用于实时计算过程模型状态量的方法和模拟器技术

描述和示出了一种用于在过程计算机（１）上实时计算过程模型的状态量（ｘ↓［Ｍ］）的方法，所述过程计算机具有第一计算单元（２）和处理接口（３），其中所述过程计算机（１）被设置为能够由所述过程计算机（１）通过所述处理接口（３）采集物理过程（４）的至少一个状态量（ｘ↓［Ｐ］），和／或能够由所述过程计算机（１）输出至少一个输出量（ｙ）以影响所述物理过程（４），其中由所述第一计算单元（２）利用显式积分法计算所述过程模型，以确定状态量（ｘ↓［Ｍ，ｅ］）。本发明专利技术的目的是至少部分地避免在用于实时计算过程模型状态量的已知方法中的缺点，尤其是在最大程度确保计算的数值精度和稳定性的前提下能够保证计算的实时性。根据本发明专利技术，该任务这样来解决：提供了第二计算单元（５），基本上与利用所述第一计算单元（２）对过程模型进行计算同步地，利用这个第二计算单元（５）通过隐式积分法执行该过程模型，为了校正在第一计算单元（２）上所执行的对过程模型的计算，调用利用第二计算单元（５）和隐式积分法所计算的过程模型的状态量（ｘ↓［Ｍ，ｉ］），并将以这种方式利用显式积分法求得的状态量（ｘ↓［Ｍ，ｅ］）用作该过程模型的状态量（ｘ↓［Ｍ］）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于在过程计算机上实时计算过程模型状态量 的方法和模拟器，所述过程计算机具有第一计算单元和处理接口，其 中所述过程计算机被设置为能够由所述过程计算机通过所述处理接 口釆集物理过程的至少一个状态量，和/或能够由所述过程计算机输出 至少一个输出量以影响所述物理过程，其中由所述第一计算单元利用 显式积分法计算过程模型，以确定状态量。另外，本专利技术还涉及另外 一种该类型的方法和用于实现这些方法的模拟器。
技术介绍
实践中，先前所给出的用于实时计算过程模型状态量的方法以及 实现这类方法的模拟器尤其是不能离开机电和过程自动化领域来考 虑。通常，过程计算机或模拟器通过其处理接口与真实的物理过程相 联系，使得物理过程的状态量能够通过测量由过程计算机或模拟器所 采集，并且过程计算机或模拟器能够经由该处理接口通过输出量的输 出对真实的物理过程施加影响。对于过程计算机或模拟器有大量的应用场合，其例如可以根据在 过程计算机或模拟器上执行的是何种类型的过程模型来进行分类。当在过程计算机上主要实现的是控制算法的时候，过程计算机通 常是控制设备，其中过程模型可以是所实现的控制算法的一部分，例 如在从线性或者还有非线性的多个量的系统去耦时就是这种情况。一 种典型的应用场合在这里是调节器设计，其例如根据所采用的开发工具、例如在所谓的"快速控制原型(RCP)"的框架内实现。在其它经常出现的应用场合下，由过程计算机计算一个工艺流程 的数学映像作为过程模型，如汽车发动机或传动机构的数学模型。这样的过程模型通过过程计算机的处理接口与一个"真实的"技术物理 过程相关联，在上述汽车应用场合的情况下，往往与能够测试其功能的控制设备相关联；目前它可能是发动机控制设备。由过程模型的输 出量对该控制设备施加相应的信号(例如发动机转数、凸轮轴的姿态 等)，并且该控制设备以特定的状态量、即物理过程的状态量对其做 出反应，其至少部分地通过处理接口反作用于过程计算机。在这种应 用场合下，过程计算机经常被称为"模拟器"。模拟器也可以作为开放 的控制回路"开环"工作，其中物理过程的状态量并不反作用于模拟 器。借助前面的例子可知，"过程计算机"和"模拟器"的概念是指等同 的数字采样及计算工具，利用它能够计算出过程模型。下文中提到"过 程计算机，，或"模拟器，，时，只是考虑到针对特定应用的常用语言习惯， 但在功能上这些概念在下文中通常是可互换的。如果利用模拟器似乎 使测试对象(这里是真实的过程)构成了一个工作循环，则经常用"在 环(in-the-Loop )"模拟器来表示，在本例中是硬件在环模拟器。在过程计算机上计算出的过程模型是通过微分方程对物理技术 系统的数学描述。这些微分方程是过程模型的与时间有关的状态量， 其中所述微分方程通过公共的状态量彼此关联。为了数值求解过程模 型，即为了由微分方程求出状态量，采用了已知的数值积分法。该积 分法可按照不同的观点来分类，例如可以分成显式积分法和隐式积分 法，以及单步积分法和多步积分法。首先，这些积分法的共同之处在于，仅仅在某些特定的离散时间 点计算一个过程模型的状态量^，结果，这些状态量并不是作为时间连续的函数^I(t)，而是仅仅位于离散的时间支持点^yj(tk)。针对该过程模型的状态量2M利用积分法在一个支持点求出的值在方法的限制下始终是有误差的，因此只能得到对于状态量的实际值的近似值。对于各种数值积分均存在以下任务即要求出状态量^vi在时刻tk+1 的将来值，即状态量^M，kH，其中一般地来说有下列公式<formula>formula see original document page 5</formula>显式积分法规定在时刻t^要新计算的状态量五m的值、即sm， k+1仅根据时间上位于前面的值2[M， k和等等来计算，即函数￡可以显式地通过该值来表述。