发明创造名称：具有用以补偿模型失配的可调节积分分量的模型预测控制器
外观设计名称：
决定号：188668
决定日：2019-08-21
委内编号：1F266049
优先权日：2009-02-02
申请（专利）号：201610139423.0
申请日：2010-02-02
复审请求人：费希尔-罗斯蒙特系统公司
无效请求人：
授权公告日：
审定公告日：
专利权人：
主审员：宋淑鹏
合议组组长：尹海娥
参审员：杨静
国际分类号：G05B19/418
外观设计分类号：
法律依据：专利法第33条
决定要点
：如果一项权利要求修改后的技术方案并未记载在原申请文件中，也不能由原申请文件直接地、毫无疑义地确定，则该权利要求修改超范围。
全文：
本复审请求涉及申请号为201610139423.0，名称为“具有用以补偿模型失配的可调节积分分量的模型预测控制器”的分案发明专利申请（下称本申请）。本申请的申请人为费希尔-罗斯蒙特系统公司，原案申请号为201080006259.7，申请日为2010年02月02日，优先权日为2009年02月02日；分案提交日为2016年03月11日，公开日为2016年05月18日。
经实质审查，国家知识产权局专利实质审查部门于2018年08月03日发出驳回决定，驳回了本申请，其理由是：权利要求1-28不具有专利法第22条第3款规定的创造性。驳回决定所依据的文本为：分案提交日提交的说明书摘要、说明书第1-119段、摘要附图、说明书附图1-15B、权利要求第1-28项。
驳回决定中引用了以下对比文件：
对比文件1：CN1940780A，公开日为2007年04月04日；
对比文件2：Disturbance Models for Offset-Free Model-Predictive Control, Gabriele Pannocchia etc.,AIChE Journal，2003年第49卷第2期，第426-437页，公开日为2003年02月28日。
驳回决定所针对的权利要求书如下：
“1. 一种用于控制过程的基于模型的过程控制器，包括：
控制器输入，用以接收一个或多个指示所述过程中的受控变量的过程测量；
控制器输出，用于提供一个或多个用于控制所述过程的被操纵的过程变量的控制信号；
过程模型单元，包括对过程的运行建模的过程模型，其中所述过程模型单元基于所述过程模型生成预测的过程变量；
第一求和器，其从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号；
第二求和器，其从用于所述过程变量的给定点值中减去所预测的过程变量以产生第二误差信号；
控制单元，其使用所述第二误差信号生成初步控制信号；
积分器，其对所述第一误差信号或所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及
组合器单元，其耦合至所述积分器和所述控制单元以将所述积分误差信号与所述初步控制信号组合来产生用于控制所述过程的所述被操纵的过程变量的最终控制信号。
2. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其他制造业所述积分器为一个并且仅有一个积分器。
3. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型包括一个或多个线性阶跃响应模型或一个或多个脉冲响应模型，以及，其中，所述控制单元实施动态矩阵控制算法以产生所述初步控制信号。
4. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型为第一性原理模型。
5. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型为一阶加时滞过程模型。
6. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型为二阶过程模型。
7. 根据权利要求6的所述基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型为二阶加时滞过程模型。
8. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述控制单元实施模型预测控制算法。
9. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述控制单元实施包括卡曼滤波的模型预测控制算法。
10. 根据权利要求9的所述基于模型的过程控制器，其特征在于，所述卡曼滤波为常规卡曼滤波。
11. 根据权利要求9的所述基于模型的过程控制器，其特征在于，所述卡曼滤波为简化卡曼滤波。
12. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述积分器可调节。
13. 根据权利要求12的所述基于模型的过程控制器，其特征在于，所述积分器基于所述过程的分数时滞可调节。
14. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述组合器单元包括求和器。
