專利名稱：過(guò)程控制系統(tǒng)中的在線自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及過(guò)程控制系統(tǒng)，尤其涉及過(guò)程控制系統(tǒng)內(nèi)在線自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制器或其它模型預(yù)測(cè)控制型控制器的創(chuàng)建和使用。

背景技術(shù)：
諸如化學(xué)、石油或者其它工業(yè)中所使用的分布式或可擴(kuò)展的過(guò)程控制系統(tǒng)，一般包括一個(gè)或多個(gè)過(guò)程控制器，這些過(guò)程控制器經(jīng)由模擬、數(shù)字或模擬/數(shù)字混合總線，彼此通信相連，或者與至少一個(gè)主機(jī)或操作員工作站以及一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信連接?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以是例如閥、閥門定位器、開關(guān)、傳感器(例如溫度、壓力和流量傳感器)等，它們?cè)谶^(guò)程中執(zhí)行諸如開啟或關(guān)閉閥以及測(cè)量過(guò)程參數(shù)等功能。過(guò)程控制器接收用于表示由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的過(guò)程測(cè)量值的信號(hào)，和/或?qū)儆诂F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的其它信息，利用這些信息執(zhí)行控制例行程序，并隨后產(chǎn)生通過(guò)總線發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以控制過(guò)程操作的控制信號(hào)。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器的信息典型地用于由操作員工作站執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序中，以使操作員執(zhí)行任何期望的與過(guò)程相關(guān)的功能，例如查看過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)、修正過(guò)程操作等等。
過(guò)程控制器一般被編程為對(duì)過(guò)程所限定或所包含的多個(gè)不同回路中的每個(gè)，執(zhí)行不同的算法、子程序或者控制回路(所有這些都是控制例行程序)，這些控制回路例如流動(dòng)控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路等。一般來(lái)說(shuō)，上述每個(gè)控制回路都包括一個(gè)或多個(gè)輸入模塊，比如模擬輸入功能塊；也包括單輸出控制模塊，比如比例-積分-微分(PID)控制功能塊或者模糊邏輯控制功能塊；并且還包括單輸出模塊，比如模擬輸出(AO)功能塊。由于控制模塊產(chǎn)生用于控制單過(guò)程輸入的單控制輸出，例如閥門位置等，所以這些控制回路一般都采用單輸入/單輸出控制。然而在某些情況下，采用單獨(dú)操作的單輸入/單輸出系統(tǒng)并不十分有效，這是因?yàn)楸豢剡^(guò)程參數(shù)受到不只一個(gè)單過(guò)程輸入的影響。事實(shí)上，每個(gè)過(guò)程輸入都會(huì)影響許多過(guò)程輸出的狀態(tài)。舉個(gè)例子，比如一個(gè)過(guò)程有一個(gè)儲(chǔ)罐，這個(gè)儲(chǔ)罐被兩個(gè)輸入管道填充，又被單個(gè)輸出管道抽空。其中，每個(gè)管道都被不同的閥控制，儲(chǔ)罐的溫度、壓力以及吞吐量都被控制在各自的期望值(設(shè)定點(diǎn))或者其附近。由上可知，可以通過(guò)單獨(dú)的吞吐量控制回路、單獨(dú)的溫度控制回路和單獨(dú)的壓力控制回路來(lái)控制儲(chǔ)罐的吞吐量、溫度和壓力。然而，在這種情況下，溫度控制回路通過(guò)改變某個(gè)輸入閥的設(shè)置來(lái)控制儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度，可能引起儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升，從而迫使壓力控制回路通過(guò)打開出口閥來(lái)減小壓力。這個(gè)操作隨后可能使吞吐量控制回路關(guān)閉一個(gè)輸入閥，因此又可能影響儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度，導(dǎo)致溫度控制回路再次采取某些其它操作。從這個(gè)例子可以知道，單輸入/單輸出控制回路使過(guò)程輸出(在這個(gè)例子中為吞吐量、溫度和壓力)不可接受，因?yàn)檩敵霾粩嗾袷?，不能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)條件。
使用動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)技術(shù)的模型預(yù)測(cè)控制(MPC)或其它類型的先進(jìn)控制已經(jīng)用于在如下狀態(tài)中執(zhí)行過(guò)程控制對(duì)一個(gè)特定控制過(guò)程變量的改變會(huì)影響一個(gè)以上的過(guò)程變量或者輸出。從上世紀(jì)70年代末開始，已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了很多成功的模型預(yù)測(cè)控制的具體實(shí)現(xiàn)，而MPC也成為過(guò)程領(lǐng)域中先進(jìn)多變量控制的主要形式。進(jìn)一步的，MPC控制已經(jīng)被當(dāng)作分布式控制系統(tǒng)的層軟件，運(yùn)行在分布式控制系統(tǒng)中。美國(guó)專利4,616,308和4,349,869已經(jīng)描述了這種可以在過(guò)程控制系統(tǒng)中使用的MPC控制器。
一般來(lái)說(shuō)，MPC是多輸入/多輸出控制策略，其中可以測(cè)量到很多過(guò)程輸入(即，操縱變量)中的每一個(gè)的改變給很多過(guò)程輸出(即，被控變量)中的每一個(gè)所帶來(lái)的影響，并且這些所測(cè)量的響應(yīng)隨后可以用于創(chuàng)建在控制過(guò)程時(shí)使用的控制矩陣?？刂凭仃嚢ㄟ^(guò)程模型(通常限定了過(guò)程的動(dòng)態(tài)操作)，該過(guò)程模型必須經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換才能在多輸入/多輸出控制器中使用或者作為多輸入/多輸出控制器使用，以根據(jù)過(guò)程輸入的改變控制過(guò)程輸出。在某些情況下，過(guò)程模型表示為對(duì)應(yīng)每個(gè)過(guò)程輸入的過(guò)程輸出響應(yīng)曲線(通常為階躍響應(yīng)曲線)。這些曲線可以根據(jù)一系列例如發(fā)送給每個(gè)過(guò)程輸入的偽隨機(jī)階躍變化來(lái)創(chuàng)建。這些響應(yīng)曲線可以用已知的方式對(duì)過(guò)程建模。由于模型預(yù)測(cè)控制在本領(lǐng)域是公知技術(shù)，所以這里不再贅述其細(xì)節(jié)。然而，Qin，S.Joe和Thomas A.Badgwell在1996年的美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)(AIChE)會(huì)議上所發(fā)表的“工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)綜述(An Overview of Industrial ModelPredictive Control)”總體上描述了MPC。
雖然MPC在很多過(guò)程控制情形中都是有用的，但在工業(yè)中應(yīng)用的MPC還是主要使用動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)技術(shù)，DMC技術(shù)需要產(chǎn)生通常復(fù)雜的過(guò)程模型(通常表示為數(shù)學(xué)上的遞歸算法或者矩陣運(yùn)算)，并在隨后通過(guò)對(duì)該模型求逆來(lái)創(chuàng)建MPC控制器中使用的控制矩陣。因此，創(chuàng)建MPC控制器在計(jì)算上的開銷很大。更進(jìn)一步，為了開發(fā)在創(chuàng)建MPC控制器時(shí)使用的準(zhǔn)確過(guò)程模型，傳統(tǒng)上需要用例如階躍信號(hào)的已知控制信號(hào)對(duì)每個(gè)控制輸入擾動(dòng)或者打亂過(guò)程，而且需要確定每一個(gè)過(guò)程變量或者被控變量對(duì)控制輸入中的已知變化的反應(yīng)。名稱為“過(guò)程控制系統(tǒng)中的集成最優(yōu)模型預(yù)測(cè)控制(Integrated Optimal Model Predictive Control in a Process Control System)”的美國(guó)專利6,721,609，詳細(xì)描述了在分布式過(guò)程控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)此過(guò)程的一種方式，在此將其公開合并。
盡管這種過(guò)程擾動(dòng)技術(shù)通常產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的過(guò)程模型，但是擾動(dòng)程序不但花費(fèi)時(shí)間，而且打亂了過(guò)程的正常操作，因此，當(dāng)過(guò)程在線運(yùn)行時(shí)，如果不是實(shí)際上無(wú)法執(zhí)行，那么其實(shí)現(xiàn)也是較難的。相反，這種過(guò)程擾動(dòng)技術(shù)通常需要在如下過(guò)程中執(zhí)行過(guò)程不是在創(chuàng)建實(shí)際產(chǎn)品時(shí)操作，比如過(guò)程或者M(jìn)PC控制器正在初始化。當(dāng)然，這個(gè)局限性嚴(yán)重地限制了確定過(guò)程模型所需的時(shí)間。所以無(wú)論如何，這種技術(shù)都不適合在自適應(yīng)MPC控制器(即，其MPC控制矩陣在過(guò)程的在線操作過(guò)程中被改變)中使用，因?yàn)樽赃m應(yīng)MPC控制器在每個(gè)自適應(yīng)周期內(nèi)都需要對(duì)過(guò)程進(jìn)行打亂。此外，對(duì)于任何大尺寸的MPC控制器(即，具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的控制器)來(lái)說(shuō)，這種方法花費(fèi)在計(jì)算上的開銷都比較大，因?yàn)榭刂凭仃嚤仨氃诖_定新的過(guò)程模型后進(jìn)行求逆和應(yīng)用。這樣的計(jì)算量使得很難在分布式過(guò)程控制器中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)MPC，其中分布式過(guò)程控制器受到可以與在線過(guò)程控制活動(dòng)一起進(jìn)行的額外計(jì)算量的限制。
然而，在很多情況下，需要在過(guò)程操作時(shí)調(diào)整MPC控制器，以解決過(guò)程模型不匹配的問(wèn)題。尤其在實(shí)現(xiàn)MPC時(shí)，在配置階段確定的過(guò)程模型只反映了過(guò)程模型創(chuàng)建時(shí)的過(guò)程。過(guò)程的任何后續(xù)變化，通常為在運(yùn)行過(guò)程期間必然發(fā)生的變化，都不會(huì)反映在MPC控制器所使用的過(guò)程模型中，并且可能因此導(dǎo)致MPC控制器的模型不匹配以及非最優(yōu)控制。在過(guò)程回路的死區(qū)時(shí)間(dead time)中，MPC控制器對(duì)建模誤差很敏感。很多控制情形下，希望并且有時(shí)是需要補(bǔ)償這種模型不匹配。
過(guò)去，一種在DMC或者其它MPC控制器中補(bǔ)償模型不匹配的方法為利用過(guò)程打亂或擾動(dòng)技術(shù)，定期創(chuàng)建新的過(guò)程模型并產(chǎn)生新的控制模型和控制器。然而由上述可知，這一程序不能經(jīng)常使用，并且由于需要打亂過(guò)程以確定新的過(guò)程模型，以及考慮到在控制器矩陣產(chǎn)生的過(guò)程中需要進(jìn)行的計(jì)算量，這一過(guò)程的計(jì)算只能離線進(jìn)行。名稱為“帶有非線性預(yù)測(cè)能力的多輸入/多輸出控制塊(Multiple-Input/Multiple-Output Control Blocks with Non-LinearPredictive Capabilities)”的美國(guó)專利10/454,937，描述了另一種為非線性過(guò)程補(bǔ)償模型不匹配的方法。該方法將非線性過(guò)程模型和利用過(guò)程打亂技術(shù)產(chǎn)生的MPC控制器結(jié)合使用。一般而言，該技術(shù)對(duì)使用非線性過(guò)程模型研發(fā)的預(yù)測(cè)過(guò)程變化和使用MPC過(guò)程模型研發(fā)的預(yù)測(cè)過(guò)程變化進(jìn)行比較，以創(chuàng)建表示模型不匹配的誤差信號(hào)，然后利用這些誤差信號(hào)來(lái)補(bǔ)償過(guò)程的非線性特性，其中，在產(chǎn)生MPC控制器時(shí)，并未解決該過(guò)程的非線性特性或?yàn)樵摲蔷€性特性建模。然而，這種技術(shù)基于復(fù)雜非線性過(guò)程模型的使用，以準(zhǔn)確地反映過(guò)程操作，并為MPC控制器創(chuàng)建合適的補(bǔ)償信號(hào)。另外，在很多情況下，非線性過(guò)程模型和實(shí)際過(guò)程之間可能仍然存在模型不匹配，這可能造成較差的控制性能。更進(jìn)一步地，由于無(wú)論是非線性過(guò)程模型還是MPC過(guò)程模型在控制器的在線操作中都不能改變，所以該技術(shù)不是自適應(yīng)的。
