用于协调
操作区的利用以实现生产目标的方法和装置
背景技术：
1.本公开一般涉及生产
过程控制，更具体涉及通过协调生产过程中使用的
变量的目标设置以实现期望生产目标来改进生产过程的控制。
2.通常，存在对于用于生产具有各种特性的产品的过程很重要的多个输入变量以及过程输出变量，诸如生产的吞吐量。例如，造纸机可能包括输入变量，诸如不同精制纤维、化学添加剂、染料、水、蒸汽、电、各种流、压力、温度和速度设置，以生产具有诸如基重、水分、厚度、强度、颜和其他特性之类不同输出变量的纸张。过程的这些输入变量和输出变量之间的关系具有复杂性。即使是经验丰富且技术娴熟的操作员也无法始终为输入变量和输出变量到正确设置来生产满足各种生产目标的产品，诸如最大限度地提高生产吞吐量，同时最大限度地减少纤维、化学品和能源的使用，并且实现产品所需的质量规格。
3.先进的过程控制(诸如多变量模型预测控制(mpc))已经范围在广泛的行业中得到应用，以在生产产品的同时获得更好的产品质量和更稳定的操作。然而，在高级过程控制下使用的变量的目标仍可能由人类操作员基于他们的经验和技能来确定。因此，优选的可变目标很难通过人类操作员建立的目标设置来实现。因此，需要协调高级控制方案中使用的变量的目标设置，以通过有效利用变量的操作区来遵循过程的经济目标和/或使之最大。本公开旨在实现这些目的等的系统、方法和装置。
技术实现要素：
4.根据本公开，提供了一种用于生产过程以协调过程变量的目标设置并且自动执行目标设置以使生产目标最大而无需人工干预的系统、方法和装置。因此，可以节省各种输入变量，诸如原材料、资源和能源消耗，同时实现提供期望产品规格的输出变量。另外，还可以在生产过程中采用较为便宜的材料和资源，同时改进操作并且减少人力和误差。根据本公开，还提供了一种计算机控制系统，该计算机控制系统可操作以执行上述操作。
5.提供该发明内容是为了介绍以下在说明性实施例中进一步描述的概念的选择。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作极限所要求保护的主题范围的帮助。其他实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将根据以下描述和附图中变得显而易见。
附图说明
6.本发明的特征、方面和优点将关于以下描述、所附权利要求和附图得到更好的理解，其中
7.图1示出了利用操作区协调器连同用于生产过程的控制器的示例性系统的示意图；
8.图2示出了具有上限和下限、相关容差、操作区以及过程变量与过程变量的当前目标和未来目标之间的关系的示例性过程变量的图表；以及
9.图3是操作区协调器用于协调生产过程变量的目标设置的过程的流程图。
具体实施方式
10.为了促进对本发明的原理的理解，现在，参考附图中所示的实施例，并且使用特定语言对其进行描述。然而，应当理解，本发明的范围并不旨在限制本发明的范围，并且本文中设想了如本发明所属领域的技术人员通常会想到的对所示实施例的任意变更和其他修改以及如其中所示的本发明原理的任意其他应用。
11.对于任意生产过程10，如图1所示，可以标识输入变量u集合和输出变量y集合。图1还包括计算机控制系统20，该计算机控制系统20从过程10接收输出变量y并且为过程10创建输入变量u。计算机控制系统20可以包括但不限于操作区协调器12和可以利用过程10的内部响应模型16的过程控制器14。计算机控制系统20连接到具有一个或多个机器的过程10，该一个或多个机器可操作以使用由操作区协调器12建立的目标设置来生产产品，该操作区协调器12利用根据本公开的输入变量u和输出变量y的操作区。
12.过程控制器14包括一个或多个控制器和/或一个或多个计算机。计算机控制系统20还可以包括用于执行与生产过程和/或过程控制器14相关联的离线任务的一个或多个其他计算机。计算机控制系统20的至少一个计算机可以访问用户接口设备(ui)18包括一个或多个显示设备，诸如监视器(具有或没有触摸屏)或手持设备(诸如智能手机、平板电脑、膝上型计算机或用于显示图形的其他设备手机)以及一个或多个输入设备(诸如键盘、鼠标、轨迹球、操纵杆、手持设备和/或声控设备)。
