專利名稱：集成模型預(yù)測控制和優(yōu)化器功能塊的配置和觀察顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及過程控制系統(tǒng)，具體涉及在過程控制系統(tǒng)中最佳模型預(yù)測控制器的使用。
背景技術(shù)：
過程控制系統(tǒng)，諸如那些用于化學(xué)、石油或其它過程中的分布式或可伸縮的過程控制系統(tǒng)，典型地包括一個(gè)或多個(gè)過程控制器，它們經(jīng)由模擬、數(shù)字或組合的模擬/數(shù)字總線可通信地彼此連接在一起、連接到至少一個(gè)主機(jī)或操作員工作站和連接到一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備可以例如是閥門、閥門定位器、開關(guān)和發(fā)送器(諸如溫度、壓力和流速傳感器)，在諸如打開或關(guān)閉閥門和測量過程參數(shù)的過程中起作用。過程控制器接收指示由現(xiàn)場設(shè)備作出的過程測量的信號和/或其它有關(guān)現(xiàn)場設(shè)備的信息，使用這個(gè)信息來實(shí)現(xiàn)控制例程并隨后產(chǎn)生控制信號，這個(gè)控制信號經(jīng)由總線被發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備以控制過程的操作。來自現(xiàn)場設(shè)備和控制器的信息一般可由操作員工作站執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序獲得，以便使得操作員能夠執(zhí)行關(guān)于過程的任何所期望的功能，諸如查看過程的當(dāng)前狀態(tài)、修改過程的操作等。
過程控制器一般被編程來執(zhí)行不同的算法、子例程或用于多個(gè)不同回路(loop)的每一個(gè)的控制回路(它們都是控制例程)，所述控制回路是對一個(gè)過程定義的或包括在一個(gè)過程中的，諸如流控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路等。一般來說，每個(gè)這樣的控制回路包括一個(gè)或多個(gè)諸如模擬輸入(AI)功能塊的輸入塊，諸如比例積分微分(PID)或模糊邏輯控制功能塊的單輸出控制塊、諸如模擬輸出(AO)功能塊的單輸出塊。這些控制回路一般執(zhí)行單輸入/單輸出控制，因?yàn)榭刂茐K建立用于控制諸如閥門位置等的單過程輸入的單控制輸出。但是，在某些情況下，多個(gè)獨(dú)立操作的、單輸入/單輸出回路的使用不是很有效的，因?yàn)楸豢刂频倪^程變量不僅被一個(gè)單過程輸入影響，并且實(shí)際上，每個(gè)過程輸入都可能影響許多過程輸出的狀態(tài)。在此的一個(gè)示例可能出現(xiàn)在例如這樣的過程中，它具有由兩個(gè)輸入管線填充并且由單輸出管線清空的箱體，每條管線由不同的閥門控制，其中，箱體的溫度、壓力和流量被控制在、或接近所期望的值。如上所述，可以利用獨(dú)立的流量控制回路、獨(dú)立的溫度控制回路和獨(dú)立的壓力控制回路來執(zhí)行對箱體的流量、溫度和壓力的控制。但是，在這種情況下，在改變輸入閥門之一的設(shè)置以控制箱體內(nèi)的溫度的溫度控制回路操作中，可能引起箱體內(nèi)的壓力提高，這例如使得壓力回路打開出口閥門以降低壓力。這個(gè)行為可能隨后使得流量控制回路關(guān)閉輸入閥門之一，因此影響溫度并且使得溫度控制回路采取某些其它行動(dòng)。從這個(gè)示例可以明白，單輸入/單輸出控制回路使得過程輸出(在這種情況下，為流量、溫度和壓力)表現(xiàn)出不可接受的方式行為，其中，輸出振蕩而達(dá)不到平穩(wěn)的狀態(tài)條件。
模型預(yù)測控制(MPC)或其它類型的先進(jìn)控制已經(jīng)被用于在其中特定受控的處理變量的改變影響多個(gè)過程變量或輸出的情況下執(zhí)行過程控制。自七十年代后期以來，已經(jīng)報(bào)道了模型預(yù)測控制的許多成功的實(shí)現(xiàn)方式，并且MPC已經(jīng)成為加工工業(yè)中先進(jìn)的多變量控制的主要形式。而且，MPC控制已經(jīng)被作為分布式控制系統(tǒng)分層軟件實(shí)現(xiàn)在分布式控制系統(tǒng)中。美國專利第4,616,308和4,349,869一般地說明了可以用于過程控制系統(tǒng)內(nèi)的MPC控制器。
一般來說，MPC是多輸入/多輸出控制策略，其中測量每個(gè)過程輸入的改變對各個(gè)過程輸出的影響，并且這些測量的響應(yīng)被隨后用于建立過程的控制矩陣或模型。所述處理模型或控制矩陣(它通常定義過程的穩(wěn)態(tài)操作)被數(shù)學(xué)反轉(zhuǎn)，并且隨后被用于或作為多輸入/多輸出控制器以根據(jù)過程輸入的改變來控制過程輸出。在一些情況下，過程模型被表示為對于每個(gè)過程輸入的過程輸出響應(yīng)曲線(典型地為階躍響應(yīng)曲線)，可以根據(jù)例如提供給每個(gè)過程輸入的一系列偽隨機(jī)步驟改變來建立這些曲線。這些響應(yīng)曲線可以用于以公知的方式來對過程進(jìn)行模型化。模型預(yù)測控制是本領(lǐng)域內(nèi)所公知的，因此在此不說明其細(xì)節(jié)。但是，MPC在Qin，S.Joe and Thomas A.Badgwell，“AnOverview of Industrial Model Predictive Control Technology，”AIChEConsference，1996(Qin，S.Joe和Thomas A.Badgwell，“工業(yè)模型預(yù)測控制技術(shù)概覽”，美國化學(xué)工程師學(xué)會(huì)會(huì)議，1996)中被一般地說明。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，MPC是很有效的和有用的控制技術(shù)，它已經(jīng)與過程優(yōu)化相結(jié)合地被使用。為了優(yōu)化使用MPC的過程，優(yōu)化器(optimizer)最小化或最大化一個(gè)或多個(gè)由MPC例程確定的過程輸入變量，以便使得過程在最佳點(diǎn)運(yùn)行。雖然該技術(shù)是可以被計(jì)算的，但是必須選擇例如對于改進(jìn)過程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行(例如過程流量或質(zhì)量)有重要影響的過程變量以從經(jīng)濟(jì)角度優(yōu)化過程。從財(cái)政或經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)的在最佳點(diǎn)運(yùn)行過程典型地要求彼此相結(jié)合地控制多個(gè)過程變量，而不僅僅是單個(gè)過程變量。
已經(jīng)提出利用二次規(guī)劃技術(shù)或諸如內(nèi)點(diǎn)方法的更現(xiàn)代的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，來作為提供具有MPC的動(dòng)態(tài)優(yōu)化的解決方案。利用這些方法，考慮到過程動(dòng)態(tài)、當(dāng)前約束和優(yōu)化目標(biāo)，確定優(yōu)化方案，優(yōu)化器向控制器提供在控制器輸出(即，過程的被控變量)中的變動(dòng)。但是，這個(gè)方法具有很大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，在當(dāng)前的技術(shù)水平上不是實(shí)際可行的。
在使用MPC的多數(shù)情況下，在過程中可以獲得的被控變量(即MPC例程的控制輸出)的數(shù)量大于過程的控制變量的數(shù)量(即必須被控制在特定的設(shè)定點(diǎn)的過程變量的數(shù)量)。結(jié)果，通常存在優(yōu)化和約束處理的多個(gè)自由度。理論上，為了執(zhí)行這樣的優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)計(jì)算由定義過程的最佳操作點(diǎn)的過程變量、約束、極限和經(jīng)濟(jì)因素表示的值。在許多情況下，這些過程變量是被約束的變量，因?yàn)樗鼈兙哂信c它們所屬的過程的物理特性相關(guān)的極限，在所述過程中必須保持這些變量。例如，表示箱體水平的過程變量限于實(shí)際箱體可以物理地達(dá)到的最大和最小水平。優(yōu)化函數(shù)可以計(jì)算與每個(gè)受約束的或輔助的變量相關(guān)聯(lián)的成本和/或收益以工作在收益最大、成本最小的水平上等。這些輔助變量的測量可以隨后作為輸入提供到MPC例程，并且被MPC例程作為具有與由優(yōu)化例程定義的輔助變量的操作點(diǎn)相同的設(shè)定點(diǎn)的控制變量。
MPC提供由僅僅用于平方控制的應(yīng)用所經(jīng)常要求的最佳性能，在用于平方控制(square control)的應(yīng)用中，過程的控制輸入(即由控制例程產(chǎn)生的受控變量)的數(shù)量等于受控的過程變量(即控制器的輸入)的數(shù)量。但是在多數(shù)情況下，輔助約束變量的數(shù)量加上過程控制變量的數(shù)量大于受控變量的數(shù)量。這樣的非平方配置的MPC的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致不可接受的不良性能。
相信其它人已經(jīng)試圖通過動(dòng)態(tài)選擇與受控變量數(shù)量相同的一組控制和受約束變量、在線或在過程操作期間產(chǎn)生控制器以確定受控變量中的下次變化來克服這個(gè)問題。但是，這個(gè)技術(shù)計(jì)算上昂貴，因?yàn)樗M(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，并且不能用于一些情況，例如在過程控制器中被實(shí)現(xiàn)為功能塊的MPC。同等重要的是，所產(chǎn)生的控制器的輸入和輸出的一些組合可能導(dǎo)致病態(tài)控制器，它導(dǎo)致不可接受的操作。雖然可以離線建立控制器配置使驗(yàn)證和改進(jìn)控制的調(diào)整，但是這個(gè)任務(wù)對于在線操作是過大的負(fù)擔(dān)，并且是在控制器級不可能實(shí)際實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
一種接口或顯示例程被提供用于觀察和配置一個(gè)功能塊，這個(gè)功能塊在過程控制系統(tǒng)中執(zhí)行集成優(yōu)化和控制。接口例程可以使用戶能夠觀察或配置過程控制系統(tǒng)中與集成優(yōu)化和控制塊相關(guān)聯(lián)的變量、值或其它參數(shù)。例如，接口例程可以顯示集成功能塊的當(dāng)前操作狀態(tài)，可以使得用戶選擇用于提供集成優(yōu)化和控制的功能塊的輸入和輸出，可以使得用戶選擇特定的或所期望的用于所述功能塊中的優(yōu)化功能，等等。接口例程還可以以下述方式來顯示與集成功能塊的優(yōu)化器和控制器部分相關(guān)聯(lián)的多個(gè)輸入輸出曲線，所述方式使得容易觀察和選擇作為由集成功能塊使用的算法的一部分的這些曲線。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于建立或觀察具有集成優(yōu)化器和多輸入/多輸出控制例程的控制塊的過程控制配置系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)；配置例程，它被存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，并在處理器上被執(zhí)行。所述配置例程包括存儲(chǔ)例程，它存儲(chǔ)由優(yōu)化器和多輸入/多輸出控制例程之一或兩者使用的、與多個(gè)控制和輔助變量以及與多個(gè)受控變量有關(guān)的信息。過程控制配置系統(tǒng)還包括顯示例程，用于向用戶提供關(guān)于一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量的顯示。
如果期望的話，所述存儲(chǔ)例程用于存儲(chǔ)多個(gè)響應(yīng)曲線，每個(gè)響應(yīng)曲線定義控制和輔助變量之一對受控變量之一的響應(yīng)，顯示例程用于在顯示器上提供要由用戶查看的響應(yīng)曲線的子集，所述響應(yīng)曲線的子集包括控制和輔助變量的每個(gè)對受控變量之一的響應(yīng)。如果期望的話，所述配置例程可以包括這樣的一個(gè)例程，它使得用戶能夠選擇控制和輔助變量之一來作為對顯示器上的受控變量之一最佳向應(yīng)的，所述配置例程可以包括這樣一個(gè)例程，它使得用戶能夠剪切和復(fù)制在控制塊中的變量的響應(yīng)曲線。


