快速過(guò)程模型識(shí)別和生成的制作方法
【專利摘要】快速過(guò)程模型識(shí)別技術(shù)在相對(duì)短的時(shí)間段中通過(guò)根據(jù)過(guò)程輸出對(duì)于過(guò)程輸入的變化的最初響應(yīng)得出積分增益和過(guò)程死區(qū)時(shí)間的估計(jì)，來(lái)識(shí)別在所述過(guò)程輸入與所述過(guò)程輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。隨后，使用所述積分增益和死區(qū)時(shí)間值為多個(gè)不同類型的過(guò)程中的任一個(gè)生成完整的過(guò)程模型。所述過(guò)程模型能夠用于非常迅速地施行過(guò)程仿真或能夠用于控制目的，以便能夠使得使用或依賴于在線的過(guò)程模型的過(guò)程控制系統(tǒng)比先前更加迅速。此外，所述快速建模技術(shù)能夠在控制過(guò)程回路的控制器完成對(duì)于即使單個(gè)過(guò)程干擾或設(shè)定點(diǎn)的變化的響應(yīng)之前，用于得出所述過(guò)程回路的仿真模型，從而使得該技術(shù)在施行慢過(guò)程的控制方面非常有用。
【專利說(shuō)明】
快速過(guò)程模型識(shí)別和生成
[0001 ]本申請(qǐng)為分案申請(qǐng)，其原申請(qǐng)的申請(qǐng)日是2 0 1 1年3月2日，申請(qǐng)?zhí)枮?201110051830.3，發(fā)明名稱為"快速過(guò)程模型識(shí)別和生成"。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明大體上涉及過(guò)程控制系統(tǒng)，更具體地，涉及用于迅速識(shí)別和生成過(guò)程模型 的方法，以用于在諸如工業(yè)過(guò)程工廠的過(guò)程控制系統(tǒng)中的控制和仿真活動(dòng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 諸如分布式的或可擴(kuò)展的過(guò)程控制系統(tǒng)，例如在化工、石油或其他過(guò)程中使用的 過(guò)程控制系統(tǒng)，通常包括一個(gè)或多個(gè)過(guò)程控制器，這些控制器通過(guò)模擬的、數(shù)字的或組合的 模擬/數(shù)字總線通信地耦合到彼此、到至少一個(gè)主機(jī)或操作者工作站、到一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備。這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它們可以是，例如，閥，閥定位器，開(kāi)關(guān)和變送器(例如，溫度、壓力和流速 傳感器），在過(guò)程內(nèi)施行諸如打開(kāi)和關(guān)閉閥和測(cè)量過(guò)程參數(shù)的功能。過(guò)程控制器接收表示由 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所做的過(guò)程測(cè)量的信號(hào)和/或關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的其他信息，并且使用這些信息實(shí)現(xiàn) 控制例程，控制例程隨后產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)通過(guò)總線被發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以控制過(guò) 程的操作。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器的信息通常能夠被由操作者工作站執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)應(yīng) 用使用，以使操作者能夠施行關(guān)于此過(guò)程的任何期望的功能，例如查看此過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)， 更改此過(guò)程的操作等。
[0004] -些過(guò)程控制系統(tǒng)，例如由艾默生過(guò)程管理出售的DeltaV?系統(tǒng)，使用被稱為模 塊的功能塊或功能塊組，其位于控制器中或不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中來(lái)施行控制操作。在這些情 況下，控制器或其他設(shè)備能夠包括和執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)功能塊或模塊，其中的每一個(gè)都接收 來(lái)自其他功能塊(在同一個(gè)設(shè)備中或在不同的設(shè)備中）的輸入和/或提供到其他功能塊的輸 出，并施行一些過(guò)程操作，諸如測(cè)量或檢測(cè)過(guò)程參數(shù)、控制設(shè)備或執(zhí)行控制操作，諸如實(shí)現(xiàn) 比例微分積分(PID)控制例程。過(guò)程控制系統(tǒng)中的不同的功能塊和模塊通常被配置為彼此 相互通信(例如，通過(guò)總線）以形成一個(gè)或多個(gè)過(guò)程控制回路。
[0005] 過(guò)程控制器通常被編程以用于針對(duì)為過(guò)程限定的或者包含在過(guò)程中的例如流控 制回路、溫度控制回路、壓力控制回路等的多個(gè)不同回路中的每一個(gè)執(zhí)行不同的算法、子例 程或者控制回路。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)這樣的控制回路包括一個(gè)或多個(gè)輸入塊，例如模擬輸入 (AI)功能塊，包括單輸出控制塊，例如比例微分積分(PID)或模糊邏輯控制功能塊并包括輸 出塊，例如模擬輸出(A0)功能塊。
[0006] 控制例程，和實(shí)現(xiàn)這些例程的功能塊，已經(jīng)根據(jù)很多控制技術(shù)配置，控制技術(shù)包括 PID控制、模糊邏輯控制和例如史密斯預(yù)估器或模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的基于模型的技術(shù)。在 基于模型的控制技術(shù)中，在例程中使用的用于確定閉環(huán)控制響應(yīng)的參數(shù)是基于對(duì)于作為過(guò) 程的輸入的所控制的或所測(cè)量的擾動(dòng)的變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程響應(yīng)?？梢詫?duì)過(guò)程輸入的變化的 過(guò)程響應(yīng)的表示描述為過(guò)程模型。例如，一階參數(shù)化的過(guò)程模型可以指定過(guò)程的增益、死區(qū) 時(shí)間、以及主時(shí)間常數(shù)的值。
[0007] MPC，其是一種特別的基于模型的控制技術(shù)，包括使用多個(gè)被設(shè)計(jì)為獲取在過(guò)程輸 入和輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系的步驟或脈沖響應(yīng)模型。通過(guò)MPC技術(shù)，過(guò)程模型直接用于生成控 制器。當(dāng)MPC控制器與在過(guò)程死區(qū)時(shí)間、過(guò)程延遲等中經(jīng)歷了大的變化的過(guò)程結(jié)合使用時(shí)， 則必須使用模型來(lái)自動(dòng)地再生成該MPC控制器以匹配當(dāng)前過(guò)程條件。在這個(gè)情況下，在多個(gè) 操作條件中的每個(gè)條件下相應(yīng)地識(shí)別過(guò)程模型。然而，多個(gè)過(guò)程模型的引入以及需要自動(dòng) 生成控制器的來(lái)匹配當(dāng)前過(guò)程條件非期望地增加了過(guò)程控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0008] 使用自適應(yīng)控制技術(shù)已經(jīng)將過(guò)程模型用于設(shè)定PID和其他控制方案的整定參數(shù)， 其中通常過(guò)程模型和用戶選擇的整定規(guī)則中的變化導(dǎo)致要更新PID(或其他)控制器的整 定。例如，美國(guó)專利第7113834號(hào)，名為"State Based Adaptive Feedback Feedforward PID Controller"和美國(guó)專利第6577908號(hào)，名為"Adaptive Feedback/Feedforward PID Controller"，公開(kāi)了用于施行自適應(yīng)控制的過(guò)程模型的使用。
[0009] 盡管希望改善控制性能，但是基于模型的控制和自適應(yīng)控制技術(shù)的使用在過(guò)程工 業(yè)領(lǐng)域中是局限的，因?yàn)樵趯?shí)際中該些技術(shù)時(shí)常很難實(shí)現(xiàn)。作為實(shí)際問(wèn)題，模型識(shí)別通常是 專為MPC控制或自適應(yīng)控制而設(shè)計(jì)的特別的功能塊的一部分。不幸的是，確定哪些過(guò)程控制 回路將得益于自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)常常是困難的，即，應(yīng)該為自適應(yīng)性能選擇哪些回路。一個(gè) 原因涉及到在典型的工廠中受監(jiān)控的眾多的（例如，成百個(gè))控制回路和儀器(例如，上千 個(gè)）。不論工廠的規(guī)模和復(fù)雜性，常規(guī)的過(guò)程控制系統(tǒng)通常不支持為工廠中的所有的控制回 路創(chuàng)建過(guò)程模型。更嚴(yán)重的是，需要相當(dāng)數(shù)量的測(cè)試來(lái)為每個(gè)待確定模型的控制回路識(shí)別 新的過(guò)程模型。例如，該測(cè)試可能需要應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)過(guò)程的擾亂，其與在線過(guò)程的操作不 兼容。
[0010] 如上所述，研發(fā)用于控制系統(tǒng)的過(guò)程模型能夠是涉及手動(dòng)的過(guò)程，并且即使過(guò)程 是自動(dòng)的，可能花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)施行。通常，改變過(guò)程干擾或控制信號(hào)，并且監(jiān)控被控制 的過(guò)程變量的響應(yīng)，來(lái)為過(guò)程回路確定過(guò)程響應(yīng)時(shí)間、過(guò)程增益、過(guò)程死區(qū)時(shí)間等，以便得 到控制回路的過(guò)程模型。該技術(shù)可以用于迅速地和容易地確定快速過(guò)程或快速過(guò)程回路的 動(dòng)態(tài)特性，諸如流體和液體壓強(qiáng)控制回路，因?yàn)閷?duì)于這些回路過(guò)程變量到達(dá)靜息值所需要 的時(shí)間是以秒為單位發(fā)生的，因此可使用大量技術(shù)中的任一種來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的迅速 識(shí)別。然而，對(duì)于慢過(guò)程或過(guò)程回路，諸如容器液位或柱罐液位、溫度、pH、以及成分控制回 路，有關(guān)的過(guò)程變量可能需要幾分鐘、幾小時(shí)、以及甚至幾天才能到達(dá)設(shè)定點(diǎn)或最終的靜息 值。此外，擾動(dòng)常常發(fā)生在測(cè)試完成之前，從而需要進(jìn)一步的測(cè)試。因此，目前用于這些過(guò)程 的模型識(shí)別工具通常需要多個(gè)測(cè)試，甚至對(duì)于相對(duì)的安靜的過(guò)程(quiet process)也是如 此。因此，需要幾天至幾周來(lái)為慢過(guò)程回路識(shí)別完整的或準(zhǔn)確的一套模型。