13.图1中的过程输入变量u在本文中也被标识为一个或多个操纵变量(mv)。图1中的过程输出变量y在本文中也被标识为一个或多个受控变量(cv)。输入变量mv可以以许多不同方式影响输出变量cv。mv通常还表现出对cv的静态影响和动态影响，并且这些静态影响和动态影响可以被标识为在过程控制器14中使用的响应模型16。响应模型16可以以许多不同的数学表示(诸如传递函数、状态空间方程、神经网络和其他数学函数)来实现。
14.无论使用哪种响应模型表示，生产过程的目标通常被设置为利用最少量的输入材料、资源和时间，以最有效的方式生产具有期望质量的最大量的产品。这些生产目标对于许多生产过程而言通用。
15.对于任意给定生产过程，即使实现如上
所述的生产目标是主要优先事项，生产过程也可能受到其物理极限的约束。例如，过程的输入变量mv通常具有介于上限与下限之间的物理范围，以及速率极限、容差和/或目标设置。输出变量cv通常也必须满足某些高规范、低规范或目标规范。图2是图示了典型过程变量mv或cv的示例图表。所图示的过程变量包括上限(lh)22、上限(th)24、下限(l
l
)26和下限(t
l
)28。操作上限zh是上限22减去高容差24，即zh＝l
h-th。操作下限z
l
是下限26加上下容差28，即，z
l
＝l
l
+t
l
。操作上限zh与操作下限z
l
之间的区域是操作区30。过程变量32及其长期趋势34在该操作区内围绕其目标36是典型的。操作区协调器12根据本发明产生新目标38，用于将未来过程变量40朝向新目标38移动，例如，更靠近操作区30的下端。如本文中所讨论的，在操作区30内还设想了其他新目标38。
16.容差24、28允许过程变量(mv或cv)有足够的自由度来变化并且还实现使生产成本最小或保持产品在其质量规格内的经济目标。容差24和28可以由人类用户指定和/或基于过程变量32与过程变量32的长期趋势34之间差异的短期可变性而动态导出和更新。如果短期可变性较高，则容差设置得较大。
17.人类操作员需要高度的技能和培训来手动操作生产过程以实现规定的生产目标，
同时尝试满足各种约束。本公开提供了一种系统、方法和装置，以使生产目标自动最大，同时协调过程操作区对输入变量和输出变量的利用。例如，对于静态增益为g的过程，其稳态操纵变量mv(u)和控制变量cv(y)可以被表达如下：
18.y-yk＝g(u-uk)
ꢀꢀꢀꢀ
等式1
19.其中mv和cv可以组合为公共过程变量x：
[0020][0021]
参考图3，示出了根据本公开的可由计算机控制系统20中的操作区协调器12操作的方法的过程42。过程42包括对公共过程变量x的每个元素的偏好进行分类的操作44。在公共过程变量x的每个元素的操作区内，不同的位置可能与用于实现操作目标的不同偏好相关联。例如，公共过程变量x的每个元素都可以指定为以下四个偏好类别中的一个偏好类别，而不管该变量是输入变量还是输出变量。
[0022]-设置目标(sp)：偏好具有明确要实现或维持的目标的公共过程变量x。例如，纸张的基重目标或石灰窑操作中的温度目标。
[0023]-近高(nh)：偏好没有明确目标但需要保持尽可能接近高操作区极限但不超过其上限的公共过程变量x。
[0024]-近低(nl)：偏好没有明确目标但需要保持尽可能接近低操作区极限但不超过其下限的公共过程变量x。
[0025]-范围内(wr)：优先选择没有明确目标但需要保持在高操作区极限与低操作区极限之间的任意水平的公共过程变量x。
[0026]
过程42在操作46处继续以确定每个公共过程变量x的操作区。对于x中的每个常见过程变量，可以根据上限和下限及其对应容差指定操作区。如图2所示，对于每个公共过程变量x，上限22是lh，而下限26是l
l
。也可以指定高容差24和低容差28(th和t
l
)。操作区30是高区极限zh＝l
h-th和低区极限z
l
＝l
l
+t
l
之间的区域。操作区30使用zh和z
l
指定。
[0027]
过程42在操作48处继续以确定每个公共过程变量x的参考目标，诸如参考目标(xr)。设置目标(sp)公共过程变量的参考目标xr可以被设置为与公共过程变量的显式手动目标相同。近高(nh)公共过程变量的参考目标xr可以被设置为公共过程变量的高操作区极限(xr＝zh)。近低(nl)公共过程变量的参考目标xr可以被设置为公共过程变量的操作区下限(xr＝z
l
)。范围内(wr)公共过程变量的参考目标xr可以被设置为公共过程变量的当前长期稳态值(xr＝x
ss
)。
