集成線性/非線性混合過程控制器的制作方法與工藝

公開的實施例涉及反饋控制系統，更具體地涉及針對使用模型預測控制器的過程控制的方法和系統。

背景技術：
通常使用過程控制系統來管理處理設施(諸如，制造廠、化工廠和煉油廠)。閥門、泵、電機、加熱/冷卻設備和其它工業設備通常執行在處理設施中處理材料所需的動作。除其它功能之外，過程控制系統常常管理處理設施中的工業設備的使用。在傳統的過程控制系統中，控制器常常被用來控制處理設施中的工業設備的操作。控制器通常能夠監控工業設備的操作、向工業設備提供控制信號和/或在檢測到故障時生成警報。過程控制系統通常包括一個或多個過程控制器以及輸入/輸出(I/O)設備，其諸如通過模擬和/或數字總線通信地耦合到至少一個工作站以及一個或多個現場設備。現場設備能夠包括傳感器(例如，溫度、壓力和流率傳感器)、以及其它無源和/或有源器件。過程控制器能夠接收過程信息(諸如，由現場設備產生的現場測量結果)以便實現控制例程。然后能夠生成控制信號，并將其發送到工業設備以控制過程的操作。先進的控制器常常使用基于模型的控制技術來控制工業設備的操作。基于模型的控制技術通常涉及使用經驗模型來分析輸入數據，其中該模型識別應當如何基于所接收的輸入數據來控制工業設備。模型預測控制器(MPC)依賴于過程的動態模型，最常見的是通過系統識別而獲得的線性經驗模型。該模型被用來關于過程自變量(例如，輸入)的改變來預測動態系統的因變量(例如，輸出)的行為。在化學過程中，自變量最常見的是控制閥門移動的調節控制器的定位點(例如，具有或不具有流量、溫度或壓力控制器級聯的閥門定位器)，而因變量最常見的是過程中的約束(例如，產品純度、設備安全操作限制)。MPC使用模型和當前工廠測量結果來計算自變量的未來移動，其將產生試圖滿足所有自變量和因變量約束的操作。然后MPC發送這組自變量以移動到將在過程中實現的相應的調節控制器定位點。在特定控制系統中，在操作具有特性上不同的操作工況的不同過程時可能出現困難。例如，一些制造過程(諸如，多變量化學過程)可能需要同時或相繼對線性過程和非線性過程這兩者的控制以用于所需的過程控制。傳統的控制器利用單獨的線性和非線性MPC來處理每個單獨的任務。

技術實現要素：
公開的實施例認識到的是，包括單獨的非線性和線性控制器的傳統的模型預測控制器(MPC)通過增加切換時間來降低整個控制過程的效率，并且可能占用更多的用戶時間。此外，切換可能不是無縫的，這可能導致控制的短暫喪失，這可能影響過程的完整性，諸如導致一個或多個生產損失、不合規格的產品、質量差的產品以及處理設施處的設備上的增加的磨損。公開的實施例通過取而代之地提供一種包括線性模型和NL模型這兩者的集成混合MPC來解決了包括單獨的非線性(NL)和線性控制器的傳統MPC的問題。此類集成混合MPC允許基于當前模式或物理過程(諸如，由處理設施或工廠運行的制造過程)的操作工況來切換。由于能夠從線性模型和NL模型這兩者同時可得到未來過程參數預測，所以線性和NL控制之間的切換能夠是無縫免碰撞切換，這促進了工廠或其它物理系統的平穩操作，諸如在等級轉變期間以及在等級操作時。附圖說明圖1是根據示例實施例的提供線性和NL控制模式之間的切換的示例混合MPC的框圖。圖2A是示出了根據示例實施例的使用混合MPC來控制物理過程的示例方法中的步驟的流程圖。圖2B示出了根據示例實施例的受控系統，其包括用于控制處理設施運行制造過程的功能塊和數據流，所述受控系統包括單個用戶界面(UI)，所述用戶界面(UI)包括用于使用所公開的混合MPC在線性和NL控制模式之間進行切換的切換器。圖3示出了根據示例實施例的基于圖1中所示的混合MPC的示例混合MPC的針對受控變量(CV)和其相應的上限和下限以及作用于該CV的相應的操縱變量(MV)的模擬的響應。圖4示出了Hammerstein-Wiener(N-L-N)NL結構及其關系。具體實施方式參照附圖來描述所公開的實施例，其中在整個附圖中使用類似的附圖標記來指明類似或等同的元件。附圖不是按照比例繪制的，并且提供這些附圖僅僅是用來說明特定的公開的方面。以下參照用于說明的示例應用來描述若干公開的方面。