圖1是一個(gè)包括控制模塊的過程控制系統(tǒng)的方框圖，所述控制模塊具有先進(jìn)的控制器功能塊，它將優(yōu)化器和MPC控制器集成在一起；圖2是具有集成的優(yōu)化器和MPC控制器的、圖1中的先進(jìn)控制器功能塊的方框圖；圖3是圖解建立和安裝圖2的集成優(yōu)化器和MPC控制器功能塊的方式的流程圖；圖4是圖解在在線過程操作期間圖2的集成優(yōu)化器和MPC控制器的操作的流程圖；圖5是圖解在執(zhí)行過程控制的控制模塊中的先進(jìn)控制塊的配置程序的屏幕顯示；圖6是圖解表示圖5的先進(jìn)控制塊特性的對話框的配置程序的屏幕顯示；圖7是圖解選擇或指定在圖5的顯示中描述的先進(jìn)控制功能塊的輸入和輸出方式的配置程序的屏幕顯示；圖8是由使得用戶或操作員能夠選擇用于建立先進(jìn)控制塊的一組目標(biāo)功能之一的配置程序的屏幕顯示；圖9是可以用于使得用戶能夠在建立先進(jìn)控制塊期間執(zhí)行測試和建立過程模型的測試屏幕的屏幕顯示；圖10是圖解指示不同控制和輔助變量對一個(gè)特定受控變量的響應(yīng)的階躍響應(yīng)的配置程序的屏幕顯示；圖11是圖解將圖9的控制和輔助變量之一選擇為與所述受控變量主要相關(guān)聯(lián)的方式的配置程序的屏幕顯示；圖12是圖解指示同一控制或輔助變量對不同受控變量的響應(yīng)的階躍響應(yīng)的配置程序的屏幕顯示；圖13是圖解復(fù)制要被復(fù)制用于不同模型的模型的階躍響應(yīng)之一的方式的屏幕顯示；圖14是圖解觀察和改變階躍響應(yīng)曲線的方式的屏幕顯示；圖15是圖解在先進(jìn)控制塊操作期間向操作員提供信息的對話屏幕的屏幕顯示；
圖16是圖解可以被提供給用戶或操作員以執(zhí)行對先進(jìn)控制塊的診斷的診斷屏幕的屏幕顯示。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照圖1，過程控制系統(tǒng)10包括過程控制器11，它與數(shù)據(jù)歷史單元12和一個(gè)或多個(gè)主機(jī)工作站或計(jì)算機(jī)13(可以是任何類型的個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站等)可通信地連接，每個(gè)主機(jī)工作站或計(jì)算機(jī)13具有一個(gè)顯示屏幕14?？刂破?1也經(jīng)由輸入/輸出(I/O)卡26和28連接到現(xiàn)場設(shè)備15-22。數(shù)據(jù)歷史單元12可以是任何所期望類型的數(shù)據(jù)收集單元，它具有任何所期望類型的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和任何所期望或公知的軟件、硬件或固件，數(shù)據(jù)歷史單元12可以是與工作站13分離的(如圖1所示)、或者是工作站13之一的一部分。控制器11可以例如是由Fisher-Rosemount Systems，Inc.公司銷售的DeltaVTM控制器，它經(jīng)由例如以太網(wǎng)連接或任何其它所期望的通信網(wǎng)絡(luò)29可通信地連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)13和數(shù)據(jù)歷史單元12。通信網(wǎng)絡(luò)29的形式可以是局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、電信網(wǎng)絡(luò)等，可以利用硬連線或無線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)29。控制器11利用與例如標(biāo)準(zhǔn)4-20ma設(shè)備和/或任何智能通信協(xié)議相關(guān)聯(lián)的任何所期望硬件和軟件可通信地連接到現(xiàn)場設(shè)備15-22，所述智能通信協(xié)議諸如FOUNDATION現(xiàn)場總線(Fieldbus)協(xié)議、HART協(xié)議等。
現(xiàn)場設(shè)備15-22可以是任何類型的設(shè)備，諸如傳感器、閥門、發(fā)送器、定位器等，而I/O卡26和28可以是任何類型的符合所期望的通信或控制器協(xié)議的I/O設(shè)備。在圖1所示的實(shí)施例中，現(xiàn)場設(shè)備15-18是4-20ma標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，它們通過模擬線與I/O卡26通信，而現(xiàn)場設(shè)備19-22是諸如Fieldbus現(xiàn)場設(shè)備的智能設(shè)備，它們利用Fieldbus協(xié)議通信通過數(shù)字總線與I/O卡28通信。當(dāng)然，現(xiàn)場設(shè)備15-22可以符合任何其它所期望的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，包括未來開發(fā)的任何標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。
控制器11可以是在其中具有至少一個(gè)處理器的工廠10內(nèi)的許多分布式控制器之一，它實(shí)現(xiàn)或預(yù)見一個(gè)或多個(gè)過程控制例程，其包括存儲(chǔ)在其中的或否則與其相關(guān)的控制回路?？刂破?1也與設(shè)備15-22、主機(jī)計(jì)算機(jī)13和數(shù)據(jù)歷史單元12通信，以便以任何所期望的方式控制過程。應(yīng)當(dāng)注意，在此所述的任何控制例程或要素如果期望的話可以具有由不同的控制器或其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行的部分。同樣，要在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)實(shí)現(xiàn)的、在此所述的控制例程或要素可以采用任何形式，包括軟件、固件、硬件等。為了這個(gè)討論的目的，過程控制要素可以是過程控制系統(tǒng)的任何部分，包括例如存儲(chǔ)在任何計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的例程、塊或模塊。控制例程可以是模塊或諸如子例程的控制程序的任何部分、子例程的部分(諸如代碼行)等，它可以以任何所期望的軟件格式被實(shí)現(xiàn)，諸如使用梯形邏輯(ladder logic)、順序功能表、功能塊表、面向?qū)ο蟮木幊袒蛉魏纹渌能浖幊陶Z言或設(shè)計(jì)范例。同樣，控制例程可以被硬編碼到例如一個(gè)或多個(gè)EPROM、EEPROM、特定用途集成電路(ASIC)或任何其它硬件或固件元素中。進(jìn)一步，可以使用任何設(shè)計(jì)工具來設(shè)計(jì)控制例程，所述設(shè)計(jì)工具包括圖形設(shè)計(jì)工具或任何其它類型的軟件/硬件/固件編程或設(shè)計(jì)工具。因此，控制器11可以被配置來以任何所期望的方式實(shí)現(xiàn)控制策略或控制例程。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制器11使用通常所稱的功能塊來實(shí)現(xiàn)控制策略，其中，每個(gè)功能塊是整體控制例程的一部分或?qū)ο?，并?經(jīng)由被稱為鏈接的通信)與其它功能塊相結(jié)合地工作以實(shí)現(xiàn)在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)的過程控制回路。功能塊一般執(zhí)行輸入功能、控制功能或輸出功能之一，輸入功能諸如與發(fā)射器、傳感器或其它過程參數(shù)測量設(shè)備相關(guān)的輸入功能，控制功能諸如與執(zhí)行PID、模糊邏輯等控制的控制相關(guān)的控制功能，輸出功能控制諸如閥門的一些設(shè)備的操作以在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)執(zhí)行一些物理功能。當(dāng)然，也存在混合和其它類型的功能塊。功能塊可以被存儲(chǔ)在控制器11中并且由控制器11執(zhí)行，這種情況典型的是當(dāng)這些功能塊被用于、或相關(guān)于4-20ma標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和諸如HART設(shè)備這樣類型的智能現(xiàn)場設(shè)備時(shí)，或可以被存儲(chǔ)在現(xiàn)場設(shè)備本身和由現(xiàn)場設(shè)備本身執(zhí)行，這可以是對于Fieldbus設(shè)備的情況。雖然在此可以使用面向?qū)ο蟮木幊谭独墓δ軌K控制策略來提供對控制系統(tǒng)的描述，但是也可以利用諸如梯形邏輯、順序功能圖等的其它約定或利用任何其它期望的編程語言或范例來實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)控制策略或控制回路或模塊。
如圖1的擴(kuò)展塊30所示，控制器11可以包括多個(gè)被圖解為例程32和34的單回路控制例程，并且可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)被圖解為控制回路36的先進(jìn)控制塊。每個(gè)這樣的回路典型地被稱為控制模塊。單回路控制例程32和34被圖解為利用單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊來實(shí)施單回路控制，單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊分別連接到適當(dāng)?shù)哪M輸入(AI)和模擬輸出(AO)功能塊，模擬輸入(AI)和模擬輸出(AO)功能塊可能與諸如閥門的過程控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)、與諸如溫度和壓力發(fā)送器的測量設(shè)備相關(guān)聯(lián)或與在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)的任何其它設(shè)備相關(guān)聯(lián)。先進(jìn)控制回路36被圖解為包括先進(jìn)控制塊38，它具有與多個(gè)AI功能塊可通信地連接的輸入和與多個(gè)AO功能塊可通信地連接的輸出，但是先進(jìn)控制塊38的輸入和輸出可以被可通信地連接到任何其它的所期望功能塊或控制元件以接收其它類型的輸入和提供其它類型的控制輸出。如將進(jìn)一步說明的，先進(jìn)控制塊38可以是這樣的控制塊，它集成模型預(yù)測控制例程與優(yōu)化器以執(zhí)行過程或一部分過程的優(yōu)化控制。雖然在此說明先進(jìn)控制塊38包括模型預(yù)測控制(MPC)塊，但是先進(jìn)控制塊38也可以包括任何其它的多輸入/多輸出控制例程或程序，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建?；蚩刂评?、多變量模糊邏輯控制例程等?？梢悦靼祝ㄏ冗M(jìn)控制塊38的圖1所示的功能塊可以由控制器11執(zhí)行，或者可以位于任何其它的處理設(shè)備中或可以由任何其它的處理設(shè)備執(zhí)行，諸如工作站13之一或甚至現(xiàn)場設(shè)備19-22之一。
如圖1所示，工作站13之一包括先進(jìn)控制塊產(chǎn)生例程40，用于建立、下載和實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制塊38。雖然這個(gè)先進(jìn)控制塊產(chǎn)生例程40可以被存儲(chǔ)在工作站13的一個(gè)存儲(chǔ)器中并且可以由其中的處理器執(zhí)行，但是如果期望的話，這個(gè)例程(或其任何部分)可以另外或作為另一選擇被存儲(chǔ)在過程控制系統(tǒng)10內(nèi)的任何其它設(shè)備中和由其執(zhí)行。一般而言，先進(jìn)控制塊產(chǎn)生例程40包括控制塊建立例程42，它建立在此進(jìn)一步說明的先進(jìn)控制塊，并且將這個(gè)先進(jìn)控制塊連接到過程控制系統(tǒng)中；過程建模例程44，它根據(jù)由先進(jìn)控制塊收集的數(shù)據(jù)建立過程或其一部分的過程模型；控制邏輯參數(shù)建立例程46，它從過程模型建立用于先進(jìn)控制塊的控制邏輯參數(shù)，并且在先進(jìn)控制塊中存儲(chǔ)或下載這些控制邏輯參數(shù)，以用于控制過程；優(yōu)化器例程48，它建立優(yōu)化器來用于先進(jìn)控制塊?？梢悦靼祝?2、44、46和48可以由一系列不同的例程構(gòu)成，諸如第一例程，它建立一個(gè)先進(jìn)控制元素，該元素具有被適配來接收過程輸出的控制輸入，并且具有被適配來向過程輸入提供控制信號的控制輸出；第二例程，它使得用戶能夠下載和可通信地連接過程控制例程(可以是任何所期望的配置例程)內(nèi)的先進(jìn)控制元素；第三例程，它使用先進(jìn)控制元素來向每個(gè)過程輸入提供激勵(lì)波形；第四例程，它使用先進(jìn)控制元素來收集反映每個(gè)過程輸出對激勵(lì)波形的響應(yīng)的數(shù)據(jù)；第五例程，它選擇或使得用戶能夠選擇一組用于先進(jìn)控制塊的輸入；第六例程，它建立過程模型；第七例程，它從功能模型來產(chǎn)生先進(jìn)控制邏輯參數(shù)；第八例程，它將先進(jìn)控制邏輯和——如果需要的話——過程模型放在先進(jìn)控制元素內(nèi)，以使得先進(jìn)控制元素控制過程；第九例程，它選擇或使得用戶能夠選擇一個(gè)優(yōu)化器來用于先進(jìn)控制塊38中。
圖2圖解了與過程50可通信地連接的先進(jìn)控制塊38的一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的方框圖，可以明白，先進(jìn)控制塊38產(chǎn)生一組受控變量MV，這些受控變量MV被提供到其它功能塊，這些其它功能塊繼而連接到過程50的控制輸入。如圖2所示，先進(jìn)控制塊38包括MPC控制器塊52、優(yōu)化器54、目標(biāo)轉(zhuǎn)換塊55、階躍響應(yīng)模型或控制矩陣56、輸入處理/過濾塊58。MPC控制器52可以是任何標(biāo)準(zhǔn)、方形M×M(其中M可以是任何大于1的數(shù))MPC例程或程序，它具有與輸出相同數(shù)量的輸入。MPC控制器52作為輸入接收在過程50內(nèi)測量的一組N個(gè)控制和輔助變量CV和AV(它們是值的向量)；一組干擾變量DV，它們是未來某個(gè)時(shí)間提供到過程50的已知或預(yù)期的改變或干擾；和一組穩(wěn)態(tài)目標(biāo)控制和輔助變量CVT和AVT，它們被從目標(biāo)轉(zhuǎn)換塊55提供。MPC控制器52使用這些輸入來(以控制信號的形式)建立一組M個(gè)受控變量MV，并且提供這些受控變量MV信號來控制過程50。