[0028]
过程42在操作50处继续以设计成本函数和约束。成本函数可以被设计为x中公共过程变量与公共过程变量的参考目标的偏差方差的加权和，如上文所指定的。
[0029]
j＝(x-xr)
t
w(x-xr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式3
[0030]
其中xr是如上在操作48中定义的针对公共过程变量x的参考目标，以及w是对角矩阵，其中每个对角元素指定公共过程变量x的每个元素的权重因子。
[0031]
操作区极限和过程的响应模型16两者可以组合为完整约束集合。区上限和区下限可以被表达如下：
[0032]zl
《x《zhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式4
[0033]
其中z
l
和zh分别是区下限和区上限。
[0034]
等式1中的静态响应模型16可以被表达如下：
[0035]
ax＝b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式5
[0036]
其中a＝[i
ꢀ‑
g]，b＝y
k-guk，i是单位矩阵，并且yk和uk是cv的当前长期趋势和mv的当前长期趋势，它们作为它们最近过去历史的移动平均值或经过严格过滤的趋势值而导出。
[0037]
过程42在操作52处继续以执行约束优化。可以根据关于公共过程变量x的组合约束对所设计的成本函数执行约束优化。
[0038]
x
new
＝quadprog(w，-wxr，a，b，z
l
，zh)
ꢀꢀꢀꢀ
等式6
[0039]
其中quadprog是二次编程操作的示例，它关于公共过程变量x优化成本函数(等式3)，同时还满足等式4和5中指定的约束。
[0040]
在过程42的操作54处，优化结果(x
new
)然后被设置为控制器14控制生产过程10的输入变量和输出变量的新目标。当前目标到新目标x
new
之间的缓慢转换38通常通过将新目标与当前目标之间的差异通过低通滤波器来实现。采用新目标来控制生产过程的控制器14通常是多变量反馈控制器，诸如内部模型控制器或模型预测控制器。
[0041]
过程42的上述步骤可以在生产过程的动态反馈控制达到其稳定状态的同时执行，或来自过程42的新目标缓慢应用于动态反馈控制。这样可以充分利用变量的可用操作区，并且还有效地实现了生产目标。
[0042]
根据本公开，设想了用于协调对用于过程控制的操作区的利用的许多应用。一种应用包括操作造纸机以控制成品纸张的重量和湿度。对于造纸机而言，代替将诸如纸张的重量和水分之类的输出变量维持到其指定目标的传统控制，过程42将控制用于操作造纸机以生产纸张的过程，使得纸张重量尽可能接近其指定的下限，同时不超过下限。同时，过程42可以用于控制用于生产纸张的过程，以使纸张的水分含量尽可能接近其指定的上限，同时不超过其上限。结果，造纸机将生产出合格的纸张产品，该合格的纸张产品利用较低的材料和能源成本。
[0043]
另一应用包括协调对造纸机生产吞吐量的操作区的利用。造纸机的生产吞吐量通常与造纸机输出纸张的操作速度直接相关。然而，每个造纸机都存在设计极限，从而限制了其生产吞吐量。例如，机器速度、库存流量、干段蒸汽压力以及与生产吞吐量相关联的许多其他变量都有上限和下限。虽然生产目标是将机器速度设置得尽可能高，但必须生产满足输出变量的目标设置的纸张，诸如目标重量、水分、厚度等。过程42控制用于以下各项的过程：操作造纸机以使造纸机以尽可能高的速度操作，同时将诸如纸浆流量、蒸汽压力等之类的变量保持在其范围内，并且进一步实现满足其诸如纸张重量、水分等之类的目标设置的其他变量。因此，在生产具有期望质量的纸张的同时，使造纸机的生产能吞吐量最大。
[0044]
另一应用包括协调对用于造纸机化学品添加的操作区的利用。在造纸机的湿端处，可以添加多种助留化学品以增强湿端过程的助留能力。这些保留化学品很昂贵。过程42可以用于控制造纸机的操作过程，以减少化学助留剂的添加量，以使添加的助留剂化学剂的量尽可能接近其下限，同时保持白水稠度尽可能接近，但不超过其上限。同时，过程42可以用于维持诸如纸张的纸张重量和灰分含量之类的变量处于它们的目标设置。通过这种方法，过程42将通过使用最少量的化学添加物来生产所需质量的纸张。
[0045]
