基于按順序的確定性的優(yōu)化的控制系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及基于按順序的確定性的優(yōu)化的控制系統(tǒng)和方法。該控制方法的一個(gè)實(shí)施例包括：在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變量的可行控制軌跡，如果不可行搜索算法沒(méi)有確定可行控制軌跡，則在預(yù)定采樣時(shí)段的第二部分期間執(zhí)行可行搜索算法以確定可行控制軌跡，以及通過(guò)應(yīng)用可行控制軌跡來(lái)控制受控過(guò)程。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于按順序的確定性的優(yōu)化的控制系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及控制系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及基于按順序的確定性的優(yōu)化 的控制系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] -般而言，諸如工業(yè)設(shè)施或發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以是動(dòng)態(tài)的并且包括各種約 束。例如，對(duì)控制系統(tǒng)的約束可以是致動(dòng)器極限、工作約束、經(jīng)濟(jì)限制和/或安全限制的結(jié) 果。相應(yīng)地，這種多變量的受約束的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制可能是復(fù)雜的。諸如耦合多回路比例 積分微分（PID)控制器的技術(shù)可能并非最適合于處理這種復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制。另一方面， 能夠處理所述多變量約束的一種過(guò)程控制技術(shù)是基于優(yōu)化的控制（0BC)。具體地，0BC可以 通過(guò)使系統(tǒng)能夠更接近于各種約束（即，借助動(dòng)態(tài)優(yōu)化）而工作來(lái)改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能。
[0003] 然而，0BC在計(jì)算方面可能是苛求的，因?yàn)閯?dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算可能涉及在每個(gè)采樣時(shí)間 處求解諸如二次規(guī)劃（quadratic programming，QP)問(wèn)題的受約束的優(yōu)化問(wèn)題。利用一般 的求解器可能花費(fèi)幾秒鐘或甚至幾分鐘。另外，可能難以預(yù)測(cè)優(yōu)化器求解受約束的優(yōu)化問(wèn) 題所花費(fèi)的時(shí)間。相應(yīng)地，為了利用0BC來(lái)控制具有較快動(dòng)態(tài)性的系統(tǒng)，使確定性的0BC能 夠在預(yù)定的控制時(shí)間內(nèi)提供可行的控制動(dòng)作可能常常是有益的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 下面將對(duì)與原始要求保護(hù)的發(fā)明的范圍相當(dāng)?shù)奶囟▽?shí)施例進(jìn)行總結(jié)。這些實(shí)施例 并不意在限制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍，相反，這些實(shí)施例僅意在提供對(duì)本發(fā)明可能的形 式的簡(jiǎn)明的總結(jié)。的確，本發(fā)明可以包括可以與在下文中闡述的實(shí)施例相似或不同的各種 形式。
[0005] 第一實(shí)施例提供了一種控制方法，該控制方法包括：在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分 期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變量的可行控制軌跡；如果不可行搜索算 法沒(méi)有確定可行控制軌跡，則在預(yù)定采樣時(shí)段的第二部分期間執(zhí)行可行搜索算法以確定可 行控制軌跡；以及通過(guò)應(yīng)用可行控制軌跡來(lái)控制受控過(guò)程。
[0006] 第二實(shí)施例提供了一種控制方法，該控制方法包括：在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分 期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變量的可行控制軌跡；如果在采樣時(shí)段的 第一部分期間不可行搜索算法沒(méi)有確定可行控制軌跡，則使不可行搜索算法的當(dāng)前控制軌 跡在采樣時(shí)段的第一部分的末尾處可行且穩(wěn)定；在采樣時(shí)段的第二部分期間執(zhí)行可行搜索 算法以基于穩(wěn)定了的當(dāng)前控制軌跡來(lái)確定可行控制軌跡；以及通過(guò)應(yīng)用可行控制軌跡來(lái)控 制受控過(guò)程。
[0007] 第三實(shí)施例提供了一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器電路和處理電路，存儲(chǔ) 器電路用于存儲(chǔ)可執(zhí)行代碼，處理電路用于執(zhí)行代碼。該代碼定義了多個(gè)步驟，所述步驟當(dāng) 被執(zhí)行時(shí)：在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變 量的可行控制軌跡；如果在采樣時(shí)段的第一部分期間不可行搜索算法沒(méi)有確定可行控制軌 跡，則在預(yù)定采樣時(shí)段的第二部分期間執(zhí)行可行搜索算法以確定可行控制軌跡；以及通過(guò) 應(yīng)用可行控制軌跡來(lái)控制受控過(guò)程。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 參照附圖閱讀如下詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它特征、方面及優(yōu) 點(diǎn)，在這些附圖中，類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的部分，其中：