部分由于創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)有效的自適應(yīng)MPC控制器或者其它類型的自適應(yīng)DMC控制器比較困難，所以在過(guò)程模型的過(guò)程操作期間經(jīng)常改變的情況中，過(guò)程控制領(lǐng)域都采用自適應(yīng)PID控制器。盡管自適應(yīng)PID控制器很知名，并且用于在過(guò)程操作期間的調(diào)整，但是為了令人滿意地操作，這些PID控制器必須在死區(qū)時(shí)間占主導(dǎo)地位的過(guò)程內(nèi)，非常保守地解調(diào)或者調(diào)諧，這導(dǎo)致了較差的性能。更進(jìn)一步地，當(dāng)控制器的重啟時(shí)間常數(shù)和實(shí)際過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之間出現(xiàn)不匹配時(shí)，尤其是在過(guò)程動(dòng)態(tài)變化較快的情況下，PID控制器對(duì)較差的控制性能特別敏感。不幸的是，確定過(guò)程時(shí)間常數(shù)(直接與達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程時(shí)間有關(guān))是當(dāng)使用已知的過(guò)程模型辨識(shí)方法進(jìn)行研發(fā)時(shí)最不確定的因素。因此，當(dāng)控制一個(gè)死區(qū)時(shí)間占主導(dǎo)地位的過(guò)程時(shí)，尤其是當(dāng)達(dá)到過(guò)程穩(wěn)態(tài)的時(shí)間頻繁變化時(shí)，PID控制器不是最好的選擇。


發(fā)明內(nèi)容
創(chuàng)建和使用自適應(yīng)DMC或其它MPC控制器的方法包括在過(guò)程操作期間，利用模型交換技術(shù)(model switching technique)定期確定用于在線過(guò)程回路的過(guò)程模型，例如參數(shù)化過(guò)程模型，而無(wú)需人為地激勵(lì)過(guò)程。然后，該方法使用該過(guò)程模型產(chǎn)生MPC控制模型，并創(chuàng)建在線的，即過(guò)程正常執(zhí)行時(shí)的MPC控制器算法。此技術(shù)通常適用于單回路MPC控制器，尤其適用于控制時(shí)域?yàn)?或2的MPC控制器，并且此技術(shù)使得MPC控制器可以在線調(diào)整，即在過(guò)程正常操作時(shí)調(diào)整，以改變MPC控制器所基于的過(guò)程模型，并因此解決了隨著時(shí)間的推移過(guò)程中的變化問(wèn)題。這樣的自適應(yīng)MPC控制器不需要大量的計(jì)算開銷，因此在過(guò)程控制系統(tǒng)的分布式控制器中很容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提供與PID控制器一樣的控制，在某些情況下，甚至提供比PID控制器更好的控制。更特別的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在死區(qū)時(shí)間占主導(dǎo)地位的回路中，尤其是在過(guò)程動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致過(guò)程回路遭受過(guò)程模型不匹配的情況下，具有較小控制時(shí)域，比如1或2的自適應(yīng)單回路MPC控制器，可以提供比PID控制器更好的控制。另外，MPC控制器可以很容易地容納多于一個(gè)的前饋輸入，而這種輸入在PID控制器中通常不可用。



圖1是包括控制模塊的過(guò)程控制系統(tǒng)框圖，其中該控制模塊具有例如自適應(yīng)MPC控制器功能塊的自適應(yīng)DMC控制器功能塊，用于控制一個(gè)或者多個(gè)過(guò)程回路； 圖2是可以在圖1的功能塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)MPC控制器的框圖； 圖3是圖2所示的自適應(yīng)MPC控制器的操作流程圖； 圖4是可以用在過(guò)程控制器內(nèi)以實(shí)現(xiàn)圖2所示的自適應(yīng)MPC控制器的控制模塊的框圖；并且 圖5是與配置或者操作員界面例行程序相關(guān)的屏幕顯示，其示出用戶查看和影響圖2所示的自適應(yīng)MPC控制器操作的方式。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在參見圖1，過(guò)程控制系統(tǒng)10包括過(guò)程控制器11(可以為分布式過(guò)程控制器)，其通信連接至數(shù)據(jù)歷史記錄器12以及一個(gè)或多個(gè)主機(jī)工作站或計(jì)算機(jī)13(可以包括任何類型的個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站等)。每個(gè)主機(jī)工作站或計(jì)算機(jī)13都具有顯示屏幕14、存儲(chǔ)器和處理器(未示出)。控制器11還通過(guò)輸入/輸出(I/O)卡26和28，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22相連。數(shù)據(jù)歷史記錄器12可以是任何期望類型的數(shù)據(jù)采集單元，其具有用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任何期望類型的存儲(chǔ)器以及任何期望的或已知的軟件、硬件或固件。數(shù)據(jù)歷史記錄器12可以與工作站13之一分開設(shè)置(如圖1所示)，或者可以作為工作站13之一的一部分。舉例來(lái)說(shuō)，控制器11可以是愛默生過(guò)程管理公司出售的DeltaVTM控制器，控制器11經(jīng)由例如以太網(wǎng)連接或者所需的其它類型的通信網(wǎng)絡(luò)29，通信連接至主機(jī)13和數(shù)據(jù)歷史記錄器12。通信網(wǎng)絡(luò)29可以采用局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)和電信網(wǎng)等形式，并可以利用硬布線技術(shù)或者無(wú)線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破?1利用任何所需的硬件和軟件與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22通信相連，其中軟件例如相關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的4-20毫安設(shè)備和/或任何智能通信協(xié)議，例如

現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議(Fieldbus)、HART協(xié)議等。
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22可以是任何類型的設(shè)備，例如傳感器、閥、變送器、定位器等。I/O卡26和28可以是符合任何所需的通信協(xié)議或者控制器協(xié)議的任何類型的I/O設(shè)備。在如圖1所示的實(shí)施例中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-18是通過(guò)模擬或模擬/數(shù)字線路與I/O卡26相連的標(biāo)準(zhǔn)的4-20毫安設(shè)備或HART設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備19-22是智能設(shè)備，例如Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其利用Fieldbus通信協(xié)議，通過(guò)數(shù)字總線與I/O卡28通信。當(dāng)然，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22均可以遵從任何其它所需的標(biāo)準(zhǔn)或者協(xié)議，包括在未來(lái)研發(fā)出來(lái)的任何標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。
控制器11可以是工廠10內(nèi)眾多擁有至少一個(gè)處理器的分布式控制器中的一個(gè)，它執(zhí)行或者監(jiān)視存儲(chǔ)在控制器中或者與之相關(guān)的一個(gè)或者多個(gè)過(guò)程控制例行程序，其中過(guò)程控制例行程序可以包括控制回路?？刂破?1也與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22、主機(jī)13以及數(shù)據(jù)歷史記錄器12通信，以便以任何所需的方式控制過(guò)程。值得注意的是，如果需要的話，任何在此描述的控制例行程序或者元件都可以包括被不同控制器或者設(shè)備執(zhí)行的部分。同樣地，這里描述的要在過(guò)程控制系統(tǒng)10內(nèi)實(shí)現(xiàn)的控制例行程序或者元件可以采用包括軟件、固件、硬件等在內(nèi)的任何形式。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)討論的目的，過(guò)程控制元件可以是例如過(guò)程控制系統(tǒng)的任意部件或者部分，其中過(guò)程控制系統(tǒng)包括存儲(chǔ)在任何計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的例行程序、塊或者模塊?？刂评谐绦蚩梢允悄K或控制程序的任何部分，比如子例行程序、部分子例行程序(比如幾行代碼)等，控制例行程序可以通過(guò)任何所需的軟件形式實(shí)現(xiàn)，比如使用梯形邏輯、順序功能圖、功能塊圖、面向?qū)ο蟮木幊袒蛘呷魏纹渌浖幊陶Z(yǔ)言或設(shè)計(jì)范例。同樣地，控制例行程序可以被硬編碼進(jìn)例如一個(gè)或多個(gè)EPROM、EEPROM、專用集成電路(ASIC)或者其它硬件元件或者固件元件中。進(jìn)一步地，可以利用任何設(shè)計(jì)工具，包括圖形設(shè)計(jì)工具或者任何其它類型的軟件、硬件或固件編程或設(shè)計(jì)工具，來(lái)設(shè)計(jì)控制例行程序。因此，可以用任何所需的方式將控制器11配置成執(zhí)行控制策略或控制例行程序。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制器11使用通常所謂的功能塊來(lái)執(zhí)行控制策略，其中每個(gè)功能塊是總控制例行程序的一部分或者對(duì)象，并且與其它功能塊(經(jīng)由被稱作鏈接的通信)結(jié)合操作，以便在過(guò)程控制系統(tǒng)10中實(shí)現(xiàn)各種過(guò)程控制回路。功能塊典型地執(zhí)行輸入功能、控制功能或輸出功能之一，以便執(zhí)行過(guò)程控制系統(tǒng)10內(nèi)的某種物理功能。其中，輸入功能例如與變送器、傳感器或者其它過(guò)程參數(shù)測(cè)量設(shè)備相關(guān)；控制功能，例如與執(zhí)行PID控制、模糊邏輯控制等的控制例行程序相關(guān)；輸出功能控制某個(gè)設(shè)備的操作，例如閥。當(dāng)然，混合的以及其它的功能塊同樣存在。功能塊可以存儲(chǔ)于控制器11中并被其執(zhí)行，此時(shí)典型的情況是這些功能塊被用于或相關(guān)于4-20毫安設(shè)備及一些類型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如HART設(shè)備；或者功能塊可以被存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中并由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身執(zhí)行，這時(shí)的情況可以是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為Fieldbus設(shè)備。雖然這里利用使用了面向?qū)ο缶幊谭独墓δ軌K控制策略對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行描述，但是也可以使用其它協(xié)議，比如梯形邏輯、順序功能圖等，或者使用其它所需的編程語(yǔ)言或范例來(lái)執(zhí)行或者設(shè)計(jì)控制策略或控制回路或模塊。
