，并且可以根據(jù)特定需要以任何適當(dāng)方式配置。另外，圖1圖示出其中可以使用mpc級聯(lián)解決方案的示例性環(huán)境?？梢栽谌魏纹渌m當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)中使用此功能。

多標(biāo)度模型

考慮具有多個(gè)單元的工業(yè)工廠。在高層級，應(yīng)建立所有過程單元之間的總體材料、部件、以及能量平衡。在低層級，應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂泼總€(gè)單元以確保工廠中的安全和單元的平穩(wěn)高效的操作。

規(guī)劃和mpc模型是可以用來解決級聯(lián)mpc架構(gòu)中的多層級問題的多標(biāo)度模型對的示例。圖2a和2b圖示出根據(jù)本公開的用來在工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中支持級聯(lián)mpc方法的示例規(guī)劃和mpc模型。特別地，圖2a表示基于產(chǎn)率的規(guī)劃模型200，并且圖2b表示mpc模型250。

如圖2a中所示，規(guī)劃模型200識別多個(gè)單元202，其一般地進(jìn)行操作以將饋送材料的一個(gè)或多個(gè)輸入流204轉(zhuǎn)換成已處理材料的一個(gè)或多個(gè)輸出流206。在本示例中，單元202表示油和氣精煉廠中的部件，其將單個(gè)輸入流204（原油）轉(zhuǎn)換成多個(gè)輸出流206（不同的精煉油/氣產(chǎn)品）。由單元202創(chuàng)建各種中間產(chǎn)品208，并且可以使用一個(gè)或多個(gè)儲罐210來儲存中間產(chǎn)品208中的一個(gè)或多個(gè)。如圖2b中所示，mpc模型250識別單個(gè)單元的多個(gè)部件252?？梢允褂酶鞣N閥和其它致動器254來調(diào)整單元內(nèi)的操作，并且可以使用各種apc及其它控制器256來控制單元內(nèi)的致動器。

一般地，規(guī)劃模型200用“鳥瞰”圖著眼于整個(gè)工廠（或其一部分）并因此在粗標(biāo)度上表示各個(gè)單元。規(guī)劃模型200集中于關(guān)于單元生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、材料和能量平衡、以及工廠內(nèi)部的制造活動的單元間穩(wěn)態(tài)關(guān)系。規(guī)劃模型200通常（但并不總是）由過程產(chǎn)率模型和產(chǎn)品質(zhì)量性質(zhì)構(gòu)成。規(guī)劃模型200可以由各種源（諸如規(guī)劃工具、調(diào)度工具、產(chǎn)率確認(rèn)工具和/或歷史操作數(shù)據(jù)）的組合構(gòu)造。然而，mpc模型250在較細(xì)標(biāo)度上表示至少一個(gè)單元。mpc模型250集中于受控變量（cv）、被操縱變量（mv）、以及關(guān)于單元的安全、平穩(wěn)以及高效操作的擾動變量（dv）之間的單元內(nèi)動態(tài)關(guān)系。兩個(gè)模型200、250的時(shí)間標(biāo)度也是不同的。mpc模型的時(shí)間范圍通常從數(shù)分鐘變動至數(shù)小時(shí)，而規(guī)劃模型的時(shí)間范圍通常從數(shù)天變動至數(shù)個(gè)月。請注意，“受控變量”一般地表示其值被控制成處于或接近于設(shè)定點(diǎn)或者在期望范圍內(nèi)的變量，而“被操縱變量”一般地表示被調(diào)整以便改變至少一個(gè)受控變亮的值的變量?！皵_動變量”一般地表示可以考慮其值但不被控制或調(diào)整的變量。

規(guī)劃模型200常?？梢郧覒?yīng)當(dāng)排除非生產(chǎn)相關(guān)或非經(jīng)濟(jì)相關(guān)變量，諸如每個(gè)單元內(nèi)的壓力、溫度、罐位（tanklevel）、以及閥門開口。替代地，規(guī)劃模型200可以將過程單元減少至一個(gè)或多個(gè)材料或能量產(chǎn)率矢量。另一方面，mpc模型250通常包括用于控制目的的所有操作變量以便幫助確保單元的安全且有效的操作。結(jié)果，mpc模型250與規(guī)劃模型200相比包括用于單元的許多更多變量。作為特定示例，用于煉油廠流化催化裂化單元（fccu）的mpc模型250可以包含約100個(gè)cv（輸出）和40個(gè)mv（輸入）。同一單元的規(guī)劃模型200可以僅集中于饋送質(zhì)量和操作模式（作為輸入）與fccu產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量（作為輸出）之間的關(guān)鍵因果關(guān)系，因此規(guī)劃模型200可以具有少到三個(gè)或四個(gè)輸入和十個(gè)輸出。此變量差別按照慣例是有效地將多層級解決方案集成的障礙。在下面的表1中概括了附加差別，其比較兩個(gè)模型200、250的典型焦點(diǎn)。

表1。

存在使用粗標(biāo)度規(guī)劃模型200的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，可以使用規(guī)劃模型200來簡潔地且清楚地將全工廠范圍經(jīng)濟(jì)優(yōu)化公式化而不糾纏于任何單個(gè)過程單元內(nèi)的可能含糊不清的細(xì)節(jié)。并且，可以首先采用分治法來解決高層級優(yōu)化問題，并且然后找到將解決方案向下傳遞至每個(gè)單元的方式。

雖然緊湊的良好地建立的規(guī)劃模型200使得容易設(shè)立規(guī)劃問題，看起來清楚并且迅速解決，但其帶來缺點(diǎn)—其不具有任何單元內(nèi)部的詳細(xì)變量的可見性。雖然這些詳細(xì)變量中的許多可能與高層級生產(chǎn)規(guī)劃幾乎沒有關(guān)系，但小子集通常有關(guān)系。當(dāng)規(guī)劃模型200不具有任何較低層級單元內(nèi)部的可見性時(shí)，其不能保證其解決方案（無論最佳與否）將承受所有單元的較低層級約束。這是為什么常常需要手動地轉(zhuǎn)化或修訂常規(guī)規(guī)劃解決方案以適應(yīng)單元內(nèi)部的操作約束的一個(gè)原因，并且在轉(zhuǎn)化中可能損失顯著的利潤率。如果其使用處于粗標(biāo)度的基于產(chǎn)率的規(guī)劃模型200的話，針對調(diào)度解決方案也可以這樣說。

從整體角度出發(fā)，用高層級基于產(chǎn)率的規(guī)劃模型200來公式化的優(yōu)化或控制問題可以受益于低層級mpc模型250?；驹硎潜挥糜诒ＷC單元中的約束滿意的細(xì)節(jié)通常已在單元的mpc模型250中，然而這些細(xì)節(jié)不一定是以正確的模型格式組織的。理想地，可以使用mpc模型250來補(bǔ)充用于以根據(jù)需要為基礎(chǔ)進(jìn)行規(guī)劃的單元的約束的細(xì)節(jié)。下面描述的級聯(lián)mpc方法提供了一種結(jié)構(gòu)框架，其中可以有效地使用mpc模型來向高層級粗標(biāo)度全工廠范圍優(yōu)化公式化或控制公式化供應(yīng)低層級細(xì)標(biāo)度模型信息。下面描述的級聯(lián)mpc方法可以利用規(guī)劃模型200和mpc模型250來提供此功能。

使用多標(biāo)度模型的級聯(lián)mpc解決方案

從全工廠范圍角度出發(fā)，控制和規(guī)劃常常是關(guān)聯(lián)的。規(guī)劃通常依賴于控制來建立用于優(yōu)化的可行區(qū)域，而控制通常依賴于規(guī)劃來協(xié)調(diào)各單元并使整個(gè)工廠在其最高可能盈利運(yùn)營點(diǎn)運(yùn)行。規(guī)劃因此常常取決于mpc控制器來在每個(gè)單元內(nèi)部推送約束以創(chuàng)建用于全工廠范圍優(yōu)化的較大可行區(qū)域。同時(shí)，mpc控制器常常取決于來自mpc控制器知道哪些約束實(shí)際上是全工廠范圍的瓶頸且因此應(yīng)被推送和哪些約束不是且可以保持不活動之前的規(guī)劃的指導(dǎo)。這兩個(gè)解決方案層因此互相共同依賴并應(yīng)被同時(shí)地處理。