而且，MPC控制器52在控制級計(jì)算并向輸入處理/過濾塊58提供一組分別表示控制變量CV、輔助變量AV和受控變量MV的預(yù)測值的、預(yù)測穩(wěn)態(tài)控制變量CVSS和輔助變量AVSS，以及一組預(yù)測的穩(wěn)態(tài)受控變量MVSS。輸入處理/過濾塊58處理控制變量、輔助變量和受控變量CVSS、AVSS、MVSS的所確定的預(yù)測穩(wěn)態(tài)值，以降低噪聲和未預(yù)測的干擾對這些變量的影響。可以明白，輸入處理/過濾塊58可以包括低通濾波器或任何其它輸入處理，所述任何其它輸入處理降低噪聲、建模差錯(cuò)和干擾對這些值影響，并且向優(yōu)化器54提供過濾的控制變量、輔助變量和受控變量CVSSSfil、AVSSfil、MVSSfil。
優(yōu)化器54在這個(gè)示例中是線性規(guī)劃(LP)優(yōu)化器，它使用可以從選擇塊62提供的目標(biāo)函數(shù)(OF)來執(zhí)行過程優(yōu)化?；蛘?，優(yōu)化器54可以是二次規(guī)劃優(yōu)化器，它是具有線性模型和二次目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化器。一般而言，目標(biāo)功能OF將指定與多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量中的每個(gè)相關(guān)的成本和收益，優(yōu)化器54通過最大化和最小化目標(biāo)函數(shù)來為那些變量設(shè)置目標(biāo)值。選擇塊62可以選擇被提供到優(yōu)化器54的目標(biāo)函數(shù)OF來作為一組預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)64之一，目標(biāo)函數(shù)64數(shù)學(xué)地表示定義過程50的最佳操作的不同方式。例如，預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)64之一可以被配置來最大化工廠的收益，另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)64可以被配置來最小化短缺的特定原材料的使用，而再一個(gè)目標(biāo)函數(shù)64可以被配置來最大化在過程50內(nèi)制造的產(chǎn)品的質(zhì)量。一般而言，目標(biāo)函數(shù)使用與控制、輔助和受控變量的每個(gè)變動(dòng)相關(guān)的成本或收益，以確定在一組可接受的點(diǎn)內(nèi)的最佳過程操作點(diǎn)，所述一組可接受的點(diǎn)由控制變量CV的設(shè)定點(diǎn)值或范圍以及輔助變量和受控變量AV和MV的極限來定義。當(dāng)然，任何期望的目標(biāo)函數(shù)都可以被使用來取代或附加到在此描述的目標(biāo)函數(shù)，包括在一定程度上優(yōu)化多個(gè)所關(guān)心項(xiàng)目的每個(gè)的目標(biāo)函數(shù)，所述所關(guān)心項(xiàng)目諸如原材料的使用、收益等。
為了選擇目標(biāo)函數(shù)64之一，用戶或操作員可以提供要使用的目標(biāo)函數(shù)64的一個(gè)指示，通過操作員或用戶終端(諸如圖1的工作站13之一)來選擇這個(gè)目標(biāo)函數(shù)，所述選擇是經(jīng)由輸入66被提供到選擇塊62的。響應(yīng)于輸入66，選擇塊62向優(yōu)化器54提供所選擇的目標(biāo)函數(shù)OF。當(dāng)然，用戶或操作員可以改變在過程操作期間使用的目標(biāo)函數(shù)。如果期望的話，可以在用戶不提供或選擇目標(biāo)函數(shù)的情況下使用默認(rèn)目標(biāo)函數(shù)。下面將詳細(xì)討論一個(gè)可能的默認(rèn)目標(biāo)函數(shù)。雖然被圖解為先進(jìn)控制塊38的一部分，但是不同的目標(biāo)函數(shù)可以存儲(chǔ)在圖1的操作終端13中，并且這些目標(biāo)函數(shù)之一可以在建立或產(chǎn)生這個(gè)塊期間被提供給先進(jìn)控制塊38。
除了目標(biāo)函數(shù)OF，優(yōu)化器54作為輸入還接收一組控制變量設(shè)定點(diǎn)(它們典型地是操作員指定的、用于過程50的控制變量CV的設(shè)定點(diǎn)，并且可以被操作員或其它用戶改變)和與每個(gè)控制變量CV相關(guān)聯(lián)的范圍和加權(quán)或優(yōu)先級。優(yōu)化器54此外還接收輔助變量的一組范圍或約束極限和一組加權(quán)或優(yōu)先級、以及用于控制過程50的受控變量MV的一組極限。一般而言，輔助和受控變量的范圍(典型地基于工廠的物理特性)定義輔助受控變量的極限，而控制變量的范圍提供這樣的一個(gè)范圍，其中，控制變量可以為過程的滿意控制而操作?？刂坪洼o助變量的加權(quán)指定在優(yōu)化過程期間控制變量和輔助變量相對于彼此的相對重要程度，并且可以在一些情況下，如果一些約束被損害，則用于使得優(yōu)化器54能夠產(chǎn)生控制目標(biāo)方案。
在操作期間，優(yōu)化器54可以使用線性規(guī)劃(LP)技術(shù)來執(zhí)行優(yōu)化。如所公知的，線性規(guī)劃是最大化或最小化被稱為目標(biāo)函數(shù)的某個(gè)附加函數(shù)的數(shù)學(xué)技術(shù)，用于求解一組線性方程和不等式。如上所述，目標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)諸如成本或收益的經(jīng)濟(jì)值，但是也可以表達(dá)其它目標(biāo)。此外，可以明白，穩(wěn)態(tài)增益矩陣定義每個(gè)可能的受控變量和控制或輔助變量對的穩(wěn)態(tài)增益。換句話說，穩(wěn)態(tài)增益矩陣定義對于在每個(gè)受控和干擾變量中的單位變化在每個(gè)控制和輔助變量中的穩(wěn)態(tài)增益。這個(gè)穩(wěn)態(tài)增益矩陣一般是N×M矩陣，其中，N是控制和輔助變量的數(shù)量，M是在優(yōu)化器例程中使用的受控變量的數(shù)量。一般，N可以大于、等于或小于M，在最一般的情況下，N大于M。
使用任何公知或標(biāo)準(zhǔn)的LP算法或技術(shù)，優(yōu)化器54反復(fù)確定一組目標(biāo)受控變量MVT(從穩(wěn)態(tài)增益矩陣確定)，這組目標(biāo)受控變量MVT最大化或最小化所選擇的目標(biāo)函數(shù)OF，產(chǎn)生滿足或落入控制變量CV設(shè)定點(diǎn)范圍極限、輔助變量AV約束極限和受控變量MV極限內(nèi)的過程操作。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)化器54實(shí)際確定在受控變量中的變化，并且使用所預(yù)測的穩(wěn)態(tài)控制變量、輔助變量和受控變量CVSSfil、AVSSfil、MVSSfil的指示來從它的當(dāng)前操作確定在過程操作中的改變，即確定在達(dá)到目標(biāo)或最佳過程操作點(diǎn)的過程期間的MPC控制例程的動(dòng)態(tài)操作。這個(gè)動(dòng)態(tài)操作是重要的，因?yàn)樵趶漠?dāng)前操作點(diǎn)到目標(biāo)操作點(diǎn)的移動(dòng)中必須保證不損害任何約束極限。
在一個(gè)實(shí)施例中，LP優(yōu)化器54可以被設(shè)計(jì)來最小化下列形式的目標(biāo)函數(shù)Q＝pt*A*ΔMV+CtΔMV其中Q＝總成本/收益P＝與AV和CV相關(guān)聯(lián)的收益向量C＝與MV相關(guān)聯(lián)的成本向量A＝增益矩陣ΔMV＝用于在MV中所計(jì)算的改變的向量收益值是正數(shù)，成本值是負(fù)數(shù)，用于指示它們對目標(biāo)的影響。使用這個(gè)目標(biāo)函數(shù)，LP優(yōu)化器54計(jì)算在受控變量MV中的變化，所述變化最小化目標(biāo)函數(shù)并且同時(shí)保證控制變量CV保持在自它們的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)的一個(gè)范圍中、輔助變量AV保持在它們的上和下約束極限內(nèi)、受控變量MV保持在它們的上和下極限內(nèi)。
在可以使用的一個(gè)優(yōu)化程序中，受控變量的遞增值被用于當(dāng)前時(shí)間(t)，受控變量的遞增量的和被用于控制級，并且在預(yù)測級確定控制和輔助變量的遞增值而不是位置當(dāng)前值，這在LP應(yīng)用中是典型的。當(dāng)然，LP算法可以被適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)來用于這個(gè)變化。在任何情況下，LP優(yōu)化器54可以使用穩(wěn)態(tài)模型，結(jié)果，對于它的應(yīng)用需要穩(wěn)態(tài)條件。利用在MPC設(shè)計(jì)中通常使用的預(yù)測級，對于自調(diào)節(jié)過程保證了未來的穩(wěn)態(tài)。用于m×n輸入-輸出過程的、具有以遞增形式表達(dá)的預(yù)測級p、控制級c的一個(gè)可能的預(yù)測過程穩(wěn)態(tài)方程是ΔCV(t+p)＝A*ΔMV(t+c)其中ΔCV(t+p)=Δcv1...Δcvn]]>表示在預(yù)測級(t+p)的終端的輸出中的預(yù)測改變，A=a11...a1m..........an1...anm]]>是m×n增益矩陣的過程穩(wěn)態(tài)，ΔMV(t+c)=Δmv1...Δmvm]]>表示在控制級(t+c)的終端受控變量的改變。
向量ΔMV(t+c)表示由每個(gè)控制器輸出mvi進(jìn)行的在控制級的改變的和，以便Δmvi=Σj=1cmvi(t+j)----i=1,2,...,m]]>所述改變應(yīng)當(dāng)滿足對于受控變量MV和控制變量CV的極限(在此輔助變量被當(dāng)作控制變量)MVmin≤MV當(dāng)前+ΔMV(t+c)＜MVmaxCVmin≤CV預(yù)測+ΔCV(t+c)≤CVmax在這種情況下，用于最大化乘積值和最小化原材料成本的目標(biāo)函數(shù)可以被聯(lián)合定義為Qmin=-UCVT*ΔCV(t+p)+UMVT*ΔMV(t+c)]]>其中UCV是用于在控制變量CV過程值中的單位改變的成本向量；UMV是用于在受控變量MV過程值中的單位改變的成本向量。
代入上述的第一方程，目標(biāo)函數(shù)可以以受控變量MV的形式被表達(dá)為Qmin=-UCVT*A*ΔMV(t+c)+UMVT*ΔMV(t+c)]]>
為了找到最佳的解，LP算法對由這個(gè)方程定義的區(qū)域中的初始頂點(diǎn)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，并在每下個(gè)步驟改進(jìn)解直到該算法確定了具有目標(biāo)函數(shù)的最大值(或最小值)的頂點(diǎn)來作為最佳解。所確定的最佳受控變量值被用作要在控制級獲得的目標(biāo)受控變量MVT。
一般而言，在所準(zhǔn)備的矩陣上運(yùn)行LP算法返回三種可能的結(jié)果。首先，對于目標(biāo)受控變量MVT存在唯一的解。第二，該解無限，如果每個(gè)控制和輔助變量具有上限和下限則不發(fā)生這個(gè)結(jié)果。第三，沒有解，這表示對輔助變量的界限或約束太嚴(yán)。為了處理第三種情況，可以放松整體約束以獲得一個(gè)解?；镜募僭O(shè)是對受控變量的極限(高/低限)不能被優(yōu)化器改變。對于輔助變量的約束或極限(高/低限)也是這樣。但是，優(yōu)化器可以從向指定設(shè)定點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制變量CV(CV設(shè)定點(diǎn)控制)改變到向自設(shè)定點(diǎn)或在設(shè)定點(diǎn)周圍的范圍內(nèi)的任何值驅(qū)動(dòng)控制變量(CV范圍控制)。在這種情況下，允許控制變量的值位于一個(gè)范圍內(nèi)而不是在特定的設(shè)定點(diǎn)。如果存在幾個(gè)損害它們的約束的輔助變量AV，并且從CV設(shè)定點(diǎn)控制向CV范圍控制的轉(zhuǎn)換不提供一個(gè)解，則也可能根據(jù)所提供的加權(quán)或優(yōu)先級指定來放松或忽略輔助變量的約束。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過最小化允許它們中的每個(gè)損害它們各自的約束的輔助變量的均方誤差、或通過依序放棄具有最低優(yōu)先級的輔助變量的約束，來確定解。