[0009] 圖1描繪了利用了基于確定性的優(yōu)化的控制（0BC)的控制系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖；
[0010] 圖2描繪了來(lái)自圖1的基于確定性的優(yōu)化的控制的實(shí)施例的框圖；
[0011] 圖3描繪了來(lái)自圖2的處理電路的實(shí)施例的框圖；
[0012] 圖4描繪了可通信地耦合到控制系統(tǒng)內(nèi)的其它模塊的確定性的0BC模塊的實(shí)施 例。
[0013] 圖5A描繪了用于求解已找到最優(yōu)解的二次規(guī)劃問(wèn)題的可行搜索方法的實(shí)施例；
[0014] 圖5B描繪了用于求解未找到最優(yōu)解的二次規(guī)劃問(wèn)題的可行搜索方法的實(shí)施例；
[0015] 圖5C描繪了用于求解未找到最優(yōu)解的二次規(guī)劃問(wèn)題的不可行搜索方法的實(shí)施 例；
[0016] 圖6是描繪了利用了按順序的求解器的過(guò)程控制的實(shí)施例的流程圖；
[0017] 圖7描繪了在基于優(yōu)化的控制中使用的穩(wěn)定過(guò)程的實(shí)施例的框圖；
[0018] 圖8A描繪了用于二次規(guī)劃問(wèn)題的第一可行解；
[0019] 圖8B描繪了用于二次規(guī)劃問(wèn)題的被單步更新了的第一可行解與第二可行解相比 較；
[0020] 圖9描繪了利用了穩(wěn)態(tài)塊、動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器塊和動(dòng)態(tài)優(yōu)化塊的基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化的控 制（0BC)的實(shí)施例；
[0021] 圖10描繪了利用了穩(wěn)態(tài)塊和動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器塊的基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化的控制（0BC)的 實(shí)施例；
[0022] 圖11描繪了其中按順序的優(yōu)化搜索與另一個(gè)優(yōu)化搜索并行地運(yùn)行的的基于優(yōu)化 的控制的實(shí)施例的框圖；
[0023] 圖12A描繪了復(fù)雜約束的實(shí)施例；以及
[0024] 圖12B描繪了擔(dān)當(dāng)用于復(fù)雜約束的漏斗的簡(jiǎn)單邊界約束的實(shí)施例。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面將對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行描述。為了提供對(duì)這些實(shí)施例的簡(jiǎn) 潔的描述，在說(shuō)明書(shū)中沒(méi)有對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)理解，在任何這類(lèi)實(shí)際實(shí) 現(xiàn)的開(kāi)發(fā)中，如同在任何工程或者設(shè)計(jì)方案中一樣，必須作出大量與具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)的決策 來(lái)達(dá)到開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)，例如遵從與系統(tǒng)相關(guān)的并且與商業(yè)相關(guān)的約束，這些約束可能 根據(jù)一個(gè)實(shí)現(xiàn)到另一個(gè)實(shí)現(xiàn)而變化。而且，應(yīng)當(dāng)理解，如此的開(kāi)發(fā)工作可能是復(fù)雜的和耗時(shí) 的，但是對(duì)于將受益于本公開(kāi)內(nèi)容的普通技術(shù)人員而言，這仍然只是設(shè)計(jì)、加工和制造的例 行工作。
[0026] 當(dāng)介紹本發(fā)明的各種實(shí)施例的要素時(shí)，單數(shù)形式的無(wú)數(shù)量詞限定的特征以及"所 述"可理解為也包括復(fù)數(shù)形式。術(shù)語(yǔ)"包括"和"具有"是包括性的，并且由此表明除了列舉 的要素以外，還可以存在附加的要素。
[0027] 本公開(kāi)內(nèi)容一般地涉及用于諸如工業(yè)設(shè)施、發(fā)電系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)的基于確定性 的優(yōu)化的控制（0BC)的系統(tǒng)和方法。一般地，控制系統(tǒng)可以利用過(guò)程控制技術(shù)來(lái)控制系統(tǒng)。 例如，一些控制系統(tǒng)利用耦合在多回路配置中的比例積分微分（PID)控制器。多回路PID控 制器可以提供對(duì)控制系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制。另外，PID控制器可以在計(jì)算能力較低的嵌入 式系統(tǒng)上運(yùn)行。然而，當(dāng)控制系統(tǒng)具有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性和/或其工作受約束時(shí)，過(guò)程控制的復(fù) 雜性可能大大增加，且多回路PID控制器可能無(wú)法提供足夠的控制。例如，控制系統(tǒng)可能包 括具有大的死時(shí)間或者非最小的相位動(dòng)態(tài)性的過(guò)程。
