利用并行过程仿真的多目标预测过程优化制造技术

本申请公开利用并行过程仿真的多目标预测过程优化。一种用于控制过程的系统及方法，包括：仿真过程及产生过程的仿真输出，根据从过程测得的输入及根据得自过程仿真器的仿真输出来开发一集合的目标值，以及在过程控制系统的每个操作周期期间根据该集合的目标值产生多个控制输出，以控制过程。仿真输出包括一个或多个预测未来值，直到所述过程的稳态。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是申请日为2006年12月5日、申请号为200680045695. 9 (PCT/ US2006/046590)且名称为"利用并行过程仿真的多目标预测过程优化"的专利技术的分案申请。 相关申请 本专利对在2005年12月5日提交的、临时申请序号为60/742, 322的美国专利 (U.S. Provisional Application Serial No. 60/742, 322)提出优先权要求，所述美国专利 的全部内容在此通过引用，明确地被并入本专利。
本公开总体上涉及过程设备中的过程控制系统，尤其涉及利用过程仿真及预测模 型的过程优化。
技术介绍
过程控制系统广泛地用于制造产品或控制过程（例如化学品制造、发电厂控制等 等）的工厂及/或车间。过程控制系统也用于自然资源的开采，比如石油及天然气钻探及 处理过程等等。实质上，任何制造过程、资源开采过程等等，可以通过一个或多个过程控制 系统的应用而得以自动化。相信所述过程控制系统最终也将更广泛地用于农业。 过程控制系统-如那些用于化学、石油、或其他过程的过程控制系统-典型地包括 一个或多个集中式或分布式过程控制器，过程控制器通过模拟通信协议、数字通信协议或 模拟/数字混合总线，与至少一个主机或操作员工作站或与一个或多个过程控制及仪器设 备（比如现场设备）通信连接。现场设备可能是阀、阀定位器、开关、传送器及传感器（例 如温度传感器、压力传感器、及流率传感器），它们在过程中发挥功能，如开启或关闭阀及测 量或过程参数。过程控制器接收现场设备所进行的或与现场设备有关的过程测量的信号及 /或关于现场设备的其他信息，并使用这些信息来实施控制例程，然后产生控制信号并通过 一条或多条总线或其他通信线传送至现场设备，以控制过程的操作。来自现场设备及控制 器的信息通常传送到由操作员工作站执行的一种或多种应用程序，以使操作员能够针对过 程执行必要的功能，比如检视过程的当前状态、更改过程的操作等等。 过程设备中的多种装置可以在物理及/或逻辑组中互连，以创建一个逻辑过程， 比如一个控制环路。同样地，一个控制环路可以与其他控制环路及/或设备互连，以创建一 个单元，而一个单元接着可以与其他单元互连，以创建一个区。过程设备一般包括互连区， 而商业实体一般包括可以互连的过程设备。因此，一个过程设备包括带有互连资产的多级 的层次，而一个企业可能包括互连过程设备。换句话说，与一个过程设备有关的资产或多个 过程设备可以组合在一起，以构成在较高层次的资产。 过程控制器一般被编程来为定义予过程或过程中包含的多个不同环路中的每个 环路执行不同的算法、子例程或控制环路（它们都是控制例程），比如流率控制环路、温度 控制环路、压力控制环路等等。一般而言，每个这样的控制环路包括一个或多个输入功能块 (比如模拟输入（Al)功能块）、单输出控制块（比如比例微分积分（PID)或模糊逻辑控制 (FLC)功能块）及单输出功能块（比如模拟输出（AO)功能块）。这些控制环路一般执行单 输入/单输出控制，这是由于控制块产生单控制输出，用于控制单过程输入，比如阀位置等 等。然而，在某些情况下，使用多个独立操作的单输入/单输出控制环路并不是很有效，这 是由于被控制的过程变量受超过一个单过程输入的影响，而且事实上每个过程输入可能影 响许多过程输出的状态。例如，单输入/单输出控制环路导致过程输出以无法接受的方式 运转，其中所述输出在永远不能达到稳定状态的情形下不停变化。 工业过程优化已经被用来确定特定问题的最佳解，除了考虑工厂收入的最大化、 限制放射、最小化生产成本等等之外，其满足客户对不同产品的需求及在资源及设备的极 限内进行。自1960年起，优化器便已经被开发。然而，优化中涉及的问题包括选择一个或 多个优化变量、选择目标函数及识别各种制约，比如以上提供的例子。因此，问题涉及的制 约限制了解的确定。 实时优化器（RTOs)已经被用于优化过程功能。