另一应用包括协调对造纸机的操作区的利用以生产具有适当纸张强度的纸张。纸张强度受诸如纤维配料、纤维精炼、化学添加、流浆箱喷丝比(jet-to-wire ratio)、纸张重量、纸张含水量、纸张厚度和纤维取向等之类的多种过程变量的影响。降低生产成本的生产目标需要减少高成本纤维的使用，最大限度地减少纤维精炼，为流浆箱选择适当的喷丝设置，并且控制化学剂量，同时在其产品规格范围内实现所需的最低纸张强度。过程42允许造纸机的操作通过协调其操作区内的多个过程变量来实现降低总成本的生产目标，同时产生满足最低规格要求的纸张强度。
[0046]
用于协调对过程控制的操作区的利用的另一应用是在石灰窑的操作期间。石灰窑利用燃料燃烧来加热石灰泥来生产生石灰。石灰质量与石灰窑中达到的温度密切相关。为了实现成本效益的石灰生产，石灰窑应在不超过上限的情况下尽可能高的温度下操作，并且在不低于下限的情况下使窑内燃烧室中的过量氧气尽可能少。同时，燃料使用量相对于其下限保持尽可能低。过程42允许控制石灰窑操作以实现这样的生产目标，同时以较低的成本实现石灰质量的期望输出。
[0047]
另一应用包括协调对在纸浆厂中用于粗浆洗涤过程的操作区的利用。去除纸浆中溶解杂质的粗浆洗涤是纸浆生产线的关键步骤。粗浆洗涤过程可能会直接影响有机物和无机化学品的回收率。粗浆洗涤的操作是以下要求之间难以平衡的动作：(a)维持过滤罐的液位处于临界范围内，(b)维持电导率处于操作上限以下，(c)在不超过上限的情况下最大限度地提高出口稠度和固体含量，以及(d)使用尽可能少的淡水。过程42允许粗浆洗涤实现其生产目标，同时使操作成本最低并且提高洗涤效率。
[0048]
另一应用包括在纸浆厂的多阶段漂白过程中协调对用于化学品进料的操作区的利用。漂白过程是确保最终生产的纸浆质量符合规格的重要步骤，即，主要质量要求(即，卡伯值和白度)均符合其目标。在该过程中，在操作的各个阶段都添加了各种昂贵的化学品，并且期望在不影响纸浆性能的情况下使化学品剂量最小。过程42将确保在没有损害纸浆质量的情况下实现纸浆生产目标，同时优先考虑各种化学品以使生产的总成本以及废纸浆最少。
[0049]
在本文中对上文所描述的示意图和过程大体阐述。如此，所描绘的次序和所标记的步骤指示代表性实施例。应当设想，在功能、逻辑或效果上与示意图中所图示的方法的一个或多个步骤或其部分等同的其他步骤、排序、步骤组合和方法。
[0050]
附加地，提供所采用的格式和符号来解释示意图的逻辑步骤，并且被理解为不限制图中所图示的系统、装置和方法的范围。附加地，特定方法发生的次序可能会或可能不会严格遵守所示的对应步骤的次序。还应当指出，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于硬件的专用系统或专用硬件和程序代码的组合实现。
[0051]
已经对本说明书中描述的许多功能单元进行了标记，以便更特别地强调它们的实现独立性。例如，计算机控制系统20和/或操作区协调器12的一个或多个方面可以实现为硬件电路，该硬件电路包括定制vlsi电路或门阵列、现成半导体，诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立部件。计算机控制系统20和/或操作区协调器12也可以在可编程硬件设备中实现，诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等。
[0052]
计算机控制系统20和/或操作区协调器12的一个或多个方面也可以在机器可读介
质中实现以供各种类型的处理器执行。在一些实例中，用于由各种类型的处理器执行的机器可读介质可以在上述硬件电路中实现。比如，所标识的可执行代码模块可以包括计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，该一个或多个物理或逻辑块比如可以被组织为对象、过程或功能。然而，所标识的电路的可执行文件不需要物理上位于一起，而是可以包括存储在不同位置中的不同指令，这些指令在逻辑上结合在一起时构成电路并且实现计算机控制系统20和/或操作区协调器12的所述目。
[0053]
