对保持模型预测控制（MPC)优化的优点，有一定用处。提 供可在任何情况下（不论预定义范围及界限）提供解的过程优化器，也很有用。现有恢复 技术是基于受制约及受控制变量的优先级。明确地说，惩罚性松弛变量的使用，可能总是能 够或几乎总是能够为制约优化问题提供可行的解。
【发明内容】
[0018] 本发明提供一种利用过程仿真的优化系统及方法。明确地说，所述优化器使用根 据过程仿真而得的过程仿真输出来开发目标值，以控制过程。仿真过程输出可以施加于所 述优化器，直到达到过程的稳态，而所述优化器也可以使用实际过程输入。同时执行过程与 过程操作使得能够使用得自实际过程的反馈来修正仿真结果。所述优化器与仿真过程同时 使用，并同时维持所述优化器与所述仿真之间的独立性。这些考虑是基于线性模型及多目 标线性编程优化。然而，也可以使用附加技术，比如二次编程（QP)、非线性或线性化优化技 术。所述优化稳态模型的建立及更新是根据动态线性或非线性仿真模型。优化器输出可以 使最佳目标作为目标操纵变量或作为目标控制变量，施加于过程输入。
[0019] 通过将最佳解的搜索扩展到主制约变量之外，可以在任何情况下确定优化问题 的、由所述目标值定义的最佳解。明确地说，所述优化器可以使用目标函数（其可能包括亦 被称为"松弛变量"的附加柔性变量），以便将所述目标函数扩展到预定义变量界限之外。所 述优化器使目标函数最小化或最大化，同时使控制变量及操纵变量保持在预定义界限内。 如果在预定义变量界限内没有找到解，则将松弛变量施加到目标函数。松弛变量的包合触 犯预定义变量界限，而且使解的搜索范围扩展到预定义界限之外。实质上，松弛变量的包合 使目标函数扩展到超过制约变量的自由度。
[0020] 松弛变量的包合可以增量地施加，而松弛变量的每个施加使目标函数扩展到进一 步的自由度，直到找到解为止。然而，每个松弛变量的包合可能伴随惩罚，以便试图在预定 义界限内获得解，或尽量使超出界限的超额保持在最低程度。惩罚值可能视正在被触犯的 变量的优先级而定，而且在一个例子中，惩罚值可能比优化过程涉及的任何成本或利润大 得多。
[0021] 由于利用过程仿真来进行优化，优化变量的选择可以有效地简化；在有些情况下， 可以为精选配置选择正确的变量。在所有的情况下，控制策略、仿真及优化可能坐落及互相 作用在一起，使得目标系统的所有部分发生联系，而且可以保持完整性。线性或非线性优化 器有一定义多目的目标函数及柔性过程界限，这可以保证在任何过程条件下获得最佳解。 通过使用实时过程仿真以及通过将得自过程的测量输入施加到优化器而获得预测稳态值， 优化性能得以改善。稳态增益矩阵被优化器使用，并实时更新。所述稳态增益矩阵可能是 基于仿真模型，尤其可能是基于阶跃响应模型。
【附图说明】
[0022] 图1为一过程设备的原理图，其显示在一过程设备中实施的设备层次结构及指令 的一个范例。
[0023] 图2为一过程控制系统的框图，该过程控制系统包括带有结合优化器于MPC控制 器的高级控制器功能块的控制模块。
[0024] 图3为图2的所述高级控制器功能块的框图，该高级控制器功能块带有集成的优 化器及MPC控制器。
[0025] 图4为一流程图，其描绘创建及安装图3的集成优化器及MPC控制器功能块的方 式。
[0026] 图5为一流程图，其描绘图3的所述集成优化器及MPC控制器功能块在联机过程 操作期间进行的操作。
[0027] 图6为一示意图，其图解为制约处理而施加松弛变量。
[0028] 图7为一示意图，其图解为使单边范围控制最大化而施加松弛变量。
[0029] 图8为一示意图，其图解向双边范围控制施加松弛变量。
[0030] 图9为一示意图，其图解为计算优选结算值而施加惩罚性松弛变量。
[0031] 图10为一简化框图，其图解一仿真系统，该仿真系统带有多个仿真块，这些仿真 块使用过程模型来提供未来预测过程值，并根据过程测量或用户输入来更新所述过程模 型。
[0032] 图11为一框图，其图解过程仿真与所述集成优化器及MPC控制器之间的互相作 用。
[0033] 图12为一示意图，其图解由所述优化器驱动的控制参数范围及方向。
[0034] 图13为一示意图，其图解由所述优化器驱动的制约参数范围及方向。
[0035] 图14为一示意图，其图解由所述优化器驱动的操纵参数范围及方向。
【具体实施方式】