[0011] 同樣地，對(duì)于連續(xù)過(guò)程，設(shè)定點(diǎn)可相對(duì)不頻繁地改變，并且通常在正常情況下僅在 過(guò)程啟動(dòng)期間、或在速率改變或牌號(hào)切換期間進(jìn)行改變。此外，對(duì)于批處理過(guò)程，通常在諸 如溫度的批處理變量中僅有一個(gè)或兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)變化。作為結(jié)果，施行為這些回路的模型所 需要的多個(gè)測(cè)試是困難的。附加地，由于上述的原因，大多數(shù)現(xiàn)有的過(guò)程模型識(shí)別工具是與 模型預(yù)測(cè)控制和自適應(yīng)比例、積分、微分(PID)控制器或PID自動(dòng)整定器相關(guān)聯(lián)的，并且不普 遍與慢過(guò)程的控制回路一起使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 快速過(guò)程模型識(shí)別技術(shù)在諸如幾分鐘的相對(duì)短的時(shí)間段中，甚至為慢過(guò)程或過(guò)程 回路識(shí)別在任何過(guò)程輸入和過(guò)程輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。隨后，該模型識(shí)別技術(shù)能夠用于為 多個(gè)不同類型的過(guò)程生成過(guò)程模型，并且能夠用于控制目的，以便能夠比先前更加迅速地 獲得使用或依賴于在線的過(guò)程模型的過(guò)程控制系統(tǒng)。此外，該技術(shù)能夠被用于在控制過(guò)程 回路的控制器完成對(duì)于甚至單個(gè)過(guò)程干擾或設(shè)定點(diǎn)的變化的響應(yīng)之前，獲得過(guò)程回路的仿 真系統(tǒng)。該特征首先允許了所迅速生成的模型被用于響應(yīng)于被用于生成模型的過(guò)程干擾以 控制過(guò)程，例如，在過(guò)程的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間段結(jié)束之前或在過(guò)程控制器響應(yīng)于過(guò)程干擾(其可 能由過(guò)程中的控制變量的變化引起)控制過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前。在任何情況下，該過(guò)程模 型識(shí)別技術(shù)能夠用于迅速地確定初始過(guò)程模型，其能夠直接被用于施行過(guò)程控制和過(guò)程的 仿真，并且因?yàn)殡S時(shí)間推移，能夠獲得更多的關(guān)于過(guò)程回路的數(shù)據(jù)，所以該過(guò)程模型能夠被 更新、更改或完善。
[0013] 在一個(gè)情況下，用于生成過(guò)程的過(guò)程模型的方法包括:收集所述過(guò)程中的與過(guò)程 變量和控制變量相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)，并且根據(jù)所收集的在特定時(shí)間段內(nèi)生成的所述過(guò)程數(shù)據(jù) 確定與所述控制變量的變化之后的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率。在此，所述特定時(shí)間段 短于與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間，并且至少部分地在死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后，與所述 過(guò)程相關(guān)聯(lián)。隨后，該方法使用所述所確定的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的過(guò)程模型。該方法可 以還包括根據(jù)所述所收集的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間，并且可以 使用所述緩變率以及所述所估計(jì)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間來(lái)生成所述過(guò)程模型。該方法可以通過(guò)確 定在所述特定時(shí)間段上所述過(guò)程變量的變化來(lái)確定與所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，其 中，所述特定時(shí)間段的長(zhǎng)度與所述過(guò)程的所估計(jì)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間有關(guān)。所述特定時(shí)間段的 長(zhǎng)度可以，例如，等于所述所估計(jì)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間或可以是所述所估計(jì)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間的 倍數(shù)。
[0014] 在一些情況下，所述特定時(shí)間段(至少部分地)發(fā)生在時(shí)間幀內(nèi)，所述時(shí)間幀在所 述死區(qū)時(shí)間段結(jié)尾開(kāi)始，并且在所述死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后，延伸例如等于或短于所述過(guò)程 死區(qū)時(shí)間的十倍的時(shí)間長(zhǎng)度。更一般地，所述特定時(shí)間段在所述過(guò)程的所述過(guò)程死區(qū)時(shí)間 段結(jié)束之后（在控制變量的變化之后）稍后或立即開(kāi)始。在一些情況下，所述特定時(shí)間段可 能處于在所述過(guò)程死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后、延伸過(guò)程的一個(gè)或多個(gè)死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度的時(shí)間段 中，可能處于過(guò)程的前一半過(guò)程響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，或?qū)τ谒绤^(qū)時(shí)間占主導(dǎo)的過(guò)程，可能處于超過(guò) 該前一半過(guò)程響應(yīng)時(shí)間的時(shí)間段內(nèi)。然而，所述特定時(shí)間段總是短于與所述控制變量的變 化相關(guān)聯(lián)的過(guò)程的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間。
[0015] 生成所述過(guò)程的過(guò)程模型可以包括通過(guò)確定所述所確定的緩變率與所述控制變 量的變化之間的比率，來(lái)由所述所確定的緩變率確定所述過(guò)程的積分增益。此外，該方法可 以使用為所述過(guò)程確定的所述積分增益來(lái)確定所述過(guò)程的其他過(guò)程模型參數(shù)，以及可以在 所述過(guò)程響應(yīng)時(shí)間結(jié)束之前，使用所述過(guò)程模型參數(shù)來(lái)仿真所述過(guò)程的操作。該方法可以 還或替代地在所述過(guò)程響應(yīng)時(shí)間結(jié)束之前，使用所述過(guò)程模型參數(shù)來(lái)確定用于控制所述過(guò) 程的控制參數(shù)，以及可以使用所述控制參數(shù)來(lái)控制所述過(guò)程。
[0016] 更進(jìn)一步地，該方法可以通過(guò)確定在相同長(zhǎng)度的不同的時(shí)間段上(諸如，等于所述 所估計(jì)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度的時(shí)間）的過(guò)程變量緩變率的多重值來(lái)確定與所述控制變量 的變化之后的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，以及可以將所述緩變率確定為所述過(guò)程變量 緩變率的所述多重值的統(tǒng)計(jì)度量。例如，該方法可以將所述緩變率確定為所述過(guò)程變量緩 變率的所述多重值的最大值、平均值、中間值等。
[0017] 在另一個(gè)情況下，用于仿真過(guò)程的操作的方法包括收集所述過(guò)程中的與過(guò)程變量 和控制變量相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)，根據(jù)所述所收集的過(guò)程數(shù)據(jù)確定與所述控制變量的變化之后 的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，以及使用所述所確定的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的過(guò)程模 型。隨后，該方法在所述過(guò)程響應(yīng)于所述控制變量的所述變化而受控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前， 使用所述過(guò)程模型來(lái)仿真所述過(guò)程的操作。該方法還可以包括在所述過(guò)程響應(yīng)于所述控制 變量的所述變化而受控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，使用所述仿真來(lái)確定控制所述過(guò)程的過(guò)程控 制器的新的一組控制參數(shù)。更進(jìn)一步地，該方法可以在所述過(guò)程響應(yīng)于所述控制變量的所 述變化而受控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，向控制所述過(guò)程的所述過(guò)程控制器提供所述新的一組 控制參數(shù)，以及可以響應(yīng)于所述控制變量的所述變化而在所述過(guò)程控制器中使用所述新的 一套控制參數(shù)來(lái)控制所述過(guò)程以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0018] 該方法還可以包括根據(jù)所述所收集的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的所述 過(guò)程死區(qū)時(shí)間，以及可以使用所述所確定的過(guò)程死區(qū)時(shí)間和所述所確定的緩變率來(lái)生成所 述過(guò)程模型。
[0019] 在另一個(gè)情況下，用于使用一組控制參數(shù)來(lái)控制由過(guò)程控制器控制的過(guò)程的方 法，所述方法包括:收集所述過(guò)程中的與過(guò)程變量和控制變量相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)，根據(jù)所述所 收集的過(guò)程數(shù)據(jù)、在所述過(guò)程響應(yīng)于所述控制變量的所述變化而受控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之 前、確定與所述控制變量的變化之后的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，以及使用所述所確 定的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的過(guò)程模型。該方法可以在所述過(guò)程響應(yīng)于所述控制變量的所 述變化而受控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，使用所述過(guò)程模型來(lái)確定所述過(guò)程控制器的新的一組 控制參數(shù)，以及在所述過(guò)程響應(yīng)于所述控制變量的所述變化而受控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前， 向所述過(guò)程控制器提供所述新的一組控制參數(shù)。
[0020] 在又一個(gè)情況下，過(guò)程模型生成系統(tǒng)包括:處理器、第一例程，其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可 讀介質(zhì)上，運(yùn)行在所述處理器上，用以收集在線過(guò)程中的與過(guò)程變量和控制變量相關(guān)的過(guò) 程數(shù)據(jù)，還包括第二例程，其存儲(chǔ)在所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，運(yùn)行在所述處理器上，用以確 定在一時(shí)間段期間的、與所述控制變量的變化之后的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，所述 時(shí)間段短于與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間，以及還包括第三例程，其存儲(chǔ)在所述計(jì)算 機(jī)可讀介質(zhì)上，使用所述所確定的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的過(guò)程模型。第四例程，其存儲(chǔ)在 所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，可以運(yùn)行在所述處理器上，用以根據(jù)所述所收集的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)估 計(jì)與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間，并且所述第二例程可以使用所述所估計(jì)的過(guò)程死區(qū) 時(shí)間來(lái)確定所述緩變率。另外，所述第三例程可以通過(guò)根據(jù)所述所確定的緩變率確定所述 過(guò)程的積分增益，來(lái)使用所述所確定的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的所述過(guò)程模型。如果需要， 所述第二例程可以通過(guò)確定在相同長(zhǎng)度的不同的時(shí)間段上的過(guò)程變量緩變率的多重值來(lái) 確定與所述控制變量的變化之后的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，以及可以將所述緩變率 確定為所述過(guò)程變量緩變率的所述多重值的統(tǒng)計(jì)度量。
