專利名稱：：模型預(yù)測控制器解分析過程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)，更具體而言，涉及將過程的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)行為向更優(yōu)化的操作條件驅(qū)動的方法。
背景技術(shù)：
：多變量預(yù)測控制算法，例如來自AspenTechnologies,Inc的AspenTech⑧的DMCplusTM或來自HoneywellInternationalInc的RMPCT為計算的組合以將過程的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)行為向更優(yōu)化的操作條件驅(qū)動。在控制方案中使用的穩(wěn)態(tài)算法最普遍為線性規(guī)劃(LP)，但有時是二次規(guī)劃(QP)。對于小的問題，理解LP和QP解相對而言是簡單的。二維問題可以在紙上直觀化并演示給操作者以獲得對過程的理解。通過某些詳細的建模背景，工程師和受過良好訓(xùn)練的操作者可以理解中等大小的問題(小于10維)。然而，更大、更交互的問題通常需要離線模擬。這可能需要花費大量時間來獲得即使是定性的理解。典型地，多變量預(yù)測控制器(MPC)的操作者可以觀察當前的約束并可以訪問過程的開環(huán)模型。然而，為全面理解約束組解除(relief)，操作者將需要對過程模型的詳細了解和根據(jù)模型跟蹤獨立和依賴關(guān)系的能力。為此，需要離線模擬或分析工具。否則，操作者不能了解要改變約束多少或接下來哪一個約束變?yōu)橛行?。用于離線模擬的一個構(gòu)思為使用在其中以約束的受控變量(CV)互換無約束操縱變量(MV)的矩陣樞轉(zhuǎn)(pivot)。約束變得"獨立"，并且無約束變量變得"依賴"。矩陣樞轉(zhuǎn)可以^皮符號化為如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>然而，該方法不能提供關(guān)于操作者改變多少將影響控制器解的定量)答,需要能夠?qū)崟r地分析任何大小的過去或當前動態(tài)矩陣控制(DMC)解的簡單效用，以便為操作者提供用于DMC控制器約束解除的有意義的、定量的指令。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例的方面涉及一種分析和描述來自MPC的解的方法，所述方法可以為操作者提供關(guān)于在MPC解中改變控制器限制的定量輸入。本發(fā)明的實施例的另一方面涉及使用所述方法來提供控制系統(tǒng)的操作者可以即刻可得的、可訪問的、以及理解的信息。本發(fā)明涉及一種分析來自多變量預(yù)測控制器的解的方法，包括從多變量預(yù)測控制器獲得解，所述預(yù)測控制器具有導(dǎo)致了不同的變量約束狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器，其中所述解包括通過操縱變量預(yù)測的受控變量；以及對所述解進行操作以獲得約束變量與無約束變量之間的關(guān)系，從而確定無約束變量如何響應(yīng)約束變量的改變。所述解可以以矩陣的形式表示。本發(fā)明還涉及一種用于過程設(shè)備的控制系統(tǒng)操作方法，包括從包括與所述過程相關(guān)的操縱變量和受控變量的基礎(chǔ)模型文件基于所述操縱變量與所述受控變量之間的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取原始增益矩陣。通過有效(active)約束條件分類所述操縱變量和受控變量，其中所述分類基于約束條件、無約束條件或違背條件。基于所述有效約束條件分類計算每一個變量的可能的移動量?；谒鲇行Ъs束條件改變所述增益矩陣的階以獲得優(yōu)化解的模型矩陣表示。通過在所述才莫型矩陣中樞轉(zhuǎn)所述約束的受控變量與所述無約束的操縱變量形成結(jié)果矩陣，從而形成所述結(jié)果矩陣。使用所述結(jié)果矩陣和所述可能的移動量來計算所述無約束變量對所述約束變量的改變的響應(yīng)。本發(fā)明還涉及一種過程的控制系統(tǒng)，包括存儲裝置，存儲J^模型文件，所述基礎(chǔ)模型文件包括與所述過程相關(guān)的操縱變量和受控變量；以及與所述存儲裝置相關(guān)的控制器，其從所述1^出才莫型文件基于所述操縱變量與所述受控變量之間的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取原始增益矩陣。