工业过程的控制方法和设备.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210202130.4	申请日：	2012.06.18
公开号：	CN103513618A	公开日：	2014.01.15
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G05B 19/418申请日:20120618\|\|\|公开
IPC分类号：	G05B19/418	主分类号：	G05B19/418
申请人：	新奥科技发展有限公司
发明人：	甘中学; 张小辉; 李金来; 其他发明人请求不公开姓名
地址：	065001 河北省廊坊市开发区广阳道北
优先权：
专利代理机构：	北京德恒律治知识产权代理有限公司 11409	代理人：	章社杲;孙征
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内容摘要

本发明公开了一种工业过程的控制方法和设备，该方法包括：针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，根据测量的输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，再进行优化计算，获得满足约束条件的输入变量，之后，将优化计算所获得的输入变量的值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。通过动态地调整输出变量权值，使得系统的输出变量能够在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性。

权利要求书

权利要求书
1.  一种工业过程的控制方法，
所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，
针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该方法包括：
测量所述至少一个输出变量的值；
根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值：
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域，
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量警戒区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域，
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域；
根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值；
将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。

4.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第二值域内，
所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，
所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。

5.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。

6.  根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述基于二次目标函数进行优化计算的步骤中，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。

7.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值的步骤中，保持所述输入变量的控制权值不变。

8.  一种工业过程的控制设备，
所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，
针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该设备包括：
测量单元，用于测量所述至少一个输出变量的值；
调整单元，用于根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值：
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域，
若所述测量的输出变量值位于所述输出变量警戒区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域，
若所述测量的输出变量值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域；
优化计算单元，用于根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值；
控制单元，用于将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。

9.  根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。

10.  根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。

11.  根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在所述第二值域内，
所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，
所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。

12.  根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。

13.  根据权利要求12所述的设备，其特征在于，在所述基于二次目标函数进行优化计算时，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。

14.  根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述优化计算单元在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值时，保持所述输入变量的控制权值不变。