15. 根据权利要求1所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型单元使用一个或多个最终控制信号值作为对所述过程模型的输入以产生所述预测的过程变量值。
16. 根据权利要求15所述的基于模型的过程控制器，其特征在于，所述过程模型单元还使用一个或多个在所述过程中的被测扰动值作为对所述过程模型的输入以产生所述预测的过程变量值。
17. 一种产生用于控制过程的一组过程控制信号的方法，包括：
根据对所述过程的运行建模的过程模型以及根据被提供作为所述过程模型的输入的一组控制器输出值，生成一组预测的过程变量 值；
从所述过程的被操纵的过程变量的一组当前测量值中减去该组所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号；
从用于所述过程的受控的变量的一组给定点值中减去该组所预测的过程变量以产生第二误差信号；
使用所述第二误差信号生成一组初步控制信号；
对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及
将所述积分误差信号与该组初步控制信号组合以产生该组过程控制信号。
18. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分为一次并且仅一次地对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分。
19. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，包括使用该组过程控制信号来控制所述过程的运行。
20. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，生成该组预测的过程变量值包括使用先前的一组过程控制信号作为该组控制器输出值。
21. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，还包括使用一个或多个指示在所述过程以及所述过程模型中的受控变量的过程测量和该组控制器输出值以产生该组预测的过程变量值。
22. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，还包括使用一个或多个指示所述过程以及所述过程模型中所测量的扰动的过程测量和该组控制器输出值以产生该组预测的过程变量值。
23. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，所述过程模型包括一个或多个线性阶跃响应模型或者一个 或多个脉冲响应模型，以及，其中，使用所述该组预测的过程变量值以生成该组初步控制信号包括使用动态矩阵控制算法以产生该组初步控制信号。
24. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，使用该组预测的过程变量值生成该组初步控制信号包括使用模型预测控制算法以产生该组初步控制信号。
25. 根据权利要求24所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，还包括结合模型预测控制算法实施状态观测器。
26. 根据权利要求25所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，所述状态观测器为常规卡曼滤波器或简化卡曼滤波器中之一。
27. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，还包括使所述积分器可被调节。
28. 根据权利要求17所述的产生一组过程控制信号的方法，其特征在于，还包括使所述积分器可基于所述过程的分数时滞而调节。”
驳回决定认为：1、权利要求1请求保护的技术方案相对于对比文件1，区别技术特征为：积分器，其对所述第一误差信号或第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及组合器单元，其耦合至所述积分器和所述控制单元以将所述积分误差信号与所述初步控制信号组合来产生用于控制所述过程的所述被操纵的过程变量的最终控制信号。上述区别技术特征是本领域技术人员在对比文件2的基础上经过简单的分析推理能够得到的。因此权利要求1不具备专利法第22条第3款规定的创造性。2、权利要求2-16是权利要求1的从属权利要求，其附加技术特征或者被对比文件1公开，或者是本领域技术人员的惯用技术手段，因此不具有创造性，不符合专利法第22条第3款的规定。3、权利要求17请求保护的技术方案相对于对比文件1，区别技术特征为：对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及将所述积分误差信号与该组初步控制信号组合以产生该组过程控制信号。上述区别技术特征是本领域技术人员在对比文件2的基础上经过简单的分析推理能够得到的，因此权利要求17不具备专利法第22条第3款规定的创造性。4、权利要求18-28是权利要求17的从属权利要求，其附加技术特征或者被对比文件1公开，或者是本领域技术人员的惯用技术手段，因此不具有创造性，不符合专利法第22条第3款的规定。
