JP2004152265A - プロセス制御システムにおける統合型モデル予測制御および最適化 - Google Patents
プロセス制御システムにおける統合型モデル予測制御および最適化 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】プロセスプラントの運転中に制御を実行するために用いるモデル予測制御ルーチンへの入力として用いる制御変数と補助変数とよりなる完全セットのサブセットを選択して、モデル予測制御ルーチンにより用いられるM×M正方行列を生成する。その後、オプチマイザルーチンは、プロセスコントローラの各スキャン中に、制御変数と補助変数とよりなる完全セットの各々に対して最適動作目標値を計算し、完全セットの選択されたサブセットの各々に対して決定された目標動作ポイントを入力としてモデル予測制御ルーチンに提供する。モデル予測制御ルーチンは、プロセスを制御する際に用いる操作変数の変化量を決定する。
【選択図】図1
Description
Q = 総コスト/プロフィット、
P = AVSおよびCVSと関連するプロフィットベクトル、
C = MVSと関連するコストベクトル、
A = ゲイン行列、
ΔMV = MVSにおける変化量を算出するためのベクトル。
[数3]は、予測ホライゾン(t+p)の終点での出力の予測変化を示し、
[数4]は、プロセス定常状態m×nゲイン行列であり、
[数5]は、制御ホライゾン(t+c)の終点での操作変数における変化量を示す。
設定ポイントがHLで定義されるかまたは最大値が選択される場合、pj=1
補助変数AVに関する構成情報が入力されないと仮定すると、補助変数AVについてはすべてpj=0である。同様に操作変数MVについても、Cj値は好ましい操作変数目標MVTが定義されるかどうかによって異なる。好ましい操作目標MVTが定義される場合は次のようになる。
MVTがLLまたは最小値が選択される場合、Cj=-1
MVTが定義されない場合、Cj=0
所望する場合は、オプチマイザ54をMPCコントローラ52と併せて使用する選択は調整可能であり、それによって最適化の度合いを提供することができる。この機能を実行するために、コントローラ52で用いられる操作変数MVの変化量は、MPCコントローラ52とオプチマイザ54とによって決定された操作変数MVの変化量にさまざまな重み付けをすることによって行うことができる。このような操作変数MVに重み付けを結合させたものを、本明細書において有効MV(MVeff)と称する。有効MVeffは次のように決定することができる。
CV(k)は、制御された出力のpステップ先の予測ベクトル、
R(k)は、pステップ先の基準軌跡(設定ポイント)ベクトル、
ΔMV(k)は、cステップ先の増分制御移動ベクトル、
Γy=diag[Γy 1,・・・,Γy p]は、制御出力誤差のペナルティ行列、
Γu=diag[Γu 1,・・・,Γu c]は、制御移動のペナルティ行列、
pは、予測ホライゾン(ステップ数)、
cは、制御ホライゾン(ステップ数)、
Γoは、オプチマイザにより定義されたMVの目標最適変化量に対する、コントローラ出力の制御ホライゾン上での移動の合計の誤差のペナルティである。
表示を簡潔にするために、目的関数は単一入力/単一出力(SISO)制御として示されている。
Claims (62)
- プロセスを制御するためのプロセス制御システムであって、
前記プロセスからの複数の測定入力に基づくとともに前記プロセス制御システムの各動作サイクル中に提供される目標値のセットに基づいて前記プロセスを制御すべく設定された複数の制御出力を前記プロセス制御システムの各動作サイクル中に生成するように構成された多重入力/多重出力コントローラと、
前記プロセス制御システムの各動作サイクル中に前記多重入力/多重出力コントローラにより利用される前記目標値のセットを作成するように構成されたオプチマイザと
を備えるプロセス制御システム。 - 前記オプチマイザが二次計画法オプチマイザである請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザが線形計画法オプチマイザである請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記多重入力/多重出力コントローラがモデル予測コントローラである請求項3記載のプロセス制御システム。
- 前記多重入力/多重出力コントローラがモデル予測コントローラである請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記多重入力/多重出力コントローラが、出力数と同一の入力数を有する正方制御行列から作成される請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザは、前記プロセスへの少なくとも一つの入力に関連するとともに前記プロセスの少なくとも一つの出力に関連するコストまたはプロフィットを定義する目的関数を有する請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザは、前記目標値のセットに基づく、前記プロセスの制御出力および補助出力の予測定常状態値を生成する請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザは目的関数を有する線形計画法オプチマイザまたは