工業(yè)過程的控制方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)過程的控制方法和設(shè)備，該方法包括：針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作區(qū)域，根據(jù)測量的輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值，再進(jìn)行優(yōu)化計算，獲得滿足約束條件的輸入變量，之后，將優(yōu)化計算所獲得的輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對工業(yè)設(shè)備的可控變量實(shí)施控制。通過動態(tài)地調(diào)整輸出變量權(quán)值，使得系統(tǒng)的輸出變量能夠在輸出變量邊界約束條件內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了基于無約束動態(tài)矩陣控制并且滿足約束條件的工業(yè)過程控制，即獲得了快速的求解，同時又滿足了最優(yōu)控制輸入序列的可行性。
【專利說明】工業(yè)過程的控制方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制領(lǐng)域，尤其涉及一種工業(yè)過程的控制方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]動態(tài)矩陣控制(Dynamic Matrix Control, DMC)是一種模型預(yù)測控制(Model Predictive Control, MPC)方法，該控制方法能有效地處理工業(yè)工程中的約束、多變量、耦 合和純滯后等問題，被廣泛應(yīng)用于石油、化工等工業(yè)過程中。DMC作為一種基于階躍響應(yīng) 系數(shù)模型的有限時域開環(huán)最優(yōu)控制的方法，利用過程階躍響應(yīng)系數(shù)模型對未來一定時域內(nèi) 的狀態(tài)或輸出進(jìn)行預(yù)測。這些輸出為當(dāng)前時刻和未來一定時域內(nèi)控制量的函數(shù)，即在每個 采樣時刻，控制器以當(dāng)前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)作為初始狀態(tài)，通過極小化未來的輸出與參考軌 跡之差計算控制作用，從而優(yōu)化產(chǎn)生一個當(dāng)前時刻的最優(yōu)控制輸入序列以實(shí)施工業(yè)過程控 制。在預(yù)定間隔后的下一個時刻，重新測量數(shù)據(jù)，并再進(jìn)行優(yōu)化計算獲得新的控制作用，以 實(shí)施工業(yè)過程控制。
[0003]以上DMC控制方法是一種無約束DMC控制方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是，能夠有效地處理多 變量、耦合以及純滯后等控制問題，計算復(fù)雜度與控制器控制時域呈正比，因而，求解速度 快、計算復(fù)雜度低。然而，無約束DMC控制方法沒有考慮輸入或輸出變量的邊界約束條件， 例如，閥門最大開度的限制，輸出安全范圍的限制等。因此，這類方法無法保障最優(yōu)控制輸 入序列的可行性。
[0004]針對無約束DMC控制方法的缺陷，具有約束條件的QDMC (Quadrat i c Dynami c Matrix Control，QDMC)控制方法被提出。QDMC控制方法克服無約束缺陷的同時，也存在 過程復(fù)雜的問題。由于其計算復(fù)雜度與控制器控制時域的立方成正比，優(yōu)化求解器難以在 MPC實(shí)施周期內(nèi)計算出最優(yōu)控制輸入序列，可行性差，導(dǎo)致其優(yōu)化求解復(fù)雜度高、計算速度 慢。針對現(xiàn)有QDMC的高計算復(fù)雜度問題，雖然也有一些針對求解二次規(guī)劃問題的快速算法 被提出，這類快速算法在一定程度上縮短了優(yōu)化求解時間，并未從根本上降低問題求解復(fù) 雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題是:提供一種工業(yè)控制的方法和設(shè)備，基于無 約束DMC控制方法，同時滿足邊界約束條件的要求，從而獲得快速的求解及最優(yōu)控制輸入 序列的可行性。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種工業(yè)過 程的控制方法，
[0007]所述工業(yè)過程具有多個輸入變量以及隨所述多個輸入變量的改變而變化的多個 輸出變量，所述多個輸入變量是用于執(zhí)行所述工業(yè)過程的工業(yè)設(shè)備的可控變量，所述多個 輸出變量是與所述工業(yè)過程的運(yùn)行結(jié)果有關(guān)的變量，所述多個輸入變量的值是基于二次目 標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算所獲得，所述二次目標(biāo)函數(shù)為以所述多個輸出變量的輸出變量權(quán)值、所述多個輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)的二次函數(shù)，
[0008]針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量 非操作區(qū)域，在所述安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)，所述輸出變量滿足輸出操作約束限制 條件，對應(yīng)于所述輸出變量安全區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍 為第一值域，對應(yīng)于所述輸出變量警戒區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取 值范圍為第二值域，對應(yīng)于所述輸出變量非操作區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量 權(quán)值的取值范圍為第三值域，該方法包括:
[0009]測量所述至少一個輸出變量的值；
[0010]根據(jù)所述測量的輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量 權(quán)值:
[0011]若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量安全區(qū)域，調(diào)
