專利名稱：自適應控制器設計方法及過程控制器的調(diào)諧系統(tǒng)和方法
技術領域：
所公開的方法和裝置一般涉及過程控制技術，具體涉及自適應PID(比例、積分和導數(shù))控制器，其特征在于從過程模型參數(shù)的內(nèi)插得到的參數(shù)值。
背景技術：
在本領域中，使用基于邏輯的控制器轉換策略來實現(xiàn)在諸如大型制造廠和化學提煉廠這樣的自動化系統(tǒng)中的自適應過程控制是公知技術?？梢栽诶鏜orse， F. M. Pait, and S. R. Weller，s， "Logic-Based Switching Strategies forSelf-Adjusting Control", IEEE 33rd Conference on Decision and Control (Dec.1994) ( Morse, F. M. Pait和S. R. Weller，"用于自調(diào)諧控制的、基于邏輯的轉換策略"，關于判定和控制的IEEE第33次會議(1994年，12月))中找到對于基于邏輯的轉換策略的示范討論。有益的是，將基于邏輯的控制器的轉換策略分類為下述兩種方法之一 一般稱為預取路由控制器方法和基于標識符的參數(shù)化控制器方法。
預取路由控制器調(diào)諧在原理上評估在預定的一組可能控制器中包括的可
能控制器。當識別一個控制器滿意地執(zhí)行時完成所述評估。預取路由控制器調(diào)諧系統(tǒng)設計上較為簡單，并且對于控制器結構有很少的要求。但是，預取路由控制器調(diào)諧系統(tǒng)的優(yōu)點被下面的方面掩蓋關于調(diào)諧時間的固有較差性能，即需要過分長的時間來從預定的組中選擇最佳的控制器。
基于標識符的參數(shù)化控制器一般包括兩個或多個與參數(shù)相關的子系統(tǒng)、產(chǎn)生輸出估計誤差的標識符和內(nèi)部控制器。在操作中，根據(jù)適當?shù)叵薅ǖ哪Ｐ徒M的估計，控制信號被傳送到被控制的過程?；跇俗R符的參數(shù)化控制器實現(xiàn)了基于"周期轉換(cyclic switching)"思想的控制器轉換策略?？梢韵?br> 過程提供或不提供附加的激勵信號來利用周期轉換。
可以在下文中找到對于過程控制自適應的周期轉換策略的有價值的討
論K. S. Narendra and J. Balakrishnan，s "Adaptive Control Using MultipleModels," IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 42， No. 2, pp. 177-187(Feb, 1997)( K. S. Narendra和J, Balakrishnan，"使用多個模型的自適應控制"，關于自動控制的IEEE會報，第42巻，第2期，第177-187頁(1997年2月))。該文公開了一種過程控制系統(tǒng)，它包括一個控制器，其特征在于多個參數(shù)和N個標識模型并行工作，并且將模型參數(shù)與多個控制器參數(shù)相對應。在任何時間點，通過轉換規(guī)則來選擇單個模型和對應的參數(shù)化控制器，并且使用對應的控制輸入來控制過程。依賴于過程的要求、操作員的需要和任何其他適當考慮，標識模型既可以是固定的參數(shù)模型也可以是自適應的參數(shù)模型。固定參數(shù)模型控制系統(tǒng)提供了 一種保證至少一個模型的存在的簡單和有效的手段，其特征在于參數(shù)與未知的過程的那些參數(shù)充分接近。
使用固定參數(shù)模型的、基于周期轉換的過程控制系統(tǒng)提供了快速自適應速度，但是要求在過程控制器中設計和存儲大量的模型。應當注意，固定模型能夠精確地表示僅僅有限數(shù)量的過程環(huán)境或條件，為了漸近地改善過程精度，必須使用自適應模型。
實際而言，由于合理的過程近似所需要的模型的大數(shù)量，基于模型的轉換策略引起多種問題。例如，可以合理地期望包括基于固定模型的自調(diào)諧器的簡單單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)包括成百上千的固定模型，以便獲得滿意的過程性能。因此當系統(tǒng)(例如多變量系統(tǒng))變得越來越復雜時，所需要的定制的固定模型的數(shù)量以指數(shù)增加，因此提高了系統(tǒng)建立時間和系統(tǒng)存儲要求。更有效的解決方案需要考慮特定的過程模型結構和控制器類型，并且提出將簡單轉換策略替換為更精細的程序。
Gendron在文章"不知道變化的延遲而改善工廠的停滯時間補償器的健壯性"，控制系統(tǒng)90會議(Helsinki 1990)中已經(jīng)給出了對于Dahlin控制器的一種修改的基于模型的方法。該文公開了 一種簡單的一階加停滯時間過程模型，用于提供基于停滯時間轉換的過程自適應。不是依賴于簡單模型轉換，控制器利用基于 一組模型的加權和的過程模型，所述一組模型的特征在于具有不同的停滯時間。在所述組中的每個模型產(chǎn)生過程輸出預測，并且將對應
10的加權自動調(diào)諧為預測誤差的簡單函數(shù)。所述基本思想已經(jīng)被擴展為在Dahin 控制器構成中包括過程增益和停滯時間差異。
一3殳地，用于設計自適應PID自適應控制器的流行方法是直纟妄方法和間 接或基于標識符的方法。如上所述，基于標識符的方法對于利用轉換策略的 控制系統(tǒng)是有效的，并且提供了適當?shù)拈_始位置，從這個位置設計自適應轉 換PID控制器。公知的是，提供一種基于標識符的自適應PID控制器，它與 遞歸最小二乘方(RLS)估計器連接，所述估計器跟蹤模型參數(shù)的變化。與 遞歸標識符相關聯(lián)的典型問題包括選擇初始參數(shù)的困難、不充分的激勵、過
