JP5096359B2 - 同時プロセスシミュレーションを伴う多目的予測プロセス最適化 - Google Patents
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Description
本特許は、2005年12月5日に出願された米国仮出願第60/742,322号の優先度を主張する。なお、米国仮出願第60/742,322号の内容は、参照することにより、あらゆる目的に対してその全体が本稿にて明示的に援用されるものとする。
コンピュータ26は、発電・電力配分設備25を制御し維持管理するために、例えばリーバート社(Liebert )やASCO社またはその他の会社により提供されるものなど、概知の電源制御・診断アプリケーション27を実行しうる。
一般にアドバンスト制御ブロック生成ルーチン400には、ここでさらに詳しく説明されるようにアドバンスト制御ブロックを作成してこのアドバンスト制御ブロックをプロセス制御システムに接続する制御ブロック生成ルーチン420と、アドバンスト制御ブロックにより収集されたデータに基づいてプロセス用にまたはそれの一部分用にプロセスモデルを作成するプロセス・モデリング・ルーチン440と、プロセスモデルからアドバンスト制御ブロック用の制御論理パラメータを作成してプロセスの制御に使用されるアドバンスト制御ブロック内にこれらの制御論理パラメータを格納またはダウンロードする制御論理パラメータ生成ルーチン460と、アドバンスト制御ブロックと共に使用するためのオプティマイザを作成するオプティマイザ・ルーチン480と、が含まれている。当然のことながら、ルーチン420、440、460および480は、プロセス出力を受けるように適応された制御入力およびプロセス入力に制御信号を提供するように適応された制御出力とを有するアドバンスト制御要素を作成する第1のルーチン、ユーザが(いかなる所望の構成ルーチンでありうる)プロセス制御ルーチン内のアドバンストコントロール要素をダウンロードして通信可能に接続することを可能にする第2のルーチン、各プロセス入力に励起波形を供給するためにアドバンスト制御素子を用いる第3のルーチン、該励起波形へのプロセス出力それぞれの応答を反映するデータを収集するためにアドバンスト制御素子を用いる第4のルーチン、一式の入力を選択するかまたはユーザがアドバンスト制御ブロック用に一式の入力を選択することを可能にする第5のルーチン、プロセスモデルを作成する第6のルーチン、プロセスモデルからアドバンストコントロール論理パラメータを開発する第7のルーチン、アドバンストコントロール要素によるプロセスの制御を可能にするためにアドバンストコントロール論理(そして必要な場合にはアドバンストコントロール要素内のプロセスモデル)を配置する第8のルーチン、そしてアドバンスト制御ブロック380で使用するオプティマイザを選択するかまたはユーザがアドバンスト制御ブロック380で使用するオプティマイザを選択することを可能にする第9のルーチンなどの一連の異なるルーチンからなりうる。
もとの目的関数は次の方程式から派生しうる。
設定点が下限で定義される場合、または最小化が選択される場合はpj=−1 であり、そして
設定点が上限で定義される場合、または最大化が選択される場合はpj=1となる。
MVTがHL(上限)にある、または最大化が選択された場合にはCj=1であり、そして
MVTがLL(下限)にある、または最小化が選択された場合にはCj=−1である間、
MVTが定義されないとCj=0になる。
当然のことながら、単にこの特許に記載されるものを用いる代わりに本稿記載の制御ブロック380に対して本稿記載の論理素子のあらゆるものを含む定型を用いて、コントローラを接続かつ構成するのに採用される一般的な手段を該制御ブロック380に使用することもできる。
緩和変数はこのような表現(representation)に自然に調和(lend)するので、多目的オプティマイザの拡張は、設定点最適化のために許容範囲を定義するのに緩和変数を使用することにより実現される。該範囲は設定点値周辺に定義され、必ず設定点下/上限内にある。設定点範囲は片側かもしれないしまたは両側かもしれない。図7に示されるように、片側範囲は最小化および最大化目的関数に関連付けられている。両側範囲は、図8に示されるように罰則付き緩和変数により拡張されたような定義済み範囲内で設定点に可能な限り近い最適解を実現すること以外の経済的目的を持たない。ゼロに等しい範囲は、それ周辺の重い罰則が課されている緩和変数を有する設定点を示す。
また、このアプローチによって、よりフレキシブルな方法でプロセス入力を取り扱うことも可能になる。
入力(MV)はハード制約だけを有する。
また、入力のいくつかに対してソフト制約を(ハード制約に包含した形で)定義することも可能である。
ソフト制約の罰則付き緩和変数を導入して、MVに対する罰則付き範囲を定義するのは簡単である。これについては、以下の方程式が提供される。
最大化: 制御変数は、必要ならば制約対処または経済的目的を達成すべく制御範囲内の設定点以下に動く。その他の目的が達成された後、それは制御変数の最大化により設定点に近づく。
最小化: 制御変数は、必要ならば制約対処または経済的目的を達成すべく制御範囲内における設定点を超える範囲に動く。その他の目的が達成された後、それは制御変数の最小化により設定点に近づく。
目標: 制御変数は、必要ならば制約対処または経済的目的を達成すべく制御範囲内における設定点を超えるおよび設定点未満の範囲に動く。その他の目的が達成されると、それは設定点に向かって動く。
無し: 目的関数に含まれない制御変数は、設定点に向かうことなく設定点周辺の制御範囲内に維持される。
