專利名稱：在多變量預(yù)測(cè)控制器中加入獨(dú)立前饋控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)，更具體地涉及在多變量預(yù)測(cè)控制器中加入獨(dú)立前饋控制的方法。
在包含前饋控制的當(dāng)前控制系統(tǒng)中，處理前饋控制的傳統(tǒng)方法為包含兩個(gè)控制器，一個(gè)反饋(FB)控制器及一個(gè)前饋(FF)控制器，各控制器具有其本身的調(diào)諧參數(shù)組。在當(dāng)前可獲得的一些系統(tǒng)中，利用單一的反饋控制器，而將反饋環(huán)路的誤差與前饋環(huán)路的干擾誤差相組合。通過輸出移動(dòng)來消除反饋誤差及前饋干擾效應(yīng)的FB控制器生成單一的校正解。單一反饋控制器具有單一的調(diào)諧參數(shù)組，從而限制了消除干擾效應(yīng)的速度。如果提高控制器的速度來提高消除干擾的速度，便可降低反饋控制器的穩(wěn)定度邊限?？蓪⑶梆伩刂扑俣韧七M(jìn)得比反饋控制器速度快，因?yàn)榍梆伩刂破鳛殚_環(huán)控制，即只要前饋模型是穩(wěn)定的，前饋操作便是內(nèi)在穩(wěn)定的，然而如果將控制速度推進(jìn)得太多，反饋控制便能成為不穩(wěn)定的。如果將前饋控制指定為進(jìn)行得更快，便不存在進(jìn)入不穩(wěn)定狀況的可能性。如果用戶將反饋控制器調(diào)諧成運(yùn)行得更快，必須小心保證反饋控制器不會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定狀況。因此希望反饋與前饋控制器具有獨(dú)立的調(diào)諧參數(shù)。在單一控制器中利用兩種控制算法來執(zhí)行反饋與前饋控制的多變量預(yù)測(cè)控制器消耗太多的CPU時(shí)間。從而，希望提供一種多變量預(yù)測(cè)控制器，使得反饋控制器將前饋動(dòng)作與反饋動(dòng)作組合并具有分開的獨(dú)立調(diào)諧，一組調(diào)諧參數(shù)用于反饋控制而一組調(diào)諧參數(shù)用于前饋控制。
因此本發(fā)明提供了在多變量預(yù)測(cè)控制器的反饋控制器中加入獨(dú)立的前饋控制的方法。
因此，本發(fā)明提供了在多變量預(yù)測(cè)控制器中加入獨(dú)立前饋控制的方法。過程控制系統(tǒng)包括一個(gè)反饋控制器，并且還包括至少一個(gè)操縱變量(mv)和至少一個(gè)控制變量(cv)。過程控制系統(tǒng)還包括一個(gè)前饋環(huán)路，過程控制系統(tǒng)是遭到干擾的。本發(fā)明的方法在反饋控制器中加入獨(dú)立前饋控制并包括為各控制變量定義前饋控制漏斗及為各cv定義反饋控制漏斗的步驟。前饋控制漏斗規(guī)定要在其中消除干擾的第一時(shí)間TFF及在其中控制變量響應(yīng)輸入變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)值的第二時(shí)間TFB。為各cv選擇前饋控制漏斗與反饋控制漏斗中的較短者。如果第一時(shí)間TFF小于第二時(shí)間TFB，便補(bǔ)償反饋控制速度使得反饋控制器速度不增加。如果TFF大于或等于TFB，便不進(jìn)行補(bǔ)償，借此為前饋控制解與反饋控制解有效地提供獨(dú)立的調(diào)諧參數(shù)。按照反饋控制器的控制過程計(jì)算控制變量的新值，該過程是按照新計(jì)算出的解而被控制的。
從而，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供在控制器中加入前饋控制的方法。
本發(fā)明的另一目的為提供在控制器中加入獨(dú)立前饋控制的方法。
本發(fā)明的又另一目的為提供在多變量預(yù)測(cè)控制器中加入獨(dú)立前饋控制的方法。
結(jié)合以下描述及附圖，本發(fā)明的這些與其它目的將更為清楚，附圖中相同的字符表示相同的部分，并且這些圖構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分。


圖1示出可在其中采用本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)的功能框圖；圖2示出過程變量對(duì)設(shè)定點(diǎn)的變化的響應(yīng)曲線；圖3包括圖3A與3B，分別示出一個(gè)示例性反饋控制漏斗及一個(gè)示例性前饋控制漏斗；以及圖4示出本發(fā)明的較佳實(shí)施例的功能框圖。
在描述本發(fā)明的方法之前，理解采用本發(fā)明的系統(tǒng)環(huán)境是有幫助的。
