用於採用範圍控制的多變量預測控制的最佳控制器的設計方法
2023-09-12 14:30:25 2
專利名稱：用於採用範圍控制的多變量預測控制的最佳控制器的設計方法
技術領域：
本發明涉及控制系統，更具體地涉及用於採用範圍控制的增強的(robust)多變量預測控制(RMPC)技術的最佳控制器的設計方法。
在現代過程控制系統中，目前已使用了許多技術，它們應用控制過程變量到預定設置點的模型預測控制技術。通常設置點是系統操作者對一個或多個設置點值的最好估計。當過程被控制到一個設置點上時，控制器可能不會獲得最佳控制性能，尤其是在過程/模型失配的情況下。為了進一步增強控制系統的整體性能，故希望設計一種明確地處理設備或模型不定性的控制器。
本發明提供了一種用於採用範圍控制的多變量預測控制的過程控制系統的控制器的設計方法。該控制器被設計來操作為最壞情況的過程。因此就獲得了對於該過程的最佳控制器，及在實際過程不是最壞情況的過程的情況下，控制器的性能將比預期的還好。
因此，本發明提供了一種用於採用範圍控制的增強的多變量預測控制(RMPC)技術的最佳控制器的設計方法。一包括至少一個被操作變量及至少一個受控變量的過程控制系統提供了一種用於增強的過程控制的方法。被操作變量及受控變量的預定約束及被操作變量的當前值被獲得。該控制器裝有確定最佳控制器的參數，這些參數是脫機計算出來的。為了確定這些參數，將定義該過程的最壞情況模型的單一最小-最大陳述，該過程將結合一最佳情況的控制器來操作。單一最小-最大陳述被轉換成最小化問題形式的規範表達，最小化問題的結果的解答就是該參數。計算用於今後預定數目的點的受控變量的新值，以使這些受控變量的值在預定範圍中，因此獲得結果控制器的最佳堅固性。被操作變量也被計算以在預定的約束內，當可控制時受控變量落在一預定的範圍內。從多個解答中選出最增強的一個解答。然後對被操作變量進行調整，以使過程控制系統將受控變量的值驅至計算值上。
因此本發明的一個目的是提供一種確定最佳控制器的方法，以便在最壞情況的過程系統上獲得最控制性能。
當結合以下的說明及附圖時，將會使本發明的上述和另外的目的變得更加明白，其中相似的符號表示相似的部分，及這些附圖將成為本申請的一部分。
圖1表示使用了本發明的過程控制系統的功能框圖；圖2表示用於對本發明的二維最小-最大問題解答的圖形說明圖；及圖3包括圖3A和3B，表示圖2中函數空間映入奇數個幾何形狀的說明圖。
在本發明的採用範圍控制的增強的多變量預測控制器(RMPC)中，以脫機方式獲得了一種最佳控制器設計，它能提供在最壞情況過程上取得最佳控制性能的最佳控制器。採用範圍控制的RMPC的詳細說明可以參考美國專利US5,351,184來得到，該專利已轉讓給本申請的同一受讓人，它將在理解本發明所需的程度上結合於此作為參考。
參照圖1，它表示可採用本發明的過程控制系統的功能框圖。控制器10具有多個輸出，它們作為輸入變量u被連接到過程20。過程20例如可包括多個可被控制的元件，如閥，加熱器...。過程20的過程變量包括溫度、壓力、電平、流量...它們支配著產品的質量。輸入變量(或被操作變量)u被定義為u=u1u2uk]]>及輸出變量(或受控變量)CV被定義為CV=CV1CV2CVn]]>因此，過程20是一個具有K個被操作變量及幾個受控變量的動態過程P(m)。受控變量(CV)包括n1個被調節的CV，n2個被約束的CV及n3個被優化的CV。控制器10的範圍控制函數被公式化來處理上述三種情況，並完全被描述在上述美國專利US5,351,184中。
本發明的增強控制設計的一個目的是明確地處理設備或模型的不定性。概括地說，希望控制器維持預定水平的性能，甚至當過程變化時也是如此。增強控制設計既保證了增強的穩定性又保證了增強的性能。前者保證了對於在以不定性為特徵的一組的所有設備，該控制器是穩定的，而後者則保證對於該組設備能期望得到合理的性能。最佳增強的控制設計問題的通常形式為minQmaxmJ(Q(p).m)]]>它表達該問題是尋求一個控制器Q，它將在所有的參數m上使最壞性能J減至最小。性能J恆定為涉及控制器Q10，過程P20及模型M30的複合函數。穩定性和性能問題又限制了設計。為了保證增強的穩定性，模型的不定性限制了互補靈敏度函數的最大奇值。增強的性能的要求通過結構化的奇值限制了設計。
在傳統的意義上，增強的控制設計設法直接解決用於控制器Q10的最小-大問題。因為限制處理實際上是所有工業過程控制器的最重要方面，傳統的增強設計不能直接地應用。但是，具有兩個關鍵的有助於公式化RMPC設計的增強的控制概念。第一個是使用最大奇值來建立RMPC控制器上的範數界限，它被完整地描述在上述專利中。第二個是使用用於控制器綜合的最小-最大原理，它將被討論於下。
