基于连续调度的模型参数的自适应控制器制造技术

自适应过程控制器执行连续调度的过程模型参数插值以确定用于为控制器整定形成控制器整定参数的特定的一组过程模型参数。更特别地，此处所描述的基于状态的自适应PID控制器使用新的技术来确定适当的过程模型，该适当的过程模型被用于在工厂的各种操作区域执行自适应整定，且特别地，使用过程模型参数确定技术，该技术在各种工厂操作区域或操作点允许连续调度的过程模型参数的更新。这个连续调度的过程模型参数的更新的方法的使用，在基于过程的操作区域或操作点的改变而实现的自适应整定程序期间，提供了在PID控制器中所使用的整定参数之间的平滑过渡，从而提供更好的总体控制。

【技术实现步骤摘要】
基于连续调度的模型参数的自适应控制器本申请是申请日为2010年6月22日、申请号为201010211511.X、专利技术创造名称为“基于连续调度的模型参数的自适应控制器”的专利技术申请的分案申请。
本专利技术一般涉及过程控制技术，且更特别地，涉及基于模型的自适应控制器，例如比例积分微分(PID)控制器，其使用连续调度的模型参数值以执行自适应整定，该连续调度的模型参数值从对在状态参数的不同值上的各种理想过程模型参数进行插值得出。
技术介绍
本领域内已知在自动化系统就像例如大型制造工厂和化学精炼厂中，使用基于逻辑的控制器切换策略来实现自适应过程控制。基于逻辑的切换策略的示例性的讨论例如能在Morse,F.M.Pait和S.R.Weller的“Logic-BasedSwitchingStrategiesforSelf-AdjustingControl,IEEE33rdConferenceonDecisionandControl(Dec.1994)中找到。将基于逻辑的控制器切换策略归类为两种途径中的一种可能是有用处的，所述两种方法通常被识别为基于预先路由的控制器的方法和基于过程模型辨识器及参数化控制器的方法。原则上，预先路由的控制器整定评估预定义的一组可能的控制器中所包含的可能的控制器。当控制器被识别为表现令人满意时，所述估计完成。预先路由的控制器整定系统相对地易于设计且对控制器结构的要求较少。但是，预先路由的控制器整定系统的优势被固有的关于整定时间的欠佳的性能掩盖了，因为从预定义的组中选择最佳的控制器需要的时间过长。过程模型辨识器和参数化的控制器一般包括两个或多个参数依赖型子系统，所述子系统包括生成输出估计误差的辨识器和内部控制器。在操作中，基于适当定义的模型组的估计的控制信号被传送到正被控制的过程。基于辨识器的、参数化的控制器实施基于“循环切换”概念的控制器切换策略。循环切换可在为过程提供或不提供另外的激励信号的情况下被使用。用于过程控制适应的循环切换方法的值得的讨论在K.S.Narendra和J.Balakrishnan的“AdaptiveControlUsingMultipleModels,”IEEETransactionsonAutomaticControl,Vol.42,No.2,pp.177-187(Feb.1997)中可以找到。文章公开了一种包括以多个参数和并行操作并具有与多个控制器参数相对应的模型参数的N个识别模型为特征的控制器的过程控制系统。在任何时间点，通过切换规则来选择单个模型和对应的参数化的控制器，且对应的控制输入被用于控制过程。识别模型可以是固定参数模型或可以是自适应参数模型，这取决于过程的要求、操作员的需求和任何其他适当的考虑因素。固定参数模型控制系统提供了一种简单而有效的措施，以保证至少一个模型的存在，所述至少一个模型特征在于参数足够接近未知过程的参数。使用固定参数模型的基于循环切换的过程控制系统提供快速的适应速度，但需要在过程控制器中的相当多数量的模型的设计和存储。另外，固定模型仅仅能够精确地表示有限数量的过程环境或状态。为了渐近地改进过程准确性，必须使用自适应的模型。实际上来说，由于合理的过程近似需要相当数量的模型，基于模型的切换策略造成了若干问题。例如，包括基于固定模型的自整定器(self-tuner)的简单的单输入单输出(SISO)系统可被合理地预期包括数百种固定模型，以实现令人满意的过程性能。因此，当系统变得更复杂，例如是多变量系统时，所需的定制的固定模型的数量就以指数方式增加，由此增加系统设定时间和系统存储需求。更有效的解决方法需要考虑指定的过程模型结构和控制器类型，并建议将简单的切换策略替换为更详尽的程序。改进的用于Dahlin控制器的基于模型的方法已由Gendron在文章“ImprovingtheRobustnessofDead-TimeCompensatorsforPlantswithUnknownofVaryingDelay,”ControlSystems90Conference(Helsinki1990)中给出。