最優(yōu)化裝置及方法以及控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明的最優(yōu)化裝置及方法以及控制裝置及方法，即便是具有積分類的控制對象，也能夠進(jìn)行控制的最優(yōu)化。對于積分類的控制變量，通過第1預(yù)測部（121），利用規(guī)定的過渡狀態(tài)時間前的預(yù)測值。第1預(yù)測部（121）就由數(shù)據(jù)收集部（101）所收集的數(shù)據(jù)中的成為最優(yōu)化的對象的最優(yōu)化對象變量當(dāng)中包含積分要素輸出的控制變量，對過渡狀態(tài)時間后的值進(jìn)行預(yù)測。另一方面，對于第1預(yù)測部（121）中未使用的控制變量及操作變量，在第2預(yù)測部（122）中，求出規(guī)定時間前的預(yù)測值。第2預(yù)測部（122）就最優(yōu)化對象變量當(dāng)中不包含積分要素輸出的控制變量對規(guī)定時間后的值進(jìn)行預(yù)測。
【專利說明】最優(yōu)化裝置及方法以及控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對成為控制對象的石油精制過程、石油化學(xué)過程等的工業(yè)過程進(jìn)行最優(yōu)化的最優(yōu)化裝置及方法以及控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為石油精制過程、石油化學(xué)過程等工業(yè)過程的控制方法，知曉的有模型預(yù)測控制。模型預(yù)測控制原來在成為多輸入輸出系統(tǒng)的過程中，作為一面對相當(dāng)于過程的輸入的操作變量及相當(dāng)于過程的輸出的控制變量所規(guī)定的條件進(jìn)行保持，一面使這些值向著目標(biāo)值趨于穩(wěn)定的控制方法而發(fā)展起來的。除此之外，現(xiàn)在，對過程的恒定狀態(tài)的目標(biāo)值，通過線性規(guī)劃法(Linear Programming、以下簡記為LP)及二次規(guī)劃法(QuadraticProgramming、以下簡記為QP)等最優(yōu)化方法來進(jìn)行確定(參見專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)I~4)。
[0003]對這種模型預(yù)測控制的例子進(jìn)行簡單地說明。如圖9所示，進(jìn)行模型預(yù)測控制的系統(tǒng)包括恒定狀態(tài)最優(yōu)化部501和執(zhí)行多變量模型預(yù)測控制運(yùn)算的控制部502。恒定狀態(tài)最優(yōu)化部501通過輸入最優(yōu)化評價函數(shù)、上下限條件值、操作變量、控制變量等，并利用LP及QP等最優(yōu)化方法來計算出控制對象的過程503在恒定狀態(tài)下的最優(yōu)目標(biāo)值?？刂撇?02輸入最優(yōu)目標(biāo)值、控制變量及上下限值等，一邊考慮給出的條件(上下限值)一邊進(jìn)行控制運(yùn)算，以使過程503的操作變量及控制變量收斂于最優(yōu)目標(biāo)值。例如，控制部502進(jìn)行控制，以使操作變量及控制變量不超出由上下限值所規(guī)定的界限范圍。此外，關(guān)于模型預(yù)測控制的具體計算，由 于在非專利文獻(xiàn)4等中有詳細(xì)的記述，故在此省略說明。
[0004]接著，對利用LP及QP來確定目標(biāo)值的方法進(jìn)行說明。在實(shí)際的過程的最優(yōu)化中，有時對來自目前的恒定狀態(tài)的差分進(jìn)行最優(yōu)化(以下稱作差分型最優(yōu)化)。例如，在專利文獻(xiàn)I中，公開了有關(guān)以模型預(yù)測控制為對象的系統(tǒng)的恒定狀態(tài)的最優(yōu)化方法，但在此進(jìn)行了差分型的最優(yōu)化運(yùn)算。又，在非專利文獻(xiàn)2中，記載有通過LP來對過程的最優(yōu)化進(jìn)行確定的方法，但在此也使用了差分型的最優(yōu)化。
[0005]以下,假設(shè)U !> U 2>...U m表示操作變量，y !> y 2>...y n表示控制變量的值。操作變量的個數(shù)為m、控制變量的個數(shù)為η。又設(shè)k為表示目前的控制周期的索引。當(dāng)將控制變量及操作變量合成作為向量進(jìn)行處理時，可以用下式(I)進(jìn)行表示。并且，當(dāng)控制變量和操作變量為一個向量進(jìn)行處理時，可以如下式(2)所示地用X來表示。又，差分型的最優(yōu)化問題可以如式(3)所例示地進(jìn)行記述。
[0006]【算式1】
[0007]U= [U1, U2,, um]T, y= Ly1, y2,..., yn]τ...(I)
[0008]X= [uT, yT]T...(2)
[0009]u (Λ—I) = [W1 (A -1) "2 (A -1)，…，um (A-1)I7.y(°°) = Iy1 (①).y2 (尤)…-yn (
[0010]Au=[ Au1, Au2,..., AuJt, Ay= [Ay1, Ay2,..., AyJT
【權(quán)利要求】
1.一種最優(yōu)化裝置，其特征在于，包括: 數(shù)據(jù)收集部，其收集控制對象的數(shù)據(jù)，所述控制對象的數(shù)據(jù)包含用于對控制對象進(jìn)行控制的操作變量及所述控制對象輸出的控制變量； 模型存儲部，其對所述控制對象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行存儲； 第I預(yù)測部，其就收集于所述數(shù)據(jù)收集部的數(shù)據(jù)中的成為最優(yōu)化對象的最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對過渡狀態(tài)時間后的值進(jìn)行預(yù)測； 第2預(yù)測部，其就所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的不包含積分要素輸出的控制變量對規(guī)定時間后的值進(jìn)行預(yù)測； 傾斜預(yù)測部，其就所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對規(guī)定時間后的每單位時間的變化量進(jìn)行預(yù)測； 