專(zhuān)利名稱(chēng)：兩階段模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及過(guò)程工廠(chǎng)控制系統(tǒng)，尤其涉及在一過(guò)程或工廠(chǎng)環(huán)境中用于實(shí)施
一種兩階段模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
過(guò)程控制系統(tǒng)-如那些用于發(fā)電、化學(xué)、石油、或其他過(guò)程的分布式或大型過(guò)程控 制系統(tǒng)_典型地包括一個(gè)或多個(gè)控制器，這些控制器通過(guò)模擬總線(xiàn)、數(shù)字總線(xiàn)或模擬/數(shù)字 混合總線(xiàn)相互通信連接，與至少一個(gè)主機(jī)或操作員工作站及與一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信連 接。所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可能是閥、閥定位器、開(kāi)關(guān)及傳送器(例如溫度傳感器、壓力傳感器及流 率傳感器)，它們?cè)谶^(guò)程或工廠(chǎng)中發(fā)揮功能，如開(kāi)啟或關(guān)閉閥、接通或切斷設(shè)備電源及測(cè)量 過(guò)程參數(shù)。過(guò)程控制器接收所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所進(jìn)行的過(guò)程或工廠(chǎng)測(cè)量的信號(hào)及/或關(guān)于所述 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的其他信息，并使用這些信息來(lái)實(shí)施控制例程，然后產(chǎn)生控制信號(hào)并通過(guò)總線(xiàn)傳 送至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以控制過(guò)程或工廠(chǎng)的操作。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器的信息一般提供于由操 作員工作站執(zhí)行的一種或多種應(yīng)用程序，使操作員能夠執(zhí)行針對(duì)過(guò)程或工廠(chǎng)所需要的任何 功能，例如觀察所述工廠(chǎng)的當(dāng)前狀態(tài)、修正所述工廠(chǎng)的操作等等。 過(guò)程或工廠(chǎng)控制器一般編程為對(duì)過(guò)程中限定的或包含的多個(gè)不同環(huán)路中的每一 個(gè)環(huán)路執(zhí)行不同的算法、子例程或控制環(huán)路(指所有控制例程)，例如流量控制環(huán)路、溫度 控制環(huán)路、壓力控制環(huán)路等等。 一般而言，每一個(gè)這樣的控制環(huán)路包括一個(gè)或多個(gè)輸入塊， 例如一模擬輸入(AI)功能塊；一單一輸出控制塊，例如一比例積分微分(PID)或比例積分 (PI)控制功能塊；及一單一輸出塊，例如一模擬輸出(A0)功能塊。這些控制環(huán)路典型地執(zhí) 行單輸入/單輸出控制，這是由于所述控制塊基于一單一測(cè)量過(guò)程參數(shù)創(chuàng)建一單一控制輸 出，并使用所述控制輸出來(lái)控制一單一過(guò)程輸入，比如一閥位置等等。然而，在某些情況下， 使用許多獨(dú)立地操作的單輸入/單輸出控制環(huán)路并不是很有效，這是由于被控制的過(guò)程變 量受超過(guò)一單一過(guò)程輸入的影響，而且其實(shí)每個(gè)過(guò)程輸入可以影響許多過(guò)程輸出的狀態(tài)。 這個(gè)情況的例子可能在(例如)一由兩個(gè)輸入線(xiàn)裝填及由一單一輸出線(xiàn)清空的槽，每條線(xiàn) 由不同的閥控制，而且槽的溫度、壓力及通過(guò)量在每個(gè)閥中控制在接近期望的值。如以上指 出的那樣，所述槽的通過(guò)量、溫度及壓力的控制可以使用一單獨(dú)的通過(guò)量控制環(huán)路、一單獨(dú) 的溫度控制環(huán)路及一單獨(dú)的壓力環(huán)路來(lái)執(zhí)行。然而，在這個(gè)情形下，所述溫度控制環(huán)路在為 控制所述槽中的溫度而對(duì)所述輸入閥的其中之一的設(shè)置進(jìn)行改變的操作可能導(dǎo)致所述槽 中的壓力增高，這(例如)導(dǎo)致所述壓力環(huán)路開(kāi)啟所述輸出閥，以便減低壓力。這個(gè)動(dòng)作可 能接著導(dǎo)致所述通過(guò)量控制環(huán)路關(guān)閉所述輸出閥的其中之一，從而影響溫度及促使所述溫 度控制環(huán)路采取其他動(dòng)作。從這個(gè)范例，可以理解，所述單輸入/單輸出控制環(huán)路導(dǎo)致所述 過(guò)程輸出(在這里指通過(guò)量、溫度及壓力)以不可接受的方式表現(xiàn)，其中所述輸出振蕩而不 曾達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件或只是在一段不可接受的時(shí)間長(zhǎng)度之后才達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 模型預(yù)測(cè)控制(MPC)或其他類(lèi)別的高級(jí)已經(jīng)在對(duì)一特定的被控制的過(guò)程變量的 改變影響多個(gè)過(guò)程變量或輸出的情形下用于執(zhí)行過(guò)程控制。自1970年代末期起，模型預(yù)測(cè)控制的許多成功實(shí)施例已見(jiàn)報(bào)道，而且模型預(yù)測(cè)控制已經(jīng)成為過(guò)程業(yè)中的主要形式的高級(jí) 多變量控制方法。此外，模型預(yù)測(cè)控制已經(jīng)在分布式控制系統(tǒng)中實(shí)施，作為分布式控制系統(tǒng) 層次化軟件。 —般而言，模型預(yù)測(cè)控制(MPC)是一種多輸入/多輸出控制策略，在這種多輸入 /多輸出控制策略中，改變?cè)S多過(guò)程輸入中的每個(gè)輸入對(duì)許多過(guò)程輸出中的每個(gè)輸出的影 響被測(cè)量，而這些測(cè)得響應(yīng)接著用于創(chuàng)建所述過(guò)程的一控制矩陣或一模型。所述過(guò)程模 型或控制矩陣(其一般定義所述過(guò)程的穩(wěn)態(tài)操作)被數(shù)學(xué)求逆，然后用于多輸入/多輸 出控制器中或作為多輸入/多輸出控制器的部分使用，以便根據(jù)對(duì)所述過(guò)程輸入的改變 來(lái)控制所述過(guò)程輸出。在有些情形中，所述過(guò)程模型以每個(gè)所述過(guò)程輸入的一過(guò)程輸出 響應(yīng)曲線(xiàn)(典型地為一階躍響應(yīng)曲線(xiàn))表示，而且這些曲線(xiàn)可以根據(jù)一系列的(例如) 傳輸?shù)矫總€(gè)所述過(guò)程輸入的偽隨機(jī)階躍變化來(lái)創(chuàng)建。這些響應(yīng)曲線(xiàn)可以以已知方式用于 模擬所述過(guò)程。然而，模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)可以使用其他類(lèi)別的過(guò)程模型，比如參數(shù)化及一 階過(guò)程模型。由于模型預(yù)測(cè)控制在本領(lǐng)域中廣為人知，因此在此不作詳細(xì)描述。然而， 模型預(yù)測(cè)控制在由Qin， S. Joe及Thomas A. Badgwell在1996年美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)會(huì) 議(AIChE Conference, 1996)中發(fā)表的"工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)縱覽"(An Overview of IndustrialModel Predictive Control Technology)中全面描述。此夕卜，美國(guó)4， 616， 308、 4， 349， 869及7， 337， 022號(hào)專(zhuān)利全面地描述可以在過(guò)程控制系統(tǒng)中使用的MPC控制器。
然而，一般而言，在操作期間，許多MPC控制器使用線(xiàn)性編程技術(shù)或二次編程技術(shù) 來(lái)確定一最佳集合的控制信號(hào)，以便在未來(lái)的一特定時(shí)期內(nèi)用于控制所述過(guò)程，從而將所 述過(guò)程驅(qū)動(dòng)到一期望的操作點(diǎn)。基本上，所述MPC控制器在所述MPC控制器的每個(gè)執(zhí)行期 使用一優(yōu)化函數(shù)(典型地稱(chēng)為一目標(biāo)函數(shù))來(lái)定義一最佳集合的控制信號(hào)(在一控制層位 期間)，以便將所述過(guò)程驅(qū)動(dòng)到由一集合的過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)定義的、所期望的操作點(diǎn)。 一典 型的及廣為人知的MPC目標(biāo)函數(shù)確定一集合的控制信號(hào)移動(dòng)(或變化)，如果在未來(lái)的一特 定時(shí)間期間(即所述控制層位)實(shí)施所述MPC目標(biāo)函數(shù)，可產(chǎn)生一集合的測(cè)得過(guò)程輸出或 變量(稱(chēng)為"控制變量")與它們各自的期望值(例如所述控制變量的設(shè)定點(diǎn))之間的誤差 的最小額，并最小化所述控制信號(hào)中的移動(dòng)，同時(shí)將所述控制信號(hào)、所述控制參數(shù)及其他過(guò) 程參數(shù)保持在預(yù)定義的限制中。所述限制可以是用戶(hù)定義或可以與過(guò)程工廠(chǎng)中存在的物理 限制相關(guān)。在許多情形中，所測(cè)得的控制變量與所述控制變量的設(shè)定點(diǎn)之間的誤差可以確 定為每個(gè)所測(cè)得的控制變量與所述預(yù)測(cè)層位期間的一設(shè)定點(diǎn)向量(其定義所述控制變量 的設(shè)定點(diǎn))之間的平方誤差的和。此外，可以通過(guò)在所述控制層位時(shí)對(duì)一特定控制信號(hào)的 每個(gè)單位變化的移動(dòng)施加一罰，以最小化所述控制信號(hào)中的移動(dòng)。當(dāng)然，可以改為使用其他 目標(biāo)函數(shù)，或是除了使用這個(gè)類(lèi)別的目標(biāo)函數(shù)之外，還可以使用其他目標(biāo)函數(shù)。
在使用當(dāng)前的MPC技術(shù)時(shí)，所述MPC目標(biāo)函數(shù)被定義為同時(shí)計(jì)算及最小化所測(cè)得 的控制變量與它們的相關(guān)設(shè)定點(diǎn)之間顯示的誤差，以及控制所述過(guò)程以響應(yīng)其他過(guò)程變量 中的變化，這些其他過(guò)程變量中的變化典型地稱(chēng)為擾動(dòng)變量(其可以包括一個(gè)或多個(gè)控制 變量設(shè)定點(diǎn)中的變化)。這個(gè)第一函數(shù)一般與反饋控制相關(guān)，而隨后的函數(shù)一般與前饋控 制相關(guān)。然而，由于MPC技術(shù)本質(zhì)上為執(zhí)行前饋及反饋控制而在多個(gè)變量上同時(shí)操作的方 式，習(xí)慣于實(shí)施傳統(tǒng)前饋/反饋過(guò)程控制技術(shù)(如比例、積分及微分控制)的工程師及操作 員將難于適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)MPC控制器。此外，控制操作員一般最熟悉而且最習(xí)慣于通過(guò)分別地調(diào)節(jié)一前饋控制元件及一反饋控制元件來(lái)設(shè)計(jì)及調(diào)節(jié)過(guò)程控制器，以獲得期望的控制特性 結(jié)合(即在所述控制變量響應(yīng)中獲得響應(yīng)時(shí)間、過(guò)沖及振動(dòng)表現(xiàn)的期望或可接受的結(jié)合)。 例如，前饋控制通常實(shí)施來(lái)提供一粗控制信號(hào)，而反饋控制則用來(lái)調(diào)節(jié)或微調(diào)所述粗控制 信號(hào)以提供更精確的控制特性。然而，一MPC控制器典型地只能通過(guò)使用當(dāng)前的技術(shù)對(duì)所 述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行改變來(lái)調(diào)節(jié)，分別對(duì)前饋控制特定及反饋控制特性來(lái)調(diào)節(jié)一 MPC控制器， 這使調(diào)節(jié)很困難(如果不是不可能)。
