專(zhuān)利名稱(chēng)：用于實(shí)時(shí)過(guò)程控制的兩段方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用線(xiàn)性規(guī)劃模型來(lái)控制過(guò)程運(yùn)行的方法，該模型被配置來(lái)提供對(duì)系統(tǒng)約束以及該過(guò)程的未測(cè)定干擾的描述。
采用線(xiàn)性規(guī)劃模型來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制現(xiàn)在是很普通的。對(duì)受控變量的未來(lái)變化與控制變量的當(dāng)前和過(guò)去變化之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)限定的線(xiàn)性規(guī)劃模型目前被用來(lái)增強(qiáng)過(guò)程控制器的運(yùn)行。受控變量是指標(biāo)被訂為保持在所要求的調(diào)整點(diǎn)的過(guò)程變量，而控制變量是可調(diào)整以驅(qū)使受控變量達(dá)到其指標(biāo)值的過(guò)程變量。在任何工業(yè)過(guò)程中都會(huì)由外部對(duì)過(guò)程產(chǎn)生干擾，如果不對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制以實(shí)時(shí)響應(yīng)未測(cè)定的干擾，就會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性、效率降低以及產(chǎn)品質(zhì)量的改變。對(duì)過(guò)程的一種未測(cè)干擾可能會(huì)來(lái)自例如環(huán)境溫度的變化或?qū)Ξa(chǎn)品需求的突然變化。此外，這種過(guò)程還有系統(tǒng)約束，諸如溫度、壓力和流速，這些因素對(duì)過(guò)程變量產(chǎn)生限制，因此在過(guò)程控制中也必須加以考慮。
動(dòng)態(tài)矩陣控制是一種過(guò)程控制方法，它采用過(guò)程模型根據(jù)對(duì)受控變量的未來(lái)變化的預(yù)測(cè)來(lái)計(jì)算控制變量的修正。動(dòng)態(tài)矩陣控制的基本概念是采用已知的時(shí)域階躍響應(yīng)過(guò)程模型來(lái)確定控制變量的變化，從而使一個(gè)性能指標(biāo)在一特定的時(shí)間范圍內(nèi)變?yōu)樽钚』蜃畲?。每一控制變量的控制變量變化時(shí)序都是根據(jù)由時(shí)域階躍響應(yīng)模型所預(yù)測(cè)的過(guò)程響應(yīng)來(lái)計(jì)算的。因此，性能指標(biāo)被最優(yōu)化。
兩份美國(guó)專(zhuān)利包括動(dòng)態(tài)矩陣控制的兩種實(shí)施例。美國(guó)專(zhuān)利4，349，869公開(kāi)了一種動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，其中需要在時(shí)間范圍內(nèi)使某些性能指標(biāo)最小或最大的控制變量變化是采用數(shù)學(xué)最小二乘法來(lái)計(jì)算的。該方法的主要缺陷是過(guò)程受控變量的系統(tǒng)約束不能直接通過(guò)計(jì)算控制變量變化或移動(dòng)的最小二乘法來(lái)處理。由于這一局限，很難驅(qū)使受控變量達(dá)到可能限定過(guò)程的最佳穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)上極限或下極限，這是因?yàn)闊o(wú)法明確保證在修正控制變量時(shí)所產(chǎn)生的瞬時(shí)狀態(tài)中不擾亂該極限。
美國(guó)專(zhuān)利4，616，308公開(kāi)了動(dòng)態(tài)矩陣控制的一種改進(jìn)形式，其中在美國(guó)專(zhuān)利4，349，869中所描述的用于計(jì)算使某些性能指標(biāo)達(dá)到最小或最大的控制變量變化的最小二乘法被二次規(guī)劃方法或者線(xiàn)性規(guī)劃方法所替代。采用其中任一種方法都可以直接處理受控變量的系統(tǒng)約束。假定時(shí)域階躍響應(yīng)模型準(zhǔn)確地代表了過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且對(duì)過(guò)程不施加任何未測(cè)定干擾，那么就能保證控制變量的移動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致受控變量擾亂上極限或下極限的瞬態(tài)過(guò)程。
事實(shí)上，時(shí)域階躍響應(yīng)過(guò)程模型根本不可能準(zhǔn)確地代表過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此外，未測(cè)量并且任何過(guò)程模型也沒(méi)有加以考慮的干擾會(huì)在過(guò)程控制中產(chǎn)生實(shí)時(shí)失穩(wěn)。由于這些因素，由最小二乘法、二次規(guī)劃或線(xiàn)性規(guī)劃方法所計(jì)算的控制變量的移動(dòng)必須周期性地進(jìn)行修改。一種手段是確定由受控變量所限定的過(guò)程的狀態(tài)，對(duì)每一控制變量計(jì)算其移動(dòng)時(shí)序，等待一定的時(shí)間間隔，再次確定過(guò)程的狀態(tài)，重新計(jì)算每一控制變量移動(dòng)的時(shí)序。
在美國(guó)專(zhuān)利US4，349，869和US4，616，308中所描述的動(dòng)態(tài)矩陣控制的兩個(gè)實(shí)施例所采用的過(guò)程模型沒(méi)有考慮在過(guò)程的狀態(tài)被初始確定后進(jìn)入過(guò)程中的實(shí)時(shí)未測(cè)干擾。與具有不完善的過(guò)程模型和未測(cè)干擾的動(dòng)態(tài)矩陣控制的實(shí)際實(shí)施相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是，由上面所描述的任一方法所計(jì)算的每一控制變量的移動(dòng)時(shí)序在實(shí)現(xiàn)對(duì)性能指標(biāo)的最小化或最大化這一目標(biāo)時(shí)極具侵略性?xún)A向。通常會(huì)產(chǎn)生較大而且頻繁的控制變量移動(dòng)。暫且不論操作人員的審美考慮，當(dāng)控制器呈現(xiàn)這種侵略性時(shí)會(huì)危及過(guò)程的閉環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)過(guò)程模型的精確性受到某些原因的限制時(shí)尤其如此。美國(guó)專(zhuān)利4，616，308對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的移動(dòng)抑制概念作了數(shù)學(xué)描述。移動(dòng)抑制惡化了依賴(lài)于對(duì)每一控制變量所計(jì)算的控制變量變化的時(shí)序中控制變量從其當(dāng)前值所產(chǎn)生的任何變化的性能指標(biāo)。因此，對(duì)序列中的某個(gè)控制變量與其初序值的變化不作計(jì)算，除非由一個(gè)移動(dòng)抑制因子或權(quán)所限定的這一變化的費(fèi)用遠(yuǎn)小于這一變化在改善性能指標(biāo)時(shí)所帶來(lái)的利益。采用移動(dòng)抑制的最終結(jié)果是要改善在一限定的時(shí)間范圍內(nèi)使其變?yōu)樽钚』蜃畲蟮男阅苤笜?biāo)，從而使得控制變量由控制變量變化的時(shí)間序中的當(dāng)前值所產(chǎn)生的變化導(dǎo)致性能指標(biāo)值與沒(méi)改善的性能指標(biāo)相反變化。沒(méi)改善的性能指標(biāo)的變化量不能事先確定。