如圖1中的擴(kuò)展塊30所示，控制器11可以包括如例行程序32和34所示的許多傳統(tǒng)的單回路控制例行程序，也可以執(zhí)行如控制回路36所示的一個(gè)或多個(gè)自適應(yīng)DMC型控制回路。每個(gè)傳統(tǒng)的或者DMC型控制回路通常都被稱為控制模塊。控制例行程序32和34都被描述為分別使用單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊，執(zhí)行單回路控制，其中單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊與適當(dāng)?shù)哪M輸入(AI)以及模擬輸出(AO)功能塊相連，控制例行程序32和34可以與例如閥的過(guò)程控制設(shè)備相關(guān)，也可以與例如溫度和壓力變送器的測(cè)量設(shè)備相關(guān)，或者可以與過(guò)程控制系統(tǒng)10中的任何設(shè)備相關(guān)。自適應(yīng)DMC型控制回路36將會(huì)作為自適應(yīng)MPC控制回路被詳細(xì)地描述，自適應(yīng)DMC型控制回路36包括自適應(yīng)MPC控制塊38，其中，盡管自適應(yīng)MPC控制塊38的輸入和輸出可以通信連接至任何其它所需的功能塊或控制元件，以接收其它類型的輸入并且提供其它類型的輸出，但是其輸入還是通信連接至一個(gè)或者多個(gè)AI功能塊，輸出通信連接至一個(gè)或者多個(gè)AO功能塊。進(jìn)一步地，雖然自適應(yīng)MPC控制塊38在圖1中示出為多輸入/多輸出控制塊，但是應(yīng)該理解，這種控制塊可以是擁有反饋控制通道的單回路控制塊，如果需要的話，該單回路控制塊還可以有前饋控制通道。
如同更加詳細(xì)地描述一樣，自適應(yīng)MPC控制塊38在過(guò)程操作期間，為在線過(guò)程(或者控制塊38所控制的過(guò)程的回路或者至少一部分)監(jiān)視過(guò)程，并重新計(jì)算過(guò)程模型，比如參數(shù)化的過(guò)程模型。然后，自適應(yīng)MPC控制塊38使用在任何時(shí)候確定的新的過(guò)程模型，以重新計(jì)算在控制塊38中使用的MPC控制模型以及MPC控制算法，從而基于新計(jì)算出的過(guò)程模型，調(diào)整MPC控制塊38中的MPC控制器，以更好地匹配或者控制。這種自適應(yīng)MPC控制既不需要執(zhí)行為了確定新的過(guò)程模型而人為地打亂過(guò)程，也不必為了在MPC控制器中計(jì)算并安裝新的MPC控制器模型和算法而使過(guò)程離線，就可以發(fā)生。可以知道，在過(guò)程操作期間的任何時(shí)刻，都可以重新定義過(guò)程模型，并可以重新產(chǎn)生MPC控制器，以便降低或消除隨著時(shí)間的推移，由于過(guò)程中的變化所引起MPC控制器和過(guò)程之間的模型不匹配。
由上述可知，盡管這里描述的自適應(yīng)控制塊38包括模型預(yù)測(cè)控制(MPC)塊，但是控制塊38也可以使用與在此描述的原理相同的原理，實(shí)現(xiàn)其它DMC型控制技術(shù)。更進(jìn)一步地，應(yīng)該理解，如圖1所示的功能塊，包括自適應(yīng)MPC控制塊38，可以由控制器11執(zhí)行，或者可以位于例如工作站13之一或者甚至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備19-22之一的其它處理設(shè)備中，并由其執(zhí)行。
如圖1所示，工作站13之一包括自適應(yīng)MPC配置例行程序40，其用于創(chuàng)建、下載和執(zhí)行自適應(yīng)MPC控制塊38(或者控制塊38所在的控制模塊36)。雖然自適應(yīng)MPC控制塊配置例行程序40可以存儲(chǔ)在工作站13的存儲(chǔ)器中，并由工作站13中的處理器執(zhí)行，但是如果需要的話，也可以將該例行程序(或者其任何一部分)附加地或者可替代地存儲(chǔ)在過(guò)程控制系統(tǒng)10中的任何其它設(shè)備中，并由過(guò)程控制系統(tǒng)10中的任何其它設(shè)備執(zhí)行。一般而言，自適應(yīng)MPC配置例行程序40包括控制塊創(chuàng)建例行程序42，其用于創(chuàng)建在此描述的自適應(yīng)MPC控制塊，并將該自適應(yīng)MPC控制塊連接到過(guò)程控制系統(tǒng)。該創(chuàng)建和配置例行程序可以與用于創(chuàng)建和配置其它類型的模塊和功能塊的例行程序形成一個(gè)整體，或者可以與之相同。其中，其它類型模塊和功能塊可以是此處的模塊32和34和/或FLC和PID功能塊等，這些功能塊的例行程序在本領(lǐng)域通常是公知的。因此，自適應(yīng)MPC功能塊38可以是一組不同功能塊中的一個(gè)，它可以用與現(xiàn)有的和本領(lǐng)域公知的功能塊的方式相似的方式，選擇和配置。此外，如圖1所示，用戶或者操作員界面應(yīng)用程序44可以在自適應(yīng)MPC控制塊38操作期間，與自適應(yīng)MPC控制塊38進(jìn)行通信，以使例如控制操作員的用戶查看關(guān)于MPC控制塊38的信息和數(shù)據(jù)，修改方式，其中利用這種方式MPC控制塊38操作以開發(fā)過(guò)程模型并使MPC控制塊38產(chǎn)生新的MPC控制模型和根據(jù)過(guò)程模型的MPC算法。在某些情況下，用戶界面例行程序44使用戶可以為自適應(yīng)MPC控制塊38提供調(diào)諧輸入，以影響自適應(yīng)MPC控制塊38的操作。進(jìn)一步地，用戶界面例行程序44可以存儲(chǔ)在任意工作站13中并由其執(zhí)行，或者存儲(chǔ)在通信連接至控制系統(tǒng)的任何其它所需的用戶輸入設(shè)備中并由其執(zhí)行，例如手持設(shè)備、個(gè)人數(shù)據(jù)助理(PDA)、移動(dòng)電話。
圖2描述了自適應(yīng)MPC控制塊38的一個(gè)實(shí)例的詳細(xì)框圖，其中自適應(yīng)MPC控制塊38通信連接至過(guò)程50。應(yīng)該理解，在操作過(guò)程中，自適應(yīng)MPC控制塊38產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)操縱變量MV，這些MV被提供給依次與過(guò)程50的控制輸入相連的其它功能塊(圖2中未示出)。如圖2所示，自適應(yīng)MPC控制塊38包括自適應(yīng)模型發(fā)生器52和MPC控制器塊54。在這個(gè)例子中，MPC控制器塊54是單回路控制塊，例如是一個(gè)擁有單個(gè)控制信號(hào)(或者操縱變量MV)的形式的單個(gè)控制輸出的單回路控制塊，其中，MV被依次提供給過(guò)程50以進(jìn)行過(guò)程控制。圖2中所示的控制器塊54包括反饋和前饋通道，并因此包括這些通道的輸入。然而，在某些情況下，也可能使用標(biāo)準(zhǔn)的M×M方形(這里M可以是比1大的任何數(shù)字)的具有相同數(shù)量的輸入和輸出的MPC控制例行程序，盡管這里沒有對(duì)此類設(shè)備進(jìn)行描述。
MPC控制器塊54接收所測(cè)量的被控變量CV(在過(guò)程50內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量)、擾動(dòng)變量DV、設(shè)定點(diǎn)值或者矢量SP和操縱變量MV，作為輸入，其中，設(shè)定點(diǎn)值或者矢量SP定義了被控變量CV所期待的目標(biāo)矢量，操縱變量MV由控制器塊產(chǎn)生。已知的，擾動(dòng)變量DV表示過(guò)程50中測(cè)量的和預(yù)測(cè)的變化(例如，擾動(dòng))，并且它被提供給過(guò)程50，與此同時(shí)，作為一個(gè)值還被提供給控制器塊54。一般來(lái)說(shuō)，擾動(dòng)變量DV表示對(duì)MPC控制器54的前饋通道的輸入，而被控變量CV表示對(duì)MPC控制器54的反饋通道的輸入。
典型地，在MPC控制器中，被控變量CV和擾動(dòng)變量DV連同MPC控制器54產(chǎn)生的操縱變量MV，被提供給被控變量過(guò)程模型70的輸入端(也被稱為被控變量預(yù)測(cè)單元)。被控變量預(yù)測(cè)單元70使用自身存儲(chǔ)的過(guò)程模型(被稱為控制模型)，基于操縱變量MV和擾動(dòng)變量DV的當(dāng)前值和/或預(yù)測(cè)的未來(lái)值，預(yù)測(cè)被控變量CV的未來(lái)值。(典型地，單獨(dú)的控制模型用于這些輸入變量中的每一個(gè)。)被控變量預(yù)測(cè)單元70產(chǎn)生輸出72，輸出72表示對(duì)當(dāng)前被控變量CV的之前所計(jì)算的預(yù)測(cè)，并且矢量加法器74從被控變量CV的實(shí)際測(cè)量值中減去當(dāng)前被控變量CV的預(yù)測(cè)值，以在輸入76中產(chǎn)生誤差或者預(yù)測(cè)修正矢量。
一般來(lái)說(shuō)，被控變量預(yù)測(cè)單元70使用階躍響應(yīng)矩陣(在此例中可以是從過(guò)程模型中通過(guò)數(shù)學(xué)方法研發(fā)得到)，以便根據(jù)擾動(dòng)變量DV和操縱變量MV，以及提供給被控變量預(yù)測(cè)單元70的其它輸入的誤差信號(hào)，在預(yù)測(cè)時(shí)域的每個(gè)時(shí)間預(yù)測(cè)被控變量CV的未來(lái)值。單元70的輸出示出為預(yù)測(cè)CV矢量。設(shè)定點(diǎn)預(yù)測(cè)單元80基于從任何期待的源提供而來(lái)的設(shè)定點(diǎn)SP提供被控變量CV的目標(biāo)矢量，其中，源例如為優(yōu)化器、用戶、控制操作員等。在一實(shí)施例中，設(shè)定點(diǎn)預(yù)測(cè)單元80可以使用設(shè)定點(diǎn)SP和預(yù)先建立的變化或?yàn)V波器矢量，其中，預(yù)先建立的變化或?yàn)V波器矢量定義了隨著時(shí)間的推移，被控變量CV被驅(qū)動(dòng)到其設(shè)定點(diǎn)值的方式(即，定義控制器的魯棒性和速率)。設(shè)定點(diǎn)預(yù)測(cè)單元80產(chǎn)生被控變量CV的動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)矢量(被稱為預(yù)測(cè)CV目標(biāo)矢量)，其定義了在預(yù)測(cè)時(shí)域限定的時(shí)段內(nèi)，被控變量CV的設(shè)定點(diǎn)值的變化。加法器84可以是矢量加法器，它從動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)矢量中減去預(yù)測(cè)CV矢量，以定義被控變量CV的未來(lái)誤差矢量。然后，被控變量CV的未來(lái)誤差矢量被提供給MPC算法塊85，MPC算法塊85操作以選擇操縱變量MV步幅(達(dá)到控制時(shí)域之前的每個(gè)時(shí)間周期)，該步幅例如在控制時(shí)域上將最小均方誤差降到最小。當(dāng)然，MPC算法塊85可以使用控制矩陣或者其它算法，其它算法由MPC控制器塊54輸出的操縱變量與輸入到MPC控制器52的被控變量CV和擾動(dòng)變量DV之間的關(guān)系研發(fā)而來(lái)。眾所周知，MPC算法塊85試圖最小化帶有控制時(shí)域上最小操縱變量MV移動(dòng)(move)的被控變量CV的誤差，同時(shí)把被控變量CV保持在操作約束條件內(nèi)，并在有限的時(shí)間內(nèi)獲得操縱變量MV和被控變量CV的穩(wěn)定狀態(tài)。
一般來(lái)說(shuō)，MPC控制器塊54在每次控制器掃描時(shí)都執(zhí)行一次，以產(chǎn)生作為被控變量CV的單回路MPC控制信號(hào)，該控制信號(hào)基于分別存儲(chǔ)在塊70和85內(nèi)的MPC控制模型和控制算法，對(duì)過(guò)程50進(jìn)行控制。然而，由上述可知，過(guò)程50的動(dòng)態(tài)通常隨時(shí)間變化，這可能導(dǎo)致過(guò)程50的實(shí)際操作和MPC控制器塊54內(nèi)使用的過(guò)程50的模型之間產(chǎn)生不匹配。
為了彌補(bǔ)這個(gè)問(wèn)題，自適應(yīng)模型發(fā)生器52重新確定或者更新過(guò)程模型，該過(guò)程模型表示過(guò)程50，特別表示被MPC控制塊54控制的過(guò)程50的回路。如果需要，自適應(yīng)模型發(fā)生器可以為MPC控制器54的反饋通道和前饋通道確定同樣的或者各自的過(guò)程模型。然后，自適應(yīng)模型發(fā)生器52用更新的過(guò)程模型來(lái)確定用在塊70中新的MPC控制模型和用在塊85中新的MPC控制算法，從而使得MPC控制器54能夠基于更準(zhǔn)確反映過(guò)程50當(dāng)前操作的過(guò)程模型來(lái)操作。這個(gè)更新過(guò)程使得MPC控制器54，在過(guò)程50的操作過(guò)程中，更適合在線過(guò)程50，從而消除或者減少模型的不匹配，并提供更好的控制。