说明书

说明书工业过程的控制方法和设备
技术领域
本发明涉及工业过程控制领域,尤其涉及一种工业过程的控制方法和设备。
背景技术
动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control，DMC）是一种模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）方法，该控制方法能有效地处理工业工程中的约束、多变量、耦合和纯滞后等问题，被广泛应用于石油、化工等工业过程中。DMC作为一种基于阶跃响应系数模型的有限时域开环最优控制的方法，利用过程阶跃响应系数模型对未来一定时域内的状态或输出进行预测。这些输出为当前时刻和未来一定时域内控制量的函数，即在每个采样时刻，控制器以当前时刻的系统状态作为初始状态，通过极小化未来的输出与参考轨迹之差计算控制作用，从而优化产生一个当前时刻的最优控制输入序列以实施工业过程控制。在预定间隔后的下一个时刻，重新测量数据，并再进行优化计算获得新的控制作用，以实施工业过程控制。
以上DMC控制方法是一种无约束DMC控制方法，其主要优点是，能够有效地处理多变量、耦合以及纯滞后等控制问题，计算复杂度与控制器控制时域呈正比，因而，求解速度快、计算复杂度低。然而，无约束DMC控制方法没有考虑输入或输出变量的边界约束条件，例如，阀门最大开度的限制，输出安全范围的限制等。因此，这类方法无法保障最优控制输入序列的可行性。
针对无约束DMC控制方法的缺陷，具有约束条件的QDMC（Quadratic Dynamic Matrix Control，QDMC）控制方法被提出。QDMC控制方法克服无约束缺陷的同时，也存在过程复杂的问题。由于其计算复杂度与控制器控制时域的立方成正比，优化求解器难以在MPC实施周期内计算出最优控制输入序列，可行性差，导致其优化求解复杂度高、计算速度慢。针对现有QDMC的高计算复杂度问题，虽然也有一些针对求解二次规划问题的快速算法被提出，这类快速算法在一定程度上缩短了优化求解时间，并未从根本上降低问题求解复杂度。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是：提供一种工业控制的方法和设备，基于无约束DMC控制方法，同时满足边界约束条件的要求，从而获得快速的求解及最优控制输入序列的可行性。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种工业过程的控制方法，
所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，
针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该方法包括：
测量所述至少一个输出变量的值；
根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值：
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调
整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域，
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量警戒区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域，
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域；
根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值；
将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。
在另一种实施例中，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。
在另一种实施例中，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。
在另一种实施例中，在所述第二值域内，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。
在另一种实施例中，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。
在另一种实施例中，在所述基于二次目标函数进行优化计算的步骤中，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。
在另一种实施例中，在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值的步骤中，保持所述输入变量的控制权值不变。
根据本发明的另一个方面，本发明实施例还提供了一种工业过程的控制设备，
所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，
针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该设备包括：
测量单元，用于测量所述至少一个输出变量的值；
调整单元，用于根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值：
若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域，
若所述测量的输出变量值位于所述输出变量警戒区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域，
若所述测量的输出变量值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域；
优化计算单元，用于根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值；
控制单元，用于将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。
在另一种实施例中，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。
在另一种实施例中，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。
在另一种实施例中，在所述第二值域内，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。
在另一种实施例中，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。
在另一种实施例中，在所述基于二次目标函数进行优化计算时，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。
在另一种实施例中，所述优化计算单元在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值时，保持所述输入变量的控制权值不变。
基于本发明上述实施例提供的工业控制方法及设备，针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，根据测量的输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，从而实现基于无约束DMC的动态加权调整。通过动态调整输出变量权值，使得系统的输出变量的值驻留在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性，从根本上降低了问题求解复杂度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1示出了本发明所提供的工业过程的控制方法实施例的流程示意图;
图2示出了本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，根据输出变量的值所属的区域调整输出变量权值的示意图;
图3（a）、（b）分别示出了本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，调整输入变量的控制权值对输入变量、输出变量的控制作用的示意图;以及
图4示出了本发明所提供的工业过程的控制设备实施例的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
以下各实施例所描述的工业过程，具有多个输入变量以及随多个输入变量的改变而变化的多个输出变量。多个输入变量是用于执行工业过程的工业设备的可控变量，多个输出变量是与工业过程的运行结果有关的变量。多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，二次目标函数为以多个输出变量的输出变量权值、多个输入变量的控制权值为系数的二次函数。
参考图1所示，该图是本发明工业过程的控制方法一种实施例的流程示意图，下面详细介绍本发明工业过程的控制方法实施例的步骤。
在使用二次目标函数进行优化计算时，根据不同的系统，可以有不同的二次目标函数。二次目标函数可以是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。每一次工业过程控制所需要的输入变量的值，都利用该二次目标函数优化计算而获得，例如，二次目标函数可表示为：
J(k)=||w(k)-y~PM(k)||Q2+||ΔuM(k)||R2]]>
其中，为输出变量参考轨迹值，为输出变量系统预测值，为当前时刻输入变量增量，p∈□+为系统输出变量的个数，m∈□+为系统输入变量的个数，P∈□+为预测时域长度，M∈□+为控制时域长度。为输出变量权值，表示为输出变量加权矩阵的形式。为输入变量的控制权值，表示为输入变量加权矩阵的形式。
对于实际的工业生产过程，通常，每一个输出变量存在一定边界约束条件，因此，为使所获得的优化计算结果可用于实际的工业过程控制，输出变量的值需要满足这些预定的边界约束条件。根据边界约束条件，可以设定以下不同的区域。
针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域。
参见图2所示，该图为本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，根据输出变量的值所属的区域调整输出变量权值的示意图。图2中示出了输出变量的值对应的不同区域：输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域。
在输出变量安全区域、输出变量警戒区域内，输出变量的值满足输出变量的操作边界约束条件，为具有操作的可行性的区域，而当输出变量的值超出了输出变量警戒区域，则属于输出变量非操作区域。
实际上，对于具有上、下限边界约束条件的输出变量来说，还可以更细地划分，例如，将输出变量警戒区域内划分为输出变量上限警戒区域、输出变量下限警戒区域，将输出变量非操作区域划分为输出变量上限非操作区域、输出变量非操作下限区域。
根据输出变量的不同区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围。输出变量权值的取值范围的设定原理，将在步骤103的说明中进行详细说明，具体的设置可以如下：
对应于输出变量安全区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域；
对应于输出变量警戒区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域；
对应于输出变量非操作区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域。
