An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology VER

8/19/2019 An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology VER

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A N O V E R V I E W O F I N D U S T R I A L M O D E L

P R E D I C T I V E C O N T R O L T E C H N O L O G Y

S . J o e Q i n

D e p a r t m e n t o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g

T h e U n i v e r s i t y o f T e x a s a t A u s t i n

A u s t i n , T X 7 8 7 1 2

T h o m a s A . B a d g w e l l

D e p a r t m e n t o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g

R i c e U n i v e r s i t y

H o u s t o n , T X 7 7 2 5 1

A b s t r a c t

T h i s p a p e r p r o v i d e s a n o v e r v i e w o f c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e M o d e l P r e d i c t i v e C o n t r o l ( M P C )

t e c h n o l o g y , b a s e d p r i m a r i l y o n d a t a p r o v i d e d b y M P C v e n d o r s . A b r i e f h i s t o r y o f i n d u s t r i a l

M P C t e c h n o l o g y i s p r e s e n t e d r s t , f o l l o w e d b y r e s u l t s o f o u r v e n d o r s u r v e y o f M P C c o n t r o l a n d

i d e n t i c a t i o n t e c h n o l o g y . A g e n e r a l M P C c o n t r o l a l g o r i t h m i s p r e s e n t e d , a n d a p p r o a c h e s t a k e n

b y e a c h v e n d o r f o r t h e d i e r e n t a s p e c t s o f t h e c a l c u l a t i o n a r e d e s c r i b e d . I d e n t i c a t i o n t e c h n o l o g y

i s t h e n r e v i e w e d t o d e t e r m i n e s i m i l a r i t i e s a n d d i e r e n c e s b e t w e e n t h e v a r i o u s a p p r o a c h e s . M P C

a p p l i c a t i o n s p e r f o r m e d b y e a c h v e n d o r a r e s u m m a r i z e d b y a p p l i c a t i o n a r e a . T h e n a l s e c t i o n

p r e s e n t s a v i s i o n o f t h e n e x t g e n e r a t i o n o f M P C t e c h n o l o g y , w i t h a n e m p h a s i s o n p o t e n t i a l

b u s i n e s s a n d r e s e a r c h o p p o r t u n i t i e s .

K e y w o r d s

I n d u s t r i a l S u r v e y , M o d e l P r e d i c t i v e C o n t r o l

I n t r o d u c t i o n

M o d e l P r e d i c t i v e C o n t r o l ( M P C ) r e f e r s t o a c l a s s o f

a l g o r i t h m s t h a t c o m p u t e a s e q u e n c e o f m a n i p u l a t e d

v a r i a b l e a d j u s t m e n t s i n o r d e r t o o p t i m i z e t h e f u t u r e

b e h a v i o r o f a p l a n t . O r i g i n a l l y d e v e l o p e d t o m e e t t h e

s p e c i a l i z e d c o n t r o l n e e d s o f p o w e r p l a n t s a n d p e t r o l e u m

r e n e r i e s , M P C t e c h n o l o g y c a n n o w b e f o u n d i n a

w i d e v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n a r e a s i n c l u d i n g c h e m i c a l s ,

f o o d p r o c e s s i n g , a u t o m o t i v e , a e r o s p a c e , m e t a l l u r g y ,

a n d p u l p a n d p a p e r .

S e v e r a l a u t h o r s h a v e p u b l i s h e d e x c e l l e n t r e v i e w s

o f M P C t h e o r e t i c a l i s s u e s , i n c l u d i n g t h e p a p e r s o f

G a r c a e t a l . ( G a r c a , P r e t t a n d M o r a r i , 1 9 8 9 ) , R i c k e r

( R i c k e r , 1 9 9 1 ) , M o r a r i a n d L e e ( M o r a r i a n d L e e , 1 9 9 1 ) ,

M u s k e a n d R a w l i n g s ( M u s k e a n d R a w l i n g s , 1 9 9 3 ) a n d

R a w l i n g s e t a l . ( R a w l i n g s , M e a d o w s a n d M u s k e , 1 9 9 4 ) .

T h e o t h e r p a p e r s i n t h e p r e s e n t s e s s i o n b y M a y n e

( M a y n e , 1 9 9 6 ) a n d L e e ( L e e , 1 9 9 6 ) s u m m a r i z e t h e v e r y

l a t e s t t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t s i n M P C c o n t r o l t h e o r y .

F r o i s y p r o v i d e s a v e n d o r ' s p e r s p e c t i v e o n i n d u s t r i a l

M P C t e c h n o l o g y a n d s u m m a r i z e s l i k e l y f u t u r e d e v e l -

o p m e n t s ( F r o i s y , 1 9 9 4 ) . A r e c e n t s u r v e y o f M P C t e c h -

n o l o g y i n J a p a n p r o v i d e s a w e a l t h o f i n f o r m a t i o n o n

a p p l i c a t i o n i s s u e s f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f M P C u s e r s

( O h s h i m a , O h n o a n d H a s h i m o t o , 1 9 9 5 ) .

T h e p r i m a r y p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s t o p r e s e n t

a n o v e r v i e w o f c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e M P C t e c h n o l -

o g y . A b r i e f h i s t o r y o f M P C t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t

i s p r e s e n t e d r s t . A g e n e r a l M P C c o n t r o l l e r f o r m u l a -

t i o n i s t h e n d e s c r i b e d t o p r o v i d e a b a s i s f o r d i s c u s s i o n

o f t h e c o m m e r c i a l p r o d u c t s . R e s u l t s o f o u r i n d u s t r i a l

s u r v e y a r e t h e n p r e s e n t e d . T h e s u r v e y i s n o t e x h a u s -

t i v e i n t h a t s e v e r a l w e l l - k n o w n c o m p a n i e s e i t h e r w e r e

n o t a s k e d t o p a r t i c i p a t e , c h o s e n o t t o p a r t i c i p a t e , o r

r e s p o n d e d t o o l a t e t o b e i n c l u d e d i n t h i s p a p e r . N e v -

e r t h e l e s s w e b e l i e v e t h a t t h e p r o d u c t s d i s c u s s e d h e r e

a r e s u c i e n t l y r e p r e s e n t a t i v e t o a l l o w u s t o d r a w c o n -

c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e c u r r e n t s t a t e o f M P C t e c h n o l -

o g y . S i g n i c a n t l y u n i q u e f e a t u r e s o f e a c h o e r i n g a r e

o u t l i n e d a n d d i s c u s s e d . M P C a p p l i c a t i o n s t o d a t e b y

e a c h v e n d o r a r e s u m m a r i z e d b y a p p l i c a t i o n a r e a . T h e

n a l s e c t i o n p r e s e n t s a v i e w o f t h e n e x t g e n e r a t i o n o f

M P C t e c h n o l o g y , e m p h a s i z i n g p o t e n t i a l b u s i n e s s a n d

r e s e a r c h o p p o r t u n i t i e s .

A B r i e f H i s t o r y o f I n d u s t r i a l M P C

T h i s s e c t i o n p r e s e n t s a n a b b r e v i a t e d h i s t o r y o f i n d u s -

t r i a l M P C t e c h n o l o g y . C o n t r o l a l g o r i t h m s a r e e m p h a -

s i z e d h e r e b e c a u s e r e l a t i v e l y l i t t l e p u b l i s h e d i n f o r m a -

t i o n i s a v a i l a b l e o n t h e i d e n t i c a t i o n t e c h n o l o g y .

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2 M O D E L P R E D I C T I V E C O N T R O L

T h e d e v e l o p m e n t o f m o d e r n c o n t r o l c o n c e p t s c a n

b e t r a c e d t o t h e w o r k o f K a l m a n i n t h e e a r l y 1 9 6 0 ' s ,

w h o s o u g h t t o d e t e r m i n e w h e n a l i n e a r c o n t r o l s y s t e m

c a n b e s a i d t o b e o p t i m a l ( K a l m a n , 1 9 6 0 a ; K a l m a n ,

1 9 6 0 b ) . K a l m a n s t u d i e d a L i n e a r Q u a d r a t i c R e g u l a -

t o r ( L Q R ) d e s i g n e d t o m i n i m i z e a n q u a d r a t i c o b j e c -

t i v e f u n c t i o n . T h e p r o c e s s t o b e c o n t r o l l e d c a n b e d e -

s c r i b e d b y a d i s c r e t e - t i m e , d e t e r m i n i s t i c l i n e a r s t a t e -

s p a c e m o d e l :

x

k + 1

= A x

k

+ B u

k

( 1 )

y

k

= C x

k

T h e v e c t o r u r e p r e s e n t s p r o c e s s i n p u t s , o r m a n i p u -

l a t e d v a r i a b l e s ; v e c t o r y d e s c r i b e s p r o c e s s o u t p u t m e a -

s u r e m e n t s . T h e v e c t o r x r e p r e s e n t s p r o c e s s s t a t e s . F i g -

u r e 1 p r o v i d e s a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f a s t a t e

s p a c e m o d e l . T h e s t a t e v e c t o r i s d e n e d s u c h t h a t

k n o w i n g i t s v a l u e a t t i m e k a n d f u t u r e i n p u t s a l l o w s

o n e t o p r e d i c t h o w t h e p l a n t w i l l e v o l v e f o r a l l f u t u r e

t i m e . M u c h o f t h e p o w e r o f K a l m a n ' s w o r k r e l i e s o n

t h e f a c t t h a t t h i s g e n e r a l p r o c e s s m o d e l w a s u s e d .

T h e o b j e c t i v e f u n c t i o n t o b e m i n i m i z e d p e n a l i z e s

s q u a r e d i n p u t a n d s t a t e d e v i a t i o n s f r o m t h e o r i g i n a n d

i n c l u d e s s e p a r a t e s t a t e a n d i n p u t w e i g h t m a t r i c e s Q

a n d R t o a l l o w f o r t u n i n g t r a d e - o s :

J =

1

X

j = 1

?

k x

k + j

k

2

Q

+ k u

k + j

k

2

R

( 2 )

w h e r e t h e n o r m t e r m s i n t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n a r e

d e n e d a s f o l l o w s :

k x k

2

Q

= x

T

Q x ( 3 )

I m p l i c i t i n t h i s f o r m u l a t i o n i s t h e a s s u m p t i o n t h a t a l l

v a r i a b l e s a r e w r i t t e n i n t e r m s o f d e v i a t i o n s f r o m a d e -

s i r e d s t e a d y - s t a t e . T h e s o l u t i o n t o t h e L Q R p r o b l e m

w a s s h o w n t o b e a p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l e r , w i t h a g a i n

m a t r i x K c o m p u t e d f r o m t h e s o l u t i o n o f a m a t r i x R i -

c a t t i e q u a t i o n :

u

k

= ? K x

k

( 4 )

T h e i n n i t e p r e d i c t i o n h o r i z o n o f t h e L Q R a l g o -

r i t h m e n d o w e d t h e a l g o r i t h m w i t h p o w e r f u l s t a b i l i z -

i n g p r o p e r t i e s ; i t w a s s h o w n t o b e s t a b i l i z i n g f o r a n y

r e a s o n a b l e l i n e a r p l a n t ( s t a b l i z a b l e a n d d e t e c t a b l e ) a s

l o n g a s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n w e i g h t m a t r i c e s Q a n d R

a r e p o s i t i v e d e n i t e . A d u a l t h e o r y w a s d e v e l o p e d t o

e s t i m a t e p l a n t s t a t e s f r o m n o i s y i n p u t a n d o u t p u t m e a -

s u r e m e n t s , u s i n g w h a t i s n o w k n o w n a s a K a l m a n F i l -

t e r . T h e c o m b i n e d L Q R c o n t r o l l e r a n d K a l m a n l t e r i s

c a l l e d a L i n e a r Q u a d r a t i c G a u s s i a n ( L Q G ) c o n t r o l l e r .

C o n s t r a i n t s o n t h e p r o c e s s i n p u t s , s t a t e s a n d o u t p u t s

w e r e n o t c o n s i d e r e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f L Q G t h e o r y .