一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程模型發(fā)生器52包括過(guò)程模型估計(jì)器90，其用于當(dāng)過(guò)程50在線并正在運(yùn)行時(shí)，為過(guò)程50，尤其是為過(guò)程50的正被MPC控制器塊54控制的特定回路，確定或者重新計(jì)算新的模型。過(guò)程模型估計(jì)器90的輸出是過(guò)程模型，比如參數(shù)化的模型，該參數(shù)化的模型根據(jù)一組參數(shù)限定過(guò)程50的操作。盡管其它參數(shù)化模型也可以在這里使用，但是最常見的參數(shù)化過(guò)程模型是一階加滯后(first oder plus dead time)過(guò)程模型，它包括過(guò)程響應(yīng)時(shí)間參數(shù)、過(guò)程增益參數(shù)和過(guò)程死區(qū)時(shí)間參數(shù)。名稱為“自適應(yīng)反饋/前饋PID控制器(Adaptive Feedback/Feedforward PID Controller)”的美國(guó)專利6,577,908以及名稱為“基于自適應(yīng)反饋前饋PID控制器的狀態(tài)(State BasedAdaptive Feedback Feedforward PID Controller)”的美國(guó)申請(qǐng)公開2003/0195641，描述了根據(jù)用在自適應(yīng)PID控制器中的過(guò)程變量限定或估計(jì)過(guò)程模型的方法。在此，將這兩個(gè)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容合并作為參考。
一般來(lái)說(shuō)，在過(guò)程的正常操作過(guò)程中，過(guò)程模型估計(jì)器90定期采集在過(guò)程的正常操作期間表示被控變量CV、一個(gè)或多個(gè)操縱變量MV、擾動(dòng)變量DV、設(shè)定點(diǎn)SP的數(shù)據(jù)，以及如果需要的話，表示可能的其它變量的數(shù)據(jù)。然后，過(guò)程模型估計(jì)器90檢查或者分析這種數(shù)據(jù)(或者使用戶通過(guò)如圖1所示的用戶界面例行程序44來(lái)做這些工作)，以確定使過(guò)程50起作用或者使過(guò)程50需要被控制的任何過(guò)程輸入變量何時(shí)會(huì)發(fā)生顯著變化，例如設(shè)定點(diǎn)SP的變化、擾動(dòng)變量DV的變化或者被控變量CV的變化。一旦檢測(cè)到這種變化，過(guò)程模型估計(jì)器90就確定過(guò)程變量(即被控變量CV)何時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，并用在兩個(gè)點(diǎn)之間采集的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)確定過(guò)程對(duì)于該變化的響應(yīng)。更特別地，過(guò)程50中的擾動(dòng)或者設(shè)定點(diǎn)SP中的變化可以使MPC控制器54執(zhí)行控制信號(hào)(操縱變量MV)的變化以便改變過(guò)程50。被控變量CV中的變化，隨后將過(guò)程的響應(yīng)反映在該變化上，并且過(guò)程模型估計(jì)器90可以用已知的技術(shù)來(lái)確定對(duì)過(guò)程50進(jìn)行描述或者建模的參數(shù)化過(guò)程模型。由上述可知，該參數(shù)化過(guò)程模型可以是一階加滯后過(guò)程模型或者任何其它類型的參數(shù)化過(guò)程模型。然而，重要的是，過(guò)程模型估計(jì)器90不需要為了確定過(guò)程模型而擾動(dòng)或者打亂過(guò)程50，相反，它在過(guò)程50的正常操作或在線操作中分析所采集到的數(shù)據(jù)。因此，過(guò)程模型估計(jì)器90可以像在過(guò)程控制器設(shè)備(例如，圖1中的過(guò)程控制器11)中的后臺(tái)處理一樣，在過(guò)程50的正常操作過(guò)程中連續(xù)執(zhí)行，而不會(huì)給控制器處理器帶來(lái)巨大的計(jì)算量，也不會(huì)擾動(dòng)過(guò)程50。
在確定新的過(guò)程模型后，過(guò)程模型估計(jì)器90將過(guò)程模型(比如，所計(jì)算的過(guò)程增益K、死區(qū)時(shí)間DT和時(shí)間常數(shù)Tc)提供給MPC模型計(jì)算單元92以及移動(dòng)補(bǔ)償和設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波單元94。MPC模型計(jì)算單元92用新的過(guò)程模型計(jì)算典型的用在被控變量預(yù)測(cè)單元70中的MPC控制模型。該MPC控制模型通常以傳遞函數(shù)的形式被表示為響應(yīng)曲線，該響應(yīng)曲線定義了隨著時(shí)間的推移到預(yù)測(cè)時(shí)域，被控變量CV對(duì)操縱變量MV(或用于前饋通道的擾動(dòng)變量)中階躍變化的響應(yīng)。由于被控變量CV(用于直達(dá)預(yù)測(cè)時(shí)域的每個(gè)掃描時(shí)刻)的系列值，都源自參數(shù)化過(guò)程模型準(zhǔn)確定義的過(guò)程，而參數(shù)化過(guò)程模型又是過(guò)程模型估計(jì)器90為了響應(yīng)操縱變量MV的階躍變化而開發(fā)的，所以該模型通常易于進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。
在確定MPC控制模型以后，MPC模型計(jì)算單元92將該模型提供給MPC算法計(jì)算單元96，并且為了將來(lái)使用或者為了更新MPC控制器54時(shí)，將該模型下載到MPC控制器54的被控變量預(yù)測(cè)單元70中，存儲(chǔ)該模型。本質(zhì)上同時(shí)，移動(dòng)補(bǔ)償(penalty on move)和設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波單元94計(jì)算或者以不同的方式確定將在MPC控制器54中使用的移動(dòng)補(bǔ)償和設(shè)定點(diǎn)軌線或者濾波系數(shù)。在下面將作更詳細(xì)描述的一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波軌線和移動(dòng)補(bǔ)償分別是用在SP預(yù)測(cè)單元80和MPC算法塊85中的控制調(diào)諧變量，它們可以被自動(dòng)計(jì)算。例如，移動(dòng)補(bǔ)償會(huì)自動(dòng)基于到達(dá)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程時(shí)間Tss，該Tss根據(jù)過(guò)程模型估計(jì)器90開發(fā)的過(guò)程模型的響應(yīng)時(shí)間被依次確定。在另一個(gè)實(shí)施例中，移動(dòng)補(bǔ)償和設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波軌線可以由例如控制操作員的用戶輸入或者指定。
MPC算法計(jì)算單元96利用MPC控制模型(典型地將該模型求逆)和移動(dòng)補(bǔ)償值，基于新確定的過(guò)程模型，確定適當(dāng)?shù)目刂扑惴ü㎝PC算法塊85使用。此后，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，比如當(dāng)過(guò)程50處于穩(wěn)態(tài)或者類似穩(wěn)態(tài)時(shí)，或者當(dāng)被用戶通過(guò)用戶界面指令時(shí)，自適應(yīng)模型發(fā)生器52通過(guò)將新的MPC控制模型下載到被控變量預(yù)測(cè)單元70，將新的SP軌線或者濾波系數(shù)下載到SP預(yù)測(cè)塊80(如果SP軌線或者濾波系數(shù)發(fā)生變化)，并將新的MPC控制算法下載到MPC算法塊85，來(lái)更新MPC控制器塊54。
通過(guò)這種方式，當(dāng)過(guò)程模型估計(jì)器90確定或者發(fā)現(xiàn)與用于配置MPC控制器54的過(guò)程模型在某些重要的方式上不同的用于過(guò)程50的過(guò)程模型時(shí)，MPC模型計(jì)算單元92和MPC算法計(jì)算器塊96，可以以該模型計(jì)算新的MPC控制器參數(shù)、模型和算法為基礎(chǔ)，然后將這些新的MPC控制器元素下載到MPC控制器54。
重要的是，可以確定，控制時(shí)域?yàn)?或2，也可能更多的單回路MPC或其它DMC型控制器，不需要大量計(jì)算就可以如上述一樣調(diào)整，因此可以確定，當(dāng)過(guò)程正在運(yùn)行時(shí)，這樣的自適應(yīng)控制器可以在在線分布式或者其它過(guò)程控制器中運(yùn)行或者執(zhí)行，從而提供了可靠的在線自適應(yīng)MPC(或者其它DMC型)控制器。特別地，用于控制時(shí)域?yàn)?或2的單回路MPC控制器的MPC控制算法(如用在圖2中的塊85中)可以被直接定義，即用非遞歸的不使用矩陣計(jì)算的一個(gè)或多個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)公式來(lái)定義。因此，在這些情況下，為塊85確定MPC控制算法在計(jì)算上的開銷不大，從而基于接收到的新過(guò)程模型，允許對(duì)MPC控制塊54的新的MPC控制模型和控制算法進(jìn)行頻繁和快速的重新計(jì)算。由于這樣的調(diào)整可以快速并實(shí)時(shí)地進(jìn)行，并且可以在實(shí)際上執(zhí)行MPC控制器54的分布式控制器中進(jìn)行，所以可以在過(guò)程50運(yùn)行的同時(shí)更新或調(diào)整在線MPC控制器塊54。
更進(jìn)一步地，由上述可知，已經(jīng)確定，在很多情況下，比如在死區(qū)時(shí)間占主導(dǎo)地位的過(guò)程中，以及過(guò)程到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間隨著時(shí)間的推移而改變的情況下，包括具有較小的控制時(shí)域(例如，為1或更大，最多可能為五)的MPC的單回路MPC控制器，比PID控制器提供了更好的控制性能。
圖3示出了流程圖100，其可以被自適應(yīng)MPC控制塊38使用以便在圖1所示的控制器11內(nèi)執(zhí)行自適應(yīng)控制。在例行程序100的第一部分102中，過(guò)程模型估計(jì)器90在過(guò)程50在線操作的同時(shí)操作，以采集過(guò)程輸入/輸出數(shù)據(jù)，比如表示被控變量CV、操縱變量MV、設(shè)定點(diǎn)SP和擾動(dòng)變量DV的數(shù)據(jù)，以及其它任何所需的或者必要的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。定期地，比如在每次數(shù)據(jù)采集事件之后、在采集一定數(shù)量的數(shù)據(jù)之后、在一定時(shí)間后、響應(yīng)用戶的命令等，過(guò)程模型估計(jì)器90查找用于定義新的過(guò)程模型的數(shù)據(jù)塊，特別地，在過(guò)程輸入中查找擾動(dòng)(比如，控制信號(hào)的變化)，該擾動(dòng)會(huì)引起過(guò)程輸出(比如，被控變量CV)發(fā)生改變，然后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)檢測(cè)到這樣的變化時(shí)，或者響應(yīng)于用戶對(duì)一組數(shù)據(jù)的選擇，以用于開發(fā)過(guò)程模型時(shí)，過(guò)程模型估計(jì)器90分析所選擇的或者所確定的過(guò)程數(shù)據(jù)塊來(lái)產(chǎn)生新的過(guò)程模型。
更特別地，可以由過(guò)程模型估計(jì)單元90實(shí)現(xiàn)的框104，采集過(guò)程輸入/輸出數(shù)據(jù)，框106確定是否在一段時(shí)間內(nèi)采集了足夠的數(shù)據(jù)，其中在這段時(shí)間內(nèi)過(guò)程所經(jīng)歷的改變足以計(jì)算新的過(guò)程模型。框106也可以對(duì)用戶命令做出響應(yīng)，以根據(jù)所選擇的一組過(guò)程數(shù)據(jù)產(chǎn)生過(guò)程模型。如果所采集的數(shù)據(jù)不是那些過(guò)程模型估計(jì)單元90可以用來(lái)計(jì)算新過(guò)程模型的數(shù)據(jù)，或者用戶沒有指令例行程序100開發(fā)新的過(guò)程模型，則框104繼續(xù)采集過(guò)程輸入/輸出數(shù)據(jù)。另一方面，如果在過(guò)程所經(jīng)歷的改變或擾動(dòng)足夠計(jì)算新的過(guò)程模型的時(shí)間段內(nèi)，已經(jīng)采集了足夠的過(guò)程數(shù)據(jù)，或者如果用戶已經(jīng)發(fā)起過(guò)程模型計(jì)算，那么框108就利用例如美國(guó)專利6,577,908和/或美國(guó)專利公開2003/0195641中描述的技術(shù)，計(jì)算新的過(guò)程模型，并將新的過(guò)程模型提供給例行程序100的第二部分110。
