利用并行过程仿真的多目标预测过程优化的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2006年12月5日、申请号为200680045695. 9 (PCT/ US2006/046590)且名称为"利用并行过程仿真的多目标预测过程优化"的发明的分案申请。
[0002] 相关申请
[0003] 本专利对在2005年12月5日提交的、临时申请序号为60/742, 322的美国专利 (U.S. Provisional Application Serial No. 60/742, 322)提出优先权要求，所述美国专利 的全部内容在此通过引用，明确地被并入本专利。
技术领域
[0004] 本公开总体上涉及过程设备中的过程控制系统，尤其涉及利用过程仿真及预测模 型的过程优化。
【背景技术】
[0005] 过程控制系统广泛地用于制造产品或控制过程（例如化学品制造、发电厂控制等 等）的工厂及/或车间。过程控制系统也用于自然资源的开采，比如石油及天然气钻探及 处理过程等等。实质上，任何制造过程、资源开采过程等等，可以通过一个或多个过程控制 系统的应用而得以自动化。相信所述过程控制系统最终也将更广泛地用于农业。
[0006] 过程控制系统-如那些用于化学、石油、或其他过程的过程控制系统-典型地包括 一个或多个集中式或分布式过程控制器，过程控制器通过模拟通信协议、数字通信协议或 模拟/数字混合总线，与至少一个主机或操作员工作站或与一个或多个过程控制及仪器设 备（比如现场设备）通信连接。现场设备可能是阀、阀定位器、开关、传送器及传感器（例 如温度传感器、压力传感器、及流率传感器），它们在过程中发挥功能，如开启或关闭阀及测 量或过程参数。过程控制器接收现场设备所进行的或与现场设备有关的过程测量的信号及 /或关于现场设备的其他信息，并使用这些信息来实施控制例程，然后产生控制信号并通过 一条或多条总线或其他通信线传送至现场设备，以控制过程的操作。来自现场设备及控制 器的信息通常传送到由操作员工作站执行的一种或多种应用程序，以使操作员能够针对过 程执行必要的功能，比如检视过程的当前状态、更改过程的操作等等。
[0007] 过程设备中的多种装置可以在物理及/或逻辑组中互连，以创建一个逻辑过程， 比如一个控制环路。同样地，一个控制环路可以与其他控制环路及/或设备互连，以创建一 个单元，而一个单元接着可以与其他单元互连，以创建一个区。过程设备一般包括互连区， 而商业实体一般包括可以互连的过程设备。因此，一个过程设备包括带有互连资产的多级 的层次，而一个企业可能包括互连过程设备。换句话说，与一个过程设备有关的资产或多个 过程设备可以组合在一起，以构成在较高层次的资产。
[0008] 过程控制器一般被编程来为定义予过程或过程中包含的多个不同环路中的每个 环路执行不同的算法、子例程或控制环路（它们都是控制例程），比如流率控制环路、温度 控制环路、压力控制环路等等。一般而言，每个这样的控制环路包括一个或多个输入功能块 (比如模拟输入（Al)功能块）、单输出控制块（比如比例微分积分（PID)或模糊逻辑控制 (FLC)功能块）及单输出功能块（比如模拟输出（AO)功能块）。这些控制环路一般执行单 输入/单输出控制，这是由于控制块产生单控制输出，用于控制单过程输入，比如阀位置等 等。然而，在某些情况下，使用多个独立操作的单输入/单输出控制环路并不是很有效，这 是由于被控制的过程变量受超过一个单过程输入的影响，而且事实上每个过程输入可能影 响许多过程输出的状态。例如，单输入/单输出控制环路导致过程输出以无法接受的方式 运转，其中所述输出在永远不能达到稳定状态的情形下不停变化。
[0009] 工业过程优化已经被用来确定特定问题的最佳解，除了考虑工厂收入的最大化、 限制放射、最小化生产成本等等之外，其满足客户对不同产品的需求及在资源及设备的极 限内进行。自1960年起，优化器便已经被开发。然而，优化中涉及的问题包括选择一个或 多个优化变量、选择目标函数及识别各种制约，比如以上提供的例子。因此，问题涉及的制 约限制了解的确定。
[0010] 实时优化器（RTOs)已经被用于优化过程功能。一般上，实时优化器（RTO)使用 线性及非线性高保真模型，它们一般需要充分的开发及维护工夫。然而，实施实时优化器 (RTO)涉及的困难导致只有很少成功的安装，其成功安装比与模型预测控制（MPC)实施有 关的成功安装还少得多。
[0011] 模型预测控制（MPC)或其他类别的高级控制已经在特定被控制过程变量影响超 过一个过程变量或输出的情形下被用于执行过程控制。自1970年代以来，许多成功的模型 预测控制（MPC)实施已经成为过程工业中的高级多变量控制的主要形式。此外，MPC控制 已经作为分布式控制系统层次化软件，实施在分布式控制系统中。4, 616, 308及4, 349, 869 号美国专利（U. S. Patent Numbers 4, 616, 308and 4, 349, 869)概括地描述可以用于过程控 制系统内的MPC控制器。典型的MPC应用优化器以实现经济优化及制约处理。
