本公開一般地涉及工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)。更具體地，本公開涉及用于全廠范圍控制和優(yōu)化的級聯(lián)模型預(yù)測控制（MPC）方法。

背景技術(shù)：

經(jīng)常使用工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)來管理處理設(shè)施。許多控制和自動化系統(tǒng)包括執(zhí)行不同功能的多個(gè)分級的層。例如，較低的層可以包括執(zhí)行過程控制功能和模型預(yù)測控制（MPC）操作的設(shè)備，而較高的層可以包括提供全廠范圍優(yōu)化解決方案的設(shè)備。

理想地，控制和全廠范圍優(yōu)化將被共同地設(shè)計(jì)，但出現(xiàn)的一個(gè)問題是如何同時(shí)提供在較低級別處的分散化控制和較高級別處的集中化優(yōu)化。分散化的MPC解決方案常常因?yàn)樗鼈冊趹?yīng)對過程混亂、設(shè)備故障和維護(hù)時(shí)的可操作性和靈活性而是更合意的。集中化計(jì)劃優(yōu)化常常因?yàn)槠涓呒墑e的視野提取出非本質(zhì)的或模糊的細(xì)節(jié)而是更合意。然而，常規(guī)控制和自動化系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)在于缺乏跨越多層的有保證的解決方案一致性。在實(shí)踐中，全廠范圍計(jì)劃優(yōu)化幾乎從不被實(shí)施為閉環(huán)控制系統(tǒng)的部分。結(jié)果，仍然不能得到大量的優(yōu)化效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供用于全廠范圍控制和優(yōu)化的級聯(lián)模型預(yù)測控制（MPC）方法。

在第一實(shí)施例中，一種方法包括在主MPC控制器處獲得用于工業(yè)設(shè)施的計(jì)劃模型。該方法還包括將至少一個(gè)優(yōu)化調(diào)用從所述主MPC控制器發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器。該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述至少一個(gè)優(yōu)化調(diào)用在所述主MPC控制器處從所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器接收至少一個(gè)代理限制值。所述至少一個(gè)代理限制值標(biāo)識在不違反任何過程變量約束的情況下由所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器所控制的一個(gè)或多個(gè)過程變量可調(diào)整到什么程度。此外，所述方法包括使用所述計(jì)劃模型和所述至少一個(gè)代理限制值來在所述主MPC控制器處執(zhí)行全廠范圍優(yōu)化。所述至少一個(gè)代理限制值允許所述主MPC控制器在所述全廠范圍優(yōu)化期間施行所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器的過程變量約束。

在第二實(shí)施例中，一種裝置包括具有配置成儲存用于工業(yè)設(shè)施的計(jì)劃模型的至少一個(gè)存儲器的主MPC控制器、配置成與一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器進(jìn)行通信的至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、以及至少一個(gè)處理設(shè)備。所述至少一個(gè)處理設(shè)備被配置成發(fā)起將至少一個(gè)優(yōu)化調(diào)用傳輸?shù)剿鲆粋€(gè)或多個(gè)從MPC控制器以及響應(yīng)于所述至少一個(gè)優(yōu)化調(diào)用從所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器接收至少一個(gè)代理限制值。所述至少一個(gè)代理限制值標(biāo)識了在不違反任何過程變量約束的情況下由所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器所控制的一個(gè)或多個(gè)過程變量可調(diào)整到什么程度。所述至少一個(gè)處理設(shè)備還被配置成使用所述計(jì)劃模型和所述至少一個(gè)代理限制值來執(zhí)行全廠范圍優(yōu)化。所述至少一個(gè)過程設(shè)備被配置成使用所述至少一個(gè)代理限制值來在所述全廠范圍優(yōu)化期間施行所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器的過程變量約束。

在第三實(shí)施例中，一種非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)體現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序。所述計(jì)算機(jī)程序包括用于在主MPC控制器處獲得用于工業(yè)設(shè)施的計(jì)劃模型的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。所述計(jì)算機(jī)程序還包括用于將至少一個(gè)優(yōu)化調(diào)用從所述主MPC控制器發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。所述計(jì)算機(jī)程序進(jìn)一步包括用于響應(yīng)于所述至少一個(gè)優(yōu)化調(diào)用在所述主MPC控制器處從所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器接收至少一個(gè)代理限制值的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。所述至少一個(gè)代理限制值標(biāo)識了在不違反任何過程變量約束的情況下由所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器所控制的一個(gè)或多個(gè)過程變量可調(diào)整到什么程度。此外，所述計(jì)算機(jī)程序包括用于使用所述計(jì)劃模型和所述至少一個(gè)代理限制值來在所述主MPC控制器處執(zhí)行全廠范圍優(yōu)化的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。所述至少一個(gè)代理限制值允許所述主MPC控制器在所述全廠范圍優(yōu)化期間施行所述一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器的過程變量約束。

根據(jù)以下附圖、說明書以及權(quán)利要求，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言其他技術(shù)特征可以是容易地顯而易見的。

附圖說明

為了對本公開的更完整的理解，現(xiàn)在對結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述做出參考，其中：

圖1圖示了根據(jù)本公開的示例工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)；

圖2A和2B圖示了在根據(jù)本公開的工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中用來支持級聯(lián)MPC方法的示例計(jì)劃和模型預(yù)測控制（MPC）模型。

圖3A和3B圖示了根據(jù)本公開的用于工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)的示例級聯(lián)MPC架構(gòu)；

圖4圖示了在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中的代理限制的示例使用；

圖5圖示了用于供根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)使用的示例圖形用戶界面（GUI）；

圖6圖示了用于將貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本與根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)一起使用的示例技術(shù)；

圖7到9圖示了用于在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中形成計(jì)劃模型的示例基礎(chǔ)模型；

圖10圖示了用于在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中驗(yàn)證計(jì)劃模型的示例技術(shù)；

圖11到16圖示了用于在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中將主MPC控制器和從MPC控制器中的變量進(jìn)行鏈接的示例技術(shù)；以及

圖17圖示了用于在根據(jù)本公開的工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中使用級聯(lián)MPC控制器的示例方法。

具體實(shí)施方式

下文所討論的圖1至17和用來描述本專利文件中的本發(fā)明的原理的各種實(shí)施例是僅作為說明而不應(yīng)該以任何方式被解釋成限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，本發(fā)明的原理可以按任何類型的合適布置的設(shè)備或系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

圖1圖示了根據(jù)本公開的示例工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)100。如在圖1中所示，系統(tǒng)100包括促成至少一個(gè)產(chǎn)品或其他材料的生產(chǎn)或處理的各種部件。例如，這里使用系統(tǒng)100來促成在一個(gè)或多個(gè)工廠101a-101n中對部件的控制。每個(gè)工廠101a-101n表示一個(gè)或多個(gè)處理設(shè)施（或者其一個(gè)或多個(gè)部分），諸如用于生產(chǎn)至少一個(gè)產(chǎn)品或其他材料的一個(gè)或多個(gè)制造設(shè)施。一般而言，每個(gè)工廠101a-101n可以實(shí)施一個(gè)或多個(gè)過程并且可以單獨(dú)地或共同地被稱為過程系統(tǒng)。過程系統(tǒng)一般表示被配置成以某種方式來處理一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品或其他材料的任何系統(tǒng)或其部分。

在圖1中，使用過程控制的Purdue模型來實(shí)施系統(tǒng)100。在Purdue模型中，“級別0”可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器102a和一個(gè)或多個(gè)致動器102b。傳感器102a和致動器102b表示過程系統(tǒng)中的可以執(zhí)行各種各樣的功能中的任意功能的部件。例如，傳感器102a可以測量過程系統(tǒng)中的各種各樣的特性，諸如溫度、壓力或流率。而且，致動器102b可以改變過程系統(tǒng)中的各種各樣的特性。傳感器102a和致動器102b可以表示任意合適的過程系統(tǒng)中的任意其他或附加部件。傳感器102a中的每個(gè)包括用于測量過程系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)特性的任意合適的結(jié)構(gòu)。致動器102b中的每個(gè)包括用于對過程系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)條件進(jìn)行操作或影響過程系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)條件的任意合適的結(jié)構(gòu)。

至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)104被耦合到傳感器102a和致動器102b。網(wǎng)絡(luò)104促成與傳感器102a和致動器102b的交互。例如，網(wǎng)絡(luò)104可以將測量數(shù)據(jù)從傳感器102a輸送到致動器102b并且向致動器102b提供控制信號。網(wǎng)絡(luò)104可以表示任意合適的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)的組合。作為特定示例，網(wǎng)絡(luò)104可以表示以太網(wǎng)、電信號網(wǎng)絡(luò)（諸如HART或基金會現(xiàn)場總線（FOUNDATION FIELDBUS）網(wǎng)絡(luò)）、氣動控制信號網(wǎng)絡(luò)或任意其他或附加（多個(gè)）類型的（多個(gè)）網(wǎng)絡(luò)。

在Purdue模型中，“級別1”可以包括耦合到網(wǎng)絡(luò)104的一個(gè)或多個(gè)控制器106。除了別的之外，每個(gè)控制器106可以使用來自一個(gè)或多個(gè)傳感器102a的測量結(jié)果來控制一個(gè)或多個(gè)致動器102b的操作。例如，控制器106可以從一個(gè)或多個(gè)傳感器102a接收測量數(shù)據(jù)并且使用該測量數(shù)據(jù)來生成用于一個(gè)或多個(gè)致動器102b的控制信號。每個(gè)控制器106包括用于與一個(gè)或多個(gè)傳感器102a交互并且控制一個(gè)或多個(gè)致動器102b的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)控制器106可以例如表示多變量控制器，諸如魯棒多變量預(yù)測控制技術(shù)（RMPCT）控制器，或?qū)嵤┠Ｐ皖A(yù)測控制（MPC）或其他高級預(yù)測控制（APC）的其他類型的控制器。作為特定的示例，每個(gè)控制器106可以表示運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)108被耦合到控制器106。網(wǎng)絡(luò)108諸如通過向和從控制器106輸送數(shù)據(jù)來促成與控制器106的交互。網(wǎng)絡(luò)108可以表示任意合適的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)的組合。作為特定的示例，網(wǎng)絡(luò)108可以表示一對冗余的以太網(wǎng)，諸如來自霍尼韋爾國際公司的容錯(cuò)以太網(wǎng)（FAULT TOLERANT ETHERNET，F(xiàn)TE）網(wǎng)絡(luò)。