所述控制器通過下述步驟使用優(yōu)化解來描述無約束變量如何響應(yīng)約束變量的改變，所述步驟為通過有效約束條件分類所述操縱變量和受控變量，其中所述分類基于約束條件、無約束條件或違背條件；基于所述有效約束條件分類計算每一個變量的可能的移動量；基于所述有效約束條件改變所述增益矩陣的階以獲得優(yōu)化解的模型矩陣表示；使用所述模型矩陣從所述操縱變量預(yù)測受控變量；通過在所述模型矩陣中樞轉(zhuǎn)所述約束的受控變量與所述無約束的操縱變量形成結(jié)果矩陣來形成所述結(jié)果矩陣；以及^f吏用所述結(jié)果矩陣和所述可能的移動量計算所述無約束變量對所述約束變量的改變的響應(yīng)。當與詳細的描述和附圖結(jié)合時，本發(fā)明的這些和其他方面將變得顯而易見。現(xiàn)在將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中圖l是示出了根據(jù)本發(fā)明的過程的基本步驟的流程圖。具體實施例方式在這里描述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及動態(tài)矩陣控制器(DMC)。然而，本發(fā)明旨在更廣泛地應(yīng)用到一般的多變量預(yù)測控制器(MPC)以及其中希望在各種應(yīng)用中優(yōu)化過程限制的控制方案。這里使用的術(shù)語操作者旨在表示任何終端用戶。例如，終端用戶可以為操作者、過程工程師、值班班長(shiftlead)、控制工程師、或管理者。為了示范本發(fā)明的基本功能性，提出一個簡單的問題。以最簡單的形式，提供用于DMC控制器的約束敏感性分析工具，其不具有變換、斜坡(ramp)、最小移動MV?；竟δ馨s束變量分析，其確定在下一個約束變得有效之前約束可以被移動多少，并識別下一個約束。還完成無約束變量分析，其確定哪些約束正使控制器向上(或向下)移動某些無約束變量(例如，進給量(feed))，并確定所有有效約束對該變量的敏感性(閉環(huán)增益)。完成不可行性分析，其確定可以移動哪些約束變量以及移動多少以便使解變得可行。測試或基于Excd的界面將用于分析結(jié)果。圖形用戶界面是有效的。為了增加分析更復(fù)雜問題的能力，提供MV的自動識別和計算和CV變換，并將結(jié)果并入到分析中。此外，可以啟動下列能力識別并處理最小移動MV的能力、識別并處理斜坡變量和斜坡連接關(guān)系(ramp-linkedrelationship)的能力、可用的約束解除機制的經(jīng)濟優(yōu)先級、處理外部目標的能力、通過優(yōu)先級分類分析不可行性的能力、用循環(huán)配對的圖形描述(無約束的MV對約束CV)表達解的能力、以及從歷史數(shù)據(jù)單步調(diào)試(stepthrough)順序解的能力。該技術(shù)將用于組合應(yīng)用，在所述組合應(yīng)用中一個優(yōu)化函數(shù)用于多個組合的控制器。GUI和超文本標記語言(HTML)界面是可能的。在最高級別，工具還將提供識別和解釋QP目標函數(shù)的能力，提供分析多個分級組用于解除不可行性的能力，提供分析和并入有效增益倍增因子的能力。還可以提供鏈接到商業(yè)數(shù)據(jù)庫，例如，AspenTech⑧的AspenWatch或HoneywellInternationalInc.的ProcessHistoryDatabase,更具體而言，參考圖l的流程圖，本發(fā)明完成的過程開始于以向操作者提供與變量有關(guān)的信息。第一步驟為從文件或數(shù)據(jù)庫讀取控制器定義。這提供了操縱、前饋和受控變量的數(shù)目和名稱。接下來，讀入模型文件并為每一個獨立(MV或前饋)-依賴(CV)變量對提Wt型"增益，，。通常，模型是動態(tài)的，所以僅僅使用模型的穩(wěn)態(tài)部分(即，增益)用于該計算。在過程的變化中，才莫型可以為非線性控制器中的變量之間的線性化關(guān)系。模型也可以為實時優(yōu)化問題中的變量之間的線性化關(guān)系。下面以4MVX7CV矩陣示出了MV與CV之間的穩(wěn)、態(tài)響應(yīng)的實例。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>讀入所有變量的目標值和約束狀態(tài)，并將變量分類為約束和無約束的。將違背變量(violatedvariable)分類為無約束的，將非有效操縱變量分類為約束的。數(shù)據(jù)應(yīng)該是一致的，即，全都來自相同的執(zhí)行周期。可以從文件或從計算機數(shù)據(jù)庫讀取狀態(tài)。數(shù)據(jù)可來自當前或歷史上的控制器執(zhí)行。對于每一個變量，沿每一方向計算可允許的穩(wěn)態(tài)移動(AM)直到達到下一個約束。對于所有變量完成該計算。該計算基于有效約束指示而變化。對于無約束的變量，S表示直到變量遇到約束之前的改變。例如，無約束變量在操作者高限制與操作者低限制之間?？稍试S的向上移動(AM叩)等于操作者高限制(OPHIGH)減去穩(wěn)態(tài)目標。這可以祐束示為AMup=OPHIGH-穩(wěn)態(tài)目標?？