CN103365206A - 一种工业过程的控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业过程的控制方法和设备。该方法包括：基于当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，如果存在解集，则基于目标函数执行稳态优化计算，以获得下一时刻稳态输入变量的值，进而将工业设备的可控变量设置为该下一时刻稳态输入变量值实施控制。若不存在解集，重新进行测量和判定。通过先判定是否能满足积分过程稳态优化约束条件，再进行基于目标函数的稳态优化计算，从而为包括积分过程的工业过程中提供了更连续的基于稳态优化的控制方法。

Description

一种工业过程的控制方法和设备

技术领域

本发明涉及工业过程控制领域，尤其涉及一种工业过程的控制方法和设备。

背景技术

工业过程中使用的过程控制系统，通常具有多个输入变量以及随这些输入变量的改变而变化的多个输出变量。这些多个输入变量通常是执行工业过程的工业设备的可控变量，而多个输出变量可以是工业过程的运行结果有关的变量。

工业过程的控制方法具有分层递阶结构，上层为稳态优化，下层为动态控制。由于实际的工业过程都是动态的，因此系统的状态也是不断变换的。工业过程的稳态是指当时间趋于无穷时系统所体现出的稳定状态。上层稳态优化是在一定的系统性能和给定的约束条件下，获得当系统为稳定状态时，使生产过程性能更优的系统稳态操作点。稳态操作点可以由输入变量的稳态值或输入变量的稳态值与输出变量的稳态值的组合来表示。进而，可以将获得的稳态操作点中的输入变量设置为可控变量，实施工业过程下层的动态控制。

为获得系统的稳态操作点，工业过程的稳态优化方法可以使用反映生产过程经济性能目标函数来实现。这些经济性能可以是生产过程所产生的经济效益或者所消耗的成本等。面向经济性能的稳态优化意在获得当经济性能最优时的稳态操作点，进而使用该稳态操作点的输入变量值和输出变量值进行过程控制，以实现更好的经济性能目标。

在一些工业过程中包含一种积分过程。积分过程具有多个输入变量以及多个输出变量。输出变量对输入变量的阶跃变化呈现斜坡增长趋势，即输出变量对输入变量的变化量具有积分效果，因此积分过程中的这些输出变量称为积分输出变量。积分输出变量本质上反映了工业过程对物质或能量的累积作用，只要输入变量的增量不为零，则输出变量就将发生改变。举例来说，例如，储罐液位的变化过程就是一个典型的积分过程，储罐的进口和出口流量是该过程的输入变量，储罐的液位是该过程的积分输出变量。如果进口和出口流量不相等，液位将持续上升或下降。

积分过程具有的这种性质易使系统出现不稳定的状态，甚至导致生产过程中发生事故。因此，对于多变量积分过程，需要找到其相对稳定的系统状态的平衡点进行工业过程的控制，使得影响积分输出变量的各输入变量相对于稳态工作点的变化之和为零，以保证系统的稳定。

一种针对积分过程的控制方法是在选定目标函数后，将积分过程需要考虑的是系统稳定的条件转换为积分过程稳态优化约束条件，在进行优化计算时，将积分过程稳态优化约束条件与其他约束条件一起进行优化计算，以获得满足条件的稳态操作点。在此基础上用稳态操作点设置可控变量实施工业过程的控制。

例如，一种目标函数可以为：

$\underset{{\mathrm{\ΔU}}_{\∞}\left(k\right)}{\min }J=C^T{\mathrm{\ΔU}}_{\∞}\left(k\right)---\left(1\right)$

其中，下标∞表示稳态过程，C^T＝[c₁ c₂ … c_m]为稳态输入变量的权值的集合，m为稳态输入变量的个数。

表示下一时刻稳态输入变量

与当前时刻稳态输入变量

之差的集合。基于目标函数进行稳态优化是计算体现经济性能的目标函数在满足以下公式(2a)至公式(2d)的条件下取得极值时的下一时刻稳态输入变量值。

${\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{TTSS}}^r\left(k\right)=G_U^r{\mathrm{\ΔU}}_{\∞}\left(k\right)+G_F^r{\mathrm{\ΔF}}_{\∞}\left(k\right)+e^r---\left(2a\right)$