作为一种优选的实施方式，其中，第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，第二值域的最大值小于或者等于第三值域的最小值。本领域技术人员应该知道，三个值域的大小可以设置为不同，例如，还可以是第一值域的最小值大于或者等于第二值域的最大值，第二值域的最小值大于或者等于第三值域的最大值。
在步骤101中，测量该至少一个输出变量的值。
在步骤102中，根据测量的该输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，具体调整如下：
若测量的输出变量的值位于输出变量安全区域，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第一值域；
若测量的输出变量的值位于输出变量警戒区域，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第二值域，
若测量的输出变量的值位于输出变量非操作区域时，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第三值域。
通过以上对输出变量权值的调整，可以改变对输出变量的控制性能：对于响应过程变化慢的输出变量，可以增大该输出变量的权值，以增强该输出变量跟踪误差的权重，从而加快该输出变量的响应速度。
具体来说，对于输出变量yi，当测量的输出变量的值属于输出变量安全区域内，此时该输出变量的值距离边界约束条件还有一定距离，该输出变量对应的输出变量权重Qi的取值可以取较小值，控制作用较弱。具体可以表现为输出变量权值Qi的变化率Ki＝kSZ，SZ表示Safe-zone,kSZ可以取较小值，输出变量权值Qi的变化缓和。因此，当测量的输出变量的值位于输出变量安全区域，调整输出变量对应的输出变量权值Qi的取值，使其属于第一值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，从而使得在第一值域内，输出变量权值Qi的取值相对于其他区域更小。
当测量的输出变量的值超出输出变量安全区域，位于靠近边界约束条件的输出变量警戒区域时，此时，应该使输出变量权值Qi值急剧增大，以加强对输出变量的控制作用。可以表现为输出变量权值Qi的变化率Ki＝kAZ，AZ表示Alarming-Zone，kAZ取值大，输出变量权值Qi快速变化，使得输出变量的值难以到达边界约束条件。因此，当测量的输出变量的值位于输出变量警戒区域，调整输出变量对应的输出变量权值Qi的取值，使其属于第二值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，从而使得在第二值域内，输出变量权值Qi的取值是大于第一值域，并且小于第三值域中的取值。
在第二值域内，可以调整输出变量权值Qi的取值随着测量的输出变量值接近第三值域的程度，而单调递增，以及随着测量的输出变量值远离第三值域的程度，而单调递减，如图2中的输出变量警戒区域所示，从而使输出变量权值Qi变化更为连续。
当测量的输出变量的值达到或超出边界约束条件时，位于输出变量非操作区域时，输出变量权值可以Qi保持在非常大的值，此时控制作用最强，使得输出变量的值能够迅速被拉回至约束条件以内。因此，当测量的输出变量的值位于输出变量非操作区域时，调整输出变量对应的输出变量权值Qi的取值，使其属于第三值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，从而使得在第三值域内，输出变量权值Qi的取值相对与其他两个区域更大。
在第三值域内，输出变量权值的取值可以是预定的恒定值，输出变量权值Qi的变化率Ki＝1，使输出变量权值Qi一直保持在较大的恒定值。
在步骤103中，根据调整输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得多个输入变量的值。
根据上述步骤102中的描述，根据测量的输出变量的值所属于的区域，调整该输出变量对应的输出变量权值之后，利用调整后的输出权值，基于二次目标函数进行优化计算以获得多个输入变量的值，即最优控制输入序列。
在基于二次目标函数进行优化计算的步骤中，优化计算可以是计算使目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。在二次目标函数取得极小值时，获得最优控制输入序列增量值，即当前时刻输入变量增量值，如下公式所述：
ΔuM(k)=(ATQA+R)-1ATQ(w(k)-y~P0(k))]]>
本领域技术人员所知，其中，为未校正的输出变量系统预测值，它是系统的自由响应输出，需要根据误差向量对该值进行修正，以获得最终的输出变量系统预测值A为预测模型中预先设定的参数矩阵。
通过获得当前时刻输入变量增量值，根据当前时刻输入变量增量是当前时刻输入变量与上一时刻输入变量之间的差值，根据上一时刻输入变量的值，进一步可以获得当前输入变量的值。需要注意的是，此处的当前时刻输入变量增量表示的是向量，因此，所获得的用于实施控制的输入变量的值为多个，即最优控制输入序列。
在步骤104中，将优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。将工业设备的可控变量设置为在步骤103中获得的输入变量的值，由于该输入变量的值是在调整输出变量的权值后进行优化计算的结果，因此，可以实现如步骤103中所描述的控制作用。通过动态调整输出变量权值，使得系统的输出变量驻留在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制，并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性。
在另一种实施例中，还可以根据实际的系统约束条件，使优化计算的结果满足输入变量的边界约束条件。通过调整输入变量对应的输入变量的控制权值，进而实现对输入变量的控制作用。
具体来说，可以在进行优化计算以获得多个输入变量的值的步骤中，根据实际系统的要求，通过对当前时刻输入变量增量Δui(k)加以合适的输入变量的控制权值Ri，以在整个控制时域内保持Ri不变，即输入变量的控制权值的线性变化率K′i＝1，从而保证输入变量值驻留在输入变量的边界约束条件内。
图3（a）、（b）分别示出了，本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，调整输入变量的控制权值对输入变量、输出变量的控制作用的示意图。
参考图3（a）所示，当输入变量的控制权值增大时，将加强对输入变量的抑制作用，使对应的输入变量的变化较为平缓。如图3（a）中，输入变量的控制权值Ri为100的曲线与Ri为10的曲线相对比，输入变量的控制权值Ri为100所对应的输入变量随着时间的变化更为平缓。
另外，参考图3（b）所示，当输入变量的控制权值增大时，对输出变量也是具有与输入变量相类似的控制作用。如图3（b）中，输入变量的控制权值Ri为100的曲线与Ri为10的曲线相对比，前者的输入变量所控制的输出变量随着时间的变化较为平缓。
参考图4所示，本发明还提供了一种与本发明控制方法相对应的工业过程的控制设备。
工业过程具有多个输入变量以及随多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，多个输入变量是用于执行工业过程的工业设备的可控变量，多个输出变量是与工业过程的运行结果有关的变量，多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，二次目标函数为以多个输出变量的输出变量权值、多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在安全区域、输出变量警戒区域内，输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于输出变量安全区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于输出变量警戒区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于输出变量非操作区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域。
与上述方法的一种优选的实施例相对应，在另一种优选的实施例中，其中，第一值域的最大值或者小于等于第二值域的最小值，第二值域的最大值或者小于等于第三值域的最小值。
该设备测量单元401、调整单元402、优化计算单元403及控制单元404。
测量单元401测量至少一个输出变量的值。
调整单元402根据测量的该输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，具体调整如下：
若测量的输出变量的值位于输出变量安全区域，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第一值域；若测量的输出变量值位于输出变量警戒区域时，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第二值域；若测量的输出变量值位于输出变量非操作区域时，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第三值域。
与上述方法的一种实施例相对应，在另一种实施例中，在第二值域内，输出变量权值的取值可以随着测量的输出变量值接近第三值域的程度，而单调递增，并且输出变量权值的取值随着测量的输出变量值远离第三值域的程度，而单调递减。
与上述方法的一种实施例相对应，在另一种实施例中，在第三值域内，输出变量权值的取值可以为预定的恒定值。
优化计算单元403根据调整输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得多个输入变量的值。
控制单元404将优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。
在另一种实施例中，二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。
优化计算单元403在基于二次目标函数进行优化计算时，计算使目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。
优化计算单元403在进行优化计算以获得多个输入变量的值时，可以保持输入变量的控制权值不变。
利用上述工业控制设备，通过动态调整输出变量权值，使得系统的输出变量的值驻留在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制，并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性。
至此，已经详细描述了根据本发明的一种工业过程的控制方法和设备。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
另外，本发明实施例设备的构成装置之间的连接关系，仅表示基于本发明的一个信息流向关系示例，不限制为物理连接关系，并且也不一定是实现本发明实施例所必须或仅限的。
可能以许多方式来实现本发明的方法和设备。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 103513618 A (43)申请公布日 2014.01.15 CN 103513618 A (21)申请号 201210202130.4 (22)申请日 2012.06.18 G05B 19/418(2006.01) (71)申请人新奥科技发展有限公司地址 065001 河北省廊坊市开发区广阳道北 (72)发明人甘中学张小辉李金来其他发明人请求不公开姓名 (74)专利代理机构北京德恒律治知识产权代理有限公司 11409 代理人章社杲孙征 (54) 发明名称工业过程的控制方法和设备 (57) 摘要本发明公开了一种工业过程的控制方法和设备，。