[0012]整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第一值域，
[0013]若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量警戒區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng) 的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第二值域，
[0014]若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量非操作區(qū)域時，調(diào)整所述輸出變量 對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第三值域；
[0015]根據(jù)調(diào)整所述輸出權(quán)值后的二次目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變 量的值；
[0016]將所述優(yōu)化計算所獲得的多個輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對所述工業(yè)設(shè)備 的可控變量實(shí)施控制。
[0017]在另一種實(shí)施例中，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小 值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。
[0018]在另一種實(shí)施例中，在所述第三值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值為預(yù)定的恒定值。
[0019]在另一種實(shí)施例中，在所述第二值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述測量 的輸出變量值接近所述第三值域的程度，而單調(diào)遞增，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述 測量的輸出變量值遠(yuǎn)離所述第三值域的程度，而單調(diào)遞減。
[0020]在另一種實(shí)施例中，所述二次目標(biāo)函數(shù)是以輸出變量權(quán)值為系數(shù)乘以輸出變量參 考軌跡值與輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值之差的平方，加上以輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)乘以當(dāng)前 時刻輸入變量增量的平方。
[0021]在另一種實(shí)施例中，在所述基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算的步驟中，所述優(yōu)化 計算是計算使所述目標(biāo)函數(shù)取得極小值的當(dāng)前時刻輸入變量增量值。
[0022]在另一種實(shí)施例中，在進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變量的值的步驟中，保 持所述輸入變量的控制權(quán)值不變。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種工業(yè)過程的控制設(shè)備，
[0024]所述工業(yè)過程具有多個輸入變量以及隨所述多個輸入變量的改變而變化的多個 輸出變量，所述多個輸入變量是用于執(zhí)行所述工業(yè)過程的工業(yè)設(shè)備的可控變量，所述多個 輸出變量是與所述工業(yè)過程的運(yùn)行結(jié)果有關(guān)的變量，所述多個輸入變量的值是基于二次目 標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算所獲得，所述二次目標(biāo)函數(shù)為以所述多個輸出變量的輸出變量權(quán)值、所述多個輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)的二次函數(shù)，
[0025]針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量 非操作區(qū)域，在所述安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)，所述輸出變量滿足輸出操作約束限制 條件，對應(yīng)于所述輸出變量安全區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍 為第一值域，對應(yīng)于所述輸出變量警戒區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取 值范圍為第二值域，對應(yīng)于所述輸出變量非操作區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量 權(quán)值的取值范圍為第三值域，該設(shè)備包括:
[0026]測量單元，用于測量所述至少一個輸出變量的值；
[0027]調(diào)整單元，用于根據(jù)所述測量的輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量 對應(yīng)的輸出變量權(quán)值:
[0028]若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量安全區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng) 的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第一值域，
[0029]若所述測量的輸出變量值位于所述輸出變量警戒區(qū)域時，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng) 的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第二值域，
[0030]若所述測量的輸出變量值位于所述輸出變量非操作區(qū)域時，調(diào)整所述輸出變量對 應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第三值域；
[0031]優(yōu)化計算單元，用于根據(jù)調(diào)整所述輸出權(quán)值后的二次目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計算以 獲得所述多個輸入變量的值；