A l t h o u g h L Q G t h e o r y p r o v i d e s a n e l e g a n t a n d

p o w e r f u l s o l u t i o n t o t h e p r o b l e m o f c o n t r o l l i n g a n

u n c o n s t r a i n e d l i n e a r p l a n t , i t h a d l i t t l e i m p a c t o n

c o n t r o l t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i n t h e p r o c e s s i n d u s -

t r i e s . T h e m o s t s i g n i c a n t o f t h e r e a s o n s c i t e d f o r

t h i s f a i l u r e i n c l u d e ( R i c h a l e t , R a u l t , T e s t u d a n d P a -

p o n , 1 9 7 8 ; G a r c a e t a l . , 1 9 8 9 ) :

c o n s t r a i n t s

p r o c e s s n o n l i n e a r i t i e s

m o d e l u n c e r t a i n t y ( r o b u s t n e s s )

u n i q u e p e r f o r m a n c e c r i t e r i a

c u l t u r a l r e a s o n s ( p e o p l e , e d u c a t i o n , e t c . )

I t i s w e l l k n o w n t h a t t h e e c o n o m i c o p e r a t i n g p o i n t

o f a t y p i c a l p r o c e s s u n i t o f t e n l i e s a t t h e i n t e r s e c t i o n

o f c o n s t r a i n t s ( P r e t t a n d G i l l e t t e , 1 9 8 0 ) . A s u c c e s s f u l

i n d u s t r i a l c o n t r o l l e r m u s t t h e r e f o r e m a i n t a i n t h e s y s -

t e m a s c l o s e a s p o s s i b l e t o c o n s t r a i n t s w i t h o u t v i o l a t i n g

t h e m . I n a d d i t i o n , p r o c e s s u n i t s a r e t y p i c a l l y c o m p l e x ,

n o n l i n e a r , c o n s t r a i n e d m u l t i v a r i a b l e s y s t e m s w h o s e d y -

n a m i c b e h a v i o r c h a n g e s w i t h t i m e d u e t o s u c h e e c t s

a s c h a n g e s i n o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d c a t a l y s t a g i n g .

P r o c e s s u n i t s a r e a l s o q u i t e i n d i v i d u a l s o t h a t d e v e l -

o p m e n t o f p r o c e s s m o d e l s f r o m f u n d a m e n t a l p h y s i c s

a n d c h e m i s t r y i s d i c u l t t o j u s t i f y e c o n o m i c a l l y . I n -

d e e d t h e a p p l i c a t i o n a r e a s w h e r e L Q G t h e o r y h a d a

m o r e i m m e d i a t e i m p a c t , s u c h a s t h e a e r o s p a c e i n d u s -

t r y , a r e c h a r a c t e r i z e d b y p h y s i c a l s y s t e m s f o r w h i c h i t i s

t e c h n i c a l l y a n d e c o n o m i c a l l y f e a s i b l e t o d e v e l o p a c c u -

r a t e f u n d a m e n t a l m o d e l s . P r o c e s s u n i t s m a y a l s o h a v e

u n i q u e p e r f o r m a n c e c r i t e r i a t h a t a r e d i c u l t t o e x p r e s s

i n t h e L Q G f r a m e w o r k , r e q u i r i n g t i m e d e p e n d e n t o u t -

p u t w e i g h t s o r a d d i t i o n a l l o g i c t o d e l i n e a t e d i e r e n t

o p e r a t i n g m o d e s . H o w e v e r t h e m o s t s i g n i c a n t r e a -

s o n s t h a t L Q G t h e o r y f a i l e d t o h a v e a s t r o n g i m p a c t

m a y h a v e b e e n r e l a t e d t o t h e c u l t u r e o f t h e i n d u s t r i a l

p r o c e s s c o n t r o l c o m m u n i t y a t t h e t i m e , i n w h i c h i n -

s t r u m e n t t e c h n i c i a n s a n d c o n t r o l e n g i n e e r s e i t h e r h a d

n o e x p o s u r e t o L Q G c o n c e p t s o r r e g a r d e d t h e m a s i m -

p r a c t i c a l .

T h i s e n v i r o n m e n t l e d t o t h e d e v e l o p m e n t , i n i n d u s -

t r y , o f a m o r e g e n e r a l m o d e l b a s e d c o n t r o l m e t h o d o l o g y

i n w h i c h t h e d y n a m i c o p t i m i z a t i o n p r o b l e m i s s o l v e d

o n - l i n e a t e a c h c o n t r o l e x e c u t i o n . P r o c e s s i n p u t s a r e

c o m p u t e d s o a s t o o p t i m i z e f u t u r e p l a n t b e h a v i o r o v e r

a t i m e i n t e r v a l k n o w n a s t h e p r e d i c t i o n h o r i z o n I n

t h e g e n e r a l c a s e a n y d e s i r e d o b j e c t i v e f u n c t i o n c a n b e

u s e d . P l a n t d y n a m i c s a r e d e s c r i b e d b y a n e x p l i c i t p r o -

c e s s m o d e l w h i c h c a n t a k e , i n p r i n c i p l e , a n y r e q u i r e d

m a t h e m a t i c a l f o r m . P r o c e s s i n p u t a n d o u t p u t c o n -

s t r a i n t s a r e i n c l u d e d d i r e c t l y i n t h e p r o b l e m f o r m u l a -

t i o n s o t h a t f u t u r e c o n s t r a i n t v i o l a t i o n s a r e a n t i c i p a t e d

a n d p r e v e n t e d . T h e r s t i n p u t o f t h e o p t i m a l i n p u t s e -

q u e n c e i s i n j e c t e d i n t o t h e p l a n t a n d t h e p r o b l e m i s

s o l v e d a g a i n a t t h e n e x t t i m e i n t e r v a l u s i n g u p d a t e d

p r o c e s s m e a s u r e m e n t s . I n a d d i t i o n t o d e v e l o p i n g m o r e


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I n d u s t r i a l M o d e l P r e d i c t i v e C o n t r o l T e c h n o l o g y 3

e x i b l e c o n t r o l t e c h n o l o g y , n e w p r o c e s s i d e n t i c a t i o n

t e c h n o l o g y w a s d e v e l o p e d t o a l l o w q u i c k e s t i m a t i o n

o f e m p i r i c a l d y n a m i c m o d e l s f r o m t e s t d a t a , s u b s t a n -

t i a l l y r e d u c i n g t h e c o s t o f m o d e l d e v e l o p m e n t . T h i s

n e w m e t h o d o l o g y f o r i n d u s t r i a l p r o c e s s m o d e l i n g a n d

c o n t r o l i s w h a t w e n o w r e f e r t o a s M o d e l P r e d i c t i v e

C o n t r o l ( M P C ) t e c h n o l o g y .

I n m o d e r n p r o c e s s i n g p l a n t s t h e M P C c o n t r o l l e r

i s p a r t o f a m u l t i - l e v e l h i e r a r c h y o f c o n t r o l f u n c t i o n s .

T h i s i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 , w h i c h s h o w s a c o n v e n -

t i o n a l c o n t r o l s t r u c t u r e o n t h e l e f t f o r U n i t 1 a n d a

m o d e l p r e d i c t i v e c o n t r o l s t r u c t u r e o n t h e r i g h t f o r U n i t

2 . S i m i l a r h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e s h a v e b e e n d e s c r i b e d

b y R i c h a l e t e t a l . ( R i c h a l e t e t a l . , 1 9 7 8 ) a n d P r e t t a n d

G a r c a ( P r e t t a n d G a r c a , 1 9 8 8 ) . A t t h e t o p o f t h e

s t r u c t u r e a p l a n t - w i d e o p t i m i z e r d e t e r m i n e s o p t i m a l

s t e a d y - s t a t e s e t t i n g s f o r e a c h u n i t i n t h e p l a n t . T h e s e

m a y b e s e n t t o l o c a l o p t i m i z e r s a t e a c h u n i t w h i c h r u n

m o r e f r e q u e n t l y o r c o n s i d e r a m o r e d e t a i l e d u n i t m o d e l

t h a n i s p o s s i b l e a t t h e p l a n t - w i d e l e v e l . T h e u n i t o p t i -

m i z e r c o m p u t e s a n o p t i m a l e c o n o m i c s t e a d y - s t a t e a n d

p a s s e s t h i s t o t h e d y n a m i c c o n s t r a i n t c o n t r o l s y s t e m f o r

i m p l e m e n t a t i o n . T h e d y n a m i c c o n s t r a i n t c o n t r o l m u s t

m o v e t h e p l a n t f r o m o n e c o n s t r a i n e d s t e a d y s t a t e t o a n -

o t h e r w h i l e m i n i m i z i n g c o n s t r a i n t v i o l a t i o n s a l o n g t h e

w a y . I n t h e c o n v e n t i o n a l s t r u c t u r e t h i s i s a c c o m p l i s h e d

b y u s i n g a c o m b i n a t i o n o f P I D a l g o r i t h m s , L e a d - L a g

( L / L ) b l o c k s a n d H i g h / L o w s e l e c t l o g i c . I t i s o f t e n d i f -

c u l t t o t r a n s l a t e t h e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s a t t h i s l e v e l

i n t o a n a p p r o p r i a t e c o n v e n t i o n a l c o n t r o l s t r u c t u r e . I n

t h e M P C m e t h o d o l o g y t h i s c o m b i n a t i o n o f b l o c k s i s

r e p l a c e d b y a s i n g l e M P C c o n t r o l l e r .

A l t h o u g h t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f M P C

t e c h n o l o g y w a s d r i v e n b y i n d u s t r y , i t s h o u l d b e n o t e d

t h a t t h e i d e a o f c o n t r o l l i n g a s y s t e m b y s o l v i n g a s e -

q u e n c e o f o p e n - l o o p d y n a m i c o p t i m i z a t i o n p r o b l e m s

w a s n o t n e w . P r o p o i , f o r e x a m p l e , d e s c r i b e d a m o v -

i n g h o r i z o n c o n t r o l l e r i n 1 9 6 3 ( P r o p o i , 1 9 6 3 ) . L e e a n d

M a r k u s ( L e e a n d M a r k u s , 1 9 6 7 ) a n t i c i p a t e d c u r r e n t

M P C p r a c t i c e i n t h e i r 1 9 6 7 o p t i m a l c o n t r o l t e x t :

O n e t e c h n i q u e f o r o b t a i n i n g a f e e d b a c k

c o n t r o l l e r s y n t h e s i s f r o m k n o w l e d g e o f o p e n -

l o o p c o n t r o l l e r s i s t o m e a s u r e t h e c u r r e n t

c o n t r o l p r o c e s s s t a t e a n d t h e n c o m p u t e v e r y

r a p i d l y f o r t h e o p e n - l o o p c o n t r o l f u n c t i o n .

T h e r s t p o r t i o n o f t h i s f u n c t i o n i s t h e n u s e d

d u r i n g a s h o r t t i m e i n t e r v a l , a f t e r w h i c h a

n e w m e a s u r e m e n t o f t h e f u n c t i o n i s c o m p u t e d

f o r t h i s n e w m e a s u r e m e n t . T h e p r o c e d u r e i s

t h e n r e p e a t e d .

T h e r e i s , h o w e v e r , a w i d e g a p b e t w e e n t h e o r y a n d

p r a c t i c e . T h e e s s e n t i a l c o n t r i b u t i o n o f i n d u s t r y w a s t o

p u t t h e s e i d e a s i n t o p r a c t i c e o n o p e r a t i n g u n i t s . O u t

o f t h i s e x p e r i e n c e c a m e a f r e s h s e t o f p r o b l e m s t h a t h a s

k e p t t h e o r e t i c i a n s b u s y e v e r s i n c e .

I D C O M

T h e r s t d e s c r i p t i o n o f M P C c o n t r o l a p p l i c a t i o n s w a s

p r e s e n t e d b y R i c h a l e t e t a l . a t a 1 9 7 6 c o n f e r e n c e

( R i c h a l e t , R a u l t , T e s t u d a n d P a p o n , 1 9 7 6 ) a n d l a t e r

s u m m a r i z e d i n a 1 9 7 8 A u t o m a t i c a p a p e r ( R i c h a l e t

e t a l . , 1 9 7 8 ) . T h e y d e s c r i b e d t h e i r a p p r o a c h a s M o d e l

P r e d i c t i v e H e u r i s t i c C o n t r o l ( M P H C ) . T h e s o l u t i o n

s o f t w a r e w a s r e f e r r e d t o a s I D C O M , a n a c r o n y m f o r

I d e n t i c a t i o n a n d C o m m a n d . T h e d i s t i n g u i s h i n g f e a -

t u r e s o f t h e I D C O M a p p r o a c h a r e :

i m p u l s e r e s p o n s e m o d e l f o r t h e p l a n t , l i n e a r i n i n -

p u t s o r i n t e r n a l v a r i a b l e s

q u a d r a t i c p e r f o r m a n c e o b j e c t i v e o v e r a n i t e p r e -

d i c t i o n h o r i z o n

f u t u r e p l a n t o u t p u t b e h a v i o r s p e c i e d b y a r e f e r -

e n c e t r a j e c t o r y

i n p u t a n d o u t p u t c o n s t r a i n t s i n c l u d e d i n t h e f o r -

m u l a t i o n

o p t i m a l i n p u t s c o m p u t e d u s i n g a h e u r i s t i c i t e r a -

t i v e a l g o r i t h m , i n t e r p r e t e d a s t h e d u a l o f i d e n t i -

c a t i o n .

