使用无线过程信号的模型预测控制制造技术

多输入/多输出控制例程以模型预测控制(MPC)例程的形式以无线或其他传感器来操作，该无线或其他传感器以慢于MPC控制器扫描或执行速率的有效速率提供非周期性、间歇性或其他延迟过程变量测量信号。甚至当针对受控过程变量的测量扫描周期显著大于MPC控制器例程的操作扫描周期时，无线MPC例程也正常操作，同时提供能够以鲁棒和可接受的方式控制过程的控制信号。在操作期间，MPC例程在没有在扫描周期期间执行模型偏差校正的情况下使用内部过程模型以模拟一个或多个所测量的过程参数值，其中，没有新的过程参数测量结果被传输到控制器。当针对特定过程变量的新的测量结果在控制器中可用时，根据典型的MPC技术，基于新的测量结果值的模型偏差校正来更新模型预测和模拟参数值。

Model predictive control using wireless process signals

Multi input / multi output control routines based on model predictive control (MPC) routines in the form of wireless or other sensors to operate the radio or other sensors to slow in the effective rate of MPC controller scan or execution rate provide non periodic, intermittent or other delayed process variable measurement signal. Even when the operation of the scan cycle for measuring scan cycle controlled process variable was significantly larger than the routine MPC controller, wireless MPC routines are normal operation, and provides a control signal to a robust and acceptable way of control process. During operation, in order to simulate one or more of the measurement of the process parameters, including the use of internal process model of MPC in the execution of the routine scanning period in the absence of model error correction in the case of no process parameters the new results are transmitted to the controller. When the new measurement results for the specific process variables are available in the controller, the model predictions and the simulation parameter values are updated based on the typical MPC technique, based on the new model deviation correction of the measured results.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本常规提交申请要求于2014年8月13日提交的美国临时申请号62/036,928，名称为“使用无线过程信号的模型预测控制”的申请的优先权和权益，其全部公开内容由此明确地通过引用包含于此。
本专利涉及实施使用非周期性或间歇性控制通信的基于模型的控制，并且更具体来说，涉及配置为使用通过使用例如过程控制系统的无线通信网络来传递的非周期性或间歇性更新的过程控制信号鲁棒地执行多输入/多输出、基于模型的控制、诸如模型预测控制的设备和方法。
技术介绍
过程控制系统(诸如那些在化学、石油或其它过程中使用的分布式或大型过程控制系统)通常包括一个或多个过程控制器，该一个或多个过程控制器经由模拟、数字或组合的模拟/数字的总线相互通信耦接、通信耦接到至少一个主机或操作员工作站，以及耦接到一个或多个现场设备。现场设备可以是例如阀、阀定位器、开关、变送器(例如温度、压力和流速传感器)，现场设备在过程中执行功能，诸如打开或关闭阀以及测量过程参数。过程控制器接收由现场设备所获得的过程测量结果的和/或关于现场设备的其它信息的指示信号，并且使用该信息以实施控制例程，以生成控制信号，该控制信号通过总线发送到现场设备以控制过程的操作。来自现场设备和控制器的信息通常可供由操作者工作站执行的一个或多个应用程序使用，以使得操作者能够执行任意期望的关于过程的功能、诸如查看过程的当前状况、修改过程的操作等等。某些过程控制系统(诸如由艾默生过程管理出售的系统)使用被指为位于控制器中或位于不同的现场设备中的模块的功能块或功能块组，以执行控制和/或监视操作。