[0032]控制單元，用于將所述優(yōu)化計算所獲得的多個輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對 所述工業(yè)設(shè)備的可控變量實(shí)施控制。
[0033]在另一種實(shí)施例中，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小 值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。
[0034]在另一種實(shí)施例中，在所述第三值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值為預(yù)定的恒定值。
[0035]在另一種實(shí)施例中，在所述第二值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述測量 的輸出變量值接近所述第三值域的程度，而單調(diào)遞增，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述 測量的輸出變量值遠(yuǎn)離所述第三值域的程度，而單調(diào)遞減。
[0036]在另一種實(shí)施例中，所述二次目標(biāo)函數(shù)是以輸出變量權(quán)值為系數(shù)乘以輸出變量參 考軌跡值與輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值之差的平方，加上以輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)乘以當(dāng)前 時刻輸入變量增量的平方。
[0037]在另一種實(shí)施例中，在所述基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算時，所述優(yōu)化計算是 計算使所述目標(biāo)函數(shù)取得極小值的當(dāng)前時刻輸入變量增量值。
[0038]在另一種實(shí)施例中，所述優(yōu)化計算單元在進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變量 的值時，保持所述輸入變量的控制權(quán)值不變。
[0039]基于本發(fā)明上述實(shí)施例提供的工業(yè)控制方法及設(shè)備，針對至少一個輸出變量，設(shè) 置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作區(qū)域，根據(jù)測量的輸出變量的 值所屬于的區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值，從而實(shí)現(xiàn)基于無約束DMC的動態(tài)加 權(quán)調(diào)整。通過動態(tài)調(diào)整輸出變量權(quán)值，使得系統(tǒng)的輸出變量的值駐留在輸出變量邊界約束 條件內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了基于無約束動態(tài)矩陣控制并且滿足約束條件的工業(yè)過程控制，即獲得了快速的求解，同時又滿足了最優(yōu)控制輸入序列的可行性，從根本上降低了問題求解復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]通過以下參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其 優(yōu)點(diǎn)將會變得清楚。
[0041]構(gòu)成說明書的一部分的附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同說明書一起用于解 釋本發(fā)明的原理。
[0042]參照附圖，根據(jù)下面的詳細(xì)描述，可以更加清楚地理解本發(fā)明，其中:
[0043]圖1示出了本發(fā)明所提供的工業(yè)過程的控制方法實(shí)施例的流程示意圖；
[0044]圖2示出了本發(fā)明所提供的工業(yè)過程的控制方法實(shí)施例中，根據(jù)輸出變量的值所 屬的區(qū)域調(diào)整輸出變量權(quán)值的示意圖；
[0045]圖3 (a)、(b)分別示出了本發(fā)明所提供的工業(yè)過程的控制方法實(shí)施例中，調(diào)整輸 入變量的控制權(quán)值對輸入變量、輸出變量的控制作用的示意圖；以及
[0046]圖4示出了本發(fā)明所提供的工業(yè)過程的控制設(shè)備實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到:除非另外具 體說明，否則在這些實(shí)施例中闡述的步驟的相對布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的 范圍。
[0048]以下對至少一個示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明 及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0049]對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適 當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為授權(quán)說明書的一部分。
[0050]在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不 是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它示例可以具有不同的值。
[0051]應(yīng)注意到:相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一 個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0052]以下各實(shí)施例所描述的工業(yè)過程，具有多個輸入變量以及隨多個輸入變量的改變 而變化的多個輸出變量。多個輸入變量是用于執(zhí)行工業(yè)過程的工業(yè)設(shè)備的可控變量，多個 輸出變量是與工業(yè)過程的運(yùn)行結(jié)果有關(guān)的變量。多個輸入變量的值是基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn) 行優(yōu)化計算所獲得，二次目標(biāo)函數(shù)為以多個輸出變量的輸出變量權(quán)值、多個輸入變量的控 制權(quán)值為系數(shù)的二次函數(shù)。