费希尔-罗斯蒙特系统公司（下称复审请求人）对上述驳回决定不服,于2018年11月15日向国家知识产权局提出了复审请求，同时提交了修改之后的权利要求书。将权利要求1中的特征“积分器”修改为“可调节积分器”；删除了从属权利要求12；将权利要求17中的特征“对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分以产生积分误差信号”修改为“使用可调节积分器对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分以产生积分误差信号”，形成新的独立权利要求16。修改后的权利要求1,16如下：
“1. 一种用于控制过程的基于模型的过程控制器，包括：
控制器输入，用以接收一个或多个指示所述过程中的受控变量的过程测量；
控制器输出，用于提供一个或多个用于控制所述过程的被操纵的过程变量的控制信号；
过程模型单元，包括对过程的运行建模的过程模型，其中所述过程模型单元基于所述过程模型生成预测的过程变量；
第一求和器，其从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号；
第二求和器，其从用于所述过程变量的给定点值中减去所预测的过程变量以产生第二误差信号；
控制单元，其使用所述第二误差信号生成初步控制信号；
可调节积分器，其对所述第一误差信号或所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及
组合器单元，其耦合至所述积分器和所述控制单元以将所述积分误差信号与所述初步控制信号组合来产生用于控制所述过程的所述被操纵的过程变量的最终控制信号。
16. 一种产生用于控制过程的一组过程控制信号的方法，包括：
根据对所述过程的运行建模的过程模型以及根据被提供作为所述过程模型的输入的一组控制器输出值，生成一组预测的过程变量值；
从所述过程的被操纵的过程变量的一组当前测量值中减去该组 所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号；
从用于所述过程的受控的变量的一组给定点值中减去该组所预测的过程变量以产生第二误差信号；
使用所述第二误差信号生成一组初步控制信号；
使用可调节积分器对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及
将所述积分误差信号与该组初步控制信号组合以产生该组过程控制信号。”
复审请求人认为：1、对比文件2并未公开在过程模型的输出端上工作的积分器，相反地，对比文件2描述了一种将积分输入至MPC过程模型的MPC控制器，即对比文件2的控制器中的积分扰动被提供作为控制器中所使用的过程模型的输入，也就是说对比文件2中的积分器给出了相反的技术启示。2、权利要求1中的MPC控制器还包括补偿偏移的结构，即本申请将第一误差信号（即残差）提供给过程模型单元，并将第一误差信号进行积分来其加到控制算法的输出上来校正该偏移，本领域技术人员不会想到使用对比文件2中的积分扰动来解决相同的技术问题，更不会想到对残差进行积分并将其加到控制算法的输出上来解决模型失配的技术问题。3、对比文件2中公开了不能对每个受控变量均增加积分器，因为这会导致稳态失调的发生，因此对比文件2所公开的技术实现无偏移控制能力取决于在何时在什么地方添加了多少干扰，经研究，对比文件2在MPC控制器提供了作为输入的积分扰动仅仅能够提供75%的时间的无偏移控制，并且75%的功能性模式并不是都一样的，将本申请中的积分器换成对比文件2中的积分器完全没有任何益处，本申请所保护的MPC控制器不会因任何原因而更改成对比文件2中的积分器。
经形式审查合格，国家知识产权局于2018年11月23日依法受理了该复审请求，并将其转送至原审查部门进行前置审查。
原审查部门在前置审查意见书中认为权利要求1-27仍然不具有创造性 ，因而坚持原驳回决定。
随后，国家知识产权局成立合议组对本案进行审理。
合议组于2019年05月13日向复审请求人发出复审通知书，指出：1、复审请求人提交复审请求时所提交的权利要求1中包含特征“第一求和器，其从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号”。本案是申请号为201080006259.7专利申请的分案申请，根据原案权利要求3以及原案说明书第[0046]段、第[0058]段、第[0105]段至第[0107]段，附图2、12的记载，该残差（即第一误差信号）是受控变量的测量值与所预测的过程变量的差值产生的。原案原始申请文件中未记载从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号，且以上内容也不能从原申请文件中直接地、毫无疑义地确定。因此，权利要求1修改超范围，不符合专利法第33条的规定。权利要求16存在和权利要求1相同的问题，权利要求16修改超范围，不符合专利法第33条的规定。2、根据原案权利要求3以及原案说明书第[0046]段、第[0058]段、第[0105]段至第[0107]段，附图2、12的记载，该残差（即第一误差信号）是受控变量的测量值与所预测的过程变量的差值产生的。