專利名稱：使用模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的集成優(yōu)化和控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用模型預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化和控制領(lǐng)域。進(jìn)一步地說，本發(fā)明涉及將模型預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行集成用于大的處理單元，它的子處理包含調(diào)整的控制器以得到魯棒的性能。
背景技術(shù)：
模型預(yù)測(cè)控制被廣泛的應(yīng)用于各種處理，從單個(gè)簡(jiǎn)單單元操作到包含多個(gè)單元操作的工廠單元操作。然而，模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的性能質(zhì)量如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的隨著應(yīng)用的范圍不同會(huì)有很大的改變；調(diào)試和設(shè)計(jì)會(huì)占用相當(dāng)多的工程量。
如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的，MPC的調(diào)試是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的努力，只在所定義的很窄的操作范圍內(nèi)工作良好，而且根據(jù)干擾的嚴(yán)重性和模型存在的不確定性，控制器的調(diào)試需要經(jīng)常性的更新。也就是說，MPC的性能對(duì)于處于變化條件下持續(xù)改善處理操作的收益率缺乏魯棒性。隨著MPC應(yīng)用范圍的增加，這一問題將更加嚴(yán)重。
MPC的調(diào)試主要是面向基于單個(gè)變量的調(diào)試，并將其他變量隔離。這種途徑不能使得其自身趨向一種在控制下的控制處理的穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單和統(tǒng)一的方法。這種分開的途徑對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)試會(huì)取決于干擾效果和模型不匹配效果的嚴(yán)重程度，使控制器容易受到大范圍的性能退化的影響。因此，在一組條件下發(fā)展的調(diào)試，在其他不同組的條件下常常是不合適的。從而，MPC的性能會(huì)很不穩(wěn)定而且在最壞情況下，需要不斷的調(diào)試改變。
在現(xiàn)有技術(shù)中，進(jìn)行了為一個(gè)大型的處理單元上連接多個(gè)MPC的嘗試，取得了有限的效果。實(shí)際應(yīng)用中一種這樣的方法通常稱為“合成LP”方法，在這種方法中，在個(gè)別MPC執(zhí)行它們各自的動(dòng)態(tài)移動(dòng)動(dòng)作的同時(shí)，大量的MPC通過一個(gè)總的LP進(jìn)行連接起來用于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化。這種方法需要大量的工程量來構(gòu)建和維護(hù)這樣的系統(tǒng)。另外一種實(shí)際中提到的方法涉及到美國專利#6,122,555。在這種方法中，嘗試著將大量用于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的MPC連接在一起，此外增加了尋求動(dòng)態(tài)移動(dòng)和穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的合并解。這兩種方法都試著在基本的MPC缺乏它自身的魯棒性上，通過增加優(yōu)化的精巧性來解決連接多個(gè)MPC的問題。
盡管上述兩種方法為建立和維護(hù)大規(guī)模的模型預(yù)測(cè)控制器的根本問題提供了解決方案，然而，他們沒有全面且令人滿意地解決這個(gè)問題。這兩種方法都試圖提供大規(guī)模集成的解決方案而對(duì)于模型預(yù)測(cè)控制器或其應(yīng)用的方法不做任何改變。這兩種方法都建立在具有自身缺點(diǎn)和弱點(diǎn)的模型預(yù)測(cè)控制器基本結(jié)構(gòu)上。
對(duì)于大部分情況，實(shí)際上大部分的工作量被用于通過提高在控制器中使用的模型的精度來試圖提高性能的魯棒性。實(shí)際上，并非所有的處理不穩(wěn)定可以單一地歸結(jié)為模型誤差，因?yàn)椴缓玫恼{(diào)試也會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。最近，在美國專利#6,381,505中，嘗試在穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算中明確引入模型誤差以提高控制器性能的魯棒性。這種方法解決了穩(wěn)態(tài)控制器中由于模型誤差引起的循環(huán)問題。然而，很明顯，在沒有模型誤差和循環(huán)問題時(shí)，該方法會(huì)由于不好的控制器調(diào)試而不起作用。
現(xiàn)有技術(shù)中所需要的是一種基于更魯棒的基準(zhǔn)的模型預(yù)測(cè)控制器，它可以在保持自身性能的同時(shí)，集成作為大規(guī)模的應(yīng)用的一部分。另外，現(xiàn)有技術(shù)中還需要一個(gè)簡(jiǎn)單的有力的方法來構(gòu)建和維護(hù)不論是大規(guī)模還是小規(guī)模的模型預(yù)測(cè)控制器，不論是對(duì)于小單元操作還是大的作為整體的集成處理操作，其都能夠始終獲得魯棒的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是針對(duì)以上提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足，對(duì)于不同規(guī)模和范圍的處理提供魯棒的控制和穩(wěn)定的優(yōu)化。
因此，本發(fā)明提供了一種直接和明確的方法來設(shè)置操作變量和控制變量的調(diào)試數(shù)值。統(tǒng)一的調(diào)試方法提供了在改變控制器條件時(shí)可以使用的一致的調(diào)試。因而，本發(fā)明的目的是為處理控制系統(tǒng)提供更加魯棒的控制器。
進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種方法將大量的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器集成在一起以應(yīng)用于一定范圍內(nèi)的處理，包括從一個(gè)操作變量和一個(gè)控制變量的處理到更多數(shù)量的操作變量和控制變量的處理。
從而，本發(fā)明提供了一種模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，在保持總體處理的穩(wěn)定性并持續(xù)的提高操作的收益率同時(shí)，隨著處理范圍的增加可以很容易的進(jìn)行集成。


當(dāng)與附圖以及其中包括的案例研究的結(jié)果同時(shí)閱讀時(shí)，通過參考以下方法的詳細(xì)描述，將會(huì)更好的理解主題發(fā)明的前述的以及其他的特點(diǎn)和方面。
在附圖中圖1是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的大規(guī)模模塊化MPC系統(tǒng)的構(gòu)造的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本領(lǐng)域中實(shí)行的MPC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的模塊化MPC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4描述了一個(gè)具有連續(xù)的物質(zhì)平衡和熱量平衡邊界條件的閃蒸塔作為本發(fā)明應(yīng)用的一個(gè)例子。
圖5列出了所有與圖4相關(guān)的處理變量。
圖6用于圖4中閃蒸塔的典型的處理響應(yīng)模型。
圖7案例研究1數(shù)據(jù)。
圖8案例研究1數(shù)據(jù)延續(xù)。
圖9案例研究1結(jié)果MX-MPC和MPC的性能比較。
圖10案例研究2數(shù)據(jù)。
圖11案例研究2數(shù)據(jù)延續(xù)。
圖12案例研究2結(jié)果MX-MPC和MPC的性能比較。
圖13案例研究3數(shù)據(jù)。
圖14案例研究3結(jié)果MX-MPC和MPC的性能比較。
圖15案例研究4數(shù)據(jù)。
圖16案例研究4數(shù)據(jù)延續(xù)。
圖17案例研究4結(jié)果MX-MPC和MPC的性能比較。
圖18案例研究5結(jié)果MX-MPC和MPC的性能比較。
圖19案例研究6數(shù)據(jù)。
圖20案例研究6數(shù)據(jù)延續(xù)圖21案例研究6結(jié)果MX-MPC和MPC的性能比較。
圖22案例研究7處理示意圖閃蒸塔的物質(zhì)平衡和熱量平衡。
圖23案例研究7集成模塊模型預(yù)測(cè)控制器-MX-MPC-A詳細(xì)說明。
圖24案例研究7集成模塊模型預(yù)測(cè)控制器-MX-MPC-B詳細(xì)說明。
圖25案例研究7集成模塊模型預(yù)測(cè)控制器-MX-MPC-A和MX-MPC-B的控制變量的性能詳細(xì)說明。
圖26案例研究8集成模塊模型預(yù)測(cè)控制器-MX-MPC-A和MX-MPC-B的操作變量和前饋?zhàn)兞康男阅茉敿?xì)說明。
圖27是具有3層次的集成控制系統(tǒng)的操作的框圖。
圖28案例研究8集成控制系統(tǒng)的結(jié)果。
附圖中的參考數(shù)字100集成優(yōu)化和控制200模塊化模型預(yù)測(cè)控制器300模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的下一層次400模塊化模型預(yù)測(cè)控制器411模塊化動(dòng)態(tài)控制器412模塊化穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器500模型預(yù)測(cè)控制器(現(xiàn)有技術(shù))具體實(shí)施方式
描述-圖1的較佳實(shí)施例圖1表示了這里介紹的本發(fā)明的較佳實(shí)施例。在圖1中，通過結(jié)構(gòu)圖的形式顯示了一組集成模塊化MPC(此后稱為MX-MPCs)。在圖2中顯示了本領(lǐng)域中實(shí)行的MPC(現(xiàn)有技術(shù))的結(jié)構(gòu)，與其相比，圖3中顯示了一個(gè)模塊化MPC(MX-MPC)。如圖3所示，MX-MPC將具有自己的動(dòng)態(tài)控制器，該動(dòng)態(tài)控制器與在其控制范圍內(nèi)的操作變量和控制變量相關(guān)。作為一個(gè)獨(dú)立單元，MX-MPC將具有MX穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412，其可以很容易地集成為集成的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器的一部分。如圖1所示，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器為圖1方框200中每一個(gè)MX-MPCs以及方框300中依次的每一個(gè)MX-MPCs，集成了圖2所示的MX穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412。
圖1中的線202表示了MX-MPCs的相互連接。實(shí)際上的MX-MPCs的相互連接圖依賴于下層處理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
參考圖2，以結(jié)構(gòu)圖的方式顯示了本領(lǐng)域中實(shí)行的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)MPC的執(zhí)行。后面將用MPC表示本領(lǐng)域中實(shí)行的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)。圖2很清楚地顯示了，MPC模塊513被分為穩(wěn)態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)計(jì)算。同時(shí)，由方塊501表示“工廠”。術(shù)語“工廠”想要表示提到的任何的不同系統(tǒng)，比如化學(xué)處理設(shè)備、煉油設(shè)備。
為了清楚的說明，在本說明書中不會(huì)描述MPC控制器實(shí)際執(zhí)行中的所有特征。這里引用的參考文獻(xiàn)1-5中提供了本領(lǐng)域中實(shí)行的模型預(yù)測(cè)控制的規(guī)格和操作的基本的詳細(xì)說明。
動(dòng)態(tài)MPC計(jì)算被大量的研究(如，S.J.Qin and T.A.Badgwell，“AnOverview of Industrial Model Predictive Control Technology”.in FifthInternational Conference on Chemeical Process Control，J.C.Kantor，C.E.Garcia，and B.Carahan，Eds.，No.93in AIChE Symposium Series 316，1997，pp.232-256)。由于進(jìn)入系統(tǒng)的干擾或由操作者輸入的新信息可能會(huì)改變最優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)的位置，穩(wěn)態(tài)MPC計(jì)算的目的是在每次MPC控制器513執(zhí)行時(shí)，重新計(jì)算動(dòng)態(tài)控制器511的目標(biāo)值。這種將MPC算法分成穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算的分法在例如C.Cutler，A.Morshedi，and J.Haydel，“An Industrial Perspective onAdvanced Control”，AICheE National Meeting Washington，D.C.，1983”中被間接提到，并且現(xiàn)在在工業(yè)MPC技術(shù)中很普遍。
簡(jiǎn)單地說，圖2中描繪的整個(gè)系統(tǒng)，包含本領(lǐng)域中實(shí)行的MPC 513和工廠501，操作如下MPC 513執(zhí)行動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)計(jì)算來產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)將最佳“輸入”u*反映到工廠501。通過連線502輸入u*到工廠501。這樣，圖2中的連線502代表了在MPC技術(shù)的“真實(shí)世界”應(yīng)用中，加在受控元件(比如說閥門)上的多個(gè)電控制信號(hào)控制在工廠中的多個(gè)控制變量y(比如壓力，流速，溫度)。
另一方面，通過表示在圖2中作為在連線503運(yùn)載的多個(gè)“輸出”y，將工廠501的操作在圖2中符號(hào)化地表示出來，這樣，連線503表示了反映工廠501操作狀態(tài)的多個(gè)電信號(hào)。
如圖2所示，輸出y被反饋回來以作為穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算模塊512的輸入。穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算模塊512操作來產(chǎn)生所謂的“目標(biāo)”輸入和輸出u、y，分別作為工廠輸出y的函數(shù)和作為在如圖2中符號(hào)化表示的在連線514上運(yùn)載的“目標(biāo)”函數(shù)。目標(biāo)輸入u和輸出y在如圖2中表示為運(yùn)載在連線504上。目標(biāo)輸入u是到工廠502的那些輸入，它們是通過計(jì)算模塊513的計(jì)算得到的，并期望能夠基于工廠501的MPC建模使工廠501的操作而產(chǎn)生目標(biāo)y。
典型地，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器使用用于動(dòng)態(tài)控制器移動(dòng)計(jì)算的動(dòng)態(tài)處理模型的穩(wěn)態(tài)版本。然后，重新計(jì)算的最佳穩(wěn)態(tài)被傳送到動(dòng)態(tài)控制器。由圖2中模塊512表示的線性MPC的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算采用線性程序(LP)的形式。
描述-圖3其他的實(shí)施例轉(zhuǎn)到圖3，其顯示了與圖2中MPC不同的MPC。圖3中的MPC被稱為模塊化MPC，具體原因?qū)钠湓敿?xì)描述中變得清楚。除了在方框412，411，401中的內(nèi)容和細(xì)節(jié)與圖2中相對(duì)應(yīng)的方框512，511，501不同之外，圖3中MX-MPC的操作與圖2中MPC的操作是相同的。通過將圖2中的附圖標(biāo)記的第一個(gè)數(shù)字替換成4，上述MPC操作的描述可以逐字地對(duì)應(yīng)到MX-MPC的操作。不過，MPC和MX-MPC的差別產(chǎn)生自方框的內(nèi)容。