至少一個(gè)交換機(jī)/防火墻110將網(wǎng)絡(luò)108耦合到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)112。交換機(jī)/防火墻110可以將通信量從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸送到另一個(gè)。交換機(jī)/防火墻110還可以阻止一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的通信量到達(dá)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。交換機(jī)/防火墻110包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任意合適的結(jié)構(gòu)，諸如霍尼韋爾控制防火墻（CF9）設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)112可以表示任意合適的網(wǎng)絡(luò)，諸如FTE網(wǎng)絡(luò)。

在Purdue模型中，“級別2”可以包括耦合到網(wǎng)絡(luò)112的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器級控制器114。機(jī)器級控制器114執(zhí)行各種功能來支持可以與特定的工業(yè)設(shè)備段（諸如鍋爐或其他機(jī)器）相關(guān)聯(lián)的控制器106、傳感器102a和致動器102b的操作和控制。例如，機(jī)器級控制器114可以記錄由控制器106收集或生成的信息（諸如來自傳感器102a的測量數(shù)據(jù)或用于致動器102b的控制信號）。機(jī)器級控制器114還可以執(zhí)行對控制器106的操作進(jìn)行控制（由此控制致動器102b的操作）的應(yīng)用。此外，機(jī)器級控制器114可以提供對控制器106的安全訪問。每個(gè)機(jī)器級控制器114包括用于提供對機(jī)器或其他單獨(dú)的設(shè)備段的訪問、控制或者與機(jī)器或其他單獨(dú)的設(shè)備段有關(guān)的操作的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)機(jī)器級控制器114可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。盡管未示出，但不同的機(jī)器級控制器114可以被用來控制過程系統(tǒng)中的不同設(shè)備段（這里每個(gè)設(shè)備段與一個(gè)或多個(gè)控制器106、傳感器102a和致動器102b相關(guān)聯(lián)）。

一個(gè)或多個(gè)操作者站116被耦合到網(wǎng)絡(luò)112。操作者站116表示提供對機(jī)器級控制器114的用戶訪問的計(jì)算或通信設(shè)備，其然后可以提供對控制器106（并且可能地，傳感器102a和致動器102b）的用戶訪問。作為特定示例，操作者站116可以允許用戶使用由控制器106和/或機(jī)器級控制器114收集的信息來檢查傳感器102a和致動器102b的操作歷史。操作者站116還可以允許用戶調(diào)整傳感器102a、致動器102b、控制器106或機(jī)器級控制器114的操作。此外，操作者站116可以接收并顯示警告、警報(bào)或者由控制器106或機(jī)器級控制器114生成的其他消息或顯示。每個(gè)操作者站116包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作者站116可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

至少一個(gè)路由器/防火墻118將網(wǎng)絡(luò)112耦合到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)120。路由器/防火墻118包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任意合適的結(jié)構(gòu)，諸如安全路由器或組合路由器/防火墻。網(wǎng)絡(luò)120可以表示任意合適的網(wǎng)絡(luò)，諸如FTE網(wǎng)絡(luò)。

在Purdue模型中，“級別3”可以包括耦合到網(wǎng)絡(luò)120的一個(gè)或多個(gè)單元級控制器122。每個(gè)單元級控制器122通常與過程系統(tǒng)中的單元相關(guān)聯(lián)，該過程系統(tǒng)中的單元表示一起操作來實(shí)施至少部分過程的不同機(jī)器的集合。單元級控制器122執(zhí)行各種功能來支持較低級別中的部件的操作和控制。例如，單元級控制器122可以記錄由較低級別中的部件所收集或生成的信息，執(zhí)行控制較低級別中的部件的應(yīng)用，以及提供對較低級別中的部件的安全訪問。每個(gè)單元級控制器122包括用于提供對過程單元中的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器或其他設(shè)備段的訪問、控制或與過程單元中的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器或其他設(shè)備段有關(guān)的操作的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元級控制器122可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。盡管未示出，但不同單元級控制器122可以被用來控制過程系統(tǒng)中的不同單元（其中每個(gè)單元與一個(gè)或多個(gè)機(jī)器級控制器114、控制器106、傳感器102a和致動器102b相關(guān)聯(lián)）。

可以由一個(gè)或多個(gè)操作者站124來提供對單元級控制器122的訪問。每個(gè)操作者站124包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作者站124可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

至少一個(gè)路由器/防火墻126將網(wǎng)絡(luò)120耦合到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)128。路由器/防火墻126包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任意合適的結(jié)構(gòu)，諸如安全路由器或組合路由器/防火墻。該網(wǎng)絡(luò)128可以表示任意合適的網(wǎng)絡(luò)，諸如FTE網(wǎng)絡(luò)。

在Purdue模型中，“級別4”可以包括耦合到網(wǎng)絡(luò)128的一個(gè)或多個(gè)廠級控制器130。每個(gè)廠級控制器130通常與可以包括實(shí)施相同、相似或不同過程的一個(gè)或多個(gè)過程單元的工廠101a-101n中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)。廠級控制器130執(zhí)行各種功能來支持較低級別中的部件的操作和控制。作為特定示例，廠級控制器130可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）應(yīng)用，調(diào)度應(yīng)用或者其他或附加的工廠或過程控制應(yīng)用。每個(gè)廠級控制器130包括用于提供對過程工廠中的一個(gè)或多個(gè)過程單元的訪問、控制或與過程工廠中的一個(gè)或多個(gè)過程單元有關(guān)的操作的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)廠級控制器130可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。

可以由一個(gè)或多個(gè)操作者站132來提供對廠級控制器130的訪問。每個(gè)操作者站132包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作者站132可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

至少一個(gè)路由器/防火墻134將網(wǎng)絡(luò)128耦合到一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)136。路由器/防火墻134包括用于提供網(wǎng)絡(luò)之間的通信的任意合適的結(jié)構(gòu)，諸如安全路由器或組合路由器/防火墻。網(wǎng)絡(luò)136可以表示任意合適的網(wǎng)絡(luò)，諸如企業(yè)范圍以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)或者更大網(wǎng)絡(luò)（諸如互聯(lián)網(wǎng)）的全部或一部分。

在Purdue模型中，“級別5”可以包括耦合到網(wǎng)絡(luò)136的一個(gè)或多個(gè)企業(yè)級控制器138。每個(gè)企業(yè)級控制器138通常能夠執(zhí)行用于多個(gè)工廠101a-101n的計(jì)劃操作并且控制工廠101a-101n的各種方面。企業(yè)級控制器138還可以執(zhí)行各種功能來支持工廠101a-101n中的部件的操作和控制。作為特定示例，企業(yè)級控制器138可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)訂單處理應(yīng)用、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）應(yīng)用、高級計(jì)劃和調(diào)度（APS）應(yīng)用、或者任意其他或附加的企業(yè)控制應(yīng)用。每個(gè)企業(yè)級控制器138包括用于提供對一個(gè)或多個(gè)工廠的控制的訪問、控制或與一個(gè)或多個(gè)工廠的控制有關(guān)的操作的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)企業(yè)級控制器138可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的服務(wù)器計(jì)算設(shè)備。在本篇文件中，術(shù)語“企業(yè)”指的是具有要被管理的一個(gè)或多個(gè)工廠或其他處理設(shè)施的組織。注意，如果要管理單個(gè)工廠101a，則企業(yè)級控制器138的功能可以被結(jié)合到廠級控制器130中。

可以由一個(gè)或多個(gè)操作者站140來提供對企業(yè)級控制器138的訪問。每個(gè)操作者站140包括用于支持系統(tǒng)100中的一個(gè)或多個(gè)部件的用戶訪問和控制的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)操作者站140可以例如表示運(yùn)行微軟WINDOWS操作系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備。

Purdue模型的各種級別可以包括其他部件，諸如一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫。與每個(gè)級別相關(guān)聯(lián)的（多個(gè)）數(shù)據(jù)庫可以儲存與系統(tǒng)100的該級別或一個(gè)或多個(gè)其他級別相關(guān)聯(lián)的任意合適的信息。例如，歷史記錄器（historian）可以被耦合到網(wǎng)絡(luò)136。歷史記錄器141可以表示儲存關(guān)于系統(tǒng)100的各種信息的部件。歷史記錄器141可以例如儲存在生產(chǎn)調(diào)度和優(yōu)化期間所使用的信息。歷史記錄器141表示用于儲存信息并且促成信息的取回的任意合適的結(jié)構(gòu)。雖然被示為耦合到網(wǎng)絡(luò)136的單個(gè)集中化部件，但歷史記錄器141可以位于系統(tǒng)100中的別處，或者多個(gè)歷史記錄器可以分布于系統(tǒng)100中的不同位置中。

在特定實(shí)施例中，圖1中的各種控制器和操作者站可以表示計(jì)算設(shè)備。例如，控制器106、114、122、130、138中的每個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理設(shè)備142和用于儲存由（多個(gè)）處理設(shè)備142使用、生成或收集的指令和數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)存儲器144?？刂破?06、114、122、130、138中的每個(gè)還可以包括至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口146，諸如一個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)接口或無線收發(fā)器。而且，操作者站116、124、132、140中的每個(gè)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理設(shè)備148和用于儲存由（多個(gè)）處理設(shè)備148使用、生成或收集的指令和數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)存儲器150。操作者站116、124、132、140中的每個(gè)也可以包括至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口152，諸如一個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)接口或無線收發(fā)器。

在過去幾十年內(nèi)，MPC已經(jīng)變成用于許多行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)多變量控制解決方案。MPC的廣泛使用已經(jīng)設(shè)定了用于更具有經(jīng)濟(jì)意義的進(jìn)步的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，即閉環(huán)全廠范圍優(yōu)化。然而，在嘗試提供用于大多數(shù)行業(yè)的閉環(huán)全廠范圍優(yōu)化方面存在許多技術(shù)、工作流和用戶經(jīng)驗(yàn)挑戰(zhàn)。結(jié)果，仍然執(zhí)行開環(huán)全廠范圍優(yōu)化（通常稱為生產(chǎn)計(jì)劃）。在實(shí)踐中，全廠范圍計(jì)劃優(yōu)化幾乎從不被實(shí)施為閉環(huán)控制系統(tǒng)的部分。實(shí)際上，在許多行業(yè)中，常常通過調(diào)解儀器（諸如日常操作者指令表）來手動（并且因此非最優(yōu)地）調(diào)整計(jì)劃結(jié)果。因?yàn)檫@點(diǎn)，大量的制造利潤仍然是不能獲得的。