解決此關(guān)聯(lián)問題的一個(gè)方式是聯(lián)合地設(shè)計(jì)控制和全工廠范圍優(yōu)化。由于每個(gè)mpc控制器具有嵌入式經(jīng)濟(jì)優(yōu)化器，所以可以設(shè)計(jì)單個(gè)大型全工廠范圍mpc控制器，其執(zhí)行全工廠范圍優(yōu)化和單元層級mpc控制兩者。然而，此類整體式或全或無mpc解決方案具有各種缺點(diǎn)。任何聯(lián)合設(shè)計(jì)方法的一個(gè)挑戰(zhàn)是同時(shí)地在較低層級提供分散式控制并在較高層級提供集中式優(yōu)化。

圖3a至3c圖示出根據(jù)本公開的用于工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)的示例性級聯(lián)mpc架構(gòu)300。如圖3a和3b中所示，級聯(lián)架構(gòu)300包括主mpc控制器302和一個(gè)或多個(gè)從mpc控制器304a—304n。從mpc控制器304a—304n與一個(gè)或多個(gè)正規(guī)過程控制器306a—306m相交互，其與工廠內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)過程308a—308n相關(guān)聯(lián)。從mpc控制器304a—304n可以表示層級3控制器，而過程控制器306a—306m可以表示層級2控制器。工廠的其余部分310可以包括層級1控制器、傳感器、致動器、及其它較低層級部件。主mpc控制器302一般地在主控制環(huán)路內(nèi)操作，而每個(gè)從mpc控制器304a—304n一般地在從控制環(huán)路內(nèi)操作。在單個(gè)主控制環(huán)路內(nèi)可以存在一個(gè)或多個(gè)從控制環(huán)路。

每個(gè)mpc控制器302、304a—304n支持經(jīng)濟(jì)優(yōu)化和多變量控制功能。主mpc控制器302使用規(guī)劃模型200（諸如基于產(chǎn)率的單周期規(guī)劃模型）來提供初始穩(wěn)態(tài)增益矩陣，并且可以使用工廠的操作數(shù)據(jù)（諸如歷史數(shù)據(jù)）來確定相關(guān)模型動態(tài)。主mpc控制器302進(jìn)行操作以控制工廠內(nèi)的產(chǎn)品庫存、制造活動或產(chǎn)品質(zhì)量。提供有相同的規(guī)劃模型結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)的主mpc控制器302的嵌入式經(jīng)濟(jì)優(yōu)化器因此可以再現(xiàn)單周期離線規(guī)劃優(yōu)化，但是以在線且實(shí)時(shí)的方式。

主mpc控制器302在n各從mpc控制器304a—304n頂部級聯(lián)（n是大于或等于一的整數(shù)值）。從mpc控制器304a—304n為主mpc控制器302提供用于工廠的每個(gè)單元的未來預(yù)測和操作約束。用此信息，來自級聯(lián)架構(gòu)300的實(shí)時(shí)規(guī)劃解決方案減少或消除了上文所討論的缺點(diǎn)。聯(lián)合地，mpc控制器302、304a—304n同時(shí)地用細(xì)標(biāo)度mpc模型250提供處于較低層級的分散式控制，并且用粗標(biāo)度規(guī)劃模型200來提供處于較高層級的集中式全工廠范圍優(yōu)化，全部在一個(gè)一致的級聯(lián)控制系統(tǒng)中。

常常需要將生產(chǎn)計(jì)劃手動地轉(zhuǎn)化成一組操作指令的另一原因是開環(huán)規(guī)劃解決方案具有通常從幾天變動至一個(gè)月（針對單周期）的時(shí)間范圍，并且其一般地一天僅執(zhí)行一次或者每隔幾天一次。因此，其缺少用以應(yīng)對不確定性的有效反饋機(jī)制，諸如饋送質(zhì)量或環(huán)境條件的變化、過程單元擾亂、加熱或冷卻能力限制、以及維護(hù)。為了幫助應(yīng)對這些情況，在主mpc控制器302中嵌入優(yōu)化器，并且該優(yōu)化器可以以用戶定義頻率執(zhí)行，諸如從每幾分鐘一次變動至每小時(shí)一次的頻率?？梢砸栽擃l率測量或估計(jì)每個(gè)單元的生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量兩者，并且可以如在任何標(biāo)準(zhǔn)mpc中那樣在主mpc控制器302中對預(yù)測誤差進(jìn)行偏置修正。如果檢測到與原始最佳計(jì)劃的任何偏差，則全工廠范圍的再優(yōu)化可以立即發(fā)生。新的最佳生產(chǎn)目標(biāo)然后可以被發(fā)送到從mpc控制器304a—304n并被其執(zhí)行，從而減少或消除對手動轉(zhuǎn)化或調(diào)整的需要。

還可以從常規(guī)mpc優(yōu)化設(shè)置修改某些優(yōu)化設(shè)置以便實(shí)時(shí)地捕捉附加收益。傳統(tǒng)mpc方法與級聯(lián)mpc解決方案之間的某些相似和差異可以包括以下各項(xiàng)：

?目標(biāo)函數(shù)可以保持與在離線規(guī)劃對應(yīng)物中相同。

?主mpc控制器302中的時(shí)間范圍可以是在線調(diào)諧參數(shù)，諸如從幾個(gè)小時(shí)變動至幾天或幾周的參數(shù)，或者其可以短于在離線（特別是多周期）規(guī)劃中使用的時(shí)間范圍。

?可以設(shè)定該調(diào)諧以便以即時(shí)制造的形式捕捉更多的收益。針對調(diào)諧的考慮可以包括（作為示例）提前多久下產(chǎn)品訂單、產(chǎn)品訂單的差異（在數(shù)量和等級兩者方面）、可以尋求什么附加購買/出售機(jī)會、以及什么半成品部件可以與伙伴交換或者在現(xiàn)貨市場上購買/出售。

?可以用實(shí)時(shí)測量反饋來動態(tài)地控制生產(chǎn)庫存和產(chǎn)品性質(zhì)。

?時(shí)間范圍內(nèi)的產(chǎn)品訂單是已知的，與在離線對應(yīng)物中估計(jì)相反。主mpc控制器302可以產(chǎn)生即時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃，與基于假設(shè)訂單的計(jì)劃相反。

?可以用與從mpc控制器304a—304n相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)率確認(rèn)機(jī)制來實(shí)時(shí)地更新在主mpc控制器302中使用的規(guī)劃模型200。在交叉確認(rèn)（諸如針對計(jì)量誤差）之后，可以使用測量產(chǎn)率來更新規(guī)劃模型200，并且主mpc控制器302可以生成更加準(zhǔn)確的盈利生產(chǎn)計(jì)劃。

級聯(lián)架構(gòu)300提供如圖3c中所示的控制分級視圖350。級聯(lián)架構(gòu)300通過獲得規(guī)劃模型200的拷貝并由添加延遲和斜坡來將其移植到mpc控制器上來分解常規(guī)控制和自動化系統(tǒng)中的劃分線。可以使用單元饋送速率作為mv，并且可以使用生產(chǎn)庫存作為主mpc控制器302處的cv。主mpc控制器302是理解來自規(guī)劃模型200的大型圖片并將每個(gè)單元的mpc模型250用于高級過程控制的實(shí)時(shí)計(jì)劃執(zhí)行器。主mpc控制器302因此可以與從mpc控制器304a—304n一致地優(yōu)化工廠，在承受所有單元的約束的同時(shí)生成最佳可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。