[0021 ]更進(jìn)一步地，用于與過(guò)程一起使用的過(guò)程建模系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)收集單元，其收集所 述過(guò)程中的與過(guò)程變量和控制變量相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)，所述建模系統(tǒng)還包括死區(qū)時(shí)間單元， 其根據(jù)所述所收集的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)確定與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的死區(qū)時(shí)間，以及緩變單元，其根 據(jù)所收集的在與所述所確定的死區(qū)時(shí)間相關(guān)的特定時(shí)間段內(nèi)生成的所述過(guò)程數(shù)據(jù)確定與 所述控制變量的變化之后的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，其中，所述特定時(shí)間段短于與 所述過(guò)程相關(guān)聯(lián)的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間。此外，該過(guò)程建模系統(tǒng)包括建模單元，其使用所述所確定 的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的過(guò)程模型。如果需要，所述特定時(shí)間段可以等于所述所確定的 死區(qū)時(shí)間或可以是所述所確定的死區(qū)時(shí)間的倍數(shù)。
[0022] 在此，所述緩變單元可以包括延遲塊，其通過(guò)所述特定時(shí)間來(lái)延遲所述所收集的 過(guò)程變量，所述緩變單元還包括加法器，其確定差值信號(hào)，所述差值信號(hào)指出當(dāng)前過(guò)程變量 值與通過(guò)所述延遲單元延遲的過(guò)程變量值之間的差值，所述緩變單元還包括除法器單元， 其將所述差值信號(hào)除以所述特定時(shí)間來(lái)產(chǎn)生過(guò)程變量緩變率。所述緩變單元還可以確定在 所述控制變量的變化之后的、一系列的過(guò)程變量緩變率，以及可以包括統(tǒng)計(jì)塊，其確定所述 一系列的過(guò)程變量緩變率的統(tǒng)計(jì)度量來(lái)產(chǎn)生所述過(guò)程變量緩變率。所述統(tǒng)計(jì)塊可以例如將 所述一系列的過(guò)程變量緩變率的最大值確定為所述過(guò)程變量緩變率。
[0023] 所述過(guò)程建模系統(tǒng)可以還包括整定單元，其根據(jù)所述過(guò)程模型來(lái)確定一個(gè)或多個(gè) 參數(shù)，以用于控制所述過(guò)程，以及可以包括控制器，其控制所述過(guò)程，以便所述整定單元在 所述控制器響應(yīng)于所述控制變量的所述變化而控制所述過(guò)程以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，向所述 控制器提供所述控制參數(shù)。所述過(guò)程建模系統(tǒng)可以還包括或替代地包括仿真單元，其在過(guò) 程響應(yīng)時(shí)間結(jié)束之前，使用所述過(guò)程模型參數(shù)來(lái)仿真所述過(guò)程的操作。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 為了更完整地理解本發(fā)明，應(yīng)該參考以下詳細(xì)的說(shuō)明以及所附的附圖，其中，類似 的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)了附圖中類似的元件，并且其中：
[0025] 圖1是過(guò)程控制系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括配置有一個(gè)或多個(gè)控制例程的控制器， 以及包括通信地耦合到仿真系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)快速過(guò)程模型識(shí)別和生成模塊；
[0026] 圖2示出在積分過(guò)程中過(guò)程變量對(duì)于控制變量的變化的典型的響應(yīng)；
[0027] 圖3示出在自調(diào)節(jié)過(guò)程中過(guò)程變量對(duì)于控制變量的變化的典型的響應(yīng)；
[0028] 圖4示出在失控過(guò)程中過(guò)程變量對(duì)于控制變量的變化的典型的響應(yīng)；
[0029] 圖5是圖1的快速過(guò)程模型識(shí)別和生成模塊中的一個(gè)的功能框圖；以及
[0030] 圖6是仿真系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)可以用于使用由圖1或圖5的快速過(guò)程模型識(shí)別 和生成模塊中的一個(gè)創(chuàng)建的過(guò)程模塊來(lái)仿真過(guò)程回路或過(guò)程的操作。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 先參考圖1，過(guò)程控制系統(tǒng)10包括過(guò)程控制器11，該過(guò)程控制器11連接到數(shù)據(jù)歷史 記錄12和一個(gè)或多個(gè)具有顯示屏14的主工作站或計(jì)算機(jī)13(其可以是任何類型的個(gè)人計(jì)算 機(jī)、工作站等）。控制器11也經(jīng)由輸入/輸出（I/O)卡26和28連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22。數(shù)據(jù)歷史 記錄12可以是任何期望類型的具有用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任何期望類型的存儲(chǔ)器和任何期望的 或已知的軟件、硬件或固件的數(shù)據(jù)收集單元。數(shù)據(jù)歷史記錄12可以從工作站13分離(如圖3 所示)或可以是工作站13中的一個(gè)的一部分?？刂破?1，其可以是，例如，例如由艾默生過(guò)程 管理出售的DeltaV⑩控制器，控制器11經(jīng)由例如，以太網(wǎng)連接或任何其他期望的通信網(wǎng)絡(luò) 23通信地連接到主計(jì)算機(jī)13和數(shù)據(jù)歷史記錄12。控制器11還使用任何期望的與例如標(biāo)準(zhǔn)的 4-20毫安設(shè)備相關(guān)聯(lián)的硬件和軟件和/或諸如FOIIDATIONSQft場(chǎng)總線協(xié)議、HART? 協(xié)議、WirelessI-IART?協(xié)議等的任何智能通信協(xié)議來(lái)通信地連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22。
[0032] 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22可以是任何類型的設(shè)備，諸如傳感器、閥、變送器、定位器等，而I/O 卡26和28可以是任何類型的符合任何期望的通信或控制器協(xié)議的I/O設(shè)備。在圖1所示的實(shí) 施例中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-18是通過(guò)至I/O卡26的模擬線路或模擬數(shù)字混合線路通信的HART設(shè)備 或標(biāo)準(zhǔn)的4-20毫安設(shè)備，而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備19-22是智能設(shè)備，諸如現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其使用現(xiàn) 場(chǎng)總線協(xié)議通信線在通過(guò)至I/O卡28的數(shù)字總線通信。當(dāng)然，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22可以符合任何 其他所期望的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，包括任何在將來(lái)所研發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。
[0033]控制器11包括處理器30,其實(shí)現(xiàn)或監(jiān)管一個(gè)或多個(gè)過(guò)程控制例程(存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器 32中的），處理器30可以包括控制回路，并且與設(shè)備15-22、主計(jì)算機(jī)13和數(shù)據(jù)歷史記錄12通 信來(lái)以任何期望的方式控制過(guò)程。應(yīng)注意，如果需要，任何在此處描述的控制例程或模塊可 以部分地由不同的控制器或其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行。同樣地，在此處描述的將在過(guò)程控制系 統(tǒng)10內(nèi)實(shí)現(xiàn)的控制例程或模塊可以采用任何形式，包括軟件、固件、硬件等。當(dāng)然，過(guò)程控制 模塊可以是過(guò)程控制系統(tǒng)的任何部分，包括，例如，例程、塊或任何其中的元件、或任何其他 存儲(chǔ)在任何計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的將在處理器上執(zhí)行的軟件?？刂评?，其可以是模塊，或是 控制程序的任何部分，諸如子例程、子例程的部分(諸如代碼行），等，可以以任何期望的軟 件形式實(shí)現(xiàn)，諸如使用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、使用梯形邏輯、順序功能圖、功能塊圖、或使用 任何其他軟件編程語(yǔ)言或設(shè)計(jì)模式。同樣地，控制例程可以是硬編碼地實(shí)現(xiàn)在例如，一個(gè)或 多個(gè)EPROM，EEPR0M，專用集成電路(AS IC )、或任何其他硬件或固件元件中。因此，控制器11 可以配置為以任何期望的方式實(shí)現(xiàn)控制策略或控制例程。
[0034]在一些實(shí)施例中，控制器11使用通常稱為功能塊的東西來(lái)實(shí)現(xiàn)控制策略，其中，每 個(gè)功能塊是一個(gè)對(duì)象或整個(gè)控制例程的其他部分(例如，子例程），并且結(jié)合其他功能塊(經(jīng) 由被稱為鏈路的通信線)實(shí)現(xiàn)在過(guò)程控制系統(tǒng)10內(nèi)的過(guò)程控制回路。功能塊通常施行與諸 如變送器、傳感器或其他過(guò)程參數(shù)測(cè)量設(shè)備相關(guān)聯(lián)的輸入功能、與諸如施行PID、模糊邏輯 等控制相關(guān)聯(lián)的控制功能、或控制一些諸如閥的設(shè)備的操作的輸出功能中的一個(gè)，以施行 在過(guò)程控制系統(tǒng)10內(nèi)的物理功能。當(dāng)然，存在混合功能塊和其他類型的功能塊。這些功能塊 當(dāng)被用于標(biāo)準(zhǔn)的4-20毫安設(shè)備和一些類型的諸如HART設(shè)備的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，或與其相關(guān)聯(lián) 時(shí)，可以被儲(chǔ)存在控制器11中并且由其執(zhí)行;或在使用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備時(shí)，這些功能塊可以存 儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中并且由其本身實(shí)現(xiàn)。雖然在此使用功能塊控制策略來(lái)提供控制系統(tǒng)10的描 述，但是還可以使用其他常規(guī)，諸如梯形邏輯、順序功能圖等或使用任何其他期望的編程語(yǔ) 言或模式來(lái)實(shí)現(xiàn)或設(shè)計(jì)本發(fā)明的技術(shù)和系統(tǒng)。