二次計画法オプチマイザであり、前記オプチマイザは、制御変数のセットを所定の設定ポイントに維持し、補助変数のセットを補助変数制約リミットの所定のセット内に維持し、操作変数のセットを操作変数制約リミットの所定のセット内に維持しながら、前記目的関数を最大化または最小化するように構成され、解が存在しない場合には、少なくとも一つの制御変数を所定の設定ポイントの範囲内に維持することが可能であるように構成されている請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザは目的関数を有する線形計画法オプチマイザまたは二次計画法オプチマイザであり、前記オプチマイザは、制御変数のセットを所定の設定ポイントリミット内に維持し、補助変数のセットを所定の補助変数リミットのセット内に維持し、操作変数のセットを所定の操作変数リミットのセット内に維持しながら、前記目的関数を最大化または最小化するように構成され、解が存在しない場合には、前記補助変数リミットのうちの少なくとも一つを侵害することが可能であるように構成されている請求項1記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザは前記補助変数のセットに対する優先順位のセットを格納するように構成されており、侵害される前記補助変数リミットのうちの少なくとも一つを決定するために前記オプチマイザが前記優先順位を利用する、請求項10記載のプロセス制御システム。
- プロセスを制御するためのプロセス制御システムであって、
前記プロセスの第一の数の制御変数および補助変数の予測値に基づくとともに前記プロセスの第二の数の操作変数の現在値に基づいて前記プロセスの最適化動作ポイントを決定するように構成されたオプチマイザと、
前記プロセスの前記制御変数および前記補助変数の前記第一の数の予測値の所定のサブセットに基づいて前記プロセスの前記操作変数を制御すべく前記第二の数の操作制御信号を生成するように構成された多重入力/多重出力コントローラとを備えており、
前記所定のサブセットが前記プロセスの前記第一の数の制御変数および補助変数と数の点で異なるプロセス制御システム。 - 前記所定のサブセットが前記第二の数の操作変数より少ないかまたは等しい請求項12記載のプロセス制御システム。
- 前記多重入力/多重出力コントローラが正方制御行列を有するモデル予測コントローラである請求項12記載のプロセス制御システム。
- 前記正方制御行列は、前記プロセスの制御変数および補助変数を入力としてかつ前記プロセスの操作変数を出力として有し、操作変数の数と等しい数の制御変数および補助変数を有する請求項14記載のプロセス制御システム。
- 前記正方制御行列は、前記プロセスの制御変数および補助変数を入力としてかつ前記プロセスの操作変数を出力として有し、操作変数の数より小さい数の制御変数および補助変数を有し、操作変数出力および制御変数入力の双方として、前記操作変数のうちの少なくとも一つの変数を有する請求項14記載のプロセス制御システム。
- 操作変数出力と制御変数入力との双方として割り当てられた前記操作変数のうちの前記少なくとも一つの変数の数は、操作変数の総数と前記制御行列に制御変数入力として利用される制御変数および補助変数の総数との間の差に等しい、請求項16記載のプロセス制御システム。
- 操作変数出力と制御変数入力の双方として利用される前記操作変数のうちの少なくとも一つの変数はユニットゲインを有するステップ応答を含む請求項16記載のプロセス制御システム。
- 予測ホライゾン上の制御平方誤差を最小化し、制御ホライゾン上の操作変数の移動を最小化するために前記モデル予測コントローラが生成される請求項14記載のプロセス制御システム。
- 前記制御ホライゾン上での操作変数の移動の合計を該操作変数の最適目標変化に等しくさせるために前記モデル予測コントローラが生成される請求項19記載のプロセス制御システム。
- 前記予測ホライゾン上の平方誤差を最小化し、操作変数の移動を最小化する満足度が任意に調整されうる請求項19記載のプロセス制御システム。
- 前記操作変数の最適目標変化を達成する満足度が任意に調整されうる請求項19記載のプロセス制御システム。
- 前記オプチマイザは線形計画法オプチマイザまたは二次計画法オプチマイザである請求項12記載のプロセス制御システム。
- 前記操作制御信号を生成するために、前記オプチマイザが前記第一の数の制御変数および補助変数の前記所定のサブセットに対して目標値のセットを生成し、前記多重入力/多重出力コントローラが前記第一の数の制御変数および補助変数の前記所定のサブセットに対する前記目標値を前記第一の数の制御変数および補助変数の前記所定のサブセットの前記測定値と組み合わせる請求項23記載のプロセス制御システム。
- 前記多重入力/多重出力コントローラが予測制御変数および予測補助変数のセットと予測操作変数のセットとを生成し、前記第一の数の制御変数および補助変数の前記所定のサブセットに対する前記目標値のセットを生成するために前記オプチマイザが前記予測制御変数および予測補助変数のセットと前記予測操作変数のセットとを利用する請求項24記載のプロセス制御システム。
