一种MPC控制器技术，其集成了比当今在MPC类型控制器中普遍采用的方法更好的反馈控制性能，形成了在出现过程模型失配时比传统MPC技术运行更好的MPC控制器。具体地，通过向MPC控制器增加可调节积分块，该MPC控制器形成指示预测或其他控制误差的积分分量，以及将该分量加至MPC控制器算法的输出以在存在模型失配时提供更快或更好的控制，这首要地是预测误差的根本原因，从而提升MPC控制器性能。该技术使MPC控制器可以更快地反应以及在存在模型失配时提供更好的给定值变化和负载扰动性能，而不减少MPC控制器的鲁棒性。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 相关申请 本申请是根据美国临时专利申请No. 61 /149，147的正式提交的申请，并要求其优 先权以及其申请日的权益，上述临时申请名称为〃Model Predictive controller with Tunable Integral Component to Compensate for model mismatch〃提交于2009年2月2 日，其全部的公开内容特此明确地以引用方式包括于此。
本申请涉及过程控制，该过程控制可以执行于例如工业过程工厂中，以及，更具体 地，涉及一种使用用以补偿模型失配的可调节积分分量的改进的模型预测控制器，从而在 存在模型失配时提供更好的模型预测控制器运行。
技术介绍
过程控制硬件和软件是化学，制药和精炼工业的几乎所有设施的主要组件，并且 是全球范围内的数十亿美元的业务。虽然在任何具体情况中获得最佳的可能控制在过去一 直不是重点关注的，但是近年来，新的工厂，例如工业过程工厂，都有意识地被更多地设计 为具有可控性和可优化性。而且，许多现有的过程工厂都以此目标而被改造。这种改造不仅 包括所安装的硬件的几何构型的改造，例如反应器，罐，管道等的位置，而且还包括用于执 行过程控制的控制，监视以及测量单元的位置和类型的改造。随着自然资源的成本以及与 排放相关的实际成本的增长，能源消费也已经成为工厂设计中的一个重要因素。 结合控制器再调节或者模型调度(8〇116(1111；[1^)，控制性能监视能显著地提高工业 工厂的效率，以及因此每年节省数百万美元。另一种近年来越来越受欢迎的技术是异常情 况监测和预防(Abnormal Situation Prevention，ASP)。在一些情况下，现代设备和控制系 统设计包括新的传感器以及可预测潜在故障或者预定需要的维护周期的嵌入式统计算法。 这些预测维护系统能够显著地增加工厂运行的正常工作时间并防止代价昂贵且危险的意 外停机的表现。而且，这些技术的可靠性在过去十年中大大提高，导致工厂效率得以提高。 作为这些努力的一部分，一类预测控制技术，通常称为模型预测控制（model predictive control，MPC)技术，自大约25年前最初被开发并应用后在工业中获得了显著 的接受。通常而言，MPC指一类控制算法，该算法通过利用过程模型（在性质上典型地为线 性)计算被操纵变量信息(profile)以在受约束条件下，在未来时间域上优化线性或者二次 开环性能目标。然后在该过程中实现这种开环的、优化的被操纵变量信息的启动，并且在每 个控制间隔或者控制器周期重复该流程以执行过程控制。过程测量被用以更新运行中的控 制期间中的优化问题。该类控制算法也称作滚动层(receding horizon)控制或者移动层控 制。 然而，由于其复杂性，MPC已确立其地位主要在于高端控制界，以及因此MPC配置通 常被控制专家所开发并使用。因此，考虑到实施的巨大成本，MPC的实施通常仅值得应用于 保证巨额利润以回报巨额实施费用的过程。此处，就输入和输出的数量而言，MPC应用的规 模通常很大，这是MPC通常不被用于低层环路控制例如单变量环路控制的一个原因。更具体地，控制系统的使用费用很大，而且具体关注特定过程工厂中每个控制环 路的配置是不实际的。因此，所有控制环路中的大约90%受控于传统的线性反馈控制器，例 如比例-积分-微分(PID)控制器或者比例-积分(PI)控制器。而且，到了 MPC控制器被使用的 程度，这些控制器通常本质上也是线性的。不幸的是，虽然线性控制器主要用于过程控制工 业中，多数实际过程都呈现出非线性行为。这种差异的结果是模型失配不可避免。未满足的 模型失配不仅造成了次优的控制性能，而且还使被开发出来以提升控制性能及正常工作时 间的技术的许多优点丧失。模型失配因此而不仅就控制硬件和软件而言昂贵，而且实际上 减少了其他相关的工厂技术的成本节约。总的来说，工业控制器的性能可以以多种方式被测量，并且不同的过程可以具有 显著不同的质量和安全需求。