[0035]由圖1的分解框圖40所示，控制器11可以包括多個(gè)單回路控制例程，如例程42和44 所示，并且，如果需要，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)高級(jí)控制回路，諸如多/輸入-多/輸出控制例 程，如控制回路46所示。每個(gè)這樣的回路通常被稱為控制模塊。單回路控制例程42和44被示 出為分別使用單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊來(lái)施行單回路控 制。單回路控制例程42和44連接到合適的模擬輸入(AI)和模擬輸出（A0)功能塊，其可以與 諸如閥的過(guò)程控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)、與諸如溫度和壓強(qiáng)變送器的測(cè)量設(shè)備相關(guān)聯(lián)、或與過(guò)程控 制系統(tǒng)10內(nèi)的任何其他的設(shè)備相關(guān)聯(lián)。盡管先進(jìn)控制塊48的輸入和輸出可以連接到任何其 他期望的功能塊或控制元件來(lái)接收其他類型的輸入并且來(lái)提供其他類型的控制輸出，先進(jìn) 控制回路46被示出為包括通信地連接到一個(gè)或多個(gè)AI功能塊的輸入和通信地連接到一個(gè) 或多個(gè)A0功能塊的輸出。先進(jìn)控制塊48可以是任何類型的模型預(yù)測(cè)控制(MPC)塊，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 建模或控制塊、多變量的模糊邏輯控制塊、實(shí)時(shí)優(yōu)化塊等，或可以是自適應(yīng)地整定的控制塊 等。應(yīng)該可以理解，圖1中所示的功能塊，包括先進(jìn)控制塊48,能夠由控制器11執(zhí)行或，替代 地，能夠位于諸如工作站13中的一個(gè)甚至或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備19-22中的一個(gè)的任何其他處理設(shè)備 并且由其執(zhí)行。
[0036]此外，如圖1所示，一個(gè)或多個(gè)過(guò)程模型識(shí)別例程50可以存儲(chǔ)在過(guò)程控制系統(tǒng)10的 一個(gè)或多個(gè)設(shè)備中。雖然模型識(shí)別例程50被示出為被存儲(chǔ)在控制器11和工作站13中，但是 例程50可以被存儲(chǔ)在其他替代的或附加的設(shè)備中，并且在其中執(zhí)行，該些設(shè)備包括，例如， 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備15-22中的任一個(gè)。每個(gè)模型識(shí)別例程50通信地耦合到諸如控制例程42、44、46的 一個(gè)或多個(gè)控制例程來(lái)接收一個(gè)或多個(gè)控制變量(例如，控制器輸出）和一個(gè)或多個(gè)所測(cè)量 的過(guò)程變量。每個(gè)模型識(shí)別例程50負(fù)責(zé)基于過(guò)程干擾或控制器信號(hào)(包括設(shè)定點(diǎn)的變化)和 一個(gè)或多個(gè)所測(cè)量的過(guò)程變量為一個(gè)或多個(gè)過(guò)程回路或過(guò)程快速地識(shí)別過(guò)程模型。雖然任 何特定的模型識(shí)別例程50可以為特定相關(guān)的一組控制變量(例如，控制器輸出或設(shè)定點(diǎn)）和 由控制器輸出控制的過(guò)程變量確定過(guò)程模型，但是模型識(shí)別例程50可以確定任何期望的一 組控制變量和過(guò)程變量之間的關(guān)系或可以確定與任何期望的一組控制變量和過(guò)程變量相 關(guān)聯(lián)的過(guò)程模型，并且不限于為與特定的控制回路相關(guān)聯(lián)的一組控制變量和過(guò)程變量確定 過(guò)程模型。
[0037] 如圖1所示，仿真系統(tǒng)52被存儲(chǔ)在工作站13中的一個(gè)并且可以由其執(zhí)行。仿真系統(tǒng) 52通信地耦合到一個(gè)或多個(gè)模型識(shí)別例程50并且使用由模型識(shí)別例程50得到的一個(gè)或多 個(gè)過(guò)程模型來(lái)施行仿真。在該情況下，當(dāng)在得到過(guò)程模型時(shí)，仿真系統(tǒng)52可以通信地耦合到 任何或所有的模型識(shí)別例程50來(lái)接收來(lái)自例程50的過(guò)程模型。用戶可以使用仿真系統(tǒng)52來(lái) 施行過(guò)程仿真，由此基于所識(shí)別的過(guò)程模型來(lái)仿真過(guò)程的將來(lái)的操作。通過(guò)下述的討論可 以理解，因?yàn)槟Ｐ妥R(shí)別例程50能夠基于來(lái)自操作過(guò)程的反饋，快速地確定過(guò)程模型或過(guò)程 關(guān)系，仿真系統(tǒng)52可以工作和運(yùn)行，并且能夠在控制器11真正實(shí)現(xiàn)完整的控制響應(yīng)（即，控 制器11響應(yīng)于過(guò)程干擾或過(guò)程變量設(shè)定點(diǎn)的變化而控制過(guò)程變量)之前，仿真由控制器11 控制的過(guò)程或過(guò)程回路。該特征使得仿真系統(tǒng)52在過(guò)程控制系統(tǒng)10建立好之后，或在過(guò)程 控制系統(tǒng)10的變化之后迅速地有用，并且使得仿真系統(tǒng)52在整定過(guò)程控制回路中有用，而 控制器11仍然響應(yīng)于特定的過(guò)程干擾、擾動(dòng)、或設(shè)定點(diǎn)的變化而控制過(guò)程。
[0038] 結(jié)合圖2-6描述了模型識(shí)別例程50的操作，其實(shí)現(xiàn)快速地確定過(guò)程模型或在控制 變量(包括干擾變量)和過(guò)程變量之間的關(guān)系的方法。一般來(lái)說(shuō)，存在三種基本類型的由過(guò) 程的開(kāi)環(huán)控制響應(yīng)限定的過(guò)程，包括積分過(guò)程（integrating process)、自調(diào)節(jié)過(guò)程(selfregulating process) 和失控過(guò)程 (run-away process)。在積分過(guò)程中 ，過(guò)程變量響應(yīng)于控 制變量的階躍變化連續(xù)地在相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài)下緩變。在自調(diào)節(jié)過(guò)程中，過(guò)程變量響應(yīng)于控 制變量的階躍變化朝新的穩(wěn)態(tài)值緩變，當(dāng)其接近新的穩(wěn)態(tài)值時(shí)會(huì)減速，并且最終會(huì)在新的 穩(wěn)定的狀態(tài)值處呈平穩(wěn)狀態(tài)。自調(diào)節(jié)過(guò)程通常被描述為負(fù)反饋過(guò)程。在另一方面，在失控過(guò) 程中，過(guò)程變量響應(yīng)于控制變量的階躍變化，以加速的速率緩變直到過(guò)程變量碰到設(shè)置在 控制系統(tǒng)中的釋放(relief)或聯(lián)鎖，其以一些方式停止過(guò)程。失控過(guò)程通常被描述為正反 饋過(guò)程。
[0039] 圖2示出示例性積分過(guò)程的開(kāi)環(huán)控制響應(yīng)，其通常在層級(jí)過(guò)程和某個(gè)批處理過(guò)程 中。如圖2所示，響應(yīng)于控制器輸出（例如，控制變量）的階躍變化，過(guò)程變量PV的緩變率變 化，并且繼續(xù)以基本上穩(wěn)定的緩變率而不標(biāo)明穩(wěn)態(tài)值。通常，從控制變量MV的變化之前的時(shí) 間到控制變量MV的變化之后的可觀的時(shí)間段中的緩變率的變化用于根據(jù)開(kāi)環(huán)測(cè)試識(shí)別積 分增益(KJ。對(duì)于閉環(huán)控制，過(guò)程變量PV通常在測(cè)試之前和之后處于設(shè)定點(diǎn)上。在該情況 下，初始過(guò)程變量緩變率通常是零，并且在整個(gè)響應(yīng)期上的過(guò)程變量緩變率用于識(shí)別積分 增益I。在任何情況下，積分過(guò)程的積分增益Ki能夠被計(jì)算為在控制變量的變化之前和之 后的過(guò)程變量的緩變率的變化，并且能夠在數(shù)學(xué)上表示為：
[0040] Ki={[ APV2/AT2]-[ APVi/ATi]}/AMV [0041 ]式中：
[0042] Δ MV是控制變量的變化；
[0043] △ PV!是過(guò)程變量在時(shí)間段△ ^上的變化，該時(shí)間段剛好在由控制變量的明顯的變 化引起的過(guò)程變量的變化之前；以及
[0044] △ PV2是過(guò)程變量在時(shí)間段△ T2上的最大變化，該時(shí)間段在由控制變量的明顯的變 化引起的過(guò)程變量的變化之后。
[0045] 通常，使用過(guò)程變量PV和控制變量MV的變化來(lái)施行該計(jì)算，其中過(guò)程變量PV和控 制變量MV被表示為在這些變量的范圍中的百分比變化。
[0046] 以類似的方式，圖3示出自調(diào)節(jié)過(guò)程的開(kāi)環(huán)響應(yīng)。如圖3所示，在控制變量MV的變化 (發(fā)生在時(shí)間to)之后，過(guò)程變量PV在死區(qū)時(shí)間段θ Ρ?保持基本穩(wěn)定或不變（g卩，過(guò)程變量PV 不經(jīng)歷任何明顯的變化），并且因此仍處于噪聲頻帶中直到死區(qū)時(shí)間段9[)結(jié)束。此后，過(guò)程 變量PV隨時(shí)間向上緩變，在一定的時(shí)間段之后，過(guò)程變量PV在靜息點(diǎn)或新的穩(wěn)態(tài)值處達(dá)到 平穩(wěn)。在該情況下，可以由開(kāi)環(huán)增益K。和過(guò)程時(shí)間常數(shù)描述或建模該過(guò)程。開(kāi)環(huán)增益K。可 以計(jì)算為：
[0047] K〇= APV/AMV
[0048] 式中：
[0049] Λ MV是控制變量的變化；以及
[0050] APV是過(guò)程變量在to上的初始值和最終靜息值之間的過(guò)程變量的總的變化。
[0051]同樣，通常使用表示為變量范圍的百分比的過(guò)程變量的變化APV和控制變量的變 化AMV來(lái)施行該計(jì)算。在任何情況下，如圖3所示，主負(fù)反饋過(guò)程時(shí)間常數(shù)通常被計(jì)算為 0.63倍的過(guò)程變量PV值的總的變化(即，0.63 X Δ PV)。
[0052]圖4示出在高放熱反應(yīng)器溫度控制情形中最常見(jiàn)的失控過(guò)程的典型響應(yīng)。如圖4所 示，在失控過(guò)程中，響應(yīng)于控制變量MV的變化，過(guò)程變量PV仍處于噪聲頻帶中直到控制變量 MV的變化之后的某一時(shí)刻，這一時(shí)間被定義為過(guò)程死區(qū)時(shí)間θρ。此后，由于過(guò)程內(nèi)的正反 饋，過(guò)程變量PV以傾向于隨時(shí)間而增長(zhǎng)的緩變率變化。例如，在一些放熱過(guò)程中，反應(yīng)率的 增長(zhǎng)(其隨同溫度的增長(zhǎng)而發(fā)生）引起較高的放熱，其隨后進(jìn)一步地增長(zhǎng)溫度，導(dǎo)致更加高 的反應(yīng)率等。由于過(guò)程的正反饋，溫度響應(yīng)加速，最終到達(dá)"無(wú)返回"（no return)點(diǎn)，在"無(wú) 返回"點(diǎn)控制系統(tǒng)不能抑制反應(yīng)。在該些情況下，例如，正在測(cè)量的壓強(qiáng)能夠迅速地超出泄 放閥的設(shè)置或能夠破裂系統(tǒng)中的壓力閥內(nèi)的閥板(例如，在幾分鐘內(nèi)），導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)容最 終成為爆發(fā)系統(tǒng)。因此重要的是，溫度控制器在由正反饋引起的加速到達(dá)無(wú)返回點(diǎn)之前，對(duì) 初始緩變率作出反應(yīng)。通常能夠在控制期間使用控制器最高可能的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)該結(jié)果。
[0053] 在任何情況下，能夠以過(guò)程增益KP和主正反饋時(shí)間常數(shù)τΡ+建模失控過(guò)程。在此，過(guò) 程增益計(jì)算為：
[0054] ΚΡ= Δ %PV/A %C0
[0055] 式中：
[0056] Δ %PV是在一定時(shí)間段上過(guò)程變量的變化(百分比）；以及
[0057] Δ%〇)是控制器輸出（即，控制變量）的變化百分比。附加地，正反饋時(shí)間常數(shù)τΡ+通 常設(shè)置為過(guò)程變量PV到達(dá)1.72倍的△ %PV所需的時(shí)間。當(dāng)然，在失控過(guò)程中，由于過(guò)程的不 穩(wěn)定性質(zhì)，大多數(shù)特征測(cè)試在閉環(huán)控制情形中施行。
[0058]由圖2-4可見(jiàn)，一些非積分過(guò)程，諸如具有高過(guò)程增益的快速反應(yīng)過(guò)程和具有大主 時(shí)間常數(shù)的慢過(guò)程，可以表征為在緊接著死區(qū)時(shí)間段控制區(qū)域中具有積分或"近積分" (near integrating)響應(yīng)。特別地，如圖2所示，在控制變量MV的變化之后以及在死區(qū)時(shí)間 ΘΡ之后，積分過(guò)程的過(guò)程變量PV的緩變率立即變化，并且傾向于迅速地達(dá)到切線或相當(dāng)穩(wěn) 定的狀態(tài)緩變率。如圖3和4所示，該同樣的情況實(shí)際上在所示的自調(diào)節(jié)過(guò)程和失控過(guò)程中 都發(fā)生了，至少在緊接著死區(qū)時(shí)間段Θ Ρ結(jié)束的短時(shí)間段內(nèi)。根據(jù)圖3,應(yīng)注意，由于在圖3中 用于示出整個(gè)自調(diào)節(jié)過(guò)程的空間限制，示例性過(guò)程響應(yīng)并不與特別慢的過(guò)程相關(guān)聯(lián)。然而， 在過(guò)程工業(yè)中，大多數(shù)所感興趣的自調(diào)節(jié)過(guò)程具有時(shí)間常數(shù)，其超出圖3所示的時(shí)間常數(shù)不 止一個(gè)數(shù)量級(jí)。在該些情況下，如圖3所示，初始響應(yīng)到新的緩變率的彎曲度(bending)(由 于次時(shí)間常數(shù))不是很重要，而過(guò)程變量PV的緩變率更可代表至拐點(diǎn)的切線。