首先，在方框401中的控制處理的范圍是基于稍后描述的作為物質(zhì)/能量平衡的連續(xù)邊界，因而在這里被稱為模塊化處理/子處理。然后，圖3中的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412，通過與圖2中的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器512不同的方法被推導(dǎo)出來，因而在這里被稱為MX-穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器。如圖3所示，除了圖2中作為穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器512的一部分所通常包含的所有約束以外，它清楚的并入了稍后將會(huì)描述的與方框401中的處理/子處理的范圍有關(guān)的“穩(wěn)態(tài)物質(zhì)/能量平衡的受控的非平衡”的不等式約束。進(jìn)一步的，對(duì)于獨(dú)立的MX-MPC，MX穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412將會(huì)包含在MX-MPC的操作中。反之，對(duì)于集成的MX-MPC，MX穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412將會(huì)包含在組合了多個(gè)如圖1所示的MX-MPC的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化操作的集成的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器中。
圖3中的處理401的關(guān)鍵特征是，MX-MPC的范圍會(huì)包括內(nèi)部所有有關(guān)的連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界。在某些情況下，這可能和包括在蓄電池周圍的流入流量和流出流量的一個(gè)物質(zhì)平衡邊界一樣簡(jiǎn)單，或者在另一個(gè)情況下，其將為在爐子周圍的熱流入和熱流出的熱平衡。如后面的詳細(xì)描述中將會(huì)更明顯，物質(zhì)平衡或者能量平衡(在此，為了簡(jiǎn)化，能量平衡和熱平衡的互換看作相同)嚴(yán)格的講不需要完成，只要達(dá)到這樣的程度即與兩個(gè)平衡中任何一個(gè)平衡相關(guān)的變量必須一起監(jiān)測(cè)到。在本發(fā)明的框架中缺少處理測(cè)量的局部平衡仍然可以使用，雖然有性能的損失。
在如圖3中以后將會(huì)詳細(xì)描述的處理401的被控制的處理范圍中，所包含的物質(zhì)/能量平衡將表示為在圖3的MX-穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412中的“受控的非平衡”約束。
根據(jù)本發(fā)明，圖3中的MX-穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412可以是圖3中處理401的分離的獨(dú)立的MX-MPC的一部分，或者其可以是用于圖3中所有類型的集成MX-MPC的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器的一部分，該集成MX-MPC用于各種處理和子處理等。
那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)期望實(shí)際的處理通過物質(zhì)流和能量流連接在一起；進(jìn)料被轉(zhuǎn)換成中間產(chǎn)品，然后以中間產(chǎn)品的形式饋送到中間處理，最終導(dǎo)出最后的產(chǎn)品。進(jìn)料到中間產(chǎn)品到最后的產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換需要能量的應(yīng)用和移除。因而，物質(zhì)流和能量流的網(wǎng)絡(luò)跨越了整個(gè)處理操作。這里提出的本發(fā)明的方法跟隨物質(zhì)流和能量流來察看模塊化模型預(yù)測(cè)控制器(MX-MPC)。必然的，MX-MPC通過物質(zhì)流和能量流的網(wǎng)絡(luò)連接在一起。這樣，MX-MPC的集成本身就由監(jiān)測(cè)它們的方法來確立。盡管MX-MPC的監(jiān)測(cè)會(huì)與處理有關(guān)，但是對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法是與處理無關(guān)的。因此，本發(fā)明提出了一種監(jiān)測(cè)MX-MPC的方法，對(duì)于很多處理都可以一致適用，從而可以在整個(gè)產(chǎn)品鏈/網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)允許控制和優(yōu)化的大規(guī)模的集成，從進(jìn)料到中間產(chǎn)品到最后的產(chǎn)品都能保持一致。后面將會(huì)更明顯，這樣的方法為整個(gè)處理以及為子處理產(chǎn)生了魯棒的處理控制系統(tǒng)。
那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)察覺到在處理及其子處理中，哪里可以確定這樣的物質(zhì)/能量平衡邊界。例如，在微觀的層次上，可以繪出與進(jìn)料預(yù)熱溫度控制器的熱量平衡邊界，該進(jìn)料預(yù)熱溫度控制器包括作為熱源的可燃?xì)怏w以及作為吸熱器的進(jìn)料。
為了清楚起見，本說明書中沒有描述MX-MPC控制器實(shí)際執(zhí)行中的所有特征。而是描述了本發(fā)明不同于本領(lǐng)域?qū)嵭械腗PC的關(guān)鍵特征。當(dāng)然，必須意識(shí)到在任何這樣的實(shí)際執(zhí)行的開發(fā)中，如任何這樣的項(xiàng)目，必須做出大量的工程和規(guī)劃決定來獲得開發(fā)者特定目標(biāo)和子目標(biāo)(例如，符合系統(tǒng)和商業(yè)相關(guān)的約束)，這些目標(biāo)隨不同應(yīng)用而改變。也將意識(shí)到這樣的開發(fā)努力也許會(huì)是很復(fù)雜和花時(shí)間的，然而對(duì)于那些受益于本揭示的控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，將會(huì)是一項(xiàng)常規(guī)的日常工作。
如在工業(yè)中(化學(xué)工程)的使用，術(shù)語“物質(zhì)平衡”描述了對(duì)進(jìn)入和離開一處理的所有流量的進(jìn)行識(shí)別的處理，該流量直接包括在某些物理分割或化學(xué)反應(yīng)中。進(jìn)一步的，這關(guān)系到在一個(gè)時(shí)間段上量化和測(cè)量這些流量來平衡某種特定物質(zhì)或它的某種成分的總的流入流量使之等于流出流量。通常的理解是，在單元操作的穩(wěn)態(tài)條件下，總的流入流量將等于總的流出流量。相反的，在非穩(wěn)態(tài)條件下，總的流入流量和總的流出流量之差在這里用術(shù)語“物質(zhì)非平衡”來表示。
如在工業(yè)(化學(xué)工程)中的使用，術(shù)語“能量平衡”描述了對(duì)進(jìn)入和離開一處理的所有流量的進(jìn)行識(shí)別的處理，該流量直接包括在某些物理分割或化學(xué)反應(yīng)中。進(jìn)一步的，這關(guān)系到在一個(gè)時(shí)間段上量化和測(cè)量這些能量流量來平衡總的輸入能量使之等于輸出能量。通常的理解是，在單元操作的穩(wěn)態(tài)條件下，總的輸入能量將會(huì)等于總的輸出能量。相反的，在非穩(wěn)態(tài)條件下，總的輸入能量和總的輸出流量之差通常以單元能量的增益/損耗為大家所知，在這里用術(shù)語“能量非平衡”來表示。在處理工業(yè)中，主要的能源是熱能，因此為了達(dá)到描述本發(fā)明的目的，將使用熱平衡。
為了方便說明，我們首先集中在物質(zhì)平衡上。然而，相同的概念可以等同的應(yīng)用到能量平衡上。例如，對(duì)于物質(zhì)平衡我們提到“流入流量”和“流出流量”的地方，可以換成能量“流入流量”和能量“流出流量”來應(yīng)用到能量平衡上。這樣，我們將主要集中說明物質(zhì)平衡，雖然本發(fā)明不僅限于物質(zhì)平衡。
作為進(jìn)一步的背景，除了流入流量變量和輸出流量變量之外，模型預(yù)測(cè)控制器使用技術(shù)中通常稱為“流量控制閥輸出”或“電平控制閥輸出”來控制和優(yōu)化處理單元的性能。然而，模型預(yù)測(cè)控制器中使用的流入流量和輸出流量主要是通過操控一個(gè)或多個(gè)流入流量而選擇，從而控制一個(gè)或多個(gè)輸出流量。與流入流量和輸出流量有關(guān)的流量控制閥輸出和/或電平控制閥輸出包括在用于“處理約束”的控制器中。依據(jù)本發(fā)明中提到的在處理單元周圍的總的物質(zhì)平衡，這些輸出流量被單獨(dú)而不是共同的加以控制和約束。因而，如現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)行，MPC很少包含所有的流入流量和輸出流量處理來明確物質(zhì)平衡，即便如此，依據(jù)該單元周圍的總的物質(zhì)平衡，它們也不是一起進(jìn)行控制的。
如現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)行，MPC通常包括一組被稱為“處理響應(yīng)模型”，其表示了在處理處于穩(wěn)態(tài)的情況下，過程輸出變量及時(shí)響應(yīng)處理輸入變量的階躍變化而改變的時(shí)間變化值。
本發(fā)明可以應(yīng)用于圖2中的控制器的執(zhí)行中使用的模型的任何形式，不管是線性還是非線性。為了在這里更好的說明，將會(huì)使用動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。
處理約束決定了一個(gè)處理單元的操作范圍的界限。輸出變量關(guān)系到產(chǎn)品流和它們的性質(zhì)，比如密度，沸點(diǎn)，純度等。它們也可能包括處理設(shè)備容量的狀態(tài)，比如控制閥輸出、蓄電池中電平、或者壓力。這些變量表征了處理狀態(tài)并被用來設(shè)置設(shè)備和/或處理允許操作的物理界限。因而，對(duì)于處理輸入變量和輸出變量中的每一個(gè)，低和高的界限設(shè)置在控制器要求操作單元的范圍內(nèi)，或者使得超出界限的情況最小化。
控制器因此包括了一組相互關(guān)聯(lián)的處理模型和約束集。通過操控合適的變量，控制器使得處理從當(dāng)前狀態(tài)推導(dǎo)到所需要的/最優(yōu)的狀態(tài)。
根據(jù)控制器的調(diào)試和測(cè)量或未測(cè)量的前饋?zhàn)兞恐凶兓姆绞胶头?，以及處理本身的?dòng)態(tài)，實(shí)際獲得的處理狀態(tài)會(huì)偏離所需的或者最優(yōu)的狀態(tài)。
下面給出了所提出的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的詳細(xì)的相關(guān)公式。首先，該公式是依據(jù)變量特性而給出的。其次，優(yōu)化的基礎(chǔ)最重要的包括如何表示經(jīng)濟(jì)價(jià)格，包括被用來進(jìn)行尋找物質(zhì)平衡和能量平衡的最優(yōu)解的整體優(yōu)化戰(zhàn)略。最后，給出動(dòng)態(tài)控制器如何控制移動(dòng)計(jì)算的細(xì)節(jié)，以保證從優(yōu)化層次到移動(dòng)計(jì)算層次可以使用統(tǒng)一的調(diào)試方法。
依據(jù)本發(fā)明，對(duì)MX-MPC的監(jiān)測(cè)是至關(guān)緊要的。MX-MPC的監(jiān)測(cè)基于連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界。連續(xù)的物質(zhì)邊界被定義成這樣一個(gè)邊界其中，變量的測(cè)量足夠充分來達(dá)到物質(zhì)平衡。根據(jù)涉及到的處理變量，物質(zhì)平衡可以敘述為整體平衡或部分層次的平衡。
相似的，連續(xù)的能量平衡被定義成這樣一個(gè)邊界其中，變量的測(cè)量足夠充分來達(dá)到能量平衡。在實(shí)際中，在處理工業(yè)的應(yīng)用中，能量平衡更通常涉及到熱量平衡。
在上面提到的MX-MPC的范圍內(nèi)，可以有超過一個(gè)物質(zhì)/能量平衡邊界。因而，MX-MPC的范圍按照需求變大或者變窄，但是必須總是構(gòu)成連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界。
除了連續(xù)的物質(zhì)和/或能量平衡變量，MX-MPC還可能包括用來表征運(yùn)作范圍界限變量比如控制閥輸出，或者設(shè)備安全性比如皮膚溫度界限等。
為了模塊化公式表達(dá)方式在以后實(shí)現(xiàn)無縫集成，將MX-MPC范圍內(nèi)的變量如下表征。變量的表征基于變量是否清楚并直接地涉及到產(chǎn)品的生產(chǎn)和處理操作的有利性。
MX-MPC的操作變量，控制變量，前饋?zhàn)兞勘碚魅缦隆づc產(chǎn)品相關(guān)的變量，如進(jìn)料，產(chǎn)品取出，進(jìn)料質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量等。
所有明確且直接與產(chǎn)品相關(guān)的變量被稱為vp。
·與產(chǎn)品無關(guān)的變量，比如淬火用水，加熱器旁路流量，床體溫度，塔差壓等。所有不明確且不直接與產(chǎn)品相關(guān)的變量被稱為vn。
根據(jù)以上的特征，模塊化公式化的MX-MPC將具有以下的一組變量·mvp，cvp和fvp分別對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品相關(guān)的操控變量，控制變量，前饋?zhàn)兞?；·mvn，cvn和fvn分別對(duì)應(yīng)于非產(chǎn)品相關(guān)的操控變量，控制變量，前饋?zhàn)兞俊?br> 在圖3中，以上特征化的變量顯示在它們各自的連線上。進(jìn)一步的，對(duì)于受約束的優(yōu)化，控制器范圍內(nèi)的每一個(gè)變量將會(huì)具有如下定義的范圍·常規(guī)范圍在這個(gè)范圍內(nèi)要求變量由控制器的操作者保持。
·上懲罰范圍超出常規(guī)上限的擴(kuò)展范圍，其中，如果變量超過了該上限就會(huì)施加一個(gè)懲罰。
·下懲罰范圍超出常規(guī)下限的擴(kuò)展范圍，其中，如果變量超過了該下限就會(huì)施加一個(gè)懲罰。
對(duì)于和產(chǎn)品相關(guān)的變量，這里將對(duì)以上提到的三種范圍給出經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如此后所述的，對(duì)于非產(chǎn)品相關(guān)變量，三種范圍的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將會(huì)從相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品相關(guān)變量中導(dǎo)出。
通常，對(duì)于產(chǎn)品相關(guān)變量，常規(guī)范圍的經(jīng)濟(jì)是已知或給出的。對(duì)于大部分情況，上懲罰范圍的經(jīng)濟(jì)懲罰也是已知或給出的，盡管通常不容易利用。例如，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量變量，比如精煉處理中的蒸餾物的RVP，其常規(guī)范圍的經(jīng)濟(jì)數(shù)值可能設(shè)置為$2.0每桶蒸餾物。然而，如果實(shí)際的蒸餾物的RVP高過了常規(guī)范圍的上限值，這樣它的經(jīng)濟(jì)懲罰可以設(shè)置為$0.20每桶蒸餾物。在這種情況下，當(dāng)蒸餾物的RVP高過了常規(guī)范圍的上限值，優(yōu)化器將使用$1.8每桶作為蒸餾物在上懲罰范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這將從隨后的細(xì)節(jié)中將會(huì)變得很明顯。
上懲罰范圍和下懲罰范圍都可以被考慮成具有變化的尺度和懲罰，從而適應(yīng)非線性關(guān)系。
對(duì)于受約束的優(yōu)化，優(yōu)化問題可以如下表述，J(v，p)Max J 1.1在具有線性模型的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中，目標(biāo)函數(shù)J具有以下的形式，J＝pivi1.1.1其中，v是控制器范圍內(nèi)的一組變量，p是與v相關(guān)的經(jīng)濟(jì)價(jià)格。
滿足v＞＝0 1.2vmin＜＝v＜＝vmax1.3其中，vmin是處理變量v的下限，vmax是處理變量v的上限。
除了約束1.2和1.3，依據(jù)本發(fā)明，對(duì)于MX-MPC，該約束組將包含以下的物質(zhì)平衡約束。
-hj＜＝MBj(vmj)＜＝hj1.4其中，j＞＝1，取決于MX-MPC的范圍內(nèi)連續(xù)的物質(zhì)平衡邊界的數(shù)量，hj是在MBj中允許的“受控的非平衡”的量，vmj是和MBj相關(guān)的v的子集。
相似的，依據(jù)本發(fā)明，對(duì)于MX-MPC，該約束組將包含下列能量平衡約束。