參見圖1，其中示出了可采用本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)的功能框圖?？刂破?0具有作為輸入變量μ耦合在過程20上的多個(gè)輸出。過程20可包含諸如閥門、加熱器等可控制的多個(gè)元件。過程20的過程變量y中包含控制產(chǎn)品質(zhì)量的溫度、壓力、電平、流量等。輸入變量(或操縱變量)u定義為u=u1u2···umor mv=mv1mv2···mvm]]>而輸出變量(或控制變量)cv則定義為cv=cv1cv2···cvn]]>從而，過程20為具有m個(gè)操縱變量及n個(gè)控制變量的動(dòng)態(tài)過程P(s)?？刂谱兞?cv)包含n1個(gè)穩(wěn)定cv、n2個(gè)約束cv及n3個(gè)優(yōu)化cv。通常，n≥m≥n1在本發(fā)明中，控制規(guī)范r(在以前的系統(tǒng)中稱作設(shè)定點(diǎn))定義如下r=r1∈[r‾1r‾‾1]r2∈[r2‾r2]···rn∈[r‾nr‾‾n]]]>對(duì)于穩(wěn)定cvi，下界等于上界，ri＝ri。對(duì)于約束cvj，上界大于下界，rj≥rj，或者只存在一個(gè)下界或者只存在一個(gè)上界。最后，對(duì)于優(yōu)化cv，根本不存在界限。
將控制器10的范圍控制函數(shù)按照minx,y||1/2W(Ax-y)||2]]>被公式化以處理上面指出的三種情況。
假定MV≤X≤MV及PV≤y≤PV；其中，W為用戶加權(quán)矩陣。
A為將輸出的過程動(dòng)態(tài)特性關(guān)聯(lián)到輸入上的動(dòng)態(tài)模式矩陣(aij系數(shù))；y(最佳響應(yīng)軌線)為范圍變量(設(shè)定點(diǎn)的擴(kuò)展)；而x(控制解)則為取決于應(yīng)用的操縱變量Δu(即，Δu＝U當(dāng)前-U上一個(gè))。PV和PV(過程變量)為希望具有該過程操作的范圍，而MV和MV則為希望具有該過程操作的范圍物理極限。
通過參考轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的同一受讓人的名為“利用范圍控制的多變量預(yù)測(cè)控制方法”的1994年9月27日授權(quán)的美國(guó)專利號(hào)5,351,184可以得到多變量預(yù)測(cè)控制器(MPC)的更詳細(xì)的描述，將其引用在此作為參考。
下面描述本發(fā)明。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，將前饋控制包含在利用反饋控制器的過程控制系統(tǒng)中。不希望使用上述美國(guó)專利號(hào)5,351,184中全面描述的控制器10的兩個(gè)(2)范圍控制程序(這里也稱作范圍控制算法(RCA)，因?yàn)閷?huì)加倍CPU的時(shí)間。本發(fā)明的較佳實(shí)施例利用相同的RCA并使用同一單個(gè)控制器10，但達(dá)到具有兩個(gè)不同的獨(dú)立控制器的效果。
參見圖2，其中示出了過程變量PV(也稱作控制變量cv)對(duì)設(shè)定點(diǎn)SP的變化的響應(yīng)曲線。將漏斗定義為具有點(diǎn)PV1、PV2、…作為漏斗的上界(FUNNEL-HI)及具有點(diǎn)PV1、PV2、PV3…作為漏斗的下界(FUNNEL-LO)，使得過程變量在時(shí)間T1上達(dá)到要求值(穩(wěn)定狀態(tài)值)。漏斗為響應(yīng)曲線定義了界限。圖2的曲線示出范圍δ，由于本發(fā)明的較佳實(shí)施例的多變量預(yù)測(cè)控制器采用上述專利中更全面地描述的范圍控制；然而，熟悉本技術(shù)的人員將會(huì)理解，范圍控制不是本發(fā)明所必要的。
在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中，定義了兩個(gè)(2)漏斗，一個(gè)反饋控制漏斗及一個(gè)前饋控制漏斗。通過定義這兩個(gè)漏斗，用戶便能規(guī)定希望在其中排除干擾效應(yīng)的時(shí)間，并且用戶還能規(guī)定希望在其中令cv響應(yīng)設(shè)定點(diǎn)變化到達(dá)其工作(穩(wěn)定狀態(tài))值的一不同時(shí)間。
漏斗的定義如圖3中所示，該圖包括圖3A與3B。圖3A示出示例性反饋(FB)控制漏斗，其中cv在系統(tǒng)開環(huán)響應(yīng)時(shí)間的0.8(即8 0％)的時(shí)間上達(dá)到其工作值。從而定義了cv性能比為
本例中的0.8值是用戶規(guī)定的。用戶還規(guī)定了定義前饋(FF)對(duì)反饋(FB)性能之比的前饋控制漏斗。在圖3B的示例中，規(guī)定了0.5的FF/FB性能比意味著在40％的開環(huán)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)排除前饋干擾，即對(duì)于上面給出的其中選擇了圖3A的0.8的cv性能比的示例。