可以將主mpc控制器302所使用的規(guī)劃模型200視為包含兩個(gè)部分，即（i）用于mpc控制的動態(tài)模型和（ii）用于經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)模型（其是動態(tài)模型的穩(wěn)態(tài)部分）。主mpc控制器302通過利用mpc反饋來改善離線規(guī)劃優(yōu)化的準(zhǔn)確度而實(shí)時(shí)地有意義地接近于原始計(jì)劃地再現(xiàn)該離線規(guī)劃優(yōu)化，從而結(jié)合先前不可用的實(shí)時(shí)信息。可以從工廠的操作數(shù)據(jù)識別主mpc控制器的模型200的動態(tài)，并且主mpc控制器302可以在閉環(huán)中提供期望的庫存/性質(zhì)控制。由于來自主mpc控制器302的控制和優(yōu)化解決方案承受來自從mpc控制器304a—304n的操作約束，所以這使得主mpc控制器302能夠在閉環(huán)中運(yùn)行并使得mpc級聯(lián)是可能的。這是在提供集中式緊湊型工廠層級優(yōu)化和單元層級分散式mpc控制兩者的同時(shí)完成的。

主mpc控制器302的多變量控制功能可以表示一種生產(chǎn)控制器或庫存控制器，其使用庫存水平作為其主要cv（“庫存”在這里指的是當(dāng)前狀態(tài)下、預(yù)測未來狀態(tài)下或兩者的材料/能量/等的累積量）?？梢酝ㄟ^主mpc控制器302直接地、經(jīng)由從mpc控制器304a—304n間接地、或者經(jīng)由過程控制器306a—306m（諸如rmpct控制器）間接地配置每個(gè)單元變化速率（或mv)。每個(gè)從mpc控制器304a—304n可以預(yù)測每個(gè)單元的變化速率中的“剩余空間”（經(jīng)由下面描述的代理極限），并且主mpc控制器302可以避免請求單元不能接受的變化速率。主mpc控制器302還可以包括用于材料/能量平衡（模型/約束）的cv。

主mpc控制器302包括用于使用規(guī)劃模型來執(zhí)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化操作的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。主mpc控制器302可以例如表示單輸入單輸出（siso）控制器、多輸入多輸出（mimo）控制器、或者具有其它數(shù)目的輸入和輸出的控制器。每個(gè)從mpc控制器304a—304n包括用于與主mpc控制器相交互的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)從mpc控制器304a—304n可以例如表示siso控制器、mimo控制器、或具有其它數(shù)目的輸入和輸出的控制器。

代理極限

主mpc控制器302是使用縮減模型的獨(dú)立mpc控制器。為了使主mpc控制器302在從mpc控制器304a—304n之上級聯(lián)，主mpc控制器302承受從控制器304a—304n的約束，并且總體組合解決方案實(shí)現(xiàn)起來可能不是最佳的，或者甚至不是可行的。為了幫助避免這種情況，使用代理極限來合并多標(biāo)度模型。代理極限是主mpc控制器的空間中的（多個(gè)）從mpc控制器的約束的替換表示?？梢詫⒋順O限視為各個(gè)從mpc控制器與主mpc控制器之間的管道以將從mpc控制器約束“傳輸”至主mpc控制器?？梢詫碜远鄠€(gè)從mpc控制器304a—304n的代理極限組合并包括在主mpc控制器的控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化公式化中。

可以在主mpc控制器302的mv空間中表示代理極限，但是可以在從mpc控制器304a—304n的mv空間中計(jì)算其邊界值。針對主mpc控制器302的每個(gè)mv，其下游從mpc控制器中的每一個(gè)可以預(yù)測其在一個(gè)或多個(gè)從cv或mv將達(dá)到其操作極限之前可以移動的距離量。當(dāng)來自主mpc控制器302的兩個(gè)或更多mv與從mpc控制器304a—304n相關(guān)聯(lián)時(shí)，代理極限本質(zhì)上可以是多變量的。

圖4圖示出根據(jù)本公開的級聯(lián)mpc架構(gòu)中的代理極限的示例性使用。特別地，圖4圖示出用于fccu的級聯(lián)架構(gòu)中的代理極限的示例性使用，其中，一個(gè)代理極限可以充分地表示整個(gè)單元。假設(shè)fccu的饋送在用于主mpc控制器302的規(guī)劃模型200中被配置為mv4且在用于從mpv控制器304a的mpc模型250中被配置為mv9。并且，假設(shè)到單元的當(dāng)前饋送速率具有33.5的值。進(jìn)一步假設(shè)從mpc控制器304預(yù)測饋送速率在一個(gè)或多個(gè)從cv和/或mv將如表402中所示地達(dá)到一個(gè)或多個(gè)極限之前增加至38.1的最大值。表格402在這里示出了由從mpc控制器304a控制的不同cv和被從mpv控制器304a用來控制那些cv的不同mv。38.1的最大邊界值被傳遞至主mpc控制器302并被用作用于主mpc控制器的mv4的高代理極限。

在每個(gè)單元中，無論多少從約束可以限制主mpc控制器的mv（諸如單元饋送速率），主mpc控制器302只需要知道其應(yīng)在該處停止推送其mv的點(diǎn)（否則可能導(dǎo)致某些較低層級約束違反）。此停止點(diǎn)與代理極限一致，其表示可以限制主mpc控制器的mv的對應(yīng)低層級單元中的活動從約束的整個(gè)集合。在上述特定示例中，針對低層級fccu單元中的所有從約束只需要一個(gè)代理極限，然而也可以使用多個(gè)代理極限。

代理極限的一個(gè)特征是可以將單元中的所有從mpc約束提取成一個(gè)或多個(gè)代理極限。代理極限因此充當(dāng)用于在將粗標(biāo)度模型200有效地與細(xì)標(biāo)度從mpc模型250合并的同時(shí)在主mpc控制器302中保持粗標(biāo)度模型200完好無損的結(jié)合機(jī)制。換言之，這使得保持主mpc控制器302內(nèi)部的全工廠范圍優(yōu)化問題保持在其原始緊湊式規(guī)劃格式中而不迫使粗標(biāo)度模型200被擴(kuò)展成兼容細(xì)標(biāo)度模型是可能的。

在代理的幫助下，使用級聯(lián)mpc方法的聯(lián)合優(yōu)化解決方案提供各種益處。例如，嵌入式實(shí)時(shí)規(guī)劃解決方案承受從mpc控制器304a—304n中的單元層級操作約束，并且主mpc控制器302動態(tài)地控制離線規(guī)劃工具在開環(huán)中將管理的同一組變量（諸如庫存或質(zhì)量）。有效地，單元中的所有相關(guān)mpc約束被提取成一個(gè)或多個(gè)代理極限，其繼而被包括在主mpc控制器的優(yōu)化中。此外，代理極限使得分層優(yōu)化比單個(gè)層更有吸引力。另外，可以減少或消除開環(huán)優(yōu)化解決方案的手動調(diào)整或轉(zhuǎn)化的實(shí)施。通過在線交叉利用規(guī)劃和控制模型兩者，級聯(lián)mpc方法使得實(shí)時(shí)地在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行全工廠范圍優(yōu)化是可能的。因此其同時(shí)地在工廠層級處用粗標(biāo)度規(guī)劃模型200來提供集中式優(yōu)化并在單元層級用細(xì)標(biāo)度mpc模型250來提供分散式控制。

請注意，具有代理基線的mpc級聯(lián)的概念已被描述為以層級3mpc控制器作為從控制器來執(zhí)行。然而，此概念可以與控制和自動化系統(tǒng)的不同層級一起使用或者擴(kuò)展至其。例如，工廠內(nèi)的多個(gè)級聯(lián)架構(gòu)300中的主mpc控制器可以形成用于工廠層級主mpc控制器的從mpc控制器。作為特定示例，用于油/氣精煉廠的工廠層級主mpc控制器可以使用簡單的產(chǎn)率矢量（原油作為一個(gè)輸入饋送且精煉產(chǎn)品作為多個(gè)輸出饋送）。類似地，多個(gè)工廠層級主mpc控制器可以充當(dāng)企業(yè)層級主mpc控制器的從mpc控制器。作為特定示例，如果不同的精煉廠與不同的市場相關(guān)聯(lián)，則在多個(gè)精煉廠之上的企業(yè)層級主mpc控制器可以基于區(qū)域性產(chǎn)品需求/供應(yīng)和每個(gè)精煉廠的生產(chǎn)能力來實(shí)時(shí)地計(jì)算全局最佳值。