[0053]參考圖1所示，該圖是本發(fā)明工業(yè)過程的控制方法一種實(shí)施例的流程示意圖，下 面詳細(xì)介紹本發(fā)明工業(yè)過程的控制方法實(shí)施例的步驟。
[0054]在使用二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算時，根據(jù)不同的系統(tǒng)，可以有不同的二次目標(biāo) 函數(shù)。二次目標(biāo)函數(shù)可以是以輸出變量權(quán)值為系數(shù)乘以輸出變量參考軌跡值與輸出變量系 統(tǒng)預(yù)測值之差的平方，加上以輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)乘以當(dāng)前時刻輸入變量增量的平 方。每一次工業(yè)過程控制所需要的輸入變量的值，都利用該二次目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化計算而獲得，例如，二次目標(biāo)函數(shù)可表示為:
[0055]J(I) = ||w(k) - yPM (k)||2Q + ||Δum (k)||2R
[0056]其中W(k)∈Rpxp為輸出變量參考軌跡值，yPM(k)∈Rpxp為輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值，
ΔuM(k)∈RmxM為當(dāng)前時刻輸入變量增量，p∈□+為系統(tǒng)輸出變量的個數(shù)，m∈□+為系統(tǒng)輸入變量的個數(shù)，P ∈□+為預(yù)測時域長度，M ∈□+為控制時域長度。Q∈RpxP為輸出變量權(quán)值，表示為輸出變量加權(quán)矩陣的形式。R∈RpxP為輸入變量的控制權(quán)值，表示為輸入變量加權(quán)矩陣的形式。
[0057]對于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程，通常，每一個輸出變量存在一定邊界約束條件，因此， 為使所獲得的優(yōu)化計算結(jié)果可用于實(shí)際的工業(yè)過程控制，輸出變量的值需要滿足這些預(yù)定的邊界約束條件。根據(jù)邊界約束條件，可以設(shè)定以下不同的區(qū)域。
[0058]針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作區(qū)域。
[0059]參見圖2所示，該圖為本發(fā)明所提供的工業(yè)過程的控制方法實(shí)施例中，根據(jù)輸出變量的值所屬的區(qū)域調(diào)整輸出變量權(quán)值的示意圖。圖2中示出了輸出變量的值對應(yīng)的不同區(qū)域:輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作區(qū)域。
[0060]在輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)，輸出變量的值滿足輸出變量的操作邊界約束條件，為具有操作的可行性的區(qū)域，而當(dāng)輸出變量的值超出了輸出變量警戒區(qū)域， 則屬于輸出變量非操作區(qū)域。
[0061]實(shí)際上，對于具有上、下限邊界約束條件的輸出變量來說，還可以更細(xì)地劃分，例如，將輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)劃分為輸出變量上限警戒區(qū)域、輸出變量下限警戒區(qū)域，將輸出變量非操作區(qū)域劃分為輸出變量上限非操作區(qū)域、輸出變量非操作下限區(qū)域。
[0062]根據(jù)輸出變量的不同區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍。輸出變量權(quán)值的取值范圍的設(shè)定原理，將在步驟103的說明中進(jìn)行詳細(xì)說明，具體的設(shè)置可以如下:
[0063]對應(yīng)于輸出變量安全區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第一值域；
[0064]對應(yīng)于輸出變量警戒區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第二值域；
[0065]對應(yīng)于輸出變量非操作區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第三值域。
[0066]作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，其中，第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，第二值域的最大值小于或者等于第三值域的最小值。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道，三個值域的大小可以設(shè)置為不同，例如，還可以是第一值域的最小值大于或者等于第二值域的最大值，第二值域的最小值大于或者等于第三值域的最大值。
[0067]在步驟101中，測量該至少一個輸出變量的值。
[0068]在步驟102中，根據(jù)測量的該輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值，具體調(diào)整如下:
[0069]若測量的輸出變量的值位于輸出變量安全區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于第一值域；
[0070]若測量的輸出變量的值位于輸出變量警戒區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán) 值的取值，使其屬于第二值域，
[0071]若測量的輸出變量的值位于輸出變量非操作區(qū)域時，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變 量權(quán)值的取值，使其屬于第三值域。
[0072]通過以上對輸出變量權(quán)值的調(diào)整，可以改變對輸出變量的控制性能:對于響應(yīng)過 程變化慢的輸出變量，可以增大該輸出變量的權(quán)值，以增強(qiáng)該輸出變量跟蹤誤差的權(quán)重，從 而加快該輸出變量的響應(yīng)速度。