如上所述，目標(biāo)函數(shù)OF可以被控制塊產(chǎn)生程序40選擇或設(shè)置為默認(rèn)。一種建立這樣的默認(rèn)設(shè)置的方法被提供如下。特別地，雖然期望提供優(yōu)化能力，但是在許多情況下可能僅僅要求以仍然遵守輔助變量和受控變量的操作約束的方式來維持控制變量的設(shè)定點(diǎn)。對于這些應(yīng)用，塊38可以被配置來唯一地作為MPC功能塊進(jìn)行操作。為了提供這種使用方便，可以自動(dòng)建立默認(rèn)的“操作”目標(biāo)函數(shù)，并且將默認(rèn)的成本以及默認(rèn)的輔助變量AV加權(quán)分配到其中不同的變量。這些默認(rèn)量可以將所有的輔助變量AV和受控變量MV的成本設(shè)置為相等的，或向輔助變量和受控變量AV和MV提供一些其它的預(yù)定的成本分配。當(dāng)選擇一個(gè)專家選項(xiàng)時(shí)，則用戶可以建立附加的優(yōu)化選擇和定義它們的對于不同目標(biāo)函數(shù)64的相關(guān)聯(lián)成本。這個(gè)專家用戶也將被允許修改默認(rèn)的目標(biāo)函數(shù)的默認(rèn)輔助變量和控制變量AV和CV加權(quán)。
在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)例如對于過程配置不定義經(jīng)濟(jì)因素時(shí)候，可以從MPC配置自動(dòng)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。一般，可以使用下面的公式來構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。
CDT=CT+PT*A=[C1,...,Cj,...,Cm]+[Σi=1npiai1,Σi=1npiai2,...,Σi=1npiaim]=[CD1,...,CDj,...,CDm]]]>可以從配置設(shè)置定義變量Cj和pj。特別是，假定僅僅可以在LL(低極限)或HL(高極限)定義控制變量CV設(shè)定點(diǎn)，則以下面的方式來定義pj值如果設(shè)定點(diǎn)定義在LL或選擇了最小化，則pj＝-1；如果設(shè)定點(diǎn)定義在HL或選擇了最大化，則pj＝1。
假定對于輔助變量AV沒有輸入配置信息，則對于所有輔助變量AV，Pj＝0。類似地，對于受控變量MV，Cj值依賴于是否定義了優(yōu)選的受控變量目標(biāo)MVT。在定義了優(yōu)選的受控變量目標(biāo)MVT時(shí)如果MVT在HL(高極限)或選擇了最大化，則Cj＝1，如果MVT在LL(低極限)或選擇了最小化，則Cj＝-1，如果不定義MVT，則Cj＝0。
如果期望的話，則可以調(diào)整與MPC控制器52相結(jié)合的優(yōu)化器54的使用的選擇，以便因此提供優(yōu)化程度。為了實(shí)施該功能，可以通過向由MPC控制器52和優(yōu)化器54確定的在受控變量MV中的改變施加不同的加權(quán)來警告由控制器52使用的受控變量MV的改變。受控變量MV的這種加權(quán)組合在此指的是有效MV(MVeff)。這個(gè)有效MVeff可以被確定為ΔMVeff＝ΔMVmpc(1+α/S)+ΔMVopt(1-α)0＜α＜1其中，S是任意或試探性地選擇的。典型地，S將大于1，并且在10的范圍內(nèi)。
在此，對于α＝1，優(yōu)化器對在產(chǎn)生時(shí)設(shè)置的有效輸出作出貢獻(xiàn)。對于α＝0，控制器僅提供MPC動(dòng)態(tài)控制。當(dāng)然，在0和1之間的范圍提供了優(yōu)化器和MPC控制的不同貢獻(xiàn)。
上述的默認(rèn)目標(biāo)函數(shù)可以被用于在其不同的可能操作模式期間建立優(yōu)化器的操作。特別是，當(dāng)控制變量CV的數(shù)量與受控變量MV的數(shù)量相匹配時(shí)，只要輔助變量AV和受控變量MV在它們的極限內(nèi)，則對于默認(rèn)設(shè)置的所期望的行為是維持控制變量CV設(shè)定點(diǎn)。確定預(yù)測輔助變量或受控變量將損害它們的極限，則控制變量工作設(shè)定點(diǎn)將在其范圍內(nèi)被改變以防止這些極限被損害。如果在這種情況下優(yōu)化器54不能找到滿足輔助變量和受控變量極限并且將控制變量保持在它們的范圍中的解，則控制變量將被保持在它們的范圍內(nèi)，并且允許輔助變量從它們的約束極限偏移。在尋找最佳解時(shí)，那些損害極限的輔助變量AV將被等同看待，并且它們的平均極限偏移被最小化。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)行為，將自動(dòng)設(shè)置由目標(biāo)函數(shù)使用的默認(rèn)成本/收益，以便如果范圍被定義為允許偏移低于設(shè)定點(diǎn)則為控制變量CV分配收益1，如果范圍被定義為允許偏移高于設(shè)定點(diǎn)則為控制變量CV分配收益-1。在極限內(nèi)的輔助變量AV將被分配收益0，而受控變量MV將被分配成本0。
當(dāng)控制變量CV的數(shù)量小于受控變量MV的數(shù)量時(shí)，則可以使用額外的自由度來處理與所配置的受控變量MV最后所處位置相關(guān)聯(lián)的要求。在此，只要輔助變量和受控變量在它們的極限內(nèi)，則控制變量設(shè)定點(diǎn)(如果定義了任何控制變量CV)將被維持。受控變量從所配置的最后所處位置的平均偏移將被最小化。如果預(yù)測輔助變量和受控變量中的一個(gè)或多個(gè)將損害它的極限，則控制變量工作設(shè)定點(diǎn)將在它們的范圍內(nèi)被改變以防止這些極限被損害。在這個(gè)條件下，如果存在多個(gè)解，則用于控制的那個(gè)解將使受控變量從所配置的最后所處位置的平均偏移最小化。
當(dāng)優(yōu)化器54不能找到滿足輔助和受控變量的極限并且將控制變量保持在它們的范圍內(nèi)的解(即不存在解)時(shí)，則控制變量將被保持在范圍中并且允許輔助變量偏移它們的約束極限。在尋找最佳解時(shí)，那些損害極限的輔助變量將被等同地對待，并且它們的平均極限偏移被最小化。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)行為，將自動(dòng)設(shè)置由目標(biāo)函數(shù)使用的默認(rèn)成本/收益，以便如果所述范圍被定義為允許偏移低于設(shè)定點(diǎn)，則控制變量將被分配收益1，如果所述范圍被定義為允許偏移大于設(shè)定點(diǎn)，則控制變量將被分配收益-1。輔助變量將被分配收益1或-1，而受控變量將被分配成本0.1。
在任何情況下，在操作后，優(yōu)化器54向目標(biāo)轉(zhuǎn)換塊55提供一組最佳或目標(biāo)受控變量MVT，目標(biāo)轉(zhuǎn)換塊55使用穩(wěn)態(tài)增益矩陣來確定目標(biāo)穩(wěn)態(tài)控制和從目標(biāo)受控變量MVT導(dǎo)致的受控變量。這個(gè)轉(zhuǎn)換是可以直接計(jì)算的，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)增益矩陣定義在受控變量和控制和輔助變量之間的交互，因此可以被用于從所定義的目標(biāo)(穩(wěn)態(tài))受控變量MVT唯一地確定目標(biāo)受控變量和輔助變量CVT和AVT。
一旦被確定。則至少N個(gè)目標(biāo)控制變量和輔助變量CVT和AVT的子集被作為輸入提供給MPC控制器52，MPC控制器52如上所述使用這些目標(biāo)值CVT和AVT來確定一組新的穩(wěn)態(tài)受控變量(在控制級)MVSS，它向在控制級的終端的目標(biāo)值CVT和AVT驅(qū)動(dòng)當(dāng)前的控制和受控變量CV和AV。當(dāng)然，如所公知的，MPC控制器逐步改變受控變量，以試圖達(dá)到這些變量MVSS的穩(wěn)態(tài)值，它們在理論上將是由優(yōu)化器54確定的目標(biāo)受控變量MVT。因?yàn)閮?yōu)化器54和MPC控制器52在每個(gè)過程掃描期間如上所述地操作，因此受控變量的目標(biāo)值MVT可以逐個(gè)掃描地改變，結(jié)果是，MPC控制器可能從未實(shí)際達(dá)到這些目標(biāo)受控變量MVT組中的任何特定的一個(gè)，尤其是在存在噪聲、未預(yù)期的干擾、在過程50中的改變等的時(shí)候。但是，優(yōu)化器54總是驅(qū)動(dòng)控制器52向最佳解移動(dòng)受控變量MV。
如所公知的，MPC控制器52包括控制預(yù)測過程模型70，它可以是N×(M+D)的階躍響應(yīng)矩陣(其中N是控制變量CV的數(shù)量加上輔助變量V的數(shù)量，M是受控變量MV的數(shù)量，D是干擾變量DV的數(shù)量)?？刂祁A(yù)測過程模型70在輸出72上產(chǎn)生對每個(gè)控制變量和輔助變量CV和AV的預(yù)先計(jì)算的預(yù)測，向量求和器74從控制和輔助變量CV和AV的實(shí)際測量值減去對當(dāng)前時(shí)間的這些預(yù)測值，以在輸入76上產(chǎn)生差錯(cuò)或校正向量。
控制預(yù)測過程模型70隨后使用N×(M+D)的階躍響應(yīng)矩陣，根據(jù)被提供給控制預(yù)測過程模型70的其它輸入的干擾變量和受控變量來在控制級預(yù)測每個(gè)控制變量和輔助變量CV和AV的未來控制參數(shù)。控制預(yù)測過程模型70也向輸入處理/過濾塊58提供控制變量和輔助變量CVSS和AVSS的預(yù)測穩(wěn)態(tài)值。
控制目標(biāo)塊80利用先前對于塊38建立的軌道過濾器82來確定對于由目標(biāo)轉(zhuǎn)換塊55提供的N個(gè)目標(biāo)控制變量和輔助變量CVT和AVT的每個(gè)的控制目標(biāo)向量。特別是，軌道過濾器提供單位向量，它限定將控制變量和輔助變量隨著時(shí)間驅(qū)動(dòng)到它們的目標(biāo)值的方式。控制目標(biāo)塊80使用這個(gè)單位向量和目標(biāo)變量CVT和AVT來產(chǎn)生每個(gè)控制和輔助變量的動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)向量，它定義了在由控制級時(shí)間限定的時(shí)間期間在目標(biāo)變量CVT和AVT中的改變。向量求和器84然后從動(dòng)態(tài)控制向量中為每個(gè)控制變量和輔助變量CV和AV減去未來控制參數(shù)向量，以為每個(gè)控制變量和輔助變量CV和AV定義一個(gè)差錯(cuò)向量。每個(gè)控制和輔助變量CV和AV的未來差錯(cuò)向量隨后被提供給MPC算法，MPC算法運(yùn)行選擇受控變量MV步驟，這些步驟在控制級最小化例如最小均方誤差。當(dāng)然，MPC算法或控制器使用M×M過程模型或控制矩陣，M×M過程模型或控制矩陣是由N個(gè)輸入到MPC控制器52的控制和輔助變量和由MPC控制器52輸出的M個(gè)受控變量之間的關(guān)系發(fā)展而成的。
更具體地說，對于優(yōu)化器適用的MPC算法具有兩個(gè)主目標(biāo)。首先，MPC算法試圖在操作約束內(nèi)以最小的MV移動(dòng)來最小化CV控制差錯(cuò)，第二，試圖獲得由優(yōu)化器建立的最佳穩(wěn)態(tài)MV值和從最佳穩(wěn)態(tài)MV值直接計(jì)算的目標(biāo)CV值。
為了滿足這些目標(biāo)，可以擴(kuò)展原始的未約束MPC算法以將MV目標(biāo)包括到最小二乘解中。對于這個(gè)MPC控制器的目標(biāo)函數(shù)是minΔMV(k){||Γy[CV(k)-R(k)]||2+||ΓuΔMV(k)||2+||Γo[ΣΔMV(k)-ΔMVT]||2}]]>其中CV(k)是受控輸出p-階躍在前預(yù)測向量；R(k)是p-階躍在前參考軌道(設(shè)定點(diǎn))向量；ΔMV(k)是c-階躍在前遞增控制移動(dòng)向量；Гy＝diag{Гy1，…，Гyp}是關(guān)于受控輸出差錯(cuò)的懲罰矩陣；Гu＝diag{Гu1，…，Гuc}是關(guān)于控制移動(dòng)的懲罰矩陣；p是預(yù)測級(階躍的數(shù)量)；c是控制級(階躍的數(shù)量)；Гo是對在控制級上的控制器輸出移動(dòng)的和相對于由優(yōu)化器限定的MV的目標(biāo)最佳改變的誤差的懲罰。為了表示的簡單，目標(biāo)函數(shù)對單輸入/單輸出(SISO)控制示出。
可以明白，前兩項(xiàng)是未約束的MPC控制器的目標(biāo)函數(shù)，而第三項(xiàng)建立使得控制器輸出移動(dòng)的和等于最佳目標(biāo)的附加條件。換句話說，前兩項(xiàng)建立控制器動(dòng)態(tài)操作目標(biāo)，而第三項(xiàng)建立穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)。
可以注意到，與未約束的MPC控制器類似，對于這個(gè)控制器的一般的解可以表達(dá)為ΔMV(k)=(SuTΓTΓSu+ΓuTΓu)-1SuTΓTΓEp+1(k)=KompcEp+1(k)]]>其中ΔMV(k)是在時(shí)間k在MPC控制器輸出中的改變；Kompc是優(yōu)化的MPC控制器增益；Su是由SISO模型的大小為pxc的階躍響應(yīng)，和具有m個(gè)受控輸入和n個(gè)控制輸出的多輸入/多輸出MIMO模型的大小為p*n×c*m的階躍響應(yīng)建立的過程動(dòng)態(tài)矩陣。
對于優(yōu)化的MPC，動(dòng)態(tài)矩陣被擴(kuò)展到大小對于SISO模型為(p+1)×m，對于MIMO模型為(p+m)*n×c*m，以便容納MV差錯(cuò)。Ep+1(k)是在預(yù)測級的CV差錯(cuò)向量和在控制級的控制器輸出移動(dòng)的和相對于MV的目標(biāo)最佳改變的誤差。矩陣Г組合矩陣Гy和Гo，并且對于SISO控制器是大小為(p+1)、對于多變量控制器大小為[n(p+m)]的方陣。上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置矩陣。