用于改善用戶體驗(yàn)的多標(biāo)度解決方案

由于級聯(lián)mpc架構(gòu)300使用一對模型，所以規(guī)劃模型200自然可以用來提供具有工廠的清楚鳥瞰圖的圖形用戶界面（gui）。圖5圖示出根據(jù)本公開的用于與級聯(lián)mpc架構(gòu)一起使用的示例性gui500。gui500包括識別規(guī)劃模型200內(nèi)的不同單元202的各種圖標(biāo)502。主mpc控制器302可以在gui500內(nèi)提供各種信息。例如，主mpc控制器302可以提供單元生產(chǎn)速率、可用庫存、預(yù)定產(chǎn)品交付、成本結(jié)構(gòu)、總利潤率、每個(gè)單元對利潤率的貢獻(xiàn)、以及關(guān)于生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)時(shí)執(zhí)行的其它相關(guān)信息。

主mpc控制器302還允許操作員通過看單元的代理極限而容易地在gui500內(nèi)識別哪些單元是全工廠范圍的瓶頸。具有至少一個(gè)活動代理極限的任何單元202是全局瓶頸，諸如當(dāng)單元的吞吐量實(shí)際上受到其從mpc控制器內(nèi)部的低層級約束的約束時(shí)。可以在gui500中使用指示符504（諸如彩色圓圈）來以圖形方式識別這些單元以提供清楚的“一目了然”圖。可以可選地緊挨著每個(gè)瓶頸單元顯示盈余利潤值以指示在增加該單元的吞吐量的情況下工廠可以實(shí)現(xiàn)的增加利潤量。

操作員（諸如生成管理者或規(guī)劃者）可以使用gui500來深入到瓶頸單元。例如，如果gui500中的特定圖標(biāo)502被選擇，則可以向操作員顯示用于選擇單元202的mpc模型250。所顯示的mpc模型250表示從mpc控制器的gui，其示出了當(dāng)前限制該單元的生產(chǎn)吞吐量的有效約束。如果mpc模型250中的特定控制器被選擇，則可以向操作員顯示表格402。

可以使用指示符506（諸如彩色圓圈）來識別當(dāng)前充當(dāng)約束（諸如由于設(shè)備或維護(hù)問題）的表格402中的變量。如果表格402中的特定變量被操作員選擇，則可以向操作員呈現(xiàn)維護(hù)gui508或其它界面。例如，操作員可以選擇閥門約束并查看用于該閥的維護(hù)gui508。維護(hù)gui508可以指示閥被預(yù)定為在兩周內(nèi)維護(hù)。如與主mpc控制器302一樣，從mpc控制器304a—304n可以在表格402中緊挨著每個(gè)有效約束顯示盈余利潤值以指示在解除該約束的情況下（其繼而將幫助增加吞吐量）工廠可以實(shí)現(xiàn)的增加利潤量。

在復(fù)雜設(shè)施中，在任何給定時(shí)間通常存在需要維修的致動器及其它設(shè)備的長列表。維護(hù)人員常常不具有將其維護(hù)任務(wù)劃分優(yōu)先級的足夠的指導(dǎo)。關(guān)于apc維護(hù)任務(wù)及其它維護(hù)任務(wù)也可以這樣說。以圖5中所示的方式，可以用增加利潤量來標(biāo)記每個(gè)維護(hù)任務(wù)，并且可以按利潤影響而不是按服務(wù)請求時(shí)間來容易地將任務(wù)列表分類。瓶頸常常可以由單元中的簡單維護(hù)問題引起。某些影響利潤的項(xiàng)目可能已保持長時(shí)間未修理，因?yàn)闆]有人知道不修理那些項(xiàng)目的成本。用多層控制系統(tǒng)gui，可以將維護(hù)任務(wù)容易地按照其經(jīng)濟(jì)影響分類，并且可以建立新的經(jīng)濟(jì)為中心的自動化維護(hù)框架。

貢獻(xiàn)值和成本

返回圖2a，如上所述，規(guī)劃模型200中所示的過程單元202一般地進(jìn)行操作以在產(chǎn)生各種中間產(chǎn)品208的同時(shí)將一個(gè)或多個(gè)輸入流204轉(zhuǎn)化成一個(gè)或多個(gè)輸出流206。主mpc控制器302或從mpc控制器304a—304n可以在執(zhí)行其控制或優(yōu)化操作時(shí)使用貢獻(xiàn)值和/或貢獻(xiàn)成本。

可以將每個(gè)貢獻(xiàn)值與用來生產(chǎn)一個(gè)或多個(gè)最終產(chǎn)品的中間產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)（最終產(chǎn)品表示由過程系統(tǒng)輸出的產(chǎn)品）。可以使用那個(gè)中間產(chǎn)品對每個(gè)最終產(chǎn)品的貢獻(xiàn)和每個(gè)最終產(chǎn)品的價(jià)格來計(jì)算貢獻(xiàn)值。在某些實(shí)施例中，將中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)值計(jì)算為：

(1)

在這里，n表示可以使用中間產(chǎn)品生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的數(shù)目。并且，contributioni（貢獻(xiàn)i）表示專用于生產(chǎn)第i最終產(chǎn)品的中間產(chǎn)品的百分比，并且productpricei（產(chǎn)品價(jià)格i）表示用于第i最終產(chǎn)品的預(yù)期或當(dāng)前市場價(jià)格。另外，furtherprocessingcosti（進(jìn)一步處理成本i）表示生產(chǎn)第i最終產(chǎn)品所需的附加處理成本（其可以可選地被省略或者設(shè)置成零）。

在其它實(shí)施例中，將中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)值計(jì)算為：

(2)

在這里，可以調(diào)整用于第i最終產(chǎn)品的產(chǎn)品價(jià)格以修正各種生產(chǎn)過剩和生產(chǎn)不足的情形或其它情況。例如，當(dāng)?shù)趇最終產(chǎn)品的計(jì)劃生產(chǎn)超過其規(guī)劃時(shí)，可以降低最終產(chǎn)品的價(jià)格以計(jì)及儲存成本和未來訂單風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)?shù)趇最終產(chǎn)品的計(jì)劃生產(chǎn)在其規(guī)劃以下時(shí)，則如果存在用于錯(cuò)過訂單最后期限的罰金，則可以增加最終產(chǎn)品的價(jià)格。

請注意，還可以對貢獻(xiàn)值進(jìn)行各種調(diào)整。例如，當(dāng)儲存可用時(shí)，可以儲存一般有價(jià)值的中間產(chǎn)品并保存以用于下一規(guī)劃周期（而不是減小其在當(dāng)前周期中的貢獻(xiàn)值）。作為另一示例，如果可以在現(xiàn)貨市場上出售過多的中間產(chǎn)品，則可以向該中間產(chǎn)品分配較高的貢獻(xiàn)值。此外，請注意，可以針對當(dāng)前規(guī)劃周期且針對下一規(guī)劃周期將貢獻(xiàn)值聯(lián)系在一起，其可以幫助在當(dāng)前周期結(jié)束時(shí)減少不期望的減小范圍效果。

可以使每個(gè)貢獻(xiàn)成本與使用一個(gè)或多個(gè)饋送產(chǎn)品（饋送產(chǎn)品表示輸入到過程系統(tǒng)中的材料）產(chǎn)生的中間產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)?？梢允褂妹總€(gè)饋送產(chǎn)品的該中間產(chǎn)品的使用和每個(gè)饋送產(chǎn)品的價(jià)格來計(jì)算貢獻(xiàn)成本。在某些實(shí)施例中，將中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)成本計(jì)算為：

(3)