2、该方法包括：针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，根据测量的输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，再进行优化计算，获得满足约束条件的输入变量，之后，将优化计算所获得的输入变量的值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。通过动态地调整输出变量权值，使得系统的输出变量能够在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页说明书 9 页附图。

3、 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书3页说明书9页附图2页 (10)申请公布号 CN 103513618 A CN 103513618 A 1/3 页 2 1. 一种工业过程的控制方法，所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，。

4、针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该方法包括：测量所述至少一个输出变量的值；根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值：若所述测量的输出变量。

5、的值位于所述输出变量安全区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域，若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量警戒区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域，若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域；根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值；将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。 2. 根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，所述第一值域的最大。

6、值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。 3. 根据权利要求 2 所述的方法，其特征在于，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。 4. 根据权利要求 2 所述的方法，其特征在于，在所述第二值域内，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。 5. 根据权利要求 2 所述的方法，其特征在于，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平。

7、方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。 6. 根据权利要求 5 所述的方法，其特征在于，在所述基于二次目标函数进行优化计算的步骤中，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。权利要求书 CN 103513618 A 2 2/3 页 3 7. 根据权利要求 2 所述的方法，其特征在于，在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值的步骤中，保持所述输入变量的控制权值不变。 8. 一种工业过程的控制设备，所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业。

8、过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，。

9、对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该设备包括：测量单元，用于测量所述至少一个输出变量的值；调整单元，用于根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值：若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域，若所述测量的输出变量值位于所述输出变量警戒区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域，若所述测量的输出变量值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值。

10、，使其属于所述第三值域；优化计算单元，用于根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值；控制单元，用于将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。 9. 根据权利要求 8 所述的设备，其特征在于，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。 10. 根据权利要求 9 所述的设备，其特征在于，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。 11. 根据权利要求 9 所述的设备，其特征在于，在所述第二值域内，。

11、所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。 12. 根据权利要求 9 所述的设备，其特征在于，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。权利要求书 CN 103513618 A 3 3/3 页 4 13. 根据权利要求 12 所述的设备，其特征在于，在所述基于二次目标函数进行优化计算时，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小。

