Способ включения независимого управления с прогнозированием в плюривариантном прогнозируемом контроллере

 

Изобретение относится к способу управления технологическим процессом. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. В способе определяют для каждой управляемой переменной воронку управления с прогнозированием и воронку управления с обратной связью, устанавливают точное время, в течение которого должно быть аннулировано возмущение, и время, в течение которого управляемая переменная будет достигать значения установившегося состояния. Выбирают более короткую воронку управления с прогнозированием и более короткую воронку управления с обратной связью. Образуют независимые параметры настройки для решения управления с прогнозированием и решения управления с обратной связью. Рассчитывают новые значения управляющих переменных и с их помощью управляют технологическим процессом. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к системам управления, а в более узком смысле - к способу включения независимого управления с прогнозированием в плюривариантный прогнозируемый контроллер.

В современных системах управления, которые включают в себя управление с прогнозированием, классический метод обработки управления с прогнозированием сводится к включению двух контроллеров - контроллера с обратной связью (FB) и контроллер с прогнозированием (FF), причем каждый из контроллеров имеет свое собственное множество параметров настройки. В некоторых имеющихся в настоящее время системах используется одиночный контроллер с обратной связью и ошибки контура обратной связи объединяются с ошибками возмущения контура с прогнозированием. Одиночное корректирующее решение выдается контроллером FB, выходные сигналы которого стремятся устранить ошибку обратной связи и эффекты возмущения прогнозирования. Одиночный контроллер с обратной связью имеет одиночное множество параметров настройки, благодаря чему ограничивается скорость, с которой можно аннулировать эффекты возмущения. Если скорость функционирования контроллера повышается с целью увеличения скорости, с которой происходит устранение возмущения, то в этом случае уменьшается предел стабильности контроллера с обратной связью. Скорость управления с прогнозированием можно "проталкивать" значительно быстрее, чем скорость контроллера с обратной связью, поскольку контроллер с прогнозированием является управлением без обратной связи, т.е. управлению без обратной связи свойственна большая стабильность в работе в течение всего периода времени, пока будут стабильны модели прогнозирования, тогда как управление с обратной связью становится нестабильным, если скорость управления будет слишком высокой. Если управление с прогнозированием предназначено для работы в более быстром режиме, то вообще исключается возможность работы в стабильных условиях. Если пользователь настраивает контроллер с обратной связью на более быструю работу, то необходимо проявить особую осторожность, чтобы контроллер с обратной связью не был введен в режим нестабильной работы. Следовательно, существует желание и необходимость иметь независимые параметры настройки для контроллеров с обратной связью и с прогнозированием. Плюривариантный прогнозируемый контроллер, использующий два алгоритма управления, чтобы иметь возможность выполнить управление с обратной связью и с прогнозированием в каком-то одиночном контроллере, затрачивает на это слишком много времени центрального процессора. Следовательно, существует необходимость в создании плюривариантного прогнозируемого контроллера, в котором контроллер с обратной связью объединял бы действие прогнозирования с действием обратной связи и имел бы индивидуальную независимую настройку, а также одно множество параметров настройки для управления с обратной связью и одно множество параметров настройки для управления с прогнозированием.

Настоящее изобретение положительно решает эту проблему за счет включения независимого управления с прогнозированием в контроллер с обратной связью плюривариантного прогнозируемого контроллера.