R i c h a l e t e t a l . c h o s e a b l a c k - b o x p r o c e s s r e p r e s e n -

t a t i o n o f t h e p r o c e s s , s h o w n i n F i g u r e 3 . F r o m t h i s

p o i n t o f v i e w t h e p r o c e s s i n p u t s i n u e n c e t h e p r o -

c e s s o u t p u t s d i r e c t l y . P r o c e s s i n p u t s a r e d i v i d e d i n t o

m a n i p u l a t e d v a r i a b l e s ( M V ' s ) w h i c h t h e c o n t r o l l e r a d -

u s t s a n d d i s t u r b a n c e v a r i a b l e s ( D V ' S ) w h i c h a r e n o t

a v a i l a b l e f o r c o n t r o l . P r o c e s s o u t p u t s a r e r e f e r r e d t o a s

c o n t r o l l e d v a r i a b l e s ( C V ' s ) . T h e y c h o s e t o d e s c r i b e t h e

r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p r o c e s s i n p u t s a n d o u t p u t s u s i n g

a d i s c r e t e - t i m e F i n i t e I m p u l s e R e s p o n s e ( F I R ) m o d e l .

F o r t h e s i n g l e i n p u t , s i n g l e o u t p u t ( S I S O ) c a s e t h e F I R

m o d e l l o o k s l i k e :

y

k + j

=

N

X

i = 1

h

i

u

k + j i

( 5 )

T h i s m o d e l p r e d i c t s t h a t t h e o u t p u t a t a g i v e n t i m e

d e p e n d s o n a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f p a s t i n p u t v a l u e s ;

t h e s u m m a t i o n w e i g h t s h

i

a r e t h e i m p u l s e r e s p o n s e c o -

e c i e n t s . T h e s u m i s t r u n c a t e d a t t h e p o i n t w h e r e

p a s t i n p u t s n o l o n g e r i n u e n c e t h e o u t p u t ; t h i s r e p r e -

s e n t a t i o n i s t h e r e f o r e o n l y p o s s i b l e f o r s t a b l e p l a n t s .

T h e n i t e i m p u l s e r e s p o n s e w a s i d e n t i e d f r o m

p l a n t t e s t d a t a u s i n g a n a l g o r i t h m d e s i g n e d t o m i n -

i m i z e t h e s t r u c t u r a l d i s t a n c e b e t w e e n t h e p l a n t a n d

m o d e l i m p u l s e r e s p o n s e s i n p a r a m e t e r s p a c e . T h e r e -

s u l t i n g i t e r a t i v e a l g o r i t h m m a k e s s m a l l a d j u s t m e n t s t o

t h e c o e c i e n t s a t e a c h s t e p i n s u c h a w a y t h a t t h e

s t r u c t u r a l d i s t a n c e c o n t i n u o u s l y d e c r e a s e s . T h e a l g o -

r i t h m w a s s h o w n t o c o n v e r g e t o u n b i a s e d p a r a m e t e r e s -

t i m a t e s i n t h e f a c e o f n o i s y o u t p u t m e a s u r e m e n t s . T h e

c o n t r o l p r o b l e m w a s s o l v e d u s i n g t h e s a m e a l g o r i t h m


4/31


b y n o t i n g t h a t c o n t r o l i s t h e m a t h e m a t i c a l d u a l o f i d e n -

t i c a t i o n . I n t h e i d e n t i c a t i o n p r o b l e m o n e k n o w s t h e

o u t p u t s a n d t h e i n p u t s a n d w i s h e s t o e s t i m a t e t h e c o -

e c i e n t s ; i n t h e c o n t r o l p r o b l e m o n e k n o w s t h e d e -

s i r e d o u t p u t t r a j e c t o r y a n d t h e m o d e l c o e c i e n t s a n d

t h e g o a l i s t o e s t i m a t e t h e r e q u i r e d i n p u t s . B e c a u s e

t h e o u t p u t p r e d i c t i o n a p p e a r s a s a d o t p r o d u c t o f i n -

p u t a n d c o e c i e n t v e c t o r s , t h e s a m e a l g o r i t h m c a n b e

u s e d t o n d e i t h e r o n e . T h e i t e r a t i v e n a t u r e o f t h e

c o n t r o l a l g o r i t h m a l l o w s i n p u t a n d o u t p u t c o n s t r a i n t s

t o b e c h e c k e d a s t h e a l g o r i t h m p r o c e e d s t o a s o l u t i o n .

B e c a u s e t h e c o n t r o l l a w n o t l i n e a r a n d c o u l d n o t b e

e x p r e s s e d a s a t r a n s f e r f u n c t i o n , R i c h a l e t e t a l . r e f e r t o

i t a s h e u r i s t i c . I n t o d a y ' s c o n t e x t t h e a l g o r i t h m w o u l d

b e r e f e r r e d t o a s a n o n l i n e a r M P C c o n t r o l l e r .

T h e M P H C a l g o r i t h m d r i v e s t h e p r e d i c t e d f u t u r e

o u t p u t t r a j e c t o r y a s c l o s e l y a s p o s s i b l e t o a r e f e r e n c e

t r a j e c t o r y , d e n e d a s a r s t o r d e r p a t h f r o m t h e c u r -

r e n t o u t p u t v a l u e t o t h e d e s i r e d s e t p o i n t . T h e s p e e d

o f t h e d e s i r e d c l o s e d l o o p r e s p o n s e i s s e t b y t h e t i m e

c o n s t a n t o f t h e r e f e r e n c e t r a j e c t o r y . T h i s i s i m p o r t a n t

i n p r a c t i c e b e c a u s e i t p r o v i d e s a n a t u r a l w a y t o c o n t r o l

t h e a g g r e s s i v e n e s s o f t h e a l g o r i t h m ; i n c r e a s i n g t h e t i m e

c o n s t a n t l e a d s t o a s l o w e r b u t m o r e r o b u s t c o n t r o l l e r .

R i c h a l e t e t a l . m a k e t h e i m p o r t a n t p o i n t t h a t d y -

n a m i c c o n t r o l m u s t b e e m b e d d e d i n a h i e r a r c h y o f p l a n t

c o n t r o l f u n c t i o n s i n o r d e r t o b e e e c t i v e . T h e y d e -

s c r i b e f o u r l e v e l s o f c o n t r o l , v e r y s i m i l a r t o t h e s t r u c -

t u r e s h o w n i n F i g u r e 2 :

L e v e l 3 - T i m e a n d s p a c e s c h e d u l i n g o f p r o d u c t i o n

L e v e l 2 - O p t i m i z a t i o n o f s e t p o i n t s t o m i n i m i z e

c o s t s a n d e n s u r e q u a l i t y a n d q u a n t i t y o f p r o d u c -

t i o n

L e v e l 1 - D y n a m i c m u l t i v a r i a b l e c o n t r o l o f t h e

p l a n t

L e v e l 0 - C o n t r o l o f a n c i l l a r y s y s t e m s ; P I D c o n t r o l

o f v a l v e s .

T h e y p o i n t o u t t h a t s i g n i c a n t b e n e t s d o n o t

c o m e f r o m s i m p l y r e d u c i n g t h e v a r i a t i o n s o f a c o n -

t r o l l e d v a r i a b l e t h r o u g h b e t t e r d y n a m i c c o n t r o l a t l e v e l

1 . T h e r e a l e c o n o m i c b e n e t s c o m e a t l e v e l 2 w h e r e

b e t t e r d y n a m i c c o n t r o l a l l o w s t h e c o n t r o l l e d v a r i a b l e

s e t p o i n t t o b e m o v e d c l o s e r t o a c o n s t r a i n t w i t h o u t v i -

o l a t i n g i t . T h i s a r g u m e n t p r o v i d e s t h e b a s i c e c o n o m i c

m o t i v a t i o n f o r u s i n g M P C t e c h n o l o g y . T h i s c o n c e p t

o f a h i e r a r c h y o f c o n t r o l f u n c t i o n s i s f u n d a m e n t a l t o

a d v a n c e d c o n t r o l a p p l i c a t i o n s a n d s e e m s t o h a v e b e e n

f o l l o w e d b y m a n y p r a c t i t i o n e r s . P r e t t a n d G a r c a . , f o r

e x a m p l e , ( P r e t t a n d G a r c a , 1 9 8 8 ) d e s c r i b e a v e r y s i m -

i l a r h i e r a r c h y i n t h e i r 1 9 8 8 t e x t F u n d a m e n t a l P r o c e s s

C o n t r o l

R i c h a l e t e t a l . d e s c r i b e a p p l i c a t i o n s o f t h e M P H C

a l g o r i t h m t o a F l u i d C a t a l y t i c C r a c k i n g U n i t ( F C C U )

m a i n f r a c t i o n a t o r c o l u m n , a p o w e r p l a n t s t e a m g e n -

e r a t o r a n d a P o l y - V i n y l C h l o r i d e ( P V C ) p l a n t . A l l o f

t h e s e e x a m p l e s a r e c o n s t r a i n e d m u l t i v a r i a b l e p r o c e s s e s .

T h e m a i n f r a c t i o n a t o r e x a m p l e i n v o l v e d c o n t r o l l i n g k e y

t r a y t e m p e r a t u r e s t o s t a b i l i z e t h e c o m p o s i t i o n o f h e a v y

a n d l i g h t p r o d u c t s t r e a m s . T h e c o n t r o l l e r a d j u s t e d

p r o d u c t o w r a t e s t o c o m p e n s a t e f o r i n l e t t e m p e r a t u r e

d i s t u r b a n c e s a n d t o m a i n t a i n t h e l e v e l o f a k e y i n t e r -

n a l t r a y . T h e p o w e r p l a n t s t e a m g e n e r a t o r p r o b l e m

i n v o l v e d c o n t r o l l i n g t h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e o f

s t e a m d e l i v e r e d t o t h e t u r b i n e . T h i s a p p l i c a t i o n i s i n -

t e r e s t i n g b e c a u s e t h e p r o c e s s r e s p o n s e t i m e v a r i e d i n -

v e r s e l y w i t h l o a d o n t h e s y s t e m . T h i s n o n l i n e a r i t y w a s

o v e r c o m e b y e x e c u t i n g t h e c o n t r o l l e r w i t h a v a r i a b l e

s a m p l e t i m e . B e n e t s f o r t h e m a i n f r a c t i o n a t o r a p p l i -

c a t i o n w e r e r e p o r t e d a s $ 1 5 0 , 0 0 0 / y r , d u e t o i n c r e a s i n g

t h e o w r a t e o f t h e l i g h t p r o d u c t s t r e a m . C o m b i n e d e n -

e r g y s a v i n g s f r o m t w o c o l u m n s i n t h e P V C p l a n t w e r e

r e p o r t e d a s $ 2 2 0 , 0 0 0 / y r .

D M C

E n g i n e e r s a t S h e l l O i l d e v e l o p e d t h e i r o w n i n d e p e n -

d e n t M P C t e c h n o l o g y i n t h e e a r l y 1 9 7 0 ' s , w i t h a n

i n i t i a l a p p l i c a t i o n i n 1 9 7 3 . C u t l e r a n d R a m a k e r p r e -

s e n t e d d e t a i l s o f a n u n c o n s t r a i n e d m u l t i v a r i a b l e c o n -

t r o l a l g o r i t h m w h i c h t h e y n a m e d D y n a m i c M a t r i x

C o n t r o l ( D M C ) a t t h e 1 9 7 9 N a t i o n a l A I C h E m e e t -

i n g ( C u t l e r a n d R a m a k e r , 1 9 7 9 ) a n d a t t h e 1 9 8 0

J o i n t A u t o m a t i c C o n t r o l C o n f e r e n c e ( C u t l e r a n d R a -

m a k e r , 1 9 8 0 ) . I n a c o m p a n i o n p a p e r a t t h e 1 9 8 0 m e e t -

i n g P r e t t a n d G i l l e t t e ( P r e t t a n d G i l l e t t e , 1 9 8 0 ) d e -

s c r i b e d a n a p p l i c a t i o n o f D M C t e c h n o l o g y t o a n F C C U

r e a c t o r / r e g e n e r a t o r i n w h i c h t h e a l g o r i t h m w a s m o d i -

e d t o h a n d l e n o n l i n e a r i t i e s a n d c o n s t r a i n t s . N e i t h e r

p a p e r d i s c u s s e d t h e i r p r o c e s s i d e n t i c a t i o n t e c h n o l o g y .