- 前記第二の数の操作変数の各々の変化に対する前記第一の数の制御変数および補助変数の各々の反応を定義する応答行列をさらに有しており、前記オプチマイザが、最適動作ポイントを定義する目標操作変数値のセットを生成し、前記オプチマイザが、該目標操作変数値のセットから前記第一の数の制御変数値および補助変数値の前記所定のサブセットに対する前記目標値を決定するために前記応答行列を利用する請求項25記載のプロセス制御システム。
- 前記制御変数の各々を所定の設定ポイントで維持するとともに前記補助変数および前記操作変数の各々を所定の制約リミット内に維持しながら、目的関数を最大化または最小化する前記目標操作変数値のセットを生成すべく前記オプチマイザが構成されている請求項26記載のプロセス制御システム。
- 前記制御変数の各々を所定の設定ポイントで維持するとともに前記補助変数および前記操作変数の各々を所定の制約リミット内に維持する解が存在しない場合に、前記オプチマイザは、前記制御変数の各々を所定の設定ポイントリミット内に維持するとともに前記補助変数および前記操作変数の各々を所定の制約リミット内で維持しながら、前記目的関数を最大化または最小化する前記目標操作変数値のセットを生成するように構成されている請求項27記載のプロセス制御システム。
- 前記制御変数の各々を所定の設定ポイントリミット内で維持するとともに前記補助変数および前記操作変数の各々を所定の制約リミット内に維持する解が存在しない場合に、前記オプチマイザは、前記制御変数の各々を所定の設定ポイントリミット内に維持するとともに前記操作変数を所定の制約リミット内で維持し、前記補助変数に関連する優先順位に基づいて前記補助変数のうちの一または複数の変数が所定の制約リミットを侵害することを許容しながら、前記目的関数を最大化または最小化する前記目標操作変数値のセットを生成するように構成されている請求項28記載のプロセス制御システム。
- プロセスが、複数の操作変数ならびに該操作変数の変化により影響を受けることができる複数の制御変数および補助変数を有しており、前記複数の操作変数が前記複数の制御変数および補助変数と数の点において異なっているプロセスを制御する方法であって、
プロセス制御の実行に利用するために、前記複数の制御変数および補助変数のサブセットを選択することと、
前記複数の制御変数および補助変数の選択されたサブセットと前記複数の操作変数とを用いて制御行列を作成することと、
前記複数の制御変数および補助変数の選択されたサブセットを入力として、前記複数の操作変数を出力として有する前記制御行列からコントローラを生成することと、
前記複数の操作変数と前記複数の制御変数および補助変数とに依存する目的関数を最小化または最大化するために、前記複数の制御変数および補助変数の選択されたサブセットに対する目標値のセットによって定義されたプロセス動作ポイントを選択することによりプロセス最適化を実行することと、
前記複数の制御変数および補助変数の選択されたサブセットに対する前記目標値と前記複数の制御変数および補助変数の選択されたサブセットの測定値とから操作変数値のセットを作成するために、前記制御行列から生成されたコントローラを利用して多重入力/多重出力制御技術を実行することと、
前記プロセスを制御すべく作成された操作変数値のセットを利用することと
を有する方法。 - プロセス最適化を実行するステップと前記多重入力/多重出力制御技術を実行するステップとは前記プロセスの連続スキャン期間中に実行される請求項30記載の方法。
- 前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップと制御行列を作成するステップとは前記プロセスのオンライン操作に先行して実行される請求項30記載の方法。
- 前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記制御行列の最小条件数に基づいて前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセット内の前記制御変数または前記補助変数の各々を選択することを有する請求項30記載の方法。
- 前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記操作変数のうちの一つに対する前記制御変数または前記補助変数のうちの一つのゲイン応答に基づいて、前記操作変数のうちの一つに最も応答性のある前記制御変数または前記補助変数のうちの一つを選択することを有する請求項30記載の方法。
- 前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記操作変数のうちの一つに対する前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの応答時間に基づいて前記操作変数のうちの一つに最も応答性のある前記制御変数または前記補助変数のうちの一つを選択することを有する請求項30記載の方法。
- 前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記操作変数のうちの一つに対する前記制御変数または前記補助変数のうちの一つのゲイン応答と応答時間との組み合わせに基づいて前記操作変数のうちの一つに最も応答性のある前記制御変数または前記補助変数のうちの一つを選択することを有する請求項30記載の方法。
- 多重入力/多重出力制御技術を実行するステップは、モデル予測制御技術を実行するステップを有する請求項30記載の方法。
- 前記プロセス最適化を実行するステップは、線形計画法技術または二次計画法技術を実行するステップを有する請求項37記載の方法