一般上，实时优化器（RTO)使用 线性及非线性高保真模型，它们一般需要充分的开发及维护工夫。然而，实施实时优化器 (RTO)涉及的困难导致只有很少成功的安装，其成功安装比与模型预测控制（MPC)实施有 关的成功安装还少得多。 模型预测控制（MPC)或其他类别的高级控制已经在特定被控制过程变量影响超 过一个过程变量或输出的情形下被用于执行过程控制。自1970年代以来，许多成功的模型 预测控制（MPC)实施已经成为过程工业中的高级多变量控制的主要形式。此外，MPC控制 已经作为分布式控制系统层次化软件，实施在分布式控制系统中。4, 616, 308及4, 349, 869 号美国专利（U. S. Patent Numbers 4, 616, 308and 4, 349, 869)概括地描述可以用于过程控 制系统内的MPC控制器。典型的MPC应用优化器以实现经济优化及制约处理。 一般而言，模型预测控制（MPC)是一种多输入/多输出控制策略，其测量多个过程 输入中的每个过程输入对多个过程输出中的每个过程输出的影响，然后使用这些测得的响 应来创建过程的控制矩形阵或模型。所述控制矩形阵或模型（其概括地定义过程的动态操 作）被数学地求逆，然后用于多输入/多输出控制器或作为多输入/多输出控制器使用，以 便根据对过程输入的改变来控制过程输出。在有些情况下，过程模型以所述多个过程输入 中的每个过程输入的过程输出响应曲线（典型地是阶跃响应曲线）代表，而且这些曲线可 以根据传送到所述多个过程输入中的每个过程输入的一系列（例如）伪随机阶跃变化来创 建。这些响应曲线可以以已知方式用于模拟过程。由于模型预测控制（MPC)在本领域中广 为人知，因此这里将不对其细节进行描述。然而，模型预测控制（MPC)在"1996美国化学工 程师学会会议"（AIChE Conference, 1996)上由 Qin, S. Joe 及 Thomas A. Badgwell 发表的 "工业模型预测控制技术评论"（An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology)中概括地描述。 模型预测控制（MPC)已经被查明是一种有效和有用的控制技术，而且已经与过程 优化共同被使用。为了优化使用模型预测控制（MPC)的过程，优化器使得由模型预测控制 (MPC)例程确定的一个或多个过程输入变量最小化或最大化，以促使过程在最佳点位运行。 虽然这个技术在计算上为可能，但需要选择（例如）对改善过程的经济运作（例如过程生 产量或品质）有重大影响的过程变量，以便从经济立场对过程进行优化。就财政或经济观 点而言，在最佳点位运行过程典型地需要同时控制许多过程变量，而不只是控制单一过程 变量。带模型预测控制（MPC)的优化器的成功实施可以贡献这些因素：方便实施应用模型 预测控制（MPC)的过程模拟、与配置系统的集成、用于模型修正的模型预测控制（MPC)反馈 以及在优化模型中使用过程稳态模型预测。在这四个因素之中，与配置系统的集成是一重 要因素。配置系统指定可利用什么设备、所述设备怎样配置，并指定与设备有关的制约。 在使用模型预测控制（MPC)的大多数情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制过程的过程控制系统，包括：过程仿真器，其适合仿真所述过程及产生所述过程的仿真输出，其中所述仿真输出包括所述过程的一个或多个预测未来值；优化器，其适合最小化或最大化一目标函数，同时保持一集合的过程变量在预定义过程变量界限内，适合使用所述目标函数中的一个或多个松弛变量来将所述集合的过程变量扩展到所述过程变量界限之外，并且适合根据过程输入、根据来自所述过程仿真器的所述仿真输出以及根据在所述预定义过程变量界限之外确定的解，开发一集合的目标值；以及多输入/多输出控制器，其适合在所述过程控制系统的每个操作周期期间根据在所述过程控制系统的每个操作周期期间从所述优化器提供给所述多输入/多输出控制器的所述集合的目标值，产生配置成控制所述过程的多个控制输出。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：特瑞思·L·贝利文斯，威廉·K·沃琼斯尼斯，马克·J·尼克松，彼得·沃琼斯尼斯，
申请(专利权)人：费舍柔斯芒特系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US