過程P(m)20被參數化，例如增益，時間常數，時間延遲(或處理時間)均是未知的但被定義以使一參數m位於最高及最低界限之間m≤m≤m模型M30是過程P20的「描述」。但是，在模型30及過程20之間經常有某些程度的失配。如果給出一個模型，就能確定出該RMPC控制器(如上述專利中由範圍控制算法(RCA)所述)。由於模型及過程之間的失配，故使用了不同的變量。下面，過程P用字母m表示，模型M用字母P表示。為了進一步改善用通用形式來表述的控制器minQ(p)maxmJ[Q(p).m]]]>其中m為過程參數(對於該過程的參數m無事可做)及p為模型的參數。
本發明要解決的問題是第一)通過使誤差空間J最大化找出最壞的設備(過程)，與使用哪個控制器無關。具有一高-低界限(m≤m≤m)中的m的參數組合以使得過程將引起最大故障。第二)尋找將工作於最壞過程的最佳控制器。
這就定性地描述了要解決的問題。這不是一個最大問題。這也不是一個最小問題。它是一個最小最大問題(MIN-MAXPROBLEM)。最小-最大(min-max)是一個單算符。
該算符的形式為minmaxqm]]>注最小化P而不是Q(P)，因為Q是一個因變量。一旦P被選出，使用RCA可以知道Q。
該要解決的問題的通用形式變為minpmaxmJ[Q(p).m]]]>其條件為m≤m≤mp≤p≤pm在其範圍中是離散的，因此m[m1、m2，m3......mn]則該通用形式為minpmaxiJi[Q(p)]]]>式中Ji＝J〔Q(P)，mi〕。
上述最小-最大問題可重新以典型形式通過加入變量α來陳述，它表達為min α
P，α其條件為Ji(Q(P))-α≤0。
該規範形式可以等效地由圖形說明表示。該規範形式更易於求解，因為這一個最小問題。參照圖2，它表示用於解二維最小-最大問題的圖形說明(但它也同樣可用於3維，...)。從函數域中抽出的任何點PA可被映入函數空間。Ji是P的函數，m1解析為J1及m2解折為J2J1p1p2m1;J2p1p2m2]]>在函數域中的所有點映入一定形狀(僅作為例子，在該函數空間中表示為一橢圓)。現在找出點x，因為它產生出最小的J1，J2值。這就是α的值，因為J1-α＝0及J1-α＝0。從α轉換J i的反函數(從函數空間返回到函數域)就得到了解P。(在函數空間中所劃出的正方形用於各個α值，與轉換的圖形(這裡是橢圓)的曲線接觸的正方形的角即為α的值)(注意這是僅為一個α的值-單值，這就是為什麼使用正方形)。
該解點得出P並使用在上述專利中所述的RCA，確定出控制器。用於獲得改善性能的模型M(P)也被得到。
圖3A及3B共同的構成圖3，它表示獲得不同函數空間曲線的2維圖形說明。
雖然所描述的是本發明優選實施例所考慮的內容，但顯然，在不偏離本發明基本精神及範圍的前提下對其可作出許多改變及修改。因此希望，附設權利要求書可覆蓋落在本發明精神內的所有這些變化和修改。
權利要求
1.在過程控制系統中，一種提供過程的增強的控制方法，該系統具有提供對過程的增強的控制的控制器，該過程還具有至少一個被操作變量及至少一個過程變量，該方法包括下列步驟a)給控制器裝入確定最佳控制器的參數，這些參數的脫機計算包括步驟i)定義該過程的最壞情況模型的單一最小-最大陳述，該過程結合具有最佳情況的控制器來操作；ii)將所述單一最小-最大陳述轉換成相應的最小化表達，該相應的最小化表達是規範的單一最小-最大陳述；及iii)解最小化問題獲得結果的解，該結果的解即為這些參數；b)使該增強的控制初始化，以具有被操作變量和受控變量的預定約束；c)獲得該被操作變量及過程變量的當前值，所述過程變量相應於該過程的測量參數；d)計算對於今後預定數目的點的過程變量的新值，以便具有在預定範圍中的這些過程變量的值，由此獲得結果控制器的最佳堅固性，被操作變量在預定約束內，當可控制時這些過程變量落在一預定範圍內；否則使對過程變量的約束幹擾保持為最小；e)從多個解中，選擇一個最大增強的解；及f)根據最大增強的解，控制該過程。
全文摘要
在包括至少一個被操作變量及至少一個受控變量的系統中提供了一種用於增強的過程控制的方法。得到被操作變量的預定約束及被操作變量的當前值。控制器裝入確定最佳控制器的參數,這些參數是脫機計算出來的。為了確定這些參數將定義過程最壞情況的模型的單一最小－最大陳述,該過程將結合具有最佳情況的控制器來操作。單一最小－最大陳述將轉換成最小問題形式的規範表達,最小問題的結果解答就是該參數。計算對於今後預定數目的點的控制變量的新值,以使這些控制變量的值在預定範圍中,由此獲得結果控制器的最佳堅固性。被操作變量也被計算以在預定約束內,當可控制時控制變量落在預定的範圍內。從多個解中選出最大增強的一個解。然後對被操作變量進行調整以使過程控制系統將受控變量的值驅至計算值上。
文檔編號G05B13/04GK1180422SQ96193040
公開日1998年4月29日 申請日期1996年4月1日 優先權日1995年4月3日
發明者盧祝新 申請人:霍尼韋爾公司