恒定狀態(tài)變量條件設(shè)定部，其對最優(yōu)化對象變量的規(guī)定時間后的值進(jìn)行條件設(shè)定；過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部，其就所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對過渡狀態(tài)區(qū)間中的每單位時間的變化量進(jìn)行除了 O以外的條件設(shè)定； 過渡狀態(tài)變量條件設(shè)定部，其對操作變量的過渡狀態(tài)區(qū)間中的值進(jìn)行條件設(shè)定，該操作變量與所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的至少包含積分要素輸出的控制變量有關(guān)；以及 求解運(yùn)算部，其求出滿足由所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部及所述過渡狀態(tài)變量條件設(shè)定部所設(shè)定的條件、且將所給出的最優(yōu)化的評價函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化的所述最優(yōu)化對象變量的最優(yōu)解， 所述最優(yōu)化對象變量是將至規(guī)定時間為止的時間區(qū)間分為直到過渡狀態(tài)時間經(jīng)過為止的一個以上的過渡狀態(tài)區(qū)間和過渡狀態(tài)時間經(jīng)過后的一個恒定狀態(tài)區(qū)間，且將所述過渡狀態(tài)區(qū)間及所述恒定狀態(tài)區(qū)間中的所述操作變量及所述控制變量的值分別設(shè)定為最優(yōu)化對象的變量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的最優(yōu)化裝置，其特征在于， 包括恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部，該恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部就根據(jù)收集于所述數(shù)據(jù)收集部的數(shù)據(jù)而設(shè)定的最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對所述過渡狀態(tài)時間以后的每單位時間的變化量進(jìn)行條件設(shè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的最優(yōu)化裝置，其特征在于， 所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部及恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部，對所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量，根據(jù)上下限值給出條件， 所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部給出比所述恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部更大的上限值及更小的下限值作為條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的最優(yōu)化裝置，其特征在于， 所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部及恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部向所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量，輸出與每單位時間的變化量的大小相應(yīng)的補(bǔ)償， 所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部針對同樣每單位時間的變化量，輸出比所述恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部小的補(bǔ)償， 所述求解運(yùn)算部，對將所述補(bǔ)償加在所述評價函數(shù)上得到的函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2~4中的任一項(xiàng)所述的最優(yōu)化裝置，其特征在于， 根據(jù)所述評價函數(shù)，對所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部及所述恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定部的設(shè)定進(jìn)行調(diào)整。
6.一種控制裝置，其特征在于，其采用權(quán)利要求1~5中的任一項(xiàng)所述的最優(yōu)化裝置輸出的目標(biāo)值，所述控制裝置包括: 控制部，其進(jìn)行控制使得操作變量及控制變量朝向最優(yōu)化裝置已經(jīng)輸出的目標(biāo)值，且至少具有對積分類的控制變量穩(wěn)定至目標(biāo)值為止的時間進(jìn)行調(diào)整的穩(wěn)定時間參數(shù)， 與所述穩(wěn)定時間參數(shù)相關(guān)聯(lián)地確定所述過渡狀態(tài)時間。