-hk＜＝HBk(vhk)＜＝hk1.5其中，k＞＝1，取決于MX-MPC的范圍內(nèi)連續(xù)的熱量平衡邊界的數(shù)量，hk是在HBk中允許的“受控的非平衡”的量，vhk是與HBk相關(guān)的v的子集。
在方程1.1.1中的目標(biāo)函數(shù)J的形式是表示具有說明性，而且約束集1.2和1.3作為標(biāo)準(zhǔn)公式的說明性。本發(fā)明主要關(guān)于將類型1.4和1.5的受控非平衡的不等式約束并入優(yōu)化公式中。同樣，在描述本發(fā)明中提到熱能量在通常的意義上可以和能量互換。
通過MX-MPC的設(shè)計(jì)，這里至少具有和控制器的范圍相關(guān)的一個(gè)MB和/或一個(gè)HB邊界。
在方程1.5中，H通常指能量或者特指熱能。為了清楚地說明，從這里開始H將可交換的用作表示熱能量。
變量v被進(jìn)一步的分類為獨(dú)立的和非獨(dú)立的變量。獨(dú)立的變量是考慮過的到該處理的輸入，非獨(dú)立變量是處理的輸出。這樣，[v]＝[u，y]1.5.1y＝g(u)1.5.2其中g(shù)()是基于處理的關(guān)系，用來定義對(duì)于u中的變化的y中的穩(wěn)態(tài)變化。通常使用的g()的一個(gè)特別的形式是線性形式，也就是y＝Gu 1.5.3矩陣G常被稱為處理增益矩陣。方程1.5.3是u和y的線性表征。在非線性應(yīng)用中，上述的g()將會(huì)是包含關(guān)注的變量的更加復(fù)雜的函數(shù)。
在知道處理的情況下，u變量的經(jīng)濟(jì)定價(jià)被認(rèn)為是可利用的。然而，y變量中的一些與產(chǎn)品是相關(guān)的，因而它們的經(jīng)濟(jì)定價(jià)在知道處理的情況下應(yīng)該是可利用的。這使得y中剩下與產(chǎn)品無直接關(guān)系的變量比如控制閥輸出，塔差等。因而，為了經(jīng)濟(jì)定價(jià)的目的，進(jìn)一步將y分類。
＝[yp，yn] 1.5.4相似的，[u]＝[up，un] 1.5.4通常，當(dāng)yn保持在其下/上限之內(nèi)，它沒有直接的經(jīng)濟(jì)后果。只有當(dāng)它超出它的上下限的時(shí)候它才會(huì)具有經(jīng)濟(jì)后果，例如，如果與安全性相關(guān)的yn比如最大皮膚溫度超過了范圍，其將會(huì)具有很大的經(jīng)濟(jì)后果，因而，當(dāng)它超過了上限的時(shí)候，會(huì)具有很大的經(jīng)濟(jì)懲罰數(shù)值。又，在知道該處理的情況下，其可以被確定。這樣，對(duì)于大部分情況，在操作的常規(guī)范圍內(nèi)，yn的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為零，從而，pi(vin)＝0，當(dāng)沒有超過上/下限時(shí)；pi(vin)＝-ph，當(dāng)超過上限時(shí)；pi(vin)＝-p1，當(dāng)超過下限時(shí)。
1.6本發(fā)明包括在圖3中的MX穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412中存在的一個(gè)整體的優(yōu)化策略，說明如下·步驟1優(yōu)化按照滿足具有常規(guī)上下限的約束1.2-1.5進(jìn)行。這會(huì)產(chǎn)生MB和HB穩(wěn)定的最優(yōu)解。在相對(duì)穩(wěn)定的操作下，約束1.4和1.5和代表穩(wěn)定而是最優(yōu)化條件的約束1.2和1.3同時(shí)被滿足。然而，如果任何一個(gè)這些限制沒有被滿足，那么進(jìn)行到步驟2，除非離開；·步驟2如果步驟1中失敗，備用的解決方案將是尋求MB和HB的最優(yōu)解，但是對(duì)于超出上下限的控制變量引入約束懲罰。基本的，這表示對(duì)于某些控制變量按照需要放寬約束范圍，或者是與產(chǎn)品制造相關(guān)，和/或是與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)，和/或任何控制閥輸出，和/或設(shè)備安全性變量。這會(huì)包括以下的步驟 以變量y的所有約束界限大大放寬(例如，常規(guī)范圍設(shè)置為0-999999)重新求解優(yōu)化問題。這樣會(huì)得到可行的最優(yōu)解。最優(yōu)解被記錄并用來確定為每一個(gè)變量y，關(guān)于獲得的最優(yōu)解最近的限制，設(shè)置它們的約束懲罰范圍。
利用上面設(shè)置的約束懲罰范圍，重新求解優(yōu)化問題。然而，這次將會(huì)得到根據(jù)約束懲罰價(jià)格得到的折衷解。也就是說，例如，這會(huì)得到一個(gè)或者多個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的變量yp的折衷解，可是滿足MB和HB穩(wěn)定性的約束。如果這個(gè)解是可行的，將不再尋求進(jìn)一步的解。
如果以上的求解失敗了，在放寬的MB和HB下按以上步驟重新求解優(yōu)化問題。記錄得到的解?；谇蠼獾慕Y(jié)果，根據(jù)MB和HB各自約束界限確定優(yōu)化的速度。(見方程1.4和1.5)如上所述，上述設(shè)置經(jīng)濟(jì)定價(jià)和整體優(yōu)化求解策略的方法可以為線性工廠系統(tǒng)或非線性工廠系統(tǒng)工作。
按照本發(fā)明給出的上述公式與本領(lǐng)域中實(shí)行的技術(shù)主要差別如下·模塊化MPC對(duì)于所有的變量引入經(jīng)濟(jì)價(jià)格/成本，包括違反約束的懲罰定價(jià)。
相反的，本領(lǐng)域中實(shí)行的技術(shù)對(duì)于一部分變量引入使用經(jīng)濟(jì)價(jià)格的非結(jié)構(gòu)化方法，而對(duì)其他的變量引入基于工程師或操作者主觀估計(jì)和不明確而定義的、通常稱為“控制變量權(quán)重”或“控制變量等式相關(guān)權(quán)重”。不存在使用權(quán)重來調(diào)和經(jīng)濟(jì)價(jià)格的方法。
·模塊化MPC的優(yōu)化解是物質(zhì)平衡和能量平衡的穩(wěn)定解，即使這意味著引入一個(gè)經(jīng)濟(jì)懲罰來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)濟(jì)懲罰與其它經(jīng)濟(jì)價(jià)格被一致地定義。這樣，在超過約束而到達(dá)可行的解時(shí)，這個(gè)求解在經(jīng)濟(jì)上仍然保持最優(yōu)化，盡管為次最優(yōu)化的數(shù)值。相反的，本領(lǐng)域中實(shí)行的優(yōu)化既不是物質(zhì)平衡穩(wěn)定，也不是能量平衡穩(wěn)定。而是主要在沒有考慮任何保持處理穩(wěn)定性的情況下力爭(zhēng)尋求經(jīng)濟(jì)最優(yōu)解。進(jìn)一步，當(dāng)它不能得到可行的最優(yōu)解的時(shí)候，它使用不明確的并沒有直接的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的所謂的權(quán)重而不是經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)化的解，來達(dá)到可行的。
MPC的動(dòng)態(tài)控制器511(見圖2)根據(jù)由穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器512決定的控制變量的起始點(diǎn)，計(jì)算將被應(yīng)用的操控變量的控制移動(dòng)動(dòng)作。典型情況下，動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算基于沒有嚴(yán)格捆綁約束的最小方差誤差最小化方法來進(jìn)行。操控變量和控制變量同時(shí)使用相關(guān)的權(quán)重來影響在所需方向的控制移動(dòng)計(jì)算。
如現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)行，用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算的調(diào)試權(quán)重或者與優(yōu)化中使用的相同或者具有接近的數(shù)值。沒有一種結(jié)構(gòu)化的方法來確定這些權(quán)重。代替的是，它們?cè)O(shè)置在ad-hoc基礎(chǔ)上，并根據(jù)實(shí)際的性能反饋進(jìn)行再調(diào)試。本質(zhì)上，它是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的途徑。
以下給出了一種對(duì)控制器移動(dòng)計(jì)算411設(shè)置調(diào)制的統(tǒng)一方法，其以穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器410所使用的調(diào)試工作。典型情況下，在MPC中，控制器移動(dòng)計(jì)算是基于一個(gè)最小方差最小化的解并加上移動(dòng)之和等于最優(yōu)化設(shè)置目標(biāo)的約束。參考文獻(xiàn)1-5中詳細(xì)描述了其通解。為了詳細(xì)的說明本發(fā)明，需要把動(dòng)態(tài)移動(dòng)的計(jì)算的解U總結(jié)如下u＝f(e，，u*，b，c) 2.0其中，u為操控變量向量，u*為由優(yōu)化確定的操控變量目標(biāo)，e為控制變量誤差向量，pv-sp*，pv為控制變量的預(yù)測(cè)的將來值，sp*為由優(yōu)化確定的控制變量目標(biāo)值，為控制變量對(duì)于操控變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，由動(dòng)態(tài)模型b所組成的響應(yīng)矩陣，b為操控變量權(quán)重向量，c為控制變量權(quán)重向量，u為操控變量將來的改變，第一個(gè)移動(dòng)就是當(dāng)前的移動(dòng)，f()是基于一個(gè)最小方差最小化方程f()一個(gè)具體形式是f()＝(ATCA+B)-1e2.01其中，
A通常被稱為控制器矩陣，由動(dòng)態(tài)模型系數(shù)和等于操控變量的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)之和的增大產(chǎn)生。
AT是A的轉(zhuǎn)置矩陣，C是從c中推導(dǎo)出來的，通常被稱為控制變量權(quán)重矩陣，B是從b中推導(dǎo)出來的，通常被稱為操控變量權(quán)重矩陣，e為誤差向量，也就是sp-pv，其中，sp為控制變量的設(shè)定點(diǎn)向量(Set PiontVector)，pv是預(yù)測(cè)的控制變量的處理值，由操控變量目標(biāo)-操控變量當(dāng)前數(shù)值的向量增大產(chǎn)生。
如現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)行，權(quán)重向量B和C由從業(yè)者根據(jù)處理的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)來確定。這些權(quán)重最多基于對(duì)處理的了解，然而，缺乏結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)。典型情況下，通過少量的模擬研究來確定在不同的超過約束和沖突的情況下行動(dòng)的期望產(chǎn)量，從而對(duì)它們進(jìn)行初始設(shè)定。然而，它們通常不容易得更新。因此，對(duì)于大部分的情況，這些調(diào)試數(shù)值保持不變，除非出現(xiàn)一種嚴(yán)重的情況，就是控制器的動(dòng)作與特定的處理?xiàng)l件不一致。在這種情況下，這些權(quán)重只有在事實(shí)發(fā)生以后才進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)其他的東西出問題時(shí)，它們就會(huì)被再次改變。進(jìn)一步的，如現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)行，對(duì)于大部分的情況，權(quán)重向量B和C與在優(yōu)化中使用的經(jīng)濟(jì)定價(jià)或者使用的控制器模型沒有直接聯(lián)系。
對(duì)于提出的模塊化模型預(yù)測(cè)控制(依據(jù)圖3)，在方程2中的權(quán)重向量c可以直接和如下所示的優(yōu)化求解中的經(jīng)濟(jì)定價(jià)相關(guān)這樣，對(duì)于一個(gè)控制變量i，ci＝cfi*pi2.1其中，pi是由穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412返回的數(shù)值。
cfi是用戶定義的數(shù)值，典型值為1.0，但是可以由用戶根據(jù)需要的效果進(jìn)行調(diào)整。
這樣，方程2.1將圖3的MX-穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412中控制變量所使用的經(jīng)濟(jì)價(jià)格與它們?cè)贛X動(dòng)態(tài)控制器411中所用的調(diào)試權(quán)重聯(lián)系起來。
對(duì)于一個(gè)操控變量ui，它的調(diào)試權(quán)重b定義如下bi＝bfi*bni2.2
其中，bni按照如下計(jì)算，是名義上的權(quán)重，bfi是用戶設(shè)置的調(diào)試調(diào)節(jié)器，其在對(duì)于大部分的情況為1.0，但是在所用的模型增益(如下所示)不確定的情況下可以進(jìn)行調(diào)整。
bni，名義上的操控權(quán)重，一般基于模型增益進(jìn)行計(jì)算，如果可行的話，基于操控變量的物質(zhì)平衡增益和能量平衡增益進(jìn)行計(jì)算。
bni＝Max(Abs(gji)，Abs(mki/hk)，Abs(eli/Hl) 2.3其中，gji是關(guān)于操控變量i的控制器模型的增益，(j＝1，控制變量的數(shù))，mkj是操控變量i的物質(zhì)平衡增益，(k＝1，物質(zhì)平衡的數(shù))，hk是物質(zhì)平衡允許的非平衡，eli是操控變量i的能量平衡增益，(l＝1，能量平衡的數(shù))hk是能量平衡允許的非平衡。
對(duì)于非物質(zhì)平衡操控變量，在方程2.3中，物質(zhì)平衡增益很明顯為0。相似的，對(duì)于一個(gè)非能量平衡操控變量，在方程2.3中，能量平衡增益同樣為0。
控制器模型增益，gji按照當(dāng)時(shí)控制器中使用的模型。這樣，方程2.2和2.3定義了圖3中的MX動(dòng)態(tài)控制器411的操控變量權(quán)重。
根據(jù)上面提出的公式，控制變量和操控變量的調(diào)試權(quán)重都是可以從優(yōu)化中使用的經(jīng)濟(jì)定價(jià)，物質(zhì)平衡“受控制非平衡”控制，能量平衡“受控制非平衡”控制以及控制器使用的動(dòng)態(tài)模型中清楚直接的推導(dǎo)出來。這導(dǎo)致了所有這些變量的調(diào)試權(quán)重在它們當(dāng)中是一致的，從而保證了由MX動(dòng)態(tài)控制器411采取的行動(dòng)與由穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412所確定的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的方向在很大程度上一致。
與調(diào)試權(quán)重相關(guān)的調(diào)試因子可以簡(jiǎn)單的進(jìn)行“微調(diào)”。實(shí)際上，任何與值1.0的偏差將表明在調(diào)試權(quán)重計(jì)算中使用的一個(gè)或者多個(gè)數(shù)值中的潛在的誤差。因此，其可以用于解決糾紛錯(cuò)誤增益。例如，控制模型的使用所引入的模型不匹配誤差，將會(huì)要求調(diào)試因子從希望的數(shù)值1.0偏離。
根據(jù)本發(fā)明，圖3中MX-MPC的范圍選擇包括連續(xù)的物質(zhì)平衡和/或能量平衡邊界。連續(xù)的物質(zhì)平衡和能量平衡邊界定義如下，在其中，所有的處理變量的測(cè)量都可以利用，其全面和完整的允許穿過邊界進(jìn)行物質(zhì)平衡和/或能量平衡。這樣，圖3中的處理401選擇對(duì)應(yīng)于連續(xù)的物質(zhì)和能量平衡。
在一個(gè)工業(yè)處理單元中，可以繪制大量的物質(zhì)平衡和能量平衡邊界。這些邊界可能涉及可以應(yīng)用于整個(gè)的物質(zhì)平衡層次或者物質(zhì)成分層次。為了更好的說明本發(fā)明，盡管并不局限于此，我們將使用整體的物質(zhì)和能量平衡。
參考圖4，對(duì)于閃蒸塔，顯示了整體的物質(zhì)平衡邊界，其主要包括進(jìn)料速率，和兩個(gè)產(chǎn)品取出速率。進(jìn)一步的，為了說明所提出方法的公式，這里我們將描述和討論主要限制于包括物質(zhì)平衡。然而，在原則上，本發(fā)明對(duì)于物質(zhì)平衡和能量平衡都同樣適用。實(shí)際上，通常的物質(zhì)平衡相對(duì)于能量平衡更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹笳咝枰~外的處理測(cè)量和道具。
如先前所述，假設(shè)控制器范圍選擇具有這樣一組處理輸入變量和處理輸出變量，兩者一起將允許越過控制處理邊界的連續(xù)的物質(zhì)平衡。