12、值的当前时刻输入变量增量值。 14. 根据权利要求 9 所述的设备，其特征在于，所述优化计算单元在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值时，保持所述输入变量的控制权值不变。权利要求书 CN 103513618 A 4 1/9 页 5 工业过程的控制方法和设备技术领域 0001 本发明涉及工业过程控制领域 , 尤其涉及一种工业过程的控制方法和设备。背景技术 0002 动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control， DMC）是一种模型预测控制（Model Predictive Control， MPC）方法，该控制方法能有效地处理工业工程中的约束、多变。

13、量、耦合和纯滞后等问题，被广泛应用于石油、化工等工业过程中。DMC 作为一种基于阶跃响应系数模型的有限时域开环最优控制的方法，利用过程阶跃响应系数模型对未来一定时域内的状态或输出进行预测。这些输出为当前时刻和未来一定时域内控制量的函数，即在每个采样时刻，控制器以当前时刻的系统状态作为初始状态，通过极小化未来的输出与参考轨迹之差计算控制作用，从而优化产生一个当前时刻的最优控制输入序列以实施工业过程控制。在预定间隔后的下一个时刻，重新测量数据，并再进行优化计算获得新的控制作用，以实施工业过程控制。 0003 以上DMC控制方法是一种无约束DMC控制方法，其主要。

14、优点是，能够有效地处理多变量、耦合以及纯滞后等控制问题，计算复杂度与控制器控制时域呈正比，因而，求解速度快、计算复杂度低。然而，无约束 DMC 控制方法没有考虑输入或输出变量的边界约束条件，例如，阀门最大开度的限制，输出安全范围的限制等。因此，这类方法无法保障最优控制输入序列的可行性。 0004 针对无约束 DMC 控制方法的缺陷，具有约束条件的 QDMC（Quadratic Dynamic Matrix Control， QDMC）控制方法被提出。QDMC 控制方法克服无约束缺陷的同时，也存在过程复杂的问题。由于其计算复杂度与控制器控制时域的立方成正比，。

15、优化求解器难以在 MPC 实施周期内计算出最优控制输入序列，可行性差，导致其优化求解复杂度高、计算速度慢。针对现有 QDMC 的高计算复杂度问题，虽然也有一些针对求解二次规划问题的快速算法被提出，这类快速算法在一定程度上缩短了优化求解时间，并未从根本上降低问题求解复杂度。发明内容 0005 本发明实施例所要解决的技术问题是：提供一种工业控制的方法和设备，基于无约束 DMC 控制方法，同时满足边界约束条件的要求，从而获得快速的求解及最优控制输入序列的可行性。 0006 为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种工业过程的控制方法， 0。

16、007 所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、说明书 CN 103513618 A 5 2/9 页 6 所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数， 0008 针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约。

17、束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该方法包括： 0009 测量所述至少一个输出变量的值； 0010 根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值： 0011 若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调 0012 整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域， 0013 若所述。

18、测量的输出变量的值位于所述输出变量警戒区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域， 0014 若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域； 0015 根据调整所述输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得所述多个输入变量的值； 0016 将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。 0017 在另一种实施例中，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。 00。

19、18 在另一种实施例中，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。 0019 在另一种实施例中，在所述第二值域内，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值域的程度，而单调递减。 0020 在另一种实施例中，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。 0021 在另一种实施例中，在所述基于二次目标函数进行优化计算的步骤中，所述优化计算是计。

20、算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。 0022 在另一种实施例中，在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值的步骤中，保持所述输入变量的控制权值不变。 0023 根据本发明的另一个方面，本发明实施例还提供了一种工业过程的控制设备， 0024 所述工业过程具有多个输入变量以及随所述多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，所述多个输入变量是用于执行所述工业过程的工业设备的可控变量，所述多个输出变量是与所述工业过程的运行结果有关的变量，所述多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，所述二次目标函数为以所述多个输出变量的输出变量权值、说明书 CN 。

21、103513618 A 6 3/9 页 7 所述多个输入变量的控制权值为系数的二次函数， 0025 针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在所述安全区域、输出变量警戒区域内，所述输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于所述输出变量安全区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于所述输出变量警戒区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于所述输出变量非操作区域，设定所述输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域，该设备包括： 0026 测量单元，用于测量所述至少一。

22、个输出变量的值； 0027 调整单元，用于根据所述测量的输出变量的值所属于的区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值： 0028 若所述测量的输出变量的值位于所述输出变量安全区域，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第一值域， 0029 若所述测量的输出变量值位于所述输出变量警戒区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第二值域， 0030 若所述测量的输出变量值位于所述输出变量非操作区域时，调整所述输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于所述第三值域； 0031 优化计算单元，用于根据调整所述输出权值后的二次目标函数，。

23、进行优化计算以获得所述多个输入变量的值； 0032 控制单元，用于将所述优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对所述工业设备的可控变量实施控制。 0033 在另一种实施例中，所述第一值域的最大值小于或者等于所述第二值域的最小值，所述第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值。 0034 在另一种实施例中，在所述第三值域内，所述输出变量权值的取值为预定的恒定值。 0035 在另一种实施例中，在所述第二值域内，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值接近所述第三值域的程度，而单调递增，所述输出变量权值的取值随着所述测量的输出变量值远离所述第三值。