發(fā)明內(nèi)容
—種兩階段模型預(yù)測(cè)控制(MPC)控制器使用一過(guò)程模型及兩個(gè)分別的MPC控制模 塊(包括一前饋MPC控制模塊及一反饋MPC控制模塊)，以確定一集合的控制信號(hào)，用于控 制一過(guò)程。所述前饋MPC控制模塊使用所述過(guò)程模型來(lái)確定一集合的控制信號(hào)中的每個(gè)控 制信號(hào)的一前饋控制元件，而所述反饋MPC控制模塊使用所述過(guò)程模型及一個(gè)或多個(gè)測(cè)得 過(guò)程輸出來(lái)確定所述集合的控制信號(hào)中的每個(gè)控制信號(hào)的一反饋控制元件。所述兩階段 MPC控制模塊使用所述過(guò)程模型將所述前饋控制元件與所述反饋控制元件結(jié)合，以構(gòu)成用 于控制所述過(guò)程的最終控制信號(hào)。所述兩個(gè)不同的控制模塊可以接收來(lái)自所述過(guò)程的分別 及不同的輸入，以確定所述前饋控制元件及所述反饋控制元件，而且所述兩個(gè)不同的控制 模塊可以分別地調(diào)節(jié)，從而使控制操作員或其他用戶(hù)能夠在一 MPC控制器環(huán)境中執(zhí)行更標(biāo) 準(zhǔn)及更穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。
圖1為一原理圖，其顯示一過(guò)程控制系統(tǒng)，該過(guò)程控制系統(tǒng)包括一控制模塊，該控 制模塊具有一實(shí)施兩階段MPC技術(shù)的高級(jí)控制器功能塊。 圖2為一框圖，其圖解圖1的高級(jí)控制器功能塊，該高級(jí)控制器功能塊實(shí)施為兩階 段MPC控制器。
圖3為 0. 001。 圖4為10。 圖5為50。 圖6為
1000。 圖7為一曲線(xiàn)圖，其圖解圖2的兩階段MPC控制器的一前饋MPC控制模塊的一范 例操作，其中一前饋調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)為5。 圖8為一曲線(xiàn)圖，其圖解由圖2的兩階段MPC控制器的前饋及反饋控制模塊的結(jié) 合使用產(chǎn)生的一工廠(chǎng)的一控制信號(hào)及一過(guò)程變量響應(yīng)。 圖9為一曲線(xiàn)圖，其圖解關(guān)于圖8中描繪的控制信號(hào)及過(guò)程變量響應(yīng)的更多細(xì)節(jié)。
曲線(xiàn)圖，其圖解一傳統(tǒng)MPC控制模塊的一范例操作，其中一調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)為 曲線(xiàn)圖，其圖解一傳統(tǒng)MPC控制模塊的一范例操作，其中一調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)為 曲線(xiàn)圖，其圖解一傳統(tǒng)MPC控制模塊的一范例操作，其中一調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)為 曲線(xiàn)圖，其圖解一傳統(tǒng)MPC控制模塊的一范例操作，其中一調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)為
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參看圖1，一過(guò)程控制系統(tǒng)10可以實(shí)施于(例如) 一發(fā)電廠(chǎng)、一精煉廠(chǎng)或任 何其他類(lèi)別的制造或加工廠(chǎng)，其包括一過(guò)程控制器ll，該過(guò)程控制器11連接到一歷史數(shù)據(jù) 庫(kù)12，并連接到一個(gè)或多個(gè)主工作站或主計(jì)算機(jī)13(其可以是任何類(lèi)別的個(gè)人計(jì)算機(jī)、工 作站等等)，每個(gè)主工作站或主計(jì)算機(jī)13具有一個(gè)顯示屏幕14?？刂破?1也通過(guò)輸入/ 輸出(I/O)卡26及28連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)12可以是任何期望類(lèi)別的數(shù) 據(jù)采集單元，其具有任何期望類(lèi)別的存儲(chǔ)器及任何期望或公知的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的軟件、硬 件或固件，而且可以與其中一個(gè)工作站13分開(kāi)(如圖l所示)或可以成為其一部分?？?制器ll(舉例而言，其可以是由"艾默生過(guò)程控制電力及水解決方案有限公司"(Emerson Process Management Power and WaterSolutions， Inc.)出售的Ovation 控制器或由艾 默生過(guò)程控制有限公司(Emerson Process Management Power)出售的DeltaV 控制器) 通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)連接或任何其他期望的通信網(wǎng)絡(luò)29，通信連接到主計(jì)算機(jī)13及歷史數(shù)據(jù) 庫(kù)12。通信網(wǎng)絡(luò)29的形式可以是一局域網(wǎng)(LAN)、一廣域網(wǎng)(WAN)、一電信網(wǎng)絡(luò)等等，而且 可以使用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)或兩者的結(jié)合來(lái)實(shí)施?？刂破?1還使用任何期望的硬件及軟件 (例如與標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA設(shè)備及/或任何智能通信協(xié)議，比如FOUNDATION⑧Fieldbus 協(xié)議(Fieldbus) 、 HART協(xié)議等等相關(guān)的硬件及軟件)，通信連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22。此外， 這些通信可以使用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)施。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22可以是任何類(lèi)別的設(shè)備，比如傳感器、閥、變送器、定位器等等，而 輸入/輸出卡26及28可以是符合任何期望通信協(xié)議或控制器協(xié)議的輸入/輸出設(shè)備。在圖 1所示的實(shí)施例中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-18是標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA設(shè)備，它們沿著模擬線(xiàn)路通信連接到輸 入/輸出卡26，而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備19-22是智能設(shè)備，比如Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它們使用Fieldbus 協(xié)議通信沿著數(shù)字總線(xiàn)通信連接到輸入/輸出卡28。當(dāng)然，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22可以遵循任何 其他期望的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，包括將來(lái)開(kāi)發(fā)的任何標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。
控制器11可以是工廠(chǎng)10中的許多分布式控制器的其中之一，而且其中包括至少 一個(gè)處理器；控制器11實(shí)施或監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)過(guò)程控制例程，這些過(guò)程控制例程包括存儲(chǔ) 在其中或以其他方式與其發(fā)生聯(lián)系的控制環(huán)路?？刂破?1與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22、主計(jì)算機(jī) 13及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)12進(jìn)行通信，以便以任何期望方式來(lái)控制過(guò)程。應(yīng)該注意的是，在此描述 的任何控制例程或元件的部分可以由不同的控制器或其他設(shè)備實(shí)施或執(zhí)行(如果需要的 話(huà))。同樣地，在此描述的需在過(guò)程控制系統(tǒng)10中實(shí)施的控制例程或模塊可以采用任何形 式，包括軟件、固件、硬件等等。對(duì)于本討論而言，過(guò)程控制元件可以是過(guò)程控制系統(tǒng)的任何 部分或局部，例如包括存儲(chǔ)在任何計(jì)算機(jī)可讀媒介上的例程、塊或模塊?？刂评炭梢允且?控制程序的多個(gè)模塊或任何部分，比如一子例程、一子例程的多個(gè)部分(比如多條代碼線(xiàn)) 等等，所述控制例程可以以任何期望的軟件格式實(shí)施，比如使用梯形邏輯、平坦序功能圖、 功能塊圖、對(duì)象導(dǎo)向編程，或使用任何其他軟件編程語(yǔ)言或設(shè)計(jì)范式。同樣地，所述控制例 程可以被固化成(例如) 一個(gè)或多個(gè)可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPR0Ms)、電可擦除可編程 只讀存儲(chǔ)器(EEPR0Ms)、專(zhuān)用集成電路(ASICs)、或任何其他硬件或固件元件。此外，所述控 制例程可以使用任何設(shè)計(jì)工具來(lái)設(shè)計(jì)，包括圖形設(shè)計(jì)工具或任何其他類(lèi)別的軟件、硬件、固 件編程或設(shè)計(jì)工具。因此，控制器11可以配置成以任何期望方式來(lái)實(shí)施控制策略或控制例 程。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制器11使用通常稱(chēng)為功能塊的元件來(lái)實(shí)施一控制策略，其中 每個(gè)功能塊是一完整控制例程的一部分或?qū)ο?，而且每個(gè)功能塊(通過(guò)被稱(chēng)為"鏈接"的通 信)與其他功能塊一起工作，以便實(shí)施過(guò)程控制系統(tǒng)10中的過(guò)程控制環(huán)路。功能塊典型地 執(zhí)行以下功能的其中之一，以便執(zhí)行在過(guò)程控制系統(tǒng)10中的一些物理功能，即輸入功能， 比如與變送器、傳感器或其他過(guò)程參數(shù)測(cè)量設(shè)備相關(guān)的輸入功能；控制功能，比如與執(zhí)行 PID、模糊邏輯、MPC等控制有關(guān)的控制功能；或輸出功能(其負(fù)責(zé)控制一些設(shè)備(比如閥) 的操作)。當(dāng)然，存在混合的及其他類(lèi)別的功能塊。