[0059] 雖然標(biāo)準(zhǔn)的積分過(guò)程是純批處理或?qū)蛹?jí)過(guò)程，但少于百分之十的典型的工業(yè)化學(xué) 過(guò)程是積分過(guò)程。此外，少于百分之一的典型的工業(yè)化學(xué)過(guò)程是失控過(guò)程，其幾乎專門地與 用于塑料和特殊化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程的高放熱反應(yīng)器相關(guān)聯(lián)。因此，超過(guò)百分之九十的工業(yè)化 學(xué)過(guò)程是自調(diào)節(jié)過(guò)程。然而，因?yàn)樯鲜鲈?，化學(xué)工業(yè)(或至少具有最大直接經(jīng)濟(jì)效益的工 業(yè)）中的許多連續(xù)的和分批補(bǔ)料過(guò)程表現(xiàn)為"近積分"過(guò)程和能夠以在此處描述的建模目的 而被視為"近積分"過(guò)程。特別地，如在此處所使用的，在過(guò)程死區(qū)時(shí)間段終止之后的至少兩 段死區(qū)時(shí)間上，"近積分"過(guò)程是最初如同積分過(guò)程一樣反應(yīng)的過(guò)程，在所述時(shí)間段中過(guò)程 變量?jī)A向于在過(guò)程死區(qū)時(shí)間段終止之后的短時(shí)間段內(nèi)響應(yīng)于控制變量的階躍變化以相當(dāng) 恒定的速率緩變。
[0060] 因?yàn)檫^(guò)程控制工業(yè)中的大多數(shù)所感興趣的過(guò)程是積分過(guò)程或能夠表征為近積分 過(guò)程，下述的快速識(shí)別過(guò)程的過(guò)程模型的方法能夠用于所有這些類型的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，在 此處描述的快速識(shí)別過(guò)程的過(guò)程模型的方法基于過(guò)程變量在緊接著控制變量的變化的短 時(shí)間段中對(duì)于控制變量的變化的響應(yīng)，來(lái)確定過(guò)程的過(guò)程死區(qū)時(shí)間9 [)和積分增益I。如上所 示，該技術(shù)能夠應(yīng)用于許多不同類型的過(guò)程或過(guò)程回路，包括積分過(guò)程回路和能夠被表征 為"近積分"過(guò)程回路的自調(diào)節(jié)或失控過(guò)程回路。
[0061] 特別地，能夠通過(guò)基于過(guò)程變量在緊接著過(guò)程死區(qū)時(shí)間段的終止的或在過(guò)程死區(qū) 時(shí)間段終止后不久的短時(shí)間段期間的響應(yīng)來(lái)估計(jì)或確定過(guò)程的積分增益，為過(guò)程得到相對(duì) 準(zhǔn)確的過(guò)程模型。事實(shí)上，對(duì)于積分和近積分過(guò)程，一旦過(guò)程的死區(qū)時(shí)間段終止，則過(guò)程變 量非常迅速地傾向于在整個(gè)過(guò)程響應(yīng)時(shí)間中，尤其是在開(kāi)環(huán)控制期間保持以相當(dāng)恒定的緩 變率變化。因此，該過(guò)程變量的緩變率能夠在過(guò)程響應(yīng)期中早期的點(diǎn)上測(cè)量，并且隨后所測(cè) 量的緩變率能夠用于確定過(guò)程的積分增益，其轉(zhuǎn)而能夠用于估計(jì)過(guò)程的其他特征參數(shù)(過(guò) 程模型參數(shù)），諸如過(guò)程增益和主時(shí)間常數(shù)，而無(wú)需等到完成過(guò)程的整個(gè)響應(yīng)期或等到過(guò)程 被控制以響應(yīng)于控制變量的變化而達(dá)到穩(wěn)狀。作為結(jié)果，基于過(guò)程變量在緊接著控制變量 的變化的相對(duì)短的時(shí)間段內(nèi)的響應(yīng)，甚至能夠?yàn)槁憫?yīng)過(guò)程，諸如需要幾分鐘、幾小時(shí)或甚 至幾天來(lái)達(dá)到其最終穩(wěn)定點(diǎn)的過(guò)程，快速地確定或識(shí)別過(guò)程模型。
[0062] 當(dāng)然，確定過(guò)程死區(qū)時(shí)間包括確定控制變量的變化被提供給過(guò)程的時(shí)間，控制變 量諸如設(shè)定點(diǎn)的變化或控制器的輸出，確定過(guò)程死區(qū)時(shí)間還包括測(cè)量所控制的過(guò)程變量 (或其他感興趣的過(guò)程變量)來(lái)識(shí)別過(guò)程變量響應(yīng)于控制變量的變化而開(kāi)始變化的時(shí)間。隨 后，過(guò)程死區(qū)時(shí)間被確定為在控制器輸出（控制變量)變化和過(guò)程變量的變化開(kāi)始之間的時(shí) 間。當(dāng)然，存在許多估計(jì)過(guò)程死區(qū)時(shí)間的方式，并且該些技術(shù)中的任何一種能夠用于確定過(guò) 程中的過(guò)程死區(qū)時(shí)間。
[0063] 為了確定或估計(jì)過(guò)程的積分增益I，該方法識(shí)別或測(cè)量在死區(qū)時(shí)間段θ##止之后 的短時(shí)間段內(nèi)的過(guò)程變量的緩變率，并且使用所識(shí)別的緩變率來(lái)確定過(guò)程變量在時(shí)間上的 變化與控制變量的變化的比率。在死區(qū)時(shí)間段9 [)終止之后的短時(shí)間段期間確定過(guò)程變量緩 變率，該短時(shí)間段通常可以在緊接著死區(qū)時(shí)間段的結(jié)束的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間的開(kāi)始部分內(nèi)，諸 如在過(guò)程響應(yīng)時(shí)間的中間點(diǎn)之前、在死區(qū)時(shí)間段之后的一個(gè)或多個(gè)死區(qū)時(shí)間之內(nèi)、在死區(qū) 時(shí)間段之后的十個(gè)死區(qū)時(shí)間之內(nèi)等。例如，該技術(shù)可以在過(guò)程死區(qū)時(shí)間段終止之后延伸所 識(shí)別的過(guò)程死區(qū)時(shí)間的二至六倍的時(shí)間段之內(nèi)確定過(guò)程變量的緩變率。然而，可以在死區(qū) 時(shí)間段的終止后立即的或緊接著死區(qū)時(shí)間段的終止的其他期望的時(shí)間段上，諸如在等于兩 倍或多倍的所識(shí)別的死區(qū)時(shí)間的時(shí)間段上，確定過(guò)程變量的緩變率。在一實(shí)施例中，在多個(gè) 緊接著死區(qū)時(shí)間段的終止的連續(xù)順序的時(shí)間段上(例如，六至十)可以多次測(cè)量過(guò)程變量的 緩變率。每個(gè)時(shí)間段可以是，例如，所識(shí)別的過(guò)程死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度。在該情況下，隨后，該方 法可以選擇這些所測(cè)量的緩變率中的最高或最陡（即，最大值)的緩變率作為所識(shí)別的過(guò)程 變量緩變率。在其他實(shí)施例中，所選擇的或所識(shí)別的過(guò)程變量緩變率可以是多個(gè)所測(cè)量的 緩變率的平均值、中值或其他統(tǒng)計(jì)度量。該些所測(cè)量的緩變率是在過(guò)程變量在過(guò)程死區(qū)時(shí) 間段結(jié)束之后立即或稍后的響應(yīng)期間的不同時(shí)刻確定的。更進(jìn)一步地，可以基于在接著死 區(qū)時(shí)間段的終止的任何期望的時(shí)間段，諸如等于兩個(gè)、三個(gè)、或多個(gè)死區(qū)時(shí)間的時(shí)間段，上 的數(shù)據(jù)，測(cè)量或確定單過(guò)程變量的緩變率。
[0064] 一旦確定，過(guò)程變量的緩變率被用于確定過(guò)程積分增益I。特別地，可以將過(guò)程積 分增益Ki確定為過(guò)程變量在時(shí)間上的緩變率的百分比變化（即，過(guò)程變量的緩變率被表示 為過(guò)程變量在時(shí)間上的百分比變化)與控制變量的變化(被表不為控制變量的百分比的變 化)的比率。該關(guān)系可以在數(shù)學(xué)上表示為：
[0065] Ki=( APV2/AT2-APVi/ATi)/AMV
[0066] 式中：
[0067] Λ !\和Δ T2是確定緩變率的時(shí)間間隔；
[0068] Δ PVjP Δ PV 2分別是在時(shí)間間隔Δ TdP Δ Τ 2期間所測(cè)量的過(guò)程變量的最大變化 (在過(guò)程變量范圍中的百分比）；以及
[0069] Δ MV是控制變量在控制變量范圍中的百分比的變化。
[0070] 在此，ΔΤχ可以是在死區(qū)時(shí)間段θρ結(jié)束之前的任何時(shí)間間隔，而ΔΤ2可以是在死區(qū) 時(shí)間段θρ結(jié)束之后的任何時(shí)間間隔，但是優(yōu)選的是在死區(qū)時(shí)間段θ##止之后立刻或稍后的 時(shí)間間隔。此外，ATdPAT 2可以是與過(guò)程響應(yīng)時(shí)間相比相對(duì)短的時(shí)間段，諸如一個(gè)死區(qū)時(shí) 間至六個(gè)死區(qū)時(shí)間。
[0071] 此后，所識(shí)別的過(guò)程死區(qū)時(shí)間θρ和積分增益Ki可以用于確定一個(gè)或多個(gè)過(guò)程模型 參數(shù)，諸如過(guò)程的過(guò)程增益、過(guò)程死區(qū)時(shí)間和主時(shí)間常數(shù)，或可以用于確定諸如常微分方程 (0DE)過(guò)程模型的第一原理模型中的因數(shù)、參量或變量。
[0072] 將可以理解，因?yàn)槟軌蛟诳刂谱兞浚ɑ蚋蓴_變量）的變化之后的相對(duì)短的時(shí)間段 中，例如，在控制變量的變化之后的二至十個(gè)死區(qū)時(shí)間中，確定所估計(jì)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間 所估計(jì)的積分增益I，所以能夠迅速地確定過(guò)程的過(guò)程模型，并且事實(shí)上能夠在許多情況 下在控制器響應(yīng)于控制變量的變化而完成過(guò)程變量的控制以達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，確定過(guò)程的過(guò) 程模型。
[0073] 因此，快速識(shí)別過(guò)程模型的廣義的方法論包括將過(guò)程死區(qū)時(shí)間識(shí)別為在過(guò)程變量 中有明顯的響應(yīng)之前的時(shí)間，以及根據(jù)在死區(qū)時(shí)間之前和之后的緩變率的變化識(shí)別積分過(guò) 程增益。識(shí)別緩變率的變化的時(shí)間段能夠與，例如，兩個(gè)死區(qū)時(shí)間一樣短，并且可以延伸至 死區(qū)時(shí)間的任何倍數(shù)，但是其總是短于總的過(guò)程響應(yīng)時(shí)間。計(jì)算可以繼續(xù)完善積分增益的 確定直到緩變率下降或開(kāi)始下降。將可以理解，死區(qū)時(shí)間和積分增益的計(jì)算通常在回路設(shè) 定點(diǎn)的變化之后或最終控制元件之后開(kāi)始，最終控制元件引起干擾變量、控制變量、或影響 可測(cè)量的過(guò)程變量的過(guò)程輸入的可計(jì)量的變化。該些過(guò)程輸出能夠是，例如，PID過(guò)程變量、 MPC控制的變量或任何過(guò)程、經(jīng)濟(jì)、或質(zhì)量變量。隨后，積分器增益1能夠用于向工廠仿真提 供實(shí)驗(yàn)和/或混合實(shí)驗(yàn)0DE模型或其他模型。
[0074] 此外，估計(jì)使用該技術(shù)來(lái)自動(dòng)識(shí)別和采用過(guò)程模型的時(shí)間能夠較少到幾分鐘，從 而使得能夠在很短的時(shí)間段中實(shí)現(xiàn)工廠性的仿真的開(kāi)發(fā)。通過(guò)將積分增益k直接用于積 分，能夠?qū)⒎e分增益L用于基于物料平衡和能量平衡來(lái)參數(shù)化0DE模型，積分增益L還能夠 被用于為自調(diào)節(jié)和非自調(diào)節(jié)正反饋過(guò)程將過(guò)程時(shí)間常數(shù)計(jì)算為過(guò)程增益與近積分增益的 比率。
[0075] 特別地，對(duì)于自調(diào)節(jié)和失控過(guò)程，過(guò)程增益心能夠被計(jì)算為或近似為：
[0076] KP = PV〇/MV〇
[0077] 式中，PV。和MV。是在控制變量的變化之前的或在控制變量的變化時(shí)的過(guò)程變量和 控制變量的初始值。當(dāng)然，如果需要，可以替代地使用其他估計(jì)過(guò)程增益的方式。
[0078] 更進(jìn)一步地，自調(diào)節(jié)的負(fù)反饋過(guò)程時(shí)間常數(shù)τ[?；蚴Э剡^(guò)程的正反饋過(guò)程時(shí)間常數(shù) τΡ+能夠計(jì)算為：
[0079] τρ-= KP/Ki
[0080] τρ+ = ΚΡ/Κ?