24、域的程度，而单调递减。 0036 在另一种实施例中，所述二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。 0037 在另一种实施例中，在所述基于二次目标函数进行优化计算时，所述优化计算是计算使所述目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。 0038 在另一种实施例中，所述优化计算单元在进行优化计算以获得所述多个输入变量的值时，保持所述输入变量的控制权值不变。 0039 基于本发明上述实施例提供的工业控制方法及设备，针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出。

25、变量警戒区域及输出变量非操作区域，根据测量的输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，从而实现基于无约束 DMC 的动态加权调整。通过动态调整输出变量权值，使得系统的输出变量的值驻留在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制并且满足约束条件的工业过程控制，即获得说明书 CN 103513618 A 7 4/9 页 8 了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性，从根本上降低了问题求解复杂度。附图说明 0040 通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。 0041 构成说明书。

26、的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。 0042 参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中： 0043 图 1 示出了本发明所提供的工业过程的控制方法实施例的流程示意图 ; 0044 图 2 示出了本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，根据输出变量的值所属的区域调整输出变量权值的示意图 ; 0045 图 3（a）、（b）分别示出了本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，调整输入变量的控制权值对输入变量、输出变量的控制作用的示意图 ; 以及 0046 图 4 示出了本发明所提供的工业过程的控制设备实施例的结。

27、构示意图。具体实施方式 0047 现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。 0048 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。 0049 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。 0050 在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以。

28、具有不同的值。 0051 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。 0052 以下各实施例所描述的工业过程，具有多个输入变量以及随多个输入变量的改变而变化的多个输出变量。多个输入变量是用于执行工业过程的工业设备的可控变量，多个输出变量是与工业过程的运行结果有关的变量。多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，二次目标函数为以多个输出变量的输出变量权值、多个输入变量的控制权值为系数的二次函数。 0053 参考图 1 所示，该图是本发明工业过程的控制方法一种实施例的。

29、流程示意图，下面详细介绍本发明工业过程的控制方法实施例的步骤。 0054 在使用二次目标函数进行优化计算时，根据不同的系统，可以有不同的二次目标函数。二次目标函数可以是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。每一次工业过程控制所需要的输入变量的值，都利用该二次目标函数优化计算而获得，说明书 CN 103513618 A 8 5/9 页 9 例如，二次目标函数可表示为： 0055 0056 其中，为输出变量参考轨迹值，为输出变量系统预测值，为当前时刻输入变量增量， p。

30、 + 为系统输出变量的个数， m + 为系统输入变量的个数， P + 为预测时域长度， M + 为控制时域长度。为输出变量权值，表示为输出变量加权矩阵的形式。为输入变量的控制权值，表示为输入变量加权矩阵的形式。 0057 对于实际的工业生产过程，通常，每一个输出变量存在一定边界约束条件，因此，为使所获得的优化计算结果可用于实际的工业过程控制，输出变量的值需要满足这些预定的边界约束条件。根据边界约束条件，可以设定以下不同的区域。 0058 针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域。 0059 参见图 2 所示，该图为本发明所。

31、提供的工业过程的控制方法实施例中，根据输出变量的值所属的区域调整输出变量权值的示意图。图 2 中示出了输出变量的值对应的不同区域：输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域。 0060 在输出变量安全区域、输出变量警戒区域内，输出变量的值满足输出变量的操作边界约束条件，为具有操作的可行性的区域，而当输出变量的值超出了输出变量警戒区域，则属于输出变量非操作区域。 0061 实际上，对于具有上、下限边界约束条件的输出变量来说，还可以更细地划分，例如，将输出变量警戒区域内划分为输出变量上限警戒区域、输出变量下限警戒区域，将输出变量非操作区域划分为。

32、输出变量上限非操作区域、输出变量非操作下限区域。 0062 根据输出变量的不同区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围。输出变量权值的取值范围的设定原理，将在步骤 103 的说明中进行详细说明，具体的设置可以如下： 0063 对应于输出变量安全区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域； 0064 对应于输出变量警戒区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域； 0065 对应于输出变量非操作区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域。 0066 作为一种优选的实施方式，其中，第一值域的最大值小于或者等于第二值域的。

33、最小值，第二值域的最大值小于或者等于第三值域的最小值。本领域技术人员应该知道，三个值域的大小可以设置为不同，例如，还可以是第一值域的最小值大于或者等于第二值域的最大值，第二值域的最小值大于或者等于第三值域的最大值。 0067 在步骤 101 中，测量该至少一个输出变量的值。 0068 在步骤 102 中，根据测量的该输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，具体调整如下： 0069 若测量的输出变量的值位于输出变量安全区域，调整输出变量对应的输出变量权说明书 CN 103513618 A 9 6/9 页 10 值的取值，使其属于第一值域。