[0012] 一般而言，模型预测控制（MPC)是一种多输入/多输出控制策略，其测量多个过程 输入中的每个过程输入对多个过程输出中的每个过程输出的影响，然后使用这些测得的响 应来创建过程的控制矩形阵或模型。所述控制矩形阵或模型（其概括地定义过程的动态操 作）被数学地求逆，然后用于多输入/多输出控制器或作为多输入/多输出控制器使用，以 便根据对过程输入的改变来控制过程输出。在有些情况下，过程模型以所述多个过程输入 中的每个过程输入的过程输出响应曲线（典型地是阶跃响应曲线）代表，而且这些曲线可 以根据传送到所述多个过程输入中的每个过程输入的一系列（例如）伪随机阶跃变化来创 建。这些响应曲线可以以已知方式用于模拟过程。由于模型预测控制（MPC)在本领域中广 为人知，因此这里将不对其细节进行描述。然而，模型预测控制（MPC)在"1996美国化学工 程师学会会议"（AIChE Conference, 1996)上由 Qin, S. Joe 及 Thomas A. Badgwell 发表的 "工业模型预测控制技术评论"（An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology)中概括地描述。
[0013] 模型预测控制（MPC)已经被查明是一种有效和有用的控制技术，而且已经与过程 优化共同被使用。为了优化使用模型预测控制（MPC)的过程，优化器使得由模型预测控制 (MPC)例程确定的一个或多个过程输入变量最小化或最大化，以促使过程在最佳点位运行。 虽然这个技术在计算上为可能，但需要选择（例如）对改善过程的经济运作（例如过程生 产量或品质）有重大影响的过程变量，以便从经济立场对过程进行优化。就财政或经济观 点而言，在最佳点位运行过程典型地需要同时控制许多过程变量，而不只是控制单一过程 变量。带模型预测控制（MPC)的优化器的成功实施可以贡献这些因素：方便实施应用模型 预测控制（MPC)的过程模拟、与配置系统的集成、用于模型修正的模型预测控制（MPC)反馈 以及在优化模型中使用过程稳态模型预测。在这四个因素之中，与配置系统的集成是一重 要因素。配置系统指定可利用什么设备、所述设备怎样配置，并指定与设备有关的制约。
[0014] 在使用模型预测控制（MPC)的大多数情况下，过程中可用的操纵变量（即模型预 测控制（MPC)例程的控制输出）的数目比过程的控制变量的数目（即必须被控制在特定设 定点的过程变量的数目）来得大。因此，有更多自由度可用于优化及制约处理。在理论上， 要执行这样的优化，应计算由过程变量显示的值、制约、界限及定义过程的最佳操作点的经 济因素。在许多情况下，这些过程变量是受制约变量，这是由于这些过程变量有界限，这些 界限涉及与它们有关的过程的物理特性，而且这些变量必须保存在这些界限内。例如，代表 蓄槽存量的过程变量限于实际蓄槽可实际达到的最高及最低水平。优化函数可以计算与每 个受制约变量或辅助变量有关的成本及/或利润，以便在利润最大化及成本最小化的水平 进行操作等等。这些辅助变量的测量可以接着作为输入，提供给模型预测控制（MPC)例程， 并由模型预测控制（MPC)例程处理为设定点与由优化例程定义的辅助变量的操作点相等 的控制变量。
[0015] 使用优化器的预测稳态使得能够在不需要计算模拟的过程导数的情况下执行优 化，而计算模拟的过程导数是一项复杂而容易产生错误的操作。在正常的操作情形下，模型 预测控制（MPC)优化器为最佳经济解提供可接受的范围及界限。然而，如果所述的解不存 在于预定义的范围及界限，则过程优化器就不能提供解。其后果是，过程优化器不能在每种 情况下提供解。
[0016] 操作过程环境中的过程仿真已经作为过程设计工具被使用，而且已经成功地达到 过程控制的目的，包括操作员培训、控制策略设计及测试、过程优化及相关应用。并行仿真 技术的引进已经扩展了仿真概念及其可应用领域。明确地说，使用并行仿真，过程与其操 作同时地被仿真，从而创建仿真过程"影像"。多种仿真技术可以以这个方式使用，从高保 真第一主模型到"黑箱"通用建模。例如，这个并行仿真方式已知能够在设计设备时使用 HYSYS(-种高保真仿真编程）来实施过程仿真及能够在稍后使用相同的仿真来协助执行 设备操作。并行仿真允许根据过程测量来对模拟结果进行连续的反馈更新，使得能够实现 更高的性能表现及保真度，特别是与简单的模拟技术比较更是这样（比如不应用并行仿真 的阶跃响应）。其结果是，开发及运行仿真的成本大幅度缩减，而且可被一般实施的过程控 制系统接受。带有并行仿真特征的过程控制系统改善了性能表现，并扩展了功能，包括强化 的处理系统诊断及优化。
[0017] 在并行仿真中应用优化，