濾、參數(shù)終結(wind-up )、緩慢的參數(shù)跟蹤速度。因為這些變量的復雜性和 與計算精確的估計相關聯(lián)的困難，在本領域中可以明白，通過簡化過程模型 可以改善已知的基于標識符的自適應PID控制器的性能。
Astrom and Hagglund in "Industrial Adaptive Controllers Based on Frequency Response Techniques," Automatica， Vol. 27， No. 4， pp. 599-609 (1991)
(Astrom和Hagglund在"基于頻率響應技術的工業(yè)自適應控制器" Automatica,第27巻，第4期，第599-609頁(1991 ))描述了 一種簡化的基 于標識符的自適應控制器的示范說明。 一般而言，該文公開了一種控制器， 它被設計用于執(zhí)行在頻率域中的過程模型自適應，并且響應于設置點變化和 自然擾動來調(diào)諧。更具體而言，通過向過程輸入和輸出應用帶通濾波器來選 擇調(diào)諧頻率，通過自動調(diào)諧器(基于要求的調(diào)諧器)來限定所述濾波器的頻 率。所述自動調(diào)諧器定義了在自適應調(diào)諧器操作之前使用中繼振蕩技術的最 終時期、用于使用筒化的RLS估計器的調(diào)諧頻率的過程增益。自動調(diào)諧器能 夠跟蹤過程增益的變化。但是，當遇到停滯時間或時間常數(shù)的變化時，被跟 蹤的點不再顯示出-71相位，并且控制器調(diào)諧變得不準確。
而且，公知的是，通過應用幾個調(diào)諧頻率和使用內(nèi)插器來定義具有相位-兀 的頻率而改善調(diào)諧。或者，有可能應用單個調(diào)諧頻率和在每個調(diào)諧周期后調(diào)
諧頻率以跟蹤相位-7T。兩種調(diào)諧器模型容納了后續(xù)的設置點的變化和自然擾 動，并且可以在控制器輸出或在設定點輸入處插入外部激勵。雖然這樣的自 動調(diào)諧器沒有顯示出先前技術的大小和建立限制，但是它們更為復雜。
而且，兩種調(diào)諧器模型都利用原始自適應模型，識別僅僅兩個參數(shù)最 終增益和最終時期。并入這些簡單的、兩參數(shù)自適應模型的調(diào)諧器模型適合 于Ziegler-Mchols調(diào)諧或一些類似的修改，但是不適合于其中推崇內(nèi)部模型
ii控制(IMC )或拉姆達(Lambda)調(diào)諧的應用。雖然可以使用簡單的RLS標 識符來確定前饋控制的靜態(tài)增益，但是RLS標識符方法不提供足夠的前饋控 制所需要的過程前饋動態(tài)。另外，因為前饋信號是負載擾動，并且微擾信號 不能被插入反饋路徑中，因此所述方法受到不充分激勵問題的影響。
Bristol和Hansen在題目為"多變量自適應前饋控制器"的美國專利第 5,043,863號中公開了一種對于前饋自適應的替代解決方案。這個專利公開了 一種差分方程，基于它的過程模型被設計成包括負載擾動。根據(jù)所測量的過 程數(shù)據(jù)來定期地更新所述過程模型，其中擾動的特征在于通過投影方法獲得 的瞬間關系(moment relation)和控制關系。 一般地，所得到的解決方案非常 復雜，需要大激勵，這與上述的RLS標識符方法很相同。但是，所得到的解 決方案僅僅適合于前饋控制，并且不適合于具有反饋的自適應控制器。
因此，期望一種自適應控制器來解決上述的已知自適應控制方法的缺點。 具體地說是一種能夠提供用于反饋和前饋自適應PID控制的統(tǒng)一解決方案的 自適應控制器。由下面公開的基于狀態(tài)的、自適應反饋/前饋PID控制器處理 的突出目的包括較短的自適應時間、最小化施加到PID調(diào)諧規(guī)則的使用限 制、設計筒化、以低過程激勵實現(xiàn)自適應。

發(fā)明內(nèi)容
基于狀態(tài)的自適應PID控制器的第一實施例包括一種在過程控制系統(tǒng)中 自適應地設計控制器的方法。按照所述方法，建立一組用于過程的模型，其 中包括多個具有表示對應于過程區(qū)域的擾動輸入的狀態(tài)參數(shù)的子集?？梢酝?過一些預定的轉換規(guī)則(switching rule)來自動選擇所述子集。每個獨立的模 型包括多個參數(shù)，每個參數(shù)具有從對應于所述參數(shù)的一組預定的初始化值選 擇的相應值。獨立的模型的評估包括計算模型均方誤差(model squared error) 或范數(shù)(norm)。所述范數(shù)被分配到被評估的模型所表示的每個參數(shù)。當進行 較小模型的重復評估時，對于每個參數(shù)計算累計的范數(shù)。被累計的范數(shù)是在 模型評估過程中已經(jīng)被分配到參數(shù)的所有范數(shù)的和。隨后，對于每個參數(shù)計 算自適應參數(shù)值。自適應參數(shù)是被分配到各個參數(shù)的初始化值的加權和。然 后響應于自適應參數(shù)值而更新控制器。
自適應PID控制器的另 一個實施例包括用于調(diào)諧過程控制器的系統(tǒng)。可 以通過硬件或軟件或任何期望的其組合來實現(xiàn)所述系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括一個