[0028] -種用于控制動(dòng)態(tài)多變量系統(tǒng)的過(guò)程控制技術(shù)是基于優(yōu)化的控制（0BC)，其能夠 提供較好的控制(例如，減小過(guò)程變化以使工作能夠更接近于較有利的工作點(diǎn)處的約束)。 具體地，0BC使用過(guò)程模型、基于過(guò)程輸入軌跡來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的過(guò)程輸出軌跡。換言之，0BC計(jì) 算被操縱的變量的軌跡以優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(即，最小化成本)。如在這里所使用的，成本包括對(duì) 輸出軌跡與期望設(shè)定點(diǎn)的匹配程度的確定。應(yīng)當(dāng)理解，在線性控制系統(tǒng)中，成本可以作為二 次規(guī)劃（QP)問(wèn)題來(lái)被捕獲。相應(yīng)地，包括在0BC中的動(dòng)態(tài)優(yōu)化可能在計(jì)算上復(fù)雜，并且在 具有一般的求解器的計(jì)算機(jī)服務(wù)器上運(yùn)行，該一般的求解器可能花費(fèi)數(shù)秒鐘或甚至數(shù)分鐘 來(lái)產(chǎn)生解。因此，為了在用于實(shí)時(shí)過(guò)程控制的嵌入式系統(tǒng)上包括0BC，改進(jìn)0BC的效率同時(shí) 確保其穩(wěn)定可能是有益的。
[0029] 相應(yīng)地，一個(gè)實(shí)施例提供了 一種控制方法，該控制方法包括：確定要受控的過(guò)程的 預(yù)定非線性模型的線性近似，確定非線性約束集的凸近似，確定用于控制軌跡的多個(gè)采樣 時(shí)段的初始穩(wěn)定可行控制軌跡，執(zhí)行基于優(yōu)化的控制算法以改進(jìn)用于控制軌跡的多個(gè)采樣 時(shí)段的初始穩(wěn)定可行控制軌跡，并且通過(guò)在預(yù)定時(shí)間窗口內(nèi)應(yīng)用可行控制軌跡來(lái)控制受控 過(guò)程。換言之，通過(guò)包括穩(wěn)定函數(shù)來(lái)產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)預(yù)定采樣時(shí)間而言可用的穩(wěn)定的可行解 (即，不增大成本函數(shù)的解)，確定性的0BC可以被用于具有快速動(dòng)態(tài)性的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
[0030] 作為介紹，圖1描繪了用于設(shè)施/過(guò)程12的控制系統(tǒng)10的實(shí)施例。一般而言，控 制系統(tǒng)10可以控制設(shè)施/過(guò)程12的功能發(fā)揮，設(shè)施/過(guò)程12可以是工業(yè)制造系統(tǒng)、自動(dòng) 化系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、渦輪系統(tǒng)等。相應(yīng)地，如所描繪的，控制系統(tǒng)10可以控制設(shè)施/過(guò)程12 將材料輸入14變換成材料輸出16。例如，設(shè)施/過(guò)程12可以是將糖漿（S卩，材料輸入14) 變換成糖晶體(即，材料輸出16)的糖結(jié)晶過(guò)程。另外，控制系統(tǒng)10可以通過(guò)操縱輸入變量 20 (即，被操縱的且擾動(dòng)變量)來(lái)控制輸出變量（即，受控變量)18。返回糖結(jié)晶的例子，控制 系統(tǒng)10可以操縱蒸汽閥（即，被操縱的變量)以控制溫度（即，受控變量)。在一些實(shí)施例中， 材料輸入也可以是被操縱的變量(例如，控制器能夠控制向設(shè)施的材料輸入的饋送速率)。
[0031] 為了優(yōu)化設(shè)施/過(guò)程12的控制，控制系統(tǒng)10可以進(jìn)一步包括基于優(yōu)化的控制 (0BC) 22,其被配置成在預(yù)定時(shí)間窗口內(nèi)尋找用于優(yōu)化問(wèn)題的穩(wěn)定可行解。換言之，0BC22 可以確定供控制系統(tǒng)10采取的可行動(dòng)作（即，解)。具體地，0BC22可以被配置成確定在控 制水平線（即，要采取動(dòng)作的時(shí)間段）之上的控制軌跡26 (S卩，動(dòng)作的集合)。相應(yīng)地，0BC22 可以在指定的采樣時(shí)間處對(duì)設(shè)施/過(guò)程12的狀態(tài)進(jìn)行采樣。在一些實(shí)施例中，設(shè)施/過(guò)程 12的狀態(tài)可以包括先前的輸出變量18、期望輸出軌跡23、期望控制軌跡24或它們的任何組 合?；趯?duì)設(shè)施/過(guò)程12的被采樣狀態(tài)，0BC22可以在控制時(shí)間期間確定控制軌跡26(即， 優(yōu)化問(wèn)題的可行解)。如這里所使用的，控制時(shí)間指的是設(shè)施/過(guò)程12發(fā)揮功能(其可以是 實(shí)時(shí)的）的時(shí)間。在控制軌跡26由0BC22確定之后，在一些實(shí)施例中，控制軌跡26與期望 控制軌跡24在比較器32中相比較以確定向設(shè)施/過(guò)程12的輸入變量20(8卩，在控制系統(tǒng) 10中要采取的動(dòng)作)?？商孢x地，控制軌跡26可以直接反映在輸入變量20中。應(yīng)當(dāng)理解， OBC22可以在嵌入式系統(tǒng)例如ControlLogix上實(shí)施，ControlLogix可以從美國(guó)威斯康辛州 密爾沃基的Rockwell公司（Rockwell Automation,威斯康辛州密爾沃基）獲得。