移動(dòng)抑制的基本目的是通過(guò)減弱一個(gè)動(dòng)態(tài)矩陣控制器對(duì)某些或所有的控制變量產(chǎn)生較大并且可能是頻繁變化的侵略性?xún)A向來(lái)改善閉環(huán)穩(wěn)定性的?，F(xiàn)在假定時(shí)域階躍響應(yīng)模型準(zhǔn)確地代表了過(guò)程響應(yīng)，并且過(guò)程模型考慮了進(jìn)入過(guò)程的所有干擾，那么閉環(huán)穩(wěn)定性就不太需要考慮。然而，在動(dòng)態(tài)矩陣控制中實(shí)際采用的時(shí)域階躍響應(yīng)模型是線(xiàn)性微分方程系統(tǒng)的遞歸或微分方程形式。由一組線(xiàn)性微分方程對(duì)實(shí)際物理系統(tǒng)的行為的模仿程度是有限的。雖然可以構(gòu)造更精確的模型，但是由于使過(guò)程響應(yīng)符合這些模型以及根據(jù)這些模型計(jì)算控制變量移動(dòng)的能力有限，因而依賴(lài)于更復(fù)雜的過(guò)程模型的控制技術(shù)的實(shí)用性受到限制。考察移動(dòng)抑制概念的一種方式是看其作用于時(shí)域階躍響應(yīng)模型的精度的置信水平。如果過(guò)程模型很精確，那么移動(dòng)抑制的效果是要降低控制質(zhì)量。換言之，如果過(guò)程模型原本精確，那么就需要很少的移動(dòng)抑制以保持過(guò)程的閉環(huán)穩(wěn)定性。這可以看作是在閉環(huán)穩(wěn)定性和最佳化控制器性能之間的折衷選擇，該折衷選擇是通過(guò)引入移動(dòng)抑制而作出的。
由性能指標(biāo)所測(cè)定的在閉環(huán)穩(wěn)定性和最佳化控制器性能之間的折衷選擇目前正通過(guò)前面所述的性能指標(biāo)的改善在進(jìn)行實(shí)施。控制變量移動(dòng)在采用沒(méi)改善的性能指標(biāo)所計(jì)算的移動(dòng)之上被抑制的變數(shù)(degree)是用于惡化改善的性能指標(biāo)的移動(dòng)抑制因子或權(quán)的相關(guān)值的函數(shù)。對(duì)移動(dòng)抑制權(quán)的修正是通過(guò)對(duì)控制器的在線(xiàn)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。很難將移動(dòng)抑制權(quán)的值與閉環(huán)穩(wěn)定性的改進(jìn)或控制質(zhì)量的惡化相聯(lián)系。移動(dòng)抑制權(quán)的選擇是主觀的，并且通常有賴(lài)于在控制器的在線(xiàn)調(diào)節(jié)期間對(duì)過(guò)程的閉環(huán)響應(yīng)的觀測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，具有一至多個(gè)控制變量和一至多個(gè)受控變量而且該受控變量具有與所述控制變量的修正值相關(guān)的目標(biāo)值的一個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)運(yùn)行下經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，本發(fā)明采用的控制方法包括以下步驟建立一個(gè)第一性能指標(biāo)，對(duì)過(guò)程中的每一受控變量計(jì)算在一特定的時(shí)間范圍內(nèi)與其目標(biāo)值的偏差的絕對(duì)值;
產(chǎn)生一個(gè)第一線(xiàn)性規(guī)劃模型，其解將使所述第一性能指標(biāo)最小;
求解所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型;
建立一個(gè)第二性能指標(biāo)，對(duì)每一受控變量在一特定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算每個(gè)控制變量與其原有值的絕對(duì)變化值;
產(chǎn)生一個(gè)第二線(xiàn)性規(guī)劃模型，其解將使所述第二性能指標(biāo)最小;
在所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型中加入至少一個(gè)動(dòng)態(tài)約束，該動(dòng)態(tài)約束是由所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型的解計(jì)算的，其值大于零并且小于所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型的解與一個(gè)預(yù)定量相加所得的值;
求解具有所述動(dòng)態(tài)約束的所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型的值;
根據(jù)所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型的解修正控制變量，從而驅(qū)使所述受控變量達(dá)到其目標(biāo)值。
通過(guò)采用一種兩段線(xiàn)性規(guī)劃模型，對(duì)每一控制變量而言，控制變量變化的時(shí)序與由第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型所計(jì)算的時(shí)序相比改進(jìn)了過(guò)程的閉環(huán)穩(wěn)定性。在第一階段，根據(jù)系統(tǒng)約束和/或?qū)刂坪褪芸刈兞康南拗?，使性能指?biāo)值變?yōu)樽钚』蜃畲蟆Ｏ到y(tǒng)約束和/或限制可以從對(duì)過(guò)程能力的實(shí)際理解來(lái)導(dǎo)出、或從由先前運(yùn)行所推導(dǎo)的數(shù)據(jù)中導(dǎo)出、或從測(cè)試中導(dǎo)出、或者主觀推測(cè)，一旦導(dǎo)出，它們?cè)谝惶囟ǖ臅r(shí)間間隔內(nèi)是固定的，并且在一特定的時(shí)間范圍內(nèi)在第一階段的性能指標(biāo)解中作為固定的界限。對(duì)第一階段線(xiàn)性規(guī)劃求解的方法根據(jù)確定的系統(tǒng)約束或限制來(lái)計(jì)算在一特定的時(shí)間范圍內(nèi)受控變量與其目標(biāo)值的偏差的絕對(duì)值。
由于第一階段線(xiàn)性規(guī)劃可能存在替代的最佳解，因此最好是第一階段線(xiàn)性規(guī)劃對(duì)第一性能指標(biāo)加上一小部分第二性能指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化。這一策略便于對(duì)求解第二階段線(xiàn)性規(guī)劃的值的正確測(cè)量，即由第二性能指標(biāo)所測(cè)量的第一階段和第二階段線(xiàn)性規(guī)劃的解值的比較是正確的。