控制器10已輸入了包含要消除干擾效應(yīng)的時(shí)間TFF及到達(dá)過程變量的工作值的時(shí)間TFB的漏斗特征，較短的時(shí)間定義“較短的漏斗”。本發(fā)明的較佳實(shí)施例的控制器10采用兩個(gè)漏斗中的較短者。從而將滿足排除干擾效應(yīng)的用戶請(qǐng)求。(本例中FF控制漏斗為較短漏斗)。然而，當(dāng)今的控制器將不滿足用戶對(duì)滿足用于設(shè)定點(diǎn)跟蹤的cv響應(yīng)時(shí)間的請(qǐng)求。
為了滿足兩種時(shí)間請(qǐng)求，即具有獨(dú)立調(diào)諧的參數(shù)，將過程控制系統(tǒng)修改成圖4中所示，即本發(fā)明的較佳實(shí)施例。將控制器10的RCA算法修改成采用對(duì)各cv的兩個(gè)漏斗中的較短者。從而選擇了較快的控制器速度。再者，將系統(tǒng)修改成包含具有濾波器Fi的對(duì)角線濾波器30，其中i＝cv數(shù)。這些對(duì)于每一cv一個(gè)的濾波器補(bǔ)償了反饋控制器10速度，似乎不存在通過范圍控制算法的加速一樣。濾波器具有形式Fi=1τis+1]]>其中，對(duì)于FF對(duì)FB之比(1
及Ts＝抽樣時(shí)間。對(duì)于FF對(duì)FB之比≥1
τi＝0。將干擾耦合到FF模型50(以熟悉本技術(shù)的人員熟知的方式)，將輸出加在各cv的濾波器的輸出上，并將和輸入到控制器10上。包含了呈現(xiàn)過程上的干擾效應(yīng)并從而呈現(xiàn)cv上的效應(yīng)的FF過程50。借此將FF過程50的輸出加在過程20的輸出cv上，從而以熟悉本技術(shù)的人員所熟知的方式給出cv上的合成效應(yīng)。這樣便示出了包含在多變量預(yù)測(cè)控制器中加入獨(dú)立前饋控制方法的過程控制系統(tǒng)。
雖然已示出了認(rèn)為是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但表明可在其中作出許多改變與修正而不脫離本發(fā)明的主要精神與范圍。因此，在所附的權(quán)利要求書中旨在覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)范圍的所有這些改變與修正。
權(quán)利要求
1.在過程控制系統(tǒng)中，該過程控制系統(tǒng)具有反饋控制器，并且還具有至少一個(gè)操縱變量(mv)及至少一個(gè)控制變量(cv)，并且還包含前饋環(huán)路，該過程控制系統(tǒng)遭受干擾，在反饋控制器中加入獨(dú)立前饋控制的方法包括下述步驟a)為各控制變量定義前饋控制漏斗并為各cv定義反饋控制漏斗，前饋控制漏斗規(guī)定要在其中消除干擾的第一時(shí)間TFF，以及在其中控制變量響應(yīng)輸入變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)值的第二時(shí)間TFB；b)為各cv選擇前饋控制漏斗與反饋控制漏斗中的較短者；c)如果第一時(shí)間TFF小于第二時(shí)間TFB，i)補(bǔ)償反饋控制速度好象反饋控制器速度沒有提高一樣；否則如果第一時(shí)間TFF≥TFB，便繼續(xù)到下一步驟，借此有效地提供獨(dú)立調(diào)諧參數(shù)；d)按照該控制器程序計(jì)算控制變量的新值以生成一個(gè)解；以及e)按照該解控制該過程，該解還包含在規(guī)定時(shí)間內(nèi)消除干擾。
2.按照權(quán)利要求1在過程控制系統(tǒng)中加入獨(dú)立前饋控制的方法，其中該過程控制系統(tǒng)為多變量預(yù)測(cè)控制器。
3.按照權(quán)利要求2在過程控制系統(tǒng)中加入獨(dú)立前饋控制的方法，其中該反饋控制器的控制器程序?yàn)榉秶刂瞥绦颉?br> 4.按照權(quán)利要求3在過程控制系統(tǒng)中加入獨(dú)立前饋控制的方法，其中該補(bǔ)償步驟包括按照Fi=1τis+1]]>濾波各控制變量cvi的步驟，其中i＝cv的下標(biāo)，以及對(duì)于前饋對(duì)反饋之比＜1
其中Ts＝抽樣時(shí)間OLRT＝開環(huán)響應(yīng)時(shí)間，以及對(duì)于前饋對(duì)反饋之比≥1τi＝0
全文摘要
過程控制系統(tǒng)包含反饋控制器并具有至少一個(gè)操縱變量及一個(gè)控制變量。包含了前饋環(huán)路,該系統(tǒng)遭受干擾。將獨(dú)立前饋控制加入到反饋控制器中包括下述步驟。為各cv定義一個(gè)前饋控制漏斗及一個(gè)反饋控制漏斗,分別規(guī)定要在其中消除干擾的時(shí)間T
文檔編號(hào)G05B13/02GK1187887SQ96194773
公開日1998年7月15日 申請(qǐng)日期1996年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月14日
發(fā)明者盧祝新 申請(qǐng)人:霍尼韋爾公司