基于模型的優(yōu)化和無模型的控制的在線集成的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于模型的優(yōu)化和無模型的控制的在線集成。在一些實施例中，控制系統(tǒng)包括無模型的控制器，該無模型的控制器被配置成控制工廠或過程的操作。該控制系統(tǒng)還包括自動化控制器，該自動化控制器可操作地連接用以訪問由無模型的控制器控制的工廠或過程的模型。該自動化控制器被配置成經(jīng)由顯式優(yōu)化流程來修改無模型的控制器的參數(shù)。
【專利說明】基于模型的優(yōu)化和無模型的控制的在線集成
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容一般地涉及控制系統(tǒng)，以及更具體地涉及包括基于模型的控制器的控制系統(tǒng)，基于模型的控制器被配置成修改無模型的控制器的參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的幾十年中，基于模型的優(yōu)化和控制已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)兩者中受到越來越多的關(guān)注。這至少部分地由于它們在過程工業(yè)中的成功。然而，無模型的策略如比例-積分-微分(PID)控制器在工業(yè)應(yīng)用中仍然很普遍。其它無模型的控制策略如專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制器等也用于一些工業(yè)應(yīng)用中。無模型的控制方法的一個缺點是:控制器響應(yīng)不對未來的系統(tǒng)的潛在響應(yīng)負責(zé)。因而，存在如下需要:使用基于模型的優(yōu)化策略、使用預(yù)測信息增強無模型的控制策略的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在一個實施例中，一種控制系統(tǒng)包括無模型的控制器，該無模型的控制器被配置成控制工廠或過程的操作。該控制系統(tǒng)還包括自動化控制器，該自動化控制器可操作地連接用以訪問由無模型的控制器控制的工廠或過程的模型。自動化控制器被配置成經(jīng)由顯式優(yōu)化流程來修改無模型的控制器的參數(shù)。
[0004]在另一實施例中，非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)包括由處理器可執(zhí)行的程序指令。程序指令包括用于基于模型的控制模塊的指令，該基于模型的控制模塊包括由無模型的控制器控制的工廠或過程的模型。程序指令還包括用于參數(shù)調(diào)整模塊的指令，該參數(shù)調(diào)整模塊被配置成基于該基于模型的控制模塊的輸出來修改無模型的控制器的參數(shù)。
[0005]在另一實施例中，非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)包括由多核處理器可執(zhí)行的程序指令。程序指令包括用于無模型的控制模塊的指令，無模型的控制模塊被配置成控制工廠或過程的操作。無模型的控制模塊由多核處理器的第一處理核執(zhí)行。程序指令還包括用于基于模型的控制模塊的指令，該基于模型的控制模塊包括由無模型的控制模塊控制的工廠或過程的模型。基于模型的控制模塊由多核處理器的第二處理核執(zhí)行。另外，基于模型的控制模塊包括參數(shù)調(diào)整模塊，該參數(shù)調(diào)整模塊被配置成基于該基于模型的控制模塊的輸出來修改無模型的控制模塊的參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]當(dāng)參照附圖閱讀下面的詳細描述時，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，貫穿所有圖，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，在附圖中:
[0007]圖1是包括可以使用MPC控制器增強的位置PID控制器的控制系統(tǒng)的示意圖；
[0008]圖2是包括可以使用MPC控制器增強的速度PID控制器的控制系統(tǒng)的示意圖；
[0009]圖3是控制系統(tǒng)的示意圖，在該控制系統(tǒng)中使用MPC控制器連同PID控制器，如圖1和圖2中示出的PID控制器；[0010]圖4是另一控制系統(tǒng)的示意圖，在該另一控制系統(tǒng)中使用MPC控制器連同PID控制器，如圖1和圖2中示出的PID控制器；
[0011]圖5是控制系統(tǒng)的示意圖，在該控制系統(tǒng)中使用MPC控制器以改進PID控制器的性能，以及其中在被控制的系統(tǒng)的操作期間由MPC控制器修改PID控制器的PID系數(shù)；