在一些行業(yè)中，調(diào)解解決方案層（諸如開環(huán)生產(chǎn)調(diào)度器）已經(jīng)被設(shè)計(jì)來將生產(chǎn)計(jì)劃分解成更小的可執(zhí)行段。該調(diào)度器幫助將計(jì)劃解決方案轉(zhuǎn)化成操作者行為，但其并未消除手動調(diào)整。在其他行業(yè)中，開環(huán)生產(chǎn)調(diào)度器已經(jīng)被用來代替生產(chǎn)計(jì)劃，但其輸出目標(biāo)也常常被手動調(diào)整。

手動調(diào)整開環(huán)解決方案的實(shí)踐常常源于對于下述的需求：轉(zhuǎn)化或修正高級別生產(chǎn)目標(biāo)以便（i）滿足過程單元中低級別（可能安全相關(guān)的）控制約束以及（ii）補(bǔ)償對生產(chǎn)庫存或產(chǎn)品質(zhì)量的干擾（在計(jì)劃術(shù)語中稱為“非計(jì)劃事件”）。在手動轉(zhuǎn)化中所涉及的技術(shù)困難在很大程度上與將使用不同尺度下的模型的多級別解決方案進(jìn)行整合時(shí)所涉及的困難相一致。

本公開提供用于全廠范圍控制和優(yōu)化的級聯(lián)MPC解決方案，其有助于將全廠范圍優(yōu)化提供為自動控制和自動化系統(tǒng)的部分。如下文所描述的，“主”MPC控制器被配置成使用計(jì)劃模型（諸如單周期計(jì)劃模型或其他合適的簡化的（多個(gè)）模型）作為種子模型。主MPC控制器使用其優(yōu)化器來執(zhí)行全廠范圍經(jīng)濟(jì)優(yōu)化以控制工廠內(nèi)部的生產(chǎn)庫存、制造活動或產(chǎn)品質(zhì)量。主MPC控制器被級聯(lián)在一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器的頂部。從MPC控制器可以例如表示處于系統(tǒng)的單元級（級別3）的控制器，以及每個(gè)從MPC控制器向主MPC控制器提供其操作狀態(tài)和約束。因?yàn)檫@一點(diǎn)，來自主MPC控制器的全廠范圍優(yōu)化解決方案可以施行來自從MPC控制器的所有單元級操作約束。共同地，MPC級聯(lián)在單個(gè)一致的控制系統(tǒng)中同時(shí)地提供分散化控制（諸如在單元級處）和集中化全廠范圍優(yōu)化（諸如在廠級處）兩者。詞組“全廠范圍優(yōu)化”或“全廠范圍控制”指的是工業(yè)設(shè)施中的多個(gè)單元的優(yōu)化或控制，而與那些多個(gè)單元是否表示工業(yè)設(shè)施中的每一個(gè)單個(gè)單元無關(guān)。

以這種方式，此MPC級聯(lián)解決方案使嵌入式實(shí)時(shí)計(jì)劃解決方案能夠施行較低級別的操作約束。通過在線交叉利用（cross-leverage）計(jì)劃模型和控制模型兩者，MPC級聯(lián)解決方案使得有可能實(shí)時(shí)地在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行“精簡范圍（reduced-horizon）”形式的計(jì)劃優(yōu)化。除了別的之外，MPC級聯(lián)解決方案可以被用來通過其從MPC控制器自動地執(zhí)行準(zhǔn)時(shí)（just-in-time）生產(chǎn)計(jì)劃。主MPC控制器中的精簡范圍計(jì)劃優(yōu)化的規(guī)劃可以與如在離線計(jì)劃工具中使用的單周期計(jì)劃優(yōu)化的規(guī)劃類似或相同，但通常其時(shí)間范圍被縮短，諸如在一天和十四天之間。

本專利文件中的其余描述被劃分如下。描述了可以在工業(yè)過程控制和自動化設(shè)定中使用的多尺度模型，以及提供了使用多尺度模型的MPC級聯(lián)解決方案。描述了用于以代理限制形式合并多尺度模型的渠道（conduit），以及提供了用于改善用戶體驗(yàn)的多尺度解決方案。此外，公開了使用貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本作為將中央經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)施加于中間流的價(jià)格/成本的方式，并且描述了可以在使用MPC級聯(lián)解決方案的某些系統(tǒng)中使用的模型結(jié)構(gòu)。最后，提供了模型驗(yàn)證技術(shù)，以及公開了用于處理MPC級聯(lián)解決方案中的主-從變量的技術(shù)。

盡管圖1圖示了工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)100的一個(gè)示例，但可以對圖1做出各種改變。例如，控制和自動化系統(tǒng)可以包括任意數(shù)量的傳感器、致動器、控制器、服務(wù)器、操作者站、網(wǎng)絡(luò)和其他部件。而且，圖1中系統(tǒng)100的組成和布置僅是為了說明。根據(jù)特定需要可以以任意其他合適的配置來添加、省略、組合或放置部件。此外，已經(jīng)描述了由系統(tǒng)100的特定部件來執(zhí)行特定功能。這僅是用于說明。一般地，控制和自動化系統(tǒng)是高度可配置的并且可以根據(jù)特定需要以任意合適的方式來配置。此外，圖1圖示了其中可以使用MPC級聯(lián)解決方案的示例環(huán)境。此功能可以在任意其他合適的設(shè)備或系統(tǒng)中使用。

多尺度模型

考慮具有多個(gè)單元的工業(yè)工廠。在高級別處，應(yīng)該建立所有過程單元間的總體材料、部件和能量平衡。在低級別處，每個(gè)單元應(yīng)該被適當(dāng)?shù)乜刂埔源_保工廠中的安全和單元的平滑高效操作。

計(jì)劃和MPC模型是可以用來解決級聯(lián)MPC架構(gòu)中的多級問題的多尺度模型對的示例。圖2A和2B圖示了在根據(jù)本公開的工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中用來支持級聯(lián)MPC方法的示例計(jì)劃和MPC模型。特別地，圖2A表示基于產(chǎn)量的計(jì)劃模型200，以及圖2B表示MPC模型250。

如在圖2A中所示，計(jì)劃模型200標(biāo)識多個(gè)單元202，其一般地操作來將饋送材料的一個(gè)或多個(gè)輸入流204轉(zhuǎn)換成經(jīng)處理材料的一個(gè)或多個(gè)輸出流206。在此示例中，單元202表示石油和天然氣精煉廠中的將單個(gè)輸入流204（原油）轉(zhuǎn)換成多個(gè)輸出流206（不同的精煉石油/天然氣產(chǎn)品）的部件。由單元202創(chuàng)建各種中間產(chǎn)品208，以及一個(gè)或多個(gè)儲存罐210可以用來儲存中間產(chǎn)品208中的一個(gè)或多個(gè)。如在圖2B中所示，MPC模型250標(biāo)識了單個(gè)單元的多個(gè)部件252。各種閥門和其他致動器254可以用來調(diào)整單元內(nèi)的操作，以及各種APC和其他控制器256可以用來控制單元內(nèi)的致動器。

一般地，計(jì)劃模型200以“鳥瞰”視角著眼于整個(gè)工廠（或其部分）并且因此表示粗尺度上的各個(gè)單元。計(jì)劃模型200集中于與工廠內(nèi)部的單元生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、材料和能量平衡以及制造活動有關(guān)的單元間穩(wěn)態(tài)關(guān)系。計(jì)劃模型200通常（但不總是）包括過程產(chǎn)量模型和產(chǎn)品質(zhì)量屬性?？梢愿鶕?jù)各種源（諸如計(jì)劃工具、調(diào)度工具、產(chǎn)量驗(yàn)證工具和/或歷史操作數(shù)據(jù)）的組合來構(gòu)造計(jì)劃模型200。然而，MPC模型250表示更細(xì)尺度上的至少一個(gè)單元。MPC模型250集中于與單元的安全、平滑和高效操作有關(guān)的受控變量（CV）、操縱變量（MV）和干擾變量（DV）之間的單元內(nèi)動態(tài)關(guān)系。兩個(gè)模型200、250的時(shí)間尺度也是不同的。MPC模型的時(shí)間范圍通常從幾分鐘到幾小時(shí)變動，而計(jì)劃模型的時(shí)間范圍通常從幾天到幾個(gè)月變動。注意，“受控變量”一般表示其值被控制為在設(shè)定點(diǎn)處或在設(shè)定點(diǎn)附近或在期望范圍內(nèi)的變量，而“操縱變量”一般表示為了改變至少一個(gè)受控變量的值而被調(diào)整的變量。“干擾變量”一般表示其值可以被考慮但不被控制或調(diào)整的變量。

計(jì)劃模型200經(jīng)?？梢耘懦⑶覒?yīng)該排除非產(chǎn)品相關(guān)或非經(jīng)濟(jì)相關(guān)的變量，諸如每個(gè)單元內(nèi)的壓力、溫度、罐內(nèi)液面和閥門開度。代替地，計(jì)劃模型200可以將過程單元簡化為一個(gè)或若干個(gè)材料或能量產(chǎn)品向量。另一方面，MPC模型250通常包括用于控制目的以便幫助確保單元的安全和高效操作的所有操作變量。結(jié)果，MPC模型250包括相比于計(jì)劃模型200的用于單元的更多變量。作為具體示例，用于石油精煉廠的流態(tài)化催化裂化單元（FCCU）的MPC模型250可以包含大約100CV（輸出）和40MV（輸入）。相同單元的計(jì)劃模型200可以僅集中于饋送質(zhì)量和操作模式（作為輸入）與FCCU產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量（作為輸出）之間的關(guān)鍵因果關(guān)系，所以計(jì)劃模型200可以具有少至三個(gè)或四個(gè)輸入和十個(gè)輸出。這種變量差別常規(guī)上已經(jīng)是對于有效地整合多級別解決方案的障礙。在下面的表1中總結(jié)了附加的差別，表1比較了兩個(gè)模型200、250的典型焦點(diǎn)。