K e y f e a t u r e s o f t h e D M C c o n t r o l a l g o r i t h m i n c l u d e :

l i n e a r s t e p r e s p o n s e m o d e l f o r t h e p l a n t



f u t u r e p l a n t o u t p u t b e h a v i o r s p e c i e d b y t r y i n g t o

f o l l o w t h e s e t p o i n t a s c l o s e l y a s p o s s i b l e

o p t i m a l i n p u t s c o m p u t e d a s t h e s o l u t i o n t o a l e a s t -

s q u a r e s p r o b l e m

T h e l i n e a r s t e p r e s p o n s e m o d e l u s e d b y t h e D M C

a l g o r i t h m r e l a t e s c h a n g e s i n a p r o c e s s o u t p u t t o a

w e i g h t e d s u m o f p a s t i n p u t c h a n g e s , r e f e r r e d t o a s i n -

p u t m o v e s . F o r t h e S I S O c a s e t h e s t e p r e s p o n s e m o d e l

l o o k s l i k e :

y

k + j

=

N 1

X

i = 1

s

i

u

k + j i

+ s

N

u

k + j N

( 6 )


5/31


T h e m o v e w e i g h t s s

i

a r e t h e s t e p r e s p o n s e c o e c i e n t s .

M a t h e m a t i c a l l y t h e s t e p r e s p o n s e c a n b e d e n e d a s

t h e i n t e g r a l o f t h e i m p u l s e r e s p o n s e ; g i v e n o n e m o d e l

f o r m t h e o t h e r c a n b e e a s i l y o b t a i n e d . M u l t i p l e o u t -

p u t s w e r e h a n d l e d b y s u p e r p o s i t i o n . B y u s i n g t h e s t e p

r e s p o n s e m o d e l o n e c a n w r i t e p r e d i c t e d f u t u r e o u t p u t

c h a n g e s a s a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f f u t u r e i n p u t m o v e s .

T h e m a t r i x t h a t t i e s t h e t w o t o g e t h e r i s t h e s o - c a l l e d

D y n a m i c M a t r i x . U s i n g t h i s r e p r e s e n t a t i o n a l l o w s t h e

o p t i m a l m o v e v e c t o r t o b e c o m p u t e d a n a l y t i c a l l y a s t h e

s o l u t i o n t o a l e a s t - s q u a r e s p r o b l e m . F e e d f o r w a r d c o n -

t r o l i s r e a d i l y i n c l u d e d i n t h i s f o r m u l a t i o n b y m o d i f y i n g

t h e p r e d i c t e d f u t u r e o u t p u t s . I n p r a c t i c e t h e r e q u i r e d

m a t r i x i n v e r s e c a n b e c o m p u t e d o - l i n e t o s a v e c o m -

p u t a t i o n . O n l y t h e r s t r o w o f t h e n a l c o n t r o l l e r g a i n

m a t r i x n e e d s t o b e s t o r e d b e c a u s e o n l y t h e r s t m o v e

n e e d s t o b e c o m p u t e d .

T h e o b j e c t i v e o f a D M C c o n t r o l l e r i s t o d r i v e t h e

o u t p u t a s c l o s e t o t h e s e t p o i n t a s p o s s i b l e i n a l e a s t -

s q u a r e s s e n s e w i t h a p e n a l t y t e r m o n t h e M V m o v e s .

T h i s r e s u l t s i n s m a l l e r c o m p u t e d i n p u t m o v e s a n d a

l e s s a g g r e s s i v e o u t p u t r e s p o n s e . A s w i t h t h e I D C O M

r e f e r e n c e t r a j e c t o r y , t h i s t e c h n i q u e p r o v i d e s a d e g r e e

o f r o b u s t n e s s t o m o d e l e r r o r . M o v e s u p p r e s s i o n f a c t o r s

a l s o p r o v i d e a n i m p o r t a n t n u m e r i c a l b e n e t i n t h a t

t h e y c a n b e u s e d t o d i r e c t l y i m p r o v e t h e c o n d i t i o n i n g

o f t h e n u m e r i c a l s o l u t i o n .

C u t l e r a n d R a m a k e r s h o w e d r e s u l t s f r o m a f u r -

n a c e t e m p e r a t u r e c o n t r o l a p p l i c a t i o n t o d e m o n s t r a t e

i m p r o v e d c o n t r o l q u a l i t y u s i n g t h e D M C a l g o r i t h m .

F e e d f o r w a r d r e s p o n s e o f t h e D M C a l g o r i t h m t o i n l e t

t e m p e r a t u r e c h a n g e s w a s s u p e r i o r t o t h a t o f a c o n v e n -

t i o n a l P I D l e a d / l a g c o m p e n s a t o r .

I n t h e i r p a p e r P r e t t a n d G i l l e t t e ( P r e t t a n d

G i l l e t t e , 1 9 8 0 ) d e s c r i b e d a n a p p l i c a t i o n o f D M C t e c h -

n o l o g y t o F C C U r e a c t o r / r e g e n e r a t o r c o n t r o l . F o u r

s u c h a p p l i c a t i o n s w e r e a l r e a d y c o m p l e t e d a n d t w o a d -

d i t i o n a l a p p l i c a t i o n s w e r e u n d e r w a y a t t h e t i m e t h e p a -

p e r w a s w r i t t e n . T h e o v e r a l l F C C U c o n t r o l s y s t e m w a s

i m p l e m e n t e d i n a m u l t i - l e v e l h i e r a r c h y , w i t h a n o n l i n -

e a r s t e a d y - s t a t e F C C U m o d e l a t t h e t o p . A t t h e s t a r t

o f e a c h o p t i m i z a t i o n c y c l e , p a r a m e t e r s i n t h e n o n l i n -

e a r m o d e l w e r e e s t i m a t e d s o a s t o m a t c h m o d e l p r e d i c -

t i o n s w i t h m e a s u r e d s t e a d y - s t a t e o p e r a t i n g d a t a . T h e

c a l i b r a t e d n o n l i n e a r m o d e l w a s t h e n p e r t u r b e d n u m e r -

i c a l l y t o g e n e r a t e p a r t i a l d e r i v a t i v e s o f e a c h p r o c e s s

o u t p u t w i t h r e s p e c t t o e a c h p r o c e s s i n p u t ( t h e m a t r i x

o f p a r t i a l d e r i v a t i v e s i s k n o w n a s t h e J a c o b i a n m a t r i x

i n n u m e r i c a l a n a l y s i s ) . T h e p a r t i a l d e r i v a t i v e s w e r e

t h e n u s e d i n a L i n e a r P r o g r a m ( L P ) t o c o m p u t e a n e w

e c o n o m i c o p t i m a l o p e r a t i n g p o i n t f o r t h e F C C U , s u b -

e c t t o s t e a d y - s t a t e p r o c e s s c o n s t r a i n t s T h e o p t i m a l

p r o c e s s i n p u t a n d o u t p u t t a r g e t s w e r e t h e n p a s s e d t o

a D M C a l g o r i t h m f o r i m p l e m e n t a t i o n . A s s o o n a s t h e

D M C c o n t r o l l e r m o v e d t h e u n i t t o t h e n e w s t e a d y s t a t e

t h e o p t i m i z a t i o n c y c l e w a s r e p e a t e d . T h i s s e p a r a t i o n

o f t h e c o n t r o l s y s t e m i n t o c o n s t r a i n e d s t e a d y - s t a t e o p -

t i m i z a t i o n a n d d y n a m i c c o n t r o l i s q u i t e s i m i l a r t o t h e

s t r u c t u r e d e s c r i b e d b y R i c h a l e t e t a l . a n d h a s s i n c e b e -

c o m e s t a n d a r d i n i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m d e s i g n .

T h e D M C a l g o r i t h m h a d t h e j o b o f m o v i n g f r o m

t h e s y s t e m f r o m o n e o p t i m a l s t e a d y - s t a t e t o a n o t h e r .

A l t h o u g h t h e L P s o l u t i o n p r o v i d e d o p t i m a l t a r g e t s

f o r p r o c e s s i n p u t s a n d o u t p u t s , d y n a m i c d i s t u r b a n c e s

c o u l d p o t e n t i a l l y c a u s e t h e D M C a l g o r i t h m t o m o v e i n -

p u t s a w a y f r o m t h e i r o p t i m a l s t e a d y - s t a t e t a r g e t s i n o r -

d e r t o k e e p o u t p u t s a t t h e i r s t e a d y - s t a t e t a r g e t s . S i n c e

m o v i n g o n e i n p u t a w a y f r o m i t s o p t i m a l t a r g e t m a y b e

m u c h m o r e e x p e n s i v e t h a n m o v i n g a n o t h e r , t h e c o n -

t r o l s y s t e m s h o u l d d e t e r m i n e t h i s t r a d e - o i n a r a t i o -

n a l w a y . T h e D M C a l g o r i t h m w a s m o d i e d t o a c c o u n t

f o r s u c h t r a d e - o s b y i n c l u d i n g a n a d d i t i o n a l e q u a t i o n

f o r e a c h i n p u t i n t h e p r o c e s s m o d e l . T h e n e w e q u a t i o n

r e q u i r e d t h a t t h e s u m o f a l l m o v e s f o r a p a r t i c u l a r i n -

p u t s h o u l d e q u a l t h e t o t a l a d j u s t m e n t r e q u i r e d t o b r i n g

t h a t i n p u t t o i t s o p t i m a l s t e a d y - s t a t e t a r g e t . T h i s a l -

l o w e d t h e i n p u t s s o m e f r e e d o m t o m o v e d y n a m i c a l l y

b u t r e q u i r e d t h a t t h e s t e a d y - s t a t e i n p u t s o l u t i o n b e

s a t i s e d i n a l e a s t - s q u a r e s s e n s e , w i t h t r a d e - o s d e t e r -

m i n e d b y t h e a p p r o p r i a t e o b j e c t i v e f u n c t i o n w e i g h t s .

P r e t t a n d G i l l e t t e d e s c r i b e d a d d i t i o n a l m o d i c a -

t i o n s t o t h e D M C a l g o r i t h m t o p r e v e n t v i o l a t i o n o f

a b s o l u t e i n p u t c o n s t r a i n t s . W h e n a p r e d i c t e d f u t u r e

i n p u t c a m e s u c i e n t l y c l o s e t o a n a b s o l u t e c o n s t r a i n t ,

a n e x t r a e q u a t i o n w a s a d d e d t o t h e p r o c e s s m o d e l t h a t

w o u l d d r i v e t h e i n p u t b a c k i n t o t h e f e a s i b l e r e g i o n .

T h e s e w e r e r e f e r r e d t o a s t i m e v a r i a n t c o n s t r a i n t s . B e -

c a u s e t h e d e c i s i o n t o a d d t h e e q u a t i o n h a d t o b e m a d e

o n - l i n e , t h e m a t r i x i n v e r s e s o l u t i o n h a d t o b e r e c o m -

p u t e d a t e a c h c o n t r o l e x e c u t i o n . P r e t t a n d G i l l e t t e d e -

v e l o p e d a m a t r i x t e a r i n g s o l u t i o n i n w h i c h t h e o r i g i n a l

m a t r i x i n v e r s e c o u l d b e c o m p u t e d o - l i n e , r e q u i r i n g

o n l y t h e m a t r i x i n v e r s e c o r r e s p o n d i n g t o a c t i v e t i m e

v a r i a n t c o n s t r a i n t s t o b e c o m p u t e d o n - l i n e .

T h e i n i t i a l I D C O M a n d D M C a l g o r i t h m s r e p r e -

s e n t t h e r s t g e n e r a t i o n o f M P C t e c h n o l o g y ; t h e y h a d

a n e n o r m o u s i m p a c t o n i n d u s t r i a l p r o c e s s c o n t r o l a n d

s e r v e d t o d e n e t h e i n d u s t r i a l M P C p a r a d i g m .

Q D M C

T h e o r i g i n a l I D C O M a n d D M C a l g o r i t h m s p r o v i d e d

e x c e l l e n t c o n t r o l o f u n c o n s t r a i n e d m u l t i v a r i a b l e p r o -

c e s s e s . C o n s t r a i n t h a n d l i n g , h o w e v e r , w a s s t i l l s o m e -

w h a t a d - h o c . E n g i n e e r s a t S h e l l O i l a d d r e s s e d t h i s

w e a k n e s s b y p o s i n g t h e D M C a l g o r i t h m a s a Q u a d r a t i c

P r o g r a m ( Q P ) i n w h i c h i n p u t a n d o u t p u t c o n s t r a i n t s

a p p e a r e x p l i c i t l y . C u t l e r e t a l . r s t d e s c r i b e d t h e

Q D M C a l g o r i t h m i n a 1 9 8 3 A I C h E c o n f e r e n c e p a p e r

( C u t l e r , M o r s h e d i a n d H a y d e l , 1 9 8 3 ) . G a r c a a n d M o r -

s h e d i p u b l i s h e d a m o r e c o m p r e h e n s i v e d e s c r i p t i o n s e v -

e r a l y e a r s l a t e r ( G a r c a a n d M o r s h e d i , 1 9 8 6 ) .