文章公开了一种简单的一阶加纯滞后(first-order-plus-dead-time)过程模型以基于死区时间(deadtime)变化提供过程适应。控制器不依靠简单的模型切换，而是使用基于以全异的死区时间为特征的一组模型的加权和的过程模型。该组中的每个模型生成过程输出的预测，且相应的权重被自动调整为预测误差的简单函数。基本的概念已被延伸为将过程增益和死区时间变化包括到Dahlin控制器构造中。一般来说，用于设计自适应PID自适应控制器的普遍的方法包括直接方法和间接方法或基于辨识器的方法。如以上所讨论的，基于辨识器的方法对于使用切换策略的控制器系统是有效的，并且提供适当的开始位置，由该开始位置设计自适应的切换PID控制器。提供与递归最小二乘(RLS)估计器相耦合的基于辨识器的自适应的PID控制器是已知的，所述估计器跟踪模型参数的变化。与递归辨识器相关联的典型的问题包括难以选择初始参数、激励不足、过滤、参数饱和、缓慢的参数跟踪速度。因为这些变量的复杂性和与计算准确估计相关联的困难，在现有技术中众所周知已知的基于辨识器的自适应PID控制器的性能可通过简化过程模型来改进。简化了的基于辨识器的自适应控制器的示例性说明被Astrom和Hagglund在“IndustrialAdaptiveControllersBasedonFrequencyResponseTechniques,”Automatica,Vol.27,No.4,pp.599-609(1991)中描述。主要地，该文公开了一种控制器，其被设计成在频域内执行过程模型适应，并响应于设定点的变化和自然干扰而整定。更具体地，通过将带通滤波器应用到过程输入和输出来选择整定频率，滤波器的频率由自动调谐器(按需的调谐器)限定。自动调谐器在自适应整定器操作之前使用继电振荡技术来限定临界振荡周期(ultimateperiod)并且使用简化的RLS估计器来为整定频率限定过程增益。自动调谐器能够跟踪过程增益的变化。但是，当遇到死区时间或时间常数的变化时，跟踪的点不再显示准确地估计临界增益和临界振荡周期所需的-π相位，且因此控制器整定变得不那么可靠。另外，通过应用若干整定频率以及使用插值器来以-π的相位限制频率的方法来改进整定是已知的。可选地，可能应用单个整定频率并在每次整定周期后调整频率以跟踪相位-π。两个整定器模型都容许有后续的设定点变化和自然干扰，且可在控制器输出或在设定点输入上引入外部激励。尽管这样的自动调谐器不表现出对先前技术的大小和设置的限制，但是它们明显地更复杂。另外，两个整定器模型使用仅识别两个参数即临界增益和临界振荡周期的基本自适应模型。包括这些简单的两参数自适应模型的整定器模型适合于Ziegler-Nichols整定或一些类似的修改，但是不适合优选内模控制(IMC)或Lambda整定的应用。虽然简单的RLS辨识器可被用于确定前馈控制的静态增益，但RLS辨识器方法不提供过程前馈动态，其为适当的前馈控制所需要的。另外，因为前馈信号为负载干扰，且扰动信号不能被引入到反馈路径中，所以所述方法受到激励不足的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制过程的自适应控制器，包括：控制器输入，其接收来自所述过程的过程变量输入信号；控制器输出，其提供用于控制所述过程的过程控制信号；控制块，其耦合在所述控制器输入和所述控制器输出之间，所述控制块使用所述输入信号和一组控制器整定参数通过实现过程控制计算来确定所述控制信号；以及整定块，其在所述过程的操作期间使用以下参数来为新的过程操作点的所述一组控制器整定参数确定新的值：(i)用于多个被存储的过程模型的一组被存储的过程模型参数值，每个被存储的过程模型表征所述过程在多个过程操作点中的一个过程操作点的操作；和(ii)限定所述多个过程操作点的过程状态变量，所述过程状态变量的当前值限定新的过程操作点，；所述整定块包括：(i)模型适应例程，其为多个被存储的过程模型中的每个过程模型确定所述一组被存储的过程模型参数值，其中，所述过程状态变量的不同值与所述多个被存储的过程模型中的每个过程模型相关联；(ii)模型参数确定例程，其使用插值函数参数和插值技术通过(a)基于所述过程状态变量的所述当前值识别所述被存储的过程模型中的第一和第二过程模型以及(b)在所述第一和所述第二过程模型的特定的过程模型参数的被存储的值之间进行插值来为所述过程在新的过程操作点的过程模型的特定的过程模型参数生成不包括在所述一组被存储的过程模型参数值中的新的值；以及(iii)控制器整定参数例程，其从(a)所生成的特定过程模型参数的新的值和(b)被存储的整定规则来确定用于所述新的过程操作点的所述一组控制器整定参数。...