[0073]具體來說，對于輸出變量yi，當(dāng)測量的輸出變量的值屬于輸出變量安全區(qū)域內(nèi)，此 時該輸出變量的值距離邊界約束條件還有一定距離，該輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)重Qi的 取值可以取較小值，控制作用較弱。具體可以表現(xiàn)為輸出變量權(quán)值Qi的變化率Ki = ksz，SZ 表示Safe-zone，ksz可以取較小值，輸出變量權(quán)值Qi的變化緩和。因此，當(dāng)測量的輸出變量 的值位于輸出變量安全區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值Qi的取值，使其屬于第一 值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或 者等于所述第三值域的最小值，從而使得在第一值域內(nèi)，輸出變量權(quán)值Qi的取值相對于其 他區(qū)域更小。
[0074]當(dāng)測量的輸出變量的值超出輸出變量安全區(qū)域，位于靠近邊界約束條件的輸出變 量警戒區(qū)域時，此時，應(yīng)該使輸出變量權(quán)值Qi值急劇增大，以加強(qiáng)對輸出變量的控制作用。 可以表現(xiàn)為輸出變量權(quán)值Qi的變化率Ki = kAZ，AZ表示Alarming-Zone，kAZ取值大，輸出變 量權(quán)值Qi快速變化，使得輸出變量的值難以到達(dá)邊界約束條件。因此，當(dāng)測量的輸出變量 的值位于輸出變量警戒區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值Qi的取值，使其屬于第二 值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或 者等于所述第三值域的最小值，從而使得在第二值域內(nèi)，輸出變量權(quán)值Qi的取值是大于第 一值域，并且小于第三值域中的取值。
[0075]在第二值域內(nèi)，可以調(diào)整輸出變量權(quán)值Qi的取值隨著測量的輸出變量值接近第三 值域的程度，而單調(diào)遞增，以及隨著測量的輸出變量值遠(yuǎn)離第三值域的程度，而單調(diào)遞減， 如圖2中的輸出變量警戒區(qū)域所示，從而使輸出變量權(quán)值Qi變化更為連續(xù)。
[0076]當(dāng)測量的輸出變量的值達(dá)到或超出邊界約束條件時，位于輸出變量非操作區(qū)域 時，輸出變量權(quán)值可以Qi保持在非常大的值，此時控制作用最強(qiáng)，使得輸出變量的值能夠迅 速被拉回至約束條件以內(nèi)。因此，當(dāng)測量的輸出變量的值位于輸出變量非操作區(qū)域時，調(diào)整 輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值Qi的取值，使其屬于第三值域。第一值域的最大值小于或者 等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，從 而使得在第三值域內(nèi)，輸出變量權(quán)值Qi的取值相對與其他兩個區(qū)域更大。
[0077]在第三值域內(nèi)，輸出變量權(quán)值的取值可以是預(yù)定的恒定值，輸出變量權(quán)值Qi的變 化率Ki = 1，使輸出變量權(quán)值Qi —直保持在較大的恒定值。
[0078]在步驟103中，根據(jù)調(diào)整輸出權(quán)值后的二次目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得多個 輸入變量的值。
[0079]根據(jù)上述步驟102中的描述，根據(jù)測量的輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整該輸 出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值之后，利用調(diào)整后的輸出權(quán)值，基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得多個輸入變量的值，即最優(yōu)控制輸入序列。
[0080]在基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算的步驟中，優(yōu)化計算可以是計算使目標(biāo)函數(shù)取得極小值的當(dāng)前時刻輸入變量增量值。在二次目標(biāo)函數(shù)取得極小值時，獲得最優(yōu)控制輸入序列增量值，即當(dāng)前時刻輸入變量增量值，如下公式所述:
[0081 ] Aum (k) = (AtQA + RT1A1Q (w(k) — ypo (k))
[0082]本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，其中，幻為未校正的輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值，它是系統(tǒng)的自由響應(yīng)輸出，需要根據(jù)誤差向量對該值進(jìn)行修正，以獲得最終的輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值
,A為預(yù)測模型中預(yù)先設(shè)定的參數(shù)矩陣。
[0083]通過獲得當(dāng)前時刻輸入變量增量值，根據(jù)當(dāng)前時刻輸入變量增量是當(dāng)前時刻輸入變量與上一時刻輸入變量之間的差值，根據(jù)上一時刻輸入變量的值，進(jìn)一步可以獲得當(dāng)前輸入變量的值。需要注意的是，此處的當(dāng)前時刻輸入變量增量A?M(幻表示的是向量， 因此，所獲得的用于實(shí)施控制的輸入變量的值為多個，即最優(yōu)控制輸入序列。
[0084]在步驟104中，將優(yōu)化計算所獲得的多個輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對工業(yè)設(shè)備的可控變量實(shí)施控制。將工業(yè)設(shè)備的可控變量設(shè)置為在步驟103中獲得的輸入變量的值，由于該輸入變量的值是在調(diào)整輸出變量的權(quán)值后進(jìn)行優(yōu)化計算的結(jié)果，因此，可以實(shí)現(xiàn)如步驟103中所描述的控制作用。通過動態(tài)調(diào)整輸出變量權(quán)值，使得系統(tǒng)的輸出變量駐留在輸出變量邊界約束條件內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了基于無約束動態(tài)矩陣控制，并且滿足約束條件的工業(yè)過程控制，即獲得了快速的求解，同時又滿足了最優(yōu)控制輸入序列的可行性。
