JPH11513149A - 多変数予測コントローラにおけるプロセスコントローラ最適化の方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセスのロバスト制御を実行するコントローラを有するプロセス制御システムにおいて、コントローラは所定の範囲制御手順を利用し、その結果が制御解である。プロセスは少なくとも１つの操作変数と、少なくとも１つの制御量とを有する。動的最適化を実行する方法は、操作変数及び制御量の最適化された１組の定常状態値を計算する過程を含む。定常状態値の組を制御解と調和させるために、拡大範囲制御手順を生成する。拡大範囲制御手順を解決し、それにより、生成される操作変数は定常状態値の組及び制御解と矛盾しない。拡大範囲制御手順により生成された操作変数に従ってプロセスを制御し、それにより、プロセスの最適制御を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】 多変数予測コントローラにおけるプロセスコントローラ最適化の方法 発明の背景 本発明は制御システムに関し、特に、範囲制御を利用するロバスト多変数予測 コントローラ（ＲＭＰＣ）における動的プロセス最適化の方法に関する。 今日の制御システムでは、定常状態解を計算し、次に、その解を制御問題を実 行する多変数予測コントローラ（ＭＰＣ）に対しカスケーディングすることによ り最適化を実行する。この今日の方式には、本質的に、２つの欠陥がある。第１ に、定常状態解がカスケード配列されるため、最適化の速度はＭＰＣの速度によ ってのみ決まる。従って、ＭＰＣが低速であれば、定常状態最適化を実行する速 度を速くすることはできない。第２に、定常状態解はＭＰＣの制御解と動的に矛 盾してしまう場合が多い。 そのため、動的にコントローラ解と矛盾しないように定常状態最適化解を実現 する必要がある。本発明は、制御すべきプロセスの総じて矛盾のない制御結果を 得るように最適化解を制御解と併合する。 発明の概要 従って、本発明により、最適化解が制御解と調和して作用するような動的プロ セス最適化の方法が提供されている。プロセスのロバスト制御を実行するコント ローラを有するプロセス制御システムにおいて、コントローラは所定の範囲制御 手順を利用し、その結果が制御解となる。プロセスは少なくとも１つの操作変数 と、少なくとも１つの制御量とを有する。動的最適化を実行する方法は、操作変 数及び制御量の最適化された１組の定常状態値を計算する過程を含む。その定常 状態値の組を制御解と調和させるために、拡大範囲制御手順を生成する。拡大範 囲制御手順を解決すると、それにより生成される操作変数は定常状態値の組及び 制御解と矛盾しない。拡大範囲制御手順により生成された操作変数に従ってプロ セスを制御し、それにより、プロセスの最適制御を実行する。 従って、本発明の目的は、動的プロセス最適化の方法を提供することである。 本発明の別の目的は、最適化解を制御解と併合するような動的プロセス最適化 の方法を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、最適化解と制御解が調和して作用するような動的 プロセス最適化の方法を提供することである。 本発明のこれらの目的及びその他の目的は、以下の説明及び添付の図面と関連 させることにより明白になるであろう。図面中、同じ図中符号は同じ部分を指示 し、図面は本出願の一部を成す。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を利用できるプロセス制御システムの機能ブロック線図を示す 。 図２は、本発明の方法の流れ図を示す。 図３は、問題例の制御変数１〜４のグラフを示す。 図４は、本発明の方法を利用する図３の例の操作変数５〜７のグラフを示す。 詳細な説明 本発明の方法を説明する前に、本発明が利用されるシステム環境を理解してお くと有用であろう。 