作為約束1.4的公式的例子，物質(zhì)平衡vhk可以表達(dá)為MBj(vmj)＝∑ρi*Fi-∑ρo*Fo 3.0其中，ρ代表物質(zhì)的密度。方程3.0中使用的流入流量與進(jìn)料、其他物質(zhì)流相關(guān)，兩者結(jié)合起來生成產(chǎn)品和副產(chǎn)品作為輸出流量。
為了更好的說明，假設(shè)方程3.0中的流量具有相同的密度或者是歸一化的。這樣，方程3.0簡(jiǎn)化為MBj(vmj)＝∑Fi-∑Fo 3.1為了簡(jiǎn)單起見，此后我們將使用方程3.1。
關(guān)于控制器，組Fi中的變量或者是操控變量或者是控制變量，假定集合Fo中的變量也是如此。方程3.1可以同前面提出的所有等式和不等式約束一起，在線性規(guī)劃(LP)優(yōu)化算法或者其他合適的優(yōu)化技術(shù)中引入作為等式約束。
為了使方程3.1可以在穩(wěn)態(tài)條件下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器(例如LP算法)中執(zhí)行，而仍然按照需求允許將被操控的處理，可以把它修改成如下的不等式約束。
-hj＜＝∑Fi-∑Fo＜＝hj3.2
其中，hj是選定的邊界周圍允許物質(zhì)的非平衡。hj的數(shù)值和設(shè)備中可以容納的物質(zhì)的存量緊密相關(guān)。例如，在分裂蒸餾塔中這會(huì)與所有元件例如塔盤和蓄電池的總的物質(zhì)存量有關(guān)。變化的hj能夠提供加快或者減慢的控制行為但不會(huì)超過由處理單元內(nèi)部所確定的最大界限很遠(yuǎn)。這樣，可以建立確定的界限。允許非平衡接近這一界限將會(huì)引起操作的不穩(wěn)定。例如，在分裂蒸餾塔中，這意味著各種成分之間的分離程度會(huì)在非平衡過于接近這一上限數(shù)值的時(shí)候迅速惡化。在物理期限內(nèi)，對(duì)于小的分裂蒸餾塔，hj具有的數(shù)值大約是50桶，對(duì)于更大的分裂蒸餾塔這一數(shù)值會(huì)更高。
方程3.2中的變量只與流入流量或者代替使用的流出流量相關(guān)，如下所示-hj/2＜＝-∑Fo＜＝hj/2 3.2.1-hj/2＜＝∑Fi＜＝hj/23.2.2其中，∑Fo代表輸出流量中所有的變化之和。方程3.2.1根據(jù)在這里所謂的“受控非平衡”取代了方程3.2。方程3.2作為兩個(gè)不等式3.2.1和3.2.2并入在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412中。
除了所有的MX-MPC的變量的上/下限約束之外，3.2-3.2.2也被包含在圖3所示的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412中。如下將描述應(yīng)用于不同情況下時(shí)這些方程的確切的細(xì)節(jié)?？紤]圖1的集成控制系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)MX-MPC的方程3.2-3.2.2被并入到一個(gè)單獨(dú)的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100中。
除了上面描述的總體的物質(zhì)平衡以外，單成分物質(zhì)平衡也可以清楚的包含在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器412中，如下所示-hj＜＝∑Fij-∑Foj＜＝hi3.3其中，hj代表在多成分流量中成分j的非平衡公差，∑Fij代表在所有的流入流量中成分j的流量之和，∑Foj代表在所有的流出流量中成分j的流量之和，F(xiàn)ij代表在流量流中成分j的流量，F(xiàn)ij＝Fi*Xj，xj表示成分j在流量流中所占的比例。
方程3.3的變量只與用作代替方程3.3的流入流量或者流出流量或兩者相關(guān)，如下所示-h/2＜＝-∑Foj＜＝h/23.3.1-h/2＜＝∑Fij＜＝h/2 3.3.2Foj＝Foj-Foj*Fij＝Fij-Fij*其中，F(xiàn)oj*是由輸出流量的優(yōu)化器所確定的新的穩(wěn)態(tài)值，F(xiàn)oj可以是輸出流量的當(dāng)前動(dòng)態(tài)值或者當(dāng)前預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)值，F(xiàn)ij*是由流入流量的優(yōu)化器所確定的新的穩(wěn)態(tài)值，F(xiàn)ij可以是流入流量的當(dāng)前動(dòng)態(tài)值或者當(dāng)前預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)值。
方程3.3.1和3.3.2是非線性方程，然而，在引入熱平衡相關(guān)的約束之后其將更明顯，這樣的非線性方程可以通過一些進(jìn)一步的詳細(xì)的公式來進(jìn)行處理。這些方程以與在不同形式和不同情況下的物質(zhì)平衡約束相關(guān)的基本概念的不當(dāng)?shù)母鼘挼倪m用性被提到。
對(duì)于能量平衡，和方程3.2具有同樣形式的方程可以如下并入，-hk＜＝∑Hi-∑Ho＜＝hk3.4其中，Hi代表熱函輸入，Ho代表熱函輸出，H代表超過能量邊界的允許的總的熱函損失或增益。
再一次的，可以使用方程3.3的兩個(gè)變量，-hk/2＜＝-∑Ho＜＝hk/2 3.4.1-hk/2＜＝∑Hi＜＝hk/23.4.2其中，∑Ho代表輸出熱函中所有之和的變化。根據(jù)前面所述，方程3.4.1與這里輸出熱函的所謂“受控非平衡”相關(guān)。通過使用∑Hi，可以使用方程3.4.1的另一個(gè)變量。根據(jù)處理數(shù)據(jù)的可用性，可以使用方程3.4的變量的任何一個(gè)或者兩者。
方程3.4.1和3.4.2可以分別重新公式化為，-hk/2＜＝-(∑Ho-∑Ho*)＜＝h/2 3.4.3-hk/2＜＝-∑Hi-∑Hi*＜＝hk/2 3.4.4進(jìn)一步的，如
-hk/2+∑Ho*＜＝-∑Ho＜＝hk/2-∑Ho*3.4.5-hk/2-∑Hi*＜＝∑Hi＜＝hk/2+∑Hi*3.4.6或者更一般的，如holow＜＝-∑Ho＜＝hohigh3.4.7hilow＜＝∑Hi＜＝hihigh3.4.8根據(jù)方程3.4.7和3.4.8，不等式約束相關(guān)的上下限基于優(yōu)化的方向進(jìn)行如下的更新。
也就是說，范圍界限將做如下的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果Ho*＞hohigh那么hohigh＝-∑Ho*+h/2(界限擴(kuò)展)否則hohigh＝hohigh(不變)相似的，如果∑Ho*＜holow那么holow＝-∑Ho*-h/2(界限擴(kuò)展)否則holow＝holow(不變)如果∑Hi*＞hihigh那么hihigh＝∑Hi*+h/2(界限擴(kuò)展)否則hihigh＝hihigh(不變)相似的，如果∑Hi*＜hilow那么hilow＝∑Hi*-h/2(界限擴(kuò)展)否則hilow＝hilow(不變)3.4.10以上提供了由處理移動(dòng)的方向確定的上下限的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，該處理移動(dòng)會(huì)使上限或下限中的一個(gè)產(chǎn)生擴(kuò)展。在集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100(以后將會(huì)全面描述)中使用上述的界限擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生這里所謂的具有有趣和獨(dú)特后果的“非對(duì)稱控制行為”。典型情況下，在以提高產(chǎn)能對(duì)該處理進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，上述的界限會(huì)朝一個(gè)方向擴(kuò)展。例如，增加到處理的進(jìn)料速率，會(huì)使得hohigh減小和hilow增加，而holow和hihigh保持不變，形成加寬的范圍。雖然進(jìn)一步的產(chǎn)能增加受到h/2的限制，然而，在任何時(shí)候，產(chǎn)能的減少不受這一數(shù)量的限制而是受整個(gè)范圍內(nèi)的限制，這樣會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱控制行為。
進(jìn)行非對(duì)稱控制行為的這一能力是重要的，盡管處理在控制非平衡界限h的限制下可以逐步優(yōu)化，然而，如果因?yàn)槿魏斡呻S后的約束違反造成的原因，產(chǎn)能被要求減少，那么穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器將會(huì)在整個(gè)范圍內(nèi)操作，到達(dá)能夠取消的程度。本發(fā)明的這一特點(diǎn)是獨(dú)特和新穎的，沒有其他的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的執(zhí)行具有這種非對(duì)稱控制行為。典型情況下，如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的，模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生相等但是相反的控制行為。隨后，如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的模型預(yù)測(cè)控制的性能的一個(gè)重要不足是對(duì)于優(yōu)化和穩(wěn)定操作，它的調(diào)試將會(huì)限制它對(duì)于嚴(yán)重的干擾和約束違反做出果斷的響應(yīng)。這里給出的本發(fā)明清楚地克服了這一缺陷。這一行為會(huì)在以下給出的案例研究8中進(jìn)行描述。
上面的擴(kuò)展的受控非平衡界限的方法可以按照完全相同的方式應(yīng)用到由方程3.3.1和3.3.2所描述的物質(zhì)平衡不等式上。
用最簡(jiǎn)單的形式作為例子，盡管不限制于此，參考圖22，Hi的定義為，Hi＝Cp*F*Ti+k*Fu3.5其中，Cp是處理流的特定的熱量，F(xiàn)是處理流的流速，Ti是入口溫度，k為燃料的卡路里值，F(xiàn)u是燃料率，相似的，Ho定義為Ho＝Cp*F*To3.5.1其中，To是處理流的出口溫度。
對(duì)于F和T，方程3.5和3.5.1是非線性方程，將方程3.3.1應(yīng)用到線性的優(yōu)化器例如線性規(guī)劃中，需要一個(gè)線性化，如下所示，∑Ho＝∑(CpFTo+CpToF)3.5.2其中，T＝To*-To，F(xiàn)＝F*-F，T*代表在新的穩(wěn)態(tài)情況下的優(yōu)化變量，To代表在時(shí)刻i(當(dāng)前)的優(yōu)化變量，F(xiàn)*代表在新的穩(wěn)態(tài)情況下的優(yōu)化變量，F(xiàn)代表在時(shí)刻i(當(dāng)前)的優(yōu)化變量，
穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器將會(huì)尋求確定T*和F*的最優(yōu)值。
盡管對(duì)于F和Ti，方程3.5是非線性方程，它并不需要以同樣的方式進(jìn)行線性化，因?yàn)門i是前饋?zhàn)兞?，不?huì)受優(yōu)化器的影響。然而，如果這是集成回流處理的一部分，那么Ti不是前饋?zhàn)兞浚虼朔匠?.5.1需要進(jìn)行線性化。
為了清楚地說明，后面將進(jìn)一步地考查方程3.5.1在引入三個(gè)層次的優(yōu)化的圖27的集成控制系統(tǒng)中的使用。根據(jù)處理的配置和適當(dāng)處理測(cè)量的可用性，“受控非平衡”方程3.4、3.4.1和3.4.2的三個(gè)變量中的任何一個(gè)或者更多可以使用于不同程度的有效性。例如，至少，對(duì)于大部分情況，從熱爐管中流出的熱流量是可以測(cè)量的，因此可以使用3.4.1。
這些“受控的非平衡”約束，允許物質(zhì)和能量的緩慢但是受控地穿過相關(guān)邊界的移動(dòng)，而且通過由穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100執(zhí)行的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化穿過鄰近的邊界。具有所有互連邊界的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100能夠確定穿過總體處理，以及在互連的模塊化MPC中單獨(dú)的子處理的最優(yōu)的物質(zhì)和能量流量。原則上，通過遵循依據(jù)本發(fā)明所給出的方法，物質(zhì)和能量的穩(wěn)定和受控的移動(dòng)的這一效果對(duì)于圖1中所描述的任何處理配置200都可以完成。通過操控允許的非平衡參數(shù)，物質(zhì)和能量的移動(dòng)速率h可以被操作者基于對(duì)在整個(gè)處理鏈上分布的本征物質(zhì)容量和能量(熱量)容量的理解而進(jìn)行改變。后面描述的案例研究7中將清楚地說明本發(fā)明的這一實(shí)施例。
上面的方程3.5目的是為了說明能量平衡的一個(gè)特殊形式。在更普遍的形式中，一般而言的能量平衡和特別而言熱量平衡將會(huì)包括處理變量，比如流速，成份，壓力，溫度等，這在化學(xué)工程，機(jī)械工程，電機(jī)工程領(lǐng)域是很眾所周知的。這些工程領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會(huì)熟悉并具有知識(shí)和理解來推導(dǎo)能量平衡并在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器中建立如上概述的合適的約束。
那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)期望作為約束的方程3.4至3.5可以和其他約束穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的約束包括在一起。通常來說，這些方程是操控變量和/或控制變量的函數(shù)，該操控變量和/或控制變量包括屬于模塊化MPC的具有已知參數(shù)例如燃料氣體的卡路里數(shù)值等的前饋?zhàn)兞俊?br> 在動(dòng)態(tài)條件下可以認(rèn)識(shí)到，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100不能在所有時(shí)刻都滿足物質(zhì)平衡約束或者能量平衡約束或者兩者。在這種情況下，這些約束被臨時(shí)地“放寬”到剛好足夠允許得到可行的狀態(tài)優(yōu)化器的解。從而確定了需要恰好滿足物質(zhì)/能量平衡約束中的任何一個(gè)的h的新的賦值。將h的這一新的賦值稱為hr。
所確定的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器的解和允許非平衡的h值一起被執(zhí)行。這樣，對(duì)于每一個(gè)平衡約束的優(yōu)化速度由以下公式確定，優(yōu)化速度，S＝h/hr3.6參與受控非平衡的變量將會(huì)以約束速度S移動(dòng)。參與到一個(gè)以上的受控非平衡的變量將會(huì)因此，以最小的約束速度移動(dòng)。這樣，即使在嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)非平衡條件下，變量移動(dòng)也會(huì)受到約束。這反過來保證了處理的整體穩(wěn)定性保持完整。不屬于受控非平衡的一部分的變量其優(yōu)化速度保持不受影響。這意味著在控制器中單個(gè)變量的優(yōu)化速度會(huì)隨著非平衡約束的程度變化。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)期望對(duì)圖1中每個(gè)模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算可以分開和獨(dú)立的進(jìn)行，而穩(wěn)態(tài)優(yōu)化則是在都在一起進(jìn)行。然而，根據(jù)每一個(gè)子處理的狀態(tài)，對(duì)變量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化所尋求的速度會(huì)有不同數(shù)值。本發(fā)明這一特別的特征是獨(dú)特的，因?yàn)樗鼘?duì)每一個(gè)MX-MPC允許了不同的干擾吸收速率。這樣，在整體處理中干擾強(qiáng)烈和嚴(yán)重的一部分，將會(huì)尋求低速度的優(yōu)化，而干擾不強(qiáng)烈的部分將會(huì)尋求高速度的優(yōu)化，然而重要的是，沒有犧牲處理的整體穩(wěn)定性。隨后，處理中更穩(wěn)定的那一部分會(huì)較快地達(dá)到它的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)，但會(huì)有效地必須減速以使得處理中穩(wěn)定性較差的部分能夠也達(dá)到穩(wěn)態(tài)目標(biāo)，這取決于它如何與處理中穩(wěn)定性較差的部分的連接。
通過使用優(yōu)化的速度，在特定的物質(zhì)和/或能量平衡中包含的所有的變量(操控變量和控制變量)按照相同的速度移動(dòng)。也就是說，這些變量數(shù)值上的變化是協(xié)調(diào)的。