K e y f e a t u r e s o f t h e Q D M C a l g o r i t h m i n c l u d e :

l i n e a r s t e p r e s p o n s e m o d e l f o r t h e p l a n t


6/31




f u t u r e p l a n t o u t p u t b e h a v i o r s p e c i e d b y t r y i n g t o

f o l l o w t h e s e t p o i n t a s c l o s e l y a s p o s s i b l e s u b j e c t t o

a m o v e s u p p r e s s i o n t e r m

o p t i m a l i n p u t s c o m p u t e d a s t h e s o l u t i o n t o a

q u a d r a t i c p r o g r a m

G a r c a a n d M o r s h e d i b e g a n w i t h a c l e a r a n d c o n -

c i s e p r e s e n t a t i o n o f t h e u n c o n s t r a i n e d D M C a l g o r i t h m ,

i n c l u d i n g a n i n t e r e s t i n g d i s c u s s i o n o f t u n i n g . T h e i r e x -

p e r i e n c e s h o w e d t h a t t h e D M C a l g o r i t h m w a s c l o s e d

l o o p s t a b l e w h e n t h e p r e d i c t i o n h o r i z o n w a s s e t l o n g

e n o u g h t o i n c l u d e t h e s t e a d y - s t a t e e e c t o f a l l c o m -

p u t e d i n p u t m o v e s . T h i s i s s u p p o r t e d b y a r i g o r o u s

p r o o f p r e s e n t e d b y G a r c a a n d M o r a r i ( G a r c a a n d

M o r a r i , 1 9 8 2 ) w h i c h s h o w s t h a t t h e D M C a l g o r i t h m

i s n o m i n a l l y s t a b i l i z i n g f o r a s u c i e n t l y l a r g e p r e d i c -

t i o n h o r i z o n .

G a r c a a n d M o r s h e d i t h e n s h o w h o w t h e D M C

o b j e c t i v e f u n c t i o n c a n b e r e - w r i t t e n i n t h e f o r m o f

a s t a n d a r d Q P . F u t u r e p r o j e c t e d o u t p u t s c a n b e r e -

l a t e d d i r e c t l y b a c k t o t h e i n p u t m o v e v e c t o r t h r o u g h

t h e d y n a m i c m a t r i x ; t h i s a l l o w s a l l i n p u t a n d o u t p u t

c o n s t r a i n t s t o b e c o l l e c t e d i n t o a m a t r i x i n e q u a l i t y i n -

v o l v i n g t h e i n p u t m o v e v e c t o r . A l t h o u g h t h e Q D M C

a l g o r i t h m i s a s o m e w h a t a d v a n c e d c o n t r o l a l g o r i t h m ,

t h e Q P i t s e l f i s o n e o f t h e s i m p l e s t p o s s i b l e o p t i m i z a -

t i o n p r o b l e m s t h a t o n e c o u l d p o s e . T h e H e s s i a n o f t h e

Q P i s p o s i t i v e d e n i t e f o r a n y r e a s o n a b l e p r o b l e m a n d

s o t h e r e s u l t i n g o p t i m i z a t i o n p r o b l e m i s c o n v e x . T h i s

m e a n s t h a t a s o l u t i o n c a n b e f o u n d r e a d i l y u s i n g s t a n -

d a r d c o m m e r c i a l o p t i m i z a t i o n c o d e s .

T h e d e f a u l t Q D M C a l g o r i t h m r e q u i r e s s t r i c t e n -

f o r c e m e n t o f i n p u t a n d o u t p u t c o n s t r a i n t s a t e a c h p o i n t

o f t h e p r e d i c t i o n h o r i z o n . C o n s t r a i n t s t h a t a r e s t r i c t l y

e n f o r c e d a r e r e f e r r e d t o a s h a r d c o n s t r a i n t s . T h i s i s

i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 0 . I n p r a c t i c e G a r c a a n d M o r -

s h e d i r e p o r t t h a t h a r d o u t p u t c o n s t r a i n t s a r e t y p i c a l l y

r e q u i r e d t o b e s a t i s e d o v e r o n l y a p o r t i o n o f t h e h o r i -

z o n w h i c h t h e y r e f e r t o a s t h e c o n s t r a i n t w i n d o w . T h e

c o n s t r a i n t w i n d o w g e n e r a l l y s t a r t s a t s o m e p o i n t i n t h e

f u t u r e a n d c o n t i n u e s o n t o s t e a d y s t a t e . T h e y r e p o r t

t h a t i f n o n - m i n i m u m p h a s e d y n a m i c s a r e p r e s e n t , p e r -

f o r m a n c e i s i m p r o v e d b y p u s h i n g t h e c o n s t r a i n t w i n -

d o w f a r t h e r i n t o t h e f u t u r e . T h i s a m o u n t s t o i g n o r i n g

h a r d o u t p u t c o n s t r a i n t s d u r i n g t h e i n i t i a l p o r t i o n o f

t h e c l o s e d l o o p r e s p o n s e . I t i s i n t e r e s t i n g t h a t R a w l -

i n g s a n d M u s k e r e c e n t l y a r r i v e d a t t h e s a m e s o l u t i o n

t o e n s u r e f e a s i b i l i t y o f t h e i r i n n i t e - h o r i z o n a l g o r i t h m

( R a w l i n g s a n d M u s k e , 1 9 9 3 ) a f t e r a c a r e f u l t h e o r e t i c a l

a n a l y s i s . T h e y s h o w t h a t o u t p u t c o n s t r a i n t s c a n b e

m a d e f e a s i b l e b y r e l a x i n g t h e m f o r a n i t e t i m e j

1

, a n d

t h e y d e r i v e a n u p p e r b o u n d f o r j

1

G a r c a a n d M o r s h e d i r e p o r t a n o t h e r o p t i o n f o r

h a n d l i n g o u t p u t c o n s t r a i n t s t h a t m a y b e u s e f u l w h e n

n o n - m i n i m u m p h a s e d y n a m i c s a r e p r e s e n t . W h e n

o u t p u t c o n s t r a i n t v i o l a t i o n s a r e p r e d i c t e d t o o c c u r ,

o n e c a n a t t e m p t t o m i n i m i z e t h e v i o l a t i o n i n a l e a s t -

s q u a r e d s e n s e . T h i s i s t h e s o f t c o n s t r a i n t c o n c e p t i l -

l u s t r a t e d i n t h e m i d d l e p l o t o f F i g u r e 1 0 . G a r c a a n d

M o r s h e d i d e s c r i b e d a n a p p r o x i m a t e i m p l e m e n t a t i o n o f

t h e s o f t c o n s t r a i n t c o n c e p t u s i n g a s e t p o i n t a p p r o x i -

m a t i o n , i l l u s t r a t e d a t t h e b o t t o m o f F i g u r e 1 0 . T h e

s e t p o i n t a p p r o x i m a t i o n i d e a i s t o g u e s s a p r i o r i w h e r e

t h e o p t i m a l s o l u t i o n w i l l r e q u i r e a c o n s t r a i n t v i o l a t i o n ,

a n d p e n a l i z e t h i s d e v i a t i o n b y a d d i n g a s e t p o i n t t h a t

f o r c e s t h e o u t p u t t o s t i c k t o t h e c o n s t r a i n t b o u n d a r y .

O n e w a y t o g u e s s w h e r e o u t p u t v i o l a t i o n s w i l l o c c u r i s

t o e x a m i n e o u t p u t p r e d i c t i o n s b a s e d o n t h e o p t i m a l i n -

p u t s o l u t i o n f r o m t h e p r e v i o u s t i m e s t e p . B e c a u s e i t i s

d i c u l t t o g u e s s w h e r e t h e t r u e s o l u t i o n a t t h e c u r r e n t

t i m e s t e p w i l l r e q u i r e a c o n s t r a i n t v i o l a t i o n , t h e s e t -

p o i n t a p p r o x i m a t i o n m e t h o d i s g e n e r a l l y s u b - o p t i m a l .

A t r u e s o f t c o n s t r a i n t c a n b e i m p l e m e n t e d b y

a d d i n g a s l a c k v a r i a b l e t o a n i n e q u a l i t y c o n s t r a i n t ,

a n d t h e n a d d i n g t h e s l a c k v a r i a b l e t o t h e o b j e c t i v e

f u n c t i o n t o b e m i n i m i z e d . T h i s a p p r o a c h h a s b e e n

s t u d i e d b y s e v e r a l r e s e a r c h e r s , i n c l u d i n g R i c k e r e t a l .

( R i c k e r , S u b r a h m a n i a n a n d S i m , 1 9 8 8 ) , Z a r i o u a n d

C h i o u ( Z a r i o u a n d C h i o u , 1 9 9 3 ) , a n d G e n c e l i a n d

N i k o l a o u ( G e n c e l i a n d N i k o l a o u , 1 9 9 3 ) . Z h e n g a n d

M o r a r i ( Z h e n g a n d M o r a r i , 1 9 9 5 ) r e c e n t l y a n a l y z e d

a n i n n i t e h o r i z o n M P C a l g o r i t h m w i t h s o f t o u t p u t

c o n s t r a i n t s i m p l e m e n t e d i n t h i s w a y . T h e y s h o w t h a t

g l o b a l a s y m p t o t i c s t a b i l i t y c a n b e g u a r a n t e e d p r o v i d e d

t h a t t h e p l a n t i s n o t u n s t a b l e .

G a r c a a n d M o r s h e d i w r a p p e d u p t h e i r p a p e r b y

p r e s e n t i n g r e s u l t s f r o m a p y r o l y s i s f u r n a c e a p p l i c a -

t i o n . T h e Q D M C c o n t r o l l e r a d j u s t e d f u e l g a s p r e s -

s u r e i n t h r e e b u r n e r s i n o r d e r t o c o n t r o l s t r e a m t e m -

p e r a t u r e a t t h r e e l o c a t i o n s i n t h e f u r n a c e . T h e i r t e s t

r e s u l t s d e m o n s t r a t e d d y n a m i c e n f o r c e m e n t o f i n p u t

c o n s t r a i n t s a n d d e c o u p l i n g o f t h e t e m p e r a t u r e d y n a m -

i c s . T h e y r e p o r t e d g o o d r e s u l t s o n m a n y a p p l i c a t i o n s

w i t h i n S h e l l o n p r o b l e m s a s l a r g e a s 1 2 x 1 2 ( 1 2 p r o -

c e s s o u t p u t s a n d 1 2 p r o c e s s i n p u t s ) . T h e y s t a t e d t h a t

a b o v e a l l , t h e Q D M C a l g o r i t h m h a d p r o v e n p a r t i c u -

l a r l y p r o t a b l e i n a n o n - l i n e o p t i m i z a t i o n e n v i r o n m e n t ,

p r o v i d i n g a s m o o t h t r a n s i t i o n f r o m o n e c o n s t r a i n e d o p -

e r a t i n g p o i n t t o a n o t h e r .

T h e Q D M C a l g o r i t h m c a n b e r e g a r d e d a s r e p r e -

s e n t i n g a s e c o n d g e n e r a t i o n o f M P C t e c h n o l o g y , c o m -

p r i s e d o f a l g o r i t h m s w h i c h p r o v i d e a s y s t e m a t i c w a y t o

i m p l e m e n t i n p u t a n d o u t p u t c o n s t r a i n t s . T h i s w a s a c -

c o m p l i s h e d b y p o s i n g t h e M P C p r o b l e m a s a Q P , w i t h

t h e s o l u t i o n p r o v i d e d b y s t a n d a r d Q P c o d e s .

I D C O M - M , H I E C O N , a n d P C T

A s M P C t e c h n o l o g y g a i n e d w i d e r a c c e p t a n c e , a n d

p r o b l e m s t a c k l e d b y M P C t e c h n o l o g y g r e w l a r g e r a n d

m o r e c o m p l e x , c o n t r o l e n g i n e e r s i m p l e m e n t i n g s e c o n d


7/31


g e n e r a t i o n M P C t e c h n o l o g y r a n i n t o o t h e r p r a c t i c a l

p r o b l e m s . T h e Q D M C a l g o r i t h m p r o v i d e d a s y s t e m -

a t i c a p p r o a c h t o i n c o r p o r a t e h a r d i n p u t a n d o u t p u t

c o n s t r a i n t s , b u t t h e r e w a s n o c l e a r w a y t o h a n d l e a n

i n f e a s i b l e s o l u t i o n . F o r e x a m p l e i t i s p o s s i b l e f o r a f e e d -

f o r w a r d d i s t u r b a n c e t o l e a d t o a n i n f e a s i b l e Q P ; w h a t

s h o u l d t h e c o n t r o l d o t o r e c o v e r f r o m i n f e a s i b i l i t y ? T h e

s o f t c o n s t r a i n t f o r m u l a t i o n i s n o t c o m p l e t e l y s a t i s f a c -

t o r y b e c a u s e i t m e a n s t h a t a l l c o n s t r a i n t s w i l l b e v i -

o l a t e d t o s o m e e x t e n t , a s d e t e r m i n e d b y t h e r e l a t i v e

w e i g h t s . C l e a r l y s o m e o u t p u t c o n s t r a i n t s a r e m o r e i m -

p o r t a n t t h a n o t h e r s , h o w e v e r , a n d s h o u l d n e v e r b e v i o -

l a t e d . W o u l d n ' t i t m a k e s e n s e t h e n t o s h e d l o w p r i o r i t y

c o n s t r a i n t s i n o r d e r t o s a t i s f y h i g h e r p r i o r i t y o n e s ?