図１を参照すると、本発明を利用しうるプロセス制御システムの機能ブロック 線図が示されている。コントローラ１０は、入力変数μとしてプロセス２０に結 合される複数の出力を有する。プロセス２０は、たとえば、弁，ヒータのように 制御可能である複数の要素を含む。プロセス２０のプロセス変数ｙには、製品の 品質を左右する温度，圧力，レベル，流量などがある。入力変数（又は操作変数 ）ｕは次のように定義され： また、出力変数（又は制御量）ｃｖは次のように定義される： 従って、プロセス２０はｎ個の操作変数と、ｎ個の制御量とを有する動的プロ セスＰ（ｓ）である。制御量（ｃｖ）はｎ₁個の調整ｃｖと、ｎ₂個の抑制ｃｖと 、ｎ₃個の最適化ｃｖとを含む。一般に、 ｎ ≧ ｍ ≧ ｎ₁ である。 本発明においては、制御仕様ｒ（以前のシステムでは、これをセットポイント と呼んでいた）を次のように定義する： るいは、下限又は上限のいずれか一方しか存在しない。最後に、最適化ｃｖの場 合には、上下限は全く存在しない。 コントローラ１０の範囲制御機能は、下記の式に従って先に確定した３つのケ ースを処理するように公式化されている。 ｘ、ｙは である。 式中、Ｗはユーザ重み付けマトリクスであり；Ａは出力のプロセスダイナミクス を入力と関連づける動的モデルマトリクス（ａ_ij個の係数）であり；ｙ（最適範 囲軌跡）は範囲変数（セットポイントの拡張）であり；ｘ（制御解）はアプリケ ーションに応じた操作変数Δｕ（すなわち、Δｕ＝ｕ_CURRENT−ｕ_LAST）である 。 る。 多変数予測コントローラ（ＭＰＣ）のさらに詳細な説明については、本出願と 同一の譲受人に譲渡され且つ本明細書にも参考として取り入れられている１９９ ４年９月２７日発行の名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ」による米国特許第５，３５１，１８４号を参照のこと。 本発明の好ましい実施形態では、範囲制御を利用するＲＭＰＣ制御解に最適解 に併合する。より具体的には、範囲制御手順、すなわち、範囲制御アルゴリズム （ＲＣＡ）に最適解を併合し、その結果として、総じて矛盾のない解を得るので あるが、次にこれを説明する。図２を参照すると、本発明の方法の流れ図が示さ れている。制御プロセスの開始時、初期設定、ハウスキーピングなどを必要に応 じて実行する（ブロック１０１）。次に、範囲制御アルゴリズム（ＲＣＡ）を拡 大して、定常状態解を組込む（ブロック１０５）。拡大されるＲＣＡ手順の形態 については以下に説明する。次のステップ（ブロック１１０）は定常状態最適化 問題を解決する。すなわち、 を解決する。 これは、当業者には良く知られている２次定常状態最適化式である。次のステ ップ（ブロック１１５）は拡大範囲制御アルゴリズムを解決する。拡大ＲＣＡに 対する入力パラメータはセットポイント、上／下限、システム外乱などを含む。 定常状態最適化解を動的制御解で拡大した（両者の併合、場合によっては調和と も呼ばれる組合わせ）の結果、総じて矛盾のない解が得られる。新たに計算され たｍｖ_sを出力して（ブロック１２０）、プロセスを制御する。プロセスを終了 させるべきでない場合（ブロック１２５）、ブロック１１０で制御プロセスを繰 り返す。拡大は、たとえば、３ｍｖ解及び５ポイント予測解に関する拡大Ａ−マ トリクス、すなわち、Ａマトリクスが次の形態となるようにＡ−マトリクスを拡 張することによって実行される： さらに一般的な形態では、拡大範囲制御アルゴリズム解は次の形態を有する： すなわち、 Ｘｓｓはブロック１１０から取り出されるセットポイント変化と同様に既知の 値であり、Ｗｏは最適化速度を調整するための同調重みである。 ｘマトリクスは第１のｍｖ、すなわち、ｍｖ₁の１度目の移動（今回）と、ｍ ｖ₁の２度目の移動（たとえば、１分後）と、ｍｖ₁の３度目の移動（たとえば、 ２分後）と... ５度目の移動（たとえば、４分後）と、...，ｍｖ₂の現在移動と 、２度目の移動（すなわち、１分後）と、...