12模型組部件，它可通信地連接到一個過程，并且包括用于限定多個過程區(qū)域 和編組為多個過程區(qū)域的多個過程模型的一個狀態(tài)變量。每個過程模型包括 多個參數(shù)，每個具有從被分配到各個參數(shù)的一組預定初始值選擇的一個值。 每個區(qū)域包括對于那個區(qū)域限定的 一組標準參數(shù)值。 一個誤差產(chǎn)生器可通信 地連接到模型組部件和過程輸出。誤差產(chǎn)生器產(chǎn)生一個模型誤差信號，用于 表示在過程模型的輸出和過程的輸出之間的差。 一個模型評估部件可通信地 連接到誤差產(chǎn)生器，用于計算對應于過程模型的模型均方誤差，以將模型均 方誤差與在才莫型中表示的參數(shù)值相關聯(lián)。 一個參數(shù)內(nèi)插器可通信地連接到模 型評估部件，用于計算在過程模型中表示的參數(shù)的自適應過程參數(shù)值。 一個 控制器更新部件在完成一個自適應周期時更新對于控制器的自適應控制器參 數(shù)值。自適應控制器參數(shù)值是從被計算的自適應過程參數(shù)值得到的。
基于狀態(tài)的自適應反饋/前饋控制器的另一個實施例包括一個模型部件， 它連接到一個過程并且具有多個過程模型，其中每個模型包括多個參數(shù)，所 述參數(shù)具有從被分配到各個參數(shù)的一組預定初始值選擇的一個值。 一個狀態(tài) 變量描述了一個過程變量的變化或所測量到的擾動，定義包括過程模型的一 個子集的至少 一 個過程區(qū)域，并且對應于表示過程區(qū)域的 一組區(qū)域初始參數(shù)。 一個誤差產(chǎn)生器產(chǎn)生一個模型誤差信號，它表示在:t莫型部件輸出信號和過程 輸出信號之間的差，模型評估部件計算對應于模型的模型均方誤差，并且將 模型均方誤差與在模型中表示的參數(shù)值相關聯(lián)。 一個參數(shù)內(nèi)插器計算用于在 模型中表示的多個參數(shù)值的至少一個的自適應參數(shù)值，并且控制器更新部件 在完成一個自適應周期時更新在控制器內(nèi)的控制器參數(shù)值。
可以明白，依賴于獨立的過程要求，不是所有的過程參數(shù)都將在給定的 自適應周期中經(jīng)歷自適應。當有原因相信僅僅一個或至少不是所有的過程參 數(shù)已經(jīng)改變時，可以期望有限的自適應。例如，經(jīng)-驗證明可以示出在給定的 時段中(例如在自適應周期之間經(jīng)過的時間)，過程增益參數(shù)可能改變，而剩 余的參數(shù)可以保持基本恒定。在這種情況下，下述的過程管理器可以通過只 讓過程增益參數(shù)被自適應來啟動一個有限自適應。然后響應于被自適應的過 程增益參數(shù)來更新過程控制器。反饋/前饋控制器也可以包括一種自適應控制
器的方法，其中，像上面一樣，對于過程編譯模型組，并且通過確定每個模 型的唯一模型均方誤差來評估每個模型。根據(jù)每個預定初始化參數(shù)值的加權
和來計算自適應(增益)參數(shù)值。通過標準化的適合度因子(Normalized Fitnessfactor)來加權所述初始化值。使用所計算的自適應過程(增益)參數(shù)，來相 應地更新控制器
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種過程控制系統(tǒng)中的自適應控制器設計 方法，包括步驟(a)編譯用于過程的模型組，其中每個模型的特征在于多個 參數(shù)，并且在每個模型中，每個參數(shù)具有從一組預定初始值中選擇的相應值； (b)評估每個模型，由此在評估每個模型期間計算模型均方誤差；(c)向模型 中表示的每個參數(shù)值分配一個范數(shù)，其中所述范數(shù)的特征在于
(/) = f (/),其中(/)是作為掃描t的結果而分配給參數(shù)值的范數(shù)， N是模^1々總數(shù)，和如果在模型M^,之一中使用參數(shù)值/',則A,l,和如果 在模型M^之一中未使用參數(shù)值/'，則^,=0;和(d)對于每個參數(shù)，計算 自適應參數(shù)值，所述自適應參數(shù)值是所述一組預定初始值中包含的值的加權 平均；和(e)響應于所述自適應參數(shù)值，重新設計所述控制器。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種調(diào)諧過程控制器以控制受控過程的 方法，包括對于與普通過程模型相關聯(lián)的多個模型參數(shù)中的每一個，定義 大量模型參數(shù)值，所述普通過程模型表示受控過程；創(chuàng)建一組單獨過程模型， 其中所述一組單獨過程模型中的每一個是使用用于所述多個模型參數(shù)中的每 一個的大量模型參數(shù)值之一從所述普通過程模型形成的，并且其中所述一組 單獨過程模型中的每一個是使用用于模型參數(shù)的模型參數(shù)值的不同組合而形 成的；執(zhí)行模型掃描，包括對一個或多個過程輸入執(zhí)行所述單獨過程模型 中的每一個，以便對于所述單獨過程i^型中的每一個產(chǎn)生^^型輸出，將所述 單獨過程模型中的每一個的輸出與過程輸出相比較，以便對于所述單獨過程 模型中的每一個確定模型誤差值，對于每個單獨過程模型，將用于所述單獨 過程模型的模型誤差值與在那個單獨過程模型中使用的每個模型參數(shù)值相結 合，和對于每個模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值，從與那個模型參數(shù)值相關聯(lián)的 模型誤差值中計算模型參數(shù)值范數(shù)；對于每個模型參數(shù)，從對于那個模型參 數(shù)的大量參數(shù)值計算的模型參數(shù)值范數(shù)中確定新模型參數(shù)值，以便創(chuàng)建對于 每個模型參數(shù)包括一個新模型參數(shù)值的 一組新才莫型參數(shù)值；和從所述一組新 模型參數(shù)值中確定一個或多個過程控制器調(diào)諧值。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供了一種用于調(diào)諧受控過程的過程控制器 的調(diào)諧系統(tǒng)，包括用于存儲表示受控過程的普通過程模型的存儲設備；用 于存儲用于與所述普通過程模型相關聯(lián)的多個才莫型參數(shù)中的每一個的大量模型參數(shù)值的存儲設備；和調(diào)諧系統(tǒng)。所述調(diào)諧系統(tǒng)包括存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的模型創(chuàng)建例程，用于創(chuàng)建一組單獨過程模型，其中所述單獨過程模型中的每一個是使用用于所述多個模型參數(shù)中的每一個的大量模型參數(shù)值之一從所述普通過程模型中形成的，并且其中所述一組單獨過程