在第二階段，根據(jù)與第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解相關(guān)的動(dòng)態(tài)約束來(lái)使其性能指標(biāo)變?yōu)樽钚』蜃畲?。因此使第二性能指?biāo)變?yōu)樽钚』蜃畲笫且缘谝浑A段解中的系統(tǒng)約束以及基于第一階段解的一個(gè)動(dòng)態(tài)約束為依據(jù)的。例如，第二階段的動(dòng)態(tài)約束可以等于或小于第一線(xiàn)性規(guī)劃模型的解加上一個(gè)預(yù)定量。這個(gè)預(yù)定量可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，或者根據(jù)例如以往最優(yōu)化研究所獲得的額外信息來(lái)計(jì)算。
本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了受控過(guò)程的閉環(huán)穩(wěn)定性，這是因?yàn)閷?duì)這種控制變量由第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型所計(jì)算的控制變量變化的時(shí)序減弱了動(dòng)態(tài)矩陣控制器在某些或所有控制變量中產(chǎn)生較大而且可能頻繁的變化的侵略性?xún)A向。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，由此將看到本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)。
圖1形象示出了強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，用于在管理過(guò)程運(yùn)行的性能指標(biāo)空間中規(guī)劃第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的所有可能解的一個(gè)概念;
圖2的流程圖示出了本發(fā)明的過(guò)程控制方法;
圖3是一個(gè)單柱氮廠的示意性表示，它有兩個(gè)控制變量，由在一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制指導(dǎo)下的一臺(tái)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)兩個(gè)受控變量提供控制;
圖4表示僅采用發(fā)明的第一階段作為控制實(shí)施時(shí)圖3所示的氮廠中的受控變量對(duì)控制變量變化的響應(yīng);
圖5示出當(dāng)局限在第一階段控制時(shí)與圖4的響應(yīng)相關(guān)的控制變量變化;
圖6示出當(dāng)采用本發(fā)明的兩段控制過(guò)程時(shí)圖3所示的氮廠中的受控變量對(duì)控制變量變化的響應(yīng);
圖7示出當(dāng)采用本發(fā)明的兩段控制過(guò)程時(shí)與圖6所示的響應(yīng)相<p>生成穩(wěn)定的絡(luò)合物過(guò)程中，即發(fā)生了顏色變化，由葡萄紅色變成蘭綠色，此時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。
顯示片中乙二胺四乙酸二鈉是測(cè)定硬度的主要成分，通過(guò)EDTA的用量來(lái)計(jì)算硬度的大小;四硼酸鈉與無(wú)水碳酸鈉是在測(cè)定中起緩沖作用，主要用來(lái)調(diào)整pH值＝10，因?yàn)橹挥衟H＝10左右時(shí)EDTA絡(luò)合反應(yīng)才最完全，從而測(cè)得的硬度比較準(zhǔn)確;鉻黑T和鹽酸羥胺為指示劑，用于指示反應(yīng)的終點(diǎn)顏色。可溶性淀粉是載體，用于將各組分混合后粘結(jié)成型，顯示片各組分在水樣中的化學(xué)反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，只要顯示片完全溶解，反應(yīng)就會(huì)完成，如果水樣水溫較低(冬季)，化學(xué)反應(yīng)稍延長(zhǎng)時(shí)間，也可以用加熱方法加熱到30℃左右，反應(yīng)就會(huì)很快進(jìn)行。
實(shí)施例
按上述各實(shí)施例的組分配好后，用水混合-造粒-烘干-壓制成片。
本發(fā)明顯示片測(cè)定軟水硬度過(guò)程1)準(zhǔn)確量出100毫升水樣，置于250毫升錐形瓶中;
2)將一片顯示片置入水樣中，搖動(dòng)1-2分鐘，水樣呈現(xiàn)了顏色，如呈現(xiàn)蘭綠色，說(shuō)明軟水硬度≤0.03mgN/e，表示軟水合格，可以進(jìn)鍋爐，如果呈葡萄紅色，說(shuō)明軟水硬度＞0.03mgN/e，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)，即為不合格，不允許進(jìn)鍋爐，立即進(jìn)行鈉離算受控變量與其目標(biāo)值的偏差的絕對(duì)值的一個(gè)性能指標(biāo)。權(quán)用來(lái)指定在性能指標(biāo)中某些受控變量的偏差更重要。權(quán)可以用來(lái)相關(guān)于某些受控變量有選擇地改進(jìn)一個(gè)過(guò)程控制器的性能。
本發(fā)明的第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的一個(gè)性能指標(biāo)的典型形式為求
的最小值Δxrt+n＝xrt+n-xrt+n-1(103)Δxrt+n＝urt+n-vrt+n(104)其中△Xrt+n是控制變量r在t+n與先前值的變化;
Xrt+n是控制變量r在t+n時(shí)刻的值;
Xrt+n-1是控制變量r在t+n-1時(shí)刻的值，也稱(chēng)為控制變量r在t+n時(shí)刻的先前值;
Urt+n是控制變量r在t+n時(shí)刻的正變化;
Vrt+n是控制變量r在t+n時(shí)刻的負(fù)變化;
Wrt+n是控制變量r在t+n時(shí)刻的變化的權(quán)。
熟悉線(xiàn)性規(guī)劃知識(shí)的人會(huì)認(rèn)出上述公式是計(jì)算一個(gè)控制變量與其先前值的絕對(duì)值的絕對(duì)變化的一個(gè)性能指標(biāo)。權(quán)用來(lái)指定在該性能指標(biāo)中某些控制變量的變化具有更大的重要性。權(quán)可以用來(lái)有選擇地減小在某些控制變量中控制變量變化的大小，并且可能的話(huà)減小其數(shù)量。
因?yàn)橐粋€(gè)線(xiàn)性規(guī)劃模型有許多可能的替代解，所以可以預(yù)測(cè)第一階段模型的替代解的可能性，并且從那些解中選擇一個(gè)單一解，這個(gè)單一解可能是與第二階段性能指標(biāo)相關(guān)的最佳解。這一概念示于圖1。圖1是在性能指標(biāo)空間中第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的所有可能解的投影。點(diǎn)A和B是第一階段線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題的一組可能解的極值點(diǎn)，它們具有相同的第一階段性能指標(biāo)值。