表1。

存在使用粗尺度計(jì)劃模型200的若干優(yōu)點(diǎn)。例如，在不與任意單個(gè)過程單元內(nèi)部可能模糊的細(xì)節(jié)相糾纏的情況下，可以使用計(jì)劃模型200來緊湊地和清楚地規(guī)劃全廠范圍經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。而且，可以首先采用分而治之（divide-and-conquer）的方法來解決高級別優(yōu)化問題，并且然后找到將該解決方案向下傳遞到每個(gè)單元的方式。

雖然緊湊的良好構(gòu)建的計(jì)劃模型200使計(jì)劃問題建立起來容易、觀察起來清楚并且解決起來快速，但其帶來缺點(diǎn)——任何單元內(nèi)部的詳細(xì)變量不具有可見性。盡管這些詳細(xì)變量中的許多可能與高級別生產(chǎn)計(jì)劃關(guān)系不大，但小的子集通常與高級別生產(chǎn)計(jì)劃有關(guān)系。當(dāng)計(jì)劃模型200在任意較低級別單元內(nèi)部不具有可見性時(shí)，其不可能保證其解決方案（無論最優(yōu)與否）將施行所有單元的較低級別約束。這是為何常規(guī)計(jì)劃解決方案常常需要被手動轉(zhuǎn)化或修正以適應(yīng)單元內(nèi)部的操作約束以及可能在轉(zhuǎn)化中損失顯著利潤率的一個(gè)原因。如果調(diào)度解決方案使用處于粗尺度的基于產(chǎn)量的計(jì)劃模型200，則對于調(diào)度解決方案來說也是如此。

從整體角度來看，利用高級別的基于產(chǎn)量的計(jì)劃模型200所規(guī)劃的優(yōu)化或控制問題可以得益于低級別MPC模型250?；驹碓谟谟糜诒ＷC單元中的約束滿足的細(xì)節(jié)通常已經(jīng)在單元的MPC模型250中，盡管這些細(xì)節(jié)不一定以正確的模型格式來組織。理想地，MPC模型250可以被用來補(bǔ)充用于以按需為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)劃的單元約束的細(xì)節(jié)。下面所描述的級聯(lián)MPC方法提供了結(jié)構(gòu)化框架，其中可以有效地使用MPC模型來將低級別細(xì)尺度模型信息提供給高級別粗尺度全廠范圍優(yōu)化規(guī)劃或控制規(guī)劃。下面所描述的級聯(lián)MPC方法可以利用計(jì)劃模型200和MPC模型250來提供此功能。

使用多尺度模型的級聯(lián)MPC解決方案

從全廠范圍角度來看，控制和計(jì)劃常常被耦合。計(jì)劃通常依賴于控制來建立用于優(yōu)化的可行性區(qū)域，而控制通常依賴于計(jì)劃來協(xié)調(diào)單元并且在其最高可能的有利潤的操作點(diǎn)處運(yùn)行整個(gè)工廠。因此計(jì)劃常常依賴于MPC控制器來將約束推送到每個(gè)單元內(nèi)部以創(chuàng)建更大的可行性區(qū)域以用于全廠范圍優(yōu)化。同時(shí)，在MPC控制器知道哪些約束真實(shí)地是全廠范圍瓶頸并且因此應(yīng)該被推送以及哪些約束不是并且可以保持不活躍之前，MPC控制器常常依賴于來自計(jì)劃的指導(dǎo)。這兩個(gè)解決方案層因此相互依賴并且應(yīng)該被同時(shí)對待。

解決這種耦合問題的一種方式是共同地設(shè)計(jì)控制和全廠范圍優(yōu)化。因?yàn)槊總€(gè)MPC控制器具有嵌入式經(jīng)濟(jì)優(yōu)化器，所以可以設(shè)計(jì)執(zhí)行全廠范圍優(yōu)化和單元級別MPC控制兩者的單個(gè)大型全廠范圍MPC控制器。然而，這樣的整體全或無式（all-or-nothing）MPC解決方案具有各種缺點(diǎn)。任意共同設(shè)計(jì)方法的一個(gè)挑戰(zhàn)已經(jīng)是同時(shí)提供較低級別處的分散化控制和較高級別處的集中化控制。

圖3A和3B圖示了根據(jù)本公開的用于工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)的示例級聯(lián)MPC架構(gòu)300。如圖3A中所示，級聯(lián)架構(gòu)300包括主MPC控制器302和一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器304a-304n。從MPC控制器304a-304n與一個(gè)或多個(gè)常規(guī)過程控制器306a-306m交互。從MPC控制器304a-304n可以表示級別3控制器，而過程控制器306a-306m可以表示級別2控制器。

每個(gè)MPC控制器302、304a-304n支持經(jīng)濟(jì)優(yōu)化和多變量控制功能。主MPC控制器302使用計(jì)劃模型200（諸如基于產(chǎn)量的單周期計(jì)劃模型）來提供初始穩(wěn)態(tài)增益矩陣，以及可以使用工廠的操作數(shù)據(jù)（諸如歷史數(shù)據(jù)）來確定相關(guān)模型動態(tài)特性。主MPC控制器302進(jìn)行操作來控制工廠內(nèi)的產(chǎn)品庫存、制造活動、或產(chǎn)品質(zhì)量。主MPC控制器302的嵌入式經(jīng)濟(jì)優(yōu)化器（其被提供有相同的計(jì)劃模型結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)特性）因此可以再現(xiàn)單周期離線計(jì)劃優(yōu)化，但是以在線和實(shí)時(shí)的方式。

主MPC控制器302級聯(lián)于n個(gè)從MPC控制器304a-304n（n是大于或等于一的整數(shù)）的頂部。從MPC控制器304a-304n為主MPC控制器302提供用于工廠的每個(gè)單元的未來預(yù)測和操作約束。利用此信息，來自級聯(lián)架構(gòu)300的實(shí)時(shí)計(jì)劃解決方案降低或消除了上文所討論的缺點(diǎn)。共同地，MPC控制器302、304a-304n同時(shí)地利用細(xì)尺度MPC模型250提供低級別處的分散化控制以及利用粗尺度計(jì)劃模型200提供較高級別處的集中化全廠范圍優(yōu)化，所有都處于一個(gè)一致的級聯(lián)控制系統(tǒng)中。

生產(chǎn)計(jì)劃常常需要被手動轉(zhuǎn)換成一組操作指令的另一個(gè)原因在于開環(huán)計(jì)劃解決方案具有通常從幾天到一周（對于單周期而言）變動的時(shí)間范圍，并且其一般每天僅執(zhí)行一次或每若干天僅執(zhí)行一次。因此，其缺乏有效反饋機(jī)構(gòu)來應(yīng)對不確定性，諸如在饋送質(zhì)量中或環(huán)境條件中的變化、過程單元混亂、加熱或冷卻能力限制以及維護(hù)。為了幫助應(yīng)對這些情況，優(yōu)化器被嵌入于主MPC控制器302中，以及該優(yōu)化器可以按用戶定義的頻率執(zhí)行，該用戶定義的頻率諸如是從每若干分鐘一次到一小時(shí)一次變動的頻率?？梢园丛擃l率測量或估計(jì)每個(gè)單元的生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量兩者，以及如在任意標(biāo)準(zhǔn)MPC中那樣，預(yù)測誤差可以在主MPC控制器302中被偏差校正。如果來自最初的最優(yōu)計(jì)劃的任意偏離被檢測到，則可以立即進(jìn)行全廠范圍再優(yōu)化。新的最優(yōu)生產(chǎn)目標(biāo)然后可以被發(fā)送到從MPC控制器304a-304n并且由從MPC控制器304a-304n進(jìn)行實(shí)施，從而減少或消除對于手動轉(zhuǎn)換或調(diào)整的需要。

也可以根據(jù)常規(guī)MPC優(yōu)化設(shè)定來修改某些優(yōu)化設(shè)定以便實(shí)時(shí)捕獲附加收益。傳統(tǒng)MPC方法和級聯(lián)MPC解決方案之間的某些相似性和差別可以包括如下：

·目標(biāo)函數(shù)可以保持與離線計(jì)劃相對部分中相同。

·主MPC控制器302中的時(shí)間范圍可以是在線調(diào)諧參數(shù)（諸如從若干小時(shí)到若干天或若干周變動的參數(shù)），并且其可以比在離線（特別是多周期）計(jì)劃中使用的時(shí)間范圍更短。

·該調(diào)諧可以被設(shè)定為以準(zhǔn)時(shí)制造的形式來捕獲更多收益。針對調(diào)諧的考慮可以包括（作為示例）事先多遠(yuǎn)來投放產(chǎn)品訂單，產(chǎn)品訂單的方差（在數(shù)量和等級兩方面），可以追求什么樣的附加購買/售賣機(jī)會，以及什么樣的半成品部件可以與合作伙伴進(jìn)行交換或者在現(xiàn)貨市場上購買/售賣。

·可以利用實(shí)時(shí)測量結(jié)果反饋來動態(tài)地控制生產(chǎn)庫存和產(chǎn)品屬性。

·時(shí)間范圍內(nèi)的產(chǎn)品訂單是已知的，這與在離線相對部分中所估計(jì)的是相對的。主MPC控制器302可以產(chǎn)生準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃，這與基于假設(shè)訂單的計(jì)劃是相對的。

·可以利用與從MPC控制器304a-304n相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)量驗(yàn)證機(jī)構(gòu)來實(shí)時(shí)更新在主MPC控制器302中使用的計(jì)劃模型200。在交叉驗(yàn)證（諸如針對計(jì)量誤差）之后，所測量的產(chǎn)量可以被用來更新計(jì)劃模型200，并且主MPC控制器302可以生成更精確的有利潤的生產(chǎn)計(jì)劃。

級聯(lián)架構(gòu)300提供控制分層視圖350，如在圖3B中所示出的那樣。級聯(lián)架構(gòu)300通過獲得計(jì)劃模型200的副本并通過添加延遲和斜坡而將副本移植到MPC控制器上來在常規(guī)控制和自動化系統(tǒng)中分解分割線。在主MPC控制器302處，單元饋送速率可以被用作MV，以及生產(chǎn)庫存可以被用作CV。主MPC控制器302是實(shí)時(shí)計(jì)劃執(zhí)行器，其理解來自計(jì)劃模塊200的主要部分（big picture）并且使用每個(gè)單元的MPC模型250以用于高級過程控制。主MPC控制器302因此可以與從MPC控制器304a-304n相呼應(yīng)地優(yōu)化工廠，從而生成最佳可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃，同時(shí)施行所有單元的約束。