$Y_{\mathrm{Slope}}^r(k+1)=Y_{\mathrm{Slope}}^r\left(k\right)+S_U^r{\mathrm{\ΔU}}_{\∞}\left(k\right)+S_F^r{\mathrm{\ΔF}}_{\∞}\left(k\right)=0---\left(2b\right)$

U_LL≤U_∞(k)+ΔU_∞(k)≤U_HL    (2c)

$Y_{\mathrm{LL}}^r\≤Y_{\mathrm{TTSS}}^r\left(k\right)+{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{TTSS}}^r\left(k\right)\≤Y_{\mathrm{LL}}^r---\left(2d\right)$

其中，上角标r表示该变量为积分变量。公式(2a)是积分过程的稳态输入变量和积分输出变量之间的函数关系模型。

表示下一时刻积分输出变量与当前时刻之间积分输出变量之差，表示输入变量对积分输出变量的稳态速率增益，

表示扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益，ΔF_∞(k)表示当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差，e^r为建模误差修正项。

公式(2b)为在原稳态优化问题的基础上针对积分过程的稳态优化约束条件，确保稳态优化计算出的稳态操作点能够用于实施工业控制。

为下一时刻积分输出变量的斜率，

为当前时刻积分输出变量的斜率，n_r为积分过程中积分输出变量的数目，

为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，向量

表示下一时刻稳态输入变量与当前时刻稳态输入变量之差，

则表示当前时刻扰动输入与上一时刻扰动输入之差，n_d为可测扰动变量数目。从公式(2b)中可以看出：获得积分过程相对稳定的稳态优化结果的条件是当前时刻的积分输出变量的斜率、稳态输入变量和可测扰动输入三者的综合作用之和为零。

公式(2c)中，

表示当前时刻稳态输入变量，ΔU_∞(k)表示下一时刻稳态输入变量

与当前时刻稳态输入变量

之差。对于实际的工业生产过程，稳态输入变量存在一定边界约束条件

分别表示稳态输入变量的上边界值和下边界值。

公式(2d)中，表示当前时刻积分输出变量值，

表示下一时刻积分输出变量

与当前时刻积分输出变量

之差，积分输出变量也存在一定边界约束条件，

分别表示积分输出变量的上边界值和下边界值。

然而，使用上述方法进行稳态优化计算时，将目标函数、积分过程稳态优化约束条件与其他约束条件一起进行优化计算，只有在完成优化计算之后，才能判定是否积分过程的稳态优化约束条件能够得到满足。即使其他约束条件都能够满足，由于稳态优化约束条件不满足也无法获得稳态操作点进而实施过程控制，从而导致稳态优化的工业过程控制不能连续进行。

发明内容

为解决以上现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种工业过程的控制方法和控制设备，以提供连续的稳态优化的工业过程控制。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种工业过程的控制方法，所述工业过程包含具有多个输入变量以及多个积分输出变量的积分过程，所述多个输入变量是执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个积分输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述积分输出变量对所述输入变量的阶跃变化呈现斜坡变化趋势，所述多个输入变量在所述积分过程达到稳态时具有对应的多个稳态输入变量，所述稳态输入变量需要满足预先设定的稳态输入变量约束条件，所述积分过程达到稳态时需要满足积分过程稳态优化约束条件，即下一时刻积分输出变量的斜率等于零，其特征在于，该控制方法包括：

步骤1.测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、测量当前时刻稳态输入变量值、测量并计算当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差；

步骤2.基于所述当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及所述稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，如果存在所述解集，则执行步骤3，如果不存在所述解集，重新执行步骤1和步骤2；