例行程序100的部分110根據(jù)所確定的過(guò)程模型確定新的MPC模型和算法。為了描述方便，框108所確定的過(guò)程模型將被假設(shè)為參數(shù)化的一階加滯后過(guò)程模型，其包括反饋通道和前饋通道的限定過(guò)程增益、過(guò)程死區(qū)時(shí)間和過(guò)程時(shí)間常數(shù)的參數(shù)。然而，應(yīng)該理解，過(guò)程模型可以只包括反饋通道的參數(shù)，也可以是不同類型或不同種類的一階過(guò)程模型，或者可以是除一階過(guò)程模型以外的任何過(guò)程模型。因此，一般而言，其它類型或形式的過(guò)程模型都可以代替該過(guò)程模型來(lái)使用。
如圖3所示，例行程序100的部分110包括計(jì)算框112，其可以由圖2所示的移動(dòng)補(bǔ)償和設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波單元94實(shí)現(xiàn)。框112基于新的過(guò)程模型，為MPC控制器確定掃描速率、執(zhí)行時(shí)間、預(yù)測(cè)時(shí)域(predictive horizon)和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間中的一個(gè)或多個(gè)。
同自適應(yīng)PID控制技術(shù)類似，基于過(guò)程模型，更特別地，基于過(guò)程模型的時(shí)間常數(shù)，在每次成功的進(jìn)行完模型辨識(shí)后，對(duì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS進(jìn)行更新。然而，不同于可以以任何掃描速率(只要掃描速率比過(guò)程響應(yīng)速率快兩倍)運(yùn)行的PID控制器，自適應(yīng)MPC控制器必須以一掃描速率運(yùn)行，其中該掃描速率使得達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS在MPC控制器所使用的預(yù)測(cè)時(shí)域的范圍內(nèi)。為了調(diào)整或改變作為自適應(yīng)過(guò)程的一部分的MPC控制器的掃描速率，并因此提供更好的控制，已經(jīng)確定MPC控制器所使用的執(zhí)行時(shí)間或者預(yù)測(cè)時(shí)域(通常被固定在MPC控制器中)可以改變，以便因此提供更好的MPC控制操作。
為了保證選擇新的合適的掃描速率，框112首先用任何已知的方式，尤其是基于例如MPC控制器54的反饋通道的過(guò)程模型中所確定的時(shí)間常數(shù)，根據(jù)新的過(guò)程模型確定達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程時(shí)間TSS。達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS可以由實(shí)際的時(shí)間(比如，分鐘、秒等)確定或表示，或者基于達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS是基于固定的每個(gè)執(zhí)行周期的控制器執(zhí)行時(shí)間，所以達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS可以由控制器所需的執(zhí)行周期的數(shù)量來(lái)表示。
接下來(lái)，執(zhí)行時(shí)間可以被計(jì)算成達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS除以允許的最大預(yù)測(cè)時(shí)域，其中，該允許的最大預(yù)測(cè)時(shí)域可以由用戶設(shè)定或者由配置工程師在自適應(yīng)MPC控制器的配置階段設(shè)定。這個(gè)計(jì)算式可以表示為 Exec_Time＝Trunc[TSS/PHmaX] 其中 Exec_Time＝執(zhí)行時(shí)間； TSS＝達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間； PHmax＝最大預(yù)測(cè)時(shí)域。
這里，Trunc是數(shù)學(xué)上的截尾操作。
在所描述的實(shí)施例中，所使用的最大預(yù)測(cè)時(shí)域PHmax為120，這意味著最多120個(gè)預(yù)測(cè)可以在每次掃描期間由被控變量預(yù)測(cè)單元70計(jì)算。然而，在很多情況下，這種計(jì)算會(huì)導(dǎo)致余數(shù)，這使得MPC的操作出現(xiàn)多多少少的不準(zhǔn)確。為了避免除法中帶有余數(shù)，進(jìn)而減少浮點(diǎn)誤差和控制器操作中的抖動(dòng)，可以允許預(yù)測(cè)時(shí)域在最小值PHmin和最大值PHmax之間變化，并且可以選擇，以便預(yù)測(cè)時(shí)域PH和執(zhí)行時(shí)間的乘積等于達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS。然后，所選擇的預(yù)測(cè)時(shí)域代替允許的最大預(yù)測(cè)時(shí)域PHmax，用作MPC控制器內(nèi)所有內(nèi)部回路(即，如圖2所示的控制塊54中的塊70、74、80、84和85)的預(yù)測(cè)時(shí)域。因此，在這種情況下，預(yù)測(cè)時(shí)域根據(jù)為新過(guò)程模型所確定的達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間TSS，可以在例如60到120之間變化。
下述的表1示出各種執(zhí)行時(shí)間Exec_Time和所選擇的預(yù)測(cè)時(shí)域PH的組合的示例，這些組合可以基于特定的達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間TSS，有利地用在MPC控制器54內(nèi)。應(yīng)該理解，在這個(gè)例子中，表中的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS(其是已知變量，根據(jù)該變量確定執(zhí)行時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)域)是在10到12800秒之間變化，同時(shí)執(zhí)行時(shí)間在0.1到213ms之間變化，以使得所選擇的預(yù)測(cè)時(shí)域PH在各種情況下都在60到120之間變化。雖然不是必須的，但是對(duì)于每個(gè)大于3200的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，預(yù)測(cè)時(shí)域都被設(shè)置為60，即，允許的最小值，這是因?yàn)榇笥?0的預(yù)測(cè)時(shí)域?qū)τ谶@么大的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間是不必要的。在任何情況下，如果需要的話，表1或者類似這樣的預(yù)先計(jì)算的表所示的結(jié)果，可以被存儲(chǔ)在自適應(yīng)模型發(fā)生器52內(nèi)，用于基于所確定的過(guò)程模型達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS，確定用在MPC控制器中的預(yù)測(cè)時(shí)域，其中，類似這樣的預(yù)先計(jì)算的表，將需要的預(yù)測(cè)時(shí)域和執(zhí)行時(shí)間的組合與所確定的不同的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS相關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，基于所確定的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，產(chǎn)生預(yù)測(cè)時(shí)域和執(zhí)行時(shí)間的組合的任何其它所需的方式，可以替換使用。
表1 可見在任何情況下，自適應(yīng)MPC控制器塊38實(shí)際上能在調(diào)整過(guò)程中調(diào)整或改變它的預(yù)測(cè)時(shí)域和執(zhí)行時(shí)間，以保證控制器的掃描速率被設(shè)置成在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)保持達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS。如果需要的話，框112可以比較執(zhí)行時(shí)間和控制器的掃描速率來(lái)確定所選擇的或者所計(jì)算的執(zhí)行時(shí)間是否小于所配置的控制器的掃描速率。如果此條件為真，框112可以經(jīng)由例如操作員界面應(yīng)用程序44給用戶發(fā)送警告消息，指示應(yīng)該增加控制器塊的掃描速率來(lái)使MPC控制器正常運(yùn)行。
接下來(lái)，可以在如圖2所示的MPC模型計(jì)算塊92中執(zhí)行的框114，確定或者建立階躍響應(yīng)模型(MPC控制模型)，該模型定義了隨著預(yù)測(cè)時(shí)域PH所定義的時(shí)間的推移，被控變量CV對(duì)于操縱變量MV(用于反饋回路)的階躍變化的反應(yīng)，以及隨著預(yù)測(cè)時(shí)域PH所定義的時(shí)間的推移，被控變量CV對(duì)于擾動(dòng)變量DV(用于前饋回路)的階躍變化的反應(yīng)。當(dāng)然，這樣的階躍響應(yīng)模型可以根據(jù)塊90開發(fā)的過(guò)程模型通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算產(chǎn)生。一般而言，針對(duì)每個(gè)控制器掃描數(shù)，計(jì)算被控變量CV的響應(yīng)，其中，控制器掃描數(shù)被框112定義的預(yù)測(cè)時(shí)域PH所限定。因此，如果預(yù)測(cè)時(shí)域是120，響應(yīng)于第一次操縱變量MV中的階躍變化，將確定120個(gè)不同的被控變量CV的響應(yīng)，以定義MPC階躍響應(yīng)模型(用于反饋控制器通道)。此階躍響應(yīng)模型在此被表示成為階躍響應(yīng)矢量B，用非向量形式表示即為(b1，b2，....，bi，...bp)，其中，p是所選擇的預(yù)測(cè)時(shí)域，bp是在所選擇的預(yù)測(cè)時(shí)域時(shí)的響應(yīng)。
接下來(lái)，框116計(jì)算或者確定用在MPC算法中的移動(dòng)補(bǔ)償和誤差補(bǔ)償，并且如果需要的話，計(jì)算或者確定用在MPC控制器中的設(shè)定點(diǎn)濾波器常數(shù)或者軌線，以確定MPC控制器54的響應(yīng)和魯棒性。本質(zhì)上，這些參數(shù)是MPC控制器的調(diào)諧參數(shù)。如果需要的話，誤差補(bǔ)償、SP濾波因子和移動(dòng)補(bǔ)償可以被自動(dòng)確定，或者由用戶通過(guò)例如圖1所示的用戶界面應(yīng)用程序44進(jìn)行設(shè)定。
自動(dòng)設(shè)置設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波時(shí)間常數(shù)的一種方式是定義設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波時(shí)間因子，該設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波器時(shí)間因子定義了關(guān)于過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間的設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波的操作。比如，設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波器時(shí)間因子的范圍可以為0到4，隨后，設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波時(shí)間常數(shù)(定義了設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波器的時(shí)間常數(shù))可以確定為過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間TSS與設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波時(shí)間因子的乘積。應(yīng)該理解，這個(gè)設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波因子可以隨著每次對(duì)新過(guò)程模型的辨識(shí)而改變。當(dāng)然，如果需要的話，設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波因子或者設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波時(shí)間常數(shù)都可以由用戶選擇或者提供。