[0012]圖6是圖5的控制系統(tǒng)的示意圖，示出了 MPC控制器、PID控制器和參數(shù)調(diào)整模塊的示例性部件；
[0013]圖7是可以用于MPC控制器中的示例性參數(shù)混合模型的示意圖；
[0014]圖8是被配置成相互通信的基于模型的控制器和無模型的控制器的示意圖；
[0015]圖9是具有多核處理器的控制裝置的示意圖，多核處理器被配置成在多核處理器的不同的處理核中執(zhí)行基于模型的控制器和無模型的控制器；以及
[0016]圖10是本文中所描述的實施例所使用的計算上高效的解算器的示例性算法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明的實施例針對用于使用基于模型的優(yōu)化策略、使用預(yù)測信息增強無模型的控制策略如比例-積分-微分(PID)控制器的性能的系統(tǒng)和方法。如上面所描述的，無模型的控制策略如PID控制器已經(jīng)在工業(yè)控制應(yīng)用中變得普遍。這樣的控制器已經(jīng)證實在操作中相當(dāng)健壯又相對簡單。然而，至少部分地由于設(shè)計的相對簡單，這樣的控制器表現(xiàn)某些固有的缺點如不能對被控制的系統(tǒng)的潛在未來的響應(yīng)負責(zé)。
[0018]相反，基于模型的優(yōu)`化策略如模型預(yù)測控制(MPC)技術(shù)特別很好地適合于合并被控制的系統(tǒng)的預(yù)測信息。然而，相比于無模型的解決方案，基于模型的解決方案相對復(fù)雜，并且通常計算上更密集。本文中所描述的實施例合并這兩種類型系統(tǒng)的優(yōu)點，同時將相應(yīng)的缺點最小化。具體地，本文所描述的實施例包括修改無模型的解決方案(例如，PID控制器)的參數(shù)的基于模型的解決方案(例如，MPC控制器)。在本領(lǐng)域中當(dāng)前不存在如下解決方案:如由本文中所描述的實施例實現(xiàn)的，無模型的控制系統(tǒng)的參數(shù)被視為正在從被控制的系統(tǒng)接收測量值的MPC控制器的輸出。
[0019]盡管在本文中被稱為包括PID控制器，也可以使用其它類型的無模型的控制器替代PID控制器。如本文中所使用的，術(shù)語“無模型的控制器”意在包括利用控制算法以確定控制動作的工業(yè)自動化控制器，控制算法在它們的搜索中不明確地使用被控制的系統(tǒng)的模型(例如，第一原理模型等)。反而，這樣的無模型的控制器又包括PID控制器，例如，PID控制器利用控制變量之間的簡單的比例、積分和微分以控制該系統(tǒng)。換言之，在本文中所描述的“無模型的控制器”指代其中每個執(zhí)行間隔處的控制器動作不是顯式搜索策略的結(jié)果的控制器，該顯式搜索策略明確地使用被控制的系統(tǒng)的模型。相反，本文中所描述的“基于模型的控制器”指代其中每個執(zhí)行間隔處的控制器動作是顯式搜索策略的結(jié)果的控制器，該顯式搜索策略明確地使用被控制的系統(tǒng)的模型。
[0020]圖1和圖2是包括PID控制器14、16的控制系統(tǒng)10、12的示意圖，示出了這樣的無模型的控制器的典型操作。特別地，圖1是位置PID控制器14的示意圖，以及圖2是速度PID控制器16的示意圖，如下面更詳細描述，位置PID控制器14和速度PID控制器16中的每個均可以使用MPC控制技術(shù)被增強(augmented)。如圖1所示，輸入向量?由控制下的系統(tǒng)18接收，其中，利用下面的公式(即，模型)定義被控制的系統(tǒng)18:
【權(quán)利要求】
1.一種控制系統(tǒng)，包括 無模型的控制器，所述無模型的控制器被配置成控制工廠或過程的操作；以及 自動化控制器，所述自動化控制器可操作地連接用以訪問由所述無模型的控制器控制的所述工廠或過程的模型，其中，所述自動化控制器被配置成經(jīng)由顯式優(yōu)化流程來修改所述無模型的控制器的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器在所述工廠或過程的操作期間修改所述無模型的控制器的所述參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器在所述工廠或過程的操作期間基本上實時地修改所述無模型的控制器的所述參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述無模型的控制器包括比例-積分-微分PID控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中，所述無模型的控制器的所述參數(shù)包括比例矩陣系數(shù)、積分矩陣系數(shù)和微分矩陣系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器包括模型預(yù)測控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中，所述模型預(yù)測控制器使用參數(shù)混合模型對被控制的所述工廠或過程進行建模。