可以認(rèn)為由主MPC控制器302使用的計(jì)劃模型200包含兩部分，即（i)用于MPC控制的動態(tài)模型以及（ii）用于經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)模型（其是動態(tài)模型的穩(wěn)態(tài)部分）。主MPC控制器302通過利用MPC反饋實(shí)時(shí)地在有意義的程度上接近最初計(jì)劃來再現(xiàn)離線計(jì)劃優(yōu)化，以改進(jìn)離線計(jì)劃優(yōu)化的準(zhǔn)確度，由此結(jié)合之前不可用的實(shí)時(shí)信息。主MPC控制器的模型200的動態(tài)特性可以從工廠的操作數(shù)據(jù)來識別，以及主MPC控制器302可以提供閉環(huán)中的期望庫存/屬性控制。因?yàn)閬碜灾鱉PC控制器302的控制和優(yōu)化解決方案施行來自從MPC控制器304a-304n的操作約束，這使得主MPC控制器302能夠在閉環(huán)中運(yùn)行并且使MPC級聯(lián)成為可能。這在提供集中化緊湊廠級優(yōu)化和單元級分散化MPC控制兩者的同時(shí)被完成。

主MPC控制器302的多變量控制功能可以表示使用庫存水平作為其主要CV的生產(chǎn)控制器或庫存控制器的類型（這里“庫存”指的是材料/能量/等等在當(dāng)前狀態(tài)下、在預(yù)測的未來狀態(tài)下或兩者下的累積量）?？梢灾苯油ㄟ^主MPC控制器302、間接地經(jīng)由從MPC控制器304a-304n、或間接地經(jīng)由過程控制器306a-306n（諸如RMPCT控制器）來配置每個(gè)單元變化率（或MV）。每個(gè)從MPC控制器304a-304n可以（經(jīng)由下文描述的代理限制）預(yù)測每個(gè)單元的變化率中的“剩余空間”，以及主MPC控制器302可以抑制對該單元不能接受的變化率進(jìn)行請求。主MPC控制器302可以進(jìn)一步包括用于材料/能量平衡（模型/約束）的CV。

主MPC控制器302包括用于使用計(jì)劃模型來執(zhí)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化操作的任意合適的結(jié)構(gòu)。主MPC控制器302可以例如表示單輸入單輸出（SISO）控制器、多輸入多輸出（MIMO）控制器或具有其他數(shù)量的輸入和輸出的控制器。每個(gè)從MPC控制器304a-304n包括用于與主MPC控制器交互的任意合適的結(jié)構(gòu)。每個(gè)從MPC控制器304a-304n可以例如表示SISO控制器、MIMO控制器或具有其他數(shù)量的輸入和輸出的控制器。

代理限制

主MPC控制器302是使用精簡模型的獨(dú)立MPC控制器。為了主MPC控制器302級聯(lián)在從MPC控制器304a-304n之上，主MPC控制器302施行從控制器304a-304n的約束，或者總體組合解決方案可能不是最優(yōu)的或甚至實(shí)施起來不可行。為了幫助避免這種情況，使用代理限制來合并多尺度模型。代理限制是從MPC控制器的（多個(gè)）約束在主MPC控制器的空間中的替代表示。代理限制可以被看作各個(gè)從MPC控制器和主MPC控制器之間的用以將從MPC控制器的約束“輸送”到主MPC控制器的渠道。來自多個(gè)從MPC控制器304a-304n的代理限制可以被組合并且被包括在主MPC控制器的控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化規(guī)劃中。

可以在主MPC控制器302的MV空間中表達(dá)代理限制，但可以在從MPC控制器304a-304n的MV空間中計(jì)算它們的邊界值。對于主MPC控制器302的每個(gè)MV，其下游從MPC控制器中的每個(gè)都可以預(yù)測在一個(gè)或多個(gè)從CV或MV將到達(dá)它們的操作限制之前其可以移動的距離量。當(dāng)來自主MPC控制器302的兩個(gè)或更多MV與從MPC控制304a-304n相關(guān)聯(lián)時(shí)，代理限制在本質(zhì)上可以是多變量的。

圖4圖示了在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中的代理限制的示例使用。特別地，圖4圖示了在用于FCCU的級聯(lián)架構(gòu)中的代理限制的示例使用，其中一個(gè)代理限制可以充分表示整個(gè)單元。假設(shè)FCCU的饋送在用于主MPC控制器302的計(jì)劃模型200中被配置為MV4以及在用于從MPC控制器304a的MPC模型250中被配置為MV9。而且，假定到該單元的當(dāng)前饋送速率具有33.5的值。進(jìn)一步假定從MPC控制器304a預(yù)測饋送速率可以在一個(gè)或多個(gè)從CV和/或MV將碰到如在表402中所示的一個(gè)或多個(gè)限制之前一直增加到38.1的最大值。表402在這里示出了由從MPC控制器304a控制的不同CV以及由從MPC控制器304a用來控制那些CV的不同MV。38.1的最大邊界值被傳遞到主MPC控制器302并且用作用于主MPC控制器的MV4的高代理限制。

在每個(gè)單元中，不管多少從約束可以限制主MPC控制器的MV（諸如單元饋送速率），主MPC控制器302僅需要知道其應(yīng)該停止推送其MV（否則可能導(dǎo)致某個(gè)較低級別的約束違反）的點(diǎn)。此停止點(diǎn)與代理限制相一致，該代理限制表示可以限制主MPC控制器的MV的對應(yīng)低級別單元中的整個(gè)有效從約束集合。在上文的具體示例中，對于低級別FCCU單元中的所有從約束而言僅需要一個(gè)代理限制，但是也可以使用多個(gè)代理限制。

代理限制的一個(gè)特征在于單元中的所有從MPC約束可以被提取到一個(gè)或若干個(gè)代理限制中。代理限制因此起到用于將粗尺度模型200在主MPC控制器302中保持完整同時(shí)有效地將其與細(xì)尺度從MPC模型250合并的結(jié)合機(jī)制的作用。換言之，這使得有可能將全廠范圍優(yōu)化問題以其原始緊湊計(jì)劃格式保持在主MPC控制器302內(nèi)部，而不強(qiáng)迫粗尺度模型200被擴(kuò)展到兼容的細(xì)尺度模型中。

在代理限制的幫助下，使用級聯(lián)MPC方法的共同優(yōu)化解決方案提供了各種益處。例如，嵌入式實(shí)時(shí)計(jì)劃解決方案在從MPC控制器304a-304n中施行單元級別操作約束，以及主MPC控制器302動態(tài)地控制離線計(jì)劃工具將以開環(huán)來管理的相同的變量集合（諸如庫存或質(zhì)量）。有效地，單元中所有相關(guān)MPC約束被提取到一個(gè)或多個(gè)代理限制中，該一個(gè)或多個(gè)代理限制進(jìn)而被包括在主MPC控制器的優(yōu)化中。此外，代理限制使分層優(yōu)化比單層更具吸引力。另外，開環(huán)優(yōu)化解決方案的轉(zhuǎn)化或手動調(diào)整的實(shí)踐可以被減少或消除。通過在線交叉利用（cross-leverage）計(jì)劃模型和控制模型兩者，級聯(lián)的MPC方法使得有可能實(shí)時(shí)地在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行全廠范圍優(yōu)化。其因此同時(shí)在廠級處利用粗尺度計(jì)劃模型200提供集中化優(yōu)化以及在單元級處利用細(xì)尺度MPC模型250提供分散化控制。

注意，MPC與代理限制級聯(lián)的概念已經(jīng)被描述為利用級別3 MPC控制器作為從控制器來執(zhí)行。然而，此概念可以與不同級別的控制和自動化系統(tǒng)一起使用或擴(kuò)展到不同級別的控制和自動化系統(tǒng)。例如，工廠內(nèi)的多個(gè)級聯(lián)架構(gòu)300中的主MPC控制器可以形成用于廠級主MPC控制器的從MPC控制器。作為特定示例，用于石油/天然氣精煉廠的廠級主MPC控制器可以使用簡單產(chǎn)量向量（原油作為一個(gè)輸入饋送并且精煉產(chǎn)品作為多個(gè)輸出饋送）。類似地，多個(gè)廠級主MPC控制器可以起到對于企業(yè)級主MPC控制器的從MPC控制器的作用。作為特定示例，如果不同的精煉廠與不同的市場相關(guān)聯(lián)，則多個(gè)精煉廠之上的企業(yè)級主MPC控制器可以實(shí)時(shí)地基于區(qū)域性產(chǎn)品需求/供應(yīng)和每個(gè)精煉廠的生產(chǎn)能力來計(jì)算全局最優(yōu)值。

用于改善用戶體驗(yàn)的多尺度解決方案

因?yàn)榧壜?lián)MPC架構(gòu)300使用一對模型，所以計(jì)劃模型200自然可以被用來提供具有工廠的清晰鳥瞰視圖的圖形用戶界面（GUI）。圖5圖示了用于供根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)使用的示例GUI 500。該GUI 500包括標(biāo)識了計(jì)劃模型200內(nèi)的不同單元202的各種圖標(biāo)502。主MPC控制器302可以在GUI 500內(nèi)提供各種信息。例如，主MPC控制器302可以提供單元生產(chǎn)速率、可用庫存、已調(diào)度的產(chǎn)品交付、成本結(jié)構(gòu)、總利潤率、每個(gè)單元對利潤率的貢獻(xiàn)以及與產(chǎn)品計(jì)劃的實(shí)時(shí)執(zhí)行有關(guān)的其他相關(guān)信息。

主MPC控制器302也允許操作者通過查看單元的代理限制來在GUI 500內(nèi)容易地識別哪些單元是全廠范圍瓶頸。具有至少一個(gè)有效代理限制的任何單元202是全局瓶頸，諸如當(dāng)單元的吞吐量實(shí)際上由其從MPC控制器內(nèi)部的低級別約束來約束時(shí)?？梢允褂迷贕UI 500中的指示符504（諸如色環(huán)）來圖形地標(biāo)識這些單元，以提供清楚的“看一眼（at a glance）”視圖。邊際利潤值可以可選地在每個(gè)瓶頸單元旁邊被顯示，以指示如果增加該單元的吞吐量的話該工廠可以實(shí)現(xiàn)的利潤增量。