，最後のｍｖ₃の５度目の移動（す なわち、４分後）とを指示している。 このように、 マトリクスの第１の拡大行にｘを乗算したものは、この例で計算 されている５つのポイントの第１のｍｖ（ｍｖ₁）の全ての移動の合計を示して いる。すなわち、これは Δｍｖ₁ ⁽¹⁾＋Δｍｖ₁ ⁽²⁾＋Δｍｖ₁ ⁽³⁾＋Δｍｖ₁ ⁽⁴⁾＋Δｍｖ₁ ⁽⁵⁾ に等しい。 拡大範囲制御アルゴリズム： は、範囲制御アルゴリズムと類似する形態を有する、 と等しいので、定常状態最適化解と動的制御マトリクスとの併合の実現は相対的 に簡単になる。（本発明においてはカスケーディングはない。） 従って、本発明は、ｍｖがどのようにして定常状態セットポイントに到達する かを示すことなく、ｍｖの値を指定する。すなわち、ポイントがどこになければ ならないかを指示する。ポイント（すなわち、ｍｖの個々の値）がどのようにし て定常状態ポイントに到達するかは、コントローラと制御解の関数である。 現在ポイントから最終最適ポイントまで各ｍｖがたどるべき経路は最適化の結 果によっては指定されないが、本発明の解により導出されるので、最適化解と制 御解とのコンパティビリティは確保される。重み付けマトリクスＷ及びＷ₀は、 併合のケースで制御解と最適化解のいずれもが優勢にならないように選択される 。 １例として、表１及び表２に指示するように、ＲＧＣＣＶが２０のｃｖと、７ つのｍｖとを有する残留物流動化解媒クラッキング装置に関するＲＭＰＣアプリ ケーションが示されている。ｃｖ₁は調整されており、残りのｃｖは上／下限を 有する。図３を参照すると、ｃｖ１〜４に関するｃｖ値のグラフが示されている 。図４を参照すると、ｍｖ５〜７の値のグラフが示されている。尚、ｍｖ₅の値 （再生器２空気、図４Ａ）は最適値に向かって増加する前に値が減少することを 示している。これはｃｖ値及びその他のｍｖ値と矛盾してはならない。最適化解 をカスケーディングしたならば、点線の曲線が利用されていたであろうが、ｃｖ₁ （再生器２酸素、図３Ａ）とは矛盾しない。点線の経路をたどったならば、ｃ ｖ₁の誤差はより大きくなり、酸素は増加するであろうと思われるので、燃焼速 度の制御はより困難になり、多すぎる酸素は混合物の爆発の危険性を増す。 本発明の好ましい実施形態であると考えられるものを示したが、本発明の本質 的な趣旨から逸脱することなく、この実施形態に関して数多くの変更や変形を実 施できることは明白であろう。従って、添付の請求の範囲においては、本発明の 真の範囲内に含まれる全てのそのような変更及び変形を包含するものとする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホーン，ブライアン・シイ アメリカ合衆国・85028・アリゾナ州・フ ェニックス・イースト コーテツ ストリ ート・4121

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの操作変数と、少なくとも１つの制御量とを有するプロ セスのロバスト制御を実行し、所定の範囲制御手順を利用し、その結果として制 御解を得るコントローラを有するプロセス制御システムにおいて、動的最適化を 実行する方法であって、 ａ）定常状態値の組を制御解と調和させるために拡大範囲制御手順を生成する 過程と； ｂ）生成される操作変数が定常状態値の組及び制御解と矛盾しないように、拡 大範囲制御手順を解決する過程と； ｃ）拡大範囲制御手順により生成された操作変数に従ってプロセスを制御し、 それにより、プロセスの最適制御を実行する過程とから成る方法。 ２． ａ）拡大範囲制御手順を生成する前に、操作変数及び制御量の最適化さ れた１組の定常状態値を計算する過程をさらに含む請求項１記載の動的最適化を 実行する方法。 ３． プロセス制御システムにあって、計算する過程は、２次定常状態最適化 式を利用して操作変数及び制御量の最適化された１組の定常状態変数を計算する 過程から成る請求項１記載の方法。