I n p r a c t i c e , p r o c e s s i n p u t s a n d o u t p u t s c a n b e l o s t

i n r e a l t i m e d u e t o s i g n a l h a r d w a r e f a i l u r e , v a l v e s a t u -

r a t i o n o r d i r e c t o p e r a t o r i n t e r v e n t i o n . T h e y c a n j u s t a s

e a s i l y c o m e b a c k i n t o t h e c o n t r o l p r o b l e m a t a n y s a m -

p l e i n t e r v a l . T h i s m e a n s t h a t t h e s t r u c t u r e o f t h e p r o b -

l e m a n d t h e d e g r e e s o f f r e e d o m a v a i l a b l e t o t h e c o n t r o l

c a n c h a n g e d y n a m i c a l l y . T h i s i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 ,

w h i c h i l l u s t r a t e s t h e s h a p e o f t h e p r o c e s s t r a n s f e r f u n c -

t i o n m a t r i x f o r t h r e e g e n e r a l c a s e s . T h e s q u a r e p l a n t

c a s e , w h i c h o c c u r s w h e n t h e p l a n t h a s j u s t a s m a n y

m a n i p u l a t e d v a r i a b l e s ( M V ' s ) a s c o n t r o l l e d v a r i a b l e s

( C V ' S ) , l e a d s t o a c o n t r o l p r o b l e m w i t h a u n i q u e s o l u -

t i o n . I n t h e r e a l w o r l d , s q u a r e i s r a r e . M o r e c o m m o n i s

t h e f a t p l a n t c a s e , i n w h i c h t h e r e a r e m o r e M V ' s a v a i l -

a b l e t h a n t h e r e a r e C V ' s t o c o n t r o l . T h e e x t r a d e g r e e s

o f f r e e d o m a v a i l a b l e i n t h i s c a s e c a n b e p u t t o u s e f o r

a d d i t i o n a l o b j e c t i v e s , s u c h a s m o v i n g t h e p l a n t c l o s e r

t o a n o p t i m a l o p e r a t i n g p o i n t . W h e n v a l v e s b e c o m e

s a t u r a t e d o r l o w e r l e v e l c o n t r o l a c t i o n i s l o s t , t h e p l a n t

m a y r e a c h a c o n d i t i o n i n w h i c h t h e r e a r e m o r e C V ' s

t h a n M V ' s ; t h i s i s t h e t h i n p l a n t c a s e . I n t h i s s i t u a -

t i o n i t w i l l n o t b e p o s s i b l e t o m e e t a l l o f t h e c o n t r o l

o b j e c t i v e s ; t h e c o n t r o l s p e c i c a t i o n s m u s t b e r e l a x e d

s o m e h o w , f o r e x a m p l e b y m i n i m i z i n g C V v i o l a t i o n s i n

a l e a s t - s q u a r e d s e n s e .

F a u l t t o l e r a n c e i s a l s o a n i m p o r t a n t p r a c t i c a l i s s u e .

R a t h e r t h a n s i m p l y t u r n i n g i t s e l f o a s s i g n a l s a r e l o s t ,

a p r a c t i c a l M P C c o n t r o l l e r s h o u l d r e m a i n o n l i n e a n d

t r y t o m a k e t h e b e s t o f t h e s u b - p l a n t u n d e r i t s c o n t r o l .

A m a j o r b a r r i e r t o a c h i e v i n g t h i s g o a l i s t h a t a w e l l

c o n d i t i o n e d m u l t i v a r i a b l e p l a n t m a y c o n t a i n a n u m b e r

o f p o o r l y c o n d i t i o n e d s u b - p l a n t s . I n p r a c t i c e a n M P C

c o n t r o l l e r m u s t r e c o g n i z e a n d s c r e e n o u t p o o r l y c o n d i -

t i o n e d s u b - p l a n t s b e f o r e t h e y r e s u l t i n e r r a t i c c o n t r o l

a c t i o n .

I t a l s o b e c a m e i n c r e a s i n g l y d i c u l t t o t r a n s l a t e

c o n t r o l r e q u i r e m e n t s i n t o r e l a t i v e w e i g h t s f o r a s i n g l e

o b j e c t i v e f u n c t i o n . I n c l u d i n g a l l t h e r e q u i r e d t r a d e -

o s i n a s i n g l e o b j e c t i v e f u n c t i o n m e a n s t h a t r e l a t i v e

w e i g h t s h a v e t o b e a s s i g n e d t o t h e v a l u e o f o u t p u t s e t -

p o i n t v i o l a t i o n s , o u t p u t s o f t c o n s t r a i n t v i o l a t i o n s , i n -

p u t s m o v e s , a n d o p t i m a l i n p u t t a r g e t v i o l a t i o n s . F o r

l a r g e p r o b l e m s i t i s n o t e a s y t o t r a n s l a t e c o n t r o l s p e c i -

c a t i o n s i n t o a c o n s i s t e n t s e t o f r e l a t i v e w e i g h t s . I n

s o m e c a s e s i t d o e s n o t m a k e s e n s e t o i n c l u d e t h e s e

v a r i a b l e s i n t h e s a m e o b j e c t i v e f u n c t i o n ; d r i v i n g t h e

i n p u t s t o t h e i r o p t i m a l t a r g e t s m a y l e a d t o l a r g e r v i -

o l a t i o n o f o u t p u t s o f t c o n s t r a i n t s , f o r e x a m p l e . E v e n

w h e n a c o n s i s t e n t s e t o f r e l a t i v e w e i g h t s c a n b e f o u n d ,

c a r e m u s t b e t a k e n t o a v o i d s c a l i n g p r o b l e m s t h a t l e a d

t o a n i l l - c o n d i t i o n e d s o l u t i o n . P r e t t a n d G a r c a c o m -

m e n t e d o n t h i s p r o b l e m i n t h e i r t e x t o n F u n d a m e n t a l

P r o c e s s C o n t r o l ( P r e t t a n d G a r c a , 1 9 8 8 ) :

T h e c o m b i n a t i o n o f m u l t i p l e o b j e c t i v e s

i n t o o n e o b j e c t i v e ( f u n c t i o n ) d o e s n o t a l l o w

t h e d e s i g n e r t o r e e c t t h e t r u e p e r f o r m a n c e

r e q u i r e m e n t s .

T h e s e i s s u e s m o t i v a t e d e n g i n e e r s a t A d e r s a a n d

S e t p o i n t , I n c . t o d e v e l o p a n e w v e r s i o n o f t h e I D C O M

a l g o r i t h m . T h e v e r s i o n m a r k e t e d b y S e t p o i n t w a s

c a l l e d I D C O M - M ( t h e M w a s t o d i s t i n g u i s h t h i s f r o m

a s i n g l e i n p u t / s i n g l e o u t p u t v e r s i o n c a l l e d I D C O M - S ) ,

w h i l e t h e A d e r s a v e r s i o n w a s r e f e r r e d t o a s H I E C O N

( H i e r a r c h i c a l C o n s t r a i n t C o n t r o l ) . T h e I D C O M - M

c o n t r o l l e r w a s r s t d e s c r i b e d i n a p a p e r b y G r o s d i d i e r

e t a l . ( G r o s d i d i e r , F r o i s y a n d H a m m a n n , 1 9 8 8 ) . A s e c -

o n d p a p e r p r e s e n t e d a t t h e 1 9 9 0 A I C h E c o n f e r e n c e d e -

s c r i b e s a n a p p l i c a t i o n o f I D C O M - M t o t h e S h e l l F u n d a -

m e n t a l C o n t r o l P r o b l e m ( F r o i s y a n d M a t s k o , 1 9 9 0 ) a n d

p r o v i d e s a d d i t i o n a l d e t a i l s c o n c e r n i n g t h e c o n s t r a i n t

m e t h o d o l o g y . D i s t i n g u i s h i n g f e a t u r e s o f t h e I D C O M -

M a l g o r i t h m i n c l u d e :

l i n e a r i m p u l s e r e s p o n s e m o d e l o f p l a n t

c o n t r o l l a b i l i t y s u p e r v i s o r t o s c r e e n o u t i l l -

c o n d i t i o n e d p l a n t s u b s e t s

m u l t i - o b j e c t i v e f u n c t i o n f o r m u l a t i o n ; q u a d r a t i c

o u t p u t o b j e c t i v e f o l l o w e d b y a q u a d r a t i c i n p u t o b -

e c t i v e

c o n t r o l s a s i n g l e f u t u r e p o i n t i n t i m e f o r e a c h o u t -

p u t , c a l l e d t h e c o i n c i d e n c e p o i n t , c h o s e n f r o m a

r e f e r e n c e t r a j e c t o r y

a s i n g l e m o v e i s c o m p u t e d f o r e a c h i n p u t

c o n s t r a i n t s c a n b e h a r d o r s o f t , w i t h h a r d c o n -

s t r a i n t s r a n k e d i n o r d e r o f p r i o r i t y

T h e I D C O M - M c o n t r o l l e r r e t a i n s t h e l i n e a r i m -

p u l s e r e s p o n s e p l a n t m o d e l u s e d b y t h e o r i g i n a l I D -

C O M a l g o r i t h m . T h e I D C O M - M c o n t r o l l e r a l l o w s t h e

c a p a b i l i t y t o i n c l u d e p u r e l y i n t e g r a t i n g r e s p o n s e s , h o w -

e v e r . T h e s e a r e a s s u m e d t o d e s c r i b e t h e r e s p o n s e o f t h e

r s t o r d e r d e r i v a t i v e o f t h e o u t p u t w i t h r e s p e c t t o t i m e .

T h e I D C O M - M a l g o r i t h m i n c l u d e s a c o n t r o l l a b i l -

i t y s u p e r v i s o r w h i c h d e c i d e s , b a s e d o n t h e c u r r e n t s e t

o f a v a i l a b l e i n p u t s a n d o u t p u t s , w h i c h o u t p u t s c a n b e

i n d e p e n d e n t l y c o n t r o l l e d . T h e s e l e c t i o n i s b a s e d o n


8/31


t h e e e c t i v e c o n d i t i o n n u m b e r o f t h e p l a n t g a i n m a -

t r i x ; a l i s t o f c o n t r o l l a b i l i t y p r i o r i t i e s i s u s e d t o d e t e r -

m i n e w h i c h o u t p u t s t o d r o p f r o m t h e p r o b l e m i f a n

i l l - c o n d i t i o n e d s e t i s e n c o u n t e r e d .

A n i m p o r t a n t d i s t i n c t i o n o f t h e I D C O M - M a l g o -

r i t h m i s t h a t i t u s e s t w o s e p a r a t e o b j e c t i v e f u n c t i o n s

o n e f o r t h e o u t p u t s a n d t h e n , i f t h e r e a r e e x t r a d e g r e e s

o f f r e e d o m , o n e f o r t h e i n p u t s . A q u a d r a t i c o u t p u t o b -

e c t i v e f u n c t i o n i s m i n i m i z e d r s t s u b e c t t o h a r d i n p u t

c o n s t r a i n t s . E a c h o u t p u t i s d r i v e n a s c l o s e l y a s p o s s i -

b l e t o a d e s i r e d v a l u e a t a s i n g l e p o i n t i n t i m e k n o w n

a s t h e c o i n c i d e n c e p o i n t . T h e n a m e c o m e s f r o m t h e

f a c t t h a t t h i s i s w h e r e t h e d e s i r e d a n d p r e d i c t e d v a l -

u e s s h o u l d c o i n c i d e . T h e d e s i r e d o u t p u t v a l u e c o m e s

f r o m a r s t o r d e r r e f e r e n c e t r a j e c t o r y t h a t s t a r t s a t t h e

c u r r e n t m e a s u r e d v a l u e a n d l e a d s s m o o t h l y t o t h e s e t -

p o i n t . E a c h o u t p u t h a s t w o b a s i c t u n i n g p a r a m e t e r s ;

a c o i n c i d e n c e p o i n t a n d a c l o s e d l o o p r e s p o n s e t i m e ,

u s e d t o d e n e t h e r e f e r e n c e t r a j e c t o r y .