操作者（諸如生產(chǎn)經(jīng)理或計(jì)劃者）可以使用GUI 500來深入了解瓶頸單元。例如，如果選擇GUI 500中的特定圖標(biāo)502，則用于所選擇單元202的MPC模型250可以被顯示給操作者。所顯示的MPC模型250表示從MPC控制器的GUI，其示出了當(dāng)前正限制該單元的生產(chǎn)吞吐量的有效約束。如果選擇了MPC模型250中的特定控制器，則表402可以被顯示給操作者。

可以使用指示符506（諸如色環(huán)）來標(biāo)識表402中的當(dāng)前正充當(dāng)約束（諸如由于設(shè)備或維護(hù)問題）的變量。如果由操作者選擇表402中的特定變量，則維護(hù)GUI 508或其他界面可以被呈現(xiàn)給操作者。例如，操作者可以選擇閥門約束并且針對該閥門查看維護(hù)GUI 508。維護(hù)GUI 508可以指示為該閥門安排兩周內(nèi)的維護(hù)。如同主MPC控制器502，從MPC控制器304a-304n可以在表402中的每個(gè)有效約束旁邊顯示邊際利潤值，以指示如果該約束被減輕（這進(jìn)而會幫助增加吞吐量）的話工廠可以實(shí)現(xiàn)的利潤增量。

在復(fù)雜設(shè)施中，通常在任何給定時(shí)刻都存在需要被服務(wù)的一長列致動器和其他設(shè)備。維護(hù)人員常常不具有足夠的指導(dǎo)來將他們的維護(hù)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先化。可以說關(guān)于APC維護(hù)任務(wù)和其他維護(hù)任務(wù)也是如此。以圖5中所示的方式,可以用增量利潤量來標(biāo)記每個(gè)維護(hù)任務(wù),并且可以按利潤影響而不是按服務(wù)請求時(shí)間來容易地對任務(wù)列表進(jìn)行排序。常常，瓶頸可能是由單元中的簡單維護(hù)問題所導(dǎo)致的。某些影響利潤的項(xiàng)目可能長時(shí)間保持未修理，因?yàn)闆]有人知道不修繕那些項(xiàng)目的代價(jià)。利用多層控制系統(tǒng)GUI，可以通過維護(hù)任務(wù)的經(jīng)濟(jì)影響來容易地對維護(hù)任務(wù)進(jìn)行排序，并且可以建立新的以經(jīng)濟(jì)為中心的自動化維護(hù)框架。

貢獻(xiàn)值和代價(jià)

返回圖2A，如上文所述，在計(jì)劃模型200中示出的過程單元202一般地操作來將一個(gè)或多個(gè)輸入流204轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)輸出流206，同時(shí)創(chuàng)建各種中間產(chǎn)品208。主MPC控制器302或從MPC控制器304a-304n在執(zhí)行其控制或優(yōu)化操作時(shí)可以使用貢獻(xiàn)值和/或貢獻(xiàn)成本。

每個(gè)貢獻(xiàn)值可以與用來產(chǎn)生一種或多種最終產(chǎn)品（最終產(chǎn)品表示由該過程系統(tǒng)輸出的產(chǎn)品）的中間產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)?？梢允褂迷撝虚g產(chǎn)品對每種最終產(chǎn)品的貢獻(xiàn)和每種最終產(chǎn)品的價(jià)格來計(jì)算貢獻(xiàn)值。在一些實(shí)施例中，中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)值被計(jì)算為：

這里，n表示可以使用中間產(chǎn)品所生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的數(shù)量。而且，Contribution_i表示致力于生產(chǎn)第i種最終產(chǎn)品的中間產(chǎn)品的百分比，以及ProductPrice_i表示針對第i種最終產(chǎn)品的期望或當(dāng)前市場價(jià)格。此外，F(xiàn)urtherProcessingCost_i表示生產(chǎn)第i種最終產(chǎn)品所需要的附加處理成本（其可以可選地被省略或被設(shè)定為零）。

在其他實(shí)施例中，中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)值被計(jì)算為：

這里，針對第i種最終產(chǎn)品的產(chǎn)品價(jià)格可以被調(diào)整以校正各種生產(chǎn)過剩和生產(chǎn)不足情景或其他情況。例如，當(dāng)?shù)趇種最終產(chǎn)品的所規(guī)劃的生產(chǎn)超過其計(jì)劃時(shí)，該最終產(chǎn)品的價(jià)格可以被降低以計(jì)及儲存成本和未來訂單風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)?shù)趇種最終產(chǎn)品所規(guī)劃的生產(chǎn)低于其計(jì)劃時(shí)，如果存在對錯(cuò)過訂單截止期限的懲罰，則該最終產(chǎn)品的價(jià)格可以被增加。

注意，也可以對貢獻(xiàn)值進(jìn)行各種調(diào)整。例如，當(dāng)儲存可用時(shí)，通常有價(jià)值的中間產(chǎn)品可以被儲存和保存以用于下個(gè)計(jì)劃周期（而不是減少其在當(dāng)前周期中的貢獻(xiàn)值）。作為另一個(gè)示例，如果超額的中間產(chǎn)品可以在現(xiàn)貨市場上售賣，則可以將更高的貢獻(xiàn)值分配給該中間產(chǎn)品。此外，注意到貢獻(xiàn)值可以被聯(lián)系在一起以用于當(dāng)前計(jì)劃周期并且用于下一計(jì)劃周期，這可以有助于降低當(dāng)前周期的末尾處的不期望的逐漸減小范圍的效應(yīng)。

每個(gè)貢獻(xiàn)成本可以與使用一種或多種饋送產(chǎn)品（饋送產(chǎn)品表示輸入到過程系統(tǒng)中的材料）生產(chǎn)的中間產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)?？梢允褂迷撝虚g產(chǎn)品對每種饋送產(chǎn)品的使用率和每種饋送產(chǎn)品的價(jià)格來計(jì)算貢獻(xiàn)成本。在一些實(shí)施例中，中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)成本被計(jì)算為：

這里，m表示用來生產(chǎn)中間產(chǎn)品的饋送產(chǎn)品的數(shù)量。而且，Contribution_i表示致力于生產(chǎn)該最終產(chǎn)品的第i種饋送產(chǎn)品的百分比，以及FeedCost_i表示針對第i種饋送產(chǎn)品的期望或當(dāng)前市場價(jià)格。此外，UpstreamProcessingCost_i表示處理第i種饋送產(chǎn)品和生產(chǎn)中間產(chǎn)品所需要的處理成本（其可以可選地被省略或設(shè)定為零）。

在其他實(shí)施例中，中間產(chǎn)品的貢獻(xiàn)成本被計(jì)算為：

這里，第i種饋送產(chǎn)品的成本可以被調(diào)整以校正各種生產(chǎn)過剩和生產(chǎn)不足情景或其他情況。例如，當(dāng)?shù)趇種饋送產(chǎn)品的所規(guī)劃的庫存超過其計(jì)劃或儲存容量時(shí)，其經(jīng)調(diào)整的成本可以被降低以促進(jìn)消耗。當(dāng)?shù)趇種饋送產(chǎn)品的所規(guī)劃的庫存降到其計(jì)劃或儲存容量以下時(shí)，其經(jīng)調(diào)整的成本可以被增加以減少消耗。注意，也可以對貢獻(xiàn)成本進(jìn)行各種調(diào)整。例如，當(dāng)饋送產(chǎn)品的經(jīng)調(diào)整的成本大于其現(xiàn)貨市場價(jià)格時(shí)，可以使用“制造對比購買”分析來確定購買中間產(chǎn)品而不是生產(chǎn)該中間產(chǎn)品是否會是更經(jīng)濟(jì)的。

圖6圖示了用于將貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本與根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)一起使用的示例技術(shù)。在此示例中，主MPC控制器302進(jìn)行操作來（i）基于其計(jì)劃模型、其經(jīng)濟(jì)特性以及來自先前迭代的數(shù)據(jù)來迭代地識別貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本，以及（ii）基于貢獻(xiàn)值和成本以及代理值來迭代地識別所預(yù)測的產(chǎn)量。該貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)成本可以被提供給從MPC控制器以用于它們的局部優(yōu)化需要。一旦找到最優(yōu)解決方案（諸如優(yōu)化的計(jì)劃），則主MPC控制器302向從MPC控制器304a-304n提供優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)特性。關(guān)于主MPC控制器302相對于使用貢獻(xiàn)值的操作的附加細(xì)節(jié)可以在美國專利申請公開No.2011/0040399（其通過引用以其整體結(jié)合于本文）中找到。

示例計(jì)劃模型結(jié)構(gòu)

在一些實(shí)施例中，可以使用一個(gè)或多個(gè)基礎(chǔ)模型來形成用于主MPC控制器302的計(jì)劃模型200。例如，兩個(gè)基礎(chǔ)模型（處理單元模型和匯集罐（pool tank）模型）可以被提供用于形成計(jì)劃模型。處理單元可以被建模為一個(gè)或多個(gè)輸入饋送以及一個(gè)或多個(gè)輸出饋送。匯集罐可以被建模為混合罐或非混合（簡單儲存）罐。注意，可以根據(jù)實(shí)施方式來使用其他或附加基礎(chǔ)模型。

圖7到9圖示了用于在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中形成計(jì)劃模型的示例基礎(chǔ)模型。圖7和8圖示了用于處理單元的示例模型，而圖9圖示了用于匯集罐的示例模型。

如圖7中所示，下面的傳遞函數(shù)可以用于輸入饋送和多個(gè)輸出產(chǎn)品之間的材料平衡。

這里，y_i是針對第i種產(chǎn)品的基礎(chǔ)產(chǎn)量，以及Δy_i是（m₁個(gè)元素的）向量。而且：

這里vg是體積增益并且其中：

此模型格式與常用于計(jì)劃模型中的結(jié)構(gòu)相匹配。嚴(yán)格說來，其不是線性模型，因?yàn)槠渚哂袔в卸卧鲆娴木€性動態(tài)特性。該模型具有每單元的單個(gè)輸入饋送，并且輸出產(chǎn)品的每個(gè)屬性具有與產(chǎn)品抽?。╬roduct draw）相似的時(shí)間常量和延遲。表2說明了針對單個(gè)饋送流的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，但是可以使用相同的方法來自然地?cái)U(kuò)展多個(gè)饋送。