[0081] 因此，在該情況下，將過(guò)程增益ΚΡ估計(jì)為剛好在控制變量的變化之前的初始過(guò)程 變量與初始控制變量的比率。重要的是，實(shí)驗(yàn)和混合模型使用控制變量的偏差作為輸入，并 且提供過(guò)程變量的偏差作為輸出來(lái)處理在過(guò)程工業(yè)中普遍的操作點(diǎn)非線性。
[0082]圖5示出簡(jiǎn)化的功能塊圖60,其能夠用于實(shí)現(xiàn)圖1的一個(gè)或多個(gè)模型識(shí)別模塊50， 來(lái)在例如，工廠或工廠內(nèi)的過(guò)程在線的或正在進(jìn)行的操作期間，為特定的一對(duì)過(guò)程和控制 變量PV和MV確定過(guò)程變量死區(qū)時(shí)間、緩變率、積分增益和其他過(guò)程模型參數(shù)。當(dāng)然，過(guò)程變 量PV可以是由控制變量MV控制的過(guò)程變量的所測(cè)量的值或可以是任何其他受控制變量MV 影響的過(guò)程變量，對(duì)于該過(guò)程變量PV，期望獲得其與控制變量MV的關(guān)系或模型。此外，控制 變量MV可以是控制器輸出、設(shè)定點(diǎn)、干擾變量或其他任何直接或間接地影響過(guò)程變量的變 量。
[0083] 如圖5所示，向死區(qū)時(shí)間塊62提供感興趣的過(guò)程變量PV和控制變量MV，死區(qū)時(shí)間塊 62檢測(cè)控制變量MV的變化。死區(qū)時(shí)間塊62記錄控制變量的變化，并且產(chǎn)生指出控制變量的 變化的信號(hào)A MV。死區(qū)時(shí)間塊62在檢測(cè)控制變量MV的變化之后還記錄過(guò)程變量，并且在時(shí) 間上監(jiān)控過(guò)程變量值來(lái)檢測(cè)或確定與該特定的一對(duì)過(guò)程變量和控制變量相關(guān)聯(lián)的過(guò)程死 區(qū)時(shí)間Θ Ρ。當(dāng)過(guò)程變量PV在控制變量MV的變化之后開(kāi)始明顯地變化時(shí)（在噪聲頻帶以外）， 死區(qū)時(shí)間塊62將過(guò)程死區(qū)時(shí)間0 [)確定或計(jì)算為過(guò)程變量PV響應(yīng)于控制變量MV的變化而響 應(yīng)或開(kāi)始變化所需要的時(shí)間量。當(dāng)然，存在許多不同的可以用于基于控制變量和過(guò)程變量 的測(cè)量來(lái)確定過(guò)程死區(qū)時(shí)間Θ Ρ的方式或技術(shù)，并且在塊62中能夠使用這些方式或技術(shù)中的 任一個(gè)。
[0084]代表所識(shí)別的過(guò)程死區(qū)時(shí)間θρ的塊62的輸出被提供至延遲塊64和緩變檢測(cè)電路 或塊66。延遲塊64接收過(guò)程變量PV的當(dāng)前測(cè)量，并且以等于所確定的過(guò)程死區(qū)時(shí)間0[)的時(shí) 間來(lái)延遲該測(cè)量。緩變檢測(cè)塊66包括加法器67,其確定所延遲的過(guò)程變量PV的值與過(guò)程變 量PV的當(dāng)前值之間的差值來(lái)檢測(cè)在一個(gè)死區(qū)時(shí)間段θ ρ上的過(guò)程變量的變化△ PV。緩變檢測(cè) 塊66還可以包括絕對(duì)值塊68，其確定加法器67的輸出的絕對(duì)值。緩變檢測(cè)塊66還可以包括 除法器電路69,其將塊68的輸出與死區(qū)時(shí)間θ ρ相除來(lái)產(chǎn)生緩變率作為單個(gè)死區(qū)時(shí)間0[)上的 過(guò)程變量的變化值A(chǔ) PV。如果需要，在被傳送至除法器塊69之前，過(guò)程變量的變化△ PV的值 可以表示為或轉(zhuǎn)換為在過(guò)程變量PV范圍中的百分比變化。
[0085]隨后，過(guò)程變量的緩變率被提供至最大值檢測(cè)電路或塊70,其可以在每個(gè)計(jì)算之 后存儲(chǔ)或分析緩變率檢測(cè)塊66的輸出，來(lái)確定在某一時(shí)間段上諸如，例如，在兩個(gè)至十個(gè)死 區(qū)時(shí)間段上的最大緩變率的值。如果需要，緩變率塊66可以在每個(gè)死區(qū)時(shí)間段上多次確定 緩變率，并且在每個(gè)計(jì)算之后輸出該緩變率至最大值檢測(cè)塊70。隨后，最大值檢測(cè)塊70能夠 確定由緩變率塊66產(chǎn)生的緩變率中的最大值。替代地，延遲塊64和緩變率塊66可以連續(xù)地 操作，以便連續(xù)地或近連續(xù)地確定在過(guò)程變量響應(yīng)期間的、在死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后的在某 個(gè)預(yù)先確定的時(shí)間上的緩變率，或確定直到緩變率開(kāi)始下降的時(shí)間段上的緩變率。在該情 況下，最大值檢測(cè)塊70在該連續(xù)或近連續(xù)的時(shí)間段期間檢測(cè)由塊66輸出的最大緩變率。最 大值檢測(cè)塊70可以由確定一些其他的統(tǒng)計(jì)度量或與由塊66確定的各種緩變率相關(guān)聯(lián)的值， 諸如平均緩變率、中值緩變率等的塊替代。
[0086]在任何情況下，在此處描述的塊64、66和70-起操作來(lái)計(jì)算或確定在一組時(shí)間段 上的最大或其他統(tǒng)計(jì)的緩變率，來(lái)由此確定與在過(guò)程變量死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后的立刻或稍 后(例如，在死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后的等于二至十個(gè)死區(qū)時(shí)間的時(shí)間內(nèi)）的過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的 最大緩變率，而每個(gè)時(shí)間段在長(zhǎng)度上等于一個(gè)死區(qū)時(shí)間段(或如果需要，等于多個(gè)死區(qū)時(shí)間 段）。所識(shí)別的死區(qū)時(shí)間能夠立即用于更新延遲塊64,以便在死區(qū)時(shí)間期間和在死區(qū)時(shí)間之 后計(jì)算過(guò)程變量的變化。在此，優(yōu)選地使用緩變率中最大的所檢測(cè)的變化。為時(shí)間間隔Α ?? 和A T 2使用死區(qū)時(shí)間使得該方法適用于識(shí)別過(guò)程的過(guò)程增益和控制器增益，所述過(guò)程包 括但不限于自適應(yīng)、積分、和失控過(guò)程。特別地，如上所述，為時(shí)間間隔A !\和Δ T 2使用死區(qū) 時(shí)間使得該方法論延伸至死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)于過(guò)程時(shí)間常數(shù)的過(guò)程。延遲塊包括但不限于在 DeltaV產(chǎn)品中的死區(qū)時(shí)間塊的類型，其中，死區(qū)時(shí)間的變化不擾動(dòng)塊的輸出。當(dāng)然，可以理 解，延遲塊64可以替代地通過(guò)多于單個(gè)的死區(qū)時(shí)間，諸如多個(gè)所檢測(cè)的死區(qū)時(shí)間，例如，兩 個(gè)死區(qū)時(shí)間、三個(gè)死區(qū)時(shí)間等，來(lái)延遲過(guò)程變量PV。在該情況下，除法器塊69可以將所檢測(cè) 的控制變量的變化A PV除以與在延遲塊64中使用的時(shí)間相等的時(shí)間段。
[0087]由圖5可以理解，最大值檢測(cè)塊70將所檢測(cè)的最大緩變率輸出至積分增益確定塊 72，如上所述，積分增益確定塊72使用所檢測(cè)的最大緩變率的值和控制變量的變化△ MV(其 可以表示為或轉(zhuǎn)換為在控制變量的值范圍中的百分比變化)來(lái)計(jì)算積分增益1。隨后，確定 塊72提供所計(jì)算的積分增益的值Ki至過(guò)程模型生成器74,其還接收來(lái)自死區(qū)時(shí)間塊62的所 檢測(cè)的過(guò)程死區(qū)時(shí)間Θ Ρ。過(guò)程模型生成器74以上述方式使用該些值來(lái)確定一個(gè)或多個(gè)附加 的過(guò)程模型參數(shù)，諸如自調(diào)節(jié)或失控過(guò)程的過(guò)程增益心、自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)過(guò)程反饋時(shí)間常 數(shù)1，、或失控過(guò)程的正過(guò)程反饋時(shí)間常數(shù)τ Ρ+等。附加地或替代地，如果需要，過(guò)程模型生成 器塊74可以使用積分增益1和/或過(guò)程死區(qū)時(shí)間0[)來(lái)得到用于一個(gè)或多個(gè)常微分方程模型 的變量值。過(guò)程模型生成塊74可以輸出該些過(guò)程模型參數(shù)或值，包括積分增益1和死區(qū)時(shí) 間Θ Ρ，中的任何一個(gè)或全部，并可以將這些值作為過(guò)程模型提供至整定器單元或控制例程 (諸如圖1的控制例程42、44、26中的一個(gè)）、自動(dòng)-整定例程、仿真例程(諸如圖1的仿真例程 52)、或其他任何使用過(guò)程模型來(lái)施行過(guò)程工廠內(nèi)的活動(dòng)的控制例程。
[0088]雖然塊70在此處被描述為檢測(cè)由塊66輸出的最大緩變率，但是塊70可以替代地確 定和使用由塊66輸出的緩變率的任何期望的統(tǒng)計(jì)值，包括平均緩變率、中值緩變率、最小緩 變率等。然而，優(yōu)選地使用最大緩變率，因?yàn)槠涮峁┝俗罘€(wěn)健(g卩，最大）的積分增益Ki，其在 用于控制目的時(shí)，提供最安全或最快速的控制器響應(yīng)。該條件例如在失控過(guò)程中是必需的， 在該過(guò)程中，控制器阻止過(guò)程達(dá)到無(wú)返回點(diǎn)是關(guān)鍵的。
[0089]在延遲塊中使用所識(shí)別的死區(qū)時(shí)間來(lái)計(jì)算基于在過(guò)程死區(qū)時(shí)間期間和在過(guò)程死 區(qū)時(shí)間之后的控制變量的變化的過(guò)程變量的最大變化，還使得在此處描述的方法能夠用于 死區(qū)時(shí)間大于過(guò)程時(shí)間常數(shù)的過(guò)程，即，死區(qū)時(shí)間主導(dǎo)過(guò)程。所得出的控制器增益的通用方 程能夠如下所示來(lái)求得過(guò)程死區(qū)主導(dǎo)過(guò)程的控制器增益：
[0091]式中：
[0092] Ki =積分增益；
[0093 ] PVmax =所觀察到的過(guò)程變量的最大變化；