上述與物質(zhì)和能量平衡相關(guān)的方程可以應(yīng)用到整個(gè)處理單元以及形成物質(zhì)平衡節(jié)點(diǎn)(比如電平控制器周圍)或能量平衡節(jié)點(diǎn)(比如溫度控制器)的處理單元的子邊界。所有這些物質(zhì)平衡和能量平衡可以清楚的在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器中包括，為“受控非平衡”的一組約束。
對(duì)于模型預(yù)測(cè)控制器來說是最有問題的一組處理約束，是和這里所謂的“閥/控制輸出約束”相關(guān)。典型情況下，MPC會(huì)操控流量設(shè)定點(diǎn)，溫度控制設(shè)定點(diǎn)和壓力設(shè)定點(diǎn)。在這種情況下，控制器需要保證低電平控制器保持可控性。也就是說，它們的輸出不會(huì)飽和。當(dāng)?shù)碗娖娇刂破鞅热缌髁靠刂破骰驕囟瓤刂破鞯妮敵鲲柡蜁r(shí)，低電平控制器失去了對(duì)它所控制的變量的控制能力。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，MPC會(huì)將這些輸出同其他的控制變量一起并入，作為那些需要被控制在集合上下限范圍之內(nèi)的控制變量的附加集合。為此，在傳統(tǒng)的MPC執(zhí)行中，對(duì)這些輸出的每一個(gè)，控制器會(huì)關(guān)于一個(gè)或多個(gè)操控變量組成一組處理響應(yīng)模型。
將低電平輸出保持在該范圍內(nèi)，首先對(duì)于處理安全的操作非常重要，其次對(duì)于在/非常接近最優(yōu)條件下的操作處理也很重要。對(duì)于實(shí)時(shí)優(yōu)化，閥輸出界限代表了實(shí)際的操作界限，超出這些界限以后，處理將不能進(jìn)一步的優(yōu)化，也不能安全的操作。
特別的，流量控制閥輸出處理響應(yīng)是趨向于非線性和有噪音的。這使得這樣的閥輸出控制很有問題。本發(fā)明揭示的方法提供了一種消除閥/調(diào)整器控制輸出(在這里被另外稱為“控制器輸出變量”)的途徑。與參與物質(zhì)/能量平衡的變量相關(guān)的那些控制器輸出變量可以從動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算的計(jì)算結(jié)果中去除。
根據(jù)定義，控制器輸出變量比如流量控制器輸出，溫度控制器輸出等無論如何都取決于其他非輸出變量，因此它們可以從動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算中去除。這是可能的，因?yàn)槠渌禽敵鲎兞康姆€(wěn)態(tài)目標(biāo)對(duì)于動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算來說已經(jīng)足夠了。而且，由于，根據(jù)本發(fā)明中所用方法的定義(連續(xù)的物質(zhì)和能量平衡)，所有其他非輸出相關(guān)的變量足夠定義控制器輸出相關(guān)的變量。當(dāng)前在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器中需要控制器輸出變量以清楚的表征實(shí)際的處理界限比如燃料速率的最大速率，最大產(chǎn)量速率，最大進(jìn)料速率等，但是根據(jù)本發(fā)明中的方法對(duì)于動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算實(shí)際并不需要這些。
控制器輸出變量的任何飽和效應(yīng)在引起它們從上述“受控非平衡”的界限偏離的物質(zhì)/能量平衡中將會(huì)反映。這反過來會(huì)需要控制器動(dòng)作以在界限內(nèi)帶入“受控非平衡”。例如，當(dāng)燃料氣體閥輸出飽和時(shí)(參照后面的例子)，加熱器周圍的熱平衡將開始從界限偏離。MX-MPC會(huì)減少對(duì)單元的進(jìn)料速率以在界限范圍內(nèi)帶入“熱平衡”，這反過來會(huì)減少燃料氣體閥的飽和。可以設(shè)想這樣一種情況，即這樣一個(gè)處理可以僅僅通過熱平衡約束的適當(dāng)?shù)脑O(shè)置來精確控制而不需要把燃料氣體閥的位置包括在控制器中。這樣，在MX-MPC中并非嚴(yán)格的需要控制器輸出變量。然而，在實(shí)際中它們被包含在MX-MPC中，這是因?yàn)闉榱朔€(wěn)態(tài)優(yōu)化的目的的原因，盡管不是為了動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算?？刂破鬏敵鲎兞坎⒎潜菊鞯呐c物質(zhì)/能量/熱量平衡中的變量相關(guān)，因而，除了作為穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的次要的約束，它們并非被直接的需要。
不穩(wěn)定的處理很難進(jìn)行控制。控制器移動(dòng)計(jì)算中包含的誤差會(huì)放大處理的不穩(wěn)定性。當(dāng)處理不穩(wěn)定時(shí)，物質(zhì)和/或能量中的非平衡將變得更大。物質(zhì)和/或能量中的非平衡因而成為處理的不穩(wěn)定性的量度。通過將物質(zhì)平衡和能量平衡的非平衡控制在由處理的物理特性所確定的范圍之內(nèi)，本發(fā)明提供了在優(yōu)化時(shí)控制穩(wěn)定性的直接方法。通過前面提出的優(yōu)化速度的控制，可以允許處理回到不穩(wěn)定性的可接受公差范圍內(nèi)。優(yōu)化速度的降低使得在其他方面的強(qiáng)烈的控制器動(dòng)作減緩?fù)瑫r(shí)允許處理本身恢復(fù)它的穩(wěn)定性。
對(duì)實(shí)例處理單元，做了將MPC(現(xiàn)有技術(shù))與基于本發(fā)明的MX-MPC的性能進(jìn)行比較的大量案例研究。由本發(fā)明得到的結(jié)果標(biāo)為MX-MPC，現(xiàn)有技術(shù)得到的結(jié)果標(biāo)為MPC。這些案例研究目的是論證本發(fā)明中所用方法穿過一個(gè)范圍內(nèi)的情況但不局限于它們時(shí)的說明性的可應(yīng)用性。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將關(guān)注這里提出的方法在各種情況下的適用程度，這些情況可以基于方法的描述進(jìn)行構(gòu)造。
在圖4中，顯示了用于下面的案例研究的處理的示意圖。圖5中的表格總結(jié)了使用在比較研究中的3個(gè)操控變量，1個(gè)前饋?zhàn)兞亢?個(gè)控制變量。
在現(xiàn)有技術(shù)的情況中，沒有包括上面提到的物質(zhì)平衡或能量平衡。在兩個(gè)情況中使用的經(jīng)濟(jì)定價(jià)是相同的。然而，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的，對(duì)于控制變量和操控變量兩者，調(diào)試權(quán)重都是手工設(shè)定的。
圖6包括了在MPC所提出的方法中這一例子所需要的所有的處理動(dòng)態(tài)模型。在圖6中，包括了在傳統(tǒng)MPC中這一例子所需要的所有的處理動(dòng)態(tài)模型。值得注意的是，后者比前者具有更多的處理動(dòng)態(tài)模型，這是由于它包括額外的控制器輸出的模型。
從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)，MPC具有達(dá)到清楚和完整的物質(zhì)平衡所需要的所有變量。這樣，對(duì)于這個(gè)例子，這些變量構(gòu)成了連續(xù)的物質(zhì)平衡邊界。如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的，并非所有的MPC中的控制變量會(huì)被包括在控制器中。例如，典型的情況下，控制變量CV4和CV5將通常不會(huì)包括在內(nèi)。然而，為了更好的比較，這兩個(gè)變量由于完整性的要求也被包括在內(nèi)。
在MPC和MX-MPC中調(diào)試變量和約束被設(shè)置為完全相同，除了在表格中突出的不同之外。在這一比較中所用的結(jié)果是使用一個(gè)LSI Optimal Inc.公司(Princeton，NJ)的專有的模擬包產(chǎn)生的。
LSI Optimal Inc.公司的模擬包，提供了對(duì)并入現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的控制策略的多變量的模型預(yù)測(cè)控制器的模擬。模擬包采用兩組響應(yīng)模型，一組用來模擬實(shí)際的處理響應(yīng)，一組用來對(duì)控制器中使用的實(shí)際的處理響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過改變用來對(duì)控制器中的實(shí)際處理響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型，模擬包產(chǎn)生了控制器的通常所謂的“模型不匹配誤差”。
該結(jié)果描述了控制變量，操控變量和前饋?zhàn)兞恐忻恳粋€(gè)的趨勢(shì)，以及利潤值。案例研究1-5是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的控制器和本發(fā)明中提出的并入了清楚的物質(zhì)平衡的控制器的比較。案例研究6是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的控制器和本發(fā)明中提出的并入了清楚的物質(zhì)平衡和熱量平衡的控制器的性能比較。如顯示，本發(fā)明中所提出的控制器與現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的控制器相比性能有很大的提升并且穩(wěn)定很多。案例研究的處理配置與那里提到的表格相比有輕微的變化。案例研究的所有的數(shù)據(jù)和結(jié)果如圖7-26所示。
案例研究1沒有模型不匹配，沒有約束的前饋?zhàn)兓淖冞@個(gè)案例研究證實(shí)了MPC和MX-MPC之間基本的性能差別在于，后者在最少違反控制變量約束的情況下達(dá)到了一樣的整體穩(wěn)態(tài)。注意兩種情況中的利潤值的響應(yīng)。在MX-MPC的情況中，響應(yīng)表現(xiàn)良好，在把所有的控制變量保持在相應(yīng)的范圍內(nèi)的同時(shí)只有小的超越。
結(jié)果中顯示的第一個(gè)響應(yīng)是來自MX-MPC的。其他的來自MPC的運(yùn)行，在該運(yùn)行中改變了調(diào)試以匹配MX-MPC運(yùn)行的結(jié)果。如顯示，在對(duì)調(diào)試做了5次改變以后，MPC不再和MPC的結(jié)果很好的匹配。因此，MPC的性能不能通過簡(jiǎn)單的改變它的調(diào)試來和MX-MPC匹配。
案例研究2沒有模型不匹配，約束的前饋?zhàn)兓瘺]有改變這一案例研究證實(shí)了與MPC相比，MX-MPC對(duì)的變量前饋?zhàn)兓男阅芴嵘?。兩個(gè)例子中基本的調(diào)試是相同的，除了在MX-MPC中額外的約束和控制變量的調(diào)試。圖10-12首先顯示了MPC的性能，后面是該結(jié)果中的MX-MPC的性能。
案例研究3與案例研究2相同，但具有前饋?zhàn)兞孔兓牡皖l這個(gè)案例研究證實(shí)了當(dāng)MPC的性能大幅下降到需要重新調(diào)試的時(shí)候，而MX-MPC的性能幾乎保持不變。這證明了相比MPC，MX-MPC對(duì)于前饋?zhàn)兞孔兓郁敯簟?br> 案例研究4與案例研究2相同，但具有模型不匹配模型不匹配通過使得在控制器中使用的響應(yīng)模型具有對(duì)于控制變量CV9和前饋?zhàn)兞縁V1較低的增益來產(chǎn)生?？刂破髦惺褂玫哪Ｐ捅辉O(shè)置到實(shí)際處理增益的1/4。再一次的，MPC的性能大幅下降而MX-MPC的性能保持不變，除了在初期有一段時(shí)間來追隨模型增益的改變。
案例研究5與案例研究4相同，但是在處理變量CV9的測(cè)量中加入了噪聲再一次的，MPC的性能大幅下降而MX-MPC的性能幾乎保持不變。
案例研究4和5的結(jié)果合在一起說明了在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的MPC會(huì)發(fā)生的情況。電平控制輸出模型以不可靠而聞名，歸因于涉及的現(xiàn)象的非線性的本質(zhì)。去除了這一輸出模型的MX-MPC保持更加魯棒并且不受模型增益變化的影響。
案例研究6將進(jìn)料入口溫度的內(nèi)含物作為前饋?zhàn)兞吭谒每刂破鞯姆秶鷥?nèi)，在案例研究1-5中，包括了一個(gè)額外的前饋溫度，也就是進(jìn)料入口溫度。進(jìn)料入口溫度的變化會(huì)需要調(diào)整輸入到用來調(diào)整進(jìn)料入口溫度的進(jìn)料加熱器的熱輸入。局部化的熱平衡節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為包括進(jìn)料速率，進(jìn)料入口溫度，進(jìn)料出口溫度和燃料氣體。注意本案例中處理配置相對(duì)于前面的案例有微小的變化。圖7描繪了新的配置。
這一案例研究包括熱平衡(作為能量平衡的代表)和物質(zhì)平衡。熱平衡應(yīng)用于進(jìn)料預(yù)加熱溫度控制器。這包括進(jìn)料流量，進(jìn)料入口溫度(現(xiàn)在作為除了進(jìn)料質(zhì)量以外附加的前饋?zhàn)兞勘话ㄔ趦?nèi))，進(jìn)料出口溫度和到進(jìn)料加熱器的燃料氣體。現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的控制器和所提出的使用清楚的物質(zhì)和能量平衡的控制器之間性能比較的結(jié)果如下所示。再一次的，本發(fā)明中使用清楚的物質(zhì)和能量平衡的控制器的性能被發(fā)現(xiàn)大大的優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的控制器。
依據(jù)本發(fā)明中，使用MX-MPC進(jìn)行大規(guī)模的集成優(yōu)化和控制的一般化結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖7中所示，包括兩個(gè)部分的處理例子將會(huì)用來說明本發(fā)明。構(gòu)建大規(guī)模的優(yōu)化和控制的整體方法如下·對(duì)于大規(guī)模集成確定整體的連續(xù)物質(zhì)/能量平衡邊界；·在尋找包含次連續(xù)物質(zhì)/能量邊界的大規(guī)模集成的范圍內(nèi)確定和建立模塊化模型預(yù)測(cè)控制器；·按照本發(fā)明中給出的方法將單獨(dú)的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器連接起來。
在其中尋求集成的界限必須構(gòu)成如同早先所定義的連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡。在零起點(diǎn)(Green Filed)的情況下，這一界限將需要選擇來容納很多模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，這在以后將會(huì)確定和發(fā)展。在模型預(yù)測(cè)控制器已經(jīng)建造完成這樣一種情況下，那么集成邊界就是簡(jiǎn)單的由模塊化MPC單元的相互連接構(gòu)成。如果存在的MPC不構(gòu)成連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡，那么需要進(jìn)行必要的修正以得到連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界。
為了達(dá)到說明這個(gè)的目的，我們會(huì)使用圖2中所示的閃蒸塔的處理單元。如圖1所示，對(duì)于這一處理，沒有連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界。在圖4中，基于提出的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)，確定了兩個(gè)連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界，其中一個(gè)與塔內(nèi)的整體的物質(zhì)/能量平衡有關(guān)，另一個(gè)與進(jìn)料加熱器溫度控制周圍的能量平衡相關(guān)。按照?qǐng)D4所示的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的意義，有兩個(gè)連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界。
對(duì)于如圖4中所示的處理，有兩種可供選擇的方法來構(gòu)造模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，即并入了兩個(gè)連續(xù)邊界的一個(gè)模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，或者兩個(gè)分離的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，其每一個(gè)包含連續(xù)的物質(zhì)/能量平衡邊界中的一個(gè)。為了更好的說明本發(fā)明，我們將使用兩種分離的模型預(yù)測(cè)控制器的情況。這兩個(gè)模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的配置如下。