一般而言，誤差補(bǔ)償(在計(jì)算控制器的移動(dòng)時(shí)，定義了MPC控制器算法應(yīng)用于期望的CV和預(yù)測(cè)的CV之間的誤差矢量的系數(shù))可以被設(shè)為1，并且不需要改變。事實(shí)上，在單回路系統(tǒng)中，只有移動(dòng)補(bǔ)償(POM)和誤差補(bǔ)償(PE)之間的比例重要，這意味著只要這些變量中的一個(gè)是可變的，其它的就不需要是可變的了。
在一個(gè)實(shí)施例中，每當(dāng)過(guò)程模型變化時(shí)，都可以根據(jù)下式計(jì)算缺省的移動(dòng)補(bǔ)償(定義了MPC控制算法在計(jì)算控制器移動(dòng)的過(guò)程中，獲得單元控制信號(hào)的移動(dòng)補(bǔ)償) 這里DT是過(guò)程死區(qū)時(shí)間(來(lái)自過(guò)程模型)，PH是預(yù)測(cè)時(shí)域，G是過(guò)程增益(來(lái)自過(guò)程模型)，PM是所計(jì)算的移動(dòng)補(bǔ)償。一般而言，這個(gè)已經(jīng)基于觀察被啟發(fā)式地確定的方程式，隨著過(guò)程死區(qū)時(shí)間的增加，以及較低程度的隨著過(guò)程增益的增加，獲取更高的移動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)然，可以替代使用計(jì)算移動(dòng)補(bǔ)償?shù)耐扑]或缺省值的其它方程式或方法。
在任何情況下，移動(dòng)補(bǔ)償?shù)耐扑]值都可以作為只讀參數(shù)，示出在用戶界面(比如，使用圖1所示的界面應(yīng)用程序44)上。然而，如果需要的話，用戶界面應(yīng)用程序44可以允許用戶將推薦值(可以被當(dāng)作默認(rèn)值使用)改為其它值。執(zhí)行這種改變的方式包括允許用戶直接指定需要的POM，或者允許用戶指定用于改變推薦值的POM因子(即，作為推薦值的乘數(shù))。這樣的POM因子的范圍可以為例如從0.1到10，也可以由用戶使用用戶界面顯示屏幕的滾動(dòng)條或者屬性對(duì)話框，進(jìn)行改變或者選擇。在任何情況下，除了推薦POM值和POM因子，用戶界面還可以制定用在MPC控制器中的POM的實(shí)際值(實(shí)際值是POM因子和POM推薦值的乘積)。
再次參見圖3，接下來(lái)，框118計(jì)算或者確定用在圖2所示的MPC算法塊85中、在MPC控制器54的操作中使用的MPC控制算法。一般而言，當(dāng)MPC控制器54是控制時(shí)域?yàn)?或2的單回路控制器時(shí)，這種算法可以用封閉的形式表示，這意味著基于模型更新，重新產(chǎn)生此算法可以被直接計(jì)算出來(lái)。
框118一般根據(jù)階躍響應(yīng)模型(或階躍響應(yīng)矢量)、移動(dòng)補(bǔ)償(POM)和誤差補(bǔ)償(對(duì)于此討論，它被假設(shè)為1)，開發(fā)MPC無(wú)約束增量控制器。在控制器掃描為k時(shí)，控制時(shí)域?yàn)閙和預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)閜的增量控制器一般的解決方案是 ΔU(k)＝KEp(k)＝(SuTΓyTΓySu+ΓuTΓu)-1 SuTΓyTΓyEp(k) 其中 K為MPC控制器的待計(jì)算的控制器增益矩陣； ΔU(k)是m階正增量控制器輸出移動(dòng)矢量； Γy＝diag[γ1，γ2，…，γp]是輸出誤差的補(bǔ)償矩陣； Γu＝diag[u1，u2，…，um]是控制移動(dòng)的補(bǔ)償矩陣； Su是p×m過(guò)程動(dòng)態(tài)矩陣(控制矩陣)； Ep(k)是預(yù)測(cè)時(shí)域上的誤差矢量。
對(duì)于控制時(shí)域等于1的MPC控制器，動(dòng)態(tài)矩陣(轉(zhuǎn)置矩陣)是 SuT＝BT＝[b1，…，bi，…bp]T，其是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)置階躍響應(yīng)矢量。
另外Γy＝diagp[γ，γ，…，γ]和Γu＝diag[u]＝u 其中，每個(gè)u是單獨(dú)的移動(dòng)補(bǔ)償，每個(gè)y是單獨(dú)的誤差補(bǔ)償?，F(xiàn)在，由上述可知，MPC控制器矩陣通?？梢员硎緸? 這樣假設(shè)是合理的，并且建立自適應(yīng)控制器，以便γ＝1。因此，控制器增益矩陣可以表示為 因此，可以很容易地看到控制時(shí)域?yàn)?的單回路MPC控制器是簡(jiǎn)單的由兩個(gè)系數(shù)之和依比例確定的階躍響應(yīng)矢量，這兩個(gè)系數(shù)為 并且c2＝u2。
因此，作為一種封閉形式的非遞歸和非矩陣的公式，重新產(chǎn)生控制器增益矩陣K，是簡(jiǎn)單的計(jì)算步驟，其中該公式在每次新的過(guò)程模型被辨識(shí)且過(guò)程正在運(yùn)行的同時(shí)，被控制器11中的如圖2所示的MPC算法塊85在線使用。
在控制時(shí)域等于1的MPC控制器的情況下，動(dòng)態(tài)矩陣(轉(zhuǎn)置矩陣)可以表示為 同 Γy＝diagp[γ，γ，...，γ] 和 在這種情況下，控制器增益矩陣K被推導(dǎo)為 為了更簡(jiǎn)單地表達(dá)此公式，可以將以下變量定義為 隨后，利用這些變量，控制器增益矩陣K可以被表示為 其也可以被重新表示為 現(xiàn)在，對(duì)于k1的第一控制器移動(dòng)的MPC控制器增益矩陣(即，兩個(gè)控制時(shí)域中較大的第一控制器)為 因此，應(yīng)該理解，雙移動(dòng)控制器的第一移動(dòng)是重新調(diào)整的階躍響應(yīng)矢量，在某種程度上與控制時(shí)域?yàn)?的控制矢量類似。所有的階躍響應(yīng)系數(shù)的常數(shù)比例因子為 當(dāng)移動(dòng)補(bǔ)償(u)增大時(shí)，該系數(shù)減小，所以每個(gè)階躍響應(yīng)系數(shù)的單個(gè)比例因子可以表示為 這個(gè)推導(dǎo)得到的公式用更清楚的方式描述了階躍響應(yīng)矢量和控制器矢量的類似之處。然而，這個(gè)公式并不適合控制器計(jì)算，因?yàn)樵谶@個(gè)階躍系數(shù)比例中存在被0除的不可控制的可能性。然而，更合適的實(shí)現(xiàn)形式可以定義為 為了確定第一移動(dòng)的控制器增益，可以設(shè)置如下的計(jì)算順序 首先，按照

計(jì)算m。
第二，按照

計(jì)算n。
第三，按照

計(jì)算1。
接下來(lái)，計(jì)算mn-l2。
此后，用m重新調(diào)整階躍響應(yīng)，然后用1重新調(diào)整階躍響應(yīng)并右移，即令b1＝0。接下來(lái)，減去這兩個(gè)經(jīng)過(guò)重新調(diào)整的階躍響應(yīng)mB-1B(移位)，并且用

重新調(diào)整從此步驟獲得的矢量，以便得到控制器矢量。用同樣的方式，第二控制器移動(dòng)k2的MPC控制器矩陣或增益可以被表示為 由上述可知，對(duì)于控制時(shí)域?yàn)?的單回路MPC控制器的情況，控制器增益公式不需要花費(fèi)大量的計(jì)算，因此當(dāng)控制器正在操作以控制過(guò)程時(shí)，該控制器增益公式可以在控制器內(nèi)部被在線確定。此外，盡管在這里已經(jīng)提出了控制時(shí)域?yàn)?和2的MPC控制器的控制器增益算法，但是控制時(shí)域較大，比如3、4、5甚至更大的MPC控制器，也可以利用數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)表達(dá)和確定，其中這些數(shù)學(xué)計(jì)算可以在過(guò)程控制器設(shè)備中執(zhí)行，從而使得在過(guò)程的實(shí)際控制中，能夠在線重新產(chǎn)生自適應(yīng)MPC控制器。
再次參見圖3，框118計(jì)算或者產(chǎn)生用在圖2所示的MPC算法塊85中的控制器增益算法之后，框120確定是否應(yīng)該用新的控制器參數(shù)更新MPC控制器54。作為該處理的一部分，框120可以確定當(dāng)前過(guò)程是否處于穩(wěn)態(tài)或者處于類似的穩(wěn)態(tài)，再或者是否已經(jīng)準(zhǔn)備更新MPC控制器54?？?20可以確定或者替代確定是否用戶已經(jīng)發(fā)起自適應(yīng)周期，或者是否已經(jīng)指定MPC控制器54應(yīng)該基于新的過(guò)程模型進(jìn)行更新。如果過(guò)程目前正在經(jīng)歷控制變化，或正在經(jīng)歷被控變量CV的顯著波動(dòng)，那么框120可以等待，直到過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)或者類似的穩(wěn)態(tài)。然而，當(dāng)過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)或者正在經(jīng)歷控制器變化的狀態(tài)，以及如果需要的話，用戶已經(jīng)被授權(quán)進(jìn)行控制器更新，那么框122就將新的控制算法下載到MPC算法塊85，并將新的響應(yīng)模型下載到被控變量預(yù)測(cè)單元70。另外，框122將新的掃描速率、達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間、執(zhí)行時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)域下載到MPC控制器54的所有塊70、74、76、80和85中，因此這些塊都根據(jù)相同的預(yù)測(cè)時(shí)域、掃描速率和執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行操作。更進(jìn)一步，如果需要的話，新的設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波常數(shù)或因子可以被下載到SP預(yù)測(cè)單元80，而新的移動(dòng)補(bǔ)償值可以被提供，以便在控制器算法85中使用，從而基于新的過(guò)程模型，用新的控制常數(shù)調(diào)諧MPC控制器54。
當(dāng)下載完成后，框122將控制返回到框104，以繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)然，應(yīng)該理解，在例行程序100的其它塊的操作過(guò)程中，控制框104可以繼續(xù)采集過(guò)程數(shù)據(jù)。更進(jìn)一步，由上述可知，設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波因子或者時(shí)間常數(shù)以及移動(dòng)補(bǔ)償變量這兩個(gè)調(diào)諧因子，可以被用戶隨時(shí)改變，并可以隨時(shí)被下載到MPC控制器中，以改變MPC控制器的操作。因此，可以在不同的時(shí)間調(diào)諧MPC控制器，也不需要等到MPC控制器已經(jīng)基于新的過(guò)程模型更新后再進(jìn)行調(diào)諧。換句話說(shuō)，在過(guò)程操作期間，MPC控制器54可以在任何時(shí)候，用新的設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波因子和新的移動(dòng)補(bǔ)償值進(jìn)行更新。
圖4總地示出了自適應(yīng)MPC控制器塊，其表示或描述為功能塊150，該功能塊內(nèi)部連接到功能塊152和154，以形成控制模塊。功能塊152被描述為AI功能塊，功能塊154被描述為AO功能塊，即使其它類型、種類和數(shù)量的功能塊可以替代它們使用，并且在過(guò)程操作期間，在控制器(比如圖1中所示的控制器11)中操作，以影響功能塊150的輸入和輸出功能。如圖4所示，自適應(yīng)模型發(fā)生器52和MPC控制器54都被存儲(chǔ)在自適應(yīng)MPC控制器功能塊150中并由其執(zhí)行，并且這些模塊通信方式連接，以接收必要的AI塊152發(fā)送的輸入，并將必要的輸出提供給AO塊154，從而影響過(guò)程回路或過(guò)程的控制。當(dāng)然，可以提供足夠數(shù)量的AI塊152和AO塊154，并且這些功能塊可以用任何公知的方式連接到加工廠內(nèi)的任何所需的組成部分，以接收任何所需的信號(hào)或者發(fā)送信號(hào)。然而，一般而言，需要提供給單回路MPC控制器至少一個(gè)單獨(dú)的AI和單獨(dú)的AO塊，以在反饋通道中進(jìn)行控制。然而，如果需要的話，附加的輸入和輸出可以通信連接到自適應(yīng)模型發(fā)生器52以及MPC控制器54，以對(duì)前饋通道提供類似的單回路MPC控制，前饋通道可以按照與上述關(guān)于反饋通道的控制相似的方式被控制。另外，MPC控制器54可以按照此處對(duì)反饋通道所描述的一般方式，適用于前饋通道。更進(jìn)一步，如果需要的話，自適應(yīng)模型發(fā)生器52可以從加工廠接收輸入信號(hào)，其中，MPC控制器54不用這些信號(hào)控制過(guò)程。