已經(jīng)確定，因?yàn)閮?yōu)化器54根據(jù)所有的控制和輔助變量CV和AV來優(yōu)化以確定定義唯一最佳操作點(diǎn)的一個(gè)受控變量MVT的目標(biāo)集，所以MPC控制器52僅使用在它的控制矩陣中的控制和輔助變量CV和AV的子集來操作以實(shí)際產(chǎn)生由其輸出的受控變量MV，因?yàn)楫?dāng)控制器52向與其相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)所選擇的控制和輔助變量CV和AV的子集的時(shí)候，控制和輔助變量的全集的其它變量也將在它們的目標(biāo)值。結(jié)果，已經(jīng)確定具有M×M控制矩陣的方形(M×M)MPC控制器可以與使用矩形(N×M)過程模型的優(yōu)化器一起使用，以執(zhí)行過程優(yōu)化。這使得標(biāo)準(zhǔn)的MPC控制技術(shù)能夠被用于標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化技術(shù)而不必以維護(hù)人員的近似和在控制器中的與這樣的轉(zhuǎn)換技術(shù)相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)來反轉(zhuǎn)非方陣。
在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)MPC控制器是正方的時(shí)，即受控變量MV的數(shù)量等于控制變量CV的數(shù)量時(shí)，則可以如下通過CV值的改變有效地獲得受控變量MV的目標(biāo)ΔCV＝A*ΔMVTΔMVT-MV的最佳目標(biāo)改變?chǔ)V-用于獲得最佳MV的CV改變。CV改變是通過管理CV設(shè)定點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。
在操作中，優(yōu)化器54在每次掃描中建立和更新MPC未約束控制器的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)。因此，MPC控制器52執(zhí)行未約束算法。因?yàn)槟繕?biāo)CVT和AVT是以考慮約束的方式設(shè)置的，只要存在可行的解，控制器就工作在約束極限內(nèi)。因此，優(yōu)化是MPC控制器的一個(gè)組成部分。
圖3和4說明了圖解用于執(zhí)行集成模型預(yù)測控制和優(yōu)化的步驟的流程圖90。流程圖90一般被劃分成兩個(gè)部分90a(圖3)和90b(圖4)，圖解在過程操作之前發(fā)生的功能(90a)和在過程操作期間、如在過程操作的每次掃描期間發(fā)生的功能(90b)。在過程操作之前，操作員或工程師采取多個(gè)步驟來建立先進(jìn)控制塊38，其中包括集成的MPC控制器和優(yōu)化器。特別是，在塊92，可以選擇先進(jìn)的控制摸板來用作先進(jìn)控制塊38。模板可以被存儲(chǔ)在用戶接口13上的配置應(yīng)用內(nèi)的庫中并從其復(fù)制，并且可以包括MPC控制器例程52和優(yōu)化器54的一般的數(shù)學(xué)和邏輯功能，而沒有特定的MPC、過程模型和穩(wěn)態(tài)增益或控制矩陣以及特定的目標(biāo)函數(shù)。這個(gè)先進(jìn)控制模板可以被放置到具有其它塊以及其它類型的功能塊的模塊中，所述其它塊諸如被配置用來與在過程50的中設(shè)備通信的輸入和輸出塊，功能塊諸如控制塊，包括PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制塊。可以理解，在一個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)模塊中的塊是在面向?qū)ο蟮木幊谭独械母鱾€(gè)對象，其輸入輸出彼此連接以執(zhí)行在塊之間的通信。在操作期間，運(yùn)行模塊的處理器在不同的時(shí)間利用對塊的輸入依序運(yùn)行每個(gè)塊，以產(chǎn)生塊的輸出，這些輸出隨后被提供給由塊之間的特定通信鏈路定義的其它塊的輸入。
在塊94，操作員定義要用在塊38中使用的特定受控變量、控制變量、受約束的變量和干擾變量。如果期望的話，在諸如圖1的程序40的配置程序中，用戶可以查看控制模板，選擇要命名和配置的輸入和輸出，利用在配置環(huán)境中的任何標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器進(jìn)行瀏覽以找到控制系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際的輸入和輸出，選擇這些實(shí)際控制變量作為控制模板的輸入和輸出控制變量。圖5圖解了由配置例程建立的屏幕顯示，其描述了控制模塊DEB_MPC，它包括多個(gè)相互連接的功能塊，其中包括多個(gè)AI(模擬輸入)和AO(模擬輸出)功能塊、多個(gè)PID控制功能塊和一個(gè)作為先進(jìn)功能塊的MPC-PRO功能塊。在圖5顯示左側(cè)的樹結(jié)構(gòu)圖解了在DEB_MPC模塊中的功能塊，包括例如塊1、C4_AI、C4_DGEN等。
可以明白，用戶可以通過在MPC-PRO功能塊的輸入和輸出與其它功能塊的輸入和輸出之間劃線來指定MPC-PRO功能塊的輸入和輸出。或者，用戶可以選擇MPC-PRO塊以獲得對MPC-PRO塊的特性的訪問。如圖6所示，可以顯示的對話框以使得用戶能夠查看MPC-PRO塊的特性。如圖6所示，可以對每個(gè)控制、受控、干擾和約束(輔助)變量提供不同的標(biāo)簽以提供這些變量的組織結(jié)構(gòu)，這尤其是當(dāng)諸如20或更多的變量與先進(jìn)控制塊38相關(guān)聯(lián)時(shí)是必要的。在對于特定類型的變量的標(biāo)簽內(nèi)，可以提供說明、低和高限(約束)以及路徑名稱。另外，用戶或操作員可以指定在變量失敗情況下要做什么，諸如不采取行動(dòng)、使用變量的模擬值來取代測量值或接受手工輸入。而且，操作員可以指定是否最小化或最大化這個(gè)變量以執(zhí)行與這個(gè)變量相關(guān)聯(lián)的優(yōu)化和優(yōu)先級或加權(quán)和收益值。這些字段當(dāng)未使用默認(rèn)目標(biāo)函數(shù)的時(shí)候必須被填入。當(dāng)然，用戶可以利用在對話框右側(cè)的適當(dāng)按鍵增加、移動(dòng)、修改或刪除信息或變量。
用戶可以通過選擇變量來指定或改變一個(gè)或多個(gè)變量的信息。在這種情況下，可以向用戶顯示對話框，諸如圖7的用于REFLUX FLOW受控變量的對話框。用戶可以改變在其不同框內(nèi)的信息并可以通過瀏覽來指定信息，諸如變量的路徑名稱(即它的輸入或輸出連接)。利用圖7的屏幕，用戶可以選擇一個(gè)內(nèi)部瀏覽按鈕或外部瀏覽按鈕來在其內(nèi)定位了MPC-PRO塊的模塊內(nèi)或在模塊外部進(jìn)行瀏覽。當(dāng)然，如果期望的話，操作員或用戶可以手動(dòng)提供地址、路徑名稱、標(biāo)簽名稱等，如果期望的話定義到和自先進(jìn)控制塊的輸入和輸出連接。
在選擇了至先進(jìn)控制功能塊的輸入和輸出之后，用戶可以定義與控制變量相關(guān)聯(lián)的設(shè)定點(diǎn)，與控制變量、輔助變量和受控變量相關(guān)聯(lián)的范圍或極限，以及與每個(gè)控制、輔助和受控變量相關(guān)聯(lián)的加權(quán)。當(dāng)然，一些這種信息、諸如約束極限或范圍可能在這些變量在過程控制系統(tǒng)配置環(huán)境中被選擇或發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)與這些變量相關(guān)聯(lián)。如果期望的話，在圖3的塊96，操作員可以通過為每個(gè)受控變量、控制變量和輔助變量指定單位成本和/或收益來配置一個(gè)或多個(gè)用在優(yōu)化器中的目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)然，此處，操作員可以選擇使用如上所述的默認(rèn)目標(biāo)函數(shù)。圖8是由配置例程提供的屏幕顯示，所述配置例程使得用戶或操作員能夠選擇一組目標(biāo)函數(shù)之一來用于建立先進(jìn)控制塊。可以明白，用戶可以使用諸如由圖8提供的屏幕顯示來選擇一組先前存儲(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)，在此被圖解為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)2-5。
在輸入(控制、輔助和干擾變量)被命名和結(jié)合到先進(jìn)控制模板并且加權(quán)、極限和設(shè)定點(diǎn)與其相關(guān)聯(lián)之后，在圖3的塊98，先進(jìn)的控制模板被下載到過程內(nèi)所選擇的控制器中，作為用于控制的功能塊?？刂茐K的一般特性和配置這個(gè)控制塊的方式被說明于美國專利第6,445,963號，題目為“IntegratedAdvanced Control Blocks in Process Control Systems(過程控制系統(tǒng)中的集成先進(jìn)控制塊)”，這個(gè)專利被轉(zhuǎn)讓給本授讓人，在此通過引用將其明確地并入。雖然這個(gè)專利說明了在過程控制系統(tǒng)中建立MPC控制器的特性，并且沒有討論優(yōu)化器可以連接到該控制器的方式，但是應(yīng)該明白，其連接和配置控制器的一般步驟可以用于在此說明的控制塊38，并且模板包括所有在此對于控制塊38所討論的所有邏輯元素，而不僅僅是在該專利中所述的那些。
在任何情況下，在先進(jìn)控制模板被下載到控制器中之后，操作員可以在塊100選擇運(yùn)行控制模板的測試階段以產(chǎn)生要用于MPC控制器算法中的階躍響應(yīng)矩陣和過程模型。如在上述的專利中所述，在測試階段，在先進(jìn)控制塊38中的控制邏輯向過程提供一系列偽隨機(jī)波形作為受控變量，并且觀察在控制和輔助變量(它們被MPC控制器本質(zhì)上當(dāng)作控制變量)中的改變。如果期望的話，可以通過圖1的歷史單元12來收集受控變量和干擾變量以及控制和輔助變量，操作員可以建立配置程序40(圖1)以從歷史單元12獲得該數(shù)據(jù)，并以任何方式對該數(shù)據(jù)實(shí)施傾向化，以獲得或確定階躍響應(yīng)矩陣，每個(gè)階躍響應(yīng)標(biāo)識控制或輔助變量之一對于受控變量和控制變量之一(并且僅為一個(gè))的單位改變在時(shí)間上的響應(yīng)。這個(gè)單位改變一般是階躍改變，但是可以是另一種類型的改變，諸如沖擊或傾斜改變。另一方面，如果期望的話，控制塊38可以響應(yīng)于當(dāng)將偽隨機(jī)波形施加到過程50時(shí)收集的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生階躍響應(yīng)矩陣，并且隨后將波形提供到被建立和安裝先進(jìn)控制塊38的操作員或用戶使用的操作員接口13。
圖9圖解了可以由測試?yán)烫峁┑钠聊伙@示，以向操作員提供收集和傾向的數(shù)據(jù)的圖表，它們使得操作員能夠指導(dǎo)階躍響應(yīng)曲線、以及因此在先進(jìn)控制塊的MPC控制器中使用的過程模型或控制矩陣的建立。特別是，圖表區(qū)域101響應(yīng)于測試波形而繪制多個(gè)輸入或輸出的數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)(由操作員先前指定)。條形圖區(qū)域102提供了一個(gè)用于每個(gè)傾向數(shù)據(jù)變量的條形圖，為每個(gè)傾向的變量圖解變量的名稱、條形圖形式的變量當(dāng)前值、適用的設(shè)定點(diǎn)(由在條形圖上的大三角指示)、適用的極限(由在條形圖上的小三角指示)。其它顯示區(qū)域圖解了關(guān)于先進(jìn)控制塊的其它內(nèi)容，諸如塊的目標(biāo)和實(shí)際模式(104)和到穩(wěn)態(tài)的配置時(shí)間(106)。
在建立先進(jìn)控制塊的過程模型之前，操作員可以從趨勢圖表101圖形地指定要使用的數(shù)據(jù)。特別是，操作員可以指定圖表102的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)108和110作為要用于建立階躍響應(yīng)的數(shù)據(jù)。在這個(gè)區(qū)域中的數(shù)據(jù)可以以諸如綠色的不同的顏色加陰影，以便可視地指示所選擇的數(shù)據(jù)。同樣，操作員可以指定在這個(gè)加陰影區(qū)域中要排除的區(qū)域(作為無代表性、噪聲或不期望的干擾的影響等)。這個(gè)區(qū)域被圖解在線112和114之間，并且可以被加例如紅色陰影，以便指示這個(gè)數(shù)據(jù)不包括在階躍響應(yīng)的產(chǎn)生中。當(dāng)然，用戶可以包括或排除任何所期望的數(shù)據(jù)，并且可以對于多個(gè)趨勢圖表的每個(gè)執(zhí)行這些功能(圖9圖解了在這種情況下可以獲得的8個(gè)趨勢圖表)，不同的趨勢圖表與例如不同的受控變量、控制變量、輔助變量等相關(guān)聯(lián)。
為了建立一組階躍響應(yīng)，操作員可以選擇在圖9的屏幕顯示上的建模按鍵116，并且建立例程將使用從趨勢圖表所選擇的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一組階躍響應(yīng)，每個(gè)階躍響應(yīng)表示控制或輔助變量之一對受控或干擾變量之一的響應(yīng)。這個(gè)產(chǎn)生過程是公知的，在此不再進(jìn)一步詳細(xì)說明。