MX-MPC A+B一個(gè)大的MX-MPC邏輯名稱 處理變量 描述 工程單位操控變量MV1 MXFIC_01SP頂部回流流量控制器設(shè)定點(diǎn) MBLDMV2 MXFIC_03SP進(jìn)料溫度控制器設(shè)定點(diǎn) degFMV3 MXFI_05SP 進(jìn)料流量控制器設(shè)定點(diǎn) MBLDMV4 MXFI_10SP 到加熱器的燃料速率 MFT3HR前饋?zhàn)兞縁V1 MXA105_PV 進(jìn)料質(zhì)量 ％moleFV2 MX_T103PV 進(jìn)料入口溫度 degF控制變量CV1 MXAI_20PV 塔頂餾出產(chǎn)品純度 ％moleCV2 MXPDI_2lPV塔差壓 psiaCV3 MXAI_22PV 底部產(chǎn)品純度 ％moleCV4 MXFI_07PV 頂部產(chǎn)品流量 MBLDCV5 MXFI_06PV 底部產(chǎn)品流量 MBLDCV6 MXFIC_01OP頂部回流流量控制器輸出 ％CV7 MXFIC_03OP進(jìn)料溫度控制器輸出 ％CV8 MXLIC_05OP高電平控制器輸出 ％CV9 MXLIC_06OP低電平控制器輸出 ％CV10 MXTIC_03PV進(jìn)料輸出溫度 degFMX-MPC B對(duì)于主塔的模塊化MPC邏輯名稱 處理變量 描述 工程單位 注釋操控變量MV1 MXFIC_01SP 頂部回流流量控制器設(shè)定點(diǎn) MBLDMV2 MXFIC_03SP 進(jìn)料溫度控制器設(shè)定點(diǎn) degFMV3 MXFI_05SP進(jìn)料流量控制器設(shè)定點(diǎn) MBLD前饋?zhàn)兞縁V1 MXA105_PV進(jìn)料質(zhì)量 ％mole外部前饋控制變量CV1 MXAI_20PV塔頂餾出產(chǎn)品產(chǎn)品純度 ％moleCV2 MXPDI_21PV 塔壓差psiaCV3 MXAI_22PV底部產(chǎn)品純度 ％moleCV4 MXFI_07PV頂部產(chǎn)品流量 MBLDCV5 MXFI_06PV底部產(chǎn)品流量 MBLDCV6 MXFIC_01OP 頂部回流流量控制器輸出％CV7 MXFIC_03OP 進(jìn)料溫度控制器輸出％CV8 MXLIC_05OP 高電平控制器輸出 ％CV9 MXLIC_06OP 低電平控制器輸出 ％MX-MPC A用于進(jìn)料溫度加熱器的模塊化MPC邏輯名稱 處理變量 描述 工程單位 注釋操控變量MV1 MXFI_10SP到加熱器的燃料速率 MFT3HR前饋?zhàn)兞縁V1 MXTIC_03SP 進(jìn)料溫度控制器設(shè)定點(diǎn)degF 內(nèi)部前饋FV2 MXFI_05SP進(jìn)料流量控制器設(shè)定點(diǎn)MBLD 內(nèi)部前饋FV3 MX_T103PV進(jìn)料入口溫度degF 外部前饋控制變量CV1 MXTIC_03PV 進(jìn)料輸出溫度degF在上面的表格中，MX-MPC A+B對(duì)于圖4所示的處理是一個(gè)大的模塊化的MPC。對(duì)于相同的處理，MX-MPC-A和MX-MPC-B是兩個(gè)分立的MX-MPC，需要有效的集成為同MX-MPC A+B一致。
MX-MPC的相互連接通過把一個(gè)MX-MPC的前饋?zhàn)兞科ヅ涞搅硪粋€(gè)相鄰的MX-MPC的相同的處理變量中以操控變量或者控制變量的形式出現(xiàn)。如果對(duì)于MX-MPC的前饋?zhàn)兞繘]有沒有找到相鄰的匹配的處理變量，那么這一前饋?zhàn)兞勘徽J(rèn)為是“外部的”前饋?zhàn)兞俊Ｈ绻业狡ヅ涞奶幚碜兞?，那么這一前饋?zhàn)兞勘徽J(rèn)為是“內(nèi)部的”前饋?zhàn)兞俊?br> 如上所示，對(duì)于MX-MPC B，沒有內(nèi)部的前饋?zhàn)兞浚鴮?duì)于MX-MPC A，有兩個(gè)內(nèi)部的前饋?zhàn)兞?，它們?cè)贛X-MPC B中有兩個(gè)匹配的操控變量，也就是MV1和MV2。
注意到在MX-MPC A+B中，沒有內(nèi)部前饋?zhàn)兞慷也倏刈兞康臄?shù)量等于MX-MPC A和MX-MPC B中操控變量的數(shù)量之和。相似的，MX-MPC A+B，其控制變量的數(shù)量等于MX-MPC A和MX-MPC B中控制變量的數(shù)量之和。最后，MX-MPC A+B，其外部前饋?zhàn)兞康臄?shù)量等于MX-MPC A和MX-MPC B中外部前饋?zhàn)兞康臄?shù)量之和。這就是說，相鄰的模塊化MX-MPC的集成產(chǎn)生了集成化的MX-MPC，像一個(gè)單獨(dú)的MX-MPC一樣具有正確的尺寸和范圍。這樣，(相鄰的)MX-MPC的和產(chǎn)生了一個(gè)MX-MPC，好像它是作為一個(gè)整體進(jìn)行配置一樣。換句話說，相鄰的MX-MPC的集成是無縫的和一致的。這為MX-MPC提供了基于連接的內(nèi)部前饋?zhàn)兞康淖詣?dòng)集成。
下一步，通過上面提到的內(nèi)部前饋?zhàn)兞康倪B接，集成的MX-MPC獲得了重要的性質(zhì)，也就是可以在不進(jìn)一步改變配置或增加變量的情況下保持處理整體的穩(wěn)定性。
作為MX-MPC，在集成的MX-MPC中的每一個(gè)控制器擁有保持穩(wěn)定性的重要性質(zhì)，因?yàn)槲镔|(zhì)平衡/能量平衡在其自身范圍之內(nèi)。內(nèi)部變量的連接本質(zhì)上將物質(zhì)/能量平衡越過MX-MPC邊界進(jìn)行連接。
借助于MX-MPC的模塊化，大量的MX-MPC基于內(nèi)部前饋?zhàn)兞科ヅ涞南嗷ミB接是簡(jiǎn)單而直接的。然而，更重要的是，借助于具有至少一個(gè)物質(zhì)/能量平衡，相互連接的MX-MPC變得如同包含了相互連接的物質(zhì)/能量平衡。相互連接的物質(zhì)/能量平衡路徑確定了在整體的處理單元上的各種穩(wěn)定性約束。該可選擇的穩(wěn)定性路徑允許集成的MX-MPC找到到達(dá)整體的收益性的最優(yōu)化的路徑，同時(shí)保持屬于每一個(gè)MX-MPC的處理部分在它們自身的界限內(nèi)維持穩(wěn)定。
MX-MPC的互連允許跨越處理單元的集成，以及在一個(gè)處理單元內(nèi)跨越不同處理區(qū)域包括朝向電平電控制器比如用于溫度調(diào)整或電平的控制器的集成；MX-MPC-A是后者的例子。原則上，這種集成的方法將允許用一種一致的方式構(gòu)建大規(guī)模的優(yōu)化和控制系統(tǒng)而確保整體操作的穩(wěn)定性從而得到整體的最優(yōu)化性能。
本發(fā)明提出的集成的模塊化，允許單個(gè)小型的MPC參與到更廣的優(yōu)化和控制規(guī)劃中，不會(huì)引入對(duì)用于動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算的控制矩陣的規(guī)模增大帶來的懲罰。這意味著可以構(gòu)造更大的集成MX-MPC而不會(huì)引入由于整體范圍的尺度的增長帶來的計(jì)算上的懲罰。
案例研究7集成的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器這一案例研究證實(shí)了對(duì)應(yīng)于上面描述的MX-MPC-A和MX-MPC-B的兩個(gè)模塊化預(yù)測(cè)控制器的集成的性能。在圖22-26中顯示的結(jié)果表明集成的模塊化MPC工作良好。這一案例證實(shí)了兩個(gè)模塊化MPC可以集成起來用于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化但是對(duì)于動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算又可以獨(dú)立地執(zhí)行。
描述-圖27附加的實(shí)施例本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例合成了三個(gè)層次的優(yōu)化和控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為可以提供小的以及大的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的持續(xù)和魯棒的閉環(huán)性能。整體的優(yōu)化和控制問題被分解成三個(gè)層次的結(jié)構(gòu)，包含從這里開始所謂的嵌入式調(diào)整控制層次，質(zhì)量控制層次和產(chǎn)量層次。下面給出了本操作的詳細(xì)描述。
在基礎(chǔ)層次，該結(jié)構(gòu)對(duì)于和設(shè)定點(diǎn)改變相關(guān)的操控變量，例如溫度設(shè)定點(diǎn)，壓力設(shè)定點(diǎn)等，合成了這里所謂的“嵌入式調(diào)整控制器”(“ERC”)。這一層次的設(shè)計(jì)按照確保操控變量的處理數(shù)值被緊密地控制到它的設(shè)定點(diǎn)上進(jìn)行。這是一個(gè)有條理的層次，主要在于當(dāng)它的輸出飽和的時(shí)候，它包括了ERC輸出作為內(nèi)建的這里被描述為“操控變量設(shè)定點(diǎn)追蹤”的約束。
這一層次的基本目標(biāo)是把處理狀態(tài)變量比如溫度，壓力和電平緊密地控制到他們各自的由整體的優(yōu)化設(shè)定的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)數(shù)值上，這樣下一層次，也就是質(zhì)量控制層次優(yōu)化能夠可靠的進(jìn)行。為此，考慮到在所有其他操控變量保持固定在它們當(dāng)前的數(shù)值上時(shí)相關(guān)測(cè)量干擾變量的效果，屬于ERCMV的操控變量主要被允許在這一層次進(jìn)行改變以根據(jù)需要滿足MV.PV-MV.SP的約束。
如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的，在包含操控變量設(shè)定點(diǎn)的MPC中，與控制操控變量處理值(pv)到它的處理值(sp)相關(guān)的調(diào)整控制器，保持在MPC外部。操控變量控制器輸出被包括在MPC中，以保證操控變量設(shè)定點(diǎn)的移動(dòng)不會(huì)超出調(diào)整控制器的可操作范圍。為此，所有與MPC的其他的操控變量在這個(gè)操控變量控制器輸出變量上的作用相關(guān)的模型也被包括在內(nèi)。這里所簡(jiǎn)要描述的嵌入式調(diào)整控制器的方法，消除了擁有相對(duì)于所有其他操控變量的操控控制變量控制器的輸出模型的需求。取而代之的，關(guān)于操控變量設(shè)定點(diǎn)，要求包括一個(gè)而且僅僅一個(gè)操控變量控制模型。
進(jìn)一步的，這里所闡述和說明的ERC可以用遞歸的多層次的方式加以應(yīng)用。例如，對(duì)于煉油廠中的一個(gè)水裂化單元，一個(gè)較高層次的EMC將會(huì)包含通常所謂的權(quán)重化的平均入口溫度(“WAIT”)，包含多個(gè)反應(yīng)器入口溫度控制器。從這一觀點(diǎn)，每一個(gè)反應(yīng)器入口溫度控制器相對(duì)于WAIT控制形成較低層次的ERC，而WAIT控制反過來相對(duì)于對(duì)于水裂化單元的整體的集成控制系統(tǒng)形成高一層次的ERC。這里介紹的所提出的集成控制結(jié)構(gòu)能夠用于處理這樣相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)層次的ERC。
相似的，在包含多個(gè)處理單元的另一個(gè)應(yīng)用情況下，如果ERC與一個(gè)特定的處理單元相關(guān)就可以運(yùn)用。例如，在一個(gè)包含多個(gè)處理單元比如原油單元，流態(tài)化催化劑裂化單元和裂化粗汽油爐的精煉廠中，這些單元都進(jìn)料到輕端單元，以從這些單元中每一個(gè)的排放氣體中重新獲得產(chǎn)品。這個(gè)輕端單元可以被考成嵌入式處理單元，盡管它是一個(gè)完整的集成模塊化模型預(yù)測(cè)控制器。這一多處理單元的集成控制系統(tǒng)將包括這一輕端單元做為一個(gè)ERC。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)在這里所介紹的集成控制系統(tǒng)中期望ERC的普遍和遞歸的應(yīng)用。
這一層次屬于在當(dāng)前的進(jìn)料(產(chǎn)量)速率的約束內(nèi)的優(yōu)化處理操作。這一層次扮演ERC層次和進(jìn)料層次(見以下)之間的橋梁。它會(huì)對(duì)屬于ERC層次的制動(dòng)器飽和做出響應(yīng)，并且特別地，會(huì)對(duì)ERC層次進(jìn)行的MVSP追蹤行為做出響應(yīng)。它會(huì)在處于當(dāng)前的進(jìn)料速率的整體約束下優(yōu)化整體的處理利潤。也就是說，它使得處理在控制之下同時(shí)實(shí)現(xiàn)利潤最大化，通過操控除了到單元的進(jìn)料之外的所有其他變量使得這成為可能。
在Q層次求解最優(yōu)化問題過程中，ERC層次的結(jié)果根據(jù)需要保持完整。也就是說，在Q層次得到的解本質(zhì)上超越了在ERC層次得到的結(jié)果。
進(jìn)料速率及其質(zhì)量被認(rèn)為是影響處理整體的控制和優(yōu)化的最重要的變量。為了更好的說明本發(fā)明，盡管不限制它的可用性，進(jìn)料質(zhì)量被更多的認(rèn)為是前饋?zhàn)兞慷皇侵苯硬倏刈兞?。這樣，從這里開始，進(jìn)料質(zhì)量將包括在描述中作為一個(gè)前饋?zhàn)兞?。進(jìn)料速率因而成為，最主要的進(jìn)料相關(guān)變量而影響處理整體的優(yōu)化和控制。
進(jìn)料層次優(yōu)化和控制將會(huì)推動(dòng)處理遠(yuǎn)離質(zhì)量控制層次的結(jié)果。再次的，在這一過程中，所有的約束設(shè)置都在它們的完整性中處理。如同Q層次的情況，在T層次，來自Q層次的優(yōu)化結(jié)果保持完整，并進(jìn)一步尋求優(yōu)化，以優(yōu)化產(chǎn)量。
在最重要的方面，進(jìn)料速率同時(shí)影響可控性和對(duì)優(yōu)化的限制。進(jìn)料速率直接和非直接的影響處理單元操作的幾乎所有方面。這樣，在提出的結(jié)構(gòu)中，進(jìn)料控制層次是最終決定所有約束方案的地方。在把處理推向高收益性操作方面，進(jìn)料控制層次確定了朝著最大值的改善的穩(wěn)定方向。然而，用完全相反的方式，進(jìn)料控制層次是處理操作被決定性的和強(qiáng)烈的帶到處于安全約束和設(shè)備約束內(nèi)的地方。按照本發(fā)明給出的，進(jìn)料控制層次行為的這一特殊方面是最明顯的區(qū)別于任何其他已知的優(yōu)化和控制方案的。
這里給出的用于最優(yōu)化控制的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出“非對(duì)稱的”控制行為，因?yàn)樵谕苿?dòng)進(jìn)料速率增長上，當(dāng)進(jìn)料速率增加的時(shí)候它用一種穩(wěn)定和穩(wěn)固的方式把整個(gè)處理保持在約束之內(nèi)。然而，由于任何約束違反或約束界限改變的原因，需要直接減少進(jìn)料速率，那么提出的魯棒的LSI最優(yōu)化控制將會(huì)做出合適的響應(yīng)，雖然該速率遠(yuǎn)高于進(jìn)料速率向上增加的速率。這樣，提出的魯棒的LSI最優(yōu)化控制對(duì)于提高進(jìn)料速率提供了穩(wěn)定很多的環(huán)境，但當(dāng)它達(dá)到保護(hù)處理安全和設(shè)備界限的時(shí)候也沒有受到過度的約束。
為了清楚的說明，下面介紹如圖27所示的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器的簡(jiǎn)單的應(yīng)用情況。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)期望了解下面介紹的方法的通常的適用性。如圖27所示，整體的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化解過程包括三個(gè)明顯的步驟，102-104。三步驟中的每一步介紹如下。
在圖27所示的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100的操作中，操控變量和控制變量歸類如下。
·操控變量被說成是具有嵌入式調(diào)整器控制的類型，如果對(duì)于它的控制行為關(guān)系到它的設(shè)定點(diǎn)的改變。依次的，在它的設(shè)定點(diǎn)上的改變包括，另外的控制器設(shè)定點(diǎn)的激勵(lì)或控制閥位置、以及它的處理值達(dá)到它的設(shè)定點(diǎn)值的動(dòng)態(tài)瞬變。依次的，激勵(lì)行為元素被稱為嵌入式調(diào)整控制操控變量操控變量(也就是ERCMV.MV)。ERCMV.MV自身可能是導(dǎo)致倒數(shù)第二個(gè)控制閥行為的ERCMV的類型。對(duì)于大部分情況，與模型預(yù)測(cè)控制相關(guān)的應(yīng)用包括，通過改變它的設(shè)定點(diǎn)的操控變量行為。一個(gè)ERCMV的例子是溫度設(shè)定點(diǎn)而它的MV是燃料氣體設(shè)定點(diǎn)。因而，流量控制設(shè)定點(diǎn)具有ERCMV的類型，但是具有快速的瞬變，因?yàn)閷?duì)于任何實(shí)際的目的，在它設(shè)定點(diǎn)上的改變對(duì)于控制循環(huán)周期是不重要的。實(shí)際上，具有大于控制循環(huán)周期的瞬變的ERCMV是重要的。從這里開始，為了更好的說明和簡(jiǎn)要性，不會(huì)明確地涉及到流量控制設(shè)定點(diǎn)相關(guān)的操控變量。然而，在原則上它們可以按照相同的方式進(jìn)行處理。因而，ERCMV被進(jìn)一步的歸類為·類型0沒有設(shè)定點(diǎn)改變但是有直接的閥位置激勵(lì)，·類型1具有關(guān)于控制周期的快速瞬變的設(shè)定點(diǎn)改變，·類型2具有關(guān)于控制周期的緩慢瞬變的設(shè)定點(diǎn)改變。