在这些情况下，控制器或其他设备能够包括和执行一个或多个功能块或模块，该一个或多个功能块或模块中的每个功能块或模块接收来自其他功能块的输入和/或提供输出给其他功能块(在相同的设备内或在不同的设备内)，并且执行某些过程操作，诸如测量或检测过程参数、监视设备、控制设备，或执行控制操作(诸如比例积分微分(proportional-derivative-integral，PID)控制例程，模型预测控制(modelpredictivecontrol，MPC)例程等等的实施)。过程控制系统内的不同的功能块和模块通常被配置为相互间通信(例如通过总线)，以形成一个或多个过程控制回路。过程控制器通常被编程为针对多个不同的、针对过程而限定的或包含在过程內的回路(诸如流动控制回路、温度控制回路、压力控制回路等等)执行不同的算法、子例程或控制回路(这些都是控制例程)。一般来说，每个这样的控制回路包括一个或多个输入块、诸如模拟输入(analoginput，AI)功能块、单输入/单输出或多输入/多输出控制块(诸如比例积分微分(PID)或模糊逻辑控制功能块)，以及输出块(诸如模拟输出(analogoutput，AO)功能块)。控制例程和实施这样的例程功能块已根据多个控制技术来配置，该多个控制技术包括PID控制、模糊逻辑控制和基于模型的技术诸如Smith预估器或模型预测控制(MPC)。为了支持例程的执行，典型的工业或过程工厂具有集中式控制室，控制室通信耦接到一个或多个过程控制器和过程I/O子系统，这些过程控制器和过程I/O子系统继而连接到一个或多个现场设备。传统上，模拟现场设备已通过既用于传输信号又用于供电的两线或四线电流回路连接到控制器。模拟现场设备(例如传感器或变送器)将信号传输到控制室，调制通过电流回路的电流，以使得电流与所感测的过程变量成比例。另一方面，在控制室的控制之下执行动作的模拟现场设备受通过回路的电流幅度控制。随着数据传送的数量增加，过程控制系统设计的一个特别重要的方面涉及到现场设备相互通信耦接的方式、现场设备耦接到控制器的方式、以及现场设备耦接到其他在过程控制系统或过程工厂内的系统或设备的方式。通常，使得现场设备能够在过程控制系统內起作用的不同的通信通道链接和路径通常被统称为输入/输出(I/O)通信网络。被用以实施I/O通信网络的通信网络拓扑和物理连接或路径可以对现场设备通信的鲁棒性或完整性具有实质的影响，特别当网络受到不利的环境因素或恶劣的条件影响时。这些因素和条件可以折损一个或多个现场设备、控制器等等之间通信的完整性。控制器和现场设备之间的通信对任意这样的中断是特别敏感的，由于监视应用程序或控制例程通常需要周期性地针对例程的每个迭代更新过程变量。受折损的控制通信由此可以导致过程控制系统效率和/或盈利能力降低，并且导致过度磨损或导致对设备的损害，以及任意数量的潜在有害失效。为了确保鲁棒的通信，用于过程控制系统中的I/O通信网络在过去是硬连线的。不幸的是，硬连线的网络带来多个的复杂性、挑战和限制。例如，硬连线的网络的质量可以随着时间而变差。此外，硬连线的I/O通信网络的安装通常是昂贵的，特别在与分布在大片区域上的大型工业工厂或设施、例如占据数亩土地的炼油厂或化学工厂相关联的I/O通信网络的情况下。所需的长布线通常需要大量劳动力、材料和花费，并且可以带来由于布线阻抗和电磁干扰引起的信号衰减。针对这些以及其他原因，硬连线的I/O通信网络通常是难以重新配置、修改或更新的。在某些情况下，无线I/O通信网络被用以缓解与硬连线的I/O网络相关联的某些难点。例如，名称为“用于控制材料流动的具有连接到工业过程控制现场设备的无线收发器以提供冗余无线接入的分布式控制系统”的美国专利7,519,012公开了利用无线通信以增加或补充硬连线通信的使用的一种系统，其全部公开内容由此明确地通过引用包含于此。除了其他事情外，对针对与控制相关的传输的无线通信的依赖通常由于可靠性问题而已受限制。如上所述，现代的监视应用程序和过程控制依赖于控制器和现场设备之间可靠的数据通信，以获得理想的控制等级。此外，典型的控制器以快的速率执行控制算法以快速地校正过程中的非期望偏差。非期望的环境因素或其他不利条件可能创造间歇性的干扰，该干扰阻碍或防止对支持这样的监视的和控制算法的执行而言必要的快速通信。幸运的是，无线网络在之前数十年间已变得更为鲁棒，使无线通信在某些类型的过程控制系统中的能够可靠使用。然而，当在过程控制应用程序中使用无线通信时，功耗仍然是一个复杂因素。因为无线现场设备与I/O网络物理地分离，所以现场设备通常需要提供它们自身的电源。因此，现场设备可以通过电池供电、提取太阳能或“窃取”环境能量诸如振动、热、压力等等。对于这些设备，消耗用于数据传输的能量可能构成总能耗的一大部分。事实上，在建立和维持无线通信连接期间比在由现场设备执行任意其他重要的操作(诸如进行感测或检测被测量的过程变量的步骤)期间可以消耗更多能量。为了降低无线设备中的功耗并由此延长电池寿命，建议实施这样的无线过程控制系统，在该无线过程控制系统中，现场设备、诸如传感器与控制器以非周期性或间歇性的方式通信。在一情况下，现场设备可以仅当已检测出在过程变量中有显著改变时，或当未检测出显著改变时每隔限定的通信时间段一次地与过程变量测量结果通信或将过程变量测量结果发送到控制器，导致与控制器的非周期性或间歇性通信。