好ましい和解値(PSV): MV値の変更がアクティブな条件により要求されない場合、操作変数は、構成された好ましい和解値に向かって動く。
等化: その他の目的が全て満たされることを条件に、等化すべく設定された二つ以上の操作変数がそれらの平均値に維持される。
Claims (52)
- プロセスのシミュレーションを行いプロセスの模擬出力を生成するように適応され、該シミュレートされた模擬出力がプロセスの予測将来値を一つ又は複数含むことを特徴とするプロセスシミュレーターと、
プロセスからの被測定入力に基づいて、且つ前記プロセスシミュレーターからの模擬出力に基づいて一式の目標値を開発するように適応されたオプティマイザと、
プロセス制御システムの各作動サイクル中に前記オプティマイザから多重入力/多重出力コントローラに提供される一式の目標値に基づいてプロセスを制御するように構成された複数の制御出力を、プロセス制御システムの各作動サイクル中に生成するように適応された多重入力/多重出力コントローラとを備える、プロセスを制御するためのプロセス制御システム。 - 前記プロセスシミュレーターがプロセスの動作と同時にプロセスのシミュレーションを行うように適応されることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターがプロセスからの測定された帰還出力である被測定フィードバック出力に基づいてプロセスのシミュレーションを行うように適応され、プロセスの模擬出力を生成すべくシミュレーション結果が被測定フィードバック出力により補正される、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターが前記オプティマイザから独立したプロセスのシミュレーションを行うように適応されることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターがプロセスのシミュレーションモデルを構成し、前記オプティマイザがシミュレーションモデルに基づいたプロセスの最適化定常状態モデルを備える、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターが、プロセスのシミュレーションを行い、プロセスの定常状態までにいたるプロセスの模擬出力を生成するように適応され、
前記オプティマイザが、複数のプロセスからの被測定入力に基づき、且つプロセスの定常状態までにたる前記プロセスシミュレーターからのプロセスの模擬出力に基づき一式の目標値を開発するように適応される、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。 - 前記プロセスシミュレーターがプロセスのステップ応答モデルを備えることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターが、プロセスのシミュレーションを行いプロセスの模擬出力を生成すべく、ステップ応答モデルから決定された動的モデル行列を利用するように適応される、ことを特徴とする請求項7のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターが、第一原理モデリングとパラメトリック・モデリングから成るグループの少なくとも一つから決定された動的モデル行列を利用するように適応される、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが定常状態ゲイン行列に基づいて一式の目標値を開発するように適応されることを特徴とし、且つ定常状態ゲイン行列が動的モデル行列に基づくことを特徴とし、且つ前記プロセスシミュレーターが実時間の動的モデル行列を更新するように適応されることを特徴とする、請求項9のプロセス制御システム。
- 前記プロセスシミュレーターが、プロセスの一部分又は複数部分のシミュレーションを行うように構成された一つ又は複数のシミュレーション・ブロックを備え、
各シミュレーション・ブロックが、プロセスの少なくとも一部分をモデルにしたプロセスモデルと、プロセスの一部分に関連するプロセス要素に対する模擬出力を生成すべくプロセスの一部分の動作のシミュレーションを行うためにプロセスモデルを利用し、シミュレーションユニットとを備え、
前記シミュレートされた模擬出力がプロセス要素に対する予測将来値を一つ又は複数含む、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。 - 前記シミュレーション・ブロックの少なくとも一つが、プロセス要素用の模擬出力に対応するプロセス要素の実際値を受け入れるように適応された入力を含むことを特徴とする請求項11のプロセス制御システム。
- 前記入力が、プロセスのオンライン動作中になされたプロセス要素の計測を受け入れるように通信可能に接続されることを特徴とする請求項12のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが、目標操作変数として多重入力/多重出力コントローラに目標値を適用するように適応されることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが、目標制御変数として多重入力/多重出力コントローラに目標値を適用するように適応されることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが、目的関数に基づき、および伸縮的プロセス制限に基づいて、一式の目標値を開発するように適応されることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが目的関数を備え、且つ、