進(jìn)一步的，操控變量做如下歸類·質(zhì)量相關(guān)的類型，如果它會(huì)影響下面描述的質(zhì)量相關(guān)的控制變量。質(zhì)量相關(guān)的類型的操控變量的例子是在分裂蒸餾塔中的回流流量。
·產(chǎn)量相關(guān)的類型，如果它直接關(guān)系到穩(wěn)態(tài)物質(zhì)平衡；例如進(jìn)料速率既是質(zhì)量相關(guān)的也是產(chǎn)量相關(guān)的，但是被主要認(rèn)為是產(chǎn)量相關(guān)的，因?yàn)樵谶@里所采用的優(yōu)化求解處理中，產(chǎn)量相關(guān)操控變量被要求在最后考慮。
·控制變量被認(rèn)為具有質(zhì)量/可操作性相關(guān)的類型，如果它或者直接與來自處理中的流出流量相關(guān)或者影響處理的可操作性，因而影響質(zhì)量相關(guān)的控制變量。質(zhì)量相關(guān)控制變量的一個(gè)例子是在分裂蒸餾塔的頂部產(chǎn)品流量中的百分比純度。反之，可操作性相關(guān)的控制變量的一個(gè)例子是在分裂蒸餾塔范圍內(nèi)的塔壓差。關(guān)于ERCMV的處理數(shù)值不會(huì)被歸類為質(zhì)量相關(guān)的。取而代之的，它會(huì)被稱為ERCMV.PV。
因而，ERCMV控制器是如這里所描述模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，主要用來控制ERCMV的處理數(shù)值到它的設(shè)定點(diǎn)數(shù)值，包括一個(gè)操控變量和可能的前饋?zhàn)兞俊?br> 圖27中的集成優(yōu)化控制器100在每一個(gè)控制周期上運(yùn)行。在開始的時(shí)候，所有的控制變量被包括在優(yōu)化問題的求解中，但是沒有一個(gè)操控變量被包括在內(nèi)。如同圖27中描繪的和以后將會(huì)進(jìn)一步描述的，操控變量在從102到104的優(yōu)化求解進(jìn)程中被逐步的包括和去除。
在圖27中的102上，所有的與嵌入式調(diào)整控制器相關(guān)的操控變量包括在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器的求解中。如果在102的優(yōu)化得到可行的解，那么優(yōu)化處理與那些屬于它們的控制器性能被認(rèn)為令人滿意的ERCMV一起前進(jìn)到103，而那些屬于它們的控制器性能被認(rèn)為還不令人滿意的ERCMV被排除在下一階段的優(yōu)化求解之外。
在103中，除了那些直接和產(chǎn)量相關(guān)的操控變量，與質(zhì)量變量和其他操作性變量的控制相關(guān)的操控變量，被額外的包括在優(yōu)化求解處理內(nèi)。相似的，在103的結(jié)尾，發(fā)現(xiàn)與操控變量質(zhì)量相關(guān)的控制變量的變化的質(zhì)量超過了允許的公差，接著，從進(jìn)一步的優(yōu)化處理中去除所有對(duì)它有影響的操控變量。優(yōu)化求解接著前進(jìn)到104，并在那里與到此為止還沒有被去除的操控變量一起尋找可行的最優(yōu)解。
在102和103的結(jié)尾，當(dāng)沒有操控變量可以帶到前面去的時(shí)候，優(yōu)化處理都經(jīng)過107結(jié)束。
在102中，如果優(yōu)化解被發(fā)現(xiàn)是不可行的，會(huì)做嘗試來進(jìn)行這里所謂的“操控變量SPPV追尋”，從而產(chǎn)生可行的解，雖然限制了操控變量的范圍。也就是說，允許ERCMV.SP搜尋它的當(dāng)前值，并且更新受其影響的控制變量的預(yù)測(cè)，操控變量的范圍對(duì)于正在進(jìn)行的求解處理被相應(yīng)地限制。
如圖27所示，在某種情況下有可能因?yàn)楸豢刂频奶幚淼膰?yán)重不穩(wěn)定性，所有的ERCMV都沒有通過穩(wěn)定性測(cè)試，因此優(yōu)化求解處理不會(huì)前進(jìn)到103。取而代之的，其通過107就短路了。這就是說，處理的非穩(wěn)定性分布如此寬以至于進(jìn)行任何進(jìn)一步的優(yōu)化是沒有意義的。相似的，根據(jù)同樣的理由，在103，優(yōu)化求解處理通過107而短路。
在通過上述整體優(yōu)化求解處理的這三個(gè)階段的過程中，根據(jù)操控變量是否被包括在優(yōu)化求解處理內(nèi)，通過適當(dāng)?shù)母木帉儆谧犹幚淼姆€(wěn)態(tài)物質(zhì)平衡和能量平衡包括在內(nèi)。
與上述物質(zhì)/熱量平衡相關(guān)的不等式受控非平衡約束被適當(dāng)?shù)夭捎脕砉ぷ髟趫D27的三種層次的優(yōu)化處理中。作為這個(gè)的例子，方程3.5.2以它的改編形式所示如下。基本上的，該改編與變量F和To被允許進(jìn)行變化的方式相關(guān)。
ERC層次F固定，To代表它的pv數(shù)值，因此方程3.5.2簡(jiǎn)化為∑Ho＝∑(CpFTo) 3.5.3Q層次F固定，To代表它的sp數(shù)值，因此方程3.5.2簡(jiǎn)化為∑Ho＝∑(CpFTo) 3.5.4T層次F和To代表它們的sp數(shù)值∑Ho＝∑(CpFTo+CpFTo) 3.5.5對(duì)于每一個(gè)ERCMV，它的控制變量約束由pv-sp形成，pv-sp的上下限設(shè)置在表示偏離設(shè)定點(diǎn)的可以接受的公差的很小的數(shù)值。這樣在102，ERCMV本身被認(rèn)為是不在問題解之內(nèi)，而是它的處理數(shù)值作為pv-sp約束。當(dāng)然，與ERCMV相關(guān)的操控變量包括在問題解之內(nèi)。比如，在102，ERCTC.SP沒有包括在優(yōu)化解中，而是約束TC.PV-TC.SP和燃料氣體設(shè)定點(diǎn)包括在優(yōu)化解中，假設(shè)燃料氣體控制器沒有被包括作為ERCMV本身。ERCMV的pv-sp的使用允許在模型預(yù)測(cè)控制器中去掉除了它的控制器輸出的一個(gè)模型之外的所有模型。在集成控制系統(tǒng)100中需要的唯一模型是，關(guān)于操控變量設(shè)定點(diǎn)的操控變量控制輸出的模型。歸因于在102中pv-sp的不可行的解，需要ERCMV.SP追蹤它的處理值。操控變量控制輸出界限用來限制操控變量設(shè)定點(diǎn)界限。這樣，只有操控變量的控制輸出模型包括在它的ERC內(nèi)。這和現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)行有很大的不同，其中，關(guān)于所有其他操控變量影響，需要操控變量控制輸出模型。由于操控變量的控制輸出模型趨向于是非線性和有噪聲的，它的唯一模型的使用和關(guān)于它自身的操控變量設(shè)定點(diǎn)的使用基本上消除了很多在現(xiàn)有技術(shù)中通常被認(rèn)為是“有問題的/壞的”模型。隨后，這里提出的集成控制系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行得更魯棒。
這樣，依據(jù)作為整體的處理以及它的子處理的穩(wěn)定態(tài)的穩(wěn)定性和可行性的狀態(tài)，集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器100會(huì)引起適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)控制移動(dòng)行為。被發(fā)現(xiàn)無法通過100的穩(wěn)定性測(cè)試的操控變量，將會(huì)把它們的上/下限限制在當(dāng)前的數(shù)值上，因而在當(dāng)前的控制循環(huán)中無法被移動(dòng)。反之，允許其他的操控變量進(jìn)行常規(guī)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)行為。也就是說，由控制器進(jìn)行的實(shí)際的動(dòng)態(tài)移動(dòng)行為將會(huì)依據(jù)每一個(gè)ERCMV的局部化的穩(wěn)定性以及質(zhì)量相關(guān)控制變量的穩(wěn)定性而改變。
如上概述的三個(gè)層次的優(yōu)化步驟帶來的重要的優(yōu)點(diǎn)是，所有只需要一個(gè)ERC操控變量的控制輸出模型。這個(gè)唯一需要的模型是ERC操控變量關(guān)于它的設(shè)定點(diǎn)變化的控制輸出的模型，是一個(gè)容易獲得的明確的模型。反之，如現(xiàn)有MPC中實(shí)行的，要求關(guān)于所有對(duì)它有影響的操控變量的所有操控變量控制輸出的模型。典型情況下，操控變量的控制輸出模型趨于差的質(zhì)量，這是由于輸出行為在/靠近飽和區(qū)域的非線性本質(zhì)以及它的測(cè)量具有噪聲。通過去除除了一個(gè)模型以外的其他所有操控變量的控制輸出模型，集成控制系統(tǒng)的性能變得更加魯棒而容易維護(hù)。
案例研究8在圖28中顯示了以上描述的集成控制系統(tǒng)在和以前使用過的處理例子相同的處理上的應(yīng)用結(jié)果。在這一案例中，集成系統(tǒng)包括3個(gè)ERC，一個(gè)與進(jìn)料溫度相關(guān)，兩個(gè)與蓄電池電平控制器相關(guān)。另外，它包括一個(gè)額外的控制器用于主閃蒸塔。如圖所示，進(jìn)料速率以穩(wěn)定的方式增長而質(zhì)量變量a0(閃蒸塔的塔頂流)處于接近完美控制的數(shù)值，到它的上/下限(上/下限處于數(shù)值2.0)只有很微小的偏差。燃料氣體界限逐漸接近它的最大界限。隨著燃料氣體最大界限的減小，進(jìn)料速率以遠(yuǎn)高于早先增加的速率而降低。質(zhì)量變量a0顯示了與它的界限的增加的偏差，但仍然處于很好的控制之下。燃料氣體作為操控變量，必須被立刻降低，這引起了質(zhì)量變量a0的偏離。這個(gè)例子清楚的說明了“非對(duì)稱控制行為”，其表現(xiàn)和本發(fā)明的預(yù)期一樣。
本發(fā)明的適用性如現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)行的，在真實(shí)的工廠條件下，MPC的性能低于預(yù)期。使用MPC的實(shí)際工廠操作的穩(wěn)定性要求大大限制了真實(shí)優(yōu)化的程度。因而，使用的MPC的范圍和規(guī)模受到限制。本文獻(xiàn)中所描述的發(fā)明在穩(wěn)定性上有很大的提高，從而提供了更高程度的真實(shí)優(yōu)化。MX-MPC的范圍和規(guī)模都可以很大的提高，而對(duì)整體的優(yōu)化不會(huì)有很大的損失。物質(zhì)平衡和能量平衡的清楚使用提供了在工廠內(nèi)增加MX-MPC的范圍和規(guī)模的基礎(chǔ)，而不會(huì)帶來復(fù)雜性和維護(hù)工作的額外負(fù)擔(dān)。
使用集成的MX-MPC來保持操作的穩(wěn)定性的這一能力，會(huì)增強(qiáng)先進(jìn)層次控制的使用來支持工廠范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)非線性優(yōu)化應(yīng)用。
通過本發(fā)明中所揭示的方法的應(yīng)用、特別是把控制器輸出變量從動(dòng)態(tài)移動(dòng)計(jì)算中去除而得到的改善的操作的穩(wěn)定性，通常意味著性能的更大程度的魯棒性。
本發(fā)明所提出的集成方式將允許穿過整個(gè)處理單元的MX-MPC應(yīng)用的無縫擴(kuò)展。處理操作的整體穩(wěn)定性最低程度地受單獨(dú)的MX-MPC的性能的影響。這會(huì)大大簡(jiǎn)化維護(hù)和操作多個(gè)MX-MPC的努力。為了更大范圍的控制，這里提出的發(fā)明避免了構(gòu)造一個(gè)大的單片的、難以維護(hù)的、不實(shí)用的MPC。
本發(fā)明所提出的模塊化的MPC結(jié)構(gòu)與物質(zhì)平衡和能量平衡的清楚合并的共同效應(yīng)，將提供在工廠內(nèi)使用MPC進(jìn)行優(yōu)化和控制的應(yīng)用的直接和明顯的方法。
因此，描述了模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的方法。另外，還描述了多個(gè)模塊化預(yù)測(cè)控制器的集成優(yōu)化和控制的方法，允許構(gòu)造大規(guī)模的系統(tǒng)。盡管只描述特定的實(shí)施例，包括特定的參數(shù)、方法和方程，但是，通過閱讀這一揭示對(duì)已揭示的實(shí)施例進(jìn)行的各種修正，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是明顯的。因此，可以理解的是，這樣的實(shí)施例只是對(duì)于這個(gè)寬的發(fā)明的說明性而不是限制，并且本發(fā)明不局限于所顯示和描述的特定實(shí)施例。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種指定用于優(yōu)化和控制一處理的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的方法，包括步驟a)選擇所述處理的一連續(xù)的處理邊界，包含處理變量的測(cè)量值和其他參數(shù)，來將穩(wěn)態(tài)物質(zhì)平衡和穩(wěn)態(tài)能量平衡組合中的至少一個(gè)計(jì)算到合適的可變程度，所述的其他參數(shù)包括從上述測(cè)量的變量推導(dǎo)得到數(shù)值的變量；以及b)將變化的可變界限的不等式約束明確地并入到所述的穩(wěn)態(tài)平衡中，除了通常包括在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的處理變量的約束之外。
2.如權(quán)利要求1中所述的指定方法，其中，所述的合適的可變程度的范圍處于完整的穩(wěn)態(tài)平衡和最小的穩(wěn)態(tài)平衡之間，取決于所述的處理變量的測(cè)量的可用性。
3.如權(quán)利要求1中所述的指定方法，其中，所述的可變界限范圍由一操作者設(shè)定，數(shù)值由用于可行的解的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化確定。
4.如權(quán)利要求1中所述的指定方法，其中，所述的方法進(jìn)一步包括多個(gè)操控變量、多個(gè)控制變量和多個(gè)前饋?zhàn)兞俊?br> 5.一種使用權(quán)利要求1中所述的模塊化預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行優(yōu)化和控制的方法，包括步驟a)監(jiān)控所述的處理并使用一穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，該穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器響應(yīng)其而產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)來優(yōu)化和控制所述的處理；以及b)用與所述的控制數(shù)據(jù)一致的一動(dòng)態(tài)控制器來預(yù)測(cè)和控制所述的處理。
6.如權(quán)利要求5中所述的操作方法，其中，所述的方法進(jìn)一步包括局部地監(jiān)控所述的相關(guān)處理的步驟。
7.如權(quán)利要求6中所述的操作方法，其中，所述的產(chǎn)生步驟包括使用一優(yōu)化速度參數(shù)的步驟。
8.如權(quán)利要求7中所述的操作方法，其中，所述的優(yōu)化速度參數(shù)是基于所述的穩(wěn)態(tài)平衡從所述的不等式約束的偏離。
9.如權(quán)利要求8中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括將所述的優(yōu)化速度分配給那些直接包含在所述的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化平衡中的控制變量和操控變量以及
18.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括逐漸擴(kuò)展操控變量和控制變量約束的集合的方法，用于基于所述的子處理的穩(wěn)定性的明確的標(biāo)準(zhǔn)來增加優(yōu)化的范圍。
19.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，所述的產(chǎn)生步驟包括使用一優(yōu)化參數(shù)的步驟。
20.如權(quán)利要求19中所述的操作方法，其中，所述的優(yōu)化參數(shù)基于用于可行的解的約束的偏離程度。
21.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，所述的可變的程度與所述的局部動(dòng)態(tài)控制器的控制偏差所允許的方差相關(guān)。