在建立階躍響應(yīng)矩陣之后，在控制和輔助變量的數(shù)量超過受控變量的情況下，階躍響應(yīng)矩陣被用于選擇控制和輔助變量的子集，它將被用于MPC算法來作為要在MPC控制器52內(nèi)反轉(zhuǎn)和使用的M×M過程模型或控制矩陣。這個(gè)選擇過程可以由操作員手動(dòng)或由在例如可以訪問階躍響應(yīng)矩陣的用戶接口13內(nèi)的例程自動(dòng)執(zhí)行。一般而言，控制和輔助變量之中的單獨(dú)一個(gè)將被標(biāo)識為與受控變量中的單獨(dú)一個(gè)最接近地相關(guān)聯(lián)。因此，控制和輔助變量(對過程控制器的輸入)之中的單獨(dú)和唯一的(即不同的)一個(gè)將與不同的受控變量(過程控制器的輸出)的每個(gè)相關(guān)聯(lián)，以便MPC算法可以基于由M×M組階躍響應(yīng)建立的過程模型。
在提供配對中使用試探手段的一個(gè)實(shí)施例中，自動(dòng)例程或操作員將選擇一個(gè)M個(gè)(M等于受控變量的數(shù)量)控制和輔助變量的集合，以試圖選擇單個(gè)控制或輔助變量并且將這兩個(gè)變量配對，其中，該單個(gè)控制或輔助變量具有最大增益和對在特定受控變量中的單位改變的最快響應(yīng)時(shí)間的一定組合。當(dāng)然，在一些情況下，特定的控制或輔助變量可以具有對多個(gè)受控變量的大增益和快響應(yīng)時(shí)間。在此，那個(gè)控制或輔助變量可以與任何相關(guān)聯(lián)的受控變量配對，并且可以事實(shí)上與不產(chǎn)生最大增益和最塊響應(yīng)時(shí)間的受控變量配對，因?yàn)?，總的來說，引起較少增益或較慢響應(yīng)時(shí)間的受控變量在可接受的程度上可能不會(huì)影響任何其它控制或輔助變量。因此，一方面是受控變量和另一方面是控制或輔助變量的對被選擇來在總體的意義上將受控變量與表示對受控變量的最響應(yīng)的控制變量和輔助變量的子集配對。而且，如果所有的控制變量都未被選作M個(gè)控制和輔助變量的子集之一，并且MPC控制器因此不接收所有的控制變量作為其輸入，也沒有關(guān)系，因?yàn)橛蓛?yōu)化器選擇的控制和輔助變量目標(biāo)的集合表示過程的操作點(diǎn)，在該點(diǎn)上未選擇的控制(以及未選擇的輔助)變量在它們的設(shè)定點(diǎn)或在它們的所提供的操作范圍內(nèi)。
當(dāng)然，因?yàn)橐环矫婵赡艽嬖趲资蛏踔翈装賯€(gè)控制和輔助變量，而另一方面也可能存在幾十或甚至幾百個(gè)受控變量，因此至少從可視的角度上會(huì)難于選擇具有對每個(gè)不同的受控變量的最佳響應(yīng)的控制變量和輔助變量的集合。為了克服這個(gè)問題，在操作員接口13內(nèi)的先進(jìn)控制塊產(chǎn)生例程40可以包括或向用戶或操作員提供一組屏幕顯示以幫助或使得操作員能夠?qū)刂坪洼o助變量進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，所述控制和輔助變量應(yīng)當(dāng)作為要在操作期間用于MPC控制器52中的控制和輔助變量的子集。
因此，在圖3所示的塊120，操作員可以被提供一個(gè)屏幕，操作員在其中可以查看每個(gè)控制和輔助變量對一個(gè)特定或選擇的受控變量的響應(yīng)。這樣的屏幕被圖解在圖10中，其中描述多個(gè)控制和輔助(標(biāo)注為約束)變量的每個(gè)對被稱為TOP_DRAW的受控變量的響應(yīng)。操作員可以一次一個(gè)地滾動(dòng)通過受控變量，并且查看每個(gè)控制和輔助變量對每個(gè)不同的受控變量的階躍響應(yīng)，并且在過程期間選擇對那個(gè)受控變量響應(yīng)最佳的一個(gè)控制或輔助變量。典型地，操作員將試圖選擇具有最高穩(wěn)態(tài)增益和對受控變量的最快響應(yīng)時(shí)間的最佳組合的控制或受控變量。如圖11所示，可以使用對話框選擇控制和輔助變量之一作為對于這個(gè)受控變量最為重要的。如果期望的話，如圖11所示，可以以諸如紅色的不同顏色來加亮控制和輔助變量中所選擇的一個(gè)，而先前選擇的變量(即已經(jīng)為其它受控變量選擇的控制和輔助變量)可以以諸如黃色的不同顏色加亮。在這個(gè)實(shí)施例中，控制例程40當(dāng)然將先前選擇的控制和輔助變量存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，可以查看以保證操作員不會(huì)選擇與兩個(gè)不同的受控變量相關(guān)聯(lián)的相同的控制或輔助變量。如果用戶或操作員選擇已經(jīng)為另一個(gè)受控變量選擇的控制或輔助變量，例程40可以向用戶或操作員提供差錯(cuò)消息，通告用戶或操作員先前選擇的控制或輔助變量的選擇。以這種方式，例程40防止對兩個(gè)或更多的不同受控變量選擇相同的控制或輔助變量。
如圖12所示，操作員或用戶也可以選擇查看對于不同的受控變量和干擾變量的每個(gè)的不同階躍響應(yīng)。圖11圖解TOP_END_POINT對先前被建立的先進(jìn)控制塊指定的受控和干擾變量的每個(gè)的階躍響應(yīng)。當(dāng)然，操作員可以使用圖12的屏幕來選擇與控制變量TOP_END_POINT相關(guān)聯(lián)的受控變量之一。
可以明白，圖10-12的顯示屏幕使得操作員可以觀察和選擇將用作MPC控制算法輸入的M個(gè)控制和輔助變量的子集，所述MPC控制算法當(dāng)存在多個(gè)這些變量時(shí)特別有用。當(dāng)然，可以根據(jù)一些預(yù)先建立的標(biāo)準(zhǔn)或選擇例程來自動(dòng)地或電子地選擇在塊74確定的控制和約束變量的集合，所述預(yù)先建立的標(biāo)準(zhǔn)或選擇例程可以根據(jù)增益響應(yīng)和時(shí)間延遲的一定組合來選擇要使用的輸入變量，所述增益響應(yīng)和時(shí)間延遲是從被控制的約束變量或受控變量的階躍響應(yīng)確定的。
在另一個(gè)實(shí)施例中，自動(dòng)選擇過程可以通過根據(jù)矩陣的條件數(shù)量來選擇輸入/輸出矩陣、例如通過最小化條件數(shù)量達(dá)到所期望的程度和通過隨后從控制矩陣得到控制器配置，來首先確定控制矩陣。
在這個(gè)示例中，對于過程增益矩陣，可以確定矩陣ATA的條件數(shù)量A來測試矩陣的可控性。較小的條件數(shù)量一般表示較好的可控性，而較高的條件數(shù)量則表示較差的可控性和在動(dòng)態(tài)控制操作期間的更多的控制步驟或移動(dòng)。對于定義可控性的可接受程度沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以使用條件數(shù)量來作為各種潛在控制矩陣的相對比較和作為對病態(tài)矩陣的測試。公知的是，病態(tài)矩陣的條件數(shù)量接近無限。數(shù)學(xué)上，病態(tài)條件發(fā)生在共線的過程變量的情況下——即由于在控制矩陣中的共線行或列。因此，影響條件數(shù)量或可控性的主要因素是矩陣行和列之間的交叉相關(guān)。在控制矩陣中仔細(xì)地選擇輸入-輸出變量可以減少條件問題。實(shí)際上，如果控制矩陣的條件數(shù)量在幾百(如500)或更高，則會(huì)有影響。對于這樣的矩陣，控制器受控變量變動(dòng)異常過大。
如上所述，控制矩陣解決動(dòng)態(tài)控制問題。而LP優(yōu)化器解決穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題，并且控制矩陣需要是方形輸入-輸出矩陣，即使MPC控制器塊可能具有不同數(shù)量的MV(包括AV)和CV也是這樣。為了開始選擇用于產(chǎn)生控制器的控制矩陣的輸入和輸出，所有的可獲得MV被典型地包括或選擇為控制器輸出。在選擇輸出(MV)之后，必須以這樣的方式選擇作為動(dòng)態(tài)控制矩陣的部分的過程輸出變量(即CV和AV)，以產(chǎn)生非病態(tài)的控制方陣。
現(xiàn)在討論在控制矩陣內(nèi)自動(dòng)或手動(dòng)選擇CV和AV的一種方法，可以明白，也可以使用其它方法。
步驟1-選擇CV，如果可能的話直到CV的數(shù)量等于MV的數(shù)量(即控制器輸出的數(shù)量)。在CV比MV多的情況下，可以根據(jù)諸如優(yōu)先級、增益或相位響應(yīng)、用戶輸入等的任何所期望的標(biāo)準(zhǔn)來以任何順序選擇CV。如果CV的可能的總數(shù)量等于MV的數(shù)量，則進(jìn)行到步驟4以測試結(jié)果產(chǎn)生的對于可接受性的控制方陣條件數(shù)量。如果CV的數(shù)量小于MV的數(shù)量，可以如在步驟2所述來選擇AV。如果不存在定義的CV，則選擇相對于MV具有最大增益的AV，并且進(jìn)行到步驟2。
步驟2-逐個(gè)計(jì)算每個(gè)可能AV的條件數(shù)量，所述每個(gè)可能AV被加到由先前選擇的CV和AV定義的、已經(jīng)選擇的控制矩陣?？梢悦靼?，由所選擇的CV定義的矩陣將包括每個(gè)所選擇的CV和AV的行，對于每個(gè)先前選擇的MV定義那個(gè)CV或AV的穩(wěn)態(tài)增益。
步驟3-選擇在步驟2確定的、導(dǎo)致所產(chǎn)生的矩陣的最小條件數(shù)量的AV，并且將這個(gè)矩陣定義為加上所選擇的AV的在先的矩陣。如果現(xiàn)在MV的數(shù)量等于所選擇的CV的數(shù)量加上所選擇的AV的數(shù)量(即，如果矩陣現(xiàn)在是方陣)，則進(jìn)行到步驟4。否則返回步驟2。
步驟4-計(jì)算所建立的控制方陣Ac的條件數(shù)量。如果期望的話，則可以使用矩陣Ac的條件數(shù)量計(jì)算而非矩陣AcTAc，因?yàn)檫@些不同矩陣的條件數(shù)量相關(guān)為另一個(gè)的平方根。
步驟5-如果在步驟4計(jì)算的條件數(shù)量是可以接受的，則通過選擇相對于一個(gè)具體的MV具有最大增益的CV或AV直到配對完成來將每個(gè)CV和所選擇的AV與一個(gè)MV相關(guān)聯(lián)。在此，選擇過程結(jié)束。如果另一方面，條件數(shù)量大于最小可接受條件數(shù)量，則消除加到控制矩陣的最后一個(gè)AV/CV，并且執(zhí)行步驟6的回繞(wrap-around)程序。
步驟6-對每個(gè)所選擇的MV執(zhí)行回繞程序，一次一個(gè)，并且計(jì)算從每個(gè)回繞程序產(chǎn)生的矩陣的條件數(shù)量。實(shí)質(zhì)上，通過依序?qū)γ總€(gè)不同MV的統(tǒng)一響應(yīng)替換所消除的AV(或CV)來執(zhí)行回繞程序。該統(tǒng)一響應(yīng)在矩陣行中的位置之一是統(tǒng)一的，在其它位置為0。實(shí)質(zhì)上，每個(gè)特定的MV在這種情況下被用做輸入和輸出來取代AV，以形成良好條件的控制方陣。作為示例，對于一個(gè)4×4矩陣，組合1000、0100、0010、0001被放在增益矩陣Ac的消除AV線的行中。
步驟7-在對每個(gè)MV執(zhí)行回繞程序之后，選擇產(chǎn)生最小條件數(shù)量的組合。如果沒有改進(jìn)，則保留原始矩陣。此處，通過選擇相對于一個(gè)具體MV具有最大增益的CV或AV來將每個(gè)所選擇的CV和所選擇的AV與MV相關(guān)聯(lián)，其中除了用于控制本身的MV(即回繞的MV)之外。
當(dāng)然，由這個(gè)程序定義的控制矩陣以及所產(chǎn)生的條件數(shù)量可以被提交給用戶，而用戶可以接受或拒絕所定義的控制矩陣來用于產(chǎn)生控制器。
應(yīng)當(dāng)注意，在上述自動(dòng)程序中，至多僅僅一個(gè)MV被選擇用于控制本身(即回繞)以改進(jìn)可控性。在人工程序中，回繞MV的數(shù)量可以是任意的。當(dāng)在控制器配置中沒有相應(yīng)的輸出變量選擇時(shí)，所選擇用于控制本身的MV是顯然的，而且，如果MV的數(shù)量大于CV加上AV的總數(shù)量，則可以使用更多的MV作為用于控制的回繞。以這種方式，最后，一個(gè)控制方陣仍然被提供到將每個(gè)MV作為輸出的控制器?？梢悦靼?，執(zhí)行和使用回繞的過程表示選擇用于控制矩陣的CV和AV的數(shù)量可以小于由控制器控制的MV的數(shù)量，其差是作為控制矩陣輸入的MV回繞的數(shù)量。而且，這個(gè)回繞程序可以用于CV加AV少于MV的過程。
當(dāng)然，上面利用穩(wěn)態(tài)增益來計(jì)算條件數(shù)量，因此控制矩陣定義對穩(wěn)態(tài)必要的可控性。過程動(dòng)態(tài)(停滯時(shí)間，拖后等)和模型不確定性也具有對動(dòng)態(tài)可控性的影響，并且可以通過改變過程變量(如控制和輔助變量)的優(yōu)先級來考慮這些影響，這可以規(guī)定由于它們對動(dòng)態(tài)控制的影響而使得它們包括在控制矩陣中。
還可能利用打算改進(jìn)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)可控性的其它試探程序。這樣的程序典型地具有多個(gè)試探標(biāo)準(zhǔn)，可能一些彼此矛盾，它們被應(yīng)用于幾個(gè)階段來發(fā)展控制矩陣，因此選擇提供控制矩陣的一些改進(jìn)的、適當(dāng)?shù)目刂破鬏斎氲募?。在一個(gè)這樣的試探程序中，CV和AV將根據(jù)MV基于最高增益關(guān)系來分組。然后，對于每個(gè)MV組，將選擇具有最快動(dòng)態(tài)和重要增益的一個(gè)過程輸出。這個(gè)選擇過程可以考慮到置信區(qū)間，并且使CV相對于AV優(yōu)先(所有其余的相同)。過程模型產(chǎn)生例程將隨后使用在MPV控制產(chǎn)生期間對每個(gè)組選擇的參數(shù)。因?yàn)閷γ總€(gè)MV僅僅選擇一個(gè)參數(shù)，因此響應(yīng)矩陣是方形的并且可以被反轉(zhuǎn)。