7.一種最優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟: 數(shù)據(jù)收集步驟，其收集控制對象的數(shù)據(jù)，所述控制對象的數(shù)據(jù)包含用于對控制對象進(jìn)行控制的操作變量及所述控制對象輸出的控制變量； 模型存儲步驟，其對所述控制對象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行存儲； 第I預(yù)測步驟，其就由所述數(shù)據(jù)收集步驟所收集的數(shù)據(jù)中的成為最優(yōu)化的對象的最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對過渡狀態(tài)時間后的值進(jìn)行預(yù)測； 第2預(yù)測步驟，其就所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的不包含積分要素輸出的控制變量對規(guī)定時間后的值進(jìn)行預(yù)測； 傾斜預(yù)測步驟，其就所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對規(guī)定時間后的每單位時間的變化量進(jìn)行預(yù)測； 恒定狀態(tài)變量條件設(shè)定步驟，其對最優(yōu)化對象變量的規(guī)定時間后的值進(jìn)行條件設(shè)定；過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟，其就所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對過渡狀態(tài)區(qū)間中的每單位時間的變化量進(jìn)行除了 O以外的條件設(shè)定； 過渡狀態(tài)變量條件設(shè)定步驟，其對操作變量的過渡狀態(tài)區(qū)間中的值進(jìn)行條件設(shè)定，該操作變量與所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的至少包含積分要素輸出的控制變量有關(guān)；以及求解運(yùn)算步驟，其求出滿足由所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟及所述過渡狀態(tài)變量條件設(shè)定步驟所設(shè)定的條件、且對所給出的最優(yōu)化的評價函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化的所述最優(yōu)化對象變量的最優(yōu)解， 所述最優(yōu)化對象變量是將至規(guī)定時間為止的時間區(qū)間分為直到過渡狀態(tài)時間經(jīng)過為止的一個以上的過渡狀態(tài)區(qū)間和過渡狀態(tài)時間經(jīng)過后的一個恒定狀態(tài)區(qū)間，且將所述過渡狀態(tài)區(qū)間及所述恒定狀態(tài)區(qū)間中的所述操作變量及所述控制變量的值分別設(shè)定為最優(yōu)化對象的變量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的最優(yōu)化方法，其特征在于， 包括恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟，該恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟就根據(jù)所述數(shù)據(jù)收集步驟所收集的數(shù)據(jù)而設(shè)定的最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量對所述過渡狀態(tài)時間以后的每單位時間的變化量進(jìn)行條件設(shè)定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的最優(yōu)化方法，其特征在于， 在所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟及恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟中，對所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量，根據(jù)上下限值給出條件， 在所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟中，給出比所述恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟更大的上限值及更小的下限值作為條件。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的最優(yōu)化方法，其特征在于， 在所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟及恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟中，向所述最優(yōu)化對象變量當(dāng)中的包含積分要素輸出的控制變量，輸出與每單位時間的變化量的大小相應(yīng)的補(bǔ)償， 在所述過渡狀態(tài)傾斜條件步驟中，針對同樣每單位時間的變化量，輸出比所述恒定狀態(tài)傾斜條件步驟小的補(bǔ)償， 在所述求解運(yùn)算步驟中，對將所述補(bǔ)償加在所述評價函數(shù)上得到的函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化。
11.根據(jù)權(quán)利要求8~10中的任一項(xiàng)所述的最優(yōu)化方法，其特征在于， 根據(jù)所述評價函數(shù)，對所述過渡狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟及所述恒定狀態(tài)傾斜條件設(shè)定步驟中的設(shè)定進(jìn)行調(diào)整。
12.—種控制方法，其特征在于，其采用由權(quán)利要求7~11中的任一項(xiàng)所述的最優(yōu)化方法所輸出的目標(biāo)值， 所述控制方法包括控制步驟，該控制步驟進(jìn)行控制使得操作變量及控制變量朝向最優(yōu)化裝置已經(jīng)輸出的目標(biāo)值，且至少具有對積分類的控制變量穩(wěn)定至目標(biāo)值為止的時間進(jìn)行調(diào)整的穩(wěn)定時間參數(shù)， 與所述穩(wěn)定時間參數(shù)相關(guān)聯(lián)地確定所述過渡狀態(tài)時間。
【文檔編號】G05B13/00GK103913989SQ201310723785
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】田原鐵也, 清水洋, 巖本聰一, 齊藤徹, 植木亙 申請人:阿自倍爾株式會社