應當理解的是，大量特定細節、關系和方法被闡述以提供對所公開的實施例的充分理解。然而，相關領域中的普通技術人員將容易認識到的是，在沒有特定細節中的一個或多個的情況下或者利用其它方法，能夠實踐本文中公開的主題。在其它實例中，未詳細地示出眾所周知的結構或操作，以避免使特定方面模糊。本公開不被圖示的動作或事件的順序限制，因為一些動作可以按不同的順序發生和/或與其它動作或事件同時發生。此外，并非需要所有圖示的動作或事件來實現根據本文中所公開的實施例的方法。所公開的實施例包括混合MPC，其能夠通過包括線性模型和NL模型這兩者的混合MPC框架而被應用于包括非線性制造過程的NL物理過程。由于能夠從線性模型和NL模型這兩者同時可得到未來過程參數預測，所以MPC能夠在線性和NL模型之間被無縫地切換，這促進了工廠或其它物理系統的平穩操作。根據當前模式或受控的物理過程的操作工況，用戶能夠使用單個切換器來在線性控制和NL控制之間切換控制模式，或者混合MPC能夠在線性控制和NL控制之間被自動地切換。如本領域中已知的那樣，能夠有利的是，只要有可能，就針對線性或基本上線性的過程使用線性控制，因為利用NL控制器來控制線性過程或基本上線性的過程可能會過度毀傷，并且因而導致退化的過程性能。特別地，NL控制涉及與將NL模型線性化和更新反映因變量(CV)的改變對自變量(一個或多個MV)的單位改變的增益信息相關聯的額外的處理負載，即使過程增益可能未顯著地改變。通常為每個CV/MV組合確定增益。如本文中所使用的那樣，CV是能夠在物理過程中使用的變量，并且其值取決于一個或多個MV的使用或不使用。如本文中所使用的那樣，MV是變量，其值能夠保持恒定或者被改變以實現過程中所期望的結果，例如諸如在煉油廠或處理廠中。“被操縱”的時態不意圖暗示已經發生了值的操縱。相反，“操縱變量”意圖傳達可操縱的變量，其值可以在過去已經被操縱或者可以在過去尚未被操縱以及可以或者可以不在未來被操縱。此外，線性控制可用于特定NL過程，因為即使過程可以是高度NL，操作工況和操作模型也可以指定由過程展示出的NL。例如，高度非線性聚合物制造過程可能在等級轉變期間展示出嚴重的非線性，而在用于抵制干擾的等級操作時，非線性可能不顯著，并且簡單的線性控制器可能能夠適當地控制過程。用于提供線性和NL控制的傳統實現方式具有用于線性控制器和NL控制器的單獨的軟件包(其由單獨的控制器引擎運行)。這是關于調諧和控制器設置來執行控制器設計的方式所需要的。所公開的MPC提供單個控制器引擎，所述單個控制器引擎提供具有類似的調諧參數的線性和NL控制兩者，所述線性和NL控制提供一致的方式來調諧和配置線性和NL控制器兩者。例如，設定CV/MV限制和/或大部分過程相關的調諧對于線性和NL控制部能夠是共同的。此外，所公開的MPC能夠自動地向用戶強調過程的非線性，諸如通過連續地監控系統中的增益改變，這允許采取適當決策(自動或手動)來切換到線性或NL控制。此外，能夠考慮在操作范圍內的模型靈敏度信息，以確定是否根據當前控制配置來切換到線性/NL控制。圖1是根據示例實施例的提供線性和NL控制模式之間的切換的示例混合MPC100的框圖，示出了控制由運行物理過程的處理設施150(諸如包括化工廠或煉油廠的處理設施150)運行的過程。雖然示出了控制單個MV(被示出為Y)，但是所公開的混合MPC(諸如，MPC100)能夠同時控制多個MV。MPC100包括NL控制部110和線性控制部118，所述NL控制部110包括存儲有NL模型的存儲區(memoryblock)112，其耦合到生成線性化模型116的線性化電路114，所述線性控制部118包括存儲有線性模型120的存儲器122。存儲器112和122所存儲的相應的模型能夠被離線地生成并加載到存儲器中。然而，所公開的實施例還包括在線模型開發。通過將在當前控制循環內或在先前控制循環之一內由存儲器112提供的NL模型線性化，線性化電路114生成線性化模型116。因而，MPC100具有(i)線性模型120以及來自線性模型122的未來預測123和(ii)線性化模型116和來自線性化電路114或直接來自存儲器112的可供目前使用的未來預測127中的至少一個。