ＭＰＣ模型中的即时动态顾问机制造技术

公开了一种用于从模型预测控制器中去除ＰＩＤ控制器的动态特性的方法，模型预测控制器利用过程的识别测试而产生。那么，这就允许产生非常快速的基于最终控制元素的即时操作者顾问机，该顾问机结合过程运行，使得其访问实时数据并提供过程的未来状态的目前预测，以及提供观察控制可能性的可选方案的能力。

Instant dynamic advisor in MPC model

A method is disclosed for removing the dynamic characteristics of a PID controller from a model predictive controller, and the model predictive controller generates by using a process identification test. So, this allows the immediate operator Advisory final control element based on very fast, the consultant operates in conjunction with the process, making its access to real-time data and predict the future state of the current process, and the ability to provide alternative possibilities of observation control.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MPC模型中的即时动态顾问机
技术介绍
模型预测控制(MPC)是指计算一系列操纵变量(manipulated variable) 调整以最优化复杂的多变量过程未来行为的一类算法。最初是为了满足于 石油精炼和化学处理的需要，但是MPC现在可以应用到各种应用领域中， 包括化学、食品加工、自动化、宇航、冶金和纸浆造纸。化学和精炼应 用中MPC众所周知的实施是动态矩阵控制或DMC。MPC控制器使用过程的软件模型来预测所操纵的变量的过去变化的 影响和感兴趣的输出变量上的可测量干扰。计算自变量，以优化被称为预 测水平(predictionhorizon)的时间间隔内的未来系统行为。 一般情况下，可 以使用任何期望的目标函数进行优化。系统动态由清楚的过程模型描述， 原则上其采取许多不同的数学形式。过程输入和输出约束(constraint)直接 地包括在数学分析(problem formulation)中，以便预测并阻止未来约束干 扰。实际上，已经就运行MPC控制器开发了许多不同的方法并得到了商 业化。最成功的实施方案已经针对设备动态特性利用了线性模型。线性模 型的第一步在于通过对自变量引入测试干扰(test disturbance)而收集过程 中的数据并测量干扰对于自变量的影响。该初始步骤称为识别 (Identification)。美国专利4,349,869和4,616,308描述了被称为动态矩阵控制(DMC) 的MPC控制的实施方案。这两个专利描述了根据设备的线性模型的MPC 算法，并描述了如何将过程约束包括在数学分析中。还描述了利用过程凄t 据的MPC控制器的初始识别。作为进一步的背景，该过程动态特性的识别要求预测试，预测试时， 以某种模式运转过程的自变量以判断对于自变量的影响。在化学或精炼处 理中，自变量包括用于选择的自变量的PID(比例-积分-微分)控制器设置点、手动时PID控制器的最终控制元素位置、以及在控制领域的范围之外 确定的温度、材料流量、压力和组份。对于任何过程识别测试，对于凄t据分析，自变量是固定的。此外，在MPC控制器领域中的任何PID控制器 的进一步调整是固定的。MPC控制器构造成使用来自识别的动态过程模 型，当执行识别时，MPC控制器必须严格地具有已存在的自变量的相同 构造。因此，动态模型中，识别期间出现的PID控制器结构嵌入在PID 控制器动态特性中。因为PID动态特性是设备行为的一部分，所以具有变 量的内在相关性，该变量的内在相关性在不可测量的干扰出现在过程中时 发生。各种PID控制回路响应于这些不可测量的干扰并相应地运转很多被 控变量。过去这一直阻碍开发人员利用标准的识别测试产生摆脱PID动态 特性的MPC控制器。专利技术人提出了美国申请10/047,473 。该申请处理前述问题并描述了 一种通过新颖的数学矩阵算法的使用而从动态模型中去除PID动态特性 的方法，该数学矩阵算法利用矩阵列消元法计算将选择的最终控制元素位 置(一般阀门位置)受控变量与线性化模型中其对应选择的独立可控的、所 操纵的PID控制器设置点变量进行交换，以产生具有一组新的独立可控 的、所操纵的变量的第二线性模型，该第二模型使得选择的独立可控的、 所操控的PID控制器设置点变量的动态特性从模型中去除。该第二线性化 模型是一种仅仅基于最终控制元素位置的开环模型。因为其是开环有限脉 冲响应模型，所以已经看出其可以比实际时间快到50至100倍。