步骤3.基于目标函数和关于所述多个积分输出变量与所述多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，以获得满足所述积分过程稳态优化约束条件和所述稳态输入变量约束条件、并使所述目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，作为下一时刻稳态输入变量值；

步骤4.将所述下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。

在一种优选的实施方式中，所述下一时刻积分输出变量的斜率相对于当前时刻积分输出变量的斜率的变化量为下一时刻稳态输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差与当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的线性组合，

所述下一时刻扰动输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差的系数为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的系数为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述稳态输入变量约束条件为所述下一时刻稳态输入变量在稳态输入变量的上边界值和下边界值之间。

在一种优选的实施方式中，所述判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集的步骤，包括：

令下一时刻积分输出变量的斜率大于或等于第一变量，且小于或等于第二变量，其中第一变量和第二变量为松弛变量，

求解所述目标函数与所述稳态输入变量约束条件和所述积分过程稳态优化约束条件所形成的优化问题，其中，所述目标函数是所述松弛变量的一次或二次函数，

若松弛变量均为零，则判定存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集。

在一种优选的实施方式中，如果不存在所述解集，在所述重新执行步骤1和步骤2前，还包括：

等待预定时间间隔。

在一种优选的实施方式中，所述目标函数为：

所述目标函数是所述下一时刻稳态输入变量与所述当前时刻稳态输入变量之差与稳态输入变量权值的乘积的一次函数或二次函数。

根据本发明的另一个方面，还提供一种工业过程的控制设备，

所述工业过程包含具有多个输入变量以及多个积分输出变量的积分过程，所述多个输入变量是执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个积分输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述积分输出变量对所述输入变量的阶跃变化呈现斜坡变化趋势，所述多个输入变量在所述积分过程达到稳态时具有对应的多个稳态输入变量，所述稳态输入变量需要满足预先设定的稳态输入变量约束条件，所述积分过程达到稳态时需要满足积分过程稳态优化约束条件，即下一时刻积分输出变量的斜率等于零，其特征在于，该控制设备包括：

测量装置，用于测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差；

判定装置，用于基于所述当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及所述稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，如果存在所述解集，则基于目标函数和关于所述多个积分输出变量与所述多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，如果不存在所述解集，重新测量当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差，并进行重新所述判定；

优化计算装置，用于基于目标函数和关于所述多个积分输出变量与所述多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，以获得满足所述积分过程稳态优化约束条件和所述稳态输入变量约束条件、并使所述目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，作为下一时刻稳态输入变量值；

工业设备控制装置，用于将所述下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。

在一种优选的实施方式中，所述下一时刻积分输出变量的斜率相对于当前时刻积分输出变量的斜率的变化量为下一时刻稳态输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差与当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的线性组合，

所述下一时刻扰动输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差的系数为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的系数为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述稳态输入变量约束条件为所述下一时刻稳态输入变量在稳态输入变量的上边界值和下边界值之间。

在一种优选的实施方式中，该控制设备还包括：

延时装置，用于当所述判定装置判定不存在所述解集时，等待预定的时间间隔后重新测量当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差。

本发明的一个优点在于，针对包含积分过程的工业控制，考虑到系统的稳定性是首先需要满足的条件，因为在对积分过程进行稳态优化计算时，即使满足了目标函数及其他约束条件，但由于不能满足积分过程稳态优化约束条件，其计算的结果会导致系统状态的不稳定，也不能将该优化结果用于实施控制。基于本发明上述实施例所提供的工业过程的控制方法，首先判定是否存在满足积分过程稳态优化约束条件的解集，如果存在解集，再进行基于目标函数的稳态优化计算，获得可用于实施控制的稳态操作点，从而提供更连续的工业过程控制。