在這里，m表示用來生產(chǎn)中間產(chǎn)品的饋送產(chǎn)品的數(shù)目。并且，contributioni（貢獻(xiàn)i）表示專用于生產(chǎn)中間產(chǎn)品的第i饋送產(chǎn)品的百分比，并且feedcosti表示用于第i饋送產(chǎn)品的預(yù)期或當(dāng)前市場價(jià)格。另外，upstreamprocessingcosti（上游處理成本i）表示處理第i饋送產(chǎn)品并生產(chǎn)中間產(chǎn)品所需的處理成本（其可以可選地被省略或者設(shè)置成零）。

在其它實(shí)施例中，將中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)成本計(jì)算為：

.(4)

在這里，可以調(diào)整用于第i饋送產(chǎn)品的成本以修正各種生產(chǎn)過剩和生產(chǎn)不足的情形或其它情況。例如，當(dāng)?shù)趇饋送產(chǎn)品的計(jì)劃庫存超過其規(guī)劃或儲存容量時(shí)，可以降低其已調(diào)整成本以促進(jìn)消耗。當(dāng)?shù)趇饋送產(chǎn)品的計(jì)劃庫存落在其規(guī)劃或儲存容量以下時(shí)，可以增加其已調(diào)整成本以減少消耗。請注意，還可以對貢獻(xiàn)成本進(jìn)行各種調(diào)整。例如，當(dāng)饋送產(chǎn)品的已調(diào)整成本大于其現(xiàn)貨市場價(jià)格時(shí)，可以使用“制造對比購買”分析來確定購買中間產(chǎn)品而不是生產(chǎn)中間產(chǎn)品是否將更加經(jīng)濟(jì)。

圖6圖示出根據(jù)本公開的用于將貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本與級聯(lián)mpc架構(gòu)一起使用的示例性技術(shù)。在本示例中，主mpc控制器302進(jìn)行操作以迭代地識別（i）基于其規(guī)劃模型、其經(jīng)濟(jì)、以及來自在先迭代的數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本以及（ii）基于貢獻(xiàn)值和成本及代理值的預(yù)測產(chǎn)率。貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本可以被提供給從mpc控制器以用于其局部優(yōu)化需要。一旦發(fā)現(xiàn)最佳解決方案（諸如優(yōu)化計(jì)劃），則主mpc控制器302向從mpc控制器304a—304n提供優(yōu)化經(jīng)濟(jì)。在美國專利申請公開號2011/0040399（其被整體地通過引用結(jié)合到本文中）中可以找到關(guān)于主mpc控制器302相對于使用貢獻(xiàn)值的操作的附加細(xì)節(jié)。

示例性規(guī)劃模型結(jié)構(gòu)

在某些實(shí)施例中，可以使用一個(gè)或多個(gè)基礎(chǔ)模型來形成用于主mpc控制器302的規(guī)劃模型200。例如，可以提供兩個(gè)基礎(chǔ)模型（處理單元模型和池儲罐模型）以用于形成規(guī)劃模型?？梢詫⑻幚韱卧橐粋€(gè)或多個(gè)輸入饋送和一個(gè)或多個(gè)輸出饋送?？梢詫⒊貎藿榛旌蟽藁蚍腔旌希ê唵蝺Υ妫﹥?。請注意，可以取決于實(shí)施方式來使用其它或附加基礎(chǔ)模型。

圖7至9圖示出根據(jù)本公開的用于在級聯(lián)mpc架構(gòu)中形成規(guī)劃模型的示例性基礎(chǔ)模型。圖7和8圖示出用于處理單元的示例性模型，而圖9圖示出用于池儲罐的示例性模型。

如圖7中所示，可以將以下傳遞函數(shù)用于輸入饋送與多個(gè)輸出產(chǎn)品之間的材料平衡：

(5)

在這里，yi是用于第i產(chǎn)品的基礎(chǔ)產(chǎn)率，并且δyi是（m1元素的）矢量。并且：

(6)

其中，vg是體積增益，并且其中：

(7)

此模型格式與一般地在規(guī)劃模型中使用的結(jié)構(gòu)匹配。嚴(yán)格地說，其并不是線性模式，因?yàn)槠渚哂袔в卸卧鲆娴木€性動態(tài)。該模型具有每個(gè)單元單個(gè)輸入饋送，并且輸出產(chǎn)品的每個(gè)性質(zhì)具有與產(chǎn)品圖（productdraw）類似的時(shí)間常數(shù)和延遲。表2圖示出用于單個(gè)饋送流的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，然而自然可以使用相同的方法來擴(kuò)展多個(gè)饋送。

表2。

如圖8中所示，可以將以下傳遞函數(shù)用于將輸入饋送的第i性質(zhì)傳遞至第j產(chǎn)品的第i性質(zhì)。

(8)

其中，gcj是（m2元素的）矢量且g⁰j是“通過”dv增益。這個(gè)方法假設(shè)產(chǎn)品的每個(gè)性質(zhì)具有與產(chǎn)品圖類似的時(shí)間常數(shù)和延遲，并且通過默認(rèn)，可以將其設(shè)置成相同的值。此方法還假設(shè)性質(zhì)可能受到mpc控制器的影響（或控制）。表3圖示出用于單饋送的材料流程和性質(zhì)兩者的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，然而再次地，自然可以使用相同方法來擴(kuò)展多個(gè)饋送。

表3。

可以使用各種技術(shù)來獲得以這種方式定義的處理單元模型的動態(tài)。例如，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來估計(jì)動態(tài)并用工程知識來確認(rèn)，在短暫步驟測試期間識別，或者在操作期間估計(jì)。還可以發(fā)生偏置更新和產(chǎn)率確認(rèn)，諸如當(dāng)處理單元的集中產(chǎn)量（而不是基礎(chǔ)產(chǎn)量）被實(shí)時(shí)地更新時(shí)。還可以將各種糾錯(cuò)方案與主mpc控制器規(guī)劃模型一起使用。在第一糾錯(cuò)方案中，可以直接地根據(jù)輸入流計(jì)算產(chǎn)率，并且可以估計(jì)平均產(chǎn)率（在過去時(shí)間窗內(nèi)）并將其用來預(yù)測類似時(shí)間窗內(nèi)的未來平均產(chǎn)率（窗口的寬度可以是可調(diào)諧的）。請注意，估計(jì)產(chǎn)率可能需要在集中產(chǎn)量值被更新之前通過內(nèi)部可預(yù)測性閾值（可能可調(diào)諧）。增益更新可以改善模型預(yù)測準(zhǔn)確度，并且已確認(rèn)增益可以具有關(guān)于未來集中產(chǎn)量的更好的可預(yù)測性。在第二糾錯(cuò)方案中，可以使用偏置更新機(jī)制來更新主mpc模型預(yù)測內(nèi)部的偏置。

圖9圖示出一般池儲罐900的示例性建模。池儲罐900表示用來儲存正在設(shè)施中制造的材料（諸如一個(gè)或多個(gè)中間產(chǎn)品）的結(jié)構(gòu)。在上文圖2a中所示的儲存罐210是池儲罐的示例。多個(gè)材料流（fin）流到儲罐900中，并且每個(gè)流具有r個(gè)性質(zhì)。并且，多個(gè)材料流（fout）從儲罐900流出，并且所有流都具有相同性質(zhì)。用v來表示當(dāng)前體積，并且可以進(jìn)行具有類似性質(zhì)的輸入流被集中在池儲罐900中的假設(shè)。請注意，下面描述的模型是針對被用于集中中間產(chǎn)品的儲罐，并且可能適合于最終產(chǎn)品混合或者也可能不這樣。還請注意，輸入流可以相似到足以使得線性混合規(guī)則準(zhǔn)確到足以用于測量反饋，然而可以使用其它方法（諸如使用非線性修正項(xiàng)或非線性混合定律的那些）。

在池儲罐900的模型中，可以使用以下材料平衡等式：

(9)

可以使用以下等式來表示第i體積性質(zhì)的混合：

(10)

(11)

(12)

可以使用拉普拉斯變換和重新組織來獲得下式：

(13)