圖5示出顯示屏幕200，其由圖1所示的用戶界面應(yīng)用程序44提供在顯示設(shè)備上，例如圖1所示的用戶界面屏幕14，以允許用戶查看在自適應(yīng)MPC功能塊150或38內(nèi)發(fā)生了什么，以及指導(dǎo)自適應(yīng)MPC過(guò)程。特別的，用戶界面應(yīng)用程序44可以提供顯示器200，以使用戶查看和選擇用于確定過(guò)程模型的數(shù)據(jù)；初始化模型調(diào)整程序；為MPC控制器提供或改變調(diào)諧參數(shù)等。特別的，顯示器200包括過(guò)程操作顯示區(qū)域210，用于示出過(guò)程的當(dāng)前操作，尤其是，被控變量、設(shè)定點(diǎn)、操縱變量和/或任何其它所需變量的歷史值，以便用簡(jiǎn)單易懂的方式表示或顯示過(guò)程操作。如果需要的話，用戶可以查看這些數(shù)據(jù)，并且可以加重或選擇(利用鼠標(biāo)或其它輸入設(shè)備)部分?jǐn)?shù)據(jù)，用于標(biāo)明當(dāng)計(jì)算過(guò)程的新過(guò)程模型時(shí)使用的數(shù)據(jù)。
顯示器200的部分220描述了與過(guò)程和MPC控制器有關(guān)的各種模型的信息，用于使用戶更好地了解現(xiàn)在，在過(guò)程內(nèi)部或過(guò)程的自適應(yīng)MPC部分內(nèi)正在發(fā)生什么。圖5的部分220被分為四個(gè)子部分，包括反饋模型部分222、MPC反饋模型部分224、操作部分226和MPC調(diào)諧部分228。一般而言，反饋模型部分222將過(guò)程模型的指示提供給用戶，其中，該過(guò)程模型是為MPC控制器的反饋通道計(jì)算的最新過(guò)程模型，并且在這種情況下，反饋模型部分222為這種模型提供模型參數(shù)的值，其中模型參數(shù)定義為過(guò)程增益、過(guò)程時(shí)間常數(shù)和死區(qū)時(shí)間。當(dāng)前模型不需要是并且將來(lái)也不太可能是用于產(chǎn)生正在工廠內(nèi)部運(yùn)行的MPC控制器的過(guò)程模型。
MPC反饋模型部分224示出(在名稱為“Calculated”的欄下面)MPC模型，該模型用于計(jì)算MPC算法和當(dāng)前正在被MPC控制器的反饋通道使用的MPC過(guò)程模型。在這種情況下，過(guò)程控制器當(dāng)前正在利用基于具有過(guò)程增益為1.00、時(shí)間常數(shù)為20.0和死區(qū)時(shí)間為1.0的過(guò)程模型產(chǎn)生的MPC控制器來(lái)操作。然而，在實(shí)現(xiàn)時(shí)，部分224也示出了最新為過(guò)程確定的作為在下一個(gè)調(diào)整周期中使用的過(guò)程模型的“Current”值。該模型示出在圖5的示例中，作為反饋模型部分222中示出的最近計(jì)算的過(guò)程模型。正如所表示的那樣，如果需要的話，用戶可以通過(guò)為模型的參數(shù)輸入新的值，來(lái)改變或者變更該過(guò)程模型。另外，更新按鈕230允許用戶使用在過(guò)程模型的當(dāng)前值部分中指定的新的過(guò)程模型，來(lái)發(fā)起自適應(yīng)MPC產(chǎn)生或計(jì)算。當(dāng)然，如果需要的話，除了用戶用更新按鈕230發(fā)起更新以外，在每次過(guò)程模型產(chǎn)生后，可以自動(dòng)使用最新計(jì)算的過(guò)程模型，并且可以自動(dòng)地并周期地執(zhí)行MPC控制器調(diào)整，以更新MPC控制模型。
顯示器200的操作部分226示出過(guò)程當(dāng)前正在運(yùn)行的操作區(qū)域。值得注意的是，過(guò)程可以被定義為擁有獨(dú)立的操作部分，如同由例如被控變量的值或任何其它類型變量的值所確定的一樣。如果需要的話，可以基于過(guò)程正運(yùn)行在其中的操作區(qū)域選擇不同的模型。事實(shí)上，一些操作區(qū)域可能更適于這里所描述的自適應(yīng)MPC控制器使用。操作區(qū)域226表明過(guò)程模型估計(jì)單元正在采集數(shù)據(jù)且處于學(xué)習(xí)模式。
重要的是，MPC調(diào)諧部分228通過(guò)允許用戶改變SP濾波器的設(shè)置和移動(dòng)補(bǔ)償變量，來(lái)允許用戶調(diào)諧MPC控制器。尤其，在這種情況下，用戶可以在輸入框235中指定SP濾波因子(當(dāng)前設(shè)置為2)，該因子與過(guò)程模型達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相乘，以確定在MPC控制器中使用的SP濾波時(shí)間常數(shù)。此外，滾動(dòng)條238允許用戶改變移動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹狄哉{(diào)諧MPC控制器，從而得到更慢或者更快的響應(yīng)特性。一般而言，滑動(dòng)條238可以用于指定或者改變移動(dòng)補(bǔ)償因子，該移動(dòng)補(bǔ)償因子與如上面對(duì)圖3中框113的描述所計(jì)算的缺省移動(dòng)補(bǔ)償相乘。當(dāng)然，如果需要的話，用戶可以直接改變?cè)O(shè)定點(diǎn)目標(biāo)矢量濾波和移動(dòng)補(bǔ)償因子。
無(wú)論如何，用戶顯示屏幕220可以被例如控制操作員的控制或者其它用戶使用，以改變MPC控制器的調(diào)諧，基于在區(qū)域210中選擇的過(guò)程數(shù)據(jù)更新過(guò)程模型或者使過(guò)程模型被重新計(jì)算或更新，使MPC控制器用最新的計(jì)算過(guò)程模型更新等。因此，用戶界面顯示屏幕200給用戶提供了對(duì)于MPC控制器的自適應(yīng)更新的高度或高水平的輸入，包括能夠選擇SP濾波因子和移動(dòng)補(bǔ)償因子定義的控制器的魯棒性，能限定用于產(chǎn)生新過(guò)程模型的數(shù)據(jù)以及是否和何時(shí)基于特定的過(guò)程模型更新MPC控制器。當(dāng)然，自適應(yīng)MPC控制器塊可以完全自動(dòng)化或者半自動(dòng)化，其中這些功能可以自動(dòng)地、周期地或者在重要時(shí)間，比如在確定了新的過(guò)程模型后執(zhí)行。更進(jìn)一步，由上述可知，自適應(yīng)MPC控制器可以基于所估計(jì)的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間自動(dòng)計(jì)算調(diào)諧參數(shù)，其中，所估計(jì)的達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間由過(guò)程模型計(jì)算確定，這消除了已知MPC控制器的共同缺點(diǎn)，即需要執(zhí)行初始調(diào)諧。在一個(gè)實(shí)施例中，初始過(guò)程模型可以根據(jù)過(guò)程數(shù)據(jù)確定，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也可以根據(jù)過(guò)程數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，或者用戶可以在開始就輸入達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，其可以用于如上述一樣地為POM和SP濾波因子確定調(diào)諧參數(shù)，也可以用于為控制器確定預(yù)測(cè)時(shí)域和執(zhí)行時(shí)間。同樣地，如果需要的話，用戶可以指定初始過(guò)程模型，在第一次建立或者運(yùn)行MPC控制塊時(shí)使用。
盡管自適應(yīng)MPC功能塊在這里被描述和示出為擁有位于同一功能塊中的自適應(yīng)MPC模型發(fā)生器，并因此作為MPC控制器塊在同一設(shè)備中執(zhí)行，但是它也可以在單獨(dú)的設(shè)備中執(zhí)行自適應(yīng)模型發(fā)生器，比如在用戶界面設(shè)備中。尤其是，自適應(yīng)模型發(fā)生器可以位于不同的設(shè)備中，比如工作站13之一中，并且自適應(yīng)模型發(fā)生器也可以在控制器的每次運(yùn)行或掃描期間，在MPC更新階段等，結(jié)合圖2所示與MPC控制器進(jìn)行通信。當(dāng)然，如果需要的話，通信接口，例如已知的OPC接口，可以用于在其中擁有MPC控制器的功能塊和其它實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行自適應(yīng)模型發(fā)生器塊的工作站或計(jì)算機(jī)之間，提供通信接口。
另外，雖然在這里介紹的自適應(yīng)MPC控制器塊和其它塊以及例行程序，都被描述為同F(xiàn)ieldbus和標(biāo)準(zhǔn)4-20毫安設(shè)備集合使用，但是它們同樣可以利用其它的過(guò)程控制通信協(xié)議或編程環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且可以與任何其它類型的設(shè)備、功能塊或控制器一起使用。盡管這里描述的自適應(yīng)MPC或其它自適應(yīng)DMC控制塊和有關(guān)的生成和查看例行程序都優(yōu)選用軟件實(shí)現(xiàn)，但是它們也同樣可以用硬件、固件等實(shí)現(xiàn)，并且可以由任何其它與過(guò)程控制系統(tǒng)相關(guān)的處理器執(zhí)行。因此，如果需要的話，這里描述的例行程序100或者它的任何部分，都可以在一個(gè)或者多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的多用途CPU或特定設(shè)計(jì)的硬件或諸如ASIC之類的固件中執(zhí)行。當(dāng)用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，軟件可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，比如磁盤、激光盤、光盤、閃存或其它存儲(chǔ)介質(zhì)中，也可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)或處理器等的RAM或ROM中。同樣地，這些軟件可以通過(guò)任何已知或所需的傳送方法傳送給用戶或者過(guò)程控制系統(tǒng)，例如，包括通過(guò)計(jì)算機(jī)的可讀盤或其它可移動(dòng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)機(jī)制；或者這些軟件可以被調(diào)制，然后通過(guò)諸如電話線、因特網(wǎng)等通信信道發(fā)送出去(其被視為與通過(guò)可移動(dòng)的存儲(chǔ)介質(zhì)提供這些軟件相同或者可以互換)。
因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)參考具體示例進(jìn)行了描述，其中，這些示例僅僅是示例性的，而不是限制性的，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)所公開的實(shí)施例作修改、增加或刪除。
權(quán)利要求
1.一種用于控制加工廠內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的自適應(yīng)過(guò)程控制器，該自適應(yīng)過(guò)程控制器包括
控制器，其包括預(yù)測(cè)單元、預(yù)測(cè)誤差單元和合成器，所述預(yù)測(cè)單元使用預(yù)測(cè)模型來(lái)確定一組一個(gè)或多個(gè)過(guò)程變量的預(yù)測(cè)信號(hào)，所述預(yù)測(cè)誤差單元將所述預(yù)測(cè)信號(hào)與設(shè)定點(diǎn)信號(hào)合并以產(chǎn)生預(yù)測(cè)誤差信號(hào)，所述合成器將所述預(yù)測(cè)誤差信號(hào)與控制器增益信號(hào)相乘以產(chǎn)生控制信號(hào)中的變化，所述合成器還使用所述控制信號(hào)中的所述變化來(lái)設(shè)置用于控制所述一組過(guò)程變量中的一個(gè)過(guò)程變量的控制信號(hào)；
過(guò)程模型估計(jì)單元，其通信連接至所述加工廠內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，以在所述加工廠的在線操作期間采集過(guò)程數(shù)據(jù)，并根據(jù)所采集的過(guò)程數(shù)據(jù)確定表示所述加工廠的一部分的操作的新的過(guò)程模型，所述新的過(guò)程模型包括定義所述加工廠的所述部分的特性的一組模型參數(shù)；以及