模型中的每一個是使用用于模型參數(shù)的模型參數(shù)值的不同組合而形成的；存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的模型執(zhí)行例程，用于執(zhí)行一個或多個模型掃描；存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的模型參數(shù)值確定例程，用于確定用于每個模型參數(shù)的新模型參數(shù)值，其中用于特定模型參數(shù)的新模型參數(shù)值是從對于所述特定模型參數(shù)的大量參數(shù)值確定的模型參數(shù)值范數(shù)創(chuàng)建的；和存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的調(diào)諧參數(shù)例程，用于從用于模型參數(shù)的新模型參數(shù)值中確定將被過程控制器使用的一個或多個過程控制器調(diào)諧值。其中每個模型掃描包括對一個或多個過程輸入執(zhí)行所述單獨過程模型中的每一個，以便對于所述單獨過程模型中的每一個產(chǎn)生模型輸出，將所述單獨過程模型中的每一個的輸出與過程輸出相比較，以便確定用 于所述單獨過程模型中的每一個的模型誤差值；對于每個單獨過程模型，將用于所述單獨過程模型的模型誤差值與在那個單獨過程模型中使用的每個模型參數(shù)值相結合；和對于每個模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值，從與那個模型
參數(shù)值相關聯(lián)的模型誤差值計算模型參數(shù)值范數(shù)。


圖l是自適應反饋/前饋PID控制器的功能方框圖，其操作基于過程模型參數(shù)的內(nèi)插；
圖1A是在自適應反饋/前饋PID控制器中工作的模型組元素的功能方框
圖1B是自適應反饋/前饋PID控制器的一個實施例的流程圖2是包括反饋/前饋回路的一階加停滯時間過程模型的概念描述；
圖3是特征在于三個參數(shù)DT、 Tc和增益的一個模型組(model set)的描
述，其中每個可以取三個值之一。圖3也描述了其中進行模型掃描的一個建
議序列。
具體實施方式
圖1圖解了用于控制過程10的示范自適應反饋/前々責(FB/FC) PID控制器。這樣的系統(tǒng)的 一般操作是本領域技術人員公知的。例如參見F. G. Shinskey,Process Control Systems: Application, Design and Tuning, 4th ed.， McGraw-Hill,New York, 1996 (RG. Shinskey,過程控制系統(tǒng)應用、i殳計和調(diào)諧(tuning),第4版，McGraw-Hill, New York, 1996 )。圖1中圖解的自適應控制系統(tǒng)包括并入反饋(FBC)控制器的PID控制器12和獨立的前饋(FFC)控制器14。
可以參見FBC輸入節(jié)點16、 FBC輸出節(jié)點18、過程輸入節(jié)點20、過程輸出節(jié)點22、前饋控制器(FFC)輸入節(jié)點24和誤差節(jié)點26來方便地描述過程控制系統(tǒng)。以對本領域內(nèi)的技術人員熟悉的方式，向由標號16a指示的、FBC輸入節(jié)點16的第一輸入施加過程設定點信號SP ( set-point )。 FBC輸入節(jié)點16的輸出16b連接到PID控制器12的輸入12a。 PID控制器12的輸出12b連接到FBC輸出節(jié)點18的第一輸入18a。 FBC豐lT出節(jié)點18的輸出18b連接到過程輸入節(jié)點22的輸入22a。過程輸入節(jié)點22的第一輸出22b ^皮反々責到FBC輸入節(jié)點16的第二輸入16c。過程輸入節(jié)點22的第二輸出22c連接到誤差節(jié)點26的第一輸入26a。圖1還圖解了過程10的輸入信號可以(例如)被稱為u(t),并且過程10的輸出信號可以被稱為y(t)。(嚴格來說，u(t)和y(t)是與過程相結合產(chǎn)生的物理現(xiàn)象的電子表示。)另外，在FFC輸入節(jié)點24的輸入24a出現(xiàn)擾動信號d(t)。擾動信號d(t)從FFC輸入節(jié)點24的第 一輸出24b連接到FFC 14的輸入14a,并且從FFC輸入節(jié)點24的第二輸出24c傳播到過程10的第二輸入10c。 FFC 14的輸出14c連接到FBC輸出節(jié)點18的輸入18c。