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，包括圖形建模工具，所述圖形建模工具有助于所述模型預(yù)測控制器的所述參數(shù)混合模型的修改。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器直接修改由所述無模型的控制器控制的所述工廠或過程的輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器在服務(wù)器個人計算機PC上執(zhí)行，以及所述無模型的控制器在分布式控制系統(tǒng)或可編程邏輯控制器系統(tǒng)上執(zhí)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器和所述無模型的控制器經(jīng)由安全的無線通信鏈路彼此安全地且無線地通信。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器和所述無模型的控制器經(jīng)由基于云的介質(zhì)彼此通信。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，所述自動化控制器在多核處理器的第一處理核上執(zhí)行，以及所述無模型的控制器在所述多核處理器的第二處理核上執(zhí)行。
14.一種非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，包括由處理器可執(zhí)行的程序指令，其中，所述程序指令包括用于如下模塊的指令: 基于模型的控制模塊，所述基于模型的控制模塊包括由無模型的控制器控制的工廠或過程的模型；以及 參數(shù)調(diào)整模塊，所述參數(shù)調(diào)整模塊被配置成基于所述基于模型的控制模塊的輸出來修改所述無模型的控制器的參數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，其中，所述參數(shù)調(diào)整模塊在所述工廠或過程的操作期間修改所述無模型的控制器的所述參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，其中，所述參數(shù)調(diào)整模塊在所述工廠或過程的操作期間基本上實時地修改所述無模型的控制器的所述參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，其中，所述無模型的控制器包括比例-積分-微分PID控制器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，其中，所述無模型的控制器的所述參數(shù)包括比例矩陣系數(shù)、積分矩陣系數(shù)和微分矩陣系數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，其中，所述工廠或過程的所述模型包括參數(shù)混合模型。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，其中，所述程序指令包括用于圖形建模工具的指令，所述圖形建模工具有助于所述模型預(yù)測模塊的所述參數(shù)混合模型的修改
21.一種非暫態(tài)機器可讀存儲介質(zhì)，包括由多核處理器可執(zhí)行的程序指令，其中，所述程序指令包括用于如下模塊的指令: 無模型的控制模塊，所述無模型的控制模塊被配置成控制工廠或過程的操作，其中，所述無模型的控制模塊由所述多核處理器的第一處理核執(zhí)行；以及 基于模型的控制模塊，所述基于模型的控制模塊包括由所述無模型的控制模塊控制的所述工廠或過程的模型，其中，所述基于模型的控制模塊由所述多核處理器的第二處理核執(zhí)行，以及其中，所述基于模 型的控制模塊包括參數(shù)調(diào)整模塊，所述參數(shù)調(diào)整模塊被配置成基于所述基于模型的控制模塊的輸出來修改所述無模型的控制器的參數(shù)。
【文檔編號】G05B19/04GK103809472SQ201310544427
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月5日
【發(fā)明者】比詹·薩亞爾羅德薩里, 卡迪爾·利亞諾, 亞歷山大·B·史密斯 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司