例如，计算机可读程序代码可以是单个指令或许多指令，并且甚至可以分布在几个不同的代码段上、在不同的程序之间以及跨越多个存储器设备。同样，操作数据可以在本文中在模块、监视器或电路内被标识和说明，并且可以以任意合适形式体现并且被组织在任意合适类型的数据结构内。操作数据可以作为单个数据集被收集，或可以分布在不同的位置，这些位置包括不同的存储设备上在内；并且可以至少部分仅作为系统或网络上的电子信号存在。在模块、监视器或电路或其部分在机器可读介质(或计算机可读介质)中实现的情况下，计算机可读程序代码可以在一个或多个计算机可读介质上存储和/或传播。
[0054]
计算机可读介质可以是存储计算机可读程序代码的有形计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外线的、全息的、微机械的或半导体系统、装置或设备，或前述的任意合适组合。
[0055]
计算机可读介质的更具体示例可以包括但不限于便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器存储器(eprom或闪存)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)、光存储设备、磁存储设备、全息存储介质、微机械存储设备、或上述任意合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可以包含和/或存储计算机可读程序代码以供指令执行系统、装置或设备使用和/或与其结合使用的任意有形介质。
[0056]
计算机可读介质还可以是计算机可读信号介质。计算机可读信号介质可以包括例如在基带中或作为载波的一部分的其中包含计算机可读程序代码的经传播数据信号。这种经传播信号可以采取多种形式中的任意一种，这些形式包括但不限于电的、电磁的、磁的、光的或其任意合适组合。计算机可读信号介质可以是不是计算机可读存储介质并且可以传达、传播或传输计算机可读程序代码以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任意计算机可读介质。包含在计算机可读信号介质上的计算机可读程序代码可以使用任意适当介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、射频(rf)等，或前述的任意合适组合。
[0057]
在一个实施例中，计算机可读介质可以包括一种或多种计算机可读存储介质和一种或多种计算机可读信号介质的组合。例如，计算机可读程序代码既可以作为电磁信号通过光纤电缆传播以供处理器执行，也可以存储在ram存储设备上以供处理器执行。
[0058]
用于执行本公开的各方面的操作的计算机可读程序代码可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写，包括诸如java、smalltalk、c++等之类的面向对象的编程语言和诸如“c”编程语言、python、matlab、r或类似的编程语言之类的传统的过程编程语言。计算机可读程序代码可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立计算机可读封装、部分在用户计算机上和部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一情况下，远程计算机可以通过包括局域网(lan)或广域网(wan)在内的任意类型的网络连接
到用户的计算机，或可以(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)连接到外部计算机。
[0059]
程序代码还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以引导控制器、计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运转，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括执行本文中所指定的功能/动作的指令的制品。
[0060]