在這些功能塊用于或與標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA設(shè) 備及某些類(lèi)別的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(比如HART設(shè)備)相關(guān)時(shí)，這些功能塊可以典型地存儲(chǔ)于控 制器ll中并由其執(zhí)行，而在這些功能塊用戶(hù)或與Fieldbus設(shè)備相關(guān)時(shí)，這些功能塊可以存 儲(chǔ)于所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身，并由所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身執(zhí)行。雖然在此以一功能塊控制策略(其 使用一對(duì)象導(dǎo)向編程范式)來(lái)描述所述控制系統(tǒng)，所述控制策略或控制環(huán)路可以使用其他 協(xié)議(比如梯形邏輯、平坦序功能圖等等)來(lái)實(shí)施或設(shè)計(jì)，或使用任何其他期望的編程語(yǔ)言 或范式來(lái)實(shí)施或設(shè)計(jì)。 如圖1的分解塊30所示，控制器11可以包括多個(gè)單環(huán)路控制例程，如圖解的例程 32及34，而且控制器11可以實(shí)施一個(gè)或多個(gè)高級(jí)控制環(huán)路，如圖解的控制環(huán)路36。每個(gè)這 樣的控制環(huán)路典型地稱(chēng)為一控制模塊。所述單環(huán)路控制例程32及34被圖解為分別使用單 輸入/單輸出模糊邏輯控制(FLC)塊及單輸入/單輸出PID控制塊來(lái)執(zhí)行單環(huán)路控制，所述 模糊邏輯控制(FLC)塊及單輸入/單輸出PID控制塊連接到適當(dāng)?shù)哪M輸入(AI)功能塊 及模擬輸出(AO)功能塊，所述模擬輸入(AI)功能塊及模擬輸出(AO)功能塊可以與過(guò)程控 制設(shè)備(比如閥)有關(guān)、與測(cè)量設(shè)備(比如溫度變送器及壓力變送器)有關(guān)、或與過(guò)程控制 系統(tǒng)10中的任何其他設(shè)備有關(guān)。高級(jí)控制環(huán)路36被圖解為包括一個(gè)高級(jí)控制塊38，該高 級(jí)控制塊38具有通信連接到多個(gè)模擬輸入(AI)功能塊的多個(gè)輸入，并具有通信連接到多 個(gè)模擬輸出(A0)功能塊的多個(gè)輸出，雖然高級(jí)控制塊38的輸入及輸出可以通信連接到任 何其他期望的功能塊或控制元件，以接收其他類(lèi)別的輸入并提供其他類(lèi)別的控制輸出。如 將進(jìn)一步描述的那樣，高級(jí)控制塊38可以是一使用兩階段模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的控制塊。應(yīng) 該了解的是，圖l所示的功能塊(包括高級(jí)控制塊38)可以由控制器ll執(zhí)行，或可選擇地 可以位于任何其他處理設(shè)備及由任何其他處理設(shè)備執(zhí)行，比如工作站13的其中之一或甚 至是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備19-22的其中之一。 如圖1所示，工作站13的其中之一包括一高級(jí)控制塊產(chǎn)生例程40，高級(jí)控制塊產(chǎn) 生例程40用于創(chuàng)建、下載及實(shí)施高級(jí)控制塊38。雖然高級(jí)控制塊產(chǎn)生例程40可以存儲(chǔ)在 工作站13的存儲(chǔ)器并且由其中的處理器執(zhí)行，但如果需要，這個(gè)例程(或其任何部分)也 可以附加地或替代地存儲(chǔ)在過(guò)程控制系統(tǒng)10中的任何其他設(shè)備或由過(guò)程控制系統(tǒng)10中的 任何其他設(shè)備執(zhí)行。 一般而言，高級(jí)控制塊產(chǎn)生例程40包括一控制塊創(chuàng)建例程42 (控制塊 創(chuàng)建例程42創(chuàng)建一高級(jí)控制塊，并將這個(gè)高級(jí)控制塊連接到所述過(guò)程控制系統(tǒng))、一過(guò)程 模擬例程44 (過(guò)程模擬例程44根據(jù)由所述高級(jí)控制塊采集的數(shù)據(jù)，為過(guò)程或過(guò)程的局部創(chuàng) 建過(guò)程模型)及一控制邏輯參數(shù)創(chuàng)建例程46 (控制邏輯參數(shù)創(chuàng)建例程46根據(jù)所述過(guò)程模 型，為所述高級(jí)控制塊創(chuàng)建控制邏輯參數(shù)，并存儲(chǔ)或下載所述高級(jí)控制塊中的這些控制邏 輯參數(shù)，以用于控制過(guò)程)。 一優(yōu)化器例程48可以用于創(chuàng)建一優(yōu)化器，以便同所述高級(jí)控 制塊38 —起使用。應(yīng)該了解，例程42、44、46及48可以由一系列的不同的例程組成，比如由第一例程(第一例程創(chuàng)建一高級(jí)控制元件，該高級(jí)控制元件的控制輸入適合接收過(guò)程輸 出，其控制輸出適合提供控制信號(hào)給過(guò)程輸入)、第二例程(第二例程使得用戶(hù)能夠在過(guò)程 控制例程(其可以是任何期望的配置例程)中下載及通信連接所述高級(jí)控制元件)、第三例 程(第三例程使用所述高級(jí)控制元件來(lái)為每個(gè)過(guò)程輸入提供激勵(lì)波形)、第四例程(第四例 程使用所述高級(jí)控制元件來(lái)采集反映所述過(guò)程輸出中的每個(gè)過(guò)程輸出對(duì)所述激勵(lì)波形的 響應(yīng)的數(shù)據(jù))、第五例程(第五例程為所述高級(jí)控制塊選擇或使用戶(hù)能夠?yàn)樗龈呒?jí)控制 塊選擇一集合輸入)、第六例程(第六例程創(chuàng)建一過(guò)程模型)、第七例程(第七例程根據(jù)所 述過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)高級(jí)控制邏輯參數(shù))、第八例程(第八例程將所述高級(jí)控制邏輯放置在 所述高級(jí)控制元件，而且如果需要，將所述過(guò)程模型放置在所述高級(jí)控制元件，以使得所述 高級(jí)控制元件能夠控制過(guò)程)以及第九例程(第九例程選擇或使用戶(hù)能夠選擇優(yōu)化器，以 用于高級(jí)控制塊38)。 同樣地，一操作員觀察例程49可以在工作站13的其中之一中提供，以便使操作員 能夠與高級(jí)控制塊38共面，以觀察高級(jí)控制塊38的當(dāng)前操作、改變參數(shù)(比如與高級(jí)控制 塊38相關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù))以及對(duì)高級(jí)控制塊38采取其他需要的動(dòng)作。如以下更詳細(xì)的描述那 樣，高級(jí)控制塊38可以包括或?qū)嵤﹥呻A段模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，以便在過(guò)程工廠(chǎng)中實(shí)施控制。
—般而言，模型預(yù)測(cè)控制(MPC)是一類(lèi)控制算法，這些控制算法根據(jù)一定義最佳 過(guò)程行為的目標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算一序列的控制變量(過(guò)程輸入)，而這些控制變量用于控制一 過(guò)程，以?xún)?yōu)化所述過(guò)程的未來(lái)行為。在實(shí)施MPC時(shí)，一MPC控制器在一當(dāng)前時(shí)間k求解在一 有限預(yù)測(cè)層位(Hp)期間關(guān)于一預(yù)定目標(biāo)函數(shù)的一優(yōu)化問(wèn)題，使得所述預(yù)測(cè)輸出變量(它們 是正被控制的過(guò)程變量)可以最佳地保持接近一集合的基準(zhǔn)彈道或設(shè)定點(diǎn)。通常，所述目 標(biāo)函數(shù)被選擇為一個(gè)二次函數(shù)，而且所述控制層位(H。)小于所述預(yù)測(cè)層位(Hp)。為了合并 有關(guān)所述真實(shí)系統(tǒng)輸出的反饋信息，所計(jì)算的控制序列只是實(shí)施直到下個(gè)測(cè)量瞬間(即時(shí) 間k+l)為止，在下個(gè)測(cè)量瞬間(即時(shí)間k+l)，整個(gè)MPC計(jì)算被重復(fù)。這個(gè)計(jì)算的性質(zhì)允許 在所述優(yōu)化過(guò)程中以有系統(tǒng)的方式考慮控制輸入及過(guò)程輸出限制。 在不損失一般性的條件下，在此將使用一任意工廠(chǎng)或過(guò)程的狀態(tài)空間表示來(lái)描述 一新的多階段MPC控制器。 一般上，將假設(shè)一多輸入及多輸出線(xiàn)性設(shè)備以下列狀態(tài)空間方 程式描述x (k+1) = Ax (k) +Bu (k) (1 a) y(k) = Cx(k) (lb) 其中x為狀態(tài)變量向量，u為控制輸入向量，而y為所述過(guò)程輸出向量(與所述控 制變量相關(guān))。因此，4" e e『e『，而A、 b及c為具有適當(dāng)維數(shù)的矩陣。
在正常定義之后，正有限矩陣p上的加權(quán)2-范數(shù)定義為IMip=VZ^ 。 在時(shí)間k所測(cè)得的狀態(tài)變量以x(k|k) = x(k)表示，而在時(shí)間k時(shí)的估計(jì)狀態(tài)變 量為S(A: I A:)。在一時(shí)間k的所述測(cè)得狀態(tài)變量表示為x (k I k) = x (k)，而在時(shí)間k的估計(jì)狀
態(tài)變量為^(A I "。所述預(yù)測(cè)層位及所述控制層為依次以Hp及H。表示。因此，在一時(shí)間k+i 的、基于x(k)(或雙A:l")的預(yù)測(cè)狀態(tài)及控制變量依次以xP(k+ilk)及uP(k+i-llk)表示 (適用于i = 1，2，...HP)。 在這種背景下，以狀態(tài)估計(jì)用于控制工廠(chǎng)的一種典型MPC控制技術(shù)可以以下列計(jì)算程序描述。
步驟1 :獲取在當(dāng)前時(shí)間k的狀態(tài)變量的初始條件。這個(gè)步驟通常使用所述狀態(tài)
估計(jì)方程式來(lái)完成，考慮實(shí)時(shí)測(cè)量y(k)，而且可以描述為
舉I A:) = (^ -《eC4). -11 A: -1) + (5 -《，).-1) + &， (" 其中Ke為預(yù)計(jì)算狀態(tài)估計(jì)器增益。 步驟2 :設(shè)定xP(klk) 二x(k)，并在每個(gè)采樣時(shí)間k(k二 1，2，...)求解下列優(yōu)化
過(guò)程。
mm
21,+ / +11- + "(A; + / +11 " +碎)L + + I —L
(3)
受限于以下條件 err(k) = y(k)-yp(k|k) xp (k+i+11 k) = Axp (k+i I k) +Bup (k+i I k) yp(k+i|k) = Cxp(k+i|k) up(k+Hc+j|k) = up(k+Hc|k) |up(k+i|k) I復(fù)x
I yP (k+i |k) I《Ymax
for(i = 0， 1， Hp)
步驟3 :施加所述控制信號(hào)u (k) = up (k I k)到所述過(guò)程，并從步驟1重復(fù)所述計(jì)算
(狀態(tài)方程式限制) (輸出方程式限制) (j = 1，2，…Hp-Hc) (控制輸入限制) (過(guò)程輸出限制)