22.一種操作集成控制系統(tǒng)的方法，用來對(duì)作為整體的處理以及它的子處理，此后稱為健全的處理，進(jìn)行控制和優(yōu)化，包括步驟a)對(duì)于每一個(gè)所述的子處理指定一模塊化模型預(yù)測(cè)控制器，并且它的處理整體包括步驟；i)選擇所述處理的一連續(xù)的處理邊界，包含處理變量的測(cè)量值和其他參數(shù)，來將穩(wěn)態(tài)物質(zhì)平衡和穩(wěn)態(tài)能量平衡組合中的至少一個(gè)計(jì)算到合適的可變程度，所述的其他參數(shù)包括從上述測(cè)量的變量推導(dǎo)得到數(shù)值的變量；以及ii)將變化的可變界限的不等式約束明確地并入到所述的穩(wěn)態(tài)平衡中，除了通常包括在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的處理變量的約束之外；以及b)在所述的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器和作為整體的處理的穩(wěn)態(tài)平衡中并入改變的不等式約束，除了通常包含在一個(gè)單獨(dú)的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器中用來進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的子處理和作為整體的處理的處理變量的的約束之外；以及c)監(jiān)控所述的健全的處理，響應(yīng)于所述的健全的處理使用所述的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器產(chǎn)生用來優(yōu)化和控制所述的健全的處理的控制數(shù)據(jù)；以及，d)依據(jù)所述的控制數(shù)據(jù)，使用權(quán)利要求1指定的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器來預(yù)測(cè)和控制所述的子處理，到可變的程度。
23.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，所述的集成控制和優(yōu)化在它的優(yōu)化和控制行為的范圍和程度內(nèi)被動(dòng)態(tài)地確定。
24.如權(quán)利要求23中所述的操作方法，其中，所述的集成控制和優(yōu)化在它的優(yōu)化和控制行為的范圍和程度內(nèi)被動(dòng)態(tài)地確定是基于所述的集成系統(tǒng)的一種三個(gè)層次的優(yōu)化方法，包括a)第一層次，這里稱為嵌入式調(diào)整控制層次，包括直接且特定地與操控變量設(shè)定點(diǎn)和操控變量處理數(shù)值相關(guān)的模型預(yù)測(cè)控制器，操控變量設(shè)定點(diǎn)和操控變量處理數(shù)值例如為與所述的子處理的可操作性和穩(wěn)定性相關(guān)的溫度設(shè)定點(diǎn)和溫度處理數(shù)值；以及b)第二層次，這里稱為質(zhì)量控制層次，除直接且特定地與產(chǎn)品質(zhì)量比如百分比純度、RVP相關(guān)的控制變量，可操作性限制的控制變量比如微分壓力，以及與所述的子處理產(chǎn)量和整體處理的產(chǎn)量相關(guān)的所有操控變量外，還包括所述的嵌入式調(diào)整控制層次；以及，c)第三層次，這里稱為產(chǎn)量層次，除直接且特定地與所述的子處理產(chǎn)量和整體處理的產(chǎn)量相關(guān)的控制變量和操控變量外，還包括所述的嵌入式調(diào)整控制層次和所述的質(zhì)量控制層次。
25.如權(quán)利要求24中所述的操作方法，其中，所述的進(jìn)一步包括，依據(jù)所述的三個(gè)層次的優(yōu)化，改編所述的子處理的穩(wěn)態(tài)平衡的所述的不等式約束。
26.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括所述的子處理和作為整體的所述的穩(wěn)態(tài)平衡。
27.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，所述的產(chǎn)生步驟包括使用一優(yōu)化參數(shù)的步驟。
28.如權(quán)利要求27中所述的操作方法，其中，所述的優(yōu)化參數(shù)基于用于可行的解的約束的偏離程度。
29.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，所述的可變的程度與所述的局部動(dòng)態(tài)控制器的控制偏差所允許的方差相關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種指定用于優(yōu)化和控制一處理的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器的方法，包括步驟a)選擇所述處理的一連續(xù)的處理邊界，包含處理變量的測(cè)量值和其他參數(shù)，來將穩(wěn)態(tài)物質(zhì)平衡和穩(wěn)態(tài)能量平衡組合中的至少一個(gè)計(jì)算到合適的可變程度，所述的其他參數(shù)包括從上述測(cè)量的變量推導(dǎo)得到數(shù)值的變量；以及b)將變化的可變界限的不等式約束明確地并入到所述的穩(wěn)態(tài)平衡中，除了通常包括在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的處理變量的約束之外。
2.如權(quán)利要求1中所述的指定方法，其中，所述的合適的可變程度的范圍處于完整的穩(wěn)態(tài)平衡和最小的穩(wěn)態(tài)平衡之間，取決于所述的處理變量的測(cè)量的可用性。
3.如權(quán)利要求1中所述的指定方法，其中，所述的可變界限范圍由操作者設(shè)定，數(shù)值由用于可行的解的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化確定。
4.如權(quán)利要求1中所述的指定方法，其中，所述的方法進(jìn)一步包括多個(gè)操控變量、多個(gè)控制變量和多個(gè)前饋?zhàn)兞俊?br> 5.一種使用權(quán)利要求1中所述的模塊化預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行優(yōu)化和控制的方法，包括步驟a)監(jiān)控所述的處理并使用一穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，該穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器響應(yīng)其而產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)來優(yōu)化和控制所述的處理；以及b)用與所述的控制數(shù)據(jù)一致的一動(dòng)態(tài)控制器來預(yù)測(cè)和控制所述的處理。
6.如權(quán)利要求5中所述的操作方法，其中，所述的方法進(jìn)一步包括局部地監(jiān)控所述的相關(guān)處理的步驟。
7.如權(quán)利要求6中所述的操作方法，其中，所述的產(chǎn)生步驟包括使用一優(yōu)化速度參數(shù)的步驟。
8.如權(quán)利要求7中所述的操作方法，其中，所述的優(yōu)化速度參數(shù)是基于所述的穩(wěn)態(tài)平衡從所述的不等式約束的偏離。
9.如權(quán)利要求8中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括將所述的優(yōu)化速度分配給那些直接包含在所述的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化平衡中的控制變量和操控變量以及給其他互連的操控變量和控制變量的步驟。
10.如權(quán)利要求9中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括基于權(quán)利要求9中所述的從所有的所述的穩(wěn)態(tài)平衡中得到的優(yōu)化速度，來對(duì)于每一個(gè)所述的操控變量和控制變量確定最小優(yōu)化速度的步驟。
11.如權(quán)利要求5中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括步驟a)將經(jīng)濟(jì)定價(jià)分配給與所述處理的物質(zhì)的生產(chǎn)、質(zhì)量和資源的使用直接相關(guān)的變量；b)從與所述處理的物質(zhì)的生產(chǎn)和質(zhì)量直接相關(guān)的變量的經(jīng)濟(jì)定價(jià)，推導(dǎo)與所述處理的物質(zhì)的生產(chǎn)和質(zhì)量并非直接相關(guān)的變量的經(jīng)濟(jì)定價(jià)。
12.如權(quán)利要求11中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括為所述的控制器的控制變量設(shè)置控制器調(diào)試數(shù)值的步驟，直接從在所述的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中使用的所述的經(jīng)濟(jì)定價(jià)推導(dǎo)出來。
13.如權(quán)利要求12中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括使用在所述的控制器中所用的處理的模型增益為所述的操控變量設(shè)置控制器調(diào)試參數(shù)的步驟。
14.如權(quán)利要求5中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括從所述的操控變量移動(dòng)計(jì)算中消除關(guān)于控制閥輸出的所述的控制變量和其他非產(chǎn)品變量的模型的步驟。
15.如權(quán)利要求5中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括擴(kuò)展與所述的穩(wěn)態(tài)平衡相關(guān)的受控非平衡不等式約束的界限的步驟，導(dǎo)致不對(duì)稱的控制行為。
16.一種操作集成控制系統(tǒng)的方法，用來對(duì)作為整體的處理以及它的子處理，此后稱為健全的處理，進(jìn)行控制和優(yōu)化，包括步驟a)監(jiān)控所述的健全的處理，響應(yīng)于所述的健全的處理使用一集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器產(chǎn)生用來優(yōu)化和控制所述的健全的處理的控制數(shù)據(jù)；以及，b)依據(jù)所述的控制數(shù)據(jù)，用局部動(dòng)態(tài)控制器預(yù)測(cè)和控制所述的子處理到可變的程度。
17.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，所述的集成控制和優(yōu)化在它的優(yōu)化和控制行為的范圍和程度內(nèi)動(dòng)態(tài)地被確定。
18.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括逐漸擴(kuò)展操控變量和控制變量約束的集合的方法，用于基于所述的子處理的穩(wěn)定性的明確的標(biāo)準(zhǔn)來增加優(yōu)化的范圍。
19.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，所述的產(chǎn)生步驟包括使用一優(yōu)化參數(shù)的步驟。
20.如權(quán)利要求19中所述的操作方法，其中，所述的優(yōu)化參數(shù)基于用于可行的解的約束的偏離程度。
21.如權(quán)利要求16中所述的操作方法，其中，所述的可變的程度與所述的局部動(dòng)態(tài)控制器的控制偏差所允許的方差相關(guān)。
22.一種操作集成控制系統(tǒng)的方法，用來對(duì)作為整體的處理以及它的子處理，此后稱為健全的處理，進(jìn)行控制和優(yōu)化，包括步驟a)按照權(quán)利要求1中所述的方法對(duì)于每一個(gè)所述的子處理指定一模塊化模型預(yù)測(cè)控制器；以及b)在所述的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器和作為整體的處理的穩(wěn)態(tài)平衡中并入改變的不等式約束，除了通常包含在一個(gè)單獨(dú)的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器中用來進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的子處理和作為整體的處理的處理變量的的約束之外；以及c)監(jiān)控所述的健全的處理，響應(yīng)于所述的健全的處理使用所述的集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器產(chǎn)生用來優(yōu)化和控制所述的健全的處理的控制數(shù)據(jù)；以及，d)依據(jù)所述的控制數(shù)據(jù)，使用權(quán)利要求1指定的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器來預(yù)測(cè)和控制所述的子處理，到可變的程度。
23.如權(quán)利要求21中所述的操作方法，其中，所述的集成控制和優(yōu)化在它的優(yōu)化和控制行為的范圍和程度內(nèi)被動(dòng)態(tài)地確定。
24.如權(quán)利要求23中所述的操作方法，其中，所述的集成控制和優(yōu)化在它的優(yōu)化和控制行為的范圍和程度內(nèi)被動(dòng)態(tài)地確定是基于所述的集成系統(tǒng)的一種三個(gè)層次的優(yōu)化方法，包括a)第一層次，這里稱為嵌入式調(diào)整控制層次，包括直接且特定地與操控變量設(shè)定點(diǎn)和操控變量處理數(shù)值相關(guān)的模型預(yù)測(cè)控制器，操控變量設(shè)定點(diǎn)和操控變量處理數(shù)值例如為與所述的子處理的可操作性和穩(wěn)定性相關(guān)的溫度設(shè)定點(diǎn)和溫度處理數(shù)值；以及b)第二層次，這里稱為質(zhì)量控制層次，除直接且特定地與產(chǎn)品質(zhì)量比如百分比純度、RVP相關(guān)的控制變量，可操作性限制的控制變量比如微分壓力，以及與所述的子處理產(chǎn)量和整體處理的產(chǎn)量相關(guān)的所有操控變量外，還包括所述的嵌入式調(diào)整控制層次；以及，c)第三層次，這里稱為產(chǎn)量層次，除直接且特定地與所述的子處理產(chǎn)量和整體處理的產(chǎn)量相關(guān)的控制變量和操控變量外，還包括所述的嵌入式調(diào)整控制層次和所述的質(zhì)量控制層次。
25.如權(quán)利要求24中所述的操作方法，其中，所述的進(jìn)一步包括，依據(jù)所述的三個(gè)層次的優(yōu)化，改編所述的子處理的穩(wěn)態(tài)平衡的所述的不等式約束。
26.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，進(jìn)一步包括所述的子處理和作為整體的所述的穩(wěn)態(tài)平衡。
27.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，所述的產(chǎn)生步驟包括使用一優(yōu)化參數(shù)的步驟。
28.如權(quán)利要求27中所述的操作方法，其中，所述的優(yōu)化參數(shù)基于用于可行的解的約束的偏離程度。
29.如權(quán)利要求22中所述的操作方法，其中，所述的可變的程度與所述的局部動(dòng)態(tài)控制器的控制偏差所允許的方差相關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種模型預(yù)測(cè)控制器的模塊化設(shè)計(jì)(400)。這種模塊化設(shè)計(jì)提供了一種可以用統(tǒng)一的方法進(jìn)行調(diào)試的魯棒的模型預(yù)測(cè)控制器。物質(zhì)平衡和能量平衡的明確使用提供了穩(wěn)定和魯棒的性能(412)?；诮?jīng)濟(jì)的調(diào)試的使用提供了一種統(tǒng)一的調(diào)試方法(411)。統(tǒng)一的調(diào)試方法建立了來自穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制的控制行動(dòng)的一致性(400)。進(jìn)一步的，本發(fā)明中提出了一種使用多個(gè)模塊化模型預(yù)測(cè)控制器來設(shè)計(jì)和調(diào)試集成優(yōu)化和控制的方法(100)。這個(gè)方法并入了將大量的模塊化模型預(yù)測(cè)控制器集成起來的一種直接和清楚的方法。模塊化控制器的集成可以無縫的實(shí)現(xiàn)而不需要任何的調(diào)試調(diào)整(200)。所得到的多個(gè)模塊化預(yù)測(cè)控制器的集成系統(tǒng)可以魯棒地執(zhí)行，允許每一個(gè)模塊化模型預(yù)測(cè)控制器在系統(tǒng)中其他的操作狀態(tài)的情況下起到自身的作用。所提出的集成可以實(shí)現(xiàn)來包括低電平的模塊控制器或相同電平的控制器或二者(300)。
文檔編號(hào)G05B13/02GK1745347SQ200480002981
公開日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2004年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者法赫爾丁·T·阿塔爾瓦拉 申請(qǐng)人:法赫爾丁·T·阿塔爾瓦拉