不幸的是，典型的过程控制技术在假定以下的情况下设计，即每当控制器执行新的控制信号计算时，新的过程变量测量结果是可供使用的，从而控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过程控制器，所述过程控制器用于控制执行过程的一组过程设备，所述过程控制器包括：设定点输入端，所述设定点输入端接收用于所述过程中的受控过程变量的设定点；过程变量输入端，所述过程变量输入端接收所述受控过程变量的测量值；过程模型，所述过程模型在多个执行循环中的每个执行循环期间产生所述受控过程变量的一个或多个预测值；控制信号发生器，所述控制信号发生器耦接到所述过程模型并且耦接到所述设定点输入端，所述控制信号发生器在所述多个执行循环中的每个执行循环期间进行操作，以使用所述设定点和由所述过程模型在所述执行循环期间所产生的所述受控过程变量的一个或多个预测值，来产生用于控制所述过程设备的控制信号，由此朝向所述设定点驱动所述受控过程变量；以及模型偏差校正单元，所述模型偏差校正单元耦接到所述过程变量输入端并且耦接到所述过程模型，其中，所述模型偏差校正单元确定要由所述过程模型应用的模型校正，以产生所述受控过程变量的预测值；其中，所述控制信号发生器和所述过程模型以执行速率来操作连续的执行循环；其中，所述过程变量输入端以小于所述控制信号发生器和所述过程模型的执行速率的速率来接收所述受控过程变量的测量值；其中，所述模型偏差校正单元在与在所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，基于针对所述特定时间的所述受控过程变量的之前预测值和针对所述特定时间的所述受控过程变量的新接收的测量值来产生新的模型校正；并且其中，仅在与所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，所述过程模型利用所述新的模型校正来偏移一个或多个算得的预测受控过程变量值，以产生所述受控过程变量的一个或多个预测值。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.13 US 62/036,9281.一种过程控制器，所述过程控制器用于控制执行过程的一组过程设备，所述过程控制器包括：设定点输入端，所述设定点输入端接收用于所述过程中的受控过程变量的设定点；过程变量输入端，所述过程变量输入端接收所述受控过程变量的测量值；过程模型，所述过程模型在多个执行循环中的每个执行循环期间产生所述受控过程变量的一个或多个预测值；控制信号发生器，所述控制信号发生器耦接到所述过程模型并且耦接到所述设定点输入端，所述控制信号发生器在所述多个执行循环中的每个执行循环期间进行操作，以使用所述设定点和由所述过程模型在所述执行循环期间所产生的所述受控过程变量的一个或多个预测值，来产生用于控制所述过程设备的控制信号，由此朝向所述设定点驱动所述受控过程变量；以及模型偏差校正单元，所述模型偏差校正单元耦接到所述过程变量输入端并且耦接到所述过程模型，其中，所述模型偏差校正单元确定要由所述过程模型应用的模型校正，以产生所述受控过程变量的预测值；其中，所述控制信号发生器和所述过程模型以执行速率来操作连续的执行循环；其中，所述过程变量输入端以小于所述控制信号发生器和所述过程模型的执行速率的速率来接收所述受控过程变量的测量值；其中，所述模型偏差校正单元在与在所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，基于针对所述特定时间的所述受控过程变量的之前预测值和针对所述特定时间的所述受控过程变量的新接收的测量值来产生新的模型校正；并且其中，仅在与所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，所述过程模型利用所述新的模型校正来偏移一个或多个算得的预测受控过程变量值，以产生所述受控过程变量的一个或多个预测值。2.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述控制信号发生器和所述过程模型的所述执行速率是周期性执行速率。3.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述模型偏差校正单元在与在所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间仅产生新的模型校正。4.根据权利要3求所述的过程控制器，其中，所述过程模型在与接收到所述受控过程变量的新的测量值不相关联的执行循环期间使用所述模型校正的之前算得的值。5.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述过程模型是迭代过程模型，所述迭代过程模型使用所述受控过程变量的之前算得的预测值，来在每个执行循环期间产生所述受控过程变量的新的预测值，并且其中，所述过程模型仅在与在所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，将所述新的模型校正应用到所述受控过程变量的新的预测值。6.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述过程变量输入端以小于所述控制信号发生器和所述过程模型的执行速率的速率来接收所述受控过程变量的新的测量值。7.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述过程变量输入端以非周期性速率来接收所述受控过程变量的新的测量值。8.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述过程变量输入端以间歇性速率来接收所述受控过程变量的新的测量值。9.根据权利要求1所述的过程控制器，还包括状况发生器，其中，所述状况发生器指示所述控制器在所述过程变量输入端处未接收到所述受控过程变量的新的测量值的执行循环中处于第一无错状况状态，并且指示所述控制器在所述过程变量输入端处已接收到所述受控过程变量的新的测量值的执行循环中处于第二无错状况状态。