[0085]在另一種實(shí)施例中，還可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)約束條件，使優(yōu)化計算的結(jié)果滿足輸入變量的邊界約束條件。通過調(diào)整輸入變量對應(yīng)的輸入變量的控制權(quán)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對輸入變量的控制作用。
[0086]具體來說，可以在進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得多個輸入變量的值的步驟中，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求，通過對當(dāng)前時刻輸入變量增量AuiGO加以合適的輸入變量的控制權(quán)值Ri，以在整個控制時域內(nèi)保持Ri不變，即輸入變量的控制權(quán)值的線性變化率K' i = 1，從而保證輸入變量值駐留在輸入變量`的邊界約束條件內(nèi)。
[0087]圖3 (a)、(b)分別示出了，本發(fā)明所提供的工業(yè)過程的控制方法實(shí)施例中，調(diào)整輸入變量的控制權(quán)值對輸入變量、輸出變量的控制作用的示意圖。
[0088]參考圖3(a)所示，當(dāng)輸入變量的控制權(quán)值增大時，將加強(qiáng)對輸入變量的抑制作用， 使對應(yīng)的輸入變量的變化較為平緩。如圖3 (a)中，輸入變量的控制權(quán)值Ri為100的曲線與Ri為10的曲線相對比，輸入變量的控制權(quán)值Ri為100所對應(yīng)的輸入變量隨著時間的變化更為平緩。
[0089]另外，參考圖3 (b)所示，當(dāng)輸入變量的控制權(quán)值增大時，對輸出變量也是具有與輸入變量相類似的控制作用。如圖3 (b)中，輸入變量的控制權(quán)值Ri為100的曲線與Ri為 10的曲線相對比，前者的輸入變量所控制的輸出變量隨著時間的變化較為平緩。
[0090]參考圖4所示，本發(fā)明還提供了一種與本發(fā)明控制方法相對應(yīng)的工業(yè)過程的控制設(shè)備。
[0091]工業(yè)過程具有多個輸入變量以及隨多個輸入變量的改變而變化的多個輸出變量， 多個輸入變量是用于執(zhí)行工業(yè)過程的工業(yè)設(shè)備的可控變量，多個輸出變量是與工業(yè)過程的運(yùn)行結(jié)果有關(guān)的變量，多個輸入變量的值是基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算所獲得，二次目標(biāo)函數(shù)為以多個輸出變量的輸出變量權(quán)值、多個輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)的二次函 數(shù)，針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作 區(qū)域，在安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)，輸出變量滿足輸出操作約束限制條件，對應(yīng)于輸 出變量安全區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第一值域，對應(yīng)于輸出 變量警戒區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第二值域，對應(yīng)于輸出變 量非操作區(qū)域，設(shè)定輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第三值域。
[0092]與上述方法的一種優(yōu)選的實(shí)施例相對應(yīng)，在另一種優(yōu)選的實(shí)施例中，其中，第一值 域的最大值或者小于等于第二值域的最小值，第二值域的最大值或者小于等于第三值域的 最小值。
[0093]該設(shè)備測量單元401、調(diào)整單元402、優(yōu)化計算單元403及控制單元404。
[0094]測量單元401測量至少一個輸出變量的值。
[0095]調(diào)整單元402根據(jù)測量的該輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸 出變量權(quán)值，具體調(diào)整如下:
[0096]若測量的輸出變量的值位于輸出變量安全區(qū)域，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán) 值的取值，使其屬于第一值域；若測量的輸出變量值位于輸出變量警戒區(qū)域時，調(diào)整輸出變 量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于第二值域；若測量的輸出變量值位于輸出變量非 操作區(qū)域時，調(diào)整輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于第三值域。
[0097]與上述方法的一種實(shí)施例相對應(yīng)，在另一種實(shí)施例中，在第二值域內(nèi)，輸出變量權(quán) 值的取值可以隨著測量的輸出變量值接近第三值域的程度，而單調(diào)遞增，并且輸出變量權(quán) 值的取值隨著測量的輸出變量值遠(yuǎn)離第三值域的程度，而單調(diào)遞減。
[0098]與上述方法的一種實(shí)施例相對應(yīng)，在另一種實(shí)施例中，在第三值域內(nèi)，輸出變量權(quán) 值的取值可以為預(yù)定的恒定值。
[0099]優(yōu)化計算單元403根據(jù)調(diào)整輸出權(quán)值后的二次目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得多 個輸入變量的值。
[0100]控制單元404將優(yōu)化計算所獲得的多個輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對工業(yè) 設(shè)備的可控變量實(shí)施控制。
[0101]在另一種實(shí)施例中，二次目標(biāo)函數(shù)是以輸出變量權(quán)值為系數(shù)乘以輸出變量參考軌 跡值與輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值之差的平方，加上以輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)乘以當(dāng)前時刻 輸入變量增量的平方。
[0102]優(yōu)化計算單元403在基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算時，計算使目標(biāo)函數(shù)取得極 小值的當(dāng)前時刻輸入變量增量值。