在油和氣系統(tǒng)中還可以如下使用混合紅利：

(14)

表4概括了一般池儲罐的建模。

表4。

這里的假設(shè)包括輸入流比其性質(zhì)更頻繁地改變，并且可以足夠地測量輸入-輸出變量（用自動化方式或者在實(shí)驗(yàn)室中）。

除其它事物之外，使用基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的益處包括設(shè)計(jì)有限數(shù)目的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（諸如在上述示例中的兩個(gè)），其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供關(guān)于單元和儲罐如何被連接的靈活性。例如，處理單元和池儲罐可以在配置之后被固定，并且可以動態(tài)地跟蹤庫存體積/性質(zhì)的狀態(tài)。處理單元與池儲罐之間的連接可以是無狀態(tài)的并即時(shí)地（on-the-fly）改變。此外，可以即時(shí)地構(gòu)造用于主mpc控制器的規(guī)劃模型。另外，級聯(lián)架構(gòu)可以容易地利用中間反饋，只要可以足夠地測量中間輸入-輸出信號即可，并且這種方法可以隨著模型的結(jié)構(gòu)更自然地與實(shí)際處理單元對準(zhǔn)而支持改善的模型更新。

模型確認(rèn)技術(shù)

主mpc控制器302或控制和自動化系統(tǒng)的其它部件可以實(shí)現(xiàn)確認(rèn)技術(shù)以便確認(rèn)主mpc控制器302所使用的規(guī)劃模型。圖10圖示出根據(jù)本公開的用于在級聯(lián)mpc架構(gòu)中確認(rèn)規(guī)劃模型的示例性技術(shù)。在圖10中，示出了控制器及其它設(shè)備的分級結(jié)構(gòu)，其中，每個(gè)從mpc控制器304a—304n與至少一個(gè)過程元件（處理單元或池儲罐）1002a—1002r相關(guān)聯(lián)。每個(gè)過程元件1002a—1002r分別地具有關(guān)聯(lián)產(chǎn)率確認(rèn)塊1004a—1004r。

除其它事物之外，產(chǎn)量確認(rèn)塊1004a—1004r支持涉及到材料平衡、能量平衡、產(chǎn)品性質(zhì)或其它建模更新的包絡(luò)計(jì)算的模型確認(rèn)?？梢酝ㄟ^檢查材料、能量或其它因素在模型中是平衡的來確認(rèn)規(guī)劃模型。可以用重量或等價(jià)值來完成包絡(luò)計(jì)算，并且可以基于用戶的選擇（諸如重量或體積）而用不同單位來呈現(xiàn)結(jié)果?？梢允褂脺囟?密度修正因子，并且可以將值轉(zhuǎn)換成常見單位（例如桶或噸）?？梢灾С衷谔囟ㄐ袠I(yè)中一般地在材料核算中使用的慣例。

可以在確認(rèn)中考慮各種其它設(shè)計(jì)問題。例如，某些測量可以是間歇性的、不完整的、非周期性的、遺漏、延遲、或者部分地不存在的，并且可以使用方案（諸如濾波和偏置更新）來應(yīng)對此類異常。并且，在某些情況下，當(dāng)存在（無計(jì)劃或未測量）不合格材料重新利用（其可以用任何適當(dāng)方式（諸如基于用戶輸入）來處理）時(shí)，材料可能是不可平衡的。另外，某些流的產(chǎn)率可由于維護(hù)或異常過程條件而與其“正?！敝碉@著不同達(dá)一時(shí)間段內(nèi)，這再次地可以用任何適當(dāng)方式（諸如基于用戶輸入）來處理。

產(chǎn)率確認(rèn)塊1004a—1004r還可以支持如上所述的集集中產(chǎn)量的偏置更新和產(chǎn)率確認(rèn)。例如，產(chǎn)率確認(rèn)塊1004a—1004r可以通過應(yīng)用材料平衡和體積/溫度修正來測量實(shí)時(shí)產(chǎn)率并對其進(jìn)行交叉確認(rèn)。產(chǎn)率確認(rèn)塊1004a—1004r還可以執(zhí)行上文所述的第一糾錯(cuò)方案。

用于處理主-從變量的技術(shù)

上文所述的代理極限允許將約束從從mpc控制器304a—304n傳遞至主mpc控制器302。圖11和12圖示出根據(jù)本公開的用于在級聯(lián)mpc架構(gòu)中將主mpc控制器和從mpc控制器中的變量鏈接的示例性技術(shù)。此技術(shù)允許主mpc控制器302在其操作期間考慮從mpc控制器304a—304n的約束。然而，請注意可以使用其它方法。

如圖11中所示，主mpc控制器302具有識別主mpc控制器302所使用的不同mv或dv的mv/dv索引1102。由主mpc控制器302控制的各種cv1104可以受到那些mv或dv的影響。還存在識別從mpc控制器304a—304b所使用的不同mv或dv的mv/dv索引1106。由從mpc控制器304a—304b控制的各種cv1108—1110可以受到那些mv或dv的影響。共變量表示主mpc控制器和從mpc控制器兩者中的相同變量（諸如主控制器中的mv4和從控制器中的mv9，如上所述）。可以將共變量配置為主和從mpc控制器中的mv或dv。

可以通過將mv/dv索引1102中的值與mv/dv索引1106中的對應(yīng)值相關(guān)聯(lián)來將主和從cv約束耦合。這指示用mv/dv索引1102和mv/dv索引1106識別的變量是共變量。這允許主mpc控制器302的全工廠范圍優(yōu)化包括來自從mpc控制器304a—304b的某些或所有cv約束。

如圖12中所示，當(dāng)從mpc模型矩陣是稀疏的時(shí)，可以經(jīng)由代理極限將從mpc控制器中的至少一個(gè)cv“提升”到主mpc控制器。代理極限出現(xiàn)在與mv/dv索引1106的（多個(gè)）對應(yīng)列相關(guān)聯(lián)的mv/dv索引1102的（多個(gè)）列中。例如，假設(shè)從mpc控制器中的cv約束被表示為：

(15)

可以使用以下表達(dá)式將此cv約束用作主mpc控制器中的cv代理極限：

(16)

這表示其中從mpc控制器的約束可以被傳遞至主mpc控制器并被其使用的一個(gè)示例性方式。

示例性方法

圖13圖示出根據(jù)本公開的用于在工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中使用級聯(lián)mpc控制器的示例性方法1300。為了便于說明，相對于可以在控制和自動化系統(tǒng)100中操作的級聯(lián)mpc架構(gòu)300來描述方法1300?？梢耘c任何其它適當(dāng)?shù)募壜?lián)mpc架構(gòu)一起及在任何其它適當(dāng)系統(tǒng)中使用方法1300。

如圖13中所示，在步驟1302處在主mpc控制器處獲得規(guī)劃模型，并且在步驟1304處在從mpc控制器處獲得mpc模型。這可以包括例如生成規(guī)劃模型200或再使用現(xiàn)有規(guī)劃模型200，諸如單周期規(guī)劃模型。這還可以包括諸如通過使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來生成mpc模型250。

在級聯(lián)mpc架構(gòu)的操作期間，在步驟1306處，從主mpc控制器向從mpc控制器發(fā)送查詢優(yōu)化調(diào)用。該查詢優(yōu)化調(diào)用可以請求從mpc控制器確定是否（和在什么程度上）可以在不違反其約束的情況下對其mv值進(jìn)行某些改變。在步驟1308處，從mpc控制器通過向主mpc控制器發(fā)送與其約束相關(guān)聯(lián)的代理極限值來進(jìn)行響應(yīng)。這可以包括例如從mpc控制器識別可以在什么程度上對其mv值進(jìn)行某些改變及可能違反哪些約束。下面提供了關(guān)于這些功能的附加細(xì)節(jié)。