稍试S的向下移動(AMdown)等于穩(wěn)態(tài)目標減去操作者低限制(OPLO)。這可以械束示為AMdown=穩(wěn)態(tài)目標-OPLO。對于違背變量，S被計算為直到變量變?yōu)榭尚兄暗母淖兊牧?。例如，如果變量超過操作者高限制，AMdown=穩(wěn)態(tài)目標-OPHIGH。對約束變量，S表示直到達到下一個約束之前的改變。例如，如果工程限制(工程Hi)是超過操作限制的下一個限制，那么，對于約束在操作者高限制的變量，AMup-工程Hi誦OPHIGH。在計算可允許的穩(wěn)態(tài)移動時，有可能單變量具有多組限制，包括例如，操作者、工程師、設(shè)備、安全、范圍等等。用戶可以選擇或取消選擇考慮哪些限制用于計算可允許的改變。例如，用戶可以取消選擇工程限制，并4吏用測量的范圍計算可允許的移動。接下來的步驟是創(chuàng)建約束變量對無約束變量(代替MV對CV)的影響的閉環(huán)矩陣。對于每一個無約束/違背變量，顯示影響其的約束變量。這些是對選擇的無約束變量具有非零矩陣元的約束?？梢酝ㄟ^才艮據(jù)約束^改變增益矩陣的階來完成。向頂部移動無約束MV，向左邊移動約束CV。產(chǎn)生的矩陣由四部分構(gòu)成，包括(a)無約束MV到約束CV的模型；(b)約束MV到約束CV的模型；(c)無約束MV到無約束CV的模型；(d)約束MV到無約束CV的模型。模型矩陣可以被象征性地顯示為<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>代數(shù)地，從MV才莫型預(yù)測CV。以矩陣的形式，關(guān)系如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>如果等式是標量，其表示具有兩個未知量的兩個等式，可以互換已知量和未知量?？梢砸跃仃囆问綄崿F(xiàn)相同的等式，以如下互換或樞轉(zhuǎn)約束cv與無約束MV。定性地，產(chǎn)生的公式和矩陣示出了無約束變量如何響應(yīng)約束變量的改變，如下所示。纖<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>樞轉(zhuǎn)該實例矩陣以示出其中MV3、MV4、CV2、CV6被約束的形式,<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>該矩陣中的每一個元表示對應(yīng)于約束變量的單位改變的無約束變量的改變量。非常接近零的矩陣元被認為是零。創(chuàng)建閉環(huán)矩陣的替代方式為模擬控制器并一次一個地以小量￡擾動每一個約束。對于每一個約束-無約束變量對，改變或無約束變量對E的比率為閉環(huán)矩陣的增益。結(jié)果為，對于每一個無約束/違背變量，顯示了影響其的約束變量。然后使用該閉環(huán)矩陣中的信息來為操作者計算關(guān)于這樣的總體三類信息的所有信息，該三類信息涉及上述的約束變量、無約束變量以及違背變量。對于每一個約束i，過程可以計算直到達到另一約束之前沿兩個方向其可以被移動多遠(CMi)。移動的量和下一個約束,皮記錄并顯示用于操作者的使用。具體而言，可以找到約束i的可允許的移動(AM)的最小值和無約束變量j的可允許的移動(AMj)/閉環(huán)增益GPij的比率。使用該計算，使用正確的符號是很重要的。例如，如果計算約束可以向上移動多遠，那么如果增益元為負則應(yīng)該使用無約束變量的可允許的向下移動。還可以計算每一個約束的限制弛豫(limitrelaxation)值。通過將通常是來自計算本身的結(jié)果的約束的影子值(shadowvalue)乘以CM，即直到下一個約束之前的移動，來計算該值。還可以使用來自另一程序例如規(guī)劃和調(diào)度或?qū)崟r優(yōu)化的影子值來代替來自控制器優(yōu)化的影子值。通過可以使用該工具可以獲得下列目標的解。對于約束分析，可以確定下列問題的答案。*在另一約束變得有效之前，約束可以被改變多少？*下一個有效約束是什么？對于無約束變量分析，可以確定下列問題的答案。*如果希望增加或減少變量，哪些約束影響改變？*這些約束的敏感性(閉環(huán)增益)如何？*基于可能的影響的幅度，或總的LP優(yōu)化目標功能的成本，約束的優(yōu)先級如何？對于不可行性分析，可以確定下列問題的答案。*為了使解變得可行，可以改變哪些變量，改變多少？可以理解，本發(fā)明為操作者和工程師提供了關(guān)于改變控制器限制對MPC控制器解的影響的定量輸入。在本發(fā)明之前，工程師僅僅通過進行多個離線MPC模擬才可以得到有關(guān)約束依賴和解除機制的信息。使所有操作者可以立刻得到、訪問和理解這些信息可以允許對改變迅速響應(yīng)并由此允許更優(yōu)化的過程操作?？梢詫@里所描述的本發(fā)明做出各種修改，可以在權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)做出裝置和方法的許多不同實施例，而不背離這樣的精神和范圍。