上述的示范反饋/前饋PID過程控制系統(tǒng)的格式和布局可以被本領域內(nèi)的普通技術人員良好地理解。圖1中圖解的附加功能部件描述了一種示范的自適應反饋/前饋PID控制器。具體地說，模型組部件28包括信號輸入28a和28b，它們分別連接到擾動信號d(t)和過程輸入信號u(t)。模型組部件28的構成是一組表示過程10的算數(shù)模型。模型組部件28的輸出28c連接到誤差節(jié)點26的輸入26b。誤差節(jié)點26的輸出26c連接到模型評估部件30的輸入30a。模型評估部件30包括模擬器(未示出)，它可以是軟件程序，用于模擬過程10,所述過程10通過由模型組部件28提供的過程參數(shù)值定義。模型評估部件30還包括一個定中心例程(未示出)，用于通過定義一個數(shù)字偏差并根據(jù)所述數(shù)字偏差來將在下一次評估中使用的模型重新定中心，來計算和補償一個參數(shù)估計偏差。模型評估部件30的輸出30b連接到參數(shù)內(nèi)插部件32的輸 入32a，并且連接到管理其部件34的輸入34a。參^t內(nèi)插部件32的輸出32b 連接到模型組部件28的輸入28d，并且參數(shù)內(nèi)插部件32的輸出32c連接到控 制器更新部件36的輸入36a?？刂破鞲虏考?6具有連接到FBC 12的第二 輸入12c的第一輸出36b，并且第二輸出36c連接到FFC 14的輸入14b。下 面深入說明部件28、 30、 34、 36和32的操作和重要性。
在操作中，包括部件28、 30、 34、 36和32的示范自適應反饋/前饋PID 控制器一般如下所述操作。自適應反饋/前饋PID控制系統(tǒng)由在模型組28中 的一個模型以數(shù)學方法來描述。在模型組28中的每個獨立模型被意欲以有限 方式復制過程10的預定參數(shù)定義。 一般地，在模型組28內(nèi)的每個模型可以 被多個參數(shù)m定義，并且每個參數(shù)可以被分配多個值n。因此，在模型組28 中的模型的總數(shù)等于N，其中N:m"。在本發(fā)明的一個示范實施例中，所述 模型的特征在于參數(shù)停滯時間(DT)、時間常數(shù)(Tc)和增益。而且，假定 每個參數(shù)已經(jīng)被分配了三個值之一停滯時間-DT+, DT, DT-;時間常數(shù) =Tc+， Tc或Tc-;增益(Gain) =Gain+, Gain, Gain-。因此，可用來近似 過程10的模型的總數(shù)是N= 33=27。每個模型將獨立地被稱為Modi,其中i =1,…，27。
在啟動才莫型評估掃描時或之前，參數(shù)內(nèi)插器32向才莫型組部件28提供一 組預定的初始化參數(shù)值。而且，如果假定三個參數(shù)DT、 Tc和Gain,并且如 果每個參數(shù)具有三個預定的初始化參數(shù)值，則參數(shù)內(nèi)插器32將向模型組部件 28提供9個參數(shù)值?？梢砸匀魏喂姆绞皆诳刂破髟O計的判斷時建立參數(shù) 值。 一般地，在自適應周期的開始時被寫入到模型組28的參數(shù)值基于在最近 的自適應周期期間計算的自適應參數(shù)值。響應于9個參數(shù)值并且在管理器34 的控制下，模型組部件28構造總共27個模型Modi，其中i= 1,...,27。管理 器34在模型評估掃描期間依序選擇和啟動模型Modi,并且向被啟動的模型 Modi施加經(jīng)由輸入28b接收的過程輸入u(t)。然后經(jīng)由才莫型組輸出28c向誤 差產(chǎn)生器節(jié)點傳送被啟動的模型Modi的結果產(chǎn)生的輸出。
圖1A圖示了示范模型組28,它包括被配置為包括多個區(qū)域的狀態(tài)變量 Sj。在狀態(tài)變量Si中i=l，...，n，并且n指示所限定的狀態(tài)的數(shù)量，狀態(tài)變量 Si表示被測量的過程擾動，它描述與被測量的過程輸入-輸出相關聯(lián)的增益或 動態(tài)。狀態(tài)變量Si—般基于過程變量，所述過程變量可以具體為擾動信號d(t)的變化、設定點SP、由激勵產(chǎn)生器38產(chǎn)生的信號和/或任何其他過程輸入或 輸出?？梢栽谶\行于模型組28內(nèi)的狀態(tài)展開例程內(nèi)將狀態(tài)變量Sj展開為過程 變量d(t)、 u(t)、 y(t)、 Y(t)、 e(t)和SP之一或多個的函數(shù)。應當注意，只要所 述例程訪問了被存儲的或?qū)崟r的、所關心的過程變量，則可以在控制系統(tǒng)的 任何部件或子部件中執(zhí)行所述狀態(tài)展開例程。狀態(tài)變量Si還可以是預定的或 用戶限定的值，它們一般被分配來說明模型Mod;可以被編組到的范圍或區(qū) 域。
由狀態(tài)變量Si限定的區(qū)域包括多個初始參數(shù)值，它們被預定來特征化區(qū) 域的通常操作。在控制器設計過程期間，可以建立被限定的區(qū)域以保證在狀 態(tài)變量的整個范圍中，模型Modj保持基本恒定。在操作中和在開始自適應周 期之前，當被測量的過程擾動從第一狀態(tài)(例如S,)向第二狀態(tài)(例如S" 改變時，與狀態(tài)Si相關聯(lián)的參數(shù)值可以與和狀態(tài)S2相關聯(lián)的參數(shù)值立即交換， 因此提高了在特定區(qū)域內(nèi)的PID控制器12和/或前饋控制器14的性能。
圖1B圖解了自適應反饋/前饋PID控制器的操作的示范流程圖。如上所 述，在控制器的初始化建立和設計期間，可以定義狀態(tài)變量Si的范圍，如在 方框40中所示?？偟臓顟B(tài)范圍可以被當作這樣的范圍，其中可以按照經(jīng)驗來 預期在過程變量或所測量的擾動輸入中的變化。范圍Si繼而是總范圍的區(qū)域， 其中過程模型被確定為基本恒定或可預測。由激勵產(chǎn)生器38、擾動信號d(t) 和/或設定點SP引起的、擾動輸入的變化然后被測量，如方框42所示。然后 如方框44所示，將過程變量的所測變化與當前范圍Si相比較，以便確定擾動 輸入是否在所選擇的區(qū)域中。如果擾動輸入在所選擇的區(qū)域內(nèi)，過程繼續(xù)測 量擾動的變化。但是，如果擾動輸入在新范圍Si內(nèi)，則用于那個狀態(tài)Si的初 始參數(shù)值被PID控制器12和/或前饋控制器14載入和使用，如方框46所示。