此外，本发明还提供了一种的对积分过程稳态优化约束条件的判定方法，将积分过程的稳态优化约束条件转化为线性规划求解问题，计算过程更为简单。

附图说明

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1示出了本发明所提供的控制方法实施例的流程示意图；

图2示出了本发明设定稳态优化约束条件的示意图；

图3示出了本发明所提供的控制设备实施例的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参见图1所示，该图是本发明工业过程的控制方法一种实施例的流程示意图，下面详细介绍本发明工业过程的控制方法实施例的步骤。

在步骤101中，测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、测量当前时刻稳态输入变量值、测量并计算当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差。

包含积分过程的工业过程具有多个输入变量以及随这些多个输入变量的改变而变化的多个积分输出变量。多个输入变量是执行工业过程的工业设备的可控变量，多个积分输出变量是与工业过程的运行结果有关的变量。积分输出变量对输入变量的阶跃变化呈现斜坡变化趋势，多个输入变量在积分过程达到稳态时具有对应的多个稳态输入变量。稳态输入变量需要满足预先设定的稳态输入变量约束条件。积分过程达到稳态时需要满足积分过程稳态优化约束条件，即下一时刻积分输出变量的斜率等于零。

具体来说，下一时刻积分输出变量的斜率相对于当前时刻积分输出变量的斜率的变化量为下一时刻稳态输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差与当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的线性组合。

下一时刻扰动输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差的系数为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵。

当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的系数为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵。

对积分过程稳态输入变量约束条件的判定转换为判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集。

为获得判定结果，可以基于系统当前状态测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率测量当前时刻稳态输入变量值

其中下一时刻系统稳态输入值

并且满足稳态输入变量增量为下一时刻系统稳态输入值

与当前时刻稳态输入变量值

之差。

稳态输入变量的边界约束条件为下一时刻稳态输入变量在稳态输入变量的上边界值和下边界值之间。

另外，还需要测量并计算当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差ΔF_∞(k)。

对于参数输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵

和扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵

来说，由于线性多变量的积分过程的多个输入变量以及多个积分输出变量之间的对应可以用一定的函数关系模型进行描述。函数关系模型是由系统的本质特性而确定的。因此，当确定系统的函数关系模型后，本领域技术人员应该知道如何计算获得的

和

具体举例来说，例如，工业过程系统的输入变量和输出变量之间的函数关系模型可以有多种，其中一种可以表示为：

y(s)＝G_U(s)u(s)+G_F(s)f(s)   (3)

其中，

和

分别表示输入以及扰动输入到控制输出的稳态增益。对于积分过程来说，输入变量和积分输出变量之间的函数关系模型可以表示为：

$y^r\left(s\right)=G_U^r\left(s\right)u\left(s\right)+G_F^r\left(s\right)f\left(s\right)---\left(4\right)$

其中，上角标r表示该变量为积分变量。以如下两输入两输出的系统为例，假定第二个输出变量为积分输出变量，则它对与其相关的所有输入变量具备积分特性，传递函数矩阵可如下表示：

$G_U\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}\frac{k_{11}}{T_{11}s+1}& \frac{k_{12}}{T_{12}s+1}\\ \frac{k_{21}}{s(T_{21}s+1)}& \frac{k_{22}}{s(T_{22}s+1)}\end{array}\right],$ $G_F\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}\frac{f_{11}}{T_{f11}s+1}& \frac{f_{12}}{T_{f12}s+1}\\ \frac{f_{21}}{s(T_{f21}s+1)}& \frac{f_{22}}{s(T_{f22}s+1)}\end{array}\right].$

相应的

可如下表示：

$G_U^r\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}\frac{k_{21}}{s(T_{21}s+1)}& \frac{k_{22}}{s(T_{22}s+1)}\end{array}\right],$ $G_F^r\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}\frac{f_{21}}{s(T_{f21}s+1)}& \frac{f_{22}}{s(T_{f22}s+1)}\end{array}\right]$