- 前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記複数の操作変数の各々に対して前記制御変数および前記補助変数から単一かつ異なる一つを選択するステップを有する請求項30記載の方法。
- 複数の操作パラメータを利用してプロセスの複数の制御パラメータおよび補助パラメータを制御するために、プロセッサ上で実行されるプロセス制御ルーチンの一部として利用されるように構成されたプロセス制御要素であって、
コンピュータ読取り可能媒体と、
前記コンピュータ読取り可能媒体上に格納され、各制御スキャン期間中に前記プロセスの多重入力/多重出力制御を実行すべく、前記プロセッサ上で実行されるように構成された機能ブロックとを備え、該機能ブロックは、
前記複数の制御パラメータおよび補助パラメータに基づいて最適化基準を定義する目的関数と、
各制御スキャン期間中に前記制御パラメータおよび前記補助パラメータに対して最適化目標値のセットを生成すべく前記目的関数を利用するオプチマイザルーチンと、
前記複数の操作パラメータに対して前記複数の制御パラメータおよび補助パラメータの所定のサブセットを関連付ける制御行列と、
前記制御行列と前記複数の制御変数および補助変数の前記サブセットの前記目標値とを用いて、各制御スキャン期間中に前記複数の操作パラメータの各々に対して制御信号を生成する多重入力/多重出力制御ルーチンとを有し、
前記制御信号は、前記制御パラメータおよび前記補助パラメータの前記サブセットに対する前記最適目標値に前記複数の制御パラメータおよび補助パラメータの前記サブセットを移動させるように決定されるプロセス制御要素。 - 前記最適化ルーチンは、線形計画法ルーチンまたは二次計画法ルーチンを有する請求項40記載のプロセス制御要素。
- 前記多重入力/多重出力制御ルーチンは、モデル予測制御ルーチンを有する請求項40記載のプロセス制御要素。
- 前記制御行列は、正方行列であり、第一の数の制御パラメータおよび補助パラメータと前記第一の数の操作パラメータとを利用しており、前記目的関数は第二の数の制御パラメータおよび補助パラメータに基づいて最適化基準を定義し、前記第二の数が前記第一の数と異なる請求項42記載のプロセス制御要素。
- 前記目的関数は、プロセス動作中にユーザにより選択可能である請求項40記載のプロセス制御要素。
- 前記オプチマイザルーチンによって利用されるために、前記目的関数として選択可能な複数の異なる有望な目的関数をさらに備える請求項40記載のプロセス制御要素。
- 前記機能ブロックは、制御パラメータ設定ポイントのセットと、補助パラメータリミットと前記操作パラメータリミットとよりなるセットとを格納する格納装置を備え、前記オプチマイザルーチンは、前記制御パラメータを前記制御パラメータ設定ポイントに位置付け、前記補助パラメータおよび前記操作パラメータを前記補助パラメータリミットおよび前記操作パラメータリミット内に位置付け、前記目的関数を最小化または最大化させるように前記操作パラメータに対する前記最適目標値のセットを決定するように構成されている請求項40記載のプロセス制御要素。
- 前記格納装置は、制御パラメータ設定ポイントリミットのセットも格納しており、前記制御パラメータを前記制御パラメータ設定ポイントに維持するとともに、前記補助パラメータおよび前記操作パラメータを前記補助パラメータリミットおよび前記操作パラメータリミット内に維持する解が存在しない場合には、前記オプチマイザルーチンは、前記制御パラメータの各々を前記制御パラメータ設定ポイントリミット内に維持するとともに前記補助パラメータおよび前記操作パラメータの各々を前記補助パラメータリミットおよび前記操作パラメータリミット内で維持しながら前記目的関数を最大化または最小化する前記操作パラメータに対する前記最適目標値のセットを生成するように構成されている請求項46記載のプロセス制御要素。
- 前記格納装置は、前記補助パラメータの優先順位指標のセットも格納しており、前記制御パラメータの各々を前記制御パラメータ設定ポイントリミット内に維持するとともに前記補助パラメータおよび前記操作パラメータの各々を前記補助パラメータリミットおよび前記操作パラメータリミット内に維持する解が存在しない場合には、前記オプチマイザルーチンは、前記制御パラメータの各々を前記制御パラメータ設定ポイントリミット内に維持するとともに前記補助パラメータの前記優先順位指標に基づいて前記補助パラメータのうちの一または複数が前記補助パラメータリミットを侵害することを許容しながら、前記目的関数を最大化または最小化する前記目標操作パラメータのセットを生成するように構成されている請求項47記載のプロセス制御要素。
- 前記制御ルーチンは、前記制御パラメータ、前記補助パラメータ、および前記操作パラメータの各々に対して予測値を生成し、前記オプチマイザルーチンに前記制御パラメータ、前記補助パラメータ、および前記操作パラメータの各々の前記予測値を提供するように構成されており、前記オプチマイザルーチンは、前記制御パラメータおよび補助パラメータの前記サブセットの前記目標値を決定するために前記制御パラメータ、前記補助パラメータ、および前記操作パラメータの前記予測値を利用するように構成されている請求項40記載のプロセス制御要素。
- 第二の数の操作変数により制御される第一の数の制御変数および補助変数を有するプロセスの制御を実行する方法であって、