设想了本公开的各个方面。例如，根据一个方面，提供了一种在生产过程中协调公共过程变量的操作区的方法。该方法包括根据以下方面对每个公共过程变量的偏好进行分类：a)如果公共过程变量具有目标设置，则目标，或b)如果公共过程变量没有目标设置，则一个或多个偏好；针对每个公共过程变量在高操作区极限与低操作区极限之间确定针对每个公共过程变量的操作区；确定针对每个公共过程变量的参考目标；将成本函数设计为每个公共过程变量与每个公共过程变量的参考目标的偏差方差的加权和；将公共过程变量的操作区和公共过程变量的响应模型组合为公共过程变量的组合约束集合；根据组合约束对所设计的成本函数执行约束优化，以确定针对公共过程变量的经优化的结果；并且将经优化的结果设置为控制生产过程的多变量反馈控制器的新目标设置。
[0061]
以下各项中的一项或多项的任意组合可以并入该方法中。在一个实施例中，多变量反馈控制器是内部模型控制器或模型预测控制器中的一种控制器。在一个实施例中，提供设置目标类别的偏好用于对具有目标设置的每个公共过程变量进行分类。
[0062]
在一个实施例中，用于对没有目标设置的公共过程变量中的每个公共过程变量进行分类的类别的偏好包括：维持公共过程变量的近高类别的偏好接近高操作区极限，该高操作区极限是低于上限的容差量；维持公共过程变量的近下限类别的偏好接近低操作区极限，该低操作区极限是高于下限的容差量；以及保持公共过程变量的范围内类别的偏好处于操作区上限和下限之间的任意水平。在一个实施例中，容差可以手动指定或根据当前测量与每个公共过程变量的长期趋势之间的差异的短期可变性动态计算。
[0063]
在一个实施例中，每个公共过程变量的操作区是在针对高容差而进行调整的上限与针对低容差而进行调整的下限之间的区域。
[0064]
在一个实施例中，确定针对每个公共过程变量的参考目标包括：将设置目标类别中的每个公共过程变量的参考目标设置为每个公共过程变量的目标设置；将近高类别中的每个公共过程变量的参考目标设置为高操作区极限，该高操作区极限是上限减去其容差量；将近低类别中的每个公共过程变量的参考目标设置为低操作区极限，该低操作区极限是下限加上其容差量；将范围内类别中的每个公共过程变量的参考目标设置为每个公共过程变量的当前稳态值。
[0065]
在一个实施例中，成本函数是上述等式3。在一个实施例中，响应模型是上述等式5。在一个实施例中，对所设计的成本函数的约束优化是上述等式6。
[0066]
根据另一方面，提供了一种计算机系统，该计算机系统可操作以协调对生产过程的操作区的利用。计算机系统可操作以：关于以下各项对每个公共过程变量的偏好进行分类：a)如果公共过程变量具有目标设置，则目标；或b)如果公共过程变量没有目标设置，则一个或多个偏好；确定往返于生产过程的每个公共过程变量的介于操作区上限和下限之间的操作区；确定每个公共过程变量的参考目标；将成本函数设计为每个公共过程变量与公共过程变量的参考目标的偏差方差的加权和；将操作区极限和过程的响应模型组合为公共过程变量的组合约束集合；根据组合约束集合对所设计的成本函数执行约束优化，以确定
公共过程变量的优化结果；并且将优化结果设置为控制生产过程的多变量反馈控制器的新目标设置。
[0067]
在一个实施例中，计算机系统可操作以对设置目标类别的偏好中的具有目标设置的每个公共过程变量进行分类。在一个实施例中，每个公共过程变量的操作区是其上限和下限之间的区域。
[0068]
在一个实施例中，根据一个或多个极限分类的公共过程变量被放置在以下类别中的一个类别中：位于公共过程变量的近高类别的偏好在低于上限的容差量内；维持公共过程变量近下限类别的偏好在高于下限的容差范围内；以及保持公共过程变量的范围类别内的偏好处于操作区上限和下限之间的任意水平。
[0069]
在一个实施例中，参考目标是设置目标类别中每个公共过程变量的目标设置；操作区上限，即，上限减去近上限类别中每个公共过程变量的容差量；操作区下限，即，下限加上近低类别中每个公共过程变量的容差量；以及范围内类别中的每个公共过程变量的当前稳态值。
[0070]
在一个实施例中，成本函数是上述等式3。在一个实施例中，响应模型是上述等式5。在一个实施例中，对所设计的成本函数的约束优化是上述等式6。
[0071]
在一个实施例中，计算机系统可操作以将优化结果设置为多变量反馈控制器的输入变量和输出变量的新目标。在另一实施例中，机器连接到计算机控制系统用于运行生产过程。
[0072]
在整个说明书中对“一个实施例”、“一实施例”或类似语言的引用意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特点包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不一定都是指同一实施例。