[0094] Δ C0max =控制器輸出（例如，控制變量)的變化;以及
[0095] Δ t =測(cè)量出Δ PVmax的時(shí)間的變化。
[0096]已知，PID控制器的控制器增益K。能夠計(jì)算為：
[0097]
'(對(duì)于最大擾動(dòng)抑制λ=θ。的PID增益)將方程（1)代入方 程(2)得到：
[0099] 如果時(shí)間間隔等于所觀察的過(guò)程死區(qū)時(shí)間（Δ t = 0。)并且通過(guò)令過(guò)程變量和控制 輸出經(jīng)過(guò)具有被設(shè)置為等于所觀察的過(guò)程死區(qū)時(shí)間Θ。的死區(qū)時(shí)間參數(shù)的死區(qū)時(shí)間塊而創(chuàng) 建A PVmax和Δ C0max，則然后積分過(guò)程增益Ki可以簡(jiǎn)化為
[0101] 對(duì)于最大擾動(dòng)抑制，整定參數(shù)κχ可以設(shè)置為，例如，對(duì)自調(diào)節(jié)過(guò)程是0.4,對(duì)積分過(guò) 程是0.5,以及對(duì)失控過(guò)程是0.6,其相應(yīng)于等于所觀察的死區(qū)時(shí)間的1^!^(1 &(4七=0。）。對(duì) 于更新間隔遠(yuǎn)大于至穩(wěn)態(tài)的過(guò)程時(shí)間的情況，因子Κχ可以設(shè)置為1.0。當(dāng)然，因子Κ χ也可以以 其他方式計(jì)算。
[0102] 在一個(gè)情況下，在控制器輸出（控制變量)的變化上升超過(guò)觸發(fā)電平之后一個(gè)過(guò)程 死區(qū)時(shí)間可以開(kāi)始檢查過(guò)程變量的最大變化，并且控制變量的最大變化的檢查可以持續(xù)， 例如，四個(gè)或更多個(gè)死區(qū)時(shí)間間隔。過(guò)程死區(qū)時(shí)間被識(shí)別為從控制器輸出（控制變量）的變 化起到所觀察的過(guò)程變量的變化超出噪聲頻帶之間的時(shí)間間隔。該噪聲頻帶能夠被預(yù)先設(shè) 置或能夠被自動(dòng)地識(shí)別。如果控制器增益是高的，則測(cè)試用于控制器輸出的手動(dòng)變化或設(shè) 定點(diǎn)的變化。
[0103] 為了確?？焖俚母潞蛯?duì)于噪聲的最小的反應(yīng)，在這個(gè)方案中所使用的死區(qū)時(shí)間 塊最好可以用于創(chuàng)建所延遲的過(guò)程變量和所延遲的控制器輸出變量的連續(xù)或近連續(xù)列，以 用于計(jì)算這些變量在該死區(qū)時(shí)間間隔上的變化。在該情況下，延遲塊可以產(chǎn)生一系列的延 遲的過(guò)程變量值，其在時(shí)間上以小于所觀察的死區(qū)時(shí)間（例如，每死區(qū)時(shí)間段上進(jìn)行10或 100次測(cè)量）的時(shí)間分隔，并且加法器能夠確定每個(gè)所延遲的過(guò)程變量值的過(guò)程變量差值 (并且隨后確定過(guò)程變量值的當(dāng)前值)來(lái)由此產(chǎn)生一系列的過(guò)程變量差值量。以該方式，在 任何具有等于死區(qū)時(shí)間段的長(zhǎng)度的特定時(shí)間段期間，多次測(cè)量過(guò)程變量的緩變值。使用該 技術(shù)，將會(huì)理解，該方法適用于和能夠用于快速地確定死區(qū)時(shí)間主導(dǎo)回路的過(guò)程模型，其中 控制器增益簡(jiǎn)單地是開(kāi)環(huán)過(guò)程增益的倒數(shù)乘以因子。
[0104] 在任何情況下，死區(qū)時(shí)間主導(dǎo)回路的PID控制器增益Kc能夠確定為：
[0106] 圖6示出仿真系統(tǒng)80，其使用由例如，一個(gè)或多個(gè)模型識(shí)別和生成模塊50確定的多 個(gè)不同的過(guò)程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程仿真。特別地，對(duì)于積分過(guò)程，仿真系統(tǒng)80可以使用積分增益 Ki和過(guò)程死區(qū)時(shí)間ΘΡ來(lái)施行仿真例程。然而，對(duì)于不同類型的過(guò)程，諸如，自調(diào)節(jié)過(guò)程和失 控過(guò)程，仿真系統(tǒng)80可以使用由積分增益Ki計(jì)算而得的主時(shí)間常數(shù)τρ-或τρ+和過(guò)程增益Κρ 來(lái)施行過(guò)程建模和仿真。更進(jìn)一步地，仿真系統(tǒng)80可以使用積分增益Ki和/或過(guò)程死區(qū)時(shí)間 θρ來(lái)得到常微分方程模型中的變量。
[0107] 特別地，圖6所示的仿真系統(tǒng)80使用多個(gè)不同的過(guò)程模型中的任何一個(gè)或全部來(lái) 施行仿真，該些過(guò)程模型能夠用于建模不同類型的過(guò)程。特別地，仿真系統(tǒng)80包括減法塊 82，其從控制變量的當(dāng)前值MV中減去控制變量的初始值MVO來(lái)產(chǎn)生控制變量的變化△ MV。隨 后，通過(guò)將控制變量的變化A MV延遲死區(qū)時(shí)間ΘΡ的延遲電路或延遲塊84，提供控制變量值 的變化△ MV。隨后，將所延遲的控制變量值的變化△ MV提供給四條不同的模型支路或分支 中的每條，其中的每條使用不同類型的過(guò)程模型類型來(lái)預(yù)測(cè)或仿真過(guò)程變量PV對(duì)于控制變 量值的變化A MV的反應(yīng)。
[0108]在第一模型分支中，塊86以例如，常微分方程(ODE)模型的形式實(shí)現(xiàn)第一原理模 型。0DE模型使用積分增益Ki并可能使用死區(qū)時(shí)間ΘΡ來(lái)估計(jì)用于模型的常微分方程的一個(gè) 或多個(gè)第一原理參數(shù)，并求解模型的常微分方程來(lái)基于所延遲的控制變量的變化AMV在塊 86的輸出處產(chǎn)生所估計(jì)的過(guò)程變量的變化△ PV。
[0109] 在第二模型分支中，通常與仿真積分過(guò)程相關(guān)聯(lián)或用于仿真積分過(guò)程，所延遲的 控制變量的變化AMV被提供給積分器塊88,其使用積分增益Ki來(lái)積分該信號(hào)用以產(chǎn)生所估 計(jì)的過(guò)程變量值的變化A PV。當(dāng)然，當(dāng)積分繼續(xù)時(shí)，積分器塊88的輸出隨時(shí)間而變化。
[0110] 在第三模型分支中，通常與自調(diào)節(jié)過(guò)程相關(guān)聯(lián)，所延遲的控制變量的變化△ MV被 提供給乘法或增益塊90,其將所延遲的控制變量的變化AMV乘以過(guò)程增益Kp。增益塊90的 輸出被提供給可能是衰減電路(decay circuit)形式的濾波器92，其使用負(fù)過(guò)程反饋時(shí)間 常數(shù)τρ_來(lái)估計(jì)在時(shí)間上過(guò)程變量的變化A PV的值。
[0111] 在第四模型分支中，通常與失控過(guò)程相關(guān)聯(lián)，所延遲的控制變量的變化△ MV被提 供給乘法或增益塊94,其將所延遲的控制變量的變化AMV乘以過(guò)程增益Kp。塊94的輸出被 提供給正反饋電路96,其可以是，例如，指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的電路或塊，并且其使用正反饋過(guò)程時(shí) 間常數(shù)τρ+來(lái)估計(jì)時(shí)間上過(guò)程變量的變化A PV。
[0112]如圖6所示，來(lái)自四條建模分支中的每條的所估計(jì)的過(guò)程變量的變化△ PV被提供 給開(kāi)關(guān)1〇〇,其可以由用戶或軟件操作來(lái)選擇在仿真中使用四種建模技術(shù)或過(guò)程模型中的 哪種，以實(shí)際上在任何特定的情況下估計(jì)過(guò)程變量PV的輸出。由四條建模支路中的一條確 定的所估計(jì)的過(guò)程變量的變化A PV通過(guò)開(kāi)關(guān)100傳遞至加法電路或塊102,在此，將所估計(jì) 的控制變量的變化A PV與過(guò)程變量的初始值PVo相加（即，在控制變量MV變化時(shí)刻的過(guò)程變 量PV的值），來(lái)產(chǎn)生過(guò)程變量PV的估計(jì)。當(dāng)然，最終所估計(jì)的過(guò)程變量PV取決于控制變量的 變化APV被估計(jì)的時(shí)間。
[0113]在任何情況下，四條建模支路中的每條能夠產(chǎn)生過(guò)程變量PV在不同組的時(shí)間上的 響應(yīng)或在時(shí)間范圍上以連續(xù)的方式產(chǎn)生過(guò)程變量PV響應(yīng)的估計(jì)，來(lái)由此產(chǎn)生過(guò)程變量PV對(duì) 于控制變量MV的變化的整體響應(yīng)的估計(jì)。因此，為了仿真或估計(jì)過(guò)程變量PV對(duì)于控制變量 MV的變化的響應(yīng)，能夠在控制時(shí)域上估計(jì)或仿真過(guò)程變量PV的整體響應(yīng)。由此，該特征允許 用戶改變或變化控制響應(yīng)或控制動(dòng)作來(lái)提供更好的或更符合期望的控制響應(yīng)。例如，用戶 可以使用仿真來(lái)產(chǎn)生新的控制器參數(shù)，諸如控制器整定參數(shù)，來(lái)重新整定控制器以基于過(guò) 程模型仿真達(dá)到更好的控制響應(yīng)。有趣的是，因?yàn)樵诳刂谱兞康淖兓?，可以非常迅速?得到用于仿真系統(tǒng)80的過(guò)程模型，該些模型使得在控制器能夠完成對(duì)于導(dǎo)致得出過(guò)程模型 的控制變量的變化的控制響應(yīng)之前(例如，在控制器響應(yīng)于控制變量的變化控制過(guò)程回到 穩(wěn)態(tài)之前或在過(guò)程響應(yīng)時(shí)間結(jié)束之前），能夠仿真與該些模型有關(guān)的過(guò)程。作為結(jié)果，該些 模型使得控制器整定，以提供對(duì)于最初導(dǎo)致生成過(guò)程模型的控制變量的那個(gè)變化的更好的 控制器響應(yīng)。