I n m a n y c a s e s t h e s o l u t i o n t o t h e o u t p u t o p t i m i z a -

t i o n i s n o t u n i q u e . W h e n a d d i t i o n a l d e g r e e s o f f r e e -

d o m a r e p r e s e n t a s e c o n d i n p u t o p t i m i z a t i o n i s p e r -

f o r m e d . A q u a d r a t i c i n p u t o b j e c t i v e f u n c t i o n i s m i n i -

m i z e d s u b j e c t t o e q u a l i t y c o n s t r a i n t s t h a t p r e s e r v e t h e

o u t p u t s f o u n d i n t h e o u t p u t o p t i m i z a t i o n . T h e i n p u t s

a r e d r i v e n a s c l o s e l y a s p o s s i b l e t o t h e i r I d e a l R e s t i n g

V a l u e s ( I R V ' s ) w h i c h m a y c o m e , f o r e x a m p l e , f r o m a n

o v e r l y i n g s t e a d y - s t a t e o p t i m i z e r . B y d e f a u l t t h e I R V

f o r a g i v e n i n p u t i s s e t t o i t s c u r r e n t m e a s u r e d v a l u e .

T h e i n p u t o p t i m i z a t i o n m a k e s t h e m o s t e e c t i v e u s e o f

a v a i l a b l e d e g r e e s o f f r e e d o m w i t h o u t a l t e r i n g t h e o p t i -

m a l o u t p u t s o l u t i o n .

T h e I D C O M - M c a l c u l a t i o n i s g r e a t l y s i m p l i e d b y

c o m p u t i n g a s i n g l e m o v e f o r e a c h i n p u t . T h i s i n p u t

b l o c k i n g a s s u m p t i o n r e s u l t s i n a l o s s o f p e r f o r m a n c e b u t

p r o v i d e s a d d i t i o n a l r o b u s t n e s s t o m o d e l i n g e r r o r s . I n

p r a c t i c e t h i s h a s b e e n a n a c c e p t a b l e t r a d e - o . B a d g -

w e l l h a s a n a l y z e d t h e r o b u s t n e s s p r o p e r t i e s o f i n p u t -

b l o c k i n g f o r t h e S I S O c a s e ( B a d g w e l l , 1 9 9 5 ) .

I n t h e I D C O M - M c o n t e x t , c o n s t r a i n t s a r e d i v i d e d

i n t o h a r d a n d s o f t c a t e g o r i e s , w i t h t h e u n d e r s t a n d i n g

t h a t h a r d c o n s t r a i n t s m u s t b e r a n k e d i n o r d e r o f p r i o r -

i t y . W h e n t h e c a l c u l a t i o n b e c o m e s i n f e a s i b l e , t h e l o w -

e s t p r i o r i t y h a r d c o n s t r a i n t i s d r o p p e d a n d t h e c a l c u -

l a t i o n i s r e p e a t e d . O n e c a n s p e c i f y s e v e r a l c o n s t r a i n t s

t o h a v e t h e s a m e p r i o r i t y , a n d i t i s p o s s i b l e t o r e q u i r e

t h a t t h e c o n t r o l t u r n i t s e l f o a n d n o t i f y t h e o p e r a -

t o r i f c o n s t r a i n t s a b o v e a g i v e n p r i o r i t y l e v e l c a n n o t b e

e n f o r c e d .

G r o s d i d i e r e t a l . ( G r o s d i d i e r e t a l . , 1 9 8 8 ) d e s c r i b e

t h e o w o f a t y p i c a l c a l c u l a t i o n :

D e t e r m i n e a v a i l a b l e p r o c e s s i n p u t s a n d o u t p u t s

D e t e r m i n e t h e l i s t o f c o n t r o l l a b l e o u t p u t s ( c o n t r o l -

l a b i l i t y s u p e r v i s o r )

O u t p u t O p t i m i z a t i o n

I n p u t O p t i m i z a t i o n

G r o s d i d i e r e t a l . p r o v i d e s i m u l a t i o n r e s u l t s f o r

a r e p r e s e n t a t i v e F C C U r e g e n e r a t o r c o n t r o l p r o b l e m .

T h e p r o b l e m i n v o l v e s c o n t r o l l i n g u e g a s c o m p o s i t i o n ,

u e g a s t e m p e r a t u r e , a n d r e g e n e r a t o r b e d t e m p e r a -

t u r e b y m a n i p u l a t i n g f e e d o i l o w , r e c y c l e o i l o w a n d

a i r t o t h e r e g e n e r a t o r . T h e r s t s i m u l a t i o n e x a m p l e

d e m o n s t r a t e s h o w u s i n g m u l t i p l e i n p u t s c a n i m p r o v e

d y n a m i c p e r f o r m a n c e w h i l e r e a c h i n g a p r e - d e t e r m i n e d

o p t i m a l s t e a d y - s t a t e c o n d i t i o n . A s e c o n d e x a m p l e

d e m o n s t r a t e s h o w t h e c o n t r o l l e r s w i t c h e s f r o m c o n t r o l -

l i n g o n e o u t p u t t o c o n t r o l l i n g a n o t h e r w h e n a m e a s u r e d

d i s t u r b a n c e c a u s e s a c o n s t r a i n t v i o l a t i o n . A t h i r d e x -

a m p l e d e m o n s t r a t e s t h e n e e d f o r t h e c o n t r o l l a b i l i t y s u -

p e r v i s o r . W h e n a n o x y g e n a n a l y z e r f a i l s , t h e c o n t r o l l a -

b i l i t y s u p e r v i s o r i s l e f t w i t h o n l y u e g a s t e m p e r a t u r e

a n d r e g e n e r a t o r b e d t e m p e r a t u r e t o c o n s i d e r . I t c o r -

r e c t l y d e t e c t s t h a t c o n t r o l l i n g b o t h w o u l d l e a d t o a n

i l l - c o n d i t i o n e d p r o b l e m ; t h i s i s b e c a u s e t h e s e o u t p u t s

r e s p o n d i n a v e r y s i m i l a r w a y t o t h e i n p u t s . B a s e d

o n a p r e - s e t p r i o r i t y i t e l e c t s t o c o n t r o l o n l y t h e u e

g a s t e m p e r a t u r e . W h e n t h e c o n t r o l l a b i l i t y s u p e r v i s o r

i s t u r n e d o t h e s a m e s i m u l a t i o n s c e n a r i o l e a d s t o e r -

r a t i c a n d u n a c c e p t a b l e i n p u t a d j u s t m e n t s .

E n g i n e e r s a t P r o m a t i c s a d d r e s s e d s i m i l a r i s s u e s

i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e i r P C T a l g o r i t h m ( P r e d i c t i v e

C o n t r o l T e c h n o l o g y ) . T h i s a l o g r i t h m a l s o u s e s c o n -

s t r a i n t p r i o r i t i z a t i o n t o r e c o v e r f r o m i n f e a s i b i l i t y . A n -

o t h e r i n t e r e s t i n g f e a t u r e i s k n o w n a s p r e d i c t - b a c k i n

w h i c h u n m e a s u r e d d i s t u r b a n c e s t h a t e n t e r l o w e r l e v e l

P I D l o o p s a r e e s t i m a t e d a n d u s e d f o r f e e d f o r w a r d c o n -

t r o l . T h i s f e a t u r e i s v e r y u s e f u l w h e n a l o w e r l e v e l

P I D l o o p h a s s l o w d y n a m i c s , w h e r e t h e p r e d i c t - b a c k

e s t i m a t e h e l p s t h e M P C c o n t r o l l e r r e s p o n d t o a n u n -

m e a s u r e d d i s t u r b a n c e m u c h f a s t e r .

T h e I D C O M - M a l g o r i t h m i s o n e o f s e v e r a l t h a t

r e p r e s e n t a t h i r d g e n e r a t i o n o f M P C t e c h n o l o g y ; o t h -

e r s i n c l u d e t h e P C T a l g o r i t h m s o l d b y P r o m a t i c s ,

t h e R M P C c o n t r o l l e r d e v e l o p e d b y H o n e y w e l l , a n d t h e

P F C a l g o r i t h m d e v e l o p e d b y A d e r s a . T h i s g e n e r a -

t i o n d i s t i n g u i s h e s b e t w e e n s e v e r a l l e v e l s o f c o n s t r a i n t s

( h a r d , s o f t , r a n k e d ) , p r o v i d e s s o m e m e c h a n i s m t o r e -

c o v e r f r o m a n i n f e a s i b l e s o l u t i o n , a d d r e s s e s t h e i s s u e s

r e s u l t i n g f r o m a c o n t r o l s t r u c t u r e t h a t c h a n g e s i n r e a l

t i m e , a n d a l l o w s f o r a w i d e r r a n g e o f p r o c e s s d y n a m i c s

a n d c o n t r o l l e r s p e c i c a t i o n s .

S u r v e y o f M P C T e c h n o l o g y P r o d u c t s

C o m m e r c i a l M P C t e c h n o l o g y h a s d e v e l o p e d c o n s i d e r -

a b l y s i n c e t h e i n t r o d u c t i o n o f t h i r d g e n e r a t i o n t e c h -

n o l o g y n e a r l y a d e c a d e a g o . W e r e c e n t l y s u r v e y e d v e

M P C v e n d o r s i n o r d e r t o a s s e s s t h e c u r r e n t s t a t u s o f

c o m m e r c i a l M P C t e c h n o l o g y . W e b e l i e v e t h a t t h i s l i s t

i s r e p r e s e n t a t i v e i n t h a t t h e t e c h n o l o g y s o l d b y t h e s e

c o m p a n i e s r e p r e s e n t s t h e i n d u s t r i a l s t a t e o f t h e a r t ;


9/31


w e f u l l y r e c o g n i z e t h a t w e h a v e o m i t t e d s o m e m a j o r

M P C v e n d o r s f r o m o u r s u r v e y . S o m e c o m p a n i e s w e r e

n o t a s k e d t o p a r t i c i p a t e , s o m e c h o s e n o t t o p a r t i c i -

p a t e , a n d s o m e r e s p o n d e d t o o l a t e t o b e i n c l u d e d i n

t h e p a p e r . O n l y c o m p a n i e s w h i c h h a v e d o c u m e n t e d

s u c c e s s f u l M P C a p p l i c a t i o n s w e r e a s k e d t o p a r t i c i p a t e .

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t s e v e r a l c o m p a n i e s m a k e u s e

o f M P C t e c h n o l o g y d e v e l o p e d i n - h o u s e b u t w e r e n o t

i n c l u d e d i n t h e s u r v e y b e c a u s e t h e y d o n o t o e r t h e i r

t e c h n o l o g y e x t e r n a l l y ( S h e l l , E x x o n , e t c . ) . T h e s e M P C

p a c k a g e s a r e e i t h e r w e l l - k n o w n t o a c a d e m i c r e s e a r c h e r s

( e . g . , Q D M C f r o m S h e l l O i l ) o r n o t k n o w n a t a l l f o r

p r o p r i e t a r y r e a s o n s .

T h e c o m p a n i e s s u r v e y e d a n d t h e i r p r o d u c t n a m e s

a n d a c r o n y m s a r e l i s t e d i n T a b l e 1 . I n i t i a l d a t a w e r e

c o l l e c t e d f r o m i n d u s t r i a l v e n d o r s o f M P C t e c h n o l o g y

u s i n g a w r i t t e n s u r v e y . B l a n k c o p i e s o f t h e s u r v e y

a r e a v a i l a b l e u p o n r e q u e s t f r o m t h e a u t h o r s . S u r -

v e y i n f o r m a t i o n w a s s u p p l e m e n t e d b y p u b l i s h e d p a -

p e r s , p r o d u c t l i t e r a t u r e ( D M C C o r p . , 1 9 9 4 ; S e t p o i n t ,

I n c . , 1 9 9 3 ; H o n e y w e l l , I n c . , 1 9 9 5 ) , a n d p e r s o n a l c o m -

m u n i c a t i o n b e t w e e n t h e a u t h o r s a n d v e n d o r r e p r e s e n -

t a t i v e s . R e s u l t s o f t h e s u r v e y a r e s u m m a r i z e d i n T a -

b l e s 2 , 3 a n d 4 . I n p r e s e n t i n g t h e s u r v e y r e s u l t s o u r

i n t e n t i o n i s t o h i g h l i g h t t h e i m p o r t a n t f e a t u r e s o f e a c h

a l g o r i t h m ; i t i s n o t o u r i n t e n t t o d e t e r m i n e t h e s u p e r i -

o r i t y o f o n e p r o d u c t v e r s u s a n o t h e r . T h e c h o i c e o f a n

a p p r o p r i a t e M P C p a c k a g e f o r a p a r t i c u l a r a p p l i c a t i o n

i s a c o m p l e x q u e s t i o n t h a t m u s t b e a n s w e r e d o n a c a s e

b y c a s e b a s i s ; s u c h i s s u e s a r e b e y o n d t h e s c o p e o f t h i s

p a p e r .