能夠用于所公開的實施例的示例非線性模型包括基于經驗數據的模型(諸如，(一個或多個)黑盒(BB)模型、(一個或多個)灰盒(GB)模型)以及第一原理模型(諸如，(一個或多個)白盒(WB)模型)。在(一個或多個)BB模型中，用戶可以開發具有外來輸入的非線性自回歸(NARX)以及非線性輸出誤差(NOE)類型的基于經驗數據的模型。在(一個或多個)GB模型中，用戶能夠開發Hammerstein、Wiener以及Hammerstein-Wiener類型的基于經驗數據的模型。基于過程的一般性的NL模型，線性化電路114提供或以其它方式生成線性化模型116(例如，狀態空間模型)，其能夠包括分段線性模型。線性模型120能夠包括但不限于，包括有限脈沖響應(FIR)、閉環識別(CLID)、預測誤差方法(PEM)以及其組合的模型。MPC100包括示出為包括單個切換器125，其能夠是UI的一部分(參見圖2B)，所述切換器125在一個位置時允許MPC100直接利用線性模型120以及在另一個位置時允許MPC100使用由線性化電路114提供的線性化模型116。切換器125還能夠包括自動切換器，其被配置用于在線性過程控制和NL過程控制之間自動地切換，并且因而與UI分離。能夠通過一組狀態空間方程來描述動態系統。狀態空間表示是物理系統的線性化數學模型，如一階微分方程所關聯的一組輸入、輸出和狀態變量，以及相應的狀態空間矩陣。NL控制可以基于相繼線性化策略，其中狀態估計技術被嵌入以盡可能快地抵制不可測量的干擾。相繼線性化策略能夠產生狀態空間矩陣，以及MPC100的NL模型能夠基于這個狀態空間模型。已經發現狀態空間矩陣允許在線性和NL控制器之間的無縫切換，因為(使用狀態估計器的)狀態演化包含最新的信息，并且獲得關于這個狀態的線性化模型，從而所獲得的模型提供無縫的未來預測。由于未來預測是無縫的，所以模型的切換也是無縫的。狀態估計器可以基于Kalman濾波。可以使用兩種或更多種方法來獲得由MPC100提供給控制器引擎140的非強制的未來預測。非強制的向前預測可以基于速度模型規范。第一方法(線性方法)可以使用從受控系統的線性化模型120獲得的傳統的階躍響應系數來計算非強制的預測。在第二方法(NL方法)中，NL控制部110利用具有在每個循環處為Kalman校正狀態的初始條件的線性化狀態空間模型，可以獲得非強制的未來預測。在一些實施例中，在每個計算循環處MPC100使用第一和第二方法這兩者來計算非強制的未來預測。然而，基于線性/非線性控制器類型，這些向前預測計算之一可以用于控制器移動計算中。當MPC100處于線性模式中時，MPC100可以使用利用上述第一方法計算的非強制的未來預測。如果MPC正在NL模式中操作，則可以使用利用第二方法的非強制的未來預測。在每個循環都執行第一和第二方法的實施例中，當MPC模式從NL切換到線性或者反過來時，可以實現無縫或免碰撞切換。在一些實施例中，可以對用戶遮蔽特定于NL控制器的各種調諧旋鈕。各種調諧旋鈕或其執行的功能可以由控制器在內部操作。在NL調諧旋鈕被遮蔽的實施例中，用戶可以使用特定于線性控制器的調諧旋鈕，在這種情況下，此類調諧旋鈕也可以被定制為非線性控制器的功能。控制器引擎140被示出為從存儲器122接收未來過程參數預測123，并且從線性化電路114接收未來過程參數預測127，接收能夠由UI提供的針對MVY的定位點值(被示出為YSP)以及由經由反饋回路135耦合到處理設施150的適當的傳感器(例如，當MV是溫度時為溫度傳感器)提供的Y的當前值。反饋回路135能夠是有線或無線回路。控制器引擎140輸出一個或多個控制信號(被示出為U)，其表示控制軌跡，所述控制器引擎140耦合到處理設施150中的致動器(未示出)，所述致動器實現Y的改變以使得Y和YSP之間的誤差被減小。通常，僅實現U的第一次移動。切換器125從控制器引擎140接收控制信號(被示出為U)，并且基于U能夠在直接使用線性模型120的線性控制或使用由NL控制部110提供的線性化模型116的NL控制之間自動地切換。在一個實施例中，增益映射信息被用來確定線性和NL控制之間的切換。例如，如果增益信息在允許/指定的公差內未改變，那么能夠使用線性控制。