由于第一階段性能指標(biāo)被第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所最小化，而第二階段性能指標(biāo)被第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所最小化，因而解值B優(yōu)于包括解值A(chǔ)的所有其它解。通過(guò)將要被用于第二階段的性能指標(biāo)作為由第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所最小化的部分性能指標(biāo)，可以保證解值B在第一階段被選中。
根據(jù)上述概念，第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)可以表示為求
的最小值ε大于零且任意小與此類(lèi)似，第二階段的目標(biāo)函數(shù)為求
具有遞歸微分方程形式的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)過(guò)程模型目前用于將一個(gè)過(guò)程輸出中的未來(lái)變化聯(lián)系到過(guò)程輸出的當(dāng)前和過(guò)去變化以及既包括控制變量又包括干擾的過(guò)程輸入。這種模型用于建立一系列等式約束，該約束包括大部分第一階段和第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的結(jié)構(gòu)作為代數(shù)等式。這種過(guò)程模型的一般形式示于下面。在由受控過(guò)程中所<p>生成穩(wěn)定的絡(luò)合物過(guò)程中，即發(fā)生了顏色變化，由葡萄紅色變成蘭綠色，此時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。
顯示片中乙二胺四乙酸二鈉是測(cè)定硬度的主要成分，通過(guò)EDTA的用量來(lái)計(jì)算硬度的大小;四硼酸鈉與無(wú)水碳酸鈉是在測(cè)定中起緩沖作用，主要用來(lái)調(diào)整pH值＝10，因?yàn)橹挥衟H＝10左右時(shí)EDTA絡(luò)合反應(yīng)才最完全，從而測(cè)得的硬度比較準(zhǔn)確;鉻黑T和鹽酸羥胺為指示劑，用于指示反應(yīng)的終點(diǎn)顏色?？扇苄缘矸凼禽d體，用于將各組分混合后粘結(jié)成型，顯示片各組分在水樣中的化學(xué)反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，只要顯示片完全溶解，反應(yīng)就會(huì)完成，如果水樣水溫較低(冬季)，化學(xué)反應(yīng)稍延長(zhǎng)時(shí)間，也可以用加熱方法加熱到30℃左右，反應(yīng)就會(huì)很快進(jìn)行。
實(shí)施例
按上述各實(shí)施例的組分配好后，用水混合-造粒-烘干-壓制成片。
本發(fā)明顯示片測(cè)定軟水硬度過(guò)程1)準(zhǔn)確量出100毫升水樣，置于250毫升錐形瓶中;
2)將一片顯示片置入水樣中，搖動(dòng)1-2分鐘，水樣呈現(xiàn)了顏色，如呈現(xiàn)蘭綠色，說(shuō)明軟水硬度≤0.03mgN/e，表示軟水合格，可以進(jìn)鍋爐，如果呈葡萄紅色，說(shuō)明軟水硬度＞0.03mgN/e，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)，即為不合格，不允許進(jìn)鍋爐，立即進(jìn)行鈉離<p>bp，rt+n-i對(duì)在t+n-i時(shí)刻控制變量r對(duì)受控變量p的變化的貢獻(xiàn)所加的權(quán)△fp，dt+n-k在t+n-k時(shí)刻干擾變量d對(duì)受控變量p的變化的貢獻(xiàn)cp，dt+n-k在t+n-k時(shí)刻干擾變量d對(duì)受控變量p的變化的貢獻(xiàn)所加的權(quán)△gdt+n-i在t+n-i時(shí)刻干擾變量d的變化ep，dt+n-i對(duì)在t+n-i時(shí)刻造成受控變量p變化的干擾變量變化所加的權(quán)第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型由目標(biāo)函數(shù)(105)、約束(107)、(108)、(109)、(110)以及控制和受控變量的變化和值的下列界限所表示。
hrt+n≤Δxrt+n≤grt+n(111)hpt+n≤Δypt+n≤gpt+n(112)Lrt+n≤xrt+n≤Urt+n(113)Lpt+n≤ypt+n≤Upt+n(114)其中hrt+n在t+n時(shí)刻控制變量r的變化的下界grt+n在t+n時(shí)刻控制變量r的變化的上界hpt+n在t+n時(shí)刻控制變量p的變化的下界gpt+n在t+n時(shí)刻控制變量p的變化的上界Lrt+n在t+n時(shí)刻控制變量r的下界Urt+n在t+n時(shí)刻控制變量r的上界
Lpt+n在t+n時(shí)刻控制變量p的下界Upt+n在t+n時(shí)刻控制變量p的上界第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型由目標(biāo)函數(shù)(106)、約束(107)、(108)、(109)、(110)、界限(111)、(112)、(113)、(114)以及由第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所導(dǎo)出的下列動(dòng)態(tài)約束所表示。
由第一階段得出IAEp＝Σn=N]]>spt+n(αpt+n+βpt+n)
p (115)IAE＝Σp=1pΣn=0N]]>spt+n(αpt+n+βpt+n) (116)其中IAEp受控變量與其目標(biāo)值的偏差對(duì)第一階段性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)IAE第一階段指標(biāo)值(沒(méi)有ε項(xiàng))下述第二階段約束可以構(gòu)造為Σn=0N]]>spt+n(αpt+n+βpt+n)≤IAEp+ΔIAEp
p (117)Σp=1pΣn=1N]]>spt+n(αpt+n+βpt+n)≤IAE+ΔIAE (118)其中△IAEp可供第二階段解所用的控制變量與其目標(biāo)值的偏差對(duì)第一階段性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)的增量。
△IAE可供第二階段解所用的第一階段性能指標(biāo)的增量通常△IAEp最好取作由第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所計(jì)算的IAEp的十分之幾。另一方面，△IAEp可以是由任何手段所計(jì)算的一個(gè)預(yù)定值，例如，該手段包括△IAEp＝(N)△p (119)其中N在控制器時(shí)間范圍內(nèi)所考慮的時(shí)間間隔數(shù)△p可供第二階段解所用的在第一時(shí)間間隔受控變量p與其目標(biāo)值的偏差對(duì)第一階段性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)的增量除了前面所述的采用不同性能指標(biāo)并且在第二階段模型中如上所述根據(jù)第一階段模型解增加動(dòng)態(tài)約束外，第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型和第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型在各方面都相同。