在公式(4)两端同时乘以微分算子s，就消去了

和

中的积分算子，即

${\mathrm{sy}}^r\left(s\right)={\mathrm{sG}}_U^r\left(s\right)u\left(s\right)+s{G}_D^r\left(s\right)f\left(s\right)---\left(5\right)$

对

通过微分终值定理求得速率稳态增益矩阵

和

$S_U^r=\left[\begin{array}{cc}{k}_{21}& k_{22}\end{array}\right],$ $S_F^r\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{f}_{21}& f_{22}\end{array}\right].$

在步骤102中，基于当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，如果存在解集，则执行步骤103，如果不存在解集，则重新执行步骤101和步骤102。

判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，可以有不同的实现方法。一种是将判定解集的问题转换为线性规划求解问题。

具体来说，可以令下一时刻积分输出变量的斜率大于或等于第一变量，且小于或等于第二变量，其中第一变量和第二变量为松弛变量，求解目标函数与稳态输入变量约束条件和积分过程稳态优化约束条件所形成的优化问题，其中，目标函数是松弛变量的一次或二次函数。若松弛变量均为零，则判定存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集。

如果存在解集，则执行步骤103，即进行稳态优化计算以获得稳态操作点。如果不存在解集，重新执行步骤101和步骤102。

对于积分过程的工业控制，由于系统的稳定性是首先需要满足的条件，因为在进行稳态优化计算之前，首先判定是否存在满足稳态优化约束条件的解集，如果存在解集，再进行基于目标函数的稳态优化计算，从而获得可用于实施控制的稳态操作点。基于目标函数的稳态优化计算是在目标函数取得极值时的计算，由于存在满足稳态优化约束条件的解集，在该解集上，无论使用具体哪一种目标函数，在该解集上的积分输出变量都是存在极值的，因此可以得到积分过程的稳态优化结果，从而提供更连续的工业过程控制。

参见图2所示，图2示意性地表示一个两输入的积分过程，横坐标和纵坐标分别表示稳态输入变量

图2中的4条直线分别示意性地表示满足稳态输入变量约束条件和积分过程稳态优化约束条件的界限。当满足各个约束条件的区域存在交集时，该交集即为满足稳态输入变量约束条件和稳态优化约束条件的解集。例如，图2中4条直线所围成的区域即为满足4个约束条件的区域的交集。当存在有解集的情况时，可以通过后续的稳态优化计算获得稳态操作点。如果不存在解集，则重新执行步骤101和步骤102，因为，当重新开始执行这两个步骤时，当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值以及当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差可能已经发生变化，可以重新计算是否存在满足稳态优化约束条件的解集。

在另一个实施例中，当不存在解集时，还可以等待预定时间间隔后重新执行步骤101和步骤102，使得当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值以及当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差更充分地发生变化，从而使得下一次进行判定时，更大可能地存在满足稳态优化约束条件的解集。

在步骤103中，基于目标函数和关于多个积分输出变量与多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，以获得满足积分过程稳态优化约束条件和稳态输入变量约束条件，使目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，作为下一时刻稳态输入变量值。

在执行步骤103时，经过步骤102的判定，由于存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，因此，此时基于目标函数进行稳态优化计算，可以获得满足积分过程稳态优化约束条件和稳态输入变量约束条件，并且使目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，将该下一时刻稳态输入变量的值作为下一时刻稳态输入变量值。

例如：一种目标函数为：下一时刻稳态输入变量与当前时刻稳态输入变量之差，再与稳态输入变量权值的乘积的一次函数或二次函数，计算满足类似公式(2a)至公式(2d)的条件时，目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值U_∞(k+1)作为下一时刻输入稳态变量值。

设置权值的方法可以是将稳态输入变量的单位增量所产生的效益或成本进行标准化，使用标准化后的参量来表示各个稳态输入变量的效益或成本。即稳态输入变量权值是稳态输入变量值发生单位变化所涉及的成本值。可以使用±符号来区分成本与效益，+表示成本，-表示效益。