[0032] 為了幫助確定控制軌跡26,如所描繪的，0BC22包括預(yù)定模型28和確定性求解器 30。具體地，確定性求解器30可以使用可行搜索策略比如原始（primal)有效集（active set)方法來(lái)確定受約束的優(yōu)化問(wèn)題的解。如下面將更詳細(xì)地描述的，可行搜索策略開(kāi)始于 控制系統(tǒng)10的可行區(qū)域內(nèi)的開(kāi)始點(diǎn)，并且圍繞可行區(qū)域移動(dòng)以搜索最優(yōu)可行解（即，具有 最小成本的控制軌跡)。換言之，確定性求解器30可以確定可以由控制系統(tǒng)10采取的各種 可行動(dòng)作（即，控制軌跡)?；谟纱_定性求解器30確定的可行解，模型28可以用來(lái)預(yù)測(cè)過(guò) 程/設(shè)施12的行為。在具有線性近似的線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)中，模型28可以是線性模 型比如狀態(tài)空間模型、階躍或脈沖響應(yīng)模型、外因輸入自回歸（ARX)模型、傳遞函數(shù)模型等。 因此，0BC22可以比較每個(gè)可行解的成本，并選擇具有最低成本的控制軌跡26。
[0033] 理想地，所確定的控制軌跡26是具有最低相關(guān)聯(lián)成本的最優(yōu)解，但是，如上所述， 優(yōu)化計(jì)算可能是復(fù)雜的。相應(yīng)地，如將在"詳細(xì)示例"部分中更詳細(xì)描述的，這里所描述的 技術(shù)以提高動(dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算的效率為目的。例如，這里所描述的技術(shù)可以修改目標(biāo)(即，成本） 函數(shù)以定義具有簡(jiǎn)單邊界的控制系統(tǒng)10約束。因此，動(dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算可以被極大地減少并且 在嵌入式系統(tǒng)上執(zhí)行，因?yàn)楹芏鄤?dòng)態(tài)優(yōu)化求解器(例如，二次規(guī)劃（QP)求解器）處理簡(jiǎn)單邊 界比處理復(fù)雜約束更高效。
[0034] 雖然動(dòng)態(tài)優(yōu)化可以被高效地配置，但是0BC22可能不總是在每個(gè)控制時(shí)間期間找 到最優(yōu)(即，最低成本)控制軌跡26。然而，在實(shí)踐中，穩(wěn)定的次最優(yōu)控制軌跡26可能是足夠 的。如這里所使用的，控制軌跡26當(dāng)通過(guò)采取動(dòng)作成本與前一步相比不增大時(shí)是穩(wěn)定的。
[0035] 為了幫助實(shí)現(xiàn)這里所描述的功能，應(yīng)當(dāng)理解，0BC22可以包括可用于執(zhí)行計(jì)算指令 (即，步驟）的處理器以及用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)指令（即，代碼）和/或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。如圖2所 示，0BC22可以通過(guò)處理電路34來(lái)實(shí)施處理器并且通過(guò)存儲(chǔ)器電路36來(lái)實(shí)施存儲(chǔ)器。更 具體地，處理電路34可以被配置成處理控制系統(tǒng)的一般功能，比如控制致動(dòng)器以及0BC22 的功能比如動(dòng)態(tài)優(yōu)化。另外，如圖3所示，處理電路34可以包括多處理部件(例如，并行處 理器核心或者單獨(dú)的處理器模塊)，其可以使處理電路34能夠更好地管理各種功能。例如， 如所描繪的，第一處理部件38可以執(zhí)行控制系統(tǒng)10的一般操作。控制系統(tǒng)10的一般操作 可以包括控制控制系統(tǒng)10的部件、執(zhí)行計(jì)算等。關(guān)于0BC22功能，可以在第二處理部件40 上執(zhí)行計(jì)算密集的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。相應(yīng)地，這使動(dòng)態(tài)優(yōu)化能夠從第一處理部件38調(diào)用并且在第 二處理部件40上同步或異步地執(zhí)行，這可以改進(jìn)優(yōu)化計(jì)算的效率?？商孢x地，應(yīng)當(dāng)理解，可 以在第一處理核心38上連同控制系統(tǒng)10的一般功能一起執(zhí)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。此外，如所描繪 的，處理電路34包括N個(gè)處理部件，其可以每個(gè)都被配置成處理不同的功能，比如計(jì)算控制 系統(tǒng)10的線性近似。
[0036] 返回到圖2,存儲(chǔ)器電路36可以存儲(chǔ)描述模型28的計(jì)算機(jī)指令（S卩，代碼)、確定性 求解器30、配置參數(shù)42以及其它指令44,比如用于控制系統(tǒng)10的一般功能發(fā)揮的未測(cè)量 的過(guò)程變量的計(jì)算虛擬測(cè)量。具體地，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器電路中的指令可以被配置成引導(dǎo)確定 性求解器30和模型28的功能。相應(yīng)地，存儲(chǔ)器36可通信地耦合到處理電路34以使處理 電路36能夠讀取和/或執(zhí)行指令(S卩，步驟)。