在步驟1310處，由主mpc控制器在優(yōu)化操作期間使用代理極限值對規(guī)劃模型進(jìn)行操作。這可以包括例如主mpc控制器在主mpc控制器的控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化公式化中將來自多個(gè)從mpc控制器的代理極限值組合。同時(shí)，在步驟1312處由從mpc控制器在控制操作期間對mpc模型進(jìn)行操作。這可以包括例如從mpc控制器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)mpc功能，其中，那些功能是基于由主mpc控制器生成的控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化公式化。這樣，在步驟1314處，可以在控制和自動化系統(tǒng)中發(fā)生聯(lián)合規(guī)劃/優(yōu)化和控制功能。

雖然圖13圖示出用于在工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中使用級聯(lián)mpc控制器的方法1300的一個(gè)示例，但可以對圖13進(jìn)行各種改變。例如，雖然被示為一系列步驟，但圖13中的各種步驟可以重疊、并行地發(fā)生、按照不同順序發(fā)生或者發(fā)生任何次數(shù)。

可行性區(qū)域估計(jì)

圖14至18圖示出根據(jù)本公開的用于產(chǎn)生與可行性區(qū)域相關(guān)聯(lián)的代理極限以支持級聯(lián)mpc的示例性技術(shù)。可以用任何適當(dāng)方式將從mpc控制器的約束結(jié)合到主mpc控制器的規(guī)劃操作中。例如，圖14顯示如果從mpc控制器的自由mv被固定在其當(dāng)前值，則可以在主控制器的mv空間1400中對從控制器的cv約束繪圖。從控制器的mv極限表現(xiàn)為主控制器的mv空間1400中的簡單界限，并且從控制器的cv極限一般地表現(xiàn)為線性約束。這些極限之間的可行性區(qū)域1402定義可以在滿足從mpc控制器的所有約束的同時(shí)被主mpc控制器選擇的值的可能組合。由從控制器的約束定義的可行性區(qū)域1402的形狀一般地是多邊形或多面體。

如圖15中所示，如果從mpc控制器的自由mv采取其它值（由于任何原因），則可行性區(qū)域1402的形狀改變。陰影條1502指示這些約束可以如何移位。類似地，如果從控制器的模型增益即時(shí)地更新，則這些cv約束的斜率可以相應(yīng)地改變。

如果在主mpc控制器與從mpc控制器之間存在單個(gè)共變量，則可以在尺寸方面減小可行性區(qū)域1402，從而成為圖16中所示的可行性區(qū)域1602。這可以當(dāng)存在通過每次進(jìn)行小的改變而在給定方向上推進(jìn)主mpc控制器的mv/dv的期望時(shí)實(shí)現(xiàn)。在那種情況下，僅使用可行性空間的窄帶。可以通過找到用于自由從控制器的mv的適當(dāng)位置來計(jì)算此可行性區(qū)域1062的高值和低值?？梢杂脕碜灾骺刂破鞯尼槍目刂破鞯脑儐杻?yōu)化調(diào)用來計(jì)算最大高值以使其mv2值最大化?？梢杂脕碜灾骺刂破鞯尼槍目刂破鞯脑儐杻?yōu)化調(diào)用來計(jì)算最小低值以使其mv2值最小化?？梢詫⒆畲蠡繕?biāo)函數(shù)增強(qiáng)成包括產(chǎn)品及其它局部優(yōu)化部件的貢獻(xiàn)值。用貢獻(xiàn)值，可以將單元推進(jìn)到更加有利可圖的產(chǎn)率剖面。

如果在主mpc控制器與從mpc控制器之間存在兩個(gè)或更多共變量，則可以如圖17中所示地定義可行性區(qū)域1702。再次地，可行性區(qū)域1702表示由從mpc控制器的各種mv和cv極限定義的多邊形或多面體?？梢允褂每尚行詤^(qū)域1702內(nèi)部的任何點(diǎn)來產(chǎn)生可行且可以由從mpc控制器實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化解決方案。從mpv控制器中的mv的當(dāng)前值定義當(dāng)前mv點(diǎn)1704，其在可行性區(qū)域1702內(nèi)。

使用當(dāng)前mv點(diǎn)1704，主mpc控制器可以如下估計(jì)可行性區(qū)域1702的形狀。在多個(gè)方向1706a—1706d中的每一個(gè)中，主mpc控制器進(jìn)行針對從控制器的詢問優(yōu)化調(diào)用以使其mv1或mv2值最大化或最小化。例如，在方向1706a上，主mpc控制器針對從控制器進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以使其mv1值最大化。在方向1706b上，主mpc控制器針對從控制器進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以使其mv1值最小化。在方向1706c上，主mpc控制器針對從控制器進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以使其mv2值最大化。在方向1706d上，主mpc控制器針對從控制器進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以使其mv2值最小化。用這些詢問優(yōu)化調(diào)用定義的四個(gè)點(diǎn)定義估計(jì)可行性區(qū)域1708，其可以被主mpc控制器在執(zhí)行規(guī)劃優(yōu)化時(shí)使用。這樣，主mpc控制器幫助確?？梢杂蓮膍pc控制器實(shí)現(xiàn)已識別解決方案。

請注意，在圖17中主mpc控制器進(jìn)行與四個(gè)不同方向相關(guān)聯(lián)的詢問優(yōu)化調(diào)用。然而，詢問優(yōu)化調(diào)用的數(shù)目和與那些詢問優(yōu)化調(diào)用相關(guān)聯(lián)的方向可以改變。一般地，只要主mpc控制器進(jìn)行與三個(gè)或更多方向相關(guān)聯(lián)的詢問優(yōu)化調(diào)用，則主mpc控制器就可以識別從mpc控制器的可行性區(qū)域內(nèi)的多維空間。例如，在圖18中，當(dāng)前mv點(diǎn)1804在從mpc控制器的可行性區(qū)域1802內(nèi)。主mpc控制器進(jìn)行與處于45°間隔的八個(gè)方向1806相關(guān)聯(lián)的詢問優(yōu)化調(diào)用。這些詢問優(yōu)化調(diào)用的結(jié)果定義估計(jì)可行性區(qū)域1808，其再次地可以被主mpc控制器使用。

在某些實(shí)施例中，可以如下實(shí)現(xiàn)詢問優(yōu)化調(diào)用和關(guān)聯(lián)功能。響應(yīng)于詢問優(yōu)化調(diào)用，請求從mpc控制器以使以下各項(xiàng)最小化：

(17)

(18)

(19)

其中：

(20)

在圖18中所示的示例的特定實(shí)施方式中，主mpc控制器可以用用于c^t和d^t值的各種值進(jìn)行表5中所示的八個(gè)詢問優(yōu)化調(diào)用。

表5。

表5中的前四個(gè)調(diào)用可以用來進(jìn)行圖17中所示的詢問優(yōu)化調(diào)用。

請注意，表5中所示的詢問優(yōu)化調(diào)用將方向定義成處于45°間隔。然而，可以將詢問優(yōu)化調(diào)用擴(kuò)展以如下定義任何適當(dāng)方向。

表6。

在這里，將定義為矢量的零空間。此定義允許詢問優(yōu)化調(diào)用在任何期望方向上發(fā)生，并且可以由主mpc控制器針對特定當(dāng)前mv點(diǎn)進(jìn)行多達(dá)n個(gè)詢問優(yōu)化調(diào)用。

響應(yīng)于每個(gè)詢問優(yōu)化調(diào)用而返回的值可以被主mpc控制器用作代理約束，如圖12中所示。例如，在圖17中主mpc控制器可以使用多達(dá)四個(gè)代理約束，并且在圖18中主mpc控制器可以使用多達(dá)八個(gè)代理約束。這些代理約束允許主mpc控制器確保由主mpc控制器識別的任何解決方案落在從mpc控制器的實(shí)際可行性區(qū)域內(nèi)。