現(xiàn)在參看圖2，它用流程示出了本發(fā)明。如步驟[1]所示，通過(guò)將過(guò)程模型讀入一個(gè)計(jì)算機(jī)(沒(méi)有示出)用于指導(dǎo)一個(gè)過(guò)程控制器(沒(méi)有示出)的運(yùn)行，從而對(duì)該過(guò)程初始化。過(guò)程模型分別由等式(107)、(108)、(109)和(110)給出。
過(guò)程模型定義受控變量的未來(lái)變化與控制及干擾變量的當(dāng)前和先前變化的關(guān)系。這一關(guān)系表示在權(quán)(a、b、c、e)的值中，對(duì)受控變量、控制變量和干擾變量的不同組合而言，權(quán)是唯一的。權(quán)值可以通過(guò)任何過(guò)程識(shí)別步驟得到。一個(gè)步驟包括將一系列控制變量和干擾變量的變化引入該過(guò)程或一個(gè)第一主要過(guò)程模型中并且記錄受控變量的響應(yīng)。在實(shí)施這些測(cè)試時(shí)過(guò)程沒(méi)有受到控制。采用多重線(xiàn)性回歸技術(shù)來(lái)修正權(quán)的值，從而使得所觀測(cè)的受控變量響應(yīng)與由過(guò)程模型所預(yù)測(cè)的響應(yīng)的差的平方和最小。
過(guò)程控制中的系統(tǒng)約束可能包括過(guò)程限制和主觀限制。過(guò)程系統(tǒng)限制等同于過(guò)程的各種實(shí)際約束。例如，一個(gè)高壓罐可能具有一個(gè)不能被超過(guò)的最大極限值，并且閥門(mén)至多是完全打開(kāi)或至少是完全閉合。電動(dòng)機(jī)可能有由生產(chǎn)廠家所限定的負(fù)載限制。這些限制代表了受控或控制變量的上限或下限。也可能存在主觀限制，它們等同于作用在過(guò)程運(yùn)行之上的，而不同于由過(guò)程系統(tǒng)限制所表示的過(guò)程系統(tǒng)約束。這些限制也表示受控或控制變量的上限或下限。
受控變量目標(biāo)是控制器將試圖達(dá)到的受控變量值。只要受控變量值不同于其目標(biāo)值，或者預(yù)計(jì)在將來(lái)將要不同于其目標(biāo)值，那么控制器就可能持續(xù)調(diào)節(jié)控制變量。
前面已作過(guò)解釋?zhuān)谝浑A段線(xiàn)性規(guī)劃模型是由包含目標(biāo)函數(shù)105、約束107、108、109、110以及界限111、112、113和114的代數(shù)項(xiàng)所表示的。當(dāng)步驟[1]完成后就產(chǎn)生第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型，如圖2的步驟[2]所示。
第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型時(shí)代數(shù)表達(dá)式被轉(zhuǎn)換為適合最優(yōu)化的一個(gè)模型表示。通常采用矩陣形式來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化。該矩陣形式的一個(gè)例子是MPS(數(shù)學(xué)規(guī)劃系統(tǒng))形式，它被數(shù)學(xué)規(guī)劃專(zhuān)業(yè)人員采作一種松散標(biāo)準(zhǔn)。向MPS形式的轉(zhuǎn)換使得第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型可以由多種工業(yè)線(xiàn)性規(guī)劃系統(tǒng)所讀出。這種轉(zhuǎn)換可以很容易由專(zhuān)為此目的所編制的任何計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成。這部分內(nèi)容不屬于本發(fā)明。
第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型在步驟3產(chǎn)生，并且由目標(biāo)函數(shù)106、約束107、108、109、110、界限111、112、113、114以及與第一階段性能指標(biāo)117和118相關(guān)的附加動(dòng)態(tài)約束所表示。將第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的代數(shù)形式轉(zhuǎn)換為矩陣形式的說(shuō)明也適用于第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型。
在步驟4所測(cè)量的過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)是由所有受控、控制以及干擾變量的最新值所限定的。通常代表這些變量的初始信息可以從用于檢索和存貯這些變量值的一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)中獲得。數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)及其運(yùn)行不屬于本發(fā)明部分。在此之后，該過(guò)程的當(dāng)前值在從一個(gè)時(shí)間間隔到下一時(shí)間間隔的逐步逼近過(guò)程中被更新。
如果需要的話(huà)，在正常過(guò)程運(yùn)行過(guò)程中受控變量的要求值以及限制被校正和修改，如步驟5和6所示。
步驟6所示的對(duì)第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的修改以最新的過(guò)程狀態(tài)為根據(jù)。修改限制和目標(biāo)包括更新出現(xiàn)在約束右側(cè)的數(shù)值以及改變界限。這通常不必重新產(chǎn)生第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型，因此節(jié)約了一些計(jì)算機(jī)時(shí)間。在進(jìn)行這種修正時(shí)工業(yè)線(xiàn)性規(guī)劃系統(tǒng)通常具有某些便利性。
步驟7所示的求解第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型包括根據(jù)已經(jīng)定義的約束和邊界來(lái)對(duì)第一階段目標(biāo)函數(shù)(105)求最優(yōu)值。為此目的一般采用工業(yè)線(xiàn)性規(guī)劃系統(tǒng)。求解第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的一種方式是采用一種主單形法。在該主單形法中，對(duì)擴(kuò)展的原有問(wèn)題的一個(gè)基本可能解被保持在單形法的每一步迭代過(guò)程中。對(duì)單形法和修改的單形法的詳細(xì)描述在許多線(xiàn)性規(guī)劃教科書(shū)中都能看到，例如由G.B.DanztigPrinceton大學(xué)出版社1963年出版的“LinearProgrammingandExtentions”(《線(xiàn)性規(guī)劃及其外延》)?？梢圆捎脤?duì)偶單形法來(lái)代替主單形法。也可以采用基于內(nèi)部點(diǎn)障礙法(interior-pointbarriermethods)的一種算法來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化。
第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解將提供至少下述信息(a)目標(biāo)函數(shù)的值。