旨在將包含在隨附的說明書中的所有內(nèi)容僅僅理解為示例性的而不是限制。權(quán)利要求1.一種分析來自多變量預(yù)測控制器的解的方法，包括從多變量預(yù)測控制器獲得解，所述預(yù)測控制器具有導(dǎo)致不同的變量約束狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器，其中所述解包括從操縱變量預(yù)測的受控變量；以及對所述解進行操作以獲得約束變量與無約束變量之間的關(guān)系，從而確定無約束變量如何響應(yīng)約束變量的改變。2.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中以矩陣表示所述解，并且對所述解的操作包括在所述矩陣中樞轉(zhuǎn)所述約束的受控變量與所述無約束的操縱變3.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中通過模擬所述控制器并以預(yù)定的量擾動每一個約束形成的矩陣表示所述解，其中將無約束變量的改變與所述預(yù)定的量的比率限定為每一個約束和無約束變量對的增益。4.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括使用所述約束與無約束變量之間的關(guān)系來計算為達到無約束或約束變量的下一個約束，約束變量需要改變的量。5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括為每一個變量確定一組限制并選擇限制以用于計算所述改變的量。6.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中每一個變量具有限制，并且還包括計算每一個變量的限制弛豫的值。7.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括使用所述約束與無約束變量之間的關(guān)系來確定約束的改變可以影響無約束變量的程度。8.根據(jù)權(quán)利要求l的方法，還包括使用所述約束與無約束變量之間的關(guān)系來確定將違背變量的約束移動到可行性范圍所需要的改變的量。9.一種用于過程設(shè)備的控制系統(tǒng)操作方法，包括從包括與所述過程相關(guān)的操縱變量和受控變量的基礎(chǔ)模型文件基于所述操縱變量與所述受控變量之間的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取原始增益矩陣；通過有效約束條件分類所述操縱變量和受控變量，其中所述分類基于約束條件、無約束條件或違背條件；基于所述有效約束條件分類來計算每一個變量的可能的移動量；基于所述有效約束條件改變所述增益矩陣的階以獲得優(yōu)化解的才莫型矩陣表示；通過在所述模型矩陣中樞轉(zhuǎn)所述約束的受控變量與所述無約束的操縱變量形成結(jié)果矩陣來形成所述結(jié)果矩陣；以及使用所述結(jié)果矩陣和所述可能的移動量來計算所述無約束變量對所述約束變量的改變的響應(yīng)。10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中計算無約束變量的可能的移動量產(chǎn)生操作者高限制、操作者低限制或步長限制。11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中每一個變量具有限制組，并且計算所述可能的移動量包括從所述限制組中選擇限制以用于所述計算。12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中計算約束變量的可能的移動量包括確定接下來將達到哪一個約束條件。13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中計算違背變量的可能的移動量包括確定什么移動將使所述變量返回到限制。14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中改變所述增益矩陣的階包括向所述矩陣的頂部移動無約束的操縱變量和向所述矩陣的左邊移動約束的受控變量。15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中改變所述增益矩陣的階產(chǎn)生這樣的矩P車，所述矩陣具有(i)無約束的操縱變量到約束的受控變量的模型，(ii)約束的操縱變量到約束的受控變量的模型，(iii)無約束的操縱變量到無約束的受控變量的模型，以及(iv)約束的操縱變量到無約束的受控變量的模型。16.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用所述結(jié)果矩陣包括確定在達到另一約束之前約束變量可以被改變多遠。17.