前記オプティマイザが目的関数を最小化または最大化するように適応されるとともに、制御変数の事前定義設定点範囲を超える自由度を伴って目的関数を拡張するようにさらに適応される、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。 - 前記オプティマイザが目的関数を備え、且つ、
前記オプティマイザが、一式の制御変数を事前定義制御変数限界内に維持し、一式の操作変数を一式の事前定義操作変数限界内に維持しながら、目的関数を最小化または最大化するように適応され、解が存在しない場合には少なくとも一つ制御変数限界を違反することを可能にする、ことを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。 - 制御変数が、プロセスのシミュレートされた模擬出力から決定された予測制御変数を備えることを特徴とする請求項18のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが、一式の制御変数を制御変数限界を越えて拡張すべく目的関数における一つ又は複数の緩和変数を利用するように適応されるとともに、
事前定義制御変数限界外で決定された解に基づいて一式の目標値を開発するようにさらに適応される、ことを特徴とする請求項18のプロセス制御システム。 - 前記オプティマイザが緩和変数を目的関数に漸増的に含むように適応され、
付加的な緩和変数のそれぞれが事前定義設定点限界を越えたさらなる自由度により目的関数を拡張する、ことを特徴とする請求項20のプロセス制御システム。 - 前記オプティマイザが、目的関数に含まれた付加的な緩和変数のそれぞれに罰則を適用するように適応され、
各緩和変数に対する罰則が、制御変数に関連付けられている優先度に依存する、ことを特徴とする請求項21のプロセス制御システム。 - 前記オプティマイザが線形プログラミングオプティマイザを備えることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 前記オプティマイザが非線形プログラミングオプティマイザを備えることを特徴とする請求項1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を備えることを特徴とする請求項1のプロセス制御システム。
- 複数の操作変数と、操作変数の変化によりもたらすことができる複数の制御変数とを有するプロセスを最適化する方法であり、
模擬出力がプロセスの一つ又は複数の予測将来値を含むことを特徴としてプロセスの模擬出力を生成するためにプロセスのプロセスモデルを使用して、プロセスの動作のシミュレーションを行うことと、
プロセスの一部分の最適化モデルにプロセスの予測将来値を提供することと、
プロセスからの入力を測定することと、
プロセス動作点が複数の制御変数の一つ又は複数に対する一式の目標値により定義されることを特徴として、プロセスからの被測定入力に基づいて、且つ前記プロセスシミュレーターからの模擬出力に基づいてプロセス動作点を選択することにより最適化モデルを使用してプロセス最適化を実行することと、
プロセスを制御するために一式の目標値を使用することとが含まれる方法。 - 前記プロセスの動作のシミュレーションを行うことには、プロセスの動作と同時にプロセスの動作のシミュレーションを行うことが含まれることを特徴とする請求項26の方法。
- 前記プロセスの動作のシミュレーションを行うことには、プロセスからのフィードバック出力を測定することと、プロセスからの被測定フィードバック出力に基づいてシミュレーション結果を補正することが含まれることを特徴とする請求項26の方法。
- 前記プロセス最適化の実行には、プロセスの動作のシミュレーションを行うことから独立したプロセス最適化を行うことが含まれることを特徴とする請求項26の方法。
- 前記プロセスの動作のシミュレーションを行うことには、プロセスの定常状態の模擬出力を生成するためにプロセスの定常状態でプロセスの動作のシミュレーションを行うことが含まれることを特徴とする請求項26の方法。
- 前記プロセス最適化の実行には、フレキシブルなプロセス限界を有する目的関数を最小化するまたは最大化することが含まれることを特徴とする請求項26の方法。
- 前記プロセスの模擬出力を生成するためにプロセスのプロセスモデルを使用してプロセスの動作のシミュレーションを行うことには、一つ又は複数の制御変数を予測することが含まれることを特徴とする請求項26の方法。
- 前記フレキシブルなプロセス限界を有する目的関数を最小化または最大化することには、制御変数の事前定義設定点範囲を越えた自由度により目的関数を拡張することが含まれることを特徴とする請求項31の方法。
- 前記フレキシブルなプロセス限界を有する目的関数を最小化または最大化することには、
事前定義制御変数限界内に一つ又は複数の制御変数を維持することと、
一式の事前定義操作変数限界内に操作変数の一つ又は複数を維持することと、
解が事前定義限界内に存在しない場合に制御変数限界の少なくとも一つを違反することと、
事前定義限界外で決定された解に基づいてプロセス動作点を選択することと、が含まれることを特徴とする請求項31の方法。 - 制御変数限界の少なくとも一つを違反することには、一つ又は複数の緩和変数を目的関数に適用することが含まれ、
各緩和変数が、事前定義設定点限界を越えた一つ又は複数の制御変数を拡張する、ことを特徴とする請求項34の方法。 - 目的関数に含まれる各緩和変数に罰則を適用することをさらに含む請求項35の方法。