在任何情況下，在選擇輸入到MPC控制器的M(或更少)個(gè)控制和輔助變量的子集之后，圖3的塊124從確定的控制方陣產(chǎn)生用于圖2的MPC控制算法86的過程模型或控制器。公知的是，這個(gè)控制器產(chǎn)生步驟是計(jì)算密集的程序。塊126隨后向控制塊38下載這個(gè)MPC過程模型(固有地包括控制矩陣)或控制器和——如果需要的話——階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)增益矩陣，并且這個(gè)數(shù)據(jù)被并入控制塊38中用于操作。此時(shí)，控制塊38準(zhǔn)備好用于在過程50中的在線操作。
如果期望的話，可以用不同于這些階躍響應(yīng)的產(chǎn)生方式來重新配置或提供過程階躍響應(yīng)。例如，可以從不同的模型復(fù)制階躍響應(yīng)，并提供到例如圖10-12的屏幕以指定某個(gè)控制或輔助變量對受控變量或干擾變量的階躍響應(yīng)。圖13圖解了一個(gè)屏幕顯示，其中，用戶可以選擇和復(fù)制特定過程或模型的階躍響應(yīng)之一、然后刪除或向不同的模型粘貼那個(gè)相同的響應(yīng)、并且將那個(gè)階躍響應(yīng)粘貼到新的模型，以便因此使得用戶能夠手動(dòng)指定階躍響應(yīng)模型。當(dāng)然，作為這個(gè)過程的一部分，用戶可以刪除如上所述自動(dòng)產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)階躍響應(yīng)模型。
圖14圖解了一個(gè)屏幕顯示，其中，用戶可以查看階躍響應(yīng)中更特殊的一個(gè)(在此為TOP_END_POINT對TOP_DRAW的階躍響應(yīng))。這個(gè)階躍響應(yīng)的參數(shù)，諸如穩(wěn)態(tài)增益、響應(yīng)時(shí)間、一階時(shí)間常數(shù)和均方誤差，被圖解在顯示上以使用戶或操作員易于引用。如果期望的話，用戶可以通過指定不同的參數(shù)來查看和改變這個(gè)階躍響應(yīng)的特性，所述不同的參數(shù)如果期望的話諸如為不同的增益或時(shí)間常數(shù)。如果用戶指定了不同的增益或其它參數(shù)，階躍響應(yīng)模型可以被以數(shù)學(xué)方式自動(dòng)再生以具有這個(gè)新參數(shù)或參數(shù)集。當(dāng)用戶知道階躍響應(yīng)的參數(shù)并且需要改變所產(chǎn)生的階躍響應(yīng)以匹配或符合這些參數(shù)時(shí)，這個(gè)操作是有用的。
現(xiàn)在參見圖4，在圖解在線操作的過程50的同時(shí)，圖解了在利用圖3的流程圖90a建立的先進(jìn)控制塊38的每個(gè)操作周期或掃描周期內(nèi)執(zhí)行的一般步驟。在塊150，MPC控制器52(圖2)接收和處理控制和輔助變量CV和AV的測量值。特別是，控制預(yù)測過程模型處理CV、AV和DV測量或輸入以產(chǎn)生未來控制參數(shù)向量，以及預(yù)測的穩(wěn)態(tài)控制和輔助變量CVSS和AVSS。
接著，在塊152，輸入處理/過濾塊58(圖2)處理或過濾由MPC控制器52發(fā)展的、預(yù)測的控制變量和輔助變量和受控變量CVSS、AVSS和MVSS，并且將這些過濾的值提供給優(yōu)化器54。在塊154，優(yōu)化器54執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)LP技術(shù)以確定M個(gè)受控變量目標(biāo)MVT的集合，所述M個(gè)受控變量目標(biāo)MVT最大化或最小化所選擇的或默認(rèn)的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)不損害輔助變量和受控變量的任何極限，并且同時(shí)將控制變量保持在它們的指定設(shè)定點(diǎn)或在這些變量的指定范圍內(nèi)。一般而言，優(yōu)化器54將通過強(qiáng)制使每個(gè)控制變量和輔助變量符合它們的極限來計(jì)算目標(biāo)受控變量解MVT。如上所述，在許多情況下，存在這樣的解，其中，每個(gè)控制變量在它們的設(shè)定點(diǎn)(它可能起初被作為控制變量的上限)，而同時(shí)每個(gè)輔助變量保持在它們各自的約束極限內(nèi)。如果是這樣，則優(yōu)化器54僅僅需要輸出產(chǎn)生目標(biāo)函數(shù)的最佳結(jié)果的確定的受控變量目標(biāo)MVT。
但是在一些情況下，由于對一些或全部輔助變量或受控變量的嚴(yán)格極限，不可能找到這樣的操作點(diǎn)，在該點(diǎn)所有的控制變量都在它們的設(shè)定點(diǎn)，并且所有的輔助變量都在它們各自的約束極限內(nèi)，因?yàn)檫@樣的解不存在。在這些情況下，如上所述，優(yōu)化器54可以允許控制變量在它們的指定設(shè)定點(diǎn)范圍內(nèi)放松以便找到這樣的一個(gè)操作點(diǎn)，在此輔助變量操作在它們各自的極限內(nèi)。如果在這種情況下不存在解，則優(yōu)化器可以將作為解內(nèi)的一個(gè)極限的輔助變量約束極限之一刪除，并且在忽略所刪除的輔助變量約束極限的情況下，代之以確定最佳過程操作點(diǎn)。在此，優(yōu)化器根據(jù)對每個(gè)控制和輔助變量提供的各個(gè)加權(quán)來選擇將作為約束極限刪除那個(gè)輔助或控制變量(例如首先刪除最低加權(quán)或最高優(yōu)先級)。優(yōu)化器54根據(jù)其提供的加權(quán)或優(yōu)先級繼續(xù)刪除輔助變量或控制變量直到找到一個(gè)目標(biāo)受控變量MVT解，其中滿足了所有控制變量的設(shè)定點(diǎn)范圍和剩余的、更高優(yōu)先級輔助變量的極限。
接著，在塊156，目標(biāo)轉(zhuǎn)換塊55(圖2)使用穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)增益矩陣來從受控變量MVT的目標(biāo)值來確定控制和輔助變量CVT和AVT的目標(biāo)值，并且向MPC控制器52提供這些值的所選擇的N(其中N等于或小于M)子集來作為目標(biāo)輸入。在塊158，MPC控制器52使用從中導(dǎo)出的控制矩陣或邏輯以作為如上所述的未約束MPC控制器進(jìn)行操作，以確定這些目標(biāo)值的未來CV和AV向量，并且執(zhí)行與未來控制參數(shù)向量的向量相減以產(chǎn)生未來差錯(cuò)向量。MPC算法以公知的方式來根據(jù)從M×M階躍響應(yīng)得到的過程模型來確定穩(wěn)態(tài)受控變量MVSS，并將這些MVSS值提供到輸入處理/過濾塊58(圖2)。在塊160，MPC算法也確定要輸出到過程50的MV階躍，并且以任何合適的方式將這些階躍的第一個(gè)輸出到過程50。
在操作期間，在例如接口13之一中運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)監(jiān)控應(yīng)用可以從先進(jìn)控制塊或與其可通信地連接的其它功能塊，直接或通過歷史單元12申請信息，并且向用戶或操作員提供一個(gè)或多個(gè)查看或診斷屏幕，用于查看先進(jìn)控制塊的操作狀態(tài)。功能塊技術(shù)的特征有在控制和輸出功能塊上的級聯(lián)輸入(CAS_IN)和遠(yuǎn)程級聯(lián)輸入(RCAS_IN)以及對應(yīng)的反算輸出(BKCAL_OUT和RCAS_OUT)。有可能利用這些連接器來將監(jiān)管優(yōu)化的MPC控制策略附加在現(xiàn)有的控制策略的頂部，并且可以利用一個(gè)或多個(gè)觀察屏幕或顯示來查看這個(gè)監(jiān)管控制策略。同樣，如果期望的話，也可以從一個(gè)策略來修改優(yōu)化的MPC控制器的目標(biāo)。
圖15是一個(gè)示例屏幕顯示，它可以通過一個(gè)或多個(gè)這樣的查看應(yīng)用來產(chǎn)生，它圖解了優(yōu)化器對話屏，這個(gè)對話屏向涉及先進(jìn)控制塊操作的操作員在其操作期間提供信息。特別是，過程的輸入(受控變量MV)和輸出(控制和輔助變量CV和AV)被分別圖解。對于這些變量的每個(gè)，屏幕顯示圖解了變量的名稱(描述符)、所測量的當(dāng)前值、適用的設(shè)定點(diǎn)、由優(yōu)化器計(jì)算的目標(biāo)值、變量改變的單位和單位值、當(dāng)前變量值的指示。對于輸出變量，還指明這個(gè)變量是否是用于MPC控制器中的所選擇變量之一、由MPC控制器確定的這個(gè)變量的預(yù)測值、這個(gè)變量的預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級的指示。這個(gè)屏幕使得操作員能夠查看先進(jìn)控制塊的當(dāng)前操作狀態(tài)以查看先進(jìn)控制塊執(zhí)行控制的方式。而且，用戶可以配置用于遠(yuǎn)程設(shè)定點(diǎn)能力的一些被控的參數(shù)，以便外部應(yīng)用可以設(shè)置用于流量協(xié)調(diào)的操作目標(biāo)。
圖16是一個(gè)屏幕顯示，它可以通過診斷應(yīng)用來產(chǎn)生，它圖解了一個(gè)診斷屏幕，這個(gè)診斷屏幕可以被提供給用戶或操作員以執(zhí)行對先進(jìn)控制塊的診斷。特別是，圖16的診斷屏幕分別圖解了控制和約束(輔助)變量、受控變量和干擾變量。對于每個(gè)，變量的名稱或描述符與(在第一列中的)是否對這個(gè)變量存在差錯(cuò)或警告條件的指示一起被提供?？梢岳美缇G色檢查標(biāo)記或紅色“x”或任何其它所期望的方式來圖形地圖解這樣的差錯(cuò)或警告。對這些變量的每個(gè)還指示一個(gè)值和狀態(tài)。對于受控變量，圖解了這些信號的Back_Cal(反算或反饋)變量的值或狀態(tài)。可以明白，這個(gè)屏幕可以用于通過向操作員提供確定控制系統(tǒng)內(nèi)問題所需要的信息來執(zhí)行對先進(jìn)控制塊的診斷。當(dāng)然，可以將其它類型的屏幕或信息提供給操作員，以使得操作員查看先進(jìn)控制塊的操作和執(zhí)行對先進(jìn)控制塊以及實(shí)現(xiàn)其的模塊的診斷。
雖然在此將先進(jìn)控制塊圖解為具有定位于同一功能塊內(nèi)、并且因此在與MPC控制器相同的設(shè)備中被執(zhí)行的優(yōu)化器，但是還可能在獨(dú)立的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化器。特別是，優(yōu)化器可以位于諸如用戶工作站13之一的不同的設(shè)備中，并且在控制器的每個(gè)執(zhí)行或掃描期間與結(jié)合圖2所述的MPC控制器通信，以便計(jì)算和向MPC控制器提供目標(biāo)受控變量(MVT)或由其確定的控制和輔助變量(CV和AV)的子集。當(dāng)然，諸如公知的OPC接口的特殊接口可以被用于在控制器和其中具有MPC控制器的功能塊和實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行優(yōu)化器的工作站或其它計(jì)算機(jī)之間的通信接口。如參照圖2所述的實(shí)施例中那樣，優(yōu)化器和MPC控制器必須在每次掃描周期期間仍然彼此通信以執(zhí)行集成的優(yōu)化MPC控制。但是，在這種情況下，也可以使用其它所期望類型的優(yōu)化器，諸如可能已經(jīng)存在于過程控制環(huán)境中的、公知的或標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)優(yōu)化器。如果優(yōu)化問題是非線性的并且解要求非線性規(guī)劃技術(shù)。則也可以有益地使用這個(gè)特征。
雖然在此說明的先進(jìn)控制塊和其它塊或例程已經(jīng)被描述為與Fieldbus和4-20ma標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備相結(jié)合地被使用，當(dāng)然也可以利用任何其它的過程控制通信協(xié)議或編程環(huán)境來實(shí)現(xiàn)它們，并且它們也可以用于任何其它類型的設(shè)備、功能塊或控制器。雖然最好以軟件實(shí)現(xiàn)在此說明的先進(jìn)控制塊和相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生和測試?yán)?，但是也可以以硬件、固件等來?shí)現(xiàn)它們，并且可以用與過程控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的任何其它處理器來執(zhí)行它們。因此，如果期望的話，在此說明的例程40可以被實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)多用途CPU中或在諸如ASIC的特殊設(shè)計(jì)的硬件或固件上。當(dāng)以軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，所述軟件可以被存儲(chǔ)在任何計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)器中，諸如磁盤、激光盤、光盤或其它存儲(chǔ)介質(zhì)中，在計(jì)算機(jī)或處理器的RAM或ROM中，等等。同樣，這個(gè)軟件可以經(jīng)由任何已知的或所期望的提供方法被提供到用戶或過程控制系統(tǒng)，所述提供方法包括例如在計(jì)算機(jī)可讀盤或其它可傳送的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)上、或者通過諸如電話線、因特網(wǎng)等的通信信道調(diào)制(這被看作與經(jīng)由可傳送的存儲(chǔ)介質(zhì)提供軟件相同或可交換)。
