[发明专利]用于实时过程控制的两段方法

说明书

本发明涉及采用线性规划模型来控制过程运行的方法，该模型被配置来提供对系统约束以及该过程的未测定干扰的描述。

采用线性规划模型来实现过程控制现在是很普通的。对受控变量的未来变化与控制变量的当前和过去变化之间的关系进行数学限定的线性规划模型目前被用来增强过程控制器的运行。受控变量是指标被订为保持在所要求的调整点的过程变量，而控制变量是可调整以驱使受控变量达到其指标值的过程变量。在任何工业过程中都会由外部对过程产生干扰，如果不对过程进行控制以实时响应未测定的干扰，就会导致不稳定性、效率降低以及产品质量的改变。对过程的一种未测干扰可能会来自例如环境温度的变化或对产品需求的突然变化。此外，这种过程还有系统约束，诸如温度、压力和流速，这些因素对过程变量产生限制，因此在过程控制中也必须加以考虑。

动态矩阵控制是一种过程控制方法，它采用过程模型根据对受控变量的未来变化的预测来计算控制变量的修正。动态矩阵控制的基本概念是采用已知的时域阶跃响应过程模型来确定控制变量的变化，从而使一个性能指标在一特定的时间范围内变为最小或最大。每一控制变量的控制变量变化时序都是根据由时域阶跃响应模型所预测的过程响应来计算的。因此，性能指标被最优化。

两份美国专利包括动态矩阵控制的两种实施例。美国专利4，349，869公开了一种动态矩阵控制系统，其中需要在时间范围内使某些性能指标最小或最大的控制变量变化是采用数学最小二乘法来计算的。该方法的主要缺陷是过程受控变量的系统约束不能直接通过计算控制变量变化或移动的最小二乘法来处理。由于这一局限，很难驱使受控变量达到可能限定过程的最佳稳态运行状态的一个上极限或下极限，这是因为无法明确保证在修正控制变量时所产生的瞬时状态中不扰乱该极限。

美国专利4，616，308公开了动态矩阵控制的一种改进形式，其中在美国专利4，349，869中所描述的用于计算使某些性能指标达到最小或最大的控制变量变化的最小二乘法被二次规划方法或者线性规划方法所替代。采用其中任一种方法都可以直接处理受控变量的系统约束。假定时域阶跃响应模型准确地代表了过程的动态响应，并且对过程不施加任何未测定干扰，那么就能保证控制变量的移动不会产生导致受控变量扰乱上极限或下极限的瞬态过程。

事实上，时域阶跃响应过程模型根本不可能准确地代表过程的动态响应。此外，未测量并且任何过程模型也没有加以考虑的干扰会在过程控制中产生实时失稳。由于这些因素，由最小二乘法、二次规划或线性规划方法所计算的控制变量的移动必须周期性地进行修改。一种手段是确定由受控变量所限定的过程的状态，对每一控制变量计算其移动时序，等待一定的时间间隔，再次确定过程的状态，重新计算每一控制变量移动的时序。

在美国专利US4，349，869和US4，616，308中所描述的动态矩阵控制的两个实施例所采用的过程模型没有考虑在过程的状态被初始确定后进入过程中的实时未测干扰。与具有不完善的过程模型和未测干扰的动态矩阵控制的实际实施相关的另一个问题是，由上面所描述的任一方法所计算的每一控制变量的移动时序在实现对性能指标的最小化或最大化这一目标时极具侵略性倾向。通常会产生较大而且频繁的控制变量移动。暂且不论操作人员的审美考虑，当控制器呈现这种侵略性时会危及过程的闭环稳定性。当过程模型的精确性受到某些原因的限制时尤其如此。美国专利4，616，308对本领域普通技术人员所熟知的移动抑制概念作了数学描述。移动抑制恶化了依赖于对每一控制变量所计算的控制变量变化的时序中控制变量从其当前值所产生的任何变化的性能指标。因此，对序列中的某个控制变量与其初序值的变化不作计算，除非由一个移动抑制因子或权所限定的这一变化的费用远小于这一变化在改善性能指标时所带来的利益。采用移动抑制的最终结果是要改善在一限定的时间范围内使其变为最小或最大的性能指标，从而使得控制变量由控制变量变化的时间序中的当前值所产生的变化导致性能指标值与没改善的性能指标相反变化。没改善的性能指标的变化量不能事先确定。