申请序 列号10/047,473描述并要求了该类模型在控制和离线训练模拟器开发中 的使用。非常期望诸如化学药品制备和石油精炼的复杂多变量过程的控制能 够成为操作者的快速即时顾问机(advisor)，但是这点并没有得到满足。其 可以以两种重要的途径进行使用。在前台模式中，关于基于自变量和结构 的过去变化过程正在运行的情况，操作者顾问机可以运行以提供持续预 观'J。在后台模式中，顾问机可以向操作者提供建议并提供训练模式以教授 新的和富有经验的操作者对于该方案从头至尾的使用。该性能在现有技术 和实际中都没有使用过。该性能明显的优势在于防止了计划外的停工并保证了个体的安全。本专利技术的一个方面在于对于该未满足的需要的认识和通过使用开环 有限脉冲响应模型而处理该需要的方法，与pid控制器的模拟有关的该开环有限脉冲响应模型的pid动态特性已经去除并且该新模型连接至dcs。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种从由设备识别测试产生的mpc控制器中 除去pid控制器的动态特性的方法。这使得能够产生过程的基于最终控制 元素的fir模型。接着，该基于最终控制元素的模型可以连接至pid控制 配置的模拟，并通过分布式控制系统(dcs)控制台进行连接，以产生快速 并可信的即时操作者顾问机来在过程的运行期间指导操作者。因为pid控 制器的动态特性已经从基于最终控制元素的fir模型去耦，该即时操作者 顾问机可以用于各种控制结构中，而不是必须重复进行设备识别测试。该 类的即时顾问机之前从未获得过。本专利技术的再一 目的在于提供一种可在moc控制器的各种实施方案中 使用的方法。本专利技术的进一步目的在于提供一种方法，其产生用于复杂多变量过程 的即时顾问机，其可以利用新的调整控制结构或新的调整进行修改，并且 这么做不是一定要管理过程的新识别测试。本专利技术的一个目的通过一种产生即时操作者顾问机的方法而实现，即 时操作者顾问机用于在过程模拟中使用的过程，并用于训练模拟机，通过去除pid动态特性的影响并因此从过程的控制器模型的动态特性中去除 不可测量的干扰的影响而产生训练模拟机，过程具有多个独立可控的操纵 变量和基于独立可控的操纵变量的至少一个被控变量，方法包括以下步 骤通过在操纵变量的每个中分别引入测试干扰以及测量干扰对于被控变 量的影响，收集关于过程的数据；利用干扰对千被控变量的影响来产生使 得至少一个被控变量与独立可控操控变量有关的第一线性化动态模型；利 用矩阵列消元计算，将选择的最终控制元素位置可控变量与第一线性化动 态模型中其对应选择的独立可控操纵pid控制器设置点变量互换，以产生 第二线性化动态模型，第二线性化动态模型具有新的一组独立可控的操纵变量，第二线性化动态模型使得选择的独立可控操纵PID控制器设置点从第二动态模型中除去；经由数学模拟器外部地模拟期望的调整控制配置， 以便用手动、级联或自动模式来模拟PID控制器，从而获取过程的完整模型。本专利技术的又一方面在于完整模型的使用，如下所述访问来自过程的 实时数据，以利用应变量和自变量的状态初始化完整的模型；初始化调整 控制系统的结构；以及利用预测向量的状态进行初始化，使得接着可以数 学地计算完整模型，以预测至少一个被控变量的未来方式。还应该注意，可以经由DCS控制台或者可由现代控制组件获得的控 制台模拟器在过程模型之外容易地模拟调整控制配置，这样允许操作者以 手动模式安置PID控制器，打破级联，重新调整PID控制器或者甚至重 新设定调整控制配置。当前用于石油精炼和化学处理中的识别的最一般方法是动态矩阵识 另'J(DMI)。该DMI将被用于例证本专利技术的方法，但是应该理解，本专利技术并 不受限于具体识别技术。附图说明图1为分馏器的流程示意图2为基于阀门位置的分馏器模型的模拟；图3示出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生即时操作者顾问机的方法，所述即时操作者顾问机用于过程模拟以及用于训练用于过程的模拟机，所述过程具有多个独立可控的操纵变量和基于所述独立可控的操纵变量的至少一个被控变量，所述方法包括以下步骤：通过在所述操纵变量的每个中分别引入测试干扰以及测量所述干扰对于所述被控变量的影响，收集关于所述过程的数据；利用所述干扰对于所述被控变量的所述影响来产生将所述至少一个被控变量关联于所述独立可控的操控变量的第一线性化动态模型；利用矩阵列消元计算，将选择的最终控制元素位置被控变量与所述第一线性化动态模型中它们对应的选择的独立可控的操纵ＰＩＤ控制器设置点变量互换，以产生第二线性化动态模型，所述第二线性化动态模型具有新的一组独立可控的操纵变量，所述第二线性化动态模型使得所述选择的独立可控的操纵ＰＩＤ控制器设置点变量的动态特性从所述第二动态模型中除去，并且以最终控制元素位置替换；以及经由数学模拟器外部地模拟所述调整控制配置，以手动、级联或自动模式模拟ＰＩＤ控制器，从而获取所述过程的完整模型。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯R卡勒，
申请(专利权)人：查尔斯R卡勒，
类型：发明
国别省市：US[美国]