前記操作変数の各々の変化に対する前記制御変数および前記補助変数の各々の応答を定義するステップ応答行列を決定することと、
操作変数の数と同一の数またはそれより小さい数の制御変数および補助変数を有する、前記制御変数および前記補助変数のサブセットを選択することと、
前記制御変数および前記補助変数の選択されたサブセットと前記操作変数とからなる前記応答行列内の前記応答から正方制御行列を作成することと、
前記プロセスの各スキャン中において、
前記制御変数および補助変数の前記選択されたサブセットの各々の測定値を取得することと、
前記制御変数および補助変数の前記選択されたサブセットの各々に対して最適動作目標値を計算することと、
操作パラメータ信号のセットを生成するために、前記制御変数および前記補助変数の前記選択されたサブセットの各々に対する目標値と、前記制御変数および前記補助変数の前記選択されたサブセットの前記測定値と、前記制御行列とを用いて多重入力/多重出力制御ルーチンを実行することと、
前記プロセスを制御するために前記操作パラメータ信号を用いることと
を有する方法。 - 前記サブセットを選択するステップと前記正方制御行列を作成するステップとは前記プロセスのオンライン動作に先立って実行される請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記制御変数および前記補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記操作変数のうちの一つの変数に対する最良の応答として前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの変数を選択することを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記制御変数および補助変数のサブセットを選択するステップは、前記操作変数のうちの一つの変数に対する前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの変数のゲイン応答に基づいて前記操作変数のうちの前記一つの変数に最も応答性のあるものとして前記制御変数または前記補助変数のうちの前記一つの変数として選択することが含まれる、請求項50記載のプロセスの制御を実行する方法。
- 前記制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップには、前記操作変数のうちの一つの変数に対する前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの変数の応答時間に基づいて前記操作変数のうちの一つの変数に最も応答性のあるものとして前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの変数を選択することを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記操作変数のうちの一つの変数に対する前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの変数のゲイン応答と応答時間との組み合わせに基づいて前記操作変数のうちの一つの変数に最も応答性のあるものとして前記制御変数または前記補助変数のうちの一つの変数を選択することを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記応答行列に基づいて前記制御変数および前記補助変数の前記サブセットを自動的に選択することを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記制御変数および補助変数の前記サブセットを選択するステップは、前記制御変数および前記補助変数の前記選択されたサブセットを有する行列の条件数を決定することを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記正方制御行列を作成するステップは、前記プロセスの制御変数および補助変数を入力として前記プロセスの操作変数を出力として利用することと、操作変数の数よりちいさい数の制御変数および補助変数を選択することと、制御変数入力として前記操作変数のうちの少なくとも一つを選択することとを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記多重入力/多重出力制御を実行するステップは、モデル予測制御技術を実行するステップを有する請求項50記載のプロセス制御を実行する方法。
- 前記最適動作目的値を計算するステップは、線形計画法技術または二次計画法技術を実行することを有する請求項59記載のプロセス制御を実行する方法。
- 線形計画法技術を実行するステップは、前記第一の数の制御変数および補助変数ならびに前記第二の数の操作変数に基づいて前記プロセスの最適動作を定義する目的関数を利用することを有する請求項60記載のプロセスの制御を実行する方法。
- 前記線形計画法技術内で利用するために前記目的関数として目的関数の所定のセットのうちの一つを選択することをさらに有する請求項61記載のプロセス制御を実行する方法。
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