[0103]優(yōu)化計算單元403在進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得多個輸入變量的值時，可以保持輸入變 量的控制權(quán)值不變。
[0104]利用上述工業(yè)控制設(shè)備，通過動態(tài)調(diào)整輸出變量權(quán)值，使得系統(tǒng)的輸出變量的值 駐留在輸出變量邊界約束條件內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了基于無約束動態(tài)矩陣控制，并且滿足約束條 件的工業(yè)過程控制，即獲得了快速的求解，同時又滿足了最優(yōu)控制輸入序列的可行性。
[0105]至此，已經(jīng)詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明的一種工業(yè)過程的控制方法和設(shè)備。為了避免 遮蔽本發(fā)明的構(gòu)思，沒有描述本領(lǐng)域所公知的一些細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)上面的描述， 完全可以明白如何實(shí)施這里公開的技術(shù)方案。[0106]另外，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)備的構(gòu)成裝置之間的連接關(guān)系，僅表示基于本發(fā)明的一個 信息流向關(guān)系示例，不限制為物理連接關(guān)系，并且也不一定是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例所必須或 僅限的。
[0107]可能以許多方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法和設(shè)備。例如，可通過軟件、硬件、固件或者 軟件、硬件、固件的任何組合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)。用于所述方法的步驟的上述順序 僅是為了進(jìn)行說明，本發(fā)明的方法的步驟不限于以上具體描述的順序，除非以其它方式特 別說明。此外，在一些實(shí)施例中，還可將本發(fā)明實(shí)施為記錄在記錄介質(zhì)中的程序，這些程序 包括用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的機(jī)器可讀指令。因而，本發(fā)明還覆蓋存儲用于執(zhí)行根據(jù) 本發(fā)明的方法的程序的記錄介質(zhì)。
[0108]雖然已經(jīng)通過示例對本發(fā)明的一些特定實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該理解，以上示例僅是為了進(jìn)行說明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該理解，可在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，對以上實(shí)施例進(jìn)行修改。本發(fā) 明的范圍由所附權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)過程的控制方法，所述工業(yè)過程具有多個輸入變量以及隨所述多個輸入變量的改變而變化的多個輸出變量，所述多個輸入變量是用于執(zhí)行所述工業(yè)過程的工業(yè)設(shè)備的可控變量，所述多個輸出變量是與所述工業(yè)過程的運(yùn)行結(jié)果有關(guān)的變量，所述多個輸入變量的值是基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算所獲得，所述二次目標(biāo)函數(shù)為以所述多個輸出變量的輸出變量權(quán)值、所述多個輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)的二次函數(shù)，針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作區(qū)域，在所述安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)，所述輸出變量滿足輸出操作約束限制條件，對應(yīng)于所述輸出變量安全區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第一值域，對應(yīng)于所述輸出變量警戒區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第二值域，對應(yīng)于所述輸出變量非操作區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第三值域，該方法包括:測量所述至少一個輸出變量的值；根據(jù)所述測量的輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值:若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量安全區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第一值域，若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量警戒區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第二值域，若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量非操作區(qū)域時，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第三值域；根據(jù)調(diào)整所述輸出權(quán)值后的二次目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變量的值；將所述優(yōu)化計算所獲得的多個輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對所述工業(yè)設(shè)備的可控變量實(shí)施控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的`方法，其特征在于，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第三值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值為預(yù)定的恒定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第二值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述測量的輸出變量值接近所述第三值域的程度，而單調(diào)遞增，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述測量的輸出變量值遠(yuǎn)離所述第三值域的程度，而單調(diào)遞減。