為了加快諸如從NL控制到線性控制的切換，在切換后所利用的模型能夠是最近使用的模型或默認(或備用)模型。各種原因可能針對線性和NL控制之間的切換。例如，基于來自客戶的需求，過程操作工況可以改變。在一個特定示例中，工廠可以正在制造等級A的產品，而客戶針對具有不同規格的不同等級(等級B)下訂單，使得與等級A相比針對等級B操作工況改變。在另一個示例中，在物理過程中發生高幅度的已知干擾，諸如在冷卻套管系統中的嚴重故障，導致反應器溫度增加。在又一個示例中，過程可以正在等級轉變后的新等級處進行操作并且具有最小干擾，因此不存在對NL控制的需要，并且MPC100能夠切換到線性控制。圖2A是示出了根據示例實施例的利用混合MPC來控制物理過程的示例方法200中的步驟的流程圖。步驟201包括監控由處理設施運行的物理過程，包括獲得至少一個測量參數。步驟202包括至少部分地基于所述測量參數，自動地確定物理過程是處于線性當前操作模式中還是處于非線性當前操作模式中。步驟203包括控制物理過程，包括在當物理過程被確定為處于線性操作模式中時的線性過程控制和當物理過程被確定為處于NL操作模式中時的NL過程控制之間切換。圖2B示出了根據示例實施例的受控系統250，其包括用于控制處理設施運行制造過程的功能塊和數據流，所述受控系統250包括單個用戶界面(UI)210，所述用戶界面(UI)210包括用于使用所公開的混合MPC在線性和NL控制模式之間進行切換的切換器。系統250包括單個UI210，其允許在線性和NL控制模式之間的切換。UI210包括調諧旋鈕211和212，其中這些調諧旋鈕中的至少一個用于線性過程控制和NL過程控制這兩者。切換器213允許用戶手動地在線性控制和NL控制之間切換。UI210能夠向用戶(諸如，過程操作員、技術人員或工程師)呈現各種控制信息，包括對應于過程參數的顯示以及控制器輸入和/或輸出的趨勢。用戶215被示出為位于UI210處。UI210耦合到協調器塊220，所述協調器塊220包括軟件組件(算法)，其被配置為使得UI210能夠執行UI210的讀取和寫入操作。協調器塊220經由圖1中所示的反饋回路135從傳感器接收測量結果，所述傳感器從處理設施150所運行的物理過程進行感測，所述測量結果通常包括來自圖1中所示的控制器引擎140所提供的控制器塊245和狀態估計向前預測的MV和MV定位點，并且協調器塊220將MV定位點輸出到處理設施150。協調器塊220因而在由處理設施150運行的實際物理過程、狀態估計向前預測和控制器塊245、UI210之間交互。用戶215能夠讀取來自所示出的控制器塊245和狀態估計向前預測的過程測量結果(例如，MV定位點)、CV以及因變量(DV)和/或寫入信息，諸如MV定位點以及來自協調器塊220的調諧。所述流還包括判定塊225，其中確定是實現NL控制還是實現線性控制。如上文所述，該判定能夠是手動的或自動的。如果實現NL控制，則遵循NL路徑226，其包括生成新的線性化模型228并且然后讀取該模型以及更新的增益信息229。能夠為每個CV/MV組合確定增益。如果實現線性控制，則遵循圖2B中所示的線性路徑227。在NL控制的情況下的來自模型和更新的模型信息塊229的更新信息或者在線性控制的情況下的線性模型信息耦合到狀態估計向前預測和控制器塊245。狀態估計向前預測和控制器塊245生成更新的MV定位點，其如上文所述被提供給協調器塊220，用戶215能夠經由UI210讀取所述更新的MV定位點。所公開的實施例能夠被應用于通常控制各種物理過程，例如但不限于制造過程，諸如造紙、pH控制、聚合物制造、氨合成、蒸餾塔。然而，所公開的混合MPC能夠被用于涉及可能產生其它類型的最終產品的物理過程(諸如對飛行器進行供電的燃氣渦輪的控制)的系統。圖3示出了根據示例實施例的基于MPC100的示例混合MPC的針對CV和其相應的上限和下限以及作用于該CV的相應的MV的模擬的響應。所示出的響應表明在示出MPC在NL模式中和在線性模式中的操作的操作時期期間在線性和NL控制模式之間的切換，并且證明是無縫的模式轉變。該模擬基于NL物理過程，其由圖4中所示的Hammerstein-Wiener(N-L-N)NL結構及其關系決定。