Сущность изобретения Настоящее изобретение предусматривает создание способа включения независимого управления с прогнозированием в плюривариантный прогнозируемый контроллер. Система управления технологическим процессом включает контроллер с обратной связью, а также включает по меньшей мере одну манипулируемую переменную (mv) и по меньшей мере одну управляемую переменную (cv). Эта система управления технологическим процессом также включает в себя контур с прогнозированием, однако эта система управления технологическим процессом подвержена возмущению. Способ по настоящему изобретению включает в контроллер с обратной связью независимое управление с прогнозированием и содержит этапы определения воронки управления с прогнозированием для каждой управляемой переменной и воронки управления с обратной связью для каждой cv. Воронка управления с прогнозированием точно устанавливает первое время Т_FF, в течение которого необходимо будет подавить возмущение, и второе время Т_FB, в течение которого управляемая переменная должна достигать значения устойчивого состояния в ответ на изменение входного сигнала. Для каждой cv выбирается более короткая воронка управления с прогнозированием и воронка управления с обратной связью. Если первое время Т_FF будет меньше второго времени Т_FB, тогда скорость управления с обратной связью компенсируется, чтобы исключить повышение скорости работы контроллера с обратной связью. Если Т_FF будет больше или равно Т_FB, то никакой компенсации не происходит, благодаря чему эффективным образом происходит образование независимых параметров настройки для решения управления с прогнозированием и решения управления с обратной связью. Новые значения управляемых переменных рассчитываются в соответствии с процедурой управления контроллера с обратной связью, а сам технологический процесс управляется в соответствии с вновь рассчитанным решением.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание способа включения управления с прогнозированием в контроллер.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа включения независимого управления с прогнозированием в контроллер.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа включения независимого управления с прогнозированием в плюривариантный прогнозируемый контроллер.

Эти и прочие цели настоящего изобретения станут более очевидными из следующего ниже описания с приложенными к нему чертежами.

Краткое описание чертежей Фиг.1 изображает функциональную блок-схему системы управления технологическим процессом, в которой можно использовать настоящее изобретение.

Фиг. 2 изображает кривую отклика переменной технологического процесса на изменение в заданном значении.

Фиг. 3, состоящая из фиг.3А и фиг.3В, изображает образцовую воронку управления с обратной связью и образцовую воронку управления с прогнозированием соответственно.

Фиг. 4 изображает функциональную блок-схему предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения Прежде чем описывать способ по настоящему изобретению, было бы полезно дать ясное представление об окружении системы, в котором используется настоящее изобретение.

На фиг.1 показана функциональная блок-схема системы управления технологическим процессом, в которой можно будет использовать настоящее изобретение. Контроллер 10 имеет многократные выводы, которые спариваются в виде входных переменных и для процесса 20. Процесс 20 может включать, например, множество элементов, которые могут управляться, например клапаны, нагреватели,.... Переменные у технологического процесса 20 включают в себя температуру, давление, уровень, поток, . .., которые управляют качеством продукта. Входные переменные (или манипулируемые переменные) определяются следующим образом , а выходные переменные (или управляемые переменные) cv определяются следующим образом .

Следовательно, процесс 20 является динамическим процессом P(S), имеющим m манипулируемых переменных и n управляемых переменных. Управляемые переменные (cv) включают n₁ регулируемых cv, n₂ связанных cv и n₃ оптимизированных cv. В общем n≥m≥n₁.

По настоящему изобретению спецификация управления r (в уже известных системах это называют заданным значением) определяется следующим образом Для отрегулированной cv_i нижняя граница равна верхней границе Для связанной cv_j, верхняя граница будет больше нижней границы, или в данном случае существует либо только нижняя граница, либо только верхняя граница. И, наконец, для оптимизированной cv вообще не существует границ.

Функция управления по диапазону контроллера 10 формулируется с целью обработки трех случаев, идентичных описанным выше, в соответствии с .

Допускаем: и .

W - взвешивающая матрица пользователя;
А - матрица динамической модели (с коэффициентами а_ij), которая связывает динамику процесса вывода с вводом;
y (оптимальная траектория ответной реакции) - переменные диапазона (удлинение заданного значения);
х (решение по управлению) - манипулируемая переменная Δu (т.е. Δu = u_CURRENT-u_LAST) в зависимости от области практического применения;
(переменная технологического процесса) - диапазон, который желательно иметь при осуществлении процесса;
- фактические пределы диапазона, которые желательно иметь при осуществлении процесса.