- 複数の操作パラメータを使用してプロセスの複数の制御パラメータを制御するためにプロセッサ上で実施されるプロセス制御ルーチンの一部分として使用されるように適応されたプロセス制御要素であり、
コンピュータ可読媒体と、
プロセスのシミュレーションを行い且つプロセスの予測将来値を一つ又は複数含むプロセスの模擬出力を生成するシミュレーション・ルーチンを備え、プロセスのシミュレーションを実施するためにコンピュータ可読媒体上に格納されプロセッサ上で実行されるように適応されたシミュレーション機能ブロックと、
最適化機能ブロックが、複数の制御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、各制御走査期間中に制御パラメータに対する一式の最適な目標値を生成するためにシミュレーション・ルーチンからの模擬出力と目的関数を使用するオプティマイザ・ルーチンと、目標値を使用して各制御走査期間中に複数の操作パラメータの各々に対する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含み、プロセスの多重入力/多重出力制御の実施するために、コンピュータ可読媒体上に格納されプロセッサ上で実行されるように適応された最適化機能ブロックと、
を備えるプロセス制御要素。 - 前記シミュレーション・ルーチンがプロセスの動作と同時にプロセスのシミュレーションを行うことを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
- 前記シミュレーション・ルーチンが、プロセスの模擬出力を生成するためのプロセスのシミュレーションを補正するためにプロセスからの被測定フィードバック出力を利用することを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
- 前記最適化機能ブロックが、プロセスの定常状態モデルを備えることを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
- 前記シミュレーション機能ブロックが、プロセスのシミュレーションモデルを備え、また、前記プロセスの定常状態モデルがプロセスのシミュレーションモデルに基づく、ことを特徴とする請求項40のプロセス制御要素。
- 前記シミュレーション・ルーチンがプロセスのシミュレーションを行い、プロセスの定常状態に対するプロセスの模擬出力を生成し、且つ、
前記オプティマイザ・ルーチンが、制御パラメータに対する一式の最適な目標値を生成するためにプロセスの目的関数およびプロセスの模擬定常状態出力を使用する、ことを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。 - 前記シミュレーション機能ブロックがプロセスのモデルを備え、且つ前記シミュレーション・ルーチンが、モデルから決定された動的モデル行列を利用する、ことを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
- プロセスのステップ応答モデル、プロセスの第一原理モデルおよびプロセスのパラメトリックモデルから成るグループの少なくとも一つを前記モデルが備えることを特徴とする請求項43のプロセス制御要素。
- 前記最適化機能ブロックが、動的モデル行列に基づいた定常状態ゲイン行列を備え、
前記オプティマイザ・ルーチンが、一式の最適な目標値を生成するために定常状態ゲイン行列を使用し、且つ
前記シミュレーション・ルーチンが、実時間において動的モデル行列を更新する、ことを特徴とする請求項43のプロセス制御要素。 - 前記オプティマイザ・ルーチンが、目標値を目標操作変数として多重入力/多重出力制御ルーチンに適用することを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
- 前記オプティマイザ・ルーチンが、目標値を目標制御変数として多重入力/多重出力制御ルーチンに適用することを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
- 目的関数が少なくとも一つの緩和変数および事前定義制御変数限界を備え、且つ、
前記オプティマイザ・ルーチンが、事前定義制御変数限界内に制御変数を維持しながら目的関数を最小化または最大化し、
最適解が事前定義制御変数限界内に存在しない場合には前記オプティマイザ・ルーチンが、制御パラメータに対する一式の最適な目標値を生成するために、少なくとも一つの緩和変数に基づいて事前定義制御変数限界を違反する、ことを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。 - 各緩和変数が、制御変数限界を越えた自由度を有することを特徴とする請求項48のプロセス制御要素。
- 最適解が事前定義制御変数限界および以前に適用された緩和変数のいかなるものの内に存在しない場合、前記オプティマイザ・ルーチンが各緩和変数を漸増的に目的関数に適用することを特徴とする請求項48のプロセス制御要素。
- 前記オプティマイザ・ルーチンが、漸増的に適用された緩和変数の各々に罰則を適用することを特徴とする請求項50のプロセス制御要素。
- 前記オプティマイザ・ルーチンが、線形オプティマイザ・ルーチンおよび非線形最適化ルーチンからなるグループの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項37のプロセス制御要素。
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