[0036] 现在参看图1，一过程设备10包括多个商业计算机系统或其他计算机系统，这些 计算机系统通过一个或多个通信网络与多个控制及维护系统互联。过程设备10包括一个 或多个过程控制系统12及14。过程控制系统12可以是传统的过程控制系统，比如PROVOX 系统或RS3系统，或任何其他分布式控制系统（DCS)，其包括一操作员界面12A，操作员界面 12A连接到一控制器12B，并连接到输入/输出（I/O)卡12C，输入/输出（I/O)卡12C接着 连接到多种现场设备，比如模拟现场设备及HART (可寻址远程传感器高速通道）现场设备 15。过程控制系统14可以是分布式过程控制系统，比如DeltaVTM控制系统，其包括一个或 多个操作员界面14A，操作员界面14A通过总线-比如以太总线-连接到一个或多个分布式 控制器14B。举例而言，分布式控制器14B可以是由德克萨斯州（Texas)奥斯丁市（Austin) 的费舍尔?柔斯芒特系统有限公司（Fisher Rosemount System, Inc.)出售的DeltaVTM控 制器或任何符合要求的类别的控制器。分布式控制器14B通过输入/输出（I/O)设备（包 括无线连接及输入/输出（I/O)设备），连接到一个或多个现场设备16,例如HART (可寻址 远程传感器高速通道）现场设备或Fieldbus (现场总线）现场设备或任何其他智能或非 智能现场设备，例如包括那些使用PROFIBUS? (过程现场总线）协议、WORLDFIP? (工厂仪表世界协议）、Device-Net? (设备网）协议、AS-Interface? (执行器传感器 接口）协议及CAN? (控制器局域网络）协议其中之一的现场设备。已知现场设备16可 以提供模拟的或数字的信息到涉及过程变量以及其他设备信息的控制器14B。操作员界面 14A可以存储及执行过程控制操作员可利用的工具，以控制过程的操作，例如包括控制优化 器、诊断专家、神经网络、调谐器等等。
[0037] 此外，维护系统，例如执行AMS(资产管理系统）应用程序-比如执行由德克萨 斯州奥斯丁市（Austin, Texas)的费舍尔?柔斯芒特系统有限公司（Fisher Rosemount System, Inc.)出售的AMS Device Manager (资产管理软件设备管理器）应用程序或任何 其他设备监测及通信应用程序一的计算机，可以连接到过程控制系统12及14或连接到其 中的单一设备，以执行维护及监测活动。例如，一维护计算机18可以通过任何符合要求的 通信线或通信网络（包括无线的或手持的设备网络）连接到控制器12B及/或连接到设备 15,以和设备15通信及在有些情况下在设备15上重新配置或执行其他维护活动。同样地， 维护应用程序-比如AMS应用程序-可以安装在与分布式过程控制系统14有关的一个或多 个用户界面14A内，并由与分布式过程控制系统14有关的一个或多个用户界面14A执行， 以执行维护和监测功能，包括采集涉及设备16的操作状况的数据。
[0038] 过程设备10也包括多种旋转设备20,比如涡轮、发动机、等等，这些旋转设备通 过某种永久的或暂时的通信链接（比如总线、无线通信系统、或连接到设备20以取得读数 然后被拆除的手持设备）连接到一维护计算机22。维护计算机22可以存储及执行已知 的监测及诊断应用程序23,例如由田纳西州的诺克斯维尔市（Knoxville, Tennessee)的 CSi系统公司（CSi Systems, Inc.)出售的RBMwareTM应用程序、由德克萨斯州奥斯丁市 (Austin, Texas)的费舍尔?柔斯芒特系统有限公司（Fisher Rosemount System, Inc.)出 售的AMS Device Manager (资产管理软件设备管理器）应用程序或任何其他已知的、用于 诊断、监测及优化旋转设备20的操作状态的应用程序。维护人员通常使用应用程序23来 维护及监视设备10中的旋转设备20的性能，以确定旋转设备20存在的问题，以及确定旋 转设备20在什么时候必须修理或更换或确定旋转设备20是否必须修理或更换。
[0039] 同样地，发电及分配系统24具有与设备10有关的发电及分配设备25,其通过（例 如）总线连接到另一台计算机26,该计算机运行并监视设备10内的发电及分配设备25 的操作。计算机26可以执行已知的电能控制及诊断应用程序27,例如那些由力博特公司 (Liebert)及ASCO公司或其他公司提供的电能控制及诊断应用程序，以控制及维护发电及 分配设备25。
[0040] 计算机系统30通信连接到与设备10内的所述多种功能性系统有关的计算机或界 面，包括与过程控制功能12及14、维护功能（比如那些在计算机18、14A、22及26内实施的 功能和商业功能）有关的计算机或界面。明确地说，计算机系统30通信连接到传统过程控 制系统12，及通信连接到与该控制系统有关的维护界面18，计算机系统30连接到分布式过 程控制系统14的过程控制及/或维护界面14A，计算机系统30连接到旋转设备维护计算机 22及连接到发电及分配计算机26,所有这些连接都是通过总线32完成的。总线32可以使 用任何符合要求的或适当的局域网（LAN)或广域网（WAN)协议，以提供通信。如图1所示， 计算机30也通过相同的或另一不同的网络总线32连接到商业系统计算机及