因此，如果申请人将权利要求1、16中的“被操纵的过程变量的当前测量值”修改为“受控变量的测量值”，对于本申请创造性的评述如下：1）权利要求1请求保护的技术方案相对于对比文件1，区别技术特征为：可调节积分器，其对所述第一误差信号或第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及组合器单元，其耦合至所述积分器和所述控制单元以将所述积分误差信号与所述初步控制信号组合来产生用于控制所述过程的所述被操纵的过程变量的最终控制信号。上述区别技术特征是本领域技术人员在对比文件2给出的技术启示基础上的常规技术选择。因此权利要求1不具备专利法第22条第3款规定的创造性。2）、权利要求2-15是权利要求1的从属权利要求，其附加技术特征或者被对比文件1公开，或者是本领域技术人员的惯用技术手段，因此不具有创造性，不符合专利法第22条第3款的规定。3）、权利要求16请求保护的技术方案相对于对比文件1，区别技术特征为：使用可调节积分器对所述第一误差信号或者所述第二误差信号积分以产生积分误差信号；以及将所述积分误差信号与该组初步控制信号组合以产生该组过程控制信号。上述区别技术特征是本领域技术人员在对比文件2给出的技术启示基础上的常规技术选择，因此权利要求16不具备专利法第22条第3款规定的创造性。4）、权利要求17-27是权利要求16的从属权利要求，其附加技术特征或者被对比文件1公开，或者是本领域技术人员的惯用技术手段，因此不具有创造性，不符合专利法第22条第3款的规定。
复审请求人于2019年06月27日提交了意见陈述书，未修改申请文件。
复审请求人认为：1、针对修改超范围：说明书第[0048]段、第[0049]段分别公开了“在任何情况下，控制预测过程模型70产生输出72，该输出72为控制和辅助变量CV和AV定义了先前计算的预测，而向量求和器74从控制和辅助变量CV和AV的实际测量值中减去这些当前时间的预测值以在输入76上产生误差或修正向量（也称为残值），通常将该误差称为预测误差”、“然后，控制预测过程模型70基于被提供给控制预测过程模型70的其他输入的扰动和被操纵变量，为在控制层上的每个控制变量和辅助变量CV以及AV预测未来控制参数。控制预测模型70还产生了上述所讨论的控制变量和辅助变量CVSS以及AVSS的预测的稳定状态值”,由此，以上内容可以对应于权利要求1的相应内容，其中“控制和辅助变量CV和AV的实际测量值”对应于权利要求1中的“所述过程的被操作的过程变量的当前测量值”。由此以及相应的附图可以清楚地确定出目前的权利要求1能够得到说明书的支持，因此，权利要求1和16符合专利法第33条的规定。2、针对创造性：（1）对比文件2并未公开在过程模型的输出端上工作的积分器，相反地，对比文件2描述了一种将积分输入至MPC过程模型的MPC控制器，即对比文件2的控制器中的积分扰动被提供作为控制器中所使用的过程模型的输入，也就是说对比文件2中的积分器给出了相反的技术启示。（2）权利要求1中的MPC控制器还包括补偿偏移的结构，即本申请将第一误差信号（即残差）提供给过程模型单元，并将第一误差信号进行积分来其加到控制算法的输出上来校正该偏移，本领域技术人员不会想到使用对比文件2中的积分扰动来解决相同的技术问题，更不会想到对残差进行积分并将其加到控制算法的输出上来解决模型失配的技术问题。（3）对比文件2中公开了不能对每个受控变量均增加积分器，因为这会导致稳态失调的发生，因此对比文件2所公开的技术实现无偏移控制能力取决于在何时在什么地方添加了多少干扰，经研究，对比文件2在MPC控制器提供了作为输入的积分扰动仅仅能够提供75%的时间的无偏移控制，并且75%的功能性模式并不是都一样的，将本申请中的积分器换成对比文件2中的积分器完全没有任何益处，本申请所保护的MPC控制器不会因任何原因而更改成对比文件2中的积分器。
在上述程序的基础上，合议组认为本案事实已经清楚，可以作出审查决定。
二、决定的理由
审查文本的认定
在复审程序中，复审请求人于2018年11月15日提交了权利要求书的修改替换页。因此，本复审决定所依据的文本为：分案提交日2016年03月11日提交的说明书摘要、说明书第1-119段、摘要附图、说明书附图1-15B，2018年11月15日提交的权利要求第1-27项。
2、关于专利法第33条
专利法第33条规定： 申请人可以对其专利申请文件进行修改，但是，对发明和实用新型专利申请文件的修改不得超出原说明书和权利要求书记载的范围。
如果一项权利要求修改后的技术方案并未记载在原申请文件中，也不能由原申请文件直接地、毫无疑义地确定，则该权利要求修改超范围。
具体到本案：
复审请求人提交复审请求时所提交的权利要求1中包含特征“第一求和器，其从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号”。本案是申请号为201080006259.7专利申请的分案申请，根据原案权利要求3以及原案说明书第[0046]段、第[0058]段、第[0105]段至第[0107]段，附图2、12的记载，该残差（即第一误差信号）是受控变量的测量值与所预测的过程变量的差值产生的。原案原始申请文件中未记载从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号，且以上内容也不能从原申请文件中直接地、毫无疑义地确定。因此，权利要求1修改超范围，不符合专利法第33条的规定。