表2。

如在圖8中所示，下面的傳遞函數(shù)可以用于將輸入饋送的第i個(gè)屬性傳遞到第j種產(chǎn)品的第i個(gè)屬性：

這里G_cj是（m₂個(gè)元素的）向量以及G ⁰_j是“傳遞通過（passing thru）”DV增益。此方法假定產(chǎn)品的每個(gè)屬性具有與產(chǎn)品抽取相似的時(shí)間常量和延遲，并且按默認(rèn)它們可以被設(shè)定成相同值。此方法還假設(shè)屬性可以被MPC控制器影響（或控制）。表3說明了針對單個(gè)饋送的材料流和屬性兩者的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，但是可以使用相同的方法來自然地?cái)U(kuò)展多個(gè)饋送。

表3。

各種技術(shù)可以被用來獲得以此方式定義的處理單元模型的動態(tài)特性。例如，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來估計(jì)動態(tài)特性并且利用工程知識來驗(yàn)證動態(tài)特性，在簡要步驟測試期間識別動態(tài)特性，或者在操作期間估計(jì)動態(tài)特性。也可以發(fā)生偏差更新和產(chǎn)量驗(yàn)證，諸如當(dāng)處理單元的集總產(chǎn)量（而不是基礎(chǔ)產(chǎn)量）被實(shí)時(shí)更新時(shí)。各種誤差校正方案也可以與主MPC控制器計(jì)劃模型一起使用。在第一誤差校正方案中，可以直接根據(jù)輸入流來計(jì)算產(chǎn)量，并且（過去的時(shí)間窗口內(nèi)的）平均產(chǎn)量可以被估計(jì)并且被用來預(yù)測在類似的時(shí)間窗口（該窗口的寬度可以是可調(diào)諧的）內(nèi)的未來平均產(chǎn)量。注意，所估計(jì)的產(chǎn)量可能需要在集總產(chǎn)量值被更新之前通過內(nèi)部可預(yù)測閾值（可能是可調(diào)諧的）。增益更新可以改進(jìn)模型預(yù)測準(zhǔn)確度，并且經(jīng)驗(yàn)證的增益可以具有對未來集總產(chǎn)量的更好的可預(yù)測性。在第二誤差校正方案中，可以使用偏差更新機(jī)制來更新主MPC模型預(yù)測內(nèi)部的偏差。

圖9圖示了一般匯集罐900的示例建模。匯集罐900表示用來儲存在設(shè)施中被制造的材料（諸如一個(gè)或多個(gè)中間產(chǎn)品）的結(jié)構(gòu)。上文中在圖2A中示出的儲存罐210是匯集罐的示例。多個(gè)材料流（Fin）流入罐900，并且每個(gè)流具有r個(gè)屬性。而且，多個(gè)材料流（Fout）流出罐900，并且所有流具有相同的屬性。當(dāng)前體積被表示為V，并且可以做出的假設(shè)是具有類似屬性的輸入流在匯集罐900中被匯集在一起。注意，下面描述的模型是針對用于匯集中間產(chǎn)品的罐，并且該模型可以適合于或可以不適合于最終產(chǎn)品調(diào)和。還注意的是，輸入流可以是足夠相似的，以使得對于測量反饋來說線性混合規(guī)則是足夠準(zhǔn)確的，但是可以使用其他方法（諸如使用非線性校正項(xiàng)或非線性調(diào)和法的那些方法）。

在匯集罐900的模型中，可以使用下面的材料平衡等式：

可以使用下面的等式來表示第i個(gè)體積屬性的調(diào)和：

使用拉普拉斯變換和重組可以獲得下面的等式：

在石油和天然氣系統(tǒng)中也可以使用調(diào)和獎(jiǎng)勵(lì)（blending bonuses），如下：

表4總結(jié)了一般匯集罐的建模。

表4。

假定在這里包括輸入流比它們的屬性變化得更頻繁并且可以（以自動化方式或在實(shí)驗(yàn)室中）充分測量輸入-輸出變量。

除了別的之外，使用基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的益處包括設(shè)計(jì)有限數(shù)量的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（諸如在上面的示例中是兩個(gè)），其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供在單元和罐如何被連接方面的靈活性 。例如，處理單元和匯集罐可以在配置后被固定，并且?guī)齑骟w積/屬性的狀態(tài)可以被動態(tài)跟蹤。處理單元和匯集罐之間的連接可以是無狀態(tài)的并且在運(yùn)行中（on-the-fly）改變。此外，可以在運(yùn)行中構(gòu)造用于主MPC控制器的計(jì)劃模型。另外，只要可以充分測量中間輸入-輸出信號，級聯(lián)架構(gòu)就可以容易地利用中間反饋，并且此方法可以支持改進(jìn)的模型更新，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與真正的處理單元更自然地對準(zhǔn)。

模型驗(yàn)證技術(shù)

主MPC控制器302或控制和自動化系統(tǒng)的其他部件可以實(shí)施驗(yàn)證技術(shù)以便驗(yàn)證要由主MPC控制器302使用的計(jì)劃模型。圖10圖示了用于在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中的驗(yàn)證計(jì)劃模型的示例技術(shù)。在圖10中，示出了控制器和其他設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)從MPC控制器304a-304n與至少一個(gè)過程元件（處理單元或匯集罐）1002a-1002r相關(guān)聯(lián)。每個(gè)過程元件1002a-1002r分別具有相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)量驗(yàn)證塊1004a-1004r。

除了別的之外，產(chǎn)量驗(yàn)證塊1004a-1004r支持模型驗(yàn)證，該模型驗(yàn)證涉及材料平衡、能量平衡、產(chǎn)品屬性或其他建模更新的包絡(luò)計(jì)算?？梢酝ㄟ^檢查在模型中材料、能量、或其他因素是平衡的來驗(yàn)證計(jì)劃模型?？梢砸詸?quán)重值或當(dāng)量值來進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，并且結(jié)果可以基于用戶的選擇（諸如權(quán)重或體積）而以不同的單位來呈現(xiàn)?？梢允褂脺囟?密度校正因子，并且各值可以被轉(zhuǎn)換成常見單位（諸如桶或噸）?？梢灾С衷诰唧w行業(yè)中的材料核算中常用的慣例。

在驗(yàn)證中可以考慮各種其他設(shè)計(jì)問題。例如，一些測量可以是間歇性的、不完整的、非周期性的、缺失的、延遲的、或部分不存在的，并且方案（諸如濾波或偏差更新）可以被用于應(yīng)對這樣的異常。而且，在一些情況下，當(dāng)存在（未計(jì)劃的或未測量的）不合規(guī)范的材料回收時(shí)，材料可以是不平衡的，這可以以任意合適的方式（諸如基于用戶輸入）來處理。此外，由于維護(hù)或異常過程條件，某些流的產(chǎn)量可能與其在一段時(shí)間內(nèi)的“正?！敝碉@著不同，這再次可以以任意合適的方式（諸如基于用戶輸入）來處理。

如上文所描述的，產(chǎn)量驗(yàn)證塊1004a-1004r也可以支持集總產(chǎn)量的偏差更新和產(chǎn)量驗(yàn)證。例如，產(chǎn)量驗(yàn)證塊1004a-1004r可以測量實(shí)時(shí)產(chǎn)量并且通過應(yīng)用材料平衡和體積/溫度校正來對實(shí)時(shí)產(chǎn)量進(jìn)行交叉驗(yàn)證。產(chǎn)量驗(yàn)證塊1004a-1004r也可以執(zhí)行上文所描述的第一誤差校正方案。

用于處理主-從變量的技術(shù)

上文所描述的代理限制允許來自從MPC控制器304a-304n的約束被傳遞到主MPC控制器302。圖11到16圖示了用于在根據(jù)本公開的級聯(lián)MPC架構(gòu)中將主MPC控制器和從MPC控制器中的變量進(jìn)行鏈接的示例技術(shù)。此技術(shù)允許主MPC控制器302在其操作期間考慮從MPC控制器304a-304n的約束。然而，注意到的是，可以使用其他方法。

如圖11中所示，主MPC控制器302具有MV/DV索引1102，其標(biāo)識了由主MPC控制器302使用的不同MV或DV。由主MPC控制器302控制的各種CV 1104可能受到那些MV或DV的影響。還存在標(biāo)識由從MPC控制器304a-304b所使用的不同MV或DV的MV/DV索引1106。由從MPC控制器304a-304b控制的各種CV 1108-1110可以受到那些MV或DV的影響。聯(lián)合變量（conjoint variable）表示在主MPC控制器和從MPC控制器兩者中相同的變量（諸如如上文所描述的主控制器中的MV4和從控制器中的MV9）。聯(lián)合變量可以被配置為主MPC控制器和從MPC控制器中的MV或DV。

可以通過將MV/DV索引1102中的值與MV/DV索引1106中的對應(yīng)值相關(guān)聯(lián)來耦合主CV約束和從CV約束。這指示了由MV/DV索引1102和MV/DV索引1106所標(biāo)識的變量是聯(lián)合變量。這允許主MPC控制器302的全廠范圍優(yōu)化包括來自從MPC控制器304a-304b的CV約束中的一些或所有。

如圖12中所示，從MPC控制器的至少一個(gè)CV可以經(jīng)由代理限制被“提升”為主MPC控制器。在與MV/DV索引1106的對應(yīng)的（多個(gè)）列相關(guān)聯(lián)的MV/DV索引1102的（多個(gè)）列中出現(xiàn)代理限制。例如，假定從MPC控制器中的CV約束被表達(dá)為：