[0037] 此外，0BC22的所描繪的實(shí)施例進(jìn)一步包括輸出接口 46、用戶接口 48、網(wǎng)絡(luò)接口 50 和反饋接口 52。具體地，用戶接口 48可以被配置成使用戶能夠與0BC22通信。例如，如圖4 所示，用戶接口 48可以包括被配置成顯示0BC22的量度（比如所確定的控制軌跡26)的圖形 用戶接口（⑶1)54。另外，用戶接口 48可以包括按鈕56,按鈕56使用戶能夠向0BC22輸入 命令。與用戶接口 48相似，網(wǎng)絡(luò)接口 50可以使用戶能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)58比如廣域網(wǎng)（WAN)與 0BC22通信。在一些實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)58可以是從美國(guó)威斯康辛州密爾沃基的Rockwell公司 (Rockwell Automation，威斯康辛州密爾沃基）獲得的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)或ControlNet網(wǎng) 絡(luò)。更具體地，如圖4所述，網(wǎng)絡(luò)接口 50可以經(jīng)由通信模塊60可通信地耦合到網(wǎng)絡(luò)58?？?替選地，網(wǎng)絡(luò)接口 50可以通過(guò)0BC22的背板直接可通信地耦合網(wǎng)絡(luò)58。此外，如所描繪的， 網(wǎng)絡(luò)58可以可通信地耦合到遠(yuǎn)程監(jiān)視/控制系統(tǒng)62,比如監(jiān)管控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA)， 以使用戶能夠與0BC22遠(yuǎn)程通信。相應(yīng)地，如圖2所述，用戶接口 48和網(wǎng)絡(luò)接口 50二者可 通信地耦合到處理電路34以使用戶命令能夠被傳達(dá)給處理電路34并且使關(guān)于0BC22的信 息被傳達(dá)給用戶。注意，存儲(chǔ)器電路36中的每個(gè)模塊可以被配置成使得它能夠作為響應(yīng)于 來(lái)自各種接口的詢問(wèn)的服務(wù)器來(lái)作出響應(yīng)。例如，模型模塊28可由用戶接口詢問(wèn)以報(bào)告其 保真度。另外，模型模塊28可以由求解器代碼模塊30訪問(wèn)以確定最優(yōu)控制軌跡。
[0038] 返回到圖2,如上所述，0BC22可以被配置成基于來(lái)自設(shè)施/過(guò)程12的反饋來(lái)確定 用于控制系統(tǒng)10的穩(wěn)定可行控制軌跡。因此，反饋接口 52可以被配置成接收反饋，比如先 前的輸出變量18、期望輸出軌跡23、期望控制軌跡24或它們的任何組合，并將它傳達(dá)給處 理電路34。例如，反饋接口 52可以是位于0BC22的背板上的串行端口，其使0BC22能夠接 收來(lái)自控制系統(tǒng)10中的傳感器的樣本。在處理電路34確定了控制軌跡26之后，控制軌跡 26被傳達(dá)給輸出接口 46。如下面將要更詳細(xì)描述的，處理電路34可以利用各種搜索功能 (例如，QP求解器)和穩(wěn)定功能來(lái)確定控制軌跡26。因此，輸出接口 46可以被配置成將控制 軌跡26傳送到設(shè)施/過(guò)程12。與反饋接口 52相似，輸出接口 46可以是位于0BC22的背板 上的串行接口以使輸出接口能夠與控制向設(shè)施/過(guò)程12中的輸入的控制器通信。應(yīng)當(dāng)理 解，如上所述，控制器可以是同一處理部件、處理器的不同核心或者不同的處理器模塊。
[0039] 如上所述，處理電路34可以利用各種求解器方法（S卩，算法）來(lái)幫助確定控制軌跡 26 (S卩，動(dòng)態(tài)優(yōu)化)。在圖5A至圖5C中描繪了這樣的求解器方法的示例。如所描繪的那樣 包括在每個(gè)圖中的是可行區(qū)域64和不可行區(qū)域66。更具體地，可行區(qū)域64是不違反控制 系統(tǒng)10的約束的所有的解或控制軌跡26。另一方面，不可行區(qū)域66中的解或控制軌跡66 違反了控制系統(tǒng)10的約束并且是不可行的。如所描繪的，約束被描繪為約束線68,約束線 68將可行區(qū)域64與不可行區(qū)域66分離。如上所述，約束可以是致動(dòng)器極限、技術(shù)限制、經(jīng) 濟(jì)限制和/或安全限制的結(jié)果。
[0040] 具體地，圖5A和圖5B描繪了可行搜索方法（S卩，算法）并且圖5C描繪了不可行搜 索方法（即，算法)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，附圖不意在描繪任何特定搜索方法或算法而只是說(shuō)明 性的。如在圖5A和圖5B二者中所示，可行搜索方法從可行區(qū)域64內(nèi)的可行點(diǎn)70開(kāi)始。 自開(kāi)始的可行點(diǎn)70起，可行搜索方法在控制時(shí)間期間圍繞可行區(qū)域64移動(dòng)以搜索最優(yōu)解 (即，控制軌跡）72。在一些情形中，如圖5A所示，找到最優(yōu)控制軌跡72。在其它情形中，找 到次最優(yōu)的但仍可行的控制軌跡74?？尚兴阉鞣椒ǖ氖纠窃加行Ъ蠼馄鞣椒?S卩，算 法)。相比較地，如圖5C所示，不可行搜索方法從不可行區(qū)域66內(nèi)的不可行點(diǎn)76開(kāi)始。自 開(kāi)始的不可行點(diǎn)76起，不可行搜索方法確定不可行解，直到它收斂于最優(yōu)解（S卩，控制軌跡） 72為止。不可行搜索方法的示例是對(duì)偶（dual)有效集求解器方法。相應(yīng)地，應(yīng)當(dāng)理解，如 果在最優(yōu)控制軌跡72被找到之前終止，可行搜索方法將產(chǎn)生可行控制軌跡，而不可行搜索 方法可產(chǎn)生不可行搜索軌跡。
[0041] 另外，如上所述，動(dòng)態(tài)優(yōu)化(例如，可行搜索方法或不可行搜索方法）可以從控制系 統(tǒng)10的其余部分異步運(yùn)行。因此，如果在控制期間找到次于最優(yōu)的控制軌跡，則優(yōu)化可以 持續(xù)到接下來(lái)的控制時(shí)間中，其給予0BC22更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算。此外，當(dāng)找 到最優(yōu)軌跡72時(shí)，它可以被時(shí)移、被填充或者被包括在未來(lái)的優(yōu)化計(jì)算中。