W e f o c u s h e r e o n t h e m a i n a s p e c t s o f t h e c o n -

t r o l a n d i d e n t i c a t i o n t e c h n o l o g y . W e f u l l y u n d e r s t a n d

t h a t a s o u n d i n d u s t r i a l o e r i n g m u s t a d d r e s s m a n y

n e e d s n o t n e c e s s a r i l y r e l a t e d t o t h e m a t h e m a t i c s o f

t h e a l g o r i t h m s ; t h e s e i n c l u d e s o f t w a r e a n d h a r d w a r e

c o m p a t i b i l i t y , u s e r i n t e r f a c e r e q u i r e m e n t s , p e r s o n n e l

t r a i n i n g , a n d c o n g u r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e i s s u e s . I t

s h o u l d a l s o b e c l e a r t h a t t h e d e s c r i p t i o n s g i v e n h e r e

a r e n e c e s s a r i l y i n c o m p l e t e , s i n c e e v e r y M P C p r o d u c t

h a s p r o p r i e t a r y f e a t u r e s . W i t h t h i s u n d e r s t a n d i n g i n

m i n d , w e r s t d i s c u s s t h e p r o c e s s m o d e l s a t t h e c o r e

o f M P C t e c h n o l o g y a n d t h e n d e s c r i b e t h e d e t a i l s o f a

t y p i c a l M P C c a l c u l a t i o n . S u b s e q u e n t s e c t i o n s d e s c r i b e

h o w d i e r e n t M P C v e n d o r s a p p r o a c h t h e d i e r e n t a s -

p e c t s o f i m p l e m e n t i n g M P C t e c h n o l o g y .

P r o c e s s M o d e l s

T h e m a t h e m a t i c a l f o r m o f t h e p r o c e s s m o d e l d e n e s

t h e s c o p e o f a n M P C a l g o r i t h m . T a b l e s 3 a n d 4 s h o w

t h a t a w i d e v a r i e t y o f m o d e l f o r m s a r e u s e d i n i n d u s t r i a l

M P C a l g o r i t h m s . A l l o f t h e c o n t r o l a n d i d e n t i c a t i o n

a l g o r i t h m s d e s c r i b e d h e r e u s e t i m e - i n v a r i a n t m o d e l s . A

g e n e r a l n o n l i n e a r d i s c r e t e - t i m e s t a t e s p a c e m o d e l m a y

b e d e s c r i b e d a s

x

k + 1

= f ( x

k

u

k

v

k

w

k

) ( 7 )

y

k

= g ( x

k

) +

k

( 8 )

w h e r e u

k

2


10/31

1 0 M O D E L P R E D I C T I V E C O N T R O L

t o d e s c r i b e t h e f u l l o p e n l o o p r e s p o n s e . A n e q u i v a l e n t

v e l o c i t y f o r m i s u s e f u l i n i d e n t i c a t i o n :

y

k

=

X

N

u

i = 1

H

u

i

u

k i

+

X

N

v

i = 1

H

v

i

v

k i

+

X

N

w

i = 1

H

w

i

w

k i

+

k

( 1 5 )

A n a l t e r n a t i v e m o d e l f o r m i s t h e n i t e s t e p r e s p o n s e

m o d e l ( F S R ) ( C u t l e r e t a l . , 1 9 8 3 ) , g i v e n b y :

y

k

=

X

k

i = 1

S

u

i

u

k i

+

X

k

i = 1

S

v

i

v

k i

+

X

k

i = 1

S

w

i

w

k i

+

k

( 1 6 )

w h e r e S

0

= 0 a n d S

j

= S

N

f o r j > N . N o t e t h a t

t h e s u m m a t i o n g o e s f r o m t h e i n i t i a l t i m e t o t h e c u r -

r e n t t i m e k . T h e F S R m o d e l i s u s e d b y t h e D M C a n d

R M P C T a l g o r i t h m s . T h e F I R m o d e l i s r e l a t e d t o t h e

F S R m o d e l t h r o u g h :

H

i

= S

i

? S

i 1

( 1 7 )

T h e S M C - I d c o m a n d R M P C T a l g o r i t h m s a l s o p r o -

v i d e t h e o p t i o n t o e n t e r L a p l a c e t r a n s f e r f u n c t i o n m o d -

e l s . A l l o f t h e a l g o r i t h m s a l l o w c o n t r o l o f p r o c e s s e s

w i t h i n t e g r a t i n g d y n a m i c s , e i t h e r b y m o d e l i n g t h e t i m e

d e r i v a t i v e o f t h e o u t p u t r e s p o n s e o r b y u s i n g a m o d i e d

f e e d b a c k p r o c e d u r e .

A G e n e r a l M P C C o n t r o l C a l c u l a t i o n

M P C c o n t r o l l e r s a r e d e s i g n e d t o d r i v e t h e p r o c e s s f r o m

o n e c o n s t r a i n e d s t e a d y s t a t e t o a n o t h e r . T h e y m a y

r e c e i v e a n o p t i m a l s t e a d y - s t a t e o p e r a t i n g p o i n t f r o m a n

o v e r l y i n g o p t i m i z e r , a s s h o w n i n F i g u r e 2 , o r t h e y m a y

c o m p u t e a n o p t i m a l o p e r a t i n g p o i n t u s i n g a n i n t e r n a l

s t e a d y - s t a t e o p t i m i z e r . T h e g e n e r a l o b j e c t i v e s o f a n

M P C c o n t r o l l e r , i n o r d e r o f i m p o r t a n c e , a r e :

1 . p r e v e n t v i o l a t i o n o f i n p u t a n d o u t p u t c o n s t r a i n t s

2 . d r i v e t h e C V ' s t o t h e i r s t e a d y - s t a t e o p t i m a l v a l u e s

( d y n a m i c o u t p u t o p t i m i z a t i o n )

3 . d r i v e t h e M V ' s t o t h e i r s t e a d y - s t a t e o p t i m a l v a l -

u e s u s i n g r e m a i n i n g d e g r e e s o f f r e e d o m ( d y n a m i c

i n p u t o p t i m i z a t i o n )

4 . p r e v e n t e x c e s s i v e m o v e m e n t o f M V ' s

5 . w h e n s i g n a l s a n d a c t u a t o r s f a i l , c o n t r o l a s m u c h

o f t h e p l a n t a s p o s s i b l e .

T h e t r a n s l a t i o n o f t h e s e o b j e c t i v e s i n t o a m a t h e -

m a t i c a l p r o b l e m s t a t e m e n t i n v o l v e s a n u m b e r o f a p -

p r o x i m a t i o n s a n d t r a d e - o s t h a t d e n e t h e b a s i c c h a r -

a c t e r o f t h e c o n t r o l l e r . L i k e a n y d e s i g n p r o b l e m t h e r e

a r e m a n y p o s s i b l e s o l u t i o n s ; i t i s n o s u r p r i s e t h a t t h e r e

a r e a n u m b e r o f d i e r e n t M P C c o n t r o l f o r m u l a t i o n s .

T a b l e 3 s u m m a r i z e s h o w e a c h o f t h e M P C v e n d o r s h a s

a c c o m p l i s h e d t h i s t r a n s l a t i o n .

F i g u r e 5 i l l u s t r a t e s t h e o w o f a r e p r e s e n t a t i v e

M P C c a l c u l a t i o n a t e a c h c o n t r o l e x e c u t i o n . T h e r s t

s t e p i s t o r e a d t h e c u r r e n t v a l u e s o f p r o c e s s i n p u t s

( D V ' s a n d M V ' s ) a n d p r o c e s s o u t p u t s ( C V ' s ) . I n a d d i -

t i o n t o t h e i r n u m e r i c a l v a l u e s , e a c h m e a s u r e m e n t c a r -

r i e s w i t h i t a s e n s o r s t a t u s t o i n d i c a t e w h e t h e r t h e s e n -

s o r i s f u n c t i o n i n g p r o p e r l y o r n o t . E a c h M V w i l l a l s o

c a r r y i n f o r m a t i o n o n t h e s t a t u s o f t h e a s s o c i a t e d l o w e r

l e v e l c o n t r o l f u n c t i o n o r v a l v e ; i f s a t u r a t e d t h e n t h e

M V w i l l b e p e r m i t t e d t o m o v e i n o n e d i r e c t i o n o n l y . I f

t h e M V c o n t r o l l e r i s d i s a b l e d t h e n t h e M V c a n n o t b e

u s e d f o r c o n t r o l b u t c a n b e c o n s i d e r e d a m e a s u r e d d i s -

t u r b a n c e ( D V ) . T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s d e s c r i b e o t h e r

a s p e c t s o f t h e c a l c u l a t i o n i n g r e a t e r d e t a i l .

O u t p u t F e e d b a c k

T h e m o d e l u p d a t e s t e p i s w h e r e f e e d b a c k e n t e r s t h e

l o o p . A l l o f t h e i n d u s t r i a l M P C a l g o r i t h m s s u r v e y e d

h e r e u s e t h e s a m e f o r m o f f e e d b a c k f o r s t a b l e p r o c e s s e s ,

b a s e d o n c o m p a r i n g t h e c u r r e n t m e a s u r e d p r o c e s s o u t -

p u t y

m

k

t o t h e c u r r e n t p r e d i c t e d o u t p u t y

k

b

k

= y

m

k

? y

k

( 1 8 )

T h e b i a s b

k

t e r m i s a d d e d t o t h e m o d e l f o r u s e i n

s u b s e q u e n t p r e d i c t i o n s :

y

k + j

= g ( x

k + j

) + b

k

( 1 9 )

T h i s f o r m o f f e e d b a c k i s e q u i v a l e n t t o a s s u m i n g a n

o u t p u t d i s t u r b a n c e t h a t r e m a i n s c o n s t a n t f o r a l l f u t u r e

t i m e ( M o r a r i a n d L e e , 1 9 9 1 ; L e e , M o r a r i a n d G a r c a ,

1 9 9 4 ) . R a w l i n g s e t a l . ( R a w l i n g s e t a l . , 1 9 9 4 ) s h o w t h a t

t h i s m e t h o d o f f e e d b a c k r e m o v e s s t e a d y - s t a t e o s e t ,

w h i c h p r o v i d e s t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r i t s u s e .

V a r i a t i o n s o f t h i s b a s i c f e e d b a c k a p p r o a c h a r e u s e d

f o r t h e c a s e o f i n t e g r a t i n g d y n a m i c s . I n R M P C T , f o r

e x a m p l e , b o t h a m o d e l b i a s a n d t h e r a t e o f c h a n g e o f

t h e b i a s a r e u s e d f o r C V ' s t h a t h a v e i n t e g r a t i n g e l e -

m e n t s . D M C u s e s a r o t a t i o n f a c t o r t o c o m b i n e a c o n -

t r i b u t i o n f r o m t h e b i a s t e r m w i t h a c o n t r i b u t i o n f r o m

t h e r a t e o f c h a n g e o f t h e b i a s t e r m .

A d d i t i o n a l p r a c t i c a l d e t a i l s o f t h e b i a s t e r m c a l -

c u l a t i o n s h o u l d b e n o t e d . T h e b i a s c a l c u l a t i o n m a y

b e l t e r e d t o r e m o v e h i g h f r e q u e n c y n o i s e ; t h e R M -

P C T a n d S M C - I d c o m a l g o r i t h m s p r o v i d e t h i s o p t i o n .

I n s o m e c a s e s t h e C V m e a s u r e m e n t m a y n o t b e a v a i l -

a b l e a t e a c h c o n t r o l e x e c u t i o n ; t h i s m a y h a p p e n , f o r

e x a m p l e , w h e n t h e C V m e a s u r e m e n t i s p r o v i d e d b y a n

a n a l y z e r . I n t h i s c a s e o n e c a n s k i p t h e b i a s u p d a t e f o r

t h e a e c t e d C V f o r a n u m b e r o f c o n t r o l i n t e r v a l s . A

c o u n t e r i s p r o v i d e d t o d i s a b l e c o n t r o l o f t h e C V i f t o o

m a n y e x e c u t i o n s g o b y w i t h o u t f e e d b a c k . T h e D M C

a n d S M C - I d c o m a l g o r i t h m s p r o v i d e t h i s f e a t u r e .

An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology VER

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