权利要求16存在和权利要求1相同的问题，权利要求16修改超范围，不符合专利法第33条的规定。
针对复审请求人的意见陈述，合议组认为：
1)、对于修改超范围，复审请求人修改之后的特征为“被操纵的过程变量的当前测量值”，其中“被操纵的过程变量”为“MV”,但本案原说明书和附图相应部分所记载的均是“CV”、即受控变量的过程测量值减去所预测的过程变量从而得到第一误差信号。也就是说，本案原说明书中并未记载修改后的技术特征“第一求和器，其从所述过程的被操纵的过程变量的当前测量值中减去所预测的过程变量以产生被提供为所述过程模型单元的输入的第一误差信号”。以上技术特征也不能由原申请文件直接地、毫无疑义地确定，因此，修改超范围。
2)、对于创造性，(1）本申请和对比文件2均是通过积分器对物理量进行积分。其区别在于，二者设置积分器的位置和进行积分的具体物理量不同。由于对比文件2公开了为消除MPC中的干扰而对干扰进行积分并将之加至受控变量，而干扰是属于常见的导致系统性能下降的物理量，可见对比文件2进一步给出了对导致系统性能下降的物理量进行积分，并将积分结果施加到输出量以提高系统性能的启示。对于本申请中涉及的模型失配造成的系统性能下降的问题，本领域技术人员已经知晓模型失配会造成MPC性能下降。对比文件1公开的技术方案，如前所述，未来误差失量或预测修正矢量提供了对模型失配的指示，因此，本领域技术人员容易想到来改进模型失配造成的MPC性能下降，可以对指示模型失配的未来误差失量或预测修正矢量采取一定的技术措施获得提升系统性能的技术效果，而对比文件2给出了对导致系统性能下降的物理量进行积分并将积分结果施加到输出量以提高系统性能的启示，在此基础上，本领域技术人员可以得到以下技术启示：为了补偿模型失配造成的性能下降，对指示模型失配的未来误差失量或预测修正矢量进行积分，并将积分后的未来误差矢量与MPC算法块的输出进行组合来得到MV。(2）参见上述论述，对比文件2已经为了补偿模型失配造成的性能下降，对指示模型失配的未来误差矢量进行积分，并将积分后的未来误差矢量与MPC算法块的输出进行组合来得到MV。对于控制领域技术人员来说，在面对需要消除的误差偏差时，可引入积分器以消除误差的影响，即根据需要将积分器设置在误差的存在处，例如根据控制需求将积分并行设置在控制算法处，用于将误差积分与控制算法的输出进行组合得到最终控制信号，这已是本领域在提高控制性能所采用的惯用手段。参见以下现有技术：现有技术1：“Smith模糊积分控制在焦炉系统中的应用”，张明光 等，《计算机测量与控制》，第16卷第4期，2008年，第503-505页，参见正文第2节以及图2，在模糊控制器的基础上加上积分控制器，来消除稳态误差；现有技术2：“一种新的带智能积分控制规则自调整模糊控制器”，李朝阳 等，《自动化技术与应用》，第2期，2002年，第11-12页，参见正文第2节以及图1：在模糊控制算法的基础上通过智能积分实现自调整模糊控制；现有技术3：“模糊与积分混合控制研究”，杨世勇，《自动化与仪表》，第16卷第6期，2001年，第12-14页，参见正文3-4节以及图1：在模糊控制算法的基础上通过智能积分器实现控制。即现有技术中已存在有“将积分后的误差与控制算法的输出进行组合来得到最终控制信号”的技术；而残差亦是常见的进行校正的物理量，因此，本领域技术人员容易想到对残差进行积分并将其加到控制算法的输出上来解决以上技术问题。(3)对比文件2公开了：模型预控制算法通过在过程模型中加入积分扰动来实现无偏移控制目标，这些附加扰动的使得工厂模型不匹配。对于测量变量的数量p大于可操控变量m的系统，显然任何控制器都可以在没有偏移的情况下跟踪最多m个控制器变量。一种方式认为m个整合扰动足以保证m个受控变量中的无偏移控制，我们认为这种想法是错误的，并提出了允许零稳态偏移的一般条件。特别地，添加积分扰动的数量等于测量变量的数量被证明足以保证受控变量中的零偏移（参见对比文件2摘要）。可见，对比文件2中首先确定采用对扰动进行积分的方式可以实现无偏移控制；其次，对于测量变量的数量p大于可操控变量m的系统，其不能保证无偏移控制，对于该问题，对比文件2中将添加积分扰动的数量等于测量变量的数量，从而保证受控变量中的零偏移。对比文件2是在对扰动进行积分的方式实现无偏移控制的进一步扩展，其并没有否定采用积分的方式实现无偏移控制。本领域技术人员完全可以采用对比文件2给出的采用对扰动进行积分的方式实现无偏移控制的技术启示，将积分器用于对比文件1中来解决的其相应的技术问题。
三、决定
维持国家知识产权局于2018年08月03日对本申请作出的驳回决定。
如对本复审请求审查决定不服,根据专利法第41条第2款的规定,请求人自收到本决定之日起三个月内向北京市第一中级人民法院起诉。
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