[0042] 此外，在一些情形中，不可行搜索方法可以比可行搜索方法更快地收斂于最優(yōu)解 (即，控制軌跡）;然而，如上所述，如果過(guò)早地終止，不可行搜索可能產(chǎn)生不可行解。相應(yīng)地， 為了利用可行搜索方法和不可行搜索方法二者的優(yōu)點(diǎn)，如圖6所述，可以在0BC22上實(shí)施基 于按順序的確定性的優(yōu)化的控制（0BC)過(guò)程（S卩，算法)78。具體地，這可以包括在不可行搜 索方法與可行搜索方法之間劃分最大執(zhí)行時(shí)間（即，控制時(shí)間）并且按順序運(yùn)行它們。開(kāi)始 過(guò)程78,用戶定義的設(shè)定點(diǎn)80和/或可行目標(biāo)（S卩，被映射到可行區(qū)域中的不可行設(shè)定點(diǎn)） 82可以被輸入到初始（S卩，上游)處理中，其可以被配置成確定用于接下來(lái)的搜索方法(過(guò)程 框84)的開(kāi)始點(diǎn)和約束（S卩，有效集)。例如，這可以包括基于前一解使用熱啟動(dòng)?；陂_(kāi)始 點(diǎn)和約束，不可行搜索方法可以運(yùn)行(過(guò)程框86)。更具體地，不可行搜索方法86可以運(yùn)行 短于最大執(zhí)行時(shí)間（即，控制時(shí)間）的一段時(shí)間。如果不可行搜索方法86找到最優(yōu)解，則過(guò) 程78可以停止。另一方面，如果在其被分配的時(shí)間期間，不可行搜索78已找到不可行解， 則投影操作發(fā)生以將不可行解投影到可行區(qū)域64 (過(guò)程框88)中。在一些實(shí)施例中，這可 涉及在可行區(qū)域64中尋找最接近于不可行解的點(diǎn)。在"詳細(xì)示例"部分可以看到另一個(gè)示 例投影操作88。
[0043] 在一些實(shí)施例中，因?yàn)椴豢尚兴阉?6和投影操作88可能在被分配的執(zhí)行時(shí)間期 間找到次最優(yōu)解(即，控制軌跡74)，所以穩(wěn)定過(guò)程90對(duì)穩(wěn)定控制系統(tǒng)10可能是有用的然而 是可選的。換言之，穩(wěn)定過(guò)程90可以被配置成降低控制系統(tǒng)10的成本由于次最優(yōu)控制軌 跡74而將增大的風(fēng)險(xiǎn)。如圖7所示，穩(wěn)定過(guò)程90可以通過(guò)計(jì)算可行解或控制軌跡(過(guò)程框 92)而開(kāi)始。關(guān)于圖6,可行解是不可行解向可行區(qū)域64中的投影。
[0044] 為了穩(wěn)定控制系統(tǒng)10,可以將在過(guò)程框92 (S卩，第一穩(wěn)定控制軌跡)中確定的可行 解與在過(guò)程框94中確定的前一解(S卩，第二穩(wěn)定控制軌跡)相比較。更具體地，該前一解被更 新，其可以包括移位和填充到下一個(gè)控制時(shí)間(過(guò)程框96)。作為示例，圖8A描繪了具有在 時(shí)間i確定的六的控制水平線（即，六個(gè)時(shí)間步）的控制軌跡98。如上所述，控制軌跡98表 示被操縱的變量的設(shè)定，比如閥開(kāi)啟的百分比。相應(yīng)地，基于控制軌跡98,控制系統(tǒng)10將采 取第一動(dòng)作1〇〇用于時(shí)間i與時(shí)間i+Ι之間的控制。在時(shí)間i+Ι處，執(zhí)行了第一動(dòng)作1〇〇。 因此，如圖8B所示，剩余控制軌跡98 (S卩，時(shí)間i+Ι與時(shí)間i+6之間的軌跡）被時(shí)移以形成 前一解102。另外，因?yàn)橛糜诮?jīng)時(shí)移的控制軌跡的控制水平線是五（S卩，五個(gè)時(shí)間步)，所以前 一解102被填充有額外的控制系統(tǒng)動(dòng)作104。在一些實(shí)施例中，這可以包括重復(fù)最后一個(gè)控 制系統(tǒng)動(dòng)作106。此外，圖8B描繪了比如由過(guò)程框88新計(jì)算出的用虛線表示的解108。相 應(yīng)地，可以將前一解102與新計(jì)算出的解108相比較。
[0045] 返回到圖7,在將前一解102和新計(jì)算出的解108調(diào)整到同一控制水平線之后，要 比較的一個(gè)特性可以是每個(gè)的成本。相應(yīng)地，基于目標(biāo)（即，成本）函數(shù)，用于新計(jì)算出的解 108的成本(過(guò)程框110)和前一解92的成本可以被計(jì)算(過(guò)程框112)。接著，將新解110 的成本與前一解102的成本相比較(過(guò)程框114)。最后，可以選擇具有最低成本的解(S卩，控 制軌跡）（過(guò)程框116)。
[0046] 返回到圖6,可以利用在過(guò)程框88中確定的投影解或者在過(guò)程框90中確定的穩(wěn)定 解來(lái)初始化可行搜索方法(過(guò)程框118)。利用來(lái)自不可行搜索86的結(jié)果初始化可行搜索 88可以增強(qiáng)可行搜索88的效率。例如，這可以包括利用較好的初始點(diǎn)、初始有效集（S卩，約 束的集合）和/或矩陣因式分解來(lái)初始化可行搜索88。此外，如將要在"詳細(xì)示例"部分更 詳細(xì)描述的，搜索（即88和86)可以被實(shí)施為使用同一矩陣因式分解，這導(dǎo)致二者之間的無(wú) 縫過(guò)渡。最后，基于由可行搜索88確定的控制軌跡，可以將被操縱的變量20輸入到設(shè)施/ 過(guò)程12中以受控制(過(guò)程框120)。
[0047] 圖9和圖10描繪了利用了基于按順序的確定性的優(yōu)化的過(guò)程控制78的0BC22的 不同實(shí)施例。此外，如所描繪的，兩個(gè)實(shí)施例均利用對(duì)偶有效集求解器方法122作為不可行 搜索方法并且利用原始有效集求解器方法124作為可行搜索方法。由于對(duì)于每個(gè)求解器方 法（8卩，122和124)可以存在多個(gè)實(shí)施，可在"詳細(xì)示例"部分找到不同的實(shí)施配對(duì)（S卩，對(duì)偶 有效搜索122的實(shí)施與原始有效集求解器124的實(shí)施配對(duì))。