在一些工业过程中，还可能存在一种不同于积分过程的工业过程，称为稳态过程，这种过程受到阶跃输入变量变化的作用将发生一定程度的改变，但最终将趋于稳定。对于同时包含积分过程和稳态过程的工业过程稳态优化控制，在计算目标函数极值时，进一步增加对于稳态过程的约束条件。即计算满足类似公式(2a)至公式(2d)条件，并且满足稳态过程中的稳态输入变量与稳态输出变量之间的函数关系模型以及稳态输出变量的约束条件时，目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值作为下一时刻输入稳态变量值。

例如，稳态过程中的稳态输入变量与稳态输出变量之间的函数关系模型可以表示为 ${\mathrm{\ΔY}}_{\∞}^s\left(k\right)=G_U^s{\mathrm{\ΔU}}_{\∞}\left(k\right)+G_F^s{\mathrm{\ΔF}}_{\∞}\left(k\right)+e^s,$ 稳态输出变量的约束条件可以表示为

上角标s表示该变量为积分变量

在步骤104中，将下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。

将在步骤103中获得的下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制，从而针对包含积分过程的工业过程实现了能够到达稳定状态并且兼顾经济性的工业过程控制。

参见图3所示，图3示出了本发明所提供的与本发明控制方法相对应的控制设备实施例的结构示意图。

针对工业过程包含具有多个输入变量以及多个积分输出变量的积分过程的情况，多个输入变量是执行工业过程的工业设备的可控变量，多个积分输出变量是与工业过程的运行结果有关的变量，积分输出变量对输入变量的阶跃变化呈现斜坡变化趋势，多个输入变量在积分过程达到稳态时具有对应的多个稳态输入变量，稳态输入变量需要满足预先设定的稳态输入变量约束条件，积分过程达到稳态时需要满足积分过程稳态优化约束条件，即下一时刻积分输出变量的斜率等于零。工业过程的控制设备300包括测量装置301、判定装置302、优化计算装置303以及工业设备控制装置304。

测量装置301用于测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差。

判定装置302用于基于测量装置301测量获得的当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集。如果存在解集，则基于目标函数和关于多个积分输出变量与多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，如果不存在解集，重新测量当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差，并进行重新判定。

优化计算装置303用于基于目标函数和关于多个积分输出变量与多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，以获得满足积分过程稳态优化约束条件和稳态输入变量约束条件、并使目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，作为下一时刻稳态输入变量值。

工业设备控制装置304用于将下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。

基于本发明上述实施例所提供的工业过程的控制设备，通过首先判定是否存在满足积分过程稳态优化约束条件的解集，如果存在解集，再进行基于目标函数的稳态优化计算，获得可用于实施控制的稳态操作点，从而提供更连续的工业过程控制。

在另外一种控制设备的实施例中，下一时刻积分输出变量的斜率相对于当前时刻积分输出变量的斜率的变化量为下一时刻稳态输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差与当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的线性组合。其中，下一时刻扰动输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差的系数为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的系数为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵。稳态输入变量约束条件为下一时刻稳态输入变量在稳态输入变量的上边界值和下边界值之间。

在另外一种实施方式中，还可以包括延时装置。延时装置用于当判定装置判定不存在解集时，等待预定的时间间隔后重新测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差。

至此，已经详细描述了根据本发明的一种工业过程的控制方法和控制设备。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

另外，本发明实施例设备的构成装置之间的连接关系，仅表示基于本发明的一个信息流向关系示例，不限制为物理连接关系，并且也不一定是实现本发明实施例所必须或仅限的。

可能以许多方式来实现本发明的方法和设备。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种工业过程的控制方法，