34、； 0070 若测量的输出变量的值位于输出变量警戒区域，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第二值域， 0071 若测量的输出变量的值位于输出变量非操作区域时，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第三值域。 0072 通过以上对输出变量权值的调整，可以改变对输出变量的控制性能：对于响应过程变化慢的输出变量，可以增大该输出变量的权值，以增强该输出变量跟踪误差的权重，从而加快该输出变量的响应速度。 0073 具体来说，对于输出变量 yi，当测量的输出变量的值属于输出变量安全区域内，此时该输出变量的值距离边界约束条件还有一定距离，该输出变量对。

35、应的输出变量权重 Qi的取值可以取较小值，控制作用较弱。具体可以表现为输出变量权值 Qi的变化率 Ki kSZ， SZ 表示 Safe-zone,kSZ可以取较小值，输出变量权值 Qi的变化缓和。因此，当测量的输出变量的值位于输出变量安全区域，调整输出变量对应的输出变量权值 Qi的取值，使其属于第一值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，从而使得在第一值域内，输出变量权值 Qi的取值相对于其他区域更小。 0074 当测量的输出变量的值超出输出变量安全区域，位于靠近边界约束条件的输出变量警戒区域。

36、时，此时，应该使输出变量权值 Qi值急剧增大，以加强对输出变量的控制作用。可以表现为输出变量权值 Qi的变化率 Ki kAZ， AZ 表示 Alarming-Zone， kAZ取值大，输出变量权值 Qi快速变化，使得输出变量的值难以到达边界约束条件。因此，当测量的输出变量的值位于输出变量警戒区域，调整输出变量对应的输出变量权值 Qi的取值，使其属于第二值域。第一值域的最大值小于或者等于第二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，从而使得在第二值域内，输出变量权值 Qi的取值是大于第一值域，并且小于第三值域中的取值。 0075。

37、在第二值域内，可以调整输出变量权值 Qi的取值随着测量的输出变量值接近第三值域的程度，而单调递增，以及随着测量的输出变量值远离第三值域的程度，而单调递减，如图 2 中的输出变量警戒区域所示，从而使输出变量权值 Qi变化更为连续。 0076 当测量的输出变量的值达到或超出边界约束条件时，位于输出变量非操作区域时，输出变量权值可以 Qi保持在非常大的值，此时控制作用最强，使得输出变量的值能够迅速被拉回至约束条件以内。因此，当测量的输出变量的值位于输出变量非操作区域时，调整输出变量对应的输出变量权值 Qi的取值，使其属于第三值域。第一值域的最大值小于或者等于第。

38、二值域的最小值，又有，第二值域的最大值小于或者等于所述第三值域的最小值，从而使得在第三值域内，输出变量权值 Qi的取值相对与其他两个区域更大。 0077 在第三值域内，输出变量权值的取值可以是预定的恒定值，输出变量权值 Qi的变化率 Ki 1，使输出变量权值 Qi一直保持在较大的恒定值。 0078 在步骤 103 中，根据调整输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得多个输入变量的值。 0079 根据上述步骤 102 中的描述，根据测量的输出变量的值所属于的区域，调整该输出变量对应的输出变量权值之后，利用调整后的输出权值，基于二次目标函数进行优化计说明。

39、书 CN 103513618 A 10 7/9 页 11 算以获得多个输入变量的值，即最优控制输入序列。 0080 在基于二次目标函数进行优化计算的步骤中，优化计算可以是计算使目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。在二次目标函数取得极小值时，获得最优控制输入序列增量值，即当前时刻输入变量增量值，如下公式所述： 0081 0082 本领域技术人员所知，其中，为未校正的输出变量系统预测值，它是系统的自由响应输出，需要根据误差向量对该值进行修正，以获得最终的输出变量系统预测值 A 为预测模型中预先设定的参数矩阵。 0083 通过获得当前时刻输入变量增量值，根据当前时。

40、刻输入变量增量是当前时刻输入变量与上一时刻输入变量之间的差值，根据上一时刻输入变量的值，进一步可以获得当前输入变量的值。需要注意的是，此处的当前时刻输入变量增量表示的是向量，因此，所获得的用于实施控制的输入变量的值为多个，即最优控制输入序列。 0084 在步骤 104 中，将优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。将工业设备的可控变量设置为在步骤 103 中获得的输入变量的值，由于该输入变量的值是在调整输出变量的权值后进行优化计算的结果，因此，可以实现如步骤 103 中所描述的控制作用。通过动态调整输出变量权值，使得系统的。

41、输出变量驻留在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制，并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性。 0085 在另一种实施例中，还可以根据实际的系统约束条件，使优化计算的结果满足输入变量的边界约束条件。通过调整输入变量对应的输入变量的控制权值，进而实现对输入变量的控制作用。 0086 具体来说，可以在进行优化计算以获得多个输入变量的值的步骤中，根据实际系统的要求，通过对当前时刻输入变量增量 ui(k) 加以合适的输入变量的控制权值 Ri，以在整个控制时域内保持 Ri不变，即输入变量的控制权值的线。