[0048] 如圖6所述，過(guò)程78開(kāi)始于初始處理84。在圖9中描繪的實(shí)施例中，初始處理84 可以包括初始化對(duì)偶有效集求解器(過(guò)程框126 )。如所描繪的，初始化對(duì)偶有效集求解器可 以可選地利用熱啟動(dòng)128。具體地，熱啟動(dòng)128可以基于前一解132猜測(cè)最優(yōu)有效集（即， 約束的集合)130。相應(yīng)地，當(dāng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題在隨后的控制時(shí)間中相似時(shí)，熱啟動(dòng)可能是有用 的。如果不利用熱啟動(dòng)，則初始有效集是空的。基于初始有效集，可以確定對(duì)偶可行點(diǎn)和有 效集134。如果使用熱啟動(dòng)128,則可以去除所猜測(cè)的最優(yōu)有效集130中的與具有錯(cuò)誤(即， 負(fù)的）符號(hào)的對(duì)偶變量(拉格朗日乘子）對(duì)應(yīng)的約束，直到所有的對(duì)偶變量具有正確的（即， 非負(fù)的）符號(hào)為止。可以在"詳細(xì)示例"部分看到對(duì)偶變量的進(jìn)一步描述?？商孢x地，如果 不使用熱啟動(dòng)128,對(duì)偶可行點(diǎn)可以是優(yōu)化問(wèn)題的不受約束的解。
[0049] 接著，如圖6所述，對(duì)偶可行點(diǎn)和有效集134被用來(lái)初始化對(duì)偶有效求解器方法 124,并且如果對(duì)偶有效集求解器方法124在其被分配的時(shí)間中找到最優(yōu)解，則過(guò)程78終 止。如果被分配的時(shí)間已期滿，則投影處理88將不可行解投影到可行區(qū)域64中。在所描 繪的實(shí)施例中，投影處理產(chǎn)生原始可行點(diǎn)和有效集136。
[0050] 原始有效集求解器方法124然后可以通過(guò)多種方式來(lái)初始化。例如，原始有效集 求解器方法124可以使用投影處理136的結(jié)果，通過(guò)添加在投影操作136之后變得有效的 所選約束來(lái)調(diào)整投影處理136的結(jié)果，或者通過(guò)添加在投影操作136之后變得有效的所選 約束或者通過(guò)添加人工約束以滿足受約束的子問(wèn)題來(lái)調(diào)整投影處理136的結(jié)果。最后，原 始有效集求解器方法124可以使用剩余的時(shí)間來(lái)搜索最優(yōu)解(S卩，控制軌跡)。
[0051] 除了包括在圖9中的功能以外，圖10進(jìn)一步包括穩(wěn)定過(guò)程90,穩(wěn)定過(guò)程90對(duì)于具 有簡(jiǎn)單邊界約束的優(yōu)化問(wèn)題可能是有用的。具體地，對(duì)于該類(lèi)型的良好構(gòu)造的約束，可以例 如通過(guò)裁剪操作高效地計(jì)算投影操作。
[0052] 此外，如上所述，0BC22可以運(yùn)行于多個(gè)部件（S卩，38和40)上，這使多個(gè)過(guò)程能夠 異步地運(yùn)行。相應(yīng)地，如圖11中所示，0BC22可以并行地利用多個(gè)優(yōu)化搜索，這如應(yīng)當(dāng)理解 的那樣可以增大找到最優(yōu)解（即，控制軌跡）的可能性。具體地，圖11描繪了包括基于按順 序的確定性的優(yōu)化的控制（0BC)過(guò)程78的基于并行的確定性的優(yōu)化的控制（0BC)過(guò)程138。 如所描繪的，基于按順序的確定性的優(yōu)化的控制（0BC)過(guò)程78與另一個(gè)優(yōu)化搜索（S卩，求解 器）140并行，其可以是任何優(yōu)化求解器方法(S卩，算法)。使過(guò)程78與被分配較長(zhǎng)的最大執(zhí) 行時(shí)間的另一個(gè)不可行搜索86并行可能是有用的，如上所述，過(guò)程78將返回可行解。可替 選地，過(guò)程78可以與另一個(gè)可行搜索88并行，使得可行搜索可以擔(dān)當(dāng)過(guò)程78的備份同時(shí) 額外地搜索最優(yōu)解（即，控制軌跡)。
[0053] 在過(guò)程78和優(yōu)化搜索已終止之后，可以比較結(jié)果。例如，如所描繪的，可以基于 目標(biāo)（即，成本）函數(shù)計(jì)算過(guò)程78的成本(過(guò)程框142)和并行優(yōu)化搜索140的成本(過(guò)程框 144)?？梢员容^這些成本(過(guò)程框146)并且可以選擇較低的成本(過(guò)程框148)。最后，基于 所選擇的控制軌跡，可以控制輸入到設(shè)施/過(guò)程12中的被操縱的變量20 (過(guò)程框120)。
[0054] 另外，應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)化搜索（S卩，78和140)可以同步地或異步地運(yùn)行。例如，可以基 本上同時(shí)地調(diào)用過(guò)程78和并行優(yōu)化搜索140?？商孢x地，一個(gè)（S卩，78或140)可以被調(diào)用 并被允許在處理部件(例如，38或40)上運(yùn)行，而控制系統(tǒng)10繼續(xù)進(jìn)行其普通功能發(fā)揮，這 為搜索方法（即，78或140)提供了較長(zhǎng)的搜索時(shí)間。然后，可以隨后調(diào)用另一個(gè)（S卩，78或 140)。
[0055] 詳細(xì)示例
[0056] 下面是幫助說(shuō)明這里所教導(dǎo)的技術(shù)的詳細(xì)示例。首先，如上所述，可以通過(guò)簡(jiǎn)化動(dòng) 態(tài)優(yōu)化計(jì)算來(lái)提高0BC22的效率。在一些實(shí)施例中，這可以包括對(duì)模型28進(jìn)行簡(jiǎn)化。一般 地，模型28可以被表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的公式。

【權(quán)利要求】