(b)變量的活動(dòng)范圍，對(duì)每個(gè)控制變量而言它是變量變化的時(shí)序。
(c)所有約束右側(cè)元素的值。
如果第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型被確定為不能實(shí)行的，那么可以通過(guò)暫時(shí)放松某些邊界或約束使其變?yōu)榭梢詫?shí)行?？尚行员欢x為至少有一組活動(dòng)范圍能滿(mǎn)足所有的邊界和約束。
修改第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型與修改第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型是一樣的。因?yàn)樗嚓P(guān)于當(dāng)前過(guò)程狀態(tài)、修正的限制以及修正的目標(biāo)值。在第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型中所專(zhuān)有的約束117和118的右端成份被根據(jù)從第一階段解中所獲得的信息所修正。例如，約束118的右端成分包含一部分等于ε＝0時(shí)第一階段性能指標(biāo)的值，該部分被用于對(duì)第二階段性能指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化。該部分可以多種方式來(lái)確定，例如1.它們根據(jù)操作人員或其它熟悉過(guò)程性能的人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)估計(jì)。
2.它可以是ε＝0時(shí)第一性能指標(biāo)的十分之幾或一個(gè)固定數(shù)值的較大值。
3.它可以采用從第一階段解所得到的并且包含縮減費(fèi)用和邊緣值(陰影價(jià)格)的補(bǔ)充信息來(lái)計(jì)算。
4.它可以根據(jù)對(duì)第一階段進(jìn)行事后最優(yōu)化研究所得到的并且包含參數(shù)規(guī)劃的信息來(lái)計(jì)算。
5.它可以根據(jù)一個(gè)外部模型，諸如一個(gè)第一主要過(guò)程模型來(lái)計(jì)算。
根據(jù)步驟9來(lái)求解第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型與步驟7求解第一階段類(lèi)似，下面列出了它們的關(guān)鍵區(qū)別
(a)第二階段模型保證可以實(shí)行。
(b)第一階段的解可作為應(yīng)用于第二階段的算法的可能起點(diǎn)，從而減小了計(jì)算所花費(fèi)的功夫。
第二階段的解提供與第一階段解相似的信息。
為了確定第二階段解是否代表一個(gè)可以接受的控制策略，在步驟10時(shí)根據(jù)一系列相關(guān)探索來(lái)研究第二階段解，如果發(fā)現(xiàn)第二階段解由于任何原因而存在缺陷時(shí)，將對(duì)第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型進(jìn)行修改。
雖然第二階段的解包含判定變量的活動(dòng)范圍，它們是對(duì)每一控制變量而言起始于當(dāng)前并且在時(shí)間上延長(zhǎng)幾個(gè)時(shí)間間隔的控制變量的時(shí)序，但是最好只實(shí)施每一控制變量的時(shí)序的第一個(gè)元素。
在等待一個(gè)時(shí)間間隔后，重復(fù)執(zhí)行步驟4、5、6、7、8、9、10和11。如果在隨后時(shí)間間隔的逼近過(guò)程中的第一個(gè)元素與前面時(shí)間間隔中具有相同的值，那么在步驟11停止。時(shí)間間隔的長(zhǎng)度通常相關(guān)于受控過(guò)程的基本動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如果這一響應(yīng)的某些成分很快，那么一個(gè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度就短。
通過(guò)比較第一階段線(xiàn)性規(guī)劃解的實(shí)施和第二階段線(xiàn)性規(guī)劃解的實(shí)施可以更進(jìn)一步理解本發(fā)明。圖3中示出一個(gè)單柱氮廠，它由一個(gè)為計(jì)算機(jī)所控制的基于模型的控制器所操縱。圖3所示的簡(jiǎn)化的空氣分離系統(tǒng)被設(shè)計(jì)來(lái)從輸入的帶有80%N2的氣體F1供流中生產(chǎn)具有特定目標(biāo)純度為99.99%的高純度氮F3。氣體F1的供入流在閥門(mén)X1的迎流面被再次純凈并被低溫冷卻達(dá)到約90°K的溫度和60-100lbs的壓力。一旦穿過(guò)閥門(mén)X1，供入流F1膨脹，分為液體和蒸汽。蒸汽化的空氣在塔B中上升，而液流從塔B的底部作為液流F2而排出。排出的液流F2包含大約40%O2和60%N2。塔B包括許多標(biāo)準(zhǔn)分離塔盤(pán)(沒(méi)有示出)以保證在塔中上升的氣體和饋入塔B的頂部的液體氮流F6之間有最大的氣液接觸。從塔B中所排出的液流F2被饋入包含一個(gè)冷凝器C的容器A中。冷凝器C將來(lái)自塔B的蒸汽化的氮流F4冷卻為液流F5。液流F5被分為饋入塔B的液流F6和一個(gè)輸出液流F8。閥X2控制液體輸出流F8從冷凝器C的排放。在容器A中的冷凝器液體水平由一個(gè)傳感器Y2來(lái)探測(cè)。該傳感器Y2給控制器12提供一個(gè)輸出信號(hào)，該控制器是由一個(gè)計(jì)算機(jī)14來(lái)控制的。計(jì)算機(jī)14與控制器12的組合有時(shí)被稱(chēng)之為“基于模型的控制器”?？刂破?2還接收來(lái)自傳感器Y1的一個(gè)輸入傳感信號(hào)15，該傳感器Y1探測(cè)輸出氮流F3的純度。閥X1和X2由控制器12所調(diào)節(jié)，它們被稱(chēng)之為控制變量，以與前面所用的詞匯相一致。在圖3的系統(tǒng)中，Y1感應(yīng)氣流F3的成份，它代表一個(gè)受控變量，Y2感應(yīng)冷凝器液體水平，它代表一個(gè)第二受控變量。Y1是一個(gè)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定變量，而Y2是一個(gè)開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定變量。
采用本發(fā)明的兩段線(xiàn)性規(guī)劃方法以及標(biāo)準(zhǔn)的多重回歸技術(shù)來(lái)估計(jì)具有遞歸微分方程形式的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)過(guò)程模型所需的參數(shù)，在圖4和圖5中所示例的第一階段線(xiàn)性規(guī)劃解的實(shí)現(xiàn)與圖6和圖7中分別所示例的第二階段線(xiàn)性規(guī)劃解的實(shí)現(xiàn)之間可看出其比較關(guān)系。