上文所述的方法提供了用于近似由從mpc控制器的cv/mv約束定義的可行空間的一般方法。不管從mpc控制器的實(shí)際可行性空間的形狀或從mpc控制器中的約束的數(shù)目，此方法都工作。然而，還可能選擇與特定詢問優(yōu)化調(diào)用相關(guān)聯(lián)的方向以幫助更接近地估計(jì)從mpc控制器的實(shí)際可行性區(qū)域。例如，可以將與特定詢問優(yōu)化調(diào)用相關(guān)聯(lián)的方向選擇成基本上垂直于從mpc控制器的附近c(diǎn)v或mv極限。這在從mpc控制器的cv約束接近于其界限時(shí)可以是特別有用的，并且可以具體地進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以表示該cv約束。在這里可以如表7中所示地定義詢問優(yōu)化調(diào)用。

表7。

在這里，將定義為aj的零空間。

請注意，雖然上文僅描述了一個(gè)或兩個(gè)共變量，但可以將這里所述的方法擴(kuò)展至任何數(shù)目的共變量。此方法允許主mpc控制器考慮其從mpc控制器中的每一個(gè)的約束，同時(shí)用由那些約束定義的可行性區(qū)域來優(yōu)化工廠的操作。還請注意，雖然在這里將從mpc控制器的cv/mv極限示為在兩個(gè)維度上繪圖，但可以在多于兩個(gè)維度上定義用于從mpc控制器的可行性區(qū)域?？梢栽诙嘤趦蓚€(gè)維度上進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以定義估計(jì)多維可行性區(qū)域的多維空間。

圖19圖示出根據(jù)本公開的用于計(jì)算用以支持級聯(lián)mpc的代理極限單獨(dú)示例性方法1900。特別地，可以使用方法1900來估計(jì)主mpc控制器處的從mpc控制器的可行性區(qū)域。如圖19中所示，在步驟1902處識別從mpc控制器的當(dāng)前操作點(diǎn)。這可以包括例如主mpc控制器302中的處理設(shè)備識別從mpc控制器304a—304n的當(dāng)前mv值。

在步驟1904處選擇從從mpc控制器的當(dāng)前操作點(diǎn)的移動方向。這可以包括例如主mpc控制器302中的處理設(shè)備選擇預(yù)定義方向或垂直于定義從mpc控制器304a—304n的mv/cv極限的線的方向。對從mpc控制器進(jìn)行詢問優(yōu)化調(diào)用以在步驟1906處識別從mpc控制器的一個(gè)或多個(gè)mv可以在選擇方向上被推進(jìn)多遠(yuǎn)，并且在步驟1908處接收從mpc控制器的一個(gè)或多個(gè)可以在選擇方向上被推進(jìn)多遠(yuǎn)的識別。這可以包括例如主mpc控制器302中的處理設(shè)備請求從mpc控制器304a—304n識別從mpc控制器304a—304n可以在選擇方向上推進(jìn)一個(gè)或多個(gè)mv多遠(yuǎn)而不違反任何約束并從從mpc控制器304a—304n接收識別。換言之，從mpc控制器304a—304n識別其在選擇方向上的代理極限。如果在步驟1910處更多方向仍然要被測試，則過程返回至步驟1904以選擇另一方向并發(fā)布另一詢問優(yōu)化調(diào)用。

一旦查詢了所有方向，則在步驟1912處生成從mpc控制器的可行性區(qū)域的估計(jì)。這可以包括例如主mpc控制器302中的處理設(shè)備，從而識別由來自從mpc控制器304a—304n的代理極限定義的多維空間。在步驟1914處，此估計(jì)可行性區(qū)域被主mpc控制器用來識別規(guī)劃優(yōu)化解決方案。由主mpc控制器302識別的解決方案對于從mpc控制器304a—304n而言將是可行的，因?yàn)橛芍鱩pc控制器302識別的估計(jì)可行性區(qū)域在與從mpc控制器304a—304n相關(guān)聯(lián)的實(shí)際可行性區(qū)域內(nèi)。

雖然圖19圖示出用于計(jì)算用以支持級聯(lián)mpc的代理極限的方法1900的一個(gè)示例，但可以對圖19進(jìn)行各種改變。例如，雖然被示為一系列步驟，但圖19中的各種步驟可以重疊、并行地發(fā)生、按照不同順序發(fā)生、或者發(fā)生任何次數(shù)。

結(jié)論

本公開已提供了一種新型級聯(lián)mpc架構(gòu)，其封閉規(guī)劃與控制之間的間隙。該架構(gòu)包括在一個(gè)或多個(gè)從mpc控制器（諸如處于單元層級的從mpc控制器）之上級聯(lián)的主mpc控制器。主mpc控制器使用規(guī)劃模型，諸如以控制工廠內(nèi)部的生產(chǎn)庫存、制造活動、以及產(chǎn)品質(zhì)量。從mpc控制器諸如經(jīng)由代理極限來為主mpc控制器提供其未來預(yù)測和操作約束。嵌入在多層mpc級聯(lián)中的實(shí)時(shí)規(guī)劃解決方案承受較低層級操作約束且不再需要被手動地轉(zhuǎn)化。通過在線交叉利用規(guī)劃和控制模型兩者，mpc級聯(lián)架構(gòu)使得可能實(shí)時(shí)地在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行全工廠范圍優(yōu)化并通過從mpc控制器來自動地執(zhí)行即時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃。另外，提供了一種用于允許主mpc控制器估計(jì)從mpc控制器的可行性區(qū)域，使得主mpc控制器能夠產(chǎn)生可以由從mpc控制器實(shí)現(xiàn)的解決方案的技術(shù)。

在某些實(shí)施例中，用由計(jì)算機(jī)可讀程序代碼形成并在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中包含的計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)或支持本專利文獻(xiàn)中描述的各種功能。短語“計(jì)算機(jī)可讀程序代碼”包括任何類型的計(jì)算機(jī)代碼，包括源代碼、目標(biāo)代碼、以及可執(zhí)行代碼。短語“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”包括能夠被計(jì)算機(jī)訪問的任何類型的介質(zhì)，諸如只讀存儲器（rom）、隨機(jī)存取儲器（ram）、硬盤驅(qū)動器、壓縮磁盤（cd）、數(shù)字視頻磁盤（dvd）、或任何其它類型的存儲器?！胺桥R時(shí)”計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)不包括傳送臨時(shí)電或其它信號的有線、無線、光學(xué)、或其它通信鏈路。非臨時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括其中可以永久地存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)和其中可以存儲數(shù)據(jù)并以后被覆寫的介質(zhì)，諸如可重寫光盤或可擦除存儲器設(shè)備。

闡述遍及本專利文獻(xiàn)所使用的某些單詞和短語的定義可能是有利的。術(shù)語“應(yīng)用程序”和“程序”指的是適于用適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)代碼（包括源代碼、目標(biāo)代碼、或可執(zhí)行代碼）實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序、軟件部件、指令集、程序、函數(shù)、對象、類、實(shí)例、相關(guān)數(shù)據(jù)、或其一部分。術(shù)語“通信”以及其派生詞包含直接和間接通信兩者。術(shù)語“包括”和“包含”及其派生詞意指在沒有限制的情況下的包括。術(shù)語“或”是包括性的，意指和/或。短語“與……相關(guān)聯(lián)”以及其派生詞可以意在包括、被包括在……內(nèi)、與……互連、包含、被包含在……內(nèi)、與或和……連接、與或和……耦合、與……可通信、與……合作、交錯(cuò)、并置、接近于、束縛于或被用……束縛、具有、具有……的性質(zhì)、具有與或和……的關(guān)系等。短語“……中的至少一個(gè)”在被與一列項(xiàng)目一起使用時(shí)意指可以使用所列項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的不同組合，并且可能僅需要列表中的一個(gè)項(xiàng)目。例如，“a、b和c中的至少一個(gè)”包括下面組合中的任何一個(gè)：a、b、c、a和b、a和c、b和c、及a和b和c。

雖然本公開已描述了某些實(shí)施例和一般地關(guān)聯(lián)的方法，但這些實(shí)施例和方法的變更和替換對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見的。因此，示例性實(shí)施例的以上描述并未限定或約束本公開。在不脫離由以下權(quán)利要求定義的本公開的精神和范圍的情況下，其它改變、替換、以及變更也是可能的。