應(yīng)注意的是，一般而言，求解方程式(3)尋找所述預(yù)測(cè)層位Hp期間(即從當(dāng)前時(shí) 間k到所述預(yù)測(cè)層位時(shí)間k+Hp-l)的所述集合的預(yù)測(cè)控制輸入uP，所述集合的預(yù)測(cè)控制輸入 uP最小化方程式(3)右邊的項(xiàng)的求和。 一般上，方程式(3)的求和表達(dá)式包括兩個(gè)因子，這 兩個(gè)因子在一起被最小化時(shí)定義最佳集合的控制信號(hào)uP。明確地說(shuō)，方程式(3)的目標(biāo)函 數(shù)因子包括所述過(guò)程輸出yP的預(yù)測(cè)值及它們各自的設(shè)定點(diǎn)ysrt之間的平方誤差的和，以及 自最后時(shí)間瞬間所述預(yù)測(cè)控制信號(hào)(Aup)中的變化。因此，方程式(3)的目標(biāo)函數(shù)的作用 在于減少所述過(guò)程輸出/與它們的期望設(shè)定點(diǎn)ysrt之間的誤差，同時(shí)最小化所述控制信號(hào) u在所述預(yù)測(cè)層位時(shí)的控制器操作期間的變化。 應(yīng)該注意的是，所述集合的控制信號(hào)uP是以不違反以上(緊隨方程式(3)之后) 定義的任何所述狀態(tài)方程式限制、所述輸出方程式限制、所述控制輸入限制或所述過(guò)程輸 出限制、而且假設(shè)所述控制信號(hào)uP已經(jīng)在所述控制層位(H。)或在所述控制層位(H。)之后 達(dá)到穩(wěn)態(tài)(即不改變)的方式，在方程式(3)中確定。應(yīng)該注意的是，在方程式(3)中的求 和之后的第一項(xiàng)考慮由于擾動(dòng)變量(y 項(xiàng))而導(dǎo)致所述過(guò)程輸出中的變化，并且補(bǔ)償所述 當(dāng)前過(guò)程輸出的一先前預(yù)測(cè)與所述當(dāng)前時(shí)間時(shí)的實(shí)際測(cè)得輸出之間的誤差(即方程式(3) 的err (k)項(xiàng))。此外，所述Q及R矩陣(它們是正有限矩陣)依次是過(guò)程輸出及控制輸入 上的加權(quán)因子，而Umax及Ymax依次是控制輸入及過(guò)程輸出上的限制。通常輸入限制是硬限 制，這是由于它們代表設(shè)備(例如促動(dòng)器)的物理限制；而過(guò)程輸出限制是軟限制，這是由 于它們代表根據(jù)過(guò)程偏差判斷的性能。因此，過(guò)程輸出限制通常可以放松，如果在線(xiàn)優(yōu)化遇到可行性問(wèn)題。有時(shí)候，也可以施加一穩(wěn)定性限制，以保證名義閉環(huán)穩(wěn)定性。典型地，名義
閉環(huán)穩(wěn)定性是通過(guò)調(diào)整預(yù)測(cè)長(zhǎng)度及控制層位，并結(jié)合由加權(quán)矩陣Q及R提供的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外，在以上描述的標(biāo)準(zhǔn)MPC構(gòu)成中，由測(cè)得擾動(dòng)產(chǎn)生的過(guò)程輸出預(yù)測(cè)及一擾動(dòng) 模型明確地合并到所述目標(biāo)函數(shù)中，雖然并非總是需要這個(gè)特性。擾動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)可以計(jì)算 為
<formula>formula see original document page 15</formula>
其中(Ad,Bd,Cd)代表所述擾動(dòng)模型，Xd及yd為相應(yīng)擾動(dòng)狀態(tài)及輸出偏差變量，而v 為所述測(cè)得擾動(dòng)。 從以上討論，可以了解傳統(tǒng)上所稱(chēng)的前饋及反饋控制是在MPC控制器操作期間使 用方程式(3)的所述單一目標(biāo)函數(shù)來(lái)實(shí)施。因此，在可以改變所述矩陣Q及R來(lái)調(diào)節(jié)所述 MPC控制器之同時(shí)，這樣做也同程度地同時(shí)調(diào)節(jié)所述傳統(tǒng)前饋控制操作及所述傳統(tǒng)反饋控 制操作。很難(如果不是不可能)使用傳統(tǒng)MPC技術(shù)(比如上述那些技術(shù))來(lái)單獨(dú)地或個(gè) 別地調(diào)節(jié)前饋控制響應(yīng)及反饋控制響應(yīng)。 現(xiàn)在將描述一種新的使用MPC技術(shù)提供單獨(dú)地操作并可調(diào)節(jié)的前饋及反饋控制 元件的兩階段MPC控制器。 一般上，所述兩階段MPC控制器操作或技術(shù)包括兩個(gè)MPC控制 塊，每個(gè)MPC控制塊具有一單獨(dú)的目標(biāo)函數(shù)，所述MPC控制塊的其中之一用于實(shí)施前饋控制 而所述MPC控制塊的其中另外之一用于實(shí)施反饋控制。這兩個(gè)MPC控制塊接著結(jié)合，產(chǎn)生 所述MPC控制塊的最終輸出，所述最終輸出被傳輸?shù)剿鲞^(guò)程及過(guò)程控制輸入。由于前饋 及反饋控制操作在這個(gè)兩階段技術(shù)中分開(kāi)，前饋及反饋控制可以單獨(dú)地或個(gè)別地實(shí)施及調(diào) 節(jié)，像在傳統(tǒng)控制技術(shù)(比如PID控制)中能夠單獨(dú)地或個(gè)別地實(shí)施及調(diào)節(jié)那樣。
圖2為一框圖，其圖解一個(gè)兩階段MPC控制器的實(shí)施例，所述兩階段MPC控制器可 以實(shí)施為圖1的高級(jí)控制塊38，而且通信連接到一過(guò)程50。應(yīng)該理解的是，圖2的高級(jí)控 制塊38產(chǎn)生一集合的操縱變量MV信號(hào)(或控制信號(hào))，所述操縱變量MV信號(hào)(或控制信 號(hào))被提供到連接到過(guò)程50的控制輸入的其他功能塊，以控制過(guò)程50的操作。如圖2所 示，所述兩階段MPC控制器38包括一第一 MPC控制塊52、一第二 MPC控制塊54、一過(guò)程模 型56及一求和器單元58。過(guò)程模型56可以是(例如) 一階躍響應(yīng)模型、一脈沖響應(yīng)模型、 一第一規(guī)則模型、一參數(shù)化模型或任何其他期望類(lèi)別的、典型地與一MPC控制器相關(guān)或用 于一 MPC控制器或與一 MPC控制技術(shù)相關(guān)的過(guò)程模型。MPC控制塊52及54可以實(shí)施任何 期望類(lèi)別的MPC例程或程序，而且可以接收一集合的控制變量(CV)及在過(guò)程50中測(cè)得的 輔助變量(AV)作為輸入、一集合的擾動(dòng)變量(DV)(擾動(dòng)變量代表已知的或預(yù)期的在未來(lái)某 個(gè)時(shí)間對(duì)過(guò)程50的變化或擾動(dòng))、以及一集合的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)控制變量(CV)及輔助變量(AV)， 控制變量(CV)及輔助變量(AV)提供到控制器38，作為設(shè)定點(diǎn)。此外，輸入限制、輸出限制 及其他限制可以提供到控制塊38或存儲(chǔ)在控制塊38中。MPC控制塊38使用這些輸入來(lái)創(chuàng) 建所述集合的操縱變量MV(以控制信號(hào)的形式)，并傳送所述操縱變量信號(hào)MV以控制過(guò)程 50。 由圖2的控制塊38實(shí)施的兩階段MPC技術(shù)可以由以下計(jì)算程序描述，所述計(jì)算程 序通常分成兩個(gè)階段。由MPC控制塊52實(shí)施的第一階段計(jì)算一集合的前饋控制信號(hào)uff、 作為所述前饋控制信號(hào)的結(jié)果的一集合的預(yù)測(cè)過(guò)程輸出信號(hào)yPff、以及一集合的前饋控制信號(hào)限制Uff, max，并提供這些信號(hào)到MPC控制塊54，而MPC控制塊54實(shí)施所述MPC技術(shù)的 第二階段。 一般而言，所述MPC技術(shù)的第二階段確定一集合的反饋控制信號(hào)Ufb，所述反饋 控制信號(hào)uft實(shí)施反饋控制。因此，所述控制塊52在此將稱(chēng)為一前饋MPC控制塊，而所述控 制塊54在此將稱(chēng)為一反饋MPC控制塊。所述求和器塊58求和所述前饋控制信號(hào)uff與所 述反饋控制信號(hào)ufb，以產(chǎn)生被提供予過(guò)程50的最終控制信號(hào)u。 以下將描述圖2的MPC控制塊38的兩階段操作的一個(gè)范例。在與前饋控制相關(guān)
的一第一階段中，下列步驟由(例如)圖2的前饋MPC控制塊52執(zhí)行。 步驟1 :在啟動(dòng)時(shí)獲取所述狀態(tài)變量xP(klk)的初始條件，并在每個(gè)隨后的步驟計(jì)
算初始狀態(tài)變量。這個(gè)基于模型的預(yù)測(cè)計(jì)算可以使用以上提供的狀態(tài)方程式(la)及(lb)
來(lái)執(zhí)行。
步驟2 :在每個(gè)采樣時(shí)間k(k = 1，2， )時(shí)求解以下優(yōu)化(目標(biāo)函數(shù))
2 l卜；("! +11 " - & + ， + " 1 I "|e + (" ! I "I%
受限于以下條件
xp(& + z. + l|A:) = JJCp(A: + /|A:) + 5";(^ + /|A:) >;》(A: + z'|A:) = Ccp(",
(A:+ //c+_/1" = (j = l，2，...Hp-Hc)
—i max
適用于(i =0，1，...HP)
步驟3 :存儲(chǔ)所述前饋控制信號(hào)"#&)="》"I O ，然后進(jìn)入第二階段。
在上述程序中，Rff為施加到所述前饋控制輸入的加權(quán)矩陣，uffp(k+i |k)為所述計(jì) 算前饋控制信號(hào)，yffp (k+i I k)為所述合成過(guò)程輸出預(yù)測(cè)，而Uff,max為指定予前饋控制的控制 輸入限制的部分，如果需要，Uff,^可以調(diào)整?？梢粤私?，前饋MPC控制塊52實(shí)施方程式(4) 以確定所述集合的前饋控制信號(hào)uPff，這最小化方程式(4)的目標(biāo)函數(shù)。方程式(4)的目標(biāo) 函數(shù)與方程式(3)的目標(biāo)函數(shù)相似，但有一些重要分別。首先，由于方程式(4)實(shí)施前饋控 制，其不包括執(zhí)行反饋補(bǔ)償(誤差修正)的所述誤差項(xiàng)err (k)。同樣地，所述控制信號(hào)uPff 受一項(xiàng)Uff，限制，而該項(xiàng)Uff，典型地少于與方程式(3)相關(guān)的控制限制U^。
如圖2所示，前饋MPC控制塊52使用內(nèi)部模型56來(lái)求解方程式(4)，而且在所述 控制層位期間選擇一集合的控制信號(hào)uPff，并提供這些信號(hào)到內(nèi)部模型56，而內(nèi)部模型56 提供一集合的預(yù)測(cè)過(guò)程輸出信號(hào)yPff (基于所述控制信號(hào)upff)，這些預(yù)測(cè)過(guò)程輸出信號(hào)ypff 接著用于計(jì)算方程式(4)右邊的求和值。接著改變所述集合的預(yù)測(cè)控制信號(hào)uPff，然后重復(fù) 這個(gè)過(guò)程以求出最小化受限于相關(guān)限制的方程式(4)的求和的所述集合的預(yù)測(cè)控制信號(hào) uPff。在求出一最小值時(shí)，導(dǎo)致這個(gè)最小值的所述集合的預(yù)測(cè)控制信號(hào)uPff被提供到圖2的 求和器58 (例如通過(guò)以求和器58可存取的方式存儲(chǔ))。 在與反饋控制相關(guān)的一第二階段中，下列步驟由(例如)圖2的反饋MPC控制塊54執(zhí)行。
步驟1 :獲取在當(dāng)前步驟的狀態(tài)變量的反饋初始條件。這個(gè)操作通?？梢酝ㄟ^(guò)所
述狀態(tài)估計(jì)方程式執(zhí)行，并考慮實(shí)時(shí)測(cè)量y (k)。這可以數(shù)學(xué)地表示為<formula>formula see original document page 17</formula>
其中Ke為預(yù)計(jì)算狀態(tài)估計(jì)器增益。 步驟2:設(shè)定Z^I^)-""&)，并在每個(gè)采樣時(shí)間k(k二 1，2，...)求解下列優(yōu)化
(目標(biāo)函數(shù))
<formula>formula see original document page 17</formula> 受限于以下條件
<formula>formula see original document page 17</formula> 適用于(i = O，l， ...Hp) 在上述程序中，Rfb為反饋控制輸入上的加權(quán)矩陣，uftp(k+i |k)定義所計(jì)算的反饋 控制信號(hào)，yfbp(k+i|k)為所述合成過(guò)程輸出預(yù)測(cè)，而Ufb,^(k+ilk)為指定予反饋的控制輸 入限制的部分。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選擇輸出誤差上的加權(quán)為Q，而Q為在所述第一階段中為前 饋控制選擇的同一矩陣。然而，如果需要，可以為方程式(4)及(6)的前饋及反饋控制計(jì)算 選擇不同的Q加權(quán)矩陣，以便為這些單獨(dú)的計(jì)算允許附加程度的調(diào)節(jié)。