該實(shí)例包括在零時(shí)刻對(duì)受控變量Y1和Y2同時(shí)增大其目標(biāo)。目標(biāo)的初始值分別為0.10單位和90.0單位。在零時(shí)刻，該目標(biāo)值分別被改變?yōu)?.92和100.0。假定在進(jìn)行該變化時(shí)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且在目標(biāo)值變化之后沒(méi)有干擾進(jìn)入該過(guò)程。但是如果確實(shí)產(chǎn)生了一個(gè)外部干擾，那么它對(duì)系統(tǒng)的影響將取決于該干擾是事先已被預(yù)計(jì)的，還是完全沒(méi)有預(yù)計(jì)的。一個(gè)實(shí)測(cè)干擾在事先已考慮了防止措施，也就是為此所構(gòu)置的一個(gè)模型提供了一個(gè)等式約束以考慮響應(yīng)該干擾所產(chǎn)生的預(yù)期變化。這可進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或通過(guò)模擬測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。該約束被包括到線(xiàn)性規(guī)劃模型中。環(huán)境溫度和濕度的變化是實(shí)測(cè)干擾的一個(gè)例子，它可以預(yù)測(cè)并且模型化以提供預(yù)定的響應(yīng)，該響應(yīng)不能在過(guò)程輸出中產(chǎn)生偏差，從而對(duì)過(guò)程的狀態(tài)沒(méi)有影響。然而，如果該干擾完全沒(méi)有預(yù)計(jì)到，或者本來(lái)是一個(gè)可以測(cè)量并且模型化的干擾但卻沒(méi)有實(shí)測(cè)，從而其對(duì)系統(tǒng)的影響沒(méi)有考慮，那么它的出現(xiàn)將在過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)與先前時(shí)間間隔中過(guò)程的狀態(tài)之間產(chǎn)生偏差，當(dāng)控制器執(zhí)行流程圖中過(guò)程的步驟5-12時(shí)，將對(duì)該干擾以一種反作用方式進(jìn)行處理。
過(guò)程模型被假定很好地代表了過(guò)程的響應(yīng)。在圖4中Y1和Y2在一段時(shí)間之后都達(dá)到了它們的新目標(biāo)。Y2首先到達(dá)其新目標(biāo)，這是因?yàn)閅2對(duì)X1和X2變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)本質(zhì)上較之Y1的響應(yīng)要快。Y1在時(shí)間段10對(duì)其新目標(biāo)有一個(gè)小小的過(guò)調(diào)。在該例子中一個(gè)時(shí)間段等于3分鐘。第一階段相關(guān)的控制變量變化示于圖5。注意兩個(gè)控制變量都被頻繁調(diào)節(jié)并且產(chǎn)生了相對(duì)大的變化。X2的變化被限制到5個(gè)單位以?xún)?nèi)。這些限制束縛了X2在時(shí)間段2的變化大小。
圖6示出了用于實(shí)現(xiàn)以第二階段作為控制策略的線(xiàn)性規(guī)劃解的Y1和Y2對(duì)X1和X2變化的響應(yīng)。通過(guò)對(duì)圖6和圖4精細(xì)比較可以看出，對(duì)第二階段而言Y1和Y2在圖6中幾乎與圖4同樣快地達(dá)到其目標(biāo)值。然而產(chǎn)生幾乎同樣的受控變量響應(yīng)第二階段解所需要的控制行動(dòng)顯著減少。圖7示出了第二階段解所需要的控制變量的變化。可以看出，僅僅在前7個(gè)時(shí)間段X1和X2有些變化，并且這些變化通常小于圖5所示的變化，在圖5中即使在14個(gè)時(shí)間段之后還持續(xù)為相對(duì)大的變化。
因?yàn)閷?duì)這一例子假定了完善的過(guò)程模型，不可能對(duì)采用第二階段解所產(chǎn)生的閉環(huán)穩(wěn)定性在采用第一階段解基礎(chǔ)上所得到的改進(jìn)得出量化結(jié)論。事實(shí)上，對(duì)采用復(fù)合動(dòng)態(tài)響應(yīng)的過(guò)程而言，通常很難量化其閉環(huán)穩(wěn)定性的改進(jìn)。然而，人們可以很容易看出，在這一例子中，當(dāng)采用第二階段解時(shí)控制變量變化的大小、頻率和持續(xù)時(shí)間都被減小了。
某些過(guò)程包括受控變量，它們對(duì)某些控制變量和干擾變量變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不是開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的。開(kāi)環(huán)穩(wěn)定表示響應(yīng)一個(gè)過(guò)程輸入變化的一個(gè)過(guò)程輸出不需任何控制行動(dòng)會(huì)最終達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)值。由一個(gè)分餾塔中所排出的塔頂氣流成份是一個(gè)典型的開(kāi)環(huán)穩(wěn)定變量。在分餾塔的重沸器中的液體水平則是一般不能開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的一個(gè)變量實(shí)例。與開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定變量相關(guān)的過(guò)程模型可能包括確定那個(gè)變量的變化率的響應(yīng)，而不是該變量的大小。如果在控制器公式中采用了這種模型的話(huà)，那么必須對(duì)變化率進(jìn)行時(shí)間積分，從而確定目標(biāo)并且對(duì)該變量確定界限。前面所討論的第一階段和第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型假定受控變量是開(kāi)環(huán)穩(wěn)定的。處理開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定的受控變量需要作如下擴(kuò)充。
熟悉多變量過(guò)程控制概念和操作的技術(shù)人員會(huì)看到，本發(fā)明如上所述將改進(jìn)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性。
可以產(chǎn)生附加的第二階段界限和約束的另外的形式，它能對(duì)如何犧牲控制器的性能(該性能用第一階段性能指標(biāo)來(lái)測(cè)定)以改進(jìn)受控過(guò)程的閉環(huán)穩(wěn)定性提供更明確的控制，圖8示出了在一個(gè)受控變量上執(zhí)行控制變量變化時(shí)序的結(jié)果，該時(shí)序是由第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所計(jì)算的。在某些時(shí)間間隔之后，受控變量達(dá)到其目標(biāo)值。
圖9示意性地示出了用方程117和118所定義的附加的第二階段約束對(duì)圖8所用的同一個(gè)受控變量執(zhí)行由第二階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所計(jì)算的控制變量變化時(shí)序的一個(gè)可能結(jié)果。
由于控制器所選擇的分布與目標(biāo)值增大的偏差的方式，與對(duì)第一階段解所預(yù)測(cè)的性能相比較，圖9中對(duì)基于第二階段解的受控變量的預(yù)測(cè)響應(yīng)所示的性能可以認(rèn)為是不需要的。這一分布可以通過(guò)對(duì)在第二階段解中每個(gè)時(shí)間間隔上的受控變量的預(yù)測(cè)值作用邊界條件來(lái)控制，所述第二階段解是從基于第一階段解的受控變量的預(yù)測(cè)值中所導(dǎo)出的。這一概念示于圖10。