通过显式积分法对状态量^M,e的计算在位于 前面的离散时间点进行，即根据已经过去的状态量的值及其一次或多 次求导递归地进行。根据状态量的值需要回溯多少个时间步骤，将其 称为单步积分法或者多步积分法；这同样适用于隐式积分法。隐式积分法规定如公式1所示，函数L本身与当前所求得的状 态量或者其一次或多次求导相关。已知的是，这种相关性在数值上只 能迭代求解，因此这意味着在数值积分步骤内必须执行一次迭代循 环，而这在显式积分法中则不需要。通常当连续计算出的近似值彼此 相差小于一个固定设置的最大值、即处于特定误差范围以下时结束为 求取用隐式积分法所计算的状态量^M， i的迭代。显式积分法所具有的优点是为计算当前状态量^Vl，e所需的计算步骤数目是已知的，并且近似保持相等，从而能够确保状态量的当前值位于特定的、可预见的时间点。这对于所有实时应用来说都 是十分重要的，因为否则的话就不能实现时间离散的采样系统了。但显式积分法的缺点是计算精度具有不确定性，尤其是在刚性系统、 即具有显著不同的特征值的系统的情况下，当显式数值积分法的步宽 被选择为足够小时，只能得到可接受的计算结果。对于刚性系统，显 式积分法的步宽可能必须要缩小，这样就不能再在实时性条件下进行计算了。与此相反，隐式积分法的优点是通过预先给定误差范围可以非常 精确地预定计算精度，但相应的缺点是不知道在一个积分步骤内为了 计算出所要求的精度需要多少次迭代。因此隐式积分法尤其是在刚性 系统的情况下只能非常有限地适用于实时应用。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是至少部分地避免在用于实时计算过程模型 状态量的已知方法中所提到的上述缺点，尤其是在最大程度确保计算的数值精度和稳定性的前提下能够保证计算的实时性。首先根据本专利技术的第 一个技术方案，本专利技术所述的用于实时计算 与真实物理过程相关联的过程模型的状态量的方法的主要特征在于，提供了第二计算单元，基本上与利用第一计算单元计算过程模型同步 地，利用所述第二计算单元通过隐式积分法执行该过程模型，为了校 正在第一计算单元上所执行的对过程模型的计算，调用利用第二计算 单元和隐式积分法所计算的过程模型状态量，并将以这种方式通过显 式积分法所求得的状态量用作该过程模型的状态量。根据本专利技术的方法利用了以下原理过程计算机通过硬件配置提 供了多个计算单元，其可能是多处理器系统的形式、即具有多个作为 部件的可区分的处理器，或者可能是多内核处理器(Multicore),其 中 一个处理器包含多个在很大程度上彼此独立工作的内核，它们实际 上可以同时处理不同的进程，这些进程不是仅仅串行地先后执行，而 是以单个线程的形式被处理，因而不会产生时间增益。当说到"基本上"与利用第 一计算单元计算过程模型同步地，利用 所述第二计算单元通过隐式积分法执行该过程模型时，这意味着所 述两种积分法彼此同时地执行，但允许硬件和方法步骤上的差别。例 如可能是这样的情况显式和隐式的积分法在不同的、即彼此稍微有 所偏差的计算时刻对状态量^m，e及Sm， i执行计算，此时对过程模型的 两种计算在本专利技术的意义上仍然可以认为是"基本上"同步执行的，因 为这两者均涉及相同的物理时间，并具有共同的物理时基。通过将利用显式积分法所求得的状态量^M， e用作过程模型的状态量^vi,可以保持计算过程模型状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在过程计算机（１）上实时计算过程模型的状态量（ｘ↓［Ｍ］）的方法，所述过程计算机具有第一计算单元（２）和处理接口（３），其中所述过程计算机（１）被设置为能够由所述过程计算机（１）通过所述处理接口（３）采集物理过程（４）的至少一个状态量（ｘ↓［Ｐ］），和／或能够由所述过程计算机（１）输出至少一个输出量（ｙ）以影响所述物理过程（４），其中由所述第一计算单元（２）利用显式积分法计算所述过程模型，以确定状态量（ｘ↓［Ｍ，ｅ］），其特征在于，　提供了第二计算单元（５），基 本上与利用所述第一计算单元（２）对过程模型进行计算同步地，利用这个第二计算单元（５）通过隐式积分法执行该过程模型，为了校正在第一计算单元（２）上所执行的对过程模型的计算，调用利用第二计算单元（５）和隐式积分法所计算的过程模型的状态量（ｘ↓［Ｍ，ｉ］），并将以这种方式利用显式积分法求得的状态量（ｘ↓［Ｍ，ｅ］）用作该过程模型的状态量（ｘ↓［Ｍ］）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J弗罗赫特，
申请(专利权)人：帝斯贝思数字信号处理和控制工程有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]