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述二次目標(biāo)函數(shù)是以輸出變量權(quán)值為系數(shù)乘以輸出變量參考軌跡值與輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值之差的平方，加上以輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)乘以當(dāng)前時刻輸入變量增量的平方。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算的步驟中，所述優(yōu)化計算是計算使所述目標(biāo)函數(shù)取得極小值的當(dāng)前時刻輸入變量增量值。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變量的值的步驟中，保持所述輸入變量的控制權(quán)值不變。
8.一種工業(yè)過程的控制設(shè)備，所述工業(yè)過程具有多個輸入變量以及隨所述多個輸入變量的改變而變化的多個輸出變量，所述多個輸入變量是用于執(zhí)行所述工業(yè)過程的工業(yè)設(shè)備的可控變量，所述多個輸出變量是與所述工業(yè)過程的運(yùn)行結(jié)果有關(guān)的變量，所述多個輸入變量的值是基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算所獲得，所述二次目標(biāo)函數(shù)為以所述多個輸出變量的輸出變量權(quán)值、所述多個輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)的二次函數(shù)，針對至少一個輸出變量，設(shè)置輸出變量安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域及輸出變量非操作區(qū)域，在所述安全區(qū)域、輸出變量警戒區(qū)域內(nèi)，所述輸出變量滿足輸出操作約束限制條件，對應(yīng)于所述輸出變量安全區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第一值域，對應(yīng)于所述輸出變量警戒區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第二值域，對應(yīng)于所述輸出變量非操作區(qū)域，設(shè)定所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值范圍為第三值域，該設(shè)備包括:測量單元，用于測量所述至少一個輸出變量的值；調(diào)整單元，用于根據(jù)所述測量的輸出變量的值所屬于的區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值:若所述測量的輸出變量的值位于所述輸出變量安全區(qū)域，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第一值域，若所述測量的輸出變量值位于所述輸出變量警戒區(qū)域時，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第二值域，若所述測量的輸出變量值位于所述輸出變量非操作區(qū)域時，調(diào)整所述輸出變量對應(yīng)的輸出變量權(quán)值的取值，使其屬于所述第三值域；優(yōu)化計算單元，用于根據(jù)調(diào)整所述`輸出權(quán)值后的二次目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變量的值；控制單元，用于將所述優(yōu)化計算所獲得的多個輸入變量的值傳到基礎(chǔ)控制回路對所述工業(yè)設(shè)備的可控變量實(shí)施控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，在所述第三值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值為預(yù)定的恒定值。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，在所述第二值域內(nèi)，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述測量的輸出變量值接近所述第三值域的程度，而單調(diào)遞增，所述輸出變量權(quán)值的取值隨著所述測量的輸出變量值遠(yuǎn)離所述第三值域的程度，而單調(diào)遞減。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述二次目標(biāo)函數(shù)是以輸出變量權(quán)值為系數(shù)乘以輸出變量參考軌跡值與輸出變量系統(tǒng)預(yù)測值之差的平方，加上以輸入變量的控制權(quán)值為系數(shù)乘以當(dāng)前時刻輸入變量增量的平方。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，在所述基于二次目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算時，所述優(yōu)化計算是計算使所述目標(biāo)函數(shù)取得極小值的當(dāng)前時刻輸入變量增量值。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述優(yōu)化計算單元在進(jìn)行優(yōu)化計算以獲得所述多個輸入變量的值時，保持所述輸入變量 的控制權(quán)值不變。
【文檔編號】G05B19/418GK103513618SQ201210202130
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】甘中學(xué), 張小輝, 李金來, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司