1. 一種控制方法，包括： 在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變量的 可行控制軌跡； 如果所述不可行搜索算法沒(méi)有確定可行控制軌跡，則在所述預(yù)定采樣時(shí)段的第二部分 期間執(zhí)行可行搜索算法以確定所述可行控制軌跡；以及 通過(guò)應(yīng)用所述可行控制軌跡來(lái)控制所述受控過(guò)程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述不可行搜索算法求解基于優(yōu)化的控制算法 的受約束的二次規(guī)劃問(wèn)題。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述不可行搜索算法包括用于受約束的二次規(guī) 劃問(wèn)題的對(duì)偶有效集求解器算法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可行搜索算法求解基于優(yōu)化的控制算法的 受約束的二次規(guī)劃問(wèn)題。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述可行搜索算法包括原始有效集求解器算法。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可行搜索算法基于所述不可行搜索算法的 當(dāng)前控制軌跡、在所述預(yù)定采樣時(shí)段的所述第一部分的末尾處開(kāi)始搜索所述可行控制軌 跡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括使所述不可行搜索算法的當(dāng)前控制軌跡在所述預(yù) 定采樣時(shí)段的所述第一部分的末尾處可行且穩(wěn)定，并且其中，所述可行搜索算法基于可行 且穩(wěn)定了的所述當(dāng)前控制軌跡來(lái)開(kāi)始搜索所述可行控制軌跡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述采樣時(shí)段的所述第一部分的末尾處穩(wěn)定 所述不可行搜索算法的所述當(dāng)前控制軌跡包括將用于至少一個(gè)變量的值移動(dòng)到可行區(qū)域。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述受控過(guò)程的實(shí)時(shí)控制期間循環(huán)地重復(fù)上述 步驟。
10. -種控制方法，包括： 在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變量的 可行控制軌跡； 如果在所述采樣時(shí)段的所述第一部分期間所述不可行搜索算法沒(méi)有確定可行控制軌 跡，則使所述不可行搜索算法的當(dāng)前控制軌跡在所述采樣時(shí)段的所述第一部分的末尾處可 行且穩(wěn)定； 在所述采樣時(shí)段的第二部分期間執(zhí)行可行搜索算法以基于穩(wěn)定了的所述當(dāng)前控制軌 跡來(lái)確定所述可行控制軌跡；以及 通過(guò)應(yīng)用所述可行控制軌跡來(lái)控制所述受控過(guò)程。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，使所述不可行搜索算法的所述當(dāng)前控制軌跡 在所述采樣時(shí)段的所述第一部分的末尾處可行且穩(wěn)定包括將用于至少一個(gè)變量的值移動(dòng) 到可行區(qū)域。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述不可行搜索算法求解基于優(yōu)化的控制算 法的受約束的二次規(guī)劃問(wèn)題。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述不可行搜索算法包括用于二次規(guī)劃問(wèn)題 的對(duì)偶有效集求解器算法。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述可行搜索算法求解基于優(yōu)化的控制算法 的受約束的二次規(guī)劃問(wèn)題。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述可行搜索算法包括原始有效集求解器算 法。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括在所述受控過(guò)程的實(shí)時(shí)控制期間循環(huán)地重復(fù)上 述步驟。
17. -種控制系統(tǒng)，包括： 存儲(chǔ)器電路和處理電路，所述存儲(chǔ)器電路用于存儲(chǔ)可執(zhí)行代碼，所述處理電路用于執(zhí) 行所述代碼，所述代碼定義了多個(gè)步驟，所述步驟當(dāng)被執(zhí)行時(shí)： 在預(yù)定采樣時(shí)段的第一部分期間執(zhí)行不可行搜索算法以搜索受控過(guò)程的多個(gè)變量的 可行控制軌跡； 如果在所述采樣時(shí)段的所述第一部分期間所述不可行搜索算法沒(méi)有確定可行控制軌 跡，則在所述采樣時(shí)段的第二部分期間執(zhí)行可行搜索算法以確定所述可行控制軌跡；以及 通過(guò)應(yīng)用所述可行控制軌跡來(lái)控制所述受控過(guò)程。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括多核心處理器，并且其中， 所述多核心處理器中的一個(gè)核心專(zhuān)用于確定所述可行控制軌跡并且所述多核心處理器中 的另一個(gè)核心執(zhí)行其它處理功能。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括多核心處理器，并且其中， 所述多核心處理器中的一個(gè)核心專(zhuān)用于運(yùn)行所述不可行搜索算法，而單獨(dú)的核心專(zhuān)用于用 于最優(yōu)控制軌跡的所述可行搜索算法，并且所述多核心處理器中的其它核心執(zhí)行其它處理 功能。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述處理電路包括模塊化的基于優(yōu)化的控制 部件，所述模塊化的基于優(yōu)化的控制部件被配置成經(jīng)由背板與所述控制系統(tǒng)的其它部件通 ?目。
【文檔編號(hào)】G05B13/00GK104049532SQ201410098819
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】揚(yáng)·科林斯基, 伊日·漢日利克, 彼得·霍拉切克, 比詹·薩亞爾羅德薩里 申請(qǐng)人:洛克威爾自動(dòng)控制技術(shù)股份有限公司