工厂工程师实际上可能使用一个或多个不同的性能标准，例 如超调，停搏时间（arrest time)(积分过程），振荡特性，积分误差和积分绝对误差 (integrated absolute error，IAE)来评估特定的控制环路的性能。然而，对于PID控制器， 为给定控制器的所测的控制性能通常是在给定值跟踪和扰动抑制行为之间的折衷结果，在 给定值跟踪上的较好的性能会导致在扰动抑制中的较差的性能，反之亦然。例如，长时间常 数(亦即，例如那些存在于以滞后为主的过程中的常数)已知会在为给定值跟踪性能而调节 (tuning)的PID控制器中造成较差的扰动抑制性能。该折衷，为PID控制器的开发所固有，其 可以通过这一事实来解释，为负载扰动抑制而被理想地调节的PID控制器必须具有一个相 对高的积分作用（亦即，较小的积分时间常数），而该相对的高积分作用不利于控制器的给 定值变化性能。更具体地，在给定值变化期间，过程误差(e)在一段时间内保持较大，即便当 受控变量(y)逼近给定值(SP)时。由于很大的积分增益，积分项快速累积并超过所必要的， 因此造成给定值超调。所以，旨在于给定值变化性能的PID调节具有较小的积分作用和较差 的负载变化或者扰动抑制性能。由于传统的PID控制，如上述所提及，仍为所有工业中最为 流行的控制器选择，受困于这个问题，许多方法已经被提出以尝试减小该问题的影响，包括 PID控制器和给定值滤波的结构性改动。然而，即便存在这些改动，PID控制器的调节仍然提出了正确指定给定值跟踪与扰 动抑制性能之间折衷的挑战。不同的PID调节方法通常地有利于给定值跟踪性能或扰动抑 制性能中的一种而超过另一种。而且，许多基于模型的调节技术将PID控制器的内部参数匹 配于受控过程的模型的内部参数，这导致了相同的折衷。例如，PID调节方法，例如极点抵消 和lambda调节，将控制器的积分时间匹配于该过程的主要时间常数。在此，设置控制器增益 以获得确定的闭环时间常数以及确定的给定值变换响应(例如，无超调）。因为该控制器所 导致的积分作用相对较小，该技术呈现了非常好的给定值变化性能，但较差的扰动抑制性 能。另一方面，经验性的PID调节方法，例如Ziegler-Nichols方法，为扰动抑制性能而特别 设计。然而，因为该控制器的积分作用足够强从而将过程变量非常快速地返回至给定值，这 导致了响应于给定值变化的不期望的给定值超调。在少数场合，环路的目的仅仅是扰动抑制（例如，未有给定值变化的缓冲罐水平） 或者仅仅是给定值跟踪(例如，无扰动的级联策略中的次级回路）。由于在该情况中可能容 易选择调节配置，前述的折衷被频繁地完全省略，并且，替代地，通常选取一种默认的调节 方法，使得调节在任意特定的过程情形下都劣于最优。如上所述，虽然大量的调节方法已被 开发以克服PID调节的这个局限，包括给定值滤波以及两自由度结构，但这些调节方法通常 有利于扰动抑制性能，并且因而控制器对给定值变化的反应被人工地减小。例如，如果选择 给定值滤波，则将由操作员带来的给定值变化滤波以防止超调，结果导致对给定值变化的 较慢的反应。任何情况下，以上所讨本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于控制过程的基于模型的过程控制器，包括：控制器输入，用以接收一个或多个指示所述过程中的受控变量的过程测量；控制器输出，用于提供一个或多个用于控制所述过程的被操纵的过程变量的控制信号；过程模型单元，包括对过程的运行建模的过程模型，其中所述过程模型单元基于所述过程模型生成预测的过程变量；第一求和器，其从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号；第二求和器，其从用于所述过程变量的给定点值中减去所预测的过程变量以产生第二误差信号；控制单元，其使用所述第二误差信号生成初步控制信号；积分器，其对所述第一误差信号或所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及组合器单元，其耦合至所述积分器和所述控制单元以将所述积分误差信号与所述初步控制信号组合来产生用于控制所述过程的所述被操纵的过程变量的最终控制信号。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：D·蒂勒，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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