所述工业过程包含具有多个输入变量以及多个积分输出变量的积分过程，所述多个输入变量是执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个积分输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述积分输出变量对所述输入变量的阶跃变化呈现斜坡变化趋势，所述多个输入变量在所述积分过程达到稳态时具有对应的多个稳态输入变量，所述稳态输入变量需要满足预先设定的稳态输入变量约束条件，所述积分过程达到稳态时需要满足积分过程稳态优化约束条件，即下一时刻积分输出变量的斜率等于零，其特征在于，该控制方法包括：

步骤1.测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、测量当前时刻稳态输入变量值、测量并计算当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差；

步骤2.基于所述当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及所述稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，如果存在所述解集，则执行步骤3，如果不存在所述解集，重新执行步骤1和步骤2；

步骤3.基于目标函数和关于所述多个积分输出变量与所述多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，以获得满足所述积分过程稳态优化约束条件和所述稳态输入变量约束条件、并使所述目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，作为下一时刻稳态输入变量值；

步骤4.将所述下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述下一时刻积分输出变量的斜率相对于当前时刻积分输出变量的斜率的变化量为下一时刻稳态输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差与当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的线性组合，

所述下一时刻扰动输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差的系数为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的系数为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述稳态输入变量约束条件为所述下一时刻稳态输入变量在稳态输入变量的上边界值和下边界值之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，包括：

令下一时刻积分输出变量的斜率大于或等于第一变量，且小于或等于第二变量，其中第一变量和第二变量为松弛变量，

求解所述目标函数与所述稳态输入变量约束条件和所述积分过程稳态优化约束条件所形成的优化问题，其中，所述目标函数是所述松弛变量的一次或二次函数，

若松弛变量均为零，则判定存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果不存在所述解集，在所述重新执行步骤1和步骤2前，还包括：

等待预定时间间隔。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数为：

所述目标函数是所述下一时刻稳态输入变量与所述当前时刻稳态输入变量之差与稳态输入变量权值的乘积的一次函数或二次函数。

6.一种工业过程的控制设备，

所述工业过程包含具有多个输入变量以及多个积分输出变量的积分过程，所述多个输入变量是执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个积分输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述积分输出变量对所述输入变量的阶跃变化呈现斜坡变化趋势，所述多个输入变量在所述积分过程达到稳态时具有对应的多个稳态输入变量，所述稳态输入变量需要满足预先设定的稳态输入变量约束条件，所述积分过程达到稳态时需要满足积分过程稳态优化约束条件，即下一时刻积分输出变量的斜率等于零，其特征在于，该控制设备包括：

测量装置，用于测量并计算当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差；

判定装置，用于基于所述当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差以及所述稳态输入变量约束条件，判定是否存在使得下一时刻积分输出变量的斜率等于零的下一时刻稳态输入变量的解集，如果存在所述解集，则基于目标函数和关于所述多个积分输出变量与所述多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，如果不存在所述解集，重新测量当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差，并进行重新所述判定；

优化计算装置，用于基于目标函数和关于所述多个积分输出变量与所述多个输入变量之间的在稳态时的函数关系模型执行优化计算，以获得满足所述积分过程稳态优化约束条件和所述稳态输入变量约束条件、并使所述目标函数取得极值的下一时刻稳态输入变量的值，作为下一时刻稳态输入变量值；

工业设备控制装置，用于将所述下一时刻稳态输入变量值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，

所述下一时刻积分输出变量的斜率相对于当前时刻积分输出变量的斜率的变化量为下一时刻稳态输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差与当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的线性组合，

所述下一时刻扰动输入变量值与当前时刻稳态输入变量值之差的系数为输入变量对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差的系数为扰动输入对积分输出变量的稳态速率增益矩阵，

所述稳态输入变量约束条件为所述下一时刻稳态输入变量在稳态输入变量的上边界值和下边界值之间。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：

延时装置，用于当所述判定装置判定不存在所述解集时，等待预定的时间间隔后重新测量当前时刻积分输出变量的斜率、当前时刻稳态输入变量值、当前时刻扰动输入值与上一时刻扰动输入值之差。

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