【技术特征摘要】
2009.06.22 US 12/489,1061.一种用于控制过程的自适应控制器，包括：控制器输入，其接收来自所述过程的过程变量输入信号；控制器输出，其提供用于控制所述过程的过程控制信号；控制块，其耦合在所述控制器输入和所述控制器输出之间，所述控制块使用所述输入信号和一组控制器整定参数通过实现过程控制计算来确定所述控制信号；以及整定块，其在所述过程的操作期间使用以下参数来为新的过程操作点的所述一组控制器整定参数确定新的值：(i)用于多个被存储的过程模型的一组被存储的过程模型参数值，每个被存储的过程模型表征所述过程在多个过程操作点中的一个过程操作点的操作；和(ii)限定所述多个过程操作点的过程状态变量，所述过程状态变量的当前值限定新的过程操作点，；所述整定块包括：(i)模型适应例程，其为多个被存储的过程模型中的每个过程模型确定所述一组被存储的过程模型参数值，其中，所述过程状态变量的不同值与所述多个被存储的过程模型中的每个过程模型相关联；(ii)模型参数确定例程，其使用插值函数参数和插值技术通过(a)基于所述过程状态变量的所述当前值识别所述被存储的过程模型中的第一和第二过程模型以及(b)在所述第一和所述第二过程模型的特定的过程模型参数的被存储的值之间进行插值来为所述过程在新的过程操作点的过程模型的特定的过程模型参数生成不包括在所述一组被存储的过程模型参数值中的新的值；以及(iii)控制器整定参数例程，其从(a)所生成的特定过程模型参数的新的值和(b)被存储的整定规则来确定用于所述新的过程操作点的所述一组控制器整定参数。2.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述插值技术为线性的或非线性的插值技术。3.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述插值技术为线性的反曲插值技术。4.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述插值技术为非线性的反曲插值技术。5.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程通过确定用于指定的过程操作点的新的过程模型参数值并基于用于所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值改变所述一组被存储的过程模型参数值来更新所述一组被存储的过程模型参数值。6.如权利要求5所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程存储插值函数参数以用于确定在与所述一组被存储的过程模型参数值相关联的所述不同过程操作点中的两个或多个过程操作点之间的过程操作点的过程模型参数值，且其中所述模型适应例程通过基于用于所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值改变所述插值函数参数来确定所述一组被存储的过程模型参数值。7.如权利要求5所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程使用插值函数参数，以用于确定在与所述一组被存储的过程模型参数值相关联的所述不同过程操作点中的两个或多个过程操作点之间的过程操作点的过程模型参数值，且其中所述模型适应例程通过基于所述插值函数参数以及基于用于所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值改变用于所述不同过程操作点的所述被存储的过程模型参数值中的一个或多个被存储的过程模型参数值来更新所述一组被存储的过程模型参数值。8.如权利要求5所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程，通过将用于所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值存储为所述一组被存储的过程模型参数值中的一个被存储的过程模型参数值、并且如果所述一组被存储的过程模型参数中的过程模型参数值的数量达到阈值则筛选所述一组被存储的过程模型参数值的方式，来基于用于所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值更新所述一组被存储的过程模型参数值。9.如权利要求5所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程，通过基于在所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值改变所述一组被存储的过程模型参数值中的两个或多个被存储的过程模型参数值而不改变它们的相关的过程操作点，来基于用于所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值改变所述一组被存储的过程模型参数。10.如权利要求9所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程使用插值技术和在所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值来改变所述一组被存储的过程模型参数值中的所述两个或多个被存储的过程模型参数值。11.如权利要求9所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程基于在所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值使用线性插值技术来改变所述一组被存储的过程模型参数值中的所述两个或多个被存储的过程模型参数值。12.如权利要求9所述的自适应控制器，其中所述模型适应例程基于在所述指定的过程操作点的所述新的过程模型参数值使用非线性插值技术来改变所述一组被存储的过程模型参数值中的所述两个或多个被存储的过程模型参数值。13.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述控制块实现前馈/反馈控制器技术。14.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述一组控制器整定参数包括前馈整定参数和反馈整定参数。15.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述特定的过程模型参数包括过程增益、死区时间或时间常数。16.如权利要求1所述的自适应控制器，其中所述控制块实现比例、积分、微分控制器技术。17.一种自适应地整定用于控制过程的过程控制器的方法，所述方法包括：存储在所述过程的操作期间表征所述过程的操作的多组模型参数值，所述多组模型参数值中的每个模型参数值表征在不同过程操作点的所述过程的所述操作，所述不同过程操作点中的每个过程操作点与限定多个过程操作点的不同的过程状态变量的值相关联；在所述过程的所述操作期间收集过程数据，并基于所收集的过程数据执行模型表征程序以确定用于一个或多个过程操作点的一组新的模型参数值；用所述一组新的模型参数值更新所述被存储的一组模型参数值；以及使用所述被存储的一组模型参数值来整定所述过程控制器，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·沃杰兹尼斯，T·L·布勒文斯，W·K·沃杰兹尼斯，
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