應(yīng)該理解的是，反饋MPC控制塊54使用過(guò)程模型56來(lái)實(shí)施方程式(6)的目標(biāo)函 數(shù)，以確定所述集合的反饋控制信號(hào)u:。方程式(6)的目標(biāo)函數(shù)與方程式(3)的目標(biāo)函數(shù) 相似，但有一些重要分別。首先，由于方程式(6)實(shí)施反饋控制，其不考慮測(cè)得擾動(dòng)或設(shè)定 點(diǎn)值，但包括執(zhí)行反饋誤差修正的所述誤差項(xiàng)err(k)。因此，方程式(6)的求和的第一項(xiàng)試 圖驅(qū)動(dòng)所述過(guò)程輸出變量信號(hào)yPft到零，意思就是這個(gè)項(xiàng)最終驅(qū)動(dòng)最終過(guò)程輸出變量yP (其 等于yPff+yPft)成為由前饋MPC控制塊52確定的變量(即yPff)。同樣地，所述控制信號(hào)upfb 受一項(xiàng)Ufb,max限制，而該項(xiàng)Ufb,max少于與方程式(3)相關(guān)的控制限制Umax。
如圖2所示，反饋MPC控制塊54使用內(nèi)部模型56來(lái)求解方程式(6)，而且在所述 控制層位期間選擇一集合的反饋控制信號(hào)uPft，并提供這些信號(hào)到內(nèi)部模型56，而內(nèi)部模型 56產(chǎn)生一集合的預(yù)測(cè)過(guò)程輸出信號(hào)yPfb (基于所述過(guò)程控制信號(hào)uPfb)。所述預(yù)測(cè)過(guò)程輸出 信號(hào)yPfb接著由反饋MPC控制塊54用于計(jì)算方程式(6)右邊的求和值。接著，改變所述集 合的預(yù)測(cè)反饋控制信號(hào)u:，然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程以求出最小化受限于相關(guān)限制的方程式(6) 的求和的所述集合的預(yù)測(cè)反饋控制信號(hào)uPfb。在求出一最小值時(shí)，導(dǎo)致這個(gè)最小值的所述集合的預(yù)測(cè)反饋控制信號(hào)uPft被提供到圖2的求和器58(例如通過(guò)以求和器58可存取的方 式存儲(chǔ))。 圖2的求和器58實(shí)施所述第二階段的最終步驟，就是計(jì)算所述輸出控制信號(hào)u (k) 為所述預(yù)測(cè)前饋控制信號(hào)uPff及所述反饋控制信號(hào)uPft的和。所述求和可以表示為
="》(A: I A:) + ";(A: I A:) 如圖2所示，所述輸出控制信號(hào)u(k)接著被提供予過(guò)程50，作為一控制輸入。 其后，在下個(gè)控制器執(zhí)行周期期間，重復(fù)上述兩階段MPC技術(shù)。 重要的是，由反饋MPC控制塊54使用的反饋控制的控制限制Ufb,max可以以許多方
式確定，包括以下兩種方式的其中任何之一 Uft,_(k+i|k) =U_-Uff,_ 或 "Amax (A: + / I A:) = C/鵬-";(A: +!. | " 在第一個(gè)實(shí)例中，所述控制信號(hào)Umax中的每個(gè)控制信號(hào)Umax上的總限制以一預(yù)定 方式在前饋MPC控制塊52及反饋MPC控制塊54之間分開(kāi)，使得前饋MPC控制塊52可以在 所述控制器的任何特定執(zhí)行周期期間使用達(dá)Uff,max (少于或等于Umax)，而反饋MPC控制塊54 則可以使用所述總限制的剩余預(yù)設(shè)數(shù)量，所述剩余預(yù)設(shè)數(shù)量是U^與Uff，之間的差。在這 里，所述前饋控制限制及所述反饋控制限制在每個(gè)執(zhí)行周期期間固定。如果需要，所述反饋 控制限制可以預(yù)設(shè)(比如由一用戶(hù)預(yù)設(shè))，而所述前饋控制限制可以確定為最大控制限制 與所述反饋控制限制之間的差。 在以上提供的所述第二反饋限制方程式中，所述反饋控制限制Ufb,^為動(dòng)態(tài)，在 這層意義上，視在執(zhí)行周期期間由前饋控制塊52實(shí)際使用的控制限制U^的數(shù)量而定， 所述反饋控制限制Ufb, max可能在每個(gè)執(zhí)行周期期間改變。在這種情況下，直到所述控制層 位的任何特定時(shí)間的反饋控制限制是最大控制限制Umax與為該時(shí)間計(jì)算的前饋控制信號(hào) uPff(k+l|k)之間的差。這第二個(gè)限制計(jì)算技術(shù)允許使用整個(gè)控制限制，即使所述前饋控制 信號(hào)不使用分配予所述前饋控制元件的控制限制的整個(gè)數(shù)量(即Uff,max)。
可以在以上提供的方程式中注意到，所述兩階段MPC技術(shù)也施加限制在所述過(guò)程 輸出yP之上，以使每個(gè)過(guò)程輸出yP保持少于或等于一最大限制值Y^(其可以為每個(gè)個(gè)別 過(guò)程輸出單獨(dú)地定義)?？梢粤私?，前饋MPC控制塊52使每個(gè)過(guò)程輸出保持在各自的最大 限制之下，而反饋MPC控制塊54被允許在操作期間根據(jù)前饋控制元件的實(shí)際值yPff，使用該 限制的任何未使用部分。當(dāng)然，如果需要，yPff及yPfb的過(guò)程輸出限制可以預(yù)設(shè)為最大限制 值Y^的某些固定部分。 以上描述的兩階段MPC技術(shù)因此明確地分離為確定由所述MPC控制器產(chǎn)生的合成 控制信號(hào)的前饋控制元件及反饋控制元件而執(zhí)行的計(jì)算。這個(gè)特定允許通過(guò)加權(quán)矩陣Rff 及Rfb(以及Qff及Qfb，如果需要)單獨(dú)地調(diào)節(jié)前饋控制元件及反饋控制元件。明確地說(shuō)，用 戶(hù)可以指定或修改所述加權(quán)矩陣Rff及Rft，以單獨(dú)地(或不同地，如果需要)調(diào)節(jié)所述前饋 控制模塊及反饋控制模塊，從而提供更多加權(quán)或強(qiáng)調(diào)予所述最終控制信號(hào)的前饋元件及反 饋元件的其中之一或另外其中之一。同樣地，這個(gè)技術(shù)明確地在所述前饋元件及所述反饋 元件之間分開(kāi)控制輸入限制，以允許用戶(hù)指定所述前饋控制模塊52及所述反饋控制模塊 54對(duì)所述控制操作的相對(duì)貢獻(xiàn)。因此，例如使用這個(gè)兩階段步驟，控制動(dòng)作可以通過(guò)前饋控制而變得強(qiáng)勢(shì)，同時(shí)反饋動(dòng)作可以降低以供微調(diào)用途。 現(xiàn)在將描述上述兩階段MPC技術(shù)的實(shí)施例的一范例，以說(shuō)明兩階段MPC控制器38 的基本操作。在這種情況下，將假設(shè)一名義工廠(chǎng)由以下傳遞函數(shù)模型描述 <formula>formula see original document page 19</formula> 因此，在這種情況下，圖的過(guò)程模型56可以實(shí)施為使用這個(gè)傳遞函數(shù)的一參數(shù)化 或第一規(guī)則模型，或可以使用根據(jù)這個(gè)傳遞函數(shù)產(chǎn)生的一階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，然而，由于 過(guò)程變化，將假設(shè)以下傳遞函數(shù)代表真實(shí)過(guò)程 <formula>formula see original document page 19</formula>
為了這個(gè)計(jì)算范例，這些傳遞函數(shù)都在L = 2秒的采樣時(shí)間時(shí)被離散，并轉(zhuǎn)換為 離散_時(shí)間狀態(tài)_空間格式?？刂颇繕?biāo)在于初始地控制過(guò)程輸出，以便在不導(dǎo)致這個(gè)變量 中超過(guò)20%過(guò)沖的情況下、在20樣本(40秒)內(nèi)達(dá)到一設(shè)定點(diǎn)=1。最終響應(yīng)應(yīng)在60樣 本內(nèi)降到穩(wěn)態(tài)的3%范圍內(nèi)。為了集中于關(guān)鍵概念，所述測(cè)得擾動(dòng)及所述擾動(dòng)模型并未包括 在所述模擬中，此外，所述過(guò)程輸出限制并未合并到所述模擬中。因此，所述過(guò)程輸出變量 上沒(méi)有實(shí)施限制，這允許變量在所述控制層位期間接受任何值。為了便于比較，所述加權(quán)參 數(shù)Q被選擇為在所有情況中相同(所述單位矩陣)，而所述控制層位及所述預(yù)測(cè)層位被始終 如一地選擇為H。 = 20及Hp = 100。所述控制輸入限制在整個(gè)模擬過(guò)程被選擇為Umax = 4。
為了說(shuō)明圖2的兩個(gè)控制模塊52及54的操作，在使用上述計(jì)算范例時(shí)，使用圖 3-7對(duì)這些模塊的輸出與一傳統(tǒng)單階段MPC控制器進(jìn)行比較。明確地說(shuō)，顯示一單一調(diào)節(jié)參 數(shù)R的多個(gè)不同值的圖3-6圖解由一傳統(tǒng)MPC(方程式3)產(chǎn)生的信號(hào)。如圖3-6所示，隨 著所述調(diào)節(jié)參數(shù)R從0. 001增加到1000， MPC控制輸出表現(xiàn)從快及振動(dòng)變得慢而平坦。一 般上，難以找到良好的能滿(mǎn)足上述所有性能測(cè)量的折衷調(diào)節(jié)參數(shù)R。更明確地說(shuō)，圖3圖解 在調(diào)節(jié)參數(shù)R = 0. 001時(shí)的過(guò)程輸出y及控制輸入u。如圖3所示，響應(yīng)快但導(dǎo)致大過(guò)沖及 振動(dòng)操作。圖4圖解調(diào)節(jié)參數(shù)R二 10時(shí)的過(guò)程輸出y及控制輸入u。如圖4所示，過(guò)程響 應(yīng)一般夠快，但還是導(dǎo)致不可接受的大過(guò)沖及非常振動(dòng)的表現(xiàn)。圖5圖解調(diào)節(jié)參數(shù)R = 50 時(shí)的過(guò)程輸出y及控制輸入u。如圖5所示，所述過(guò)程響應(yīng)包括小過(guò)沖，而且并不像R值較 低時(shí)那么振動(dòng)，但現(xiàn)在導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間緩慢。最后，圖6圖解調(diào)節(jié)參數(shù)R = 1000時(shí)的過(guò)程輸 出y及控制輸入u。如圖6所示，所述過(guò)程響應(yīng)不包括過(guò)沖而且非常平坦，但大多數(shù)使用都 是響應(yīng)時(shí)間不可接受地慢。 圖7圖解由用于圖2中所示的兩階段MPC技術(shù)的一前饋調(diào)節(jié)參數(shù)Rff = 5產(chǎn)生的 過(guò)程輸出yff及前饋控制輸入U(xiǎn)ff。在這里，可以看見(jiàn)典型的前饋控制響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間快而 且過(guò)沖小，但由于過(guò)程模型配錯(cuò)而有穩(wěn)態(tài)誤差。因此，對(duì)于Rff = 5的選擇而言，在這個(gè)情況 中，動(dòng)態(tài)性能一般良好，但最終響應(yīng)有一穩(wěn)態(tài)誤差。 圖8圖解由于在調(diào)節(jié)參數(shù)Rff = 5及Rfb = 20時(shí)由上述兩階段MPC技術(shù)產(chǎn)生的前 饋及反饋控制信號(hào)的結(jié)合而產(chǎn)生的過(guò)程輸出y及控制輸入u。在這里，獲得整體滿(mǎn)意的性 能。在這個(gè)情況中，所述前饋模塊上的控制輸入限制被選擇為3.9，而所述反饋模塊上的控 制輸入限制被選擇為0. 1，以衡量所述前饋控制及所述反饋控制的相對(duì)操作。如圖8所示， 所有以上識(shí)別的控制性能測(cè)量都被滿(mǎn)足。圖9圖所述前饋及反饋控制信號(hào)對(duì)所述整體控制信號(hào)所起的作用，以及圖8中使用的系統(tǒng)的過(guò)程輸出上的名義反饋性能。