對于每個范圍或狀態(tài)Si限定的初始或典型參數(shù)值可以基于在所述范圍內(nèi) 測量或計算的平均參數(shù)值，或者它們可以被控制器設計人員人工輸入。典型 的參數(shù)值還可以用作與最大變化或德耳塔值(deltavalue)相結合的基準值， 用于限制在任何給定的自適應周期中由所計算的參數(shù)值經(jīng)歷的可允許變化的 量。換句話說，控制器設計人員可以響應于反常擾動信號而定義最大變化值 來限制所計算的參數(shù)的減少和/或增加。在使用用于狀態(tài)Sj的初始參數(shù)來完成 控制器時，可以執(zhí)行自適應周期，如方框48所示。下面進一步討論的自適應自適應反饋/前饋PID控制器的另 一個實施例可以包括一個狀態(tài)變量，它 具有等同于被禁止設置的空值。通常，當沒有要測量的指示狀態(tài)過程的輸入 擾動信號時，狀態(tài)變量將具有空值。
再次參見圖1,由變量Y(t)指示的模型組28的輸出信號和由變量y(t)指 示的過程10的并行輸出被提供到誤差產(chǎn)生器節(jié)點26。誤差產(chǎn)生器節(jié)點26的 輸出26c (誤差信號e(t))連接到模型評估部件30的輸入30a。誤差信號e(t) 是時間t的過程輸出y(t)和模型Mod; Y(t)的輸出之間的差。以下面充分說明的 方式，模型評估部件30計算對應于每個模型Modi的模型均方誤差，并且向 在模型Modi中表示的參數(shù)值分配模型均方誤差。
模型評估器30的輸出30b被傳送到參數(shù)內(nèi)插器32的輸入32a。參數(shù)內(nèi)插 器32計算用于模型Modj表示的參數(shù)的自適應參數(shù)值。參數(shù)內(nèi)插器32的輸出 32b連接到模型組28，并且參數(shù)內(nèi)插器32的輸出32c可以連接到控制器更新 部件36的輸入36a。輸出36b被應用到PID控制器12,輸出36c-皮應用到前 饋控制器14。在自適應周期結束時，控制器更新部件36向PID控制器12和 前饋控制器14傳送自適應參數(shù)值。圖1還圖解了激勵產(chǎn)生器部件38,它具 有與輸入節(jié)點16的輸入16d連接的輸出38a。激勵產(chǎn)生器38包括與過程輸入 節(jié)點20的輸入20c連接的輸出38b。
管理器部件34具有多個信號輸入34b、 34c、 34d，它們分別連接到過程 輸入信號u(t)、過程輸出信號y(t)和擾動信號d(t)。管理器部件34還包括與模 型評估部件30的輸出30b連接的輸入34a。管理器34包括與參數(shù)內(nèi)插器部件 32連接的第一控制輸出34e、與模型評估部件30連接的第二控制輸出34f、 與控制器更新部件36連接的第三控制輸出34g。除了執(zhí)行其他功能之外，管 理器部件34操作來檢測過程輸出y(t)的變化、來自PID控制器12的過程輸 入u(t)的變化、擾動(前饋)輸入d(t)的變化。當在這些信號y(t)、 u(t)、 d(t) 中的任何一個的幅度的變化超過預定的最小或門限電平時，管理器34啟動自 適應周期。管理器34可通信地連接到如圖1中的虛線所示的、控制信號28、 30、 32、 36、 38和24的各種元件，因此能夠確定在^^空制系統(tǒng)內(nèi)工作的獨立 元件的狀態(tài)。模型評估的 一個示范實施例包括下列步驟
(1) 識別和啟動模型狀態(tài)；
(2) 啟動模型和調(diào)諧對于當前過程輸出的模型輸出；
(3 )根據(jù)在u(t)和/或d(t)信號中的規(guī)格來增量更新模型；和(4)計算模型均方誤差或其他范數(shù)，諸如誤差的絕對值。 具體地說，反饋/前饋PID的自適應的過程基于將內(nèi)插技術應用到模型參 數(shù)值。在器件的這個示范實施例中，可以通過下面的方程對掃描中的每個模
型定義模型均方誤差E《t):
E,(t一(y(t)-Yi(t))2 [方程1]
其中
y(t)是時間t的過程輸出， Yj(t)是時間t的模型Modi的輸出， Ei(t)是與Modi相關聯(lián)的均方誤差，
E(t),(t), E2(t)"..， En(t)]是在時間t用于Modj的均方誤差向量，其中 i=l,...,N。
如果被評估的Modj所表示模型Mo(^的每個參數(shù)值，則將4莫型均方誤差 Ei(t)分配到模型Modi的每個參數(shù)值。如果在被評估的模型中未表示特定參數(shù) 值，則將所述參數(shù)值可以分配0或空值。Modw被重復評估，并且對于被評 估的模型，計算模型均方誤差E1+1(t)。所計算的模型均方誤差被分配到Modi 的每個參數(shù)值。當Ei(t)在每個模型評估期間被計算并且被分配到在各個模型 中表示的參數(shù)值時，對于每個參數(shù)值，保持被分配的模型均方誤差的累計和。 重復過程評估，直到所有的模型i-l,...，N被評估。 一個完整序列被稱為模型 掃描，在所述完整序列中，每個模型被評估一次，并且計算一個對應的模型 均方誤差E《t)。作為這個評估序列或模型掃描的結果，每個參數(shù)值被分配給 已經(jīng)使用特定參數(shù)值的所有模型的均方誤差的和。因此，作為每個模型掃描 的結果，每個參數(shù)值pW將被分配一個范數(shù)，其中k^l，…，m， l=l，...,n:
￡"(0 = i>J,(r) [方程2]
'=1
其中
EpW(t)是作為掃描t的結果被分配到參數(shù)值pk1的范數(shù)， N是模型的總數(shù)，
如果在Modi中使用參數(shù)值Pkl,則Xkl = 1,如果在Modi中不使用參數(shù)值 pkl，則Xkl = 0。
在下一次掃描中重復評估過程，并且將從在那個掃描期間所分配的均方 誤差Ei(t)的和產(chǎn)生的范數(shù)Ep、t)與在前面的掃描期間計算的范數(shù)值相結合。模型掃描的重復序列被統(tǒng)稱為自適應周期，并且在管理器34的控制下繼續(xù)直 到完成預定數(shù)量的掃描，或直到發(fā)生了對于過程輸入的足夠數(shù)量的掃描，不 論首先滿足哪個條件。