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用所述結(jié)果矩陣包括確定影響每一個無約束變量的所有約束變量。18.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用所述結(jié)果矩陣包括確定每一個約束的改變對于相關(guān)的無約束變量的影響有多大。19.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用所述結(jié)果矩陣包括為每一個約束計算實現(xiàn)可行性所必要的移動。20.—種過程的控制系統(tǒng)，包括存儲裝置，存儲基礎(chǔ)模型文件，所述M模型文件包括與所述過程相關(guān)的操縱變量和受控變量；以及與所述存儲裝置相關(guān)的控制器，其從所述J^出模型文件基于所述操縱變量與所述受控變量之間的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取原始增益矩陣，其中所述控制器通過下述步驟使用優(yōu)化解來描述無約束變量如何響應(yīng)約束變量的改變通過有效約束條件來分類所述操縱變量和受控變量，其中所述分類基于約束條件、無約束條件或違背條件；基于所述有效約束條件分類來計算每一個變量的可能的移動量；基于所述有效約束條件改變所述增益矩陣的階以獲得優(yōu)化解的模型矩陣表示；通過在所述才莫型矩陣中樞轉(zhuǎn)所述約束的受控變量與所述無約束的操縱變量形成結(jié)果矩陣來形成所述結(jié)果矩陣；以及^使用所述結(jié)果矩陣和所述可能的移動量來計算所述無約束變量對所述約束變量的改變的響應(yīng)。21.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過評估優(yōu)化函數(shù)結(jié)果的可能改變來計算無約束變量的可能的移動量。22.根據(jù)權(quán)利要求21的控制系統(tǒng)，其中所述優(yōu)化函數(shù)結(jié)果為操作者高限制、操作者低限制或步長限制。23.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過確定接下來將達到哪一個約束條件來計算約束變量的可能的移動量。24.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過確定什么移動將使所述變量返回到限制來計算違背變量的可能的移動量。25.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過向所述矩陣的頂部移動無約束的操縱變量并向所述矩陣的左邊移動約束的受控變量來改變所述增益矩陣的階。26.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器改變所述增益矩陣的階產(chǎn)生以這樣的矩陣，所述矩陣具有(i)無約束的操縱變量到約束的受控變量的模型，(ii)約束的操縱變量到約束的受控變量的模型，(m)無約束的操縱變量到無約束的受控變量的模型，以及(iv)約束的操縱變量到無約束的受控變量的模型。27.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過使用所述結(jié)果矩陣來確定在達到另一約束之前約束變量可以被改變多遠。28.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過使用所述結(jié)果矩陣來確定影響每一個無約束變量的所有約束變量。29.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過使用所述結(jié)果矩陣來確定每一個約束的改變對于相關(guān)的無約束變量的影響有多大。30.根據(jù)權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)，其中所述控制器通過使用所述結(jié)果矩陣來為每一個約束計算實現(xiàn)可行性所必要的移動。全文摘要本發(fā)明涉及模型預(yù)測控制器解分析過程。通過為操作者提供與改變控制器限制對MPC控制器解的影響相關(guān)的定量輸入來分析和描述來自多變量預(yù)測控制器(MPC)的解。所述信息允許操作者對改變的迅速響應(yīng)和更優(yōu)化的過程操作。文檔編號G05B17/00GK101517498SQ200780034805公開日2009年8月26日申請日期2007年9月19日優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日發(fā)明者A·R·普努魯,D·巴雷特-佩頓,K·F·埃米?；魻柎?R·K·旺,T·J·彼得森申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?