使用下面的表達(dá)式，此CV約束可以被用作主MPC控制器中的CV代理限制：

這表示一種示例方式，在該示例方式中從MPC控制器的約束可以被傳遞到主MPC控制器并且被主MPC控制器使用。

從MPC控制器的約束可以以任意合適的方式被結(jié)合到主MPC控制器的計(jì)劃操作中。例如，圖13示出了如果從MPC控制器的自由MV被固定于它們的當(dāng)前值，則從控制器的CV約束可以在主控制器的MV空間1300中被標(biāo)繪。從控制器的MV限制表現(xiàn)為主控制器的MV空間1300中的簡單界限，以及從控制器的CV限制一般表現(xiàn)為線性約束。這些限制之間的可行性區(qū)域1302定義了值的可能組合，所述值的可能組合在滿足從MPC控制器的所有約束時(shí)可以由主MPC控制器選擇。由從控制器的約束所定義的可行性區(qū)域1302的形狀一般是多邊形或多面體。如圖14中所示，如果從MPC控制器的自由MV（出于任何原因）采取其他值，則可行性區(qū)域1302的形狀進(jìn)行改變。陰影條1402指示這些約束可以如何移位。類似地，如果從控制器的模型增益在運(yùn)行中被更新，則這些CV約束的斜率可以相應(yīng)地進(jìn)行改變。

如果在主MPC控制器和從MPC控制器之間存在單個(gè)聯(lián)合變量，則可行性區(qū)域1302可以在尺寸上被減小，諸如減小到圖15中所示出的可行性區(qū)域1502。當(dāng)存在通過在某一時(shí)間進(jìn)行小的改變來在給定方向上推送主MPC控制器的MV/DV的期望時(shí)可以完成這一點(diǎn)。在那種情況下，僅使用可行性空間的窄帶?？梢酝ㄟ^找出針對自由從控制器的MV的合適位置來計(jì)算此可行性區(qū)域1502的高值和低值。可以由來自主控制器的優(yōu)化調(diào)用來計(jì)算最大高值以用于從控制器來最大化其MV2值?？梢杂蓙碜灾骺刂破鞯膬?yōu)化調(diào)用來計(jì)算最小低值以用于從控制器來最小化其MV2值。最大化目標(biāo)函數(shù)可以被增強(qiáng)為包括產(chǎn)品和其他局部優(yōu)化部件的貢獻(xiàn)值。利用貢獻(xiàn)值，單元可以被推向更有利潤的產(chǎn)量分布。

如果在主MPC控制器和從MPC控制器之間存在兩個(gè)聯(lián)合變量，則可以如圖16中所示的那樣來定義可行性區(qū)域。在當(dāng)前MV點(diǎn)1602處（其在此示例中是原點(diǎn)），主MPC控制器可以估計(jì)一個(gè)水平可行條1604以及一個(gè)垂直可行條1606。這可以以與圖15中所示的相同方式來發(fā)生。每個(gè)條的寬度可以被增加直到其達(dá)到另一個(gè)條的兩端，這形成了創(chuàng)建可行性區(qū)域的初始表示的矩形區(qū)域1608。然而，矩形區(qū)域1608的拐角表示不可行區(qū)域，因?yàn)樗鼈冊趶腗PC控制器的約束外部。如果需要的話，可以使用各種方法來修剪矩形區(qū)域1608的拐角。例如，可以選擇從控制器的接近于當(dāng)前MV點(diǎn)或最后的最優(yōu)點(diǎn)的CV約束，以及1×2約束行可以被附加到主控制器的用于每個(gè)所選擇的從CV約束的約束集合。作為示例，可以從從控制器的MPC矩陣復(fù)制該1×2行（所選擇的行和2個(gè)聯(lián)合MV列）?？梢哉{(diào)用從控制器的優(yōu)化器來通過最大化CV高約束以及最小化CV低約束來最大化或最小化所選擇的CV。

注意，雖然上文描述了僅一個(gè)或兩個(gè)聯(lián)合變量，但這里所描述的方法可以擴(kuò)展為任意數(shù)量的聯(lián)合變量。此方法允許主MPC控制器考慮其從MPC控制器的約束，同時(shí)利用由那些約束定義的可行性區(qū)域來優(yōu)化工廠的操作。

示例方法

圖17圖示了用于在根據(jù)本公開的工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中使用級聯(lián)MPC控制器的示例方法1700。為了易于解釋，關(guān)于級聯(lián)MPC架構(gòu)300來描述方法1700，該級聯(lián)MPC架構(gòu)300可以在控制和自動化系統(tǒng)100中操作。該方法1700可以與任意其他合適的級聯(lián)MPC架構(gòu)一起使用以及可以在任意其他合適的系統(tǒng)中使用。

如圖17中所示，在步驟1702處，在主MPC控制器處獲得計(jì)劃模型，以及在步驟1704處，在從MPC控制器處獲得MPC模型。這可以包括例如生成計(jì)劃模型200或重新使用現(xiàn)有的計(jì)劃模型200，諸如單周期計(jì)劃模型。這也可以包括諸如通過使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來生成MPC模型250。

在步驟1706處，在級聯(lián)MPC架構(gòu)的操作期間，將優(yōu)化調(diào)用從主MPC控制器發(fā)送到從MPC控制器。該優(yōu)化調(diào)用可以請求從MPC控制器確定在不違反它們的約束的情況下是否（以及在什么程度上）可以對它們的MV值進(jìn)行某些改變。在步驟1708處，從MPC控制器通過將與它們的約束相關(guān)聯(lián)的代理限制值發(fā)送到主MPC控制器來進(jìn)行響應(yīng)。這可以包括例如從MPC控制器識別可以在什么程度上對它們的MV值做出某些改變以及哪些約束可能被違反。

在步驟1710處，在優(yōu)化操作期間由主MPC控制器使用代理限制值來操作計(jì)劃模型。這可以包括例如在主MPC控制器的控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化規(guī)劃中主MPC控制器組合來自多個(gè)從MPC控制器的代理限制值。同時(shí)，在步驟1712處，在控制操作期間由從MPC控制器來操作MPC模型。這可以包括例如從MPC控制器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)MPC功能，其中那些功能是基于由主MPC控制器生成的控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化規(guī)劃。以這種方式，在步驟1714處，共同計(jì)劃/優(yōu)化和控制功能可以出現(xiàn)在控制和自動化系統(tǒng)中。

盡管圖17圖示了用于在工業(yè)過程控制和自動化系統(tǒng)中使用級聯(lián)MPC控制器的方法1700的一個(gè)示例，但可以對圖17做出各種改變。例如，盡管示為一系列步驟，但在圖17中的各種步驟可以重疊、并行發(fā)生、以不同次序發(fā)生、或發(fā)生任何次數(shù)。

結(jié)論

本公開已經(jīng)提供了新穎的級聯(lián)MPC架構(gòu)，其彌補(bǔ)了計(jì)劃和控制之間的差距。該架構(gòu)包括級聯(lián)在一個(gè)或多個(gè)從MPC控制器（諸如在單元級處的從MPC控制器）上的主MPC控制器。主MPC控制器使用計(jì)劃模型以便控制工廠內(nèi)部的生產(chǎn)庫存、制造活動和產(chǎn)品質(zhì)量。從MPC控制器（諸如經(jīng)由代理限制）為主MPC控制器提供它們的未來預(yù)測和操作約束。嵌入在多層MPC級聯(lián)中的實(shí)時(shí)計(jì)劃解決方案施行較低級別的操作約束并且不再需要手動轉(zhuǎn)化。通過在線交叉利用計(jì)劃和控制模型兩者，MPC級聯(lián)架構(gòu)使得有可能實(shí)時(shí)地在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行全廠范圍優(yōu)化并且通過從MPC控制器來自動地實(shí)施準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃。

在一些實(shí)施例中，在本專利文件中描述的各種功能由計(jì)算機(jī)程序所實(shí)現(xiàn)或支持，該計(jì)算機(jī)程序由計(jì)算機(jī)可讀程序代碼形成并且被體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中。短語“計(jì)算機(jī)可讀程序代碼”包括任何類型的計(jì)算機(jī)代碼，包括源代碼、目標(biāo)代碼和可執(zhí)行代碼。短語“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”包括能夠被計(jì)算機(jī)訪問的任何類型的介質(zhì)，諸如只讀存儲器（ROM）、隨機(jī)訪問存儲器（RAM）、硬盤驅(qū)動器、致密盤（CD）、數(shù)字視頻盤（DVD）、或任何其他類型的存儲器?！胺桥R時(shí)性”計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)排除傳輸臨時(shí)電信號或其他信號的有線、無線、光學(xué)或其他通信鏈路。非臨時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括數(shù)據(jù)可以被永久地儲存在其中的介質(zhì)和數(shù)據(jù)可以被存儲在其中并且隨后被重寫的介質(zhì)，諸如可重寫光盤或可擦除存儲器設(shè)備。

闡述遍及本專利文件所使用某些詞語和短語的定義可能是有利的。術(shù)語“應(yīng)用”和“程序”指的是適于以合適的計(jì)算機(jī)代碼（包括源代碼、目標(biāo)代碼、或可執(zhí)行代碼）實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序、軟件組件、指令集、過程、函數(shù)、對象、類、實(shí)例、相關(guān)數(shù)據(jù)、或其部分。術(shù)語“通信”以及其衍生形式涵蓋直接和間接通信兩者。術(shù)語“包括”和“包含”以及其衍生形式意指在沒有限制的情況下的包括。術(shù)語“或者”是包括性的，意指和/或。短語“與……相關(guān)聯(lián)”以及其衍生形式可以意指包括、被包括在內(nèi)、與其互連、包含、被包含在內(nèi)、連接到或與其連接、耦合到或與其耦合、與其可通信、與其協(xié)作、交錯(cuò)、并置、與其接近、被結(jié)合到或與其結(jié)合、具有、具有其屬性、具有對于其的關(guān)系或與其的關(guān)系，等等。短語“……中的至少一個(gè)”當(dāng)與一列項(xiàng)目一起使用時(shí)，意指可以使用所列出項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的不同組合，以及可以需要列表中的僅一個(gè)項(xiàng)目。例如“至少一個(gè)：A、B和C”包括下面組合中的任一個(gè)：A、B、C，A和B，A和C，B和C，以及A和B和C。

盡管本公開已經(jīng)描述了某些實(shí)施例和通常關(guān)聯(lián)的方法，但這些實(shí)施例和方法的變更和置換對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，示例實(shí)施例的以上描述不限定或約束本公開。在不背離如由所附權(quán)利要求所限定的本公開的精神和范圍的情況下，其他改變、替代和變更也是可能的。