42、性变化率 K i 1，从而保证输入变量值驻留在输入变量的边界约束条件内。 0087 图 3（a）、（b）分别示出了，本发明所提供的工业过程的控制方法实施例中，调整输入变量的控制权值对输入变量、输出变量的控制作用的示意图。 0088 参考图 3 （a）所示，当输入变量的控制权值增大时，将加强对输入变量的抑制作用，使对应的输入变量的变化较为平缓。如图 3（a）中，输入变量的控制权值 Ri为 100 的曲线与 Ri为 10 的曲线相对比，输入变量的控制权值 Ri为 100 所对应的输入变量随着时间的变化更为平缓。 0089 另外，参考图 3（b）所示，当输入变。

43、量的控制权值增大时，对输出变量也是具有与输入变量相类似的控制作用。如图 3（b）中，输入变量的控制权值 Ri为 100 的曲线与 Ri为 10 的曲线相对比，前者的输入变量所控制的输出变量随着时间的变化较为平缓。 0090 参考图 4 所示，本发明还提供了一种与本发明控制方法相对应的工业过程的控制设备。 0091 工业过程具有多个输入变量以及随多个输入变量的改变而变化的多个输出变量，多个输入变量是用于执行工业过程的工业设备的可控变量，多个输出变量是与工业过程的运行结果有关的变量，多个输入变量的值是基于二次目标函数进行优化计算所获得，二次说明书 CN 1035136。

44、18 A 11 8/9 页 12 目标函数为以多个输出变量的输出变量权值、多个输入变量的控制权值为系数的二次函数，针对至少一个输出变量，设置输出变量安全区域、输出变量警戒区域及输出变量非操作区域，在安全区域、输出变量警戒区域内，输出变量满足输出操作约束限制条件，对应于输出变量安全区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第一值域，对应于输出变量警戒区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第二值域，对应于输出变量非操作区域，设定输出变量对应的输出变量权值的取值范围为第三值域。 0092 与上述方法的一种优选的实施例相对应，在另一种优选的实施例中。

45、，其中，第一值域的最大值或者小于等于第二值域的最小值，第二值域的最大值或者小于等于第三值域的最小值。 0093 该设备测量单元 401、调整单元 402、优化计算单元 403 及控制单元 404。 0094 测量单元 401 测量至少一个输出变量的值。 0095 调整单元 402 根据测量的该输出变量的值所属于的区域，调整输出变量对应的输出变量权值，具体调整如下： 0096 若测量的输出变量的值位于输出变量安全区域，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第一值域；若测量的输出变量值位于输出变量警戒区域时，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属。

46、于第二值域；若测量的输出变量值位于输出变量非操作区域时，调整输出变量对应的输出变量权值的取值，使其属于第三值域。 0097 与上述方法的一种实施例相对应，在另一种实施例中，在第二值域内，输出变量权值的取值可以随着测量的输出变量值接近第三值域的程度，而单调递增，并且输出变量权值的取值随着测量的输出变量值远离第三值域的程度，而单调递减。 0098 与上述方法的一种实施例相对应，在另一种实施例中，在第三值域内，输出变量权值的取值可以为预定的恒定值。 0099 优化计算单元 403 根据调整输出权值后的二次目标函数，进行优化计算以获得多个输入变量的值。 0100 。

47、控制单元 404 将优化计算所获得的多个输入变量的值传到基础控制回路对工业设备的可控变量实施控制。 0101 在另一种实施例中，二次目标函数是以输出变量权值为系数乘以输出变量参考轨迹值与输出变量系统预测值之差的平方，加上以输入变量的控制权值为系数乘以当前时刻输入变量增量的平方。 0102 优化计算单元 403 在基于二次目标函数进行优化计算时，计算使目标函数取得极小值的当前时刻输入变量增量值。 0103 优化计算单元 403 在进行优化计算以获得多个输入变量的值时，可以保持输入变量的控制权值不变。 0104 利用上述工业控制设备，通过动态调整输出变量权值，使得系统的输出变。

48、量的值驻留在输出变量边界约束条件内，从而实现了基于无约束动态矩阵控制，并且满足约束条件的工业过程控制，即获得了快速的求解，同时又满足了最优控制输入序列的可行性。 0105 至此，已经详细描述了根据本发明的一种工业过程的控制方法和设备。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。说明书 CN 103513618 A 12 9/9 页 13 0106 另外，本发明实施例设备的构成装置之间的连接关系，仅表示基于本发明的一个信息流向关系示例，不限制为物理连接关系，并且也不一定是实现。

49、本发明实施例所必须或仅限的。 0107 可能以许多方式来实现本发明的方法和设备。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。 0108 虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上。

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