因此，雖然已經(jīng)參照特定的示例說明了本發(fā)明，并且所述示例旨在僅僅說明性的而非對本發(fā)明的限定，但是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對所公開的實(shí)施例進(jìn)行改變、增加或刪除。
權(quán)利要求
1.一種過程控制配置系統(tǒng)，用于建立或查看具有集成優(yōu)化器和多輸入/多輸出控制例程的控制塊，包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)；配置例程，它被存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，并且在處理器上被執(zhí)行，所述配置例程包括存儲(chǔ)例程，它存儲(chǔ)由優(yōu)化器和多輸入/多輸出控制例程之一或兩者使用的、與多個(gè)控制變量和輔助變量以及多個(gè)受控變量有關(guān)的信息；顯示例程，用于向用戶提供關(guān)于一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量的顯示。
2.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述存儲(chǔ)例程用于存儲(chǔ)多個(gè)響應(yīng)曲線，每個(gè)響應(yīng)曲線定義控制變量和輔助變量之一對受控變量之一的響應(yīng)，以及其中，所述顯示例程用于在顯示器上提供要由用戶查看的響應(yīng)曲線的子集，所述響應(yīng)曲線的子集包括控制變量和輔助變量的每個(gè)對受控變量之一的響應(yīng)。
3.按照權(quán)利要求2所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述配置例程包括一第一例程，它使得用戶能夠在顯示器上選擇控制變量和輔助變量之一來作為對受控變量之一響應(yīng)最佳的。
4.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述存儲(chǔ)例程用于存儲(chǔ)多個(gè)響應(yīng)曲線，每個(gè)響應(yīng)曲線定義控制變量和輔助變量之一對受控變量之一的響應(yīng)，以及其中，所述顯示例程用于在顯示器上提供要由用戶查看的響應(yīng)曲線的子集，所述響應(yīng)曲線的子集包括控制變量和輔助變量之一對每個(gè)受控變量的響應(yīng)。
5.按照權(quán)利要求4所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述配置例程包括第一例程，它使得用戶能夠在顯示器上選擇控制變量和輔助變量之一來作為對受控變量之一響應(yīng)最佳的。
6.按照權(quán)利要求5所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述第一例程使得用戶能夠通過選擇響應(yīng)曲線之一來選擇控制和輔助變量之一作為對受控變量之一響應(yīng)最佳的。
7.按照權(quán)利要求5所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于以指示在先已經(jīng)選擇的、作為對受控變量之一響應(yīng)最佳的控制變量或輔助變量的方式來顯示與在先選擇的控制變量和輔助變量之一相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)曲線。
8.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述存儲(chǔ)例程用于存儲(chǔ)多個(gè)響應(yīng)曲線，每個(gè)響應(yīng)曲線定義控制和輔助變量之一對受控變量之一的響應(yīng)，以及其中，所述顯示例程用于在第一設(shè)置中，顯示包括控制變量和輔助變量的每個(gè)對受控變量之一的響應(yīng)的所述多個(gè)響應(yīng)曲線的子集；在第二設(shè)置中，顯示包括控制和輔助變量之一對受控變量的每個(gè)的響應(yīng)的所述多個(gè)響應(yīng)曲線的子集。
9.按照權(quán)利要求8所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述配置例程包括第一例程，它使得用戶能夠在顯示器上選擇控制和輔助變量之一來作為對受控變量之一響應(yīng)最佳的。
10.按照權(quán)利要求8所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于顯示控制和輔助變量的每個(gè)對受控變量的每個(gè)的響應(yīng)曲線，在同時(shí)僅僅顯示控制和輔助變量中的單獨(dú)一個(gè)的響應(yīng)曲線。
11.按照權(quán)利要求8所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于顯示控制變量和輔助變量的每個(gè)對受控變量的每個(gè)的響應(yīng)曲線，在同時(shí)僅僅顯示受控變量中的單獨(dú)一個(gè)的響應(yīng)曲線。
12.按照權(quán)利要求8所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于使得用戶復(fù)制響應(yīng)曲線之一并將所復(fù)制的響應(yīng)曲線之一粘貼在不同的控制塊中。
13.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于顯示一個(gè)屏幕，它使得用戶能夠查看涉及受控變量集合、控制變量集合、輔助變量集合之一的存儲(chǔ)的信息，以及與受控變量集合、控制變量集合、輔助變量集合的其它相關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽，所述標(biāo)簽可以被選擇來查看其它受控變量集合、控制變量集合、輔助變量集合。
14.按照權(quán)利要求13所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于顯示與在所述受控變量集合、控制變量集合、輔助變量集合之一內(nèi)的每個(gè)變量相關(guān)聯(lián)的多個(gè)參數(shù)。
15.按照權(quán)利要求14所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于將一個(gè)變量名稱顯示為多個(gè)參數(shù)之一。
16.按照權(quán)利要求14所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于將通信路徑名稱顯示為多個(gè)參數(shù)之一。
17.按照權(quán)利要求14所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于將一個(gè)或多個(gè)極限顯示為多個(gè)參數(shù)之一。
18.按照權(quán)利要求14所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于將設(shè)定點(diǎn)顯示為多個(gè)參數(shù)之一。
19.按照權(quán)利要求14所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于將優(yōu)先級指示顯示為多個(gè)參數(shù)之一。
20.按照權(quán)利要求14所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于將要由優(yōu)化器使用的收益或成本指示顯示為多個(gè)參數(shù)之一。
21.按照權(quán)利要求13所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于使得用戶能夠增加或刪除所顯示的一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量或受控變量。
22.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述存儲(chǔ)例程用于存儲(chǔ)用于優(yōu)化器中的一組目標(biāo)函數(shù)，以及其中，所述顯示例程用于經(jīng)由顯示器向用戶提供目標(biāo)函數(shù)的指示，并且使得用戶能夠選擇目標(biāo)函數(shù)集合的一個(gè)來作為在優(yōu)化器中使用的目標(biāo)函數(shù)。
23.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于顯示診斷屏幕，它顯示涉及控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合的診斷信息。
24.按照權(quán)利要求23所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述診斷信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的控制變量、輔助變量和受控變量的名稱。
25.按照權(quán)利要求23所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述診斷信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的控制變量、輔助變量和受控變量的狀態(tài)指示。
26.按照權(quán)利要求23所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述診斷信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的控制變量、輔助變量和受控變量的值。
27.按照權(quán)利要求23所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述診斷信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的控制變量、輔助變量和受控變量的一個(gè)或多個(gè)的警告或警報(bào)指示。
28.按照權(quán)利要求1所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述顯示例程用于顯示查看屏幕，它顯示關(guān)于控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合的當(dāng)前信息。
29.按照權(quán)利要求28所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述當(dāng)前信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量的當(dāng)前值。
30.按照權(quán)利要求28所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述當(dāng)前信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量的預(yù)測值。
31.按照權(quán)利要求28所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述當(dāng)前信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量的極限值。
32.按照權(quán)利要求28所述的過程控制配置系統(tǒng)，其中，所述當(dāng)前信息包括在控制變量、輔助變量和受控變量的至少一個(gè)集合內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)控制變量、輔助變量和受控變量的目標(biāo)值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種接口或顯示例程，用于觀察和配置一個(gè)功能塊，這個(gè)功能塊在過程控制系統(tǒng)中執(zhí)行集成優(yōu)化和控制。接口例程可以使得用戶能夠觀察或配置在過程控制系統(tǒng)中與集成優(yōu)化和控制塊相關(guān)聯(lián)的變量、值或其它參數(shù)。例如，接口例程可以顯示集成功能塊的當(dāng)前操作狀態(tài)，可以使得用戶選擇用于提供集成優(yōu)化和控制的功能塊的輸入和輸出，可以使得用戶選擇特定的或所期望的用于所述功能塊中的優(yōu)化功能等等。接口例程還可以以下述方式來顯示與集成功能塊的優(yōu)化器和控制器部分相關(guān)聯(lián)的多輸入輸出曲線，所述方式使得容易觀察和選擇作為由集成功能塊使用的算法的一部分的這些曲線。
文檔編號G05B19/05GK1490691SQ03158499
公開日2004年4月21日 申請日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者德克·蒂勒, 特倫斯·L·布萊文斯, 羅恩·奧滕巴徹, 威廉·K·沃杰茨尼斯, L 布萊文斯, K 沃杰茨尼斯, 奧滕巴徹, 德克 蒂勒 申請人:費(fèi)舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司