10.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述控制信号发生器是模型预测控制器。11.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述过程模型在每个执行循环期间，产生在时间范围上的多个不同的将来时间处的所述受控过程变量的预测值。12.根据权利要求11所述的过程控制器，其中，所述过程模型在与在所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，以所述模型校正来偏移在时间范围上的所述多个不同的将来时间处的所述受控过程变量的预测值中的每一个预测值。13.根据权利要求1所述的过程控制器，其中，所述过程变量输入端包括标记生成单元，所述标记生成单元生成用于指示接收到所述受控过程变量的新的测量值的标记，并且其中，所述过程模型使用所述标记来确定哪个执行循环与在所述过程变量输入端处接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联。14.一种控制过程的方法，包括：在计算机处理设备上以执行速率来实施控制例程的多个执行循环，以生成用于在每个执行循环期间控制所述过程的控制信号，包括：在所述控制例程的每个执行循环期间，执行以下操作：在所述计算机处理设备上执行过程模型，以产生所述过程中的受控过程变量的一个或多个预测值；并且在所述计算机处理设备上确定用于控制所述过程的控制信号，由此控制所述受控过程变量，包括使用设定点和在所述执行循环期间由所述过程模型所产生的所述受控过程变量的一个或多个预测值，来产生用于控制所述过程设备的控制信号；并且还包括在所述执行循环中的多个执行循环期间，在用以确定所述控制信号之前调节所述受控过程变量的一个或多个预测值，包括：以小于所述执行速率的速率来接收所述受控过程变量的新的测量值；经由所述计算机处理设备确定要被应用到所述受控过程变量的一个或多个预测值的新的模型偏差校正，包括在与接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，基于针对特定时间的所述受控过程变量的之前预测值和针对所述特定时间的所述受控过程变量的新接收的测量值来产生新的模型偏差校正；以及仅在与接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，利用所述新的模型偏差校正来调节由所述过程模型开发的所述受控过程变量的预测值中的一个或多个预测值，以产生所述受控过程变量值的一个或多个经校正的预测值。15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定要被应用到所述受控过程变量的一个或多个预测值的新的模型偏差校正包括仅在与接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的所述执行循环期间确定所述新的模型偏差校正。16.根据权利要求14所述的方法，还包括：在与接收到所述受控过程变量的新的测量值不相关联的执行循环期间，使用所述模型校正的之前算得的值，以调节所述受控过程变量的一个或多个预测值。17.根据权利要求14所述的方法，其中，执行过程模型以产生受控过程变量的一个或多个预测值包括执行迭代过程模型，所述迭代过程模型使用所述受控过程变量的从之前的执行循环中算得的预测值，以产生针对当前执行循环的所述受控过程变量的新的预测值，并且包括仅在与接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的所述执行循环期间，利用所述新的模型偏差校正来调节针对所述当前执行循环由所述过程模型开发的所述受控过程变量的预测值中的一个或多个预测值，以产生所述受控过程变量值的一个或多个经校正的预测值。18.根据权利要求14所述的方法，其中，以小于所述执行速率的速率来接收所述受控过程变量的新的测量值包括以小于所述执行速率的周期性速率来接收所述受控过程变量的新的测量值。19.根据权利要求14所述的方法，其中，以小于所述执行速率的速率来接收所述受控过程变量的新的测量值包括以非周期性速率来接收所述受控过程变量的新的测量值。20.根据权利要求14所述的方法，其中，以小于所述执行速率的速率来接收所述受控过程变量的新的测量值包括以间歇性速率来接收所述受控过程变量的新的测量值。21.根据权利要求14所述的方法，还包括使用所述计算机处理设备生成状况指示，所述状况指示指示在新的过程变量测量未被接收的执行循环中的第一无错状态状况，并且指示在新的过程变量测量已被接收的执行循环中的第二无错状态状况。22.根据权利要求14所述的方法，其中，确定用于控制所述过程的控制信号包括在所述计算机处理设备上使用模型预测控制例程以生成所述控制信号。23.根据权利要求14所述的方法，其中，执行所述过程模型包括在每个执行循环期间产生在时间范围上的多个不同的将来时间处的所述受控过程变量的预测值。24.根据权利要求23所述的方法，其中，利用所述模型偏差校正来调节由所述过程模型开发的所述受控过程变量的预测值中的一个或多个预测值包括：在与接收到所述受控过程变量的新的测量值相关联的执行循环期间，以所述模型偏差校正来偏移在时间范围上的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·K·沃杰茨尼斯，T·布莱文斯，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US