作為這個程序的結果，每個參數(shù)值已經(jīng)被賦值了在自適應周期期間確定
的范數(shù)的累計值
<formula>formula see original document page 21</formula> [方程3]
在自適應周期的結尾，對于每個參數(shù)值pkl計算和的倒數(shù)
<formula>formula see original document page 21</formula> [方程4]
由于Fkl是模型均方誤差的和的倒數(shù)，變量Fkl可以被直觀地看作對參數(shù) 值的適合度的度量。然后，對于每個參數(shù)pk，計算一個自適應參數(shù)值pk(a), 它是這個參數(shù)的所有值的加權平均
<formula>formula see original document page 21</formula> [方程5]
其中
<formula>formula see original document page 21</formula> [方程6]
<formula>formula see original document page 21</formula> [方禾呈了]
因此，每個因子fkl可以被看作各個參數(shù)值的對應標準化適合度。 如上計算的自適應參數(shù)值定義在設計中取值的一個新的模型組，它具有
中心參數(shù)值pk(a)和在上下界限之間的參數(shù)值范圍，其中k=l,...,m。變化的范 圍被限定為+A。/。到-A。/。，并且應當由兩個或多個附加參數(shù)值表示。例如，如 果自適應周期產(chǎn)生自適應參數(shù)值pk(a)，則對于新的模型評估，必須定義至少 兩個附加參數(shù)，它們?nèi)≈祊k(a)[l+A。/。]和pk(a)[l-A。/。]。換句話說，每個參數(shù)具 有用于自適應的下和上界限，以便值pk(a)被限于界P艮值。 一旦已經(jīng)更新了模 型，即當完成一個自適應周期時，根據(jù)被更新的模型參數(shù)值來進行控制器更 新，其中k-l,...,m。自適應可以應用到整個模型也可以限于模型的PID/反饋 或前饋部分，例如當實現(xiàn)預定的最小激勵水平時限于將輸出與輸入相關聯(lián)的 模型部分。另外，在控制系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)不足的激勵失敗的情況下，經(jīng)由在管理 器34的控制下工作的激勵產(chǎn)生器38,可以向反饋回路插入外部激勵。
自適應還可以以序列方式實現(xiàn)，例如，能在自適應可以是DT的單個參 數(shù)值的同時，保持剩余的參數(shù)(例如Tc和Gain)恒定。以這種方式，每個參 數(shù)可以被自適應，并且同時保持剩余的參數(shù)恒定，所述剩余參數(shù)可能已經(jīng)或可能還未在前面的自適應周期中被自適應。序列自適應方法有益地提供對于
期望的自適應參數(shù)值pk(a)的較快收斂。
圖2圖解了示范的自適應參數(shù)內(nèi)插程序，包括用于反饋和前饋控制回^各
的一階力口葉亭)'帶時間過牙呈才莫型(first order plus dead time process model )。只于于這 個特定的示例，假定對于每個參數(shù)定義三個值，并且周期的自適應范圍被預 定為(+△%)到(-△%)。然后，對于每個過程輸入u(t)和擾動d(t)，遭遇在 圖3中描述的模型。在圖3中
DT是停滯時間參數(shù)的中心值；
(DT畫)是(DT-Ao/o);
(DT+)是(DT+A。/o);
Tc是時間常數(shù)參數(shù)的中心值；
(Tc-)是(Tc-△%);
(Tc+)是(Tc+A0/0》
是增益(Gain)參數(shù)的中心值；
(Gain-)是(Gain-Ao/o);
(Gain+)是(Gain+A0/0)。
從圖3的配置產(chǎn)生的轉換的組合的數(shù)量是3 x 3 x 3 = 27。但是，如果在 圖2的模型中的兩個輸入用于自適應，則轉換組合的數(shù)量提高到272 = 729。 這些模型組合雖然在數(shù)量上很大，但是對于每個參數(shù)^l僅需要三個值，這簡 化了模型計算。簡化的模型計算被實現(xiàn)，因為控制器自適應參數(shù)評估而不是 模型評估驅(qū)動。因此，必須根據(jù)在反饋回路中的9個參數(shù)值和在前饋回路中 的9個參數(shù)值來執(zhí)行自適應。結果，在所公開的自適應程序中被評估的參數(shù) 的數(shù)量與參數(shù)的數(shù)量成比例地變化，這與在現(xiàn)有技術的模型評估技術中具有 的指數(shù)變化不同。
可以通過控制其中向模式給予參數(shù)值的序列來限制計算要求。例如，可 以在i者如Gain這才羊的無i己憶參凄t ( memoryless parameter)之前提供i者^口1亭〉'帶 時間這樣的有記憶參數(shù)(memory parameter)。因此，圖3所示的示范序列是 停滯時間(DT)、時間常數(shù)(Tc)，然后是Gain。
在將每個模型輸出與當前過程輸出比較之后，可以構造均方誤差的和的 表格。在完成自適應周期時，可以計算用于每個參數(shù)的自適應參數(shù)，如表1 所示。參數(shù)值均方誤差(SE)倒SE自適應參凄史值
停滯時間DT-， DT， DT+方程(l)， (2)， (3)方程(6)和(7)方程(5)
滯后Tc-, Tc, Tc+
增益Gain-，Gain,Gain十
表1 一階加停滯時間自適應過程模型內(nèi)插一旦已經(jīng)完成了模型自適應周期，并且按照上述的表1建立了自適應參