控制器調(diào)整單元，其使用封閉形式的公式來(lái)計(jì)算新的控制器增益信號(hào)，并在所述控制器正進(jìn)行在線操作時(shí)，調(diào)整所述控制器使用所述新的控制器增益信號(hào)以控制所述加工廠的所述部分，所述封閉形式的公式將所述新的控制器增益信號(hào)表示為所述新的過(guò)程模型的所述一組過(guò)程模型參數(shù)中的至少一個(gè)過(guò)程模型參數(shù)的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述過(guò)程模型估計(jì)單元將過(guò)程死區(qū)時(shí)間和過(guò)程時(shí)間常數(shù)確定為所述一組模型參數(shù)的元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元進(jìn)一步根據(jù)所述一組模型參數(shù)確定所述控制器的預(yù)測(cè)時(shí)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元根據(jù)所述一組模型參數(shù)確定控制器執(zhí)行速率，并將所述控制器執(zhí)行速率提供給所述控制器，以設(shè)置所述控制器在所述控制器的后續(xù)操作期間控制所述加工廠的所述部分的執(zhí)行速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元根據(jù)所述模型參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)、控制器執(zhí)行時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)域來(lái)確定階躍響應(yīng)模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元根據(jù)所述模型參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)、控制器執(zhí)行時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)域來(lái)確定階躍響應(yīng)模型，所述階躍響應(yīng)模型包括對(duì)一組響應(yīng)時(shí)間中各響應(yīng)時(shí)間定義一組增益的增益向量，并且其中所述封閉形式的公式將所述新的控制器增益信號(hào)表示為所述階躍響應(yīng)模型的所述一組增益和移動(dòng)補(bǔ)償?shù)暮瘮?shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)控制器，其中所述封閉形式的公式基于與兩個(gè)控制器掃描周期相等的控制時(shí)域來(lái)表示所述新的控制器增益信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)控制器，其中所述封閉形式的公式基于與一個(gè)控制器掃描周期相等的控制時(shí)域來(lái)表示所述新的控制器增益信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)控制器，其中所述封閉形式的公式基于比所述控制器所使用的預(yù)測(cè)時(shí)域短至少十倍的控制時(shí)域來(lái)表示所述新的控制器增益信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元計(jì)算作為所述過(guò)程模型參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)過(guò)程模型參數(shù)的函數(shù)的所述移動(dòng)補(bǔ)償。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述過(guò)程模型參數(shù)包括過(guò)程死區(qū)時(shí)間參數(shù)和過(guò)程增益參數(shù)，并且其中所述控制器調(diào)整單元計(jì)算作為所述過(guò)程死區(qū)時(shí)間參數(shù)和所述過(guò)程增益參數(shù)的函數(shù)的所述移動(dòng)補(bǔ)償。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元根據(jù)所述新的過(guò)程模型開發(fā)新的預(yù)測(cè)模型，并且將所述新的預(yù)測(cè)模型提供給所述控制器，以在所述控制器的所述預(yù)測(cè)單元中用作所述控制器的后續(xù)操作期間的預(yù)測(cè)模型。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述控制器調(diào)整單元進(jìn)一步根據(jù)所述過(guò)程模型確定達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，并且基于所述達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間確定所述控制器的預(yù)測(cè)時(shí)域和執(zhí)行速率的組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述新的控制器增益信號(hào)包括增益向量。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制器，其中所述新的控制器增益信號(hào)包括標(biāo)量值。
16.一種調(diào)整過(guò)程控制器的方法，該過(guò)程控制器控制一個(gè)或多個(gè)設(shè)備以使用預(yù)測(cè)單元、預(yù)測(cè)誤差單元和合成器來(lái)實(shí)施加工廠內(nèi)的過(guò)程，其中所述預(yù)測(cè)單元使用預(yù)測(cè)模型來(lái)確定一組一個(gè)或多個(gè)過(guò)程變量的預(yù)測(cè)信號(hào)，所述預(yù)測(cè)誤差單元將所述預(yù)測(cè)信號(hào)與設(shè)定點(diǎn)信號(hào)合并以產(chǎn)生預(yù)測(cè)誤差信號(hào)，并且所述合成器將所述預(yù)測(cè)誤差信號(hào)與控制器增益信號(hào)相乘來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)中的變化，所述合成器還使用所述控制信號(hào)中的所述變化來(lái)設(shè)置用于控制所述一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的控制信號(hào)，該方法包括
在所述加工廠的在線操作期間采集過(guò)程數(shù)據(jù)；
根據(jù)所采集的過(guò)程數(shù)據(jù)確定新的過(guò)程模型，所述新的過(guò)程模型包括表征所述過(guò)程的一組模型參數(shù)；
使用封閉形式的公式來(lái)計(jì)算新的控制器增益信號(hào)，該封閉形式的公式將所述新的控制器增益信號(hào)表示為所述一組模型參數(shù)中的至少一個(gè)模型參數(shù)的函數(shù)；并且
將所述新的控制器增益信號(hào)提供給所述過(guò)程控制器，以用作在所述過(guò)程控制器的后續(xù)操作期間控制所述加工廠的一部分的控制器增益信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中確定所述一組模型參數(shù)包括根據(jù)所采集的過(guò)程數(shù)據(jù)確定過(guò)程死區(qū)時(shí)間和過(guò)程時(shí)間常數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)所述一組模型參數(shù)確定預(yù)測(cè)時(shí)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)所述一組模型參數(shù)確定控制器執(zhí)行速率，并且其中將所述新的控制器增益信號(hào)提供給所述過(guò)程控制器包括將所述控制器執(zhí)行速率提供給所述過(guò)程控制器，以設(shè)置所述過(guò)程控制器在所述過(guò)程控制器的后續(xù)操作期間的執(zhí)行速率。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)所述一組模型參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)、控制器執(zhí)行時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)域來(lái)確定階躍響應(yīng)模型。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)所述一組模型參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)、控制器執(zhí)行時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)域來(lái)確定階躍響應(yīng)模型，所述階躍響應(yīng)模型包括對(duì)一組響應(yīng)時(shí)間中各響應(yīng)時(shí)間定義一組增益的增益向量，并且其中使用所述封閉形式的公式來(lái)計(jì)算新的控制器增益信號(hào)包括使用作為所述階躍響應(yīng)模型的所述一組增益和移動(dòng)補(bǔ)償?shù)暮瘮?shù)的封閉形式的公式。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述封閉形式的公式具有基于與兩個(gè)控制器掃描周期相等的控制時(shí)域的形式。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述封閉形式的公式具有基于與一個(gè)控制器掃描周期相等的控制時(shí)域的形式。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述封閉形式的公式具有基于比所述過(guò)程控制器所使用的預(yù)測(cè)時(shí)域短至少十倍的控制時(shí)域的形式。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算作為所述一組模型參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)的函數(shù)的所述移動(dòng)補(bǔ)償。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述一組模型參數(shù)包括過(guò)程死區(qū)時(shí)間參數(shù)和過(guò)程增益參數(shù)，并且其中計(jì)算所述移動(dòng)補(bǔ)償包括計(jì)算作為所述過(guò)程死區(qū)時(shí)間參數(shù)和所述過(guò)程增益參數(shù)的函數(shù)的所述移動(dòng)補(bǔ)償。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)所述新的過(guò)程模型開發(fā)新的預(yù)測(cè)模型，并且將所述新的預(yù)測(cè)模型提供給所述過(guò)程控制器，以在所述過(guò)程控制器的所述預(yù)測(cè)單元中用作在所述過(guò)程控制器的后續(xù)操作期間的預(yù)測(cè)模型。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)所述過(guò)程模型確定達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，并且基于所述達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間確定所述控制器的預(yù)測(cè)時(shí)域和執(zhí)行速率的組合。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述新的控制器增益信號(hào)包括增益向量。
30.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述新的控制器增益信號(hào)包括標(biāo)量值。
31.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述新的增益器控制信號(hào)包括多維矩陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及過(guò)程控制系統(tǒng)中的在線自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制。創(chuàng)建和使用自適應(yīng)DMC型或其它MPC控制器的方法包括在過(guò)程操作期間，利用模型交換技術(shù)定期確定用于在線過(guò)程回路的過(guò)程模型，例如參數(shù)化過(guò)程模型。當(dāng)MPC控制器在線操作時(shí)，該方法基于新的控制模型，利用過(guò)程模型產(chǎn)生MPC控制模型，創(chuàng)建MPC控制器算法并將其下載至MPC控制器。此技術(shù)通常適用于單回路MPC控制器，尤其適于控制時(shí)域?yàn)?或2的MPC控制器，使得MPC控制器在過(guò)程的正常操作期間可調(diào)整，以改變MPC控制器所基于的過(guò)程模型，從而解決過(guò)程變化的問(wèn)題。自適應(yīng)MPC控制器不需要大量計(jì)算上的開銷，因此在過(guò)程控制系統(tǒng)的分布式控制器中易實(shí)現(xiàn)，并提供與PID控制器一樣或某些情況下比PID控制器更好的控制。
文檔編號(hào)G05B13/04GK101807048SQ20101017403
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者德克·西勒, 威廉·K·沃瓊斯尼斯 申請(qǐng)人:費(fèi)舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司