Более детальное описание плюривариантного прогнозируемого контроллера (МРС) можно найти в патенте США 5351184, опубликованном 27 сентября 1994, "Способ плюривариантного прогнозируемого управления с использованием управления по диапазону", принадлежащем настоящему заявителю и включенном в настоящее описание в качестве ссылки.

Ниже более подробно описано настоящее изобретение. По предпочтительному варианту настоящего изобретения управление с прогнозированием включено в систему управления технологическим процессом, которая использует контроллер с обратной связью. Является нежелательным использовать две (2) процедуры управления по диапазону (эти процедуры здесь также называют алгоритмом управления по диапазону (RCA)) контроллера 10, который детально описан в уже упоминавшемся патенте США 5351184, только по той причине, что в данном случае удвоится время пользования центрального процессора. Предпочтительный вариант настоящего изобретения использует тот же RCA и использует тот же одиночный контроллер 10, но с достижением эффекта использования двух различных самостоятельных контроллеров.

На фиг.2 показана кривая отклика переменной процесса -pv (которую также называют управляемой переменной cv ) на изменение в заданном значении sp. Воронка определяется как имеющая точки для верхних границ воронки (верхняя граница воронки FUNNEL-H1) и имеющая точки для нижних границ воронки (нижние границы воронки -FUNNEL-LO), чтобы переменная технологического процесса достигала желаемого значения (значения установившегося состояния) в течение времени Т₁. Воронка будет определять границы для кривой отклика. Показанная на фиг.2 кривая изображает диапазон δ, поскольку плюривариантный прогнозирующий контроллер по предпочтительному варианту настоящего изобретения использует управление по диапазону, о чем подробно описано в уже упоминавшемся патенте; однако для всех специалистов в данной области совершенно ясно, что для настоящего изобретения не требуется управление по диапазону.

В ходе реализации настоящего изобретения определяются две (2) воронки - воронка управления с обратной связью и воронка управления с прогнозированием. За счет определения двух воронок пользователь можно точно установить время, в течение которого будет желательно устранить эффекты возмущения, и пользователь может также точно установить какое-то иное время, в течение которого будет желательно, чтобы cv достигало своего операционного (устойчивого состояния) значения в ответ на изменение заданного значения.

Определенные таким образом воронки показаны на фиг.3, состоящей из фиг. 3А и 3В. Фиг.3А изображает образцовую воронку управления с обратной связью (FB), в которой cv достигает своего операционного значения в момент 0,8 (или 80%) время срабатывания открытого контура системы. Теперь определяем отношение рабочей характеристики cv, где

В данном примере значение 0,8 будет устанавливать сам пользователь. Воронку управления с прогнозированием также специфицирует сам пользователь, который определяет отношение рабочей характеристики прогнозирования (FF) к обратной связи (FB). В показанном на фиг.3В примере установленное отношение рабочей характеристики FF/FB в 0,5 означает, что возмущение прогнозирования отклоняется в пределах 40% времени срабатывания открытого контура, т.е. для приведенного выше примера отношение рабочей характеристики cv выбрана на фиг.3А равным 0,8.

В контроллер 10 вводятся характеристики воронок, которые включают в себя время, когда должны быть уничтожены эффекты возмущения Т_FF, и время, когда достигается операционное значение переменной технологического процесса Т_FB: чем короче время, тем "короче воронка". Контроллер 10 по предпочтительному варианту настоящего изобретения использует более короткую из двух воронок. В этом случае будет удовлетворяться запрос пользователя на отклонение и аннулирование эффекта возмущения. (В данном примере более короткой воронкой будет воронка управления FF). Однако современные контроллеры не будут удовлетворять запросу пользователя в плане удовлетворения времени срабатывания cv при отслеживании заданного значения.