使用所公開的混合MPC控制的NL過程能夠被視為在線性和NL控制器模式之間的切換。在圖3中能夠觀察到的是，如果在UI顯示中控制器模式是如所提到的“非線性”，那么過程被很好地控制，并且過程能夠容易達到(一個或多個)定位點。對于同樣的過程，當控制器模式是“線性”并且提供MV的階躍改變時，那么能夠觀察到存在持續的振蕩，如圖3中突出顯示的那樣。當觸發切換器以將控制器模型從“線性”改變為“非線性”時，持續的振蕩快速地向下消失并且實現平穩控制。雖然未示出，但是在持續的振蕩降到預定水平以下之后，控制器模式稍后能夠被切換回到線性模式。雖然在上面已經描述了各種公開實施例，但是應當理解的是，它們已經僅通過示例的方式被呈現，而不是限制。在不偏離本公開的精神或范圍的情況下，能夠根據本公開做出對本文中公開的主題的大量改變。另外，雖然可能已經關于若干實現方式中的僅一個公開了特定的特征，但是此類特征可以與其它實現方式的一個或多個其它特征相組合，如對于任何給定或特定的應用而言可能是期望的并且有利的。本文中所使用的術語僅僅是出于描述特定的實施例的目的，并且不意圖限制。如本文中所使用的那樣，單數形式“一”、“一個”和“該”意圖也包括復數形式，除非上下文另外明確指示。此外，在術語“含有”、“包含”、“具有”、“持有”、“帶有”或其變形被用于詳細的描述和/或權利要求中的程度上，此類術語意圖以與術語“包括”類似的方式是包含的。如本領域技術人員將認識到的那樣，本文中所公開的主題可以被具體化為系統、方法或計算機程序產品。因此，本公開能夠采用以下形式：完全硬件實施例、完全軟件實施例(包括固件、常駐軟件、微代碼等)或將軟件和硬件方面組合的實施例，其在本文中通常可以均被稱為“電路”、“模塊”或“系統”。此外，本公開可以采用在任何有形的表達介質中被具體化的計算機程序產品的形式，其具有在介質中被具體化的計算機可用程序代碼。可以利用一個或多個計算機可用或計算機可讀介質的任何組合。計算機可用或計算機可讀介質例如可以是但不限于，電子、磁性、光學、電磁、紅外或半導體系統、裝置或設備。計算機可讀介質的更多特定示例(非詳盡列表)將包括非瞬態介質，其包括以下各項：具有一個或多個電線的電連接、便攜式計算機磁盤、硬盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM或閃存)、便攜式緊致盤只讀存儲器(CDROM)、光學存儲設備、或磁性存儲設備。可以用一種或多種編程語言的任意組合來編寫用于執行本公開的操作的計算機程序代碼，所述編程語言包括面向對象的編程語言(諸如Java、Smalltalk、C++等)以及傳統的過程化編程語言(諸如“C”編程語言或類似的編程語言)。程序代碼可以作為獨立的軟件包，全部在用戶計算機上執行、部分在用戶計算機上執行，部分在用戶計算機上執行并且部分在遠程計算機上執行，或全部在遠程計算機或服務器上執行。在后一種場景中，遠程計算機可以通過任何類型的網絡連接到用戶計算機，所述網絡包括局域網(LAN)或廣域網(WAN)，或者可以對外部計算機進行連接(例如，通過使用互聯網服務供應商的互聯網)。下面參照根據本發明的實施例的方法、裝置(系統)和計算機程序產品的流程圖圖示和/或框圖來描述本公開。將理解的是，流程圖圖示和/或框圖的每個塊以及在流程圖圖示和/或框圖中的塊的組合能夠通過計算機程序指令來實現。這些計算機程序指令可以被提供給通用計算機的處理器、專用計算機的處理器、或其它可編程數據處理裝置以生產機器，從而經由計算機的處理器或其它可編程數據處理裝置執行的指令創建用于實現在流程圖和/或一個或多個框圖塊中指定的功能/動作的裝置。這些計算機程序指令還可以被存儲在物理計算機可讀存儲介質中，所述計算機程序指令能夠引導計算機或其它可編程數據處理裝置以特定的方式起作用，使得存儲在計算機可讀介質中的指令生產制品，包括實現在流程圖和/或一個或多個框圖塊中指定的功能/動作的指令裝置。計算機程序指令還可以被加載到計算機或其它可編程數據處理裝置中，使得在計算機或其它可編程裝置上執行一系列操作步驟，以產生計算機實現的過程，使得在計算機或其它可編程裝置上執行的指令提供用于實現在流程圖和/或一個或多個框圖塊中指定的功能/動作的過程。