這些邊界可以描述如下;
ypt+n，I-εpt+n≤ypt+n≤ypt+n，I+εpt+n
p，n(120)其中Ypt+n，I基于第一階段解，受控變量p在t+n時(shí)刻的值。
Ypt+n基于第二階段解，受控變量p在t+n時(shí)刻的值。
εpt+n對(duì)受控變量p在t+n時(shí)刻而言，第一階段解的偏差。
εpt+n通常取作用于受控變量p的上邊界減去下邊界的十分之幾。
εpt+n＝(Upt+n-Lpt+n)α0≤α≤1其中Upt+n作用于控制變量p的上邊界Lpt+n作用于控制變量p的下邊界作用于控制變量上的上邊界和下邊界、目標(biāo)值以及由(120)所定義的邊界的組合可以用來(lái)重新定義受控變量的復(fù)合上邊界和下邊界。
Uypt+n＝MIN[Upt+n，MAX(
pt+n，ypt+n，I+εpt+n)]Lypt+n＝MAX[Lpt+n，MIN(
pt+n，I，ypt+n-εpt+n)]
權(quán)利要求
1.控制具有一至多個(gè)控制變量以及一至多個(gè)受控變量的一個(gè)過(guò)程的方法，該受控變量具有與所述控制變量的調(diào)節(jié)值相關(guān)的目標(biāo)值，該過(guò)程采用一個(gè)過(guò)程控制器，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)的操縱下進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所述方法包括以下步驟建立一個(gè)第一性能指標(biāo)以計(jì)算過(guò)程中每一受控變量在一特定的時(shí)間范圍內(nèi)其目標(biāo)值的偏差的絕對(duì)值；產(chǎn)生一個(gè)第一線(xiàn)性規(guī)劃模型，該模型的解將使所述第一性能指標(biāo)為最??；求解所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型；建立一個(gè)第二性能指標(biāo)以計(jì)算每一控制變量的值在一特定時(shí)間間隔與其原有值的絕對(duì)變化；產(chǎn)生一個(gè)第二線(xiàn)性規(guī)劃模型，該模型的解將使所述第二性能指標(biāo)為最小；引入至少一個(gè)動(dòng)態(tài)約束到由所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型的解所計(jì)算的所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型中，該約束等于一個(gè)大于零且小于所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型的解加上一個(gè)預(yù)定量的值；求解帶有所述動(dòng)態(tài)約束的所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型；響應(yīng)所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型的解來(lái)調(diào)節(jié)控制變量，從而驅(qū)動(dòng)所述受控變量達(dá)到其目標(biāo)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括采用所述第二性能指標(biāo)為所述第一性能指標(biāo)定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)求
的最小值
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述預(yù)定值是第一階段線(xiàn)性規(guī)劃模型的解值的十分之幾。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述預(yù)定值如下計(jì)算△IAEP＝(N) △p(119)其中N 在控制器時(shí)間范圍中所考慮的時(shí)間間隔的數(shù)量△p 可供第二階段解所用的每一時(shí)間間隔內(nèi)受控變量p的目標(biāo)值的偏差對(duì)第一階段性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)的增量
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述特定時(shí)間范圍包含預(yù)定數(shù)量的時(shí)間間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括僅僅執(zhí)行相關(guān)于從所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型的解中所導(dǎo)出的控制變量變化時(shí)序中的第一元素的控制變量變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括對(duì)包括受控和控制變量的所有變量測(cè)量由最近值所限定的過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于在每一時(shí)間間隔內(nèi)外部未測(cè)試干擾會(huì)導(dǎo)致過(guò)程的狀態(tài)發(fā)生變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于求解所述第一線(xiàn)性規(guī)劃模型和所述第二線(xiàn)性規(guī)劃模型的步驟根據(jù)過(guò)程的更新?tīng)顟B(tài)在第一時(shí)間間隔重復(fù)執(zhí)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于受控過(guò)程是一個(gè)將空氣分離為高純度氣流的過(guò)程，其中一個(gè)受控變量為一種排放的氣流的純度，一個(gè)控制變量是空氣饋送流。
全文摘要
一種過(guò)程控制方法，采用線(xiàn)性規(guī)劃模型來(lái)執(zhí)行對(duì)一個(gè)或多個(gè)受控變量的控制，以便在一給定的時(shí)間范圍內(nèi)保持一個(gè)需要的目標(biāo)值。受控變量被一個(gè)過(guò)程控制器所控制，該控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制變量。該方法采用兩個(gè)線(xiàn)性規(guī)劃模型，第二模型是第一模型的解所計(jì)算的，其中計(jì)算了在一特定時(shí)間范圍內(nèi)每一受控變量與其目標(biāo)值的偏差的絕對(duì)值。這使得在調(diào)節(jié)受控變量時(shí)控制變量的變化在進(jìn)行控制的時(shí)間范圍內(nèi)保持為最小。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1080409SQ9310698
公開(kāi)日1994年1月5日 申請(qǐng)日期1993年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月16日
發(fā)明者D·P·邦納奎斯特, M·D·佐當(dāng), M·H·卡旺 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司