數(shù)值，通過控制器更新部件36的操作來影響控制器更新。實質(zhì)上，控制器更
新部件36將新計算的自適應過程參數(shù)值p、a)映射到用于特征化PID控制器
12和/或前饋控制器14的參數(shù)更新值。例如，過程參數(shù)DT、 Tc和Gain可以
被映射到控制器參數(shù)Reset、 Rate和Gain。因為說明了 一個完整的一階加停
滯時間過程模型，因此可以應用任何公知的調(diào)諧規(guī)則，其中包括拉姆達或NC
調(diào)諧。對于前饋路徑，動態(tài)前饋控制器設計方程已經(jīng)顯示出可以適用 —[方程8] # 《w 1 +
其中
Gff =前饋控制器傳遞函數(shù)， Kd =前饋過程動態(tài)的靜態(tài)增益， Ku =反饋過程動態(tài)的靜態(tài)增益， Td =前饋過程動態(tài)的時間常數(shù)， Tu =反饋過程動態(tài)的時間常數(shù)。
總之，上述的自適應反饋/前饋控制器代表對于在可升級的過程控制系統(tǒng) 中自動調(diào)諧技術的實質(zhì)增強。
雖然已經(jīng)參照意欲指示和圖解本發(fā)明的特定實施例而說明了本發(fā)明，所 公開的自適應反饋/前饋控制器不限于那些實施例?？梢杂稍诒绢I域內(nèi)的技術 人員實現(xiàn)各種修改、改進和增加，并且這樣的修改、改進和增加將不脫離由 所附的權利要求限定的本發(fā)明的范圍。
例如，如上所述，控制器自適應依據(jù)用于在控制下構造過程的數(shù)學模型 的參數(shù)的統(tǒng)計內(nèi)插。雖然過程的特征在于三個參數(shù)DT、 Tc和Gain,并且那些參數(shù)的每個被分配三個值，但是所公開的自適應反饋/前饋控制器清楚地擴 展到另一個和/或不同數(shù)量的參數(shù)，每個可能包括不同數(shù)量的被分配值。另夕卜，
模型評估和參數(shù)內(nèi)插已經(jīng)圖解為被識別為模型組28、模型評估器30、管理器 34、參數(shù)內(nèi)插器32和控制器更新36的獨立部件。本領域的技術人員可以明 白，獨立部件的劃分對于負責控制器實現(xiàn)和操作的人員是任意的。類似地， 所公開的系統(tǒng)的功能可以通過硬件或軟件或兩者的組合來實現(xiàn)。這種自然的 變化被認為是等效的。
的偏離。因此，所附的權利要求被正確地解釋為包含落入本發(fā)明的真實精神 和范圍的所有修改、變化和改進以及其實質(zhì)等同物。因此，本發(fā)明的其他實 施例雖然在此未被說明，但是仍然被當作在由所附的權利要求限定的本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
權利要求
1. 一種過程控制系統(tǒng)中的自適應控制器設計方法，包括步驟(a)編譯用于過程的模型組，其中每個模型的特征在于多個參數(shù)，并且在每個模型中，每個參數(shù)具有從一組預定初始值中選擇的相應值；(b)評估每個模型，由此在評估每個模型期間計算模型均方誤差；(c)向模型中表示的每個參數(shù)值分配一個范數(shù)，其中所述范數(shù)的特征在于其中Epkl(t)是作為掃描t的結果而分配給參數(shù)值pkl的范數(shù)，N是模型的總數(shù)，和如果在模型Modi之一中使用參數(shù)值pkl，則Xkl＝1，和如果在模型Modi之一中未使用參數(shù)值pkl，則Xkl＝0；和(d)對于每個參數(shù)，計算自適應參數(shù)值，所述自適應參數(shù)值是所述一組預定初始值中包含的值的加權平均；和(e)響應于所述自適應參數(shù)值，重新設計所述控制器。
2. 如權利要求1所述的自適應控制器設計方法，其中與每個參數(shù)相關聯(lián) 的所述一組初始值包括中心參數(shù)值、上限參數(shù)值和下限參數(shù)值。
3. 如權利要求2所述的自適應控制器設計方法，其中上限參數(shù)值是離中 心參數(shù)值+A。/。的偏移，下限參數(shù)值是離中心參數(shù)值-A。/。的偏移。
4. 如權利要求2所述的自適應控制器設計方法，其中，通過將在給定時 間的過程輸出y(t)與在那個時間的模型輸出Y,(t)相比較，并且通過對于模型 Mod,的每個參數(shù)計算相應模型均方誤差(r) = 0<r)-K0))2和范數(shù)，來評估每個模型Mod,。
5. 如權利要求1所述的自適應控制器設計方法，其中，(i)對第一模型 組執(zhí)行第一評估掃描，并且其中在第一評估掃描期間，基于在第一評估掃描 期間的瞬時過程輸出和模型輸出之間的差來評估每個模型，并且對于在第一 評估掃描中評估的模型中表示的每個參數(shù)值計算第一范數(shù)；(ii)對第一模型 組執(zhí)行第二評估掃描，其中在第二評估掃描期間，基于在第二評估掃描期間的瞬時過程輸出和^^型輸出之間的差來評估每個^^莫型，并且對于在第二評估掃描中評估的模型中表示的每個參數(shù)值，計算第二范數(shù)；(iii)將每個參數(shù)值 的第二范數(shù)與每個參數(shù)值的第一范數(shù)相加，以確定各個參數(shù)值的總計范數(shù)； (iv)執(zhí)行附加的評估掃描以便完成自適應循環(huán)，并且在每個附加的評估掃描 的期間，計算每個參數(shù)的相應范數(shù)，并且然后將那個范數(shù)與相應參數(shù)值的現(xiàn) 有總計范數(shù)相加，以便形成相應參數(shù)值的當前總計范數(shù)， 一旦完成組成自適 應循環(huán)的評估掃描，就產(chǎn)生最終范數(shù)；(v)將用于每個參數(shù)的自適應參數(shù)值計 算為與相應參數(shù)相關聯(lián