[0073]
因而，本公开可以在没有背离其精神或基本特征的情况下以其他特定形式体现。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而非由前述描述指示。在权利要求的等同含义和范围内的所有变化都应涵盖在其范围内。
[0074]
虽然已经在附图和前述描述中对本发明进行了详细说明和描述，但其应被认为是说明性的而非限制性的，应当理解，仅示出并描述了某些示例性实施例。本领域的技术人员应当领会，在示例实施例中可以进行许多修改而不实质上背离本发明。因而，所有这些修改旨在包括在如以下权利要求中定义的本公开的范围内。
[0075]
在阅读权利要求时，旨在当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”之类的词语时，除非在权利要求中有明确相反说明，否则无意将权利要求限制为仅一个。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，除非有明确相反说明，否则该项可以包括一部分和/或整个项。
技术特征：
1.一种在生产过程中协调公共过程变量的操作区的方法，所述方法包括：相对于以下各项对每个公共过程变量的偏好进行分类：a)如果所述公共过程变量具有目标设置，则相对于目标进行分类；或b)如果所述公共过程变量没有目标设置，则相对于一个或多个偏好进行分类；针对每个公共过程变量，在高操作区极限与低操作区极限之间确定针对每个公共过程变量的操作区；确定针对每个公共过程变量的参考目标；将成本函数设计为每个公共过程变量与每个公共过程变量的参考目标的偏差方差的加权和；将所述公共过程变量的所述操作区和所述公共过程变量的响应模型组合为所述公共过程变量的组合约束集合；根据所述组合约束集合对所设计的成本函数执行约束优化，以确定针对所述公共过程变量的经优化的结果；以及将所述经优化的结果设置为控制所述生产过程的多变量反馈控制器的新目标设置。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多变量反馈控制器是内部模型控制器或模型预测控制器中的一种控制器。3.根据权利要求1所述的方法，其中设置目标类别的偏好被提供为用于对具有所述目标设置的所述公共过程变量中的每个公共过程变量进行分类。4.根据权利要求1所述的方法，其中用于对没有所述目标设置的所述公共过程变量中的每个公共过程变量进行分类的类别的偏好包括：近高类别的偏好，用于维持所述公共过程变量接近于所述高操作区极限，所述高操作区极限是低于上限的容差量；近下限类别的偏好，用于维持所述公共过程变量接近于所述低操作区极限，所述低操作区极限是高于下限的容差量；以及范围内类别的偏好，用于保持所述公共过程变量处于操作区上限与操作区下限之间的任意水平。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述容差能够被手动指定或根据每个公共过程变量的当前测量与长期趋势之间的差异的短期可变性动态计算。6.根据权利要求1所述的方法，其中每个公共过程变量的所述操作区是在针对高容差而进行调整的上限与针对低容差而进行调整的下限之间的区域。7.根据权利要求1所述的方法，其中确定针对每个公共过程变量的所述参考目标包括：将设置目标类别中的每个公共过程变量的所述参考目标设置为每个公共过程变量的所述目标设置；将近高类别中的每个公共过程变量的所述参考目标设置为所述高操作区极限，所述高操作区极限是所述上限减去每个公共过程变量的所述容差量；将近低类别中的每个公共过程变量的所述参考目标设置为所述低操作区极限，所述低操作区极限是所述下限加上每个公共过程变量的所述容差量；以及将范围内类别中的每个公共过程变量的所述参考目标设置为每个公共过程变量的当前稳态值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述成本函数是：j＝(x-x
r
)
t
w(x-x
r
)，其中x是所述公共过程变量，包括输入变量和输出变量，x
r