Чтобы удовлетворить эти два требования относительно времени, т.е. чтобы иметь независимые параметры настройки, система управления технологическим процессом модифицирована так, как это показано на фиг.4, т.е. на предпочтительном варианте настоящего изобретения. Алгоритм RCA контроллера 10 модифицируется так, чтобы использовать для каждой cv более короткую из двух воронок. Следовательно, выбирается более высокая скорость срабатывания контроллера. Далее, система модифицируется так, чтобы она включала диагональный фильтр 30, имеющий фильтр F_i, где i = количеству cvs. Фильтры, один для каждой cv, компенсируют скорость срабатывания контроллера с обратной связью 10 точно так, как если бы вообще не было ускорения, за счет алгоритма управления по диапазону. Фильтры имеют следующую форму

где для отношения FF/FB<1
,
T_S - время взятия выборки,
Для отношения FF/FB≥1
τ_i= 0.
Возмущение связано с моделью FF 50 (способом, который хорошо известен специалистам в данной области), а выходной сигнал добавляется к выходному сигналу фильтра для каждой cv, а полученная сумма вводится в контроллер 10. Включен процесс FF 50, который обнаруживает эффект возмущения на технологический процесс, а следовательно и влияние на cv. Тем самым выходной сигнал процесса FF 50 добавляется к выходной cv процесса 20, а следовательно выдает результирующий эффект относительно cvs способом, который хорошо известен специалистам в данной области. Следовательно, выше была описана система управления технологическим процессом, которая включает в себя способ включения независимого управления с прогнозированием в плюривариантный прогнозируемый контроллер.

Хотя выше был описан и проиллюстрирован предпочтительный вариант настоящего изобретения, однако следует иметь в виду, что в него можно внести многочисленные изменения и модификации без отхода от сущности и объема изобретения. Следовательно, фактически все пункты формулы изобретения для охвата таких изменений и модификаций будут находиться в пределах истинного объема изобретения.

Формула изобретения

1. Способ включения независимого управления с прогнозированием в контроллере с обратной связью, входящем в систему управления процессом, имеющую, по меньшей мере, одну манипулируемую переменную (mv) и, по меньшей мере, одну управляемую переменную (cv) и дополнительно включающую в себя контур прогнозирования, причем систему управления процессом подвергают возмущению, согласно которому
а) определяют воронку управления с прогнозированием для каждой управляемой переменной и воронку управления с обратной связью для каждой cv, при этом воронкой управления с прогнозированием точно устанавливают первое время Т_FF, в течение которого должно быть устранено возмущение, и второе время Т_FB, в течение которого управляемая переменная будет достигать значения установившегося состояния в ответ на изменение входного сигнала, б) выбирают более короткую из воронки управления с прогнозированием и воронки управления с обратной связью для каждой cv, и в) если первое время Т_FF будет меньше второго времени Т_FB, то компенсируют скорость управления с обратной связью так, как если бы скорость контроллера с обратной связью вообще не повышалась, иначе, если первое время Т_FF≥Т_FB, тогда обеспечивают эффективное образование независимых параметров настройки, г) вычисляют новые значения управляемой переменной в соответствии с процедурой контроллера, чтобы генерировать решение, и д) управляют процессом в соответствии с этим решением, а само решение также включает в себя устранение возмущения в течение установленного времени.

2. Способ включения независимого управления с прогнозированием по п. 1, отличающийся тем, что система управления процессом является системой управления технологическим процессом, представленной плюривариантным прогнозируемым контроллером.

3. Способ включения независимого управления с прогнозированием по п. 2, отличающийся тем, что процедурой контроллера с обратной связью является процедура управления по диапазону.

4. Способ включения независимого управления с прогнозированием по п. 3, отличающийся тем, что при компенсировании скорости управления фильтруют каждую управляемую переменную cv в соответствии с выражением

где i - индекс cv,
а для отношения прогнозирование/обратная связь <1

где Ts - время взятия выборки;
OLRT - время срабатывания открытого контура,
и для отношения прогнозирование/обратная связь >1 τ_i = 0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4