[0114] 當(dāng)然，圖6的仿真系統(tǒng)80僅僅是能夠用于圖1的仿真塊52內(nèi)的仿真技術(shù)的示例。事 實(shí)上，可以替代地使用許多其他類型的仿真例程，只要該些技術(shù)使用積分增益Ki和/或過(guò)程 死區(qū)時(shí)間θρ，過(guò)程死區(qū)時(shí)間θρ是作為過(guò)程變量對(duì)于控制變量的變化的初始反應(yīng)的結(jié)果而計(jì) 算的或是基于過(guò)程變量對(duì)于控制變量的變化的初始反應(yīng)而計(jì)算的。此外，雖然此處將圖6的 仿真系統(tǒng)80描述為使用一組四種不同的仿真技術(shù)中的任何一種或全部，來(lái)基于根據(jù)積分增 益Ki和過(guò)程死區(qū)時(shí)間θρ得出的過(guò)程模型以仿真過(guò)程變量PV對(duì)于控制變量MV的變化的響應(yīng)， 但是仿真系統(tǒng)可以使用該些建模技術(shù)中的單一一種，或可以實(shí)現(xiàn)任何其他類型的使用由例 如圖5的系統(tǒng)60得出的過(guò)程模型參數(shù)中的任一個(gè)的仿真技術(shù)，并且不需要使用多個(gè)不同類 型的過(guò)程模型或甚至在此處描述的特定類型的過(guò)程模型來(lái)估計(jì)過(guò)程變量PV的響應(yīng)。
[0115] 更進(jìn)一步地，如果需要，用戶可以基于諸如用戶可能了解的被控制的過(guò)程的類型 的因素來(lái)選擇或確定在特定的仿真中使用哪條建模分支（即，如何設(shè)置開(kāi)關(guān)1〇〇)。在另一方 面，用戶可以使用不同的建模分支中的每條來(lái)運(yùn)行過(guò)程變量對(duì)于控制變量的變化的響應(yīng)的 仿真，并且可以將每條分支的仿真與實(shí)際所測(cè)量的或所收集的數(shù)據(jù)(例如，存儲(chǔ)于圖1的數(shù) 據(jù)歷史記錄12中的數(shù)據(jù)）比較，來(lái)確定哪條建模分支最佳地描述了或建模了該特定的過(guò)程 或過(guò)程回路。在一個(gè)實(shí)施例中，用戶可以在一組先前所收集的或所存儲(chǔ)的過(guò)程變量和控制 變量數(shù)據(jù)上運(yùn)行系統(tǒng)80中的分支中的每條的建模技術(shù)，并且可以將所估計(jì)的過(guò)程變量的響 應(yīng)與實(shí)際所測(cè)量的過(guò)程變量的響應(yīng)相比較來(lái)確定哪條建模分支提供了最佳的仿真，并且因 此確定哪條分支最佳地表征了過(guò)程或在過(guò)程變量和控制變量之間的關(guān)系。以該種方式，在 此處描述的模型識(shí)別和仿真技術(shù)能夠用于先前所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(表示過(guò)程變量對(duì)于控制變量 的所測(cè)量的響應(yīng))來(lái)確定最佳的或最準(zhǔn)確的建模技術(shù)的類型，以便將來(lái)用于該過(guò)程回路。
[0116] 雖然此處已經(jīng)將快速過(guò)程模型識(shí)別和生成系統(tǒng)50描述為向仿真系統(tǒng)52提供一個(gè) 或多個(gè)過(guò)程模型，而仿真系統(tǒng)52已經(jīng)被描述為用于仿真過(guò)程回路，但是由塊50得出的過(guò)程 模型可以替代地或附加地被提供給其他類型的系統(tǒng)，諸如控制器(用于執(zhí)行基于模型控制， 諸如MPC或甚至PID控制）、自動(dòng)-整定器（用于整定控制器)等。更進(jìn)一步地，在此處描述的仿 真系統(tǒng)52可以用于快速地仿真過(guò)程回路的響應(yīng)，并且該仿真系統(tǒng)的輸出可以用于重新整定 控制過(guò)程回路的控制器，來(lái)獲得更好的或更符合期望的對(duì)于控制變量的那個(gè)變化的控制響 應(yīng)，其中根據(jù)該控制變量的變化得出過(guò)程模型。此外，在此處描述的方法論可延伸至超出過(guò) 程回路的過(guò)程變量和控制變量之間的關(guān)系，而且可應(yīng)用于任何可測(cè)量的過(guò)程變量和任何影 響該變量的可變的控制變量MV。此外，該技術(shù)可應(yīng)用于快速得出用于具有真積分響應(yīng)(true integrating response)的過(guò)程或具有"近積分"響應(yīng)的慢過(guò)程(例如，τ>2θρ)的過(guò)程模型。 更進(jìn)一步地，所計(jì)算的過(guò)程死區(qū)時(shí)間θρ和所計(jì)算的積分過(guò)程增益Ki能夠用于控制器整定和 工廠性的仿真，包括但不限于用于得出諸如混合常微分方程(0DE)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、積分過(guò)程實(shí) 驗(yàn)?zāi)Ｐ?、慢自調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃吐亲哉{(diào)節(jié)正反饋(失控)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪Ｐ汀?br>[0117] 上述的應(yīng)用或塊中的任一個(gè)可以作為一個(gè)或多個(gè)集成的應(yīng)用的例程、模塊或其他 組件實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的應(yīng)用功能的安排僅僅為了便于說(shuō)明而提供，而并不是表示功能可以在 計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的方式或?qū)⒐δ芴峁┙o操作員或其他用戶的方式的范圍。此外，當(dāng)其實(shí)現(xiàn)時(shí)， 在此處描述的軟件模塊或例程中的任何一個(gè)可以存儲(chǔ)于諸如磁盤、光盤、或其他存儲(chǔ)介質(zhì) 的任何計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，也可以存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)或處理器的RAM或ROM等中。同樣地，通過(guò) 使用任何已知的或所需的傳送方法，包括，例如在計(jì)算機(jī)可讀磁盤上或在其他可傳輸?shù)挠?jì) 算機(jī)存儲(chǔ)機(jī)制上或在例如電話線、互聯(lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)、任何其他區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或廣域網(wǎng)等的通信信 道上的傳送方法，這種軟件可以傳送給用戶、過(guò)程工廠或操作員工作站。此外，軟件可以無(wú) 需調(diào)制或編碼直接被提供，或者可以在被通過(guò)通信信道傳輸之前，使用任何合適的調(diào)制載 波和/或編碼技術(shù)被調(diào)制和/或編碼。
[0118]因此，雖然參考特定實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但這些例子的目的僅僅是用作說(shuō) 明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，很明顯，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明精神和范 圍的情況下，對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行改變、添加或刪減。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于生成過(guò)程的過(guò)程模型的方法，所述方法包括： 收集所述過(guò)程中的與過(guò)程變量和控制變量相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)； 根據(jù)所收集的在特定時(shí)間段內(nèi)生成的所述過(guò)程數(shù)據(jù)確定與所述控制變量的變化之后 的所述過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)的緩變率，其中，所述特定時(shí)間段至少部分地在與所述過(guò)程相關(guān)聯(lián) 的死區(qū)時(shí)間段結(jié)束之后，并且所述特定時(shí)間段的長(zhǎng)度小于等于十倍的所述過(guò)程死區(qū)時(shí)間； 以及 使用所述所確定的緩變率來(lái)生成所述過(guò)程的過(guò)程模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述特定時(shí)間段的長(zhǎng)度大于等于所述過(guò)程死區(qū)時(shí) 間的長(zhǎng)度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述特定時(shí)間段的長(zhǎng)度大于等于兩倍的所述過(guò)程 死區(qū)時(shí)間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述特定時(shí)間段包括多個(gè)非連續(xù)時(shí)間段。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過(guò)程是與非積分過(guò)程不同的過(guò)程。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定與所述控制變量的變化之后的所述過(guò)程變量 相關(guān)聯(lián)的緩變率包括確定在相同長(zhǎng)度的不同的時(shí)間段上的過(guò)程變量緩變率的多重值，以及 將所述緩變率確定為所述過(guò)程變量緩變率的所述多重值的統(tǒng)計(jì)度量。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述特定時(shí)間段小于等于六倍的所述過(guò)程死區(qū)時(shí) 間。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述特定時(shí)間段的長(zhǎng)度大于等于所述過(guò)程死區(qū)時(shí) 間的長(zhǎng)度。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述特定時(shí)間段的長(zhǎng)度大于等于兩倍的所述過(guò)程 死區(qū)時(shí)間。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK106094527SQ201610539816
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2011年3月2日
【發(fā)明人】M·庫(kù)格倫, G·K·麥克米倫
【申請(qǐng)人】費(fèi)希爾-羅斯蒙特系統(tǒng)公司