是针对每个公共过程变量的所述参考目标，以及w是对角矩阵，其中每个对角元素指定x的每个分量的权重因子。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述响应模型是：ax＝b，其中a＝[i
ꢀ‑
g]b＝y
k-gu
k
，其中x是所述公共过程变量；g是所述过程的静态增益；i是单位矩阵；y和u分别是输入变量和输出变量；并且y
k
和u
k
分别是所述输入变量的当前长期趋势和所述输出变量的当前长期趋势。10.根据权利要求1所述的方法，其中对所设计的成本函数的所述约束优化是：x
new
＝quadprog(w，-wx
r
，a，b，z
l
，z
h
)其中x
new
是所述经优化的结果，z
l
和z
h
是所述操作区的相应下限和上限，quadprog是二次优化操作。11.一种计算机系统，能够操作以协调对生产过程的操作区的利用，所述计算机系统能够操作以：相对于以下各项对每个公共过程变量的偏好进行分类：a)如果所述公共过程变量具有目标设置，则相对于目标进行分类；或b)如果所述公共过程变量没有目标设置，则相对于一个或多个偏好进行分类；针对去往和来自所述生产过程的每个公共过程变量，在高操作区极限与低操作区极限之间确定操作区；确定针对每个公共过程变量的参考目标；将成本函数设计为每个公共过程变量与每个公共过程变量的参考目标的偏差方差的加权和；将所述操作区极限和所述过程的响应模型组合为所述公共过程变量的组合约束集合；根据所述组合约束集合对所设计的成本函数执行约束优化，以确定针对所述公共过程变量的经优化的结果；以及将所述经优化的结果设置为控制所述生产过程的多变量反馈控制器的新目标设置。12.根据权利要求11所述的计算机系统，其中所述计算机系统能够操作以对设置目标类别的偏好中的具有所述目标设置的每个公共过程变量进行分类。13.根据权利要求11所述的计算机系统，其中相对于一个或多个极限进行分类的所述公共过程变量被置于以下类别中的一个类别：近高类别的偏好，用于维持所述公共过程变量在低于上限的容差量内；近下限类别的偏好，用于维持所述公共过程变量在高于下限的容差量内；以及范围内类别的偏好，用于保持所述公共过程变量处于操作区上限与操作区下限之间的任意水平。14.根据权利要求11所述的计算机系统，其中每个公共过程变量的所述操作区是在所述操作区的上限与所述操作区的下限之间的区域。
15.根据权利要求11所述的计算机系统，其中所述参考目标是：所述设置目标类别中的每个公共过程变量的所述目标设置；所述高操作区极限，所述高操作区极限是所述上限减去所述近高类别中的每个公共过程变量的所述容差量；所述低操作区极限，所述低操作区极限是所述下限加上所述近低类别中的每个公共过程变量的所述容差量；以及所述范围内类别中的每个公共过程变量的当前稳态值。16.根据权利要求11所述的计算机系统，其中所述成本函数是：j＝(x-x
r
)
t
w(x-x
r
)，其中x是针对输入变量和输出变量的所述公共过程变量，x
r
是针对每个公共过程变量的所述参考目标，w是对角矩阵，其中每个对角元素指定x的每个分量的权重因子。17.根据权利要求11所述的计算机系统，其中所述响应模型是：ax＝b，其中a＝[i
ꢀ‑
g]，并且b＝y
k-gu
k
，其中x是所述公共过程变量；g是所述过程的静态增益；i是单位增益矩阵；y和u分别是输入变量和输出变量；并且y
k
和u
k
分别是所述输入变量的当前长期趋势和所述输出变量的当前长期趋势。18.根据权利要求11所述的计算机系统，其中对所设计的成本函数的约束优化是：x
new
＝quadprog(w，-wx
r
，a，b，z
l
，z
h
)，其中x
new
是所述经优化的结果，z
l
和z
h
是所述操作区的相应下限和上限，quadprog是二次优化操作。19.根据权利要求18所述的计算机系统，其中所述计算机系统能够操作以将所述经优化的结果设置为所述多变量反馈控制器的输入变量和输出变量的新目标。20.根据权利要求11所述的计算机系统，还包括机器，所述机器被连接到所述计算机控制系统以运行所述生产过程。
技术总结
提供了一种用于生产过程的系统、方法和装置，以协调对过程变量的操作区的利用并且自动执行目标设置，以使生产目标最大而无需人工干预。预。预。
技术研发人员：
陈世钦 阿贝伊
受保护的技术使用者：
ABB瑞士股份有限公司
技术研发日：
2020.11.19
技术公布日：
2022/12/22