如圖中所示，上述兩階段MPC技術(shù)使用兩個(gè)不同目標(biāo)函數(shù)來(lái)單獨(dú)地計(jì)算一控制信 號(hào)的一前饋元件及所述控制信號(hào)的一反饋元件，然后將這些信號(hào)相加在一起，以便為一集 合的過(guò)程控制輸入中的每個(gè)過(guò)程控制輸入創(chuàng)建一控制信號(hào)。在這里，優(yōu)選首先計(jì)算所述前 饋控制元件及使用所述前饋控制元件來(lái)計(jì)算所述反饋控制元件。如以上所述，用于確定所 述前饋控制元件的所述目標(biāo)函數(shù)可以在最小化控制變量移動(dòng)的同時(shí)考慮并說(shuō)明過(guò)程變量 設(shè)定點(diǎn)、擾動(dòng)變量變化及輸入，而用于確定所述反饋控制元件的所述目標(biāo)函數(shù)可以在最小 化控制變量移動(dòng)的同時(shí)考慮并說(shuō)明過(guò)程變量反饋測(cè)量。然而，雖然在此描述用于圖2的前 饋MPC控制塊52及反饋MPC控制塊54的特定二次編程(QP)，但又可以使用其他類(lèi)別的 目標(biāo)函數(shù)及顯示或改為使用其他類(lèi)別的目標(biāo)函數(shù)及顯示，包括帶線(xiàn)性限制的非線(xiàn)性目標(biāo)函 數(shù)、帶二次限制的二次目標(biāo)函數(shù)、帶非線(xiàn)性限制的線(xiàn)性目標(biāo)函數(shù)等等。 當(dāng)然，控制塊52及54可以使用任何已知或標(biāo)準(zhǔn)的二次編程(QP)求解算法或技 術(shù)，而且可以與過(guò)程優(yōu)化一起使用，在過(guò)程優(yōu)化中， 一優(yōu)化器迭代以確定最大化或最小化一 優(yōu)化準(zhǔn)則(比如另一目標(biāo)函數(shù))的、所述集合的目標(biāo)操縱或設(shè)定點(diǎn)過(guò)程變量。
在操作期間，在(例如)圖1的界面13的其中之一中運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用 程序可以直接地或通過(guò)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)12預(yù)訂來(lái)自高級(jí)控制塊38或通信連接到高級(jí)控制塊38 的其他功能塊的信息，并向用戶(hù)或操作員提供一個(gè)或多個(gè)觀察或診斷屏幕，以便觀察高級(jí) 控制塊38的操作狀態(tài)。功能塊技術(shù)的特色是級(jí)聯(lián)輸入(CAS_IN)及遠(yuǎn)程級(jí)聯(lián)輸入(RCAS_ IN)以及控制功能塊及輸出功能塊上的相應(yīng)反算輸出(BKCALJ)UT及RCASJ)UT)?？梢允褂?這些連接器將一監(jiān)控優(yōu)化MPC控制策略附加在現(xiàn)有的控制策略上，而且這個(gè)受監(jiān)控的控制 策略可以使用一個(gè)或多個(gè)觀察屏幕或顯示器來(lái)觀察。同樣地，如果需要，所述優(yōu)化MPC控 制器的目標(biāo)也可以從一策略修改。此外，這些屏幕可以使用戶(hù)或操作員能夠改變調(diào)節(jié)參數(shù) (例如方程式(4)及(6)的Q及R參數(shù))、過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)、限制(比如狀態(tài)方程式限制、輸 出方程式限制、過(guò)程輸出限制等等)。此外，用戶(hù)或操作員可以改變所述控制輸入限制Umax 在圖2的前饋MPC控制塊52與反饋MPC控制塊54之間分配的方式。
雖然所述兩階段MPC控制器功能塊38已經(jīng)在此圖解為具有位于同一功能塊內(nèi)的 MPC控制塊52及54，模型56及求和器58，并且因此在同一控制器設(shè)備中執(zhí)行，但也可以在 分別的設(shè)備中實(shí)施這些控制塊。明確地說(shuō)，圖2的多種塊可以位于不同設(shè)備內(nèi)，而且可以 在所述控制器的每個(gè)執(zhí)行或掃描期間通過(guò)一網(wǎng)絡(luò)相互通信，以計(jì)算及向過(guò)程提供新控制信 號(hào)。當(dāng)然，一特別界面(比如一已知"對(duì)象連接與嵌入過(guò)程控制"OPC界面)可以用于提供 所述控制器或其中帶有所述MPC控制器的所述功能塊與所述工作站或?qū)嵤┗驁?zhí)行所述優(yōu) 化器的其他計(jì)算機(jī)之間的通信界面。 雖然在此描述的高級(jí)控制塊38及其他模塊及例程與Fieldbus及標(biāo)準(zhǔn)4_20mA設(shè) 備同時(shí)使用，但它們當(dāng)然也可以通過(guò)使用任何其他過(guò)程控制通信協(xié)議或編程環(huán)境來(lái)實(shí)施， 而且可以與任何類(lèi)別的設(shè)備、功能塊或控制器同時(shí)使用。雖然在此描述的高級(jí)控制塊及相 關(guān)的生成及測(cè)試?yán)虄?yōu)選以軟件實(shí)施，但它們也可以以硬件、固件等等實(shí)施，而且可以由任 何其他與過(guò)程控制系統(tǒng)相關(guān)的處理器執(zhí)行。因此，如果需要，在此描述的例程可以在標(biāo)準(zhǔn) 的多目的中央處理器(CPU)實(shí)施或在特別設(shè)計(jì)的硬件或固件上實(shí)施，如在專(zhuān)用集成電路 (ASICs)上實(shí)施。在以軟件實(shí)施時(shí)，該軟件可以存儲(chǔ)于任何計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，如存儲(chǔ)在磁
2盤(pán)、激光盤(pán)、光盤(pán)、或其他存儲(chǔ)介質(zhì)上，或存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)或處理器的RAM或ROM中。同樣地，這個(gè)軟件可以通過(guò)任何已知或期望的傳送方法_包括計(jì)算機(jī)可讀盤(pán)或其他便攜式計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置、或通過(guò)通信頻道如電話(huà)線(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)等調(diào)制(被視為與通過(guò)便攜式存儲(chǔ)媒介提供這種軟件一樣或可與其互換)_傳送到用戶(hù)或過(guò)程控制系統(tǒng)。 因此，雖然本發(fā)明已經(jīng)參考特定例子進(jìn)行了描述，但這些例子只是在于闡明而不是限制本發(fā)明包括的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)的人員將很清楚，本專(zhuān)利揭示的實(shí)例可以在不脫離本發(fā)明的精神及范圍的條件下被修改、增加或刪除。
權(quán)利要求
一種用于在一過(guò)程中控制一集合的過(guò)程變量的方法，所述方法包括存儲(chǔ)所述過(guò)程變量的一集合的過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)；存儲(chǔ)所述過(guò)程的一過(guò)程模型；接收所述過(guò)程變量的一集合的測(cè)得過(guò)程變量值；使用所述集合的過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)及所述集合的測(cè)得過(guò)程變量值，實(shí)施一多輸入/多輸出控制程序，以開(kāi)發(fā)一控制信號(hào)，用于控制過(guò)程，包括使用一第一目標(biāo)函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)一前饋控制元件，所述第一目標(biāo)函數(shù)使用所述集合的過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)；使用一第二目標(biāo)函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)一反饋控制元件，所述第二目標(biāo)函數(shù)使用所述集合的測(cè)得過(guò)程變量值；結(jié)合所述前饋控制元件及所述反饋控制元件，以產(chǎn)生所述控制信號(hào)；以及使用所述控制信號(hào)來(lái)控制所述集合的過(guò)程變量。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中實(shí)施所述多輸入/多 輸出控制程序的步驟包括使用一第一模型預(yù)測(cè)控制程序結(jié)合所述第一目標(biāo)函數(shù)，以產(chǎn)生所 述前饋控制元件，而且包括使用一第二模型預(yù)測(cè)控制程序結(jié)合所述第二目標(biāo)函數(shù)，以產(chǎn)生 所述反饋控制元件。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第一目標(biāo)函 數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述前饋控制元件的步驟包括使用所述過(guò)程模型來(lái)確定最 小化所述第一目標(biāo)函數(shù)的一集合的前饋控制信號(hào)，及其中使用所述第二目標(biāo)函數(shù)及所存儲(chǔ) 的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述反饋控制元件的步驟包括使用所述過(guò)程模型來(lái)確定最小化所述第 二目標(biāo)函數(shù)的一集合的反饋控制信號(hào)。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)不 同于所述第二目標(biāo)函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第一目標(biāo)函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述前饋控制元件的步驟包括使用作為所述第一目標(biāo)函數(shù) 的一函數(shù)，所述函數(shù)確定所述過(guò)程變量的其中之一的一預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)的其 中之一之間的差。
6. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第一目標(biāo)函 數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述前饋控制元件的步驟包括使用作為所述第一目標(biāo)函數(shù) 的一函數(shù)，所述函數(shù)基于一擾動(dòng)變量考慮所述過(guò)程變量的所述其中之一的一預(yù)測(cè)變化，確 定由所述過(guò)程模型確定的所述過(guò)程變量的其中之一的一預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)的 其中之一之間的差。
7. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第一目標(biāo)函 數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述前饋控制元件的步驟包括使用作為所述第一目標(biāo)函數(shù) 的一函數(shù)，所述函數(shù)確定所述過(guò)程變量的其中之一的一預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)的其 中之一之間的差，并確定用于產(chǎn)生所述過(guò)程變量的所述其中之一的所述預(yù)測(cè)值的一控制信 號(hào)在兩個(gè)時(shí)間實(shí)例之間的變化。
8. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第一目標(biāo)函 數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述前饋控制元件的步驟包括使用作為所述第一目標(biāo)函數(shù)的一函數(shù)，所述函數(shù)確定在不同時(shí)間實(shí)例所述集合的過(guò)程變量的一集合的預(yù)測(cè)值與所述集 合的過(guò)程變量的一集合的設(shè)定點(diǎn)之間的平方差的和，并計(jì)算一控制信號(hào)在所述不同時(shí)間實(shí) 例中的至少一些時(shí)間實(shí)例之間的平方變化的和。
9. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第二目標(biāo)函 數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述反饋控制元件的步驟包括使用作為所述第二目標(biāo)函數(shù) 的一函數(shù)，所述函數(shù)確定所述測(cè)得過(guò)程變量值的其中之一與所述過(guò)程變量的一預(yù)測(cè)值之間 的誤差。
10. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第二目標(biāo) 函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述反饋控制元件的步驟包括使用作為所述第二目標(biāo)函 數(shù)的一函數(shù)，所述函數(shù)確定所述過(guò)程變量的其中之一的一預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量的所述測(cè) 得值的其中之一之間的誤差，并確定一控制信號(hào)在兩個(gè)時(shí)間實(shí)例之間的變化。
11. 如權(quán)利要求3所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第二目標(biāo) 函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述反饋控制元件的步驟包括使用作為所述第二目標(biāo)函 數(shù)的一函數(shù)，所述函數(shù)確定由所述過(guò)程變量的其中之一的一預(yù)測(cè)值與所述測(cè)得過(guò)程變量值 的其中之一在不同時(shí)間實(shí)例之間的差補(bǔ)償?shù)钠椒筋A(yù)測(cè)過(guò)程變量值的和，并確定一已確定控 制信號(hào)在所述多個(gè)時(shí)間實(shí)例中的至少一些時(shí)間實(shí)例之間的平方變化的和。
12. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中結(jié)合所述前饋控制 元件及所述反饋控制元件的步驟包括將所述前饋控制元件添加到所述反饋控制元件以產(chǎn) 生所述控制信號(hào)。
13. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中使用所述第一目標(biāo) 函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述前饋控制元件的步驟包括使用所述第一目標(biāo)函數(shù)中 的一第一前饋調(diào)節(jié)參數(shù)，及其中使用所述第二目標(biāo)函數(shù)及所存儲(chǔ)的過(guò)程模型來(lái)開(kāi)發(fā)所述反 饋控制元件的步驟包括使用所述第二目標(biāo)函數(shù)中的一第二反饋調(diào)節(jié)參數(shù)。
14. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中所述第一目標(biāo)函數(shù) 及所述第二目標(biāo)函數(shù)的其中之一包括一調(diào)節(jié)參數(shù)，并包括使用戶(hù)能夠在不改變所述第一 目 標(biāo)函數(shù)或所述第二目標(biāo)函數(shù)的所述另外之一的情況下改變所述第一目標(biāo)函數(shù)或所述第二 目標(biāo)函數(shù)的所述其中之一的所述調(diào)節(jié)參數(shù)。
15. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，其中所述第一目標(biāo)函數(shù) 及所述第二目標(biāo)函數(shù)各包括一個(gè)別可變調(diào)節(jié)參數(shù)，而每一個(gè)個(gè)別可變調(diào)節(jié)參數(shù)允許所述第 一目標(biāo)函數(shù)的所述調(diào)節(jié)參數(shù)在改變所述第二目標(biāo)函數(shù)的所述調(diào)節(jié)參數(shù)之外個(gè)別地改變，或 允許所述第二目標(biāo)函數(shù)的所述調(diào)節(jié)參數(shù)在改變所述第一目標(biāo)函數(shù)的所述調(diào)節(jié)參數(shù)之外個(gè) 別地改變。
16. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，包括在受限于一最大控 制信號(hào)限制的條件下求解所述第一目標(biāo)函數(shù)及所述第二目標(biāo)函數(shù)，包括使用少于所述最大 控制信號(hào)限制的一第一控制信號(hào)限制來(lái)求解所述第一目標(biāo)函數(shù)，以及使用少于所述最大控 制信號(hào)限制的一第二控制信號(hào)限制來(lái)求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，其中所述第一控制信號(hào)限制 及所述第二控制信號(hào)限制的和少于或等于所述最大控制信號(hào)限制。
17. 如權(quán)利要求16所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，包括將所述第一控制信 號(hào)限制設(shè)置為少于所述最大控制信號(hào)限制的一預(yù)設(shè)值，以及將所述第二控制信號(hào)限制設(shè)置為所述最大控制信號(hào)限制與所述第一控制信號(hào)限制之間的差。
18. 如權(quán)利要求16所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，包括將所述第一控制信 號(hào)限制設(shè)置為少于或等于所述最大控制信號(hào)限制的一預(yù)設(shè)值，以及將所述第二控制信號(hào)限 制設(shè)置為所述最大控制信號(hào)限制與所述前饋控制元件之間的差。
19. 如權(quán)利要求1所述的用于控制一集合的過(guò)程變量的方法，包括在受限于一最大過(guò) 程輸出信號(hào)限制的條件下求解所述第一目標(biāo)函數(shù)及所述第二目標(biāo)函數(shù)，包括使用少于所述 最大過(guò)程輸出信號(hào)限制的一第一過(guò)程輸出信號(hào)限制來(lái)求解所述第一 目標(biāo)函數(shù)，以及使用少 于所述最大過(guò)程輸出信號(hào)限制的一第二過(guò)程輸出信號(hào)限制來(lái)求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，其中 所述第一過(guò)程輸出信號(hào)限制及所述第二過(guò)程輸出信號(hào)限制的和少于或等于所述最大過(guò)程 輸出信號(hào)限制。
20. —種在一計(jì)算機(jī)處理器上實(shí)施、用于控制一過(guò)程的至少一部分的控制系統(tǒng)，包括 一計(jì)算機(jī)可讀媒介；一存儲(chǔ)器例程，所述存儲(chǔ)器例程存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀媒介上，并可在一處理器上執(zhí) 行，以存儲(chǔ)一過(guò)程模型及一集合的過(guò)程變量的一個(gè)或多個(gè)過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)；一前饋控制例程，所述前饋控制例程存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀媒介上，并可在一處理器 上執(zhí)行，以使用所述過(guò)程模型來(lái)產(chǎn)生一前饋控制信號(hào)，所述前饋控制例程包括一第一目標(biāo) 函數(shù)，所述第一目標(biāo)函數(shù)根據(jù)所述集合的過(guò)程變量的預(yù)測(cè)值與所述一個(gè)或多個(gè)過(guò)程變量設(shè) 定點(diǎn)之間的差，開(kāi)發(fā)所述前饋控制信號(hào)；一反饋控制例程，所述反饋控制例程存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀媒介上，并可在一處理器 上執(zhí)行，以使用所述過(guò)程模型來(lái)產(chǎn)生一反饋控制信號(hào)，所述反饋控制例程包括一第二目標(biāo) 函數(shù)，所述第二目標(biāo)函數(shù)根據(jù)所述集合的過(guò)程參量的一個(gè)或多個(gè)測(cè)得值來(lái)開(kāi)發(fā)所述反饋控 制信號(hào)；以及一結(jié)合器，所述結(jié)合器存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀媒介上，并可在一處理器上執(zhí)行，以便將 所述前饋控制信號(hào)的至少一部分及所述反饋控制信號(hào)的至少一部分結(jié)合，以產(chǎn)生一輸出控 制信號(hào)以用于控制所述集合的過(guò)程變量。
21. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述存儲(chǔ)器例程將所述過(guò)程模型存儲(chǔ)為一階 躍響應(yīng)模型、 一第一原理模型或一參數(shù)化模型的其中之一 。
22. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制例程使用所述第一目標(biāo)函數(shù)來(lái) 實(shí)施一模型預(yù)測(cè)控制程序，而所述反饋控制例程使用所述第二目標(biāo)函數(shù)來(lái)實(shí)施一模型預(yù)測(cè) 控制程序。
23. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制例程使用所述過(guò)程模型，在最 小化所述第一目標(biāo)函數(shù)的時(shí)間期間確定所述前饋控制信號(hào)的一集合的值，及其中所述反饋 控制例程使用所述過(guò)程模型，在最小化所述第二目標(biāo)函數(shù)的時(shí)間期間確定所述反饋控制信 號(hào)的一集合的值。
24. 如權(quán)利要求23所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)包括所述過(guò)程變量的其中 之一的一第一預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)的其中之一之間的差，及所述第二目標(biāo)函數(shù)包 括所述過(guò)程變量的所述其中之一的一測(cè)得值與所述過(guò)程變量的所述其中之一的一第二預(yù) 測(cè)值之間的誤差。
25. 如權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)包括基于一擾動(dòng)變量的、所述過(guò)程變量的所述其中之一的一預(yù)測(cè)變化。
26. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)確定所述過(guò)程變量的其中 之一的一第一預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)的其中之一之間的差，并確定用于產(chǎn)生所述過(guò) 程變量的所述其中之一的所述第一預(yù)測(cè)值的一控制信號(hào)在兩個(gè)時(shí)間實(shí)例之間的變化，及其 中所述第二目標(biāo)函數(shù)確定所述過(guò)程變量的所述其中之一的一第二預(yù)測(cè)值與所述過(guò)程變量 的所述其中之一的一測(cè)得值之間的誤差，并確定用于產(chǎn)生所述過(guò)程變量的所述其中之一的 所述第二預(yù)測(cè)值的一控制信號(hào)在兩個(gè)時(shí)間實(shí)例之間的變化。
27. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述結(jié)合器將所述前饋控制信號(hào)的一元件與 所述反饋控制信號(hào)的一元件結(jié)合，以產(chǎn)生所述輸出控制信號(hào)。
28. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制信號(hào)包括一集合的未來(lái)時(shí)間實(shí) 例中的每個(gè)時(shí)間實(shí)例的一前饋控制信號(hào)值，及其中所述反饋控制信號(hào)包括所述集合的未來(lái) 時(shí)間實(shí)例中的每個(gè)時(shí)間實(shí)例的一反饋控制信號(hào)值。
29. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)包括一前饋調(diào)節(jié)參數(shù)及所 述第二目標(biāo)函數(shù)包括一反饋調(diào)節(jié)參數(shù)，及其中所述前饋調(diào)節(jié)參數(shù)可以在所述反饋調(diào)節(jié)參數(shù) 之外個(gè)別地改變。
30. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)或所述第二目標(biāo)函數(shù)的其 中之一包括一用戶(hù)可變調(diào)節(jié)參數(shù)。
31. 如權(quán)利要求30所述的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一界面例程，所述界面例程使用戶(hù)能 夠改變所述用戶(hù)可變調(diào)節(jié)參數(shù)。
32. 如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制例程在受限于一前饋控制信號(hào) 限制的條件下求解所述第一目標(biāo)函數(shù)，所述反饋控制例程在受限于一反饋控制信號(hào)限制的 條件下求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，及其中所述前饋控制信號(hào)限制及所述反饋控制信號(hào)限制的 和少于或等于一預(yù)設(shè)最大控制信號(hào)限制。
33. 如權(quán)利要求32所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制信號(hào)限制及所述反饋控制信號(hào) 限制的其中之一是一預(yù)設(shè)值，所述預(yù)設(shè)值少于所述最大控制信號(hào)限制，所述前饋控制信號(hào) 限制及所述反饋控制信號(hào)限制的其中另外之一是所述最大控制信號(hào)限制與所述前饋控制 信號(hào)限制及所述反饋控制信號(hào)限制的所述其中之一之間的差。
34. 如權(quán)利要求32所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制信號(hào)限制是一預(yù)設(shè)值，所述預(yù) 設(shè)值少于或等于所述最大控制信號(hào)限制，而所述反饋控制信號(hào)限制是所述最大控制信號(hào)限 制與所述前饋控制信號(hào)的某部分之間的差。
35. 如權(quán)利要求32所述的控制系統(tǒng)，其中所述前饋控制例程在受限于一前饋過(guò)程輸出 信號(hào)限制的條件下進(jìn)一步求解所述第一目標(biāo)函數(shù)，所述反饋控制例程在受限于一反饋過(guò)程 輸出信號(hào)限制的條件下求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，及其中所述前饋過(guò)程輸出信號(hào)限制及所述 反饋過(guò)程輸出信號(hào)限制的和少于或等于一預(yù)設(shè)最大過(guò)程輸出信號(hào)限制。
36. —種用于控制一過(guò)程的過(guò)程控制器，包括一過(guò)程模型，所述過(guò)程模型根據(jù)對(duì)所述過(guò)程的一個(gè)或多個(gè)控制輸入產(chǎn)生預(yù)測(cè)過(guò)程變量值；一第一控制塊，包括一第一 目標(biāo)函數(shù)，所述第一控制塊使用所述過(guò)程模型及所述第一 目標(biāo)函數(shù)來(lái)確定一第一控制信號(hào)，所述第一目標(biāo)函數(shù)計(jì)算根據(jù)所述過(guò)程模型確定的、所述過(guò)程變量的一第一預(yù)測(cè)過(guò)程變量值與所述過(guò)程變量的一第一過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)之間的差； 一第二控制塊，包括一第二目標(biāo)函數(shù)，所述第二控制塊使用所述過(guò)程模型及所述第二目標(biāo)函數(shù)來(lái)確定一第二控制信號(hào)，所述第二目標(biāo)函數(shù)計(jì)算所述過(guò)程變量的一第二預(yù)測(cè)過(guò)程變量值與所述過(guò)程變量的一測(cè)得值之間的差；以及一結(jié)合器，所述結(jié)合器將所述第一控制信號(hào)的至少一部分與所述第二控制信號(hào)的至少一部分結(jié)合，以產(chǎn)生一輸出控制信號(hào)以用于控制所述過(guò)程的所述過(guò)程變量。
37. 如權(quán)利要求36所述的過(guò)程控制器，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)計(jì)算根據(jù)所述過(guò)程模型 確定的、所述過(guò)程變量的一集合的第一預(yù)測(cè)過(guò)程變量值與所述過(guò)程變量的一集合的過(guò)程變 量設(shè)定點(diǎn)之間的差，其中所述集合的第一預(yù)測(cè)過(guò)程變量值包括多個(gè)時(shí)間實(shí)例中的每個(gè)時(shí)間 實(shí)例的一預(yù)測(cè)過(guò)程變量值，及其中所述第二目標(biāo)函數(shù)使用所述過(guò)程變量的一集合的第二預(yù) 測(cè)過(guò)程變量值，其中所述集合的第二預(yù)測(cè)過(guò)程變量值包括所述多個(gè)時(shí)間實(shí)例中的每個(gè)時(shí)間 實(shí)例的一預(yù)測(cè)過(guò)程變量值。
38. 如權(quán)利要求37所述的過(guò)程控制器，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)包括一第一調(diào)節(jié)參數(shù)， 而所述第二目標(biāo)函數(shù)包括一第二調(diào)節(jié)參數(shù)，所述第二調(diào)節(jié)參數(shù)可在所述第一調(diào)節(jié)參數(shù)之外 個(gè)別地改變。
39. 如權(quán)利要求36所述的過(guò)程控制器，其中所述第一控制塊使用所述第一目標(biāo)函數(shù)及 所述過(guò)程模型，以開(kāi)發(fā)最小化所述第一 目標(biāo)函數(shù)的、所述第一控制信號(hào)的一集合的時(shí)間值， 及其中所述第二控制塊使用所述第二目標(biāo)函數(shù)及所述過(guò)程模型，以開(kāi)發(fā)最小化所述第二目 標(biāo)函數(shù)的、所述第二控制信號(hào)的一集合的時(shí)間值，及其中所述結(jié)合器將所述第一控制信號(hào) 的所述集合的時(shí)間值的至少其中之一與所述第二控制信號(hào)的所述集合的時(shí)間值的至少其 中之一結(jié)合，以產(chǎn)生所述輸出控制信號(hào)。
40. 如權(quán)利要求36所述的過(guò)程控制器，其中所述第一 目標(biāo)函數(shù)及所述第二目標(biāo)函數(shù)的 其中之一包括一用戶(hù)可變調(diào)節(jié)參數(shù)。
41. 如權(quán)利要求36所述的過(guò)程控制器，其中所述第一控制塊在受限于一第一控制信號(hào) 限制的條件下求解所述第一目標(biāo)函數(shù)，所述第二控制塊在受限于一第二控制信號(hào)限制的條 件下求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，及其中所述第一控制信號(hào)限制與所述第二控制信號(hào)限制的和 少于或等于一預(yù)定最大控制信號(hào)限制。
42. 如權(quán)利要求41所述的過(guò)程控制器，其中所述第一控制信號(hào)限制及所述第二控制信 號(hào)限制的其中之一是一預(yù)設(shè)值，所述預(yù)設(shè)值少于所述最大控制信號(hào)限制，而所述第一控制 信號(hào)限制及所述第二控制信號(hào)限制的另外其中之一被確定為所述最大控制信號(hào)限制與所 述第一控制信號(hào)限制及所述第二控制信號(hào)限制的所述其中之一之間的差。
43. 如權(quán)利要求41所述的過(guò)程控制器，其中所述第一控制信號(hào)限制是一預(yù)設(shè)值，所述 預(yù)設(shè)值少于或等于所述最大控制信號(hào)限制，而所述第二控制信號(hào)限制是所述最大控制信號(hào) 限制與所述第一控制信號(hào)的某部分之間的差。
44. 如權(quán)利要求41所述的過(guò)程控制器，其中所述第一控制塊在受限于一第一過(guò)程輸出 信號(hào)限制的條件下進(jìn)一步求解所述第一目標(biāo)函數(shù)，所述第二控制塊在受限于一第二過(guò)程輸 出信號(hào)限制的條件下進(jìn)一步求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，及其中所述第一過(guò)程輸出信號(hào)限制及 所述第二過(guò)程輸出信號(hào)限制的和少于或等于一預(yù)定最大過(guò)程輸出信號(hào)限制。
45. 如權(quán)利要求36所述的過(guò)程控制器，其中所述第一控制塊在受限于一第一過(guò)程輸出信號(hào)限制的條件下進(jìn)一步求解所述第一目標(biāo)函數(shù)，所述第二控制塊在受限于一第二過(guò)程輸 出信號(hào)限制的條件下進(jìn)一步求解所述第二目標(biāo)函數(shù)，及其中所述第一過(guò)程輸出信號(hào)限制及 所述第二過(guò)程輸出信號(hào)限制的和少于或等于一預(yù)定最大過(guò)程輸出信號(hào)限制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)兩階段模型預(yù)測(cè)控制(MPC)技術(shù)，包括的兩階段MPC控制器使用過(guò)程模型、前饋MPC控制模塊及反饋MPC控制模塊確定集合的控制信號(hào)，用于控制過(guò)程。所述前饋MPC控制模塊使用所述過(guò)程模型確定每個(gè)控制信號(hào)的前饋控制元件，所述反饋MPC控制模塊使用所述過(guò)程模型及一個(gè)或多個(gè)測(cè)得過(guò)程輸出確定每個(gè)控制信號(hào)的反饋控制元件。所述兩階段MPC控制模塊使用所述過(guò)程模型將所述前饋控制元件與所述反饋控制元件結(jié)合，構(gòu)成控制所述過(guò)程的最終控制信號(hào)。所述兩個(gè)控制模塊接收所述過(guò)程的分別及不同的輸入，確定所述前饋控制元件及所述反饋控制元件，而且所述兩個(gè)控制模塊可以分別地調(diào)節(jié)，從而使控制操作員或其他用戶(hù)能夠在MPC控制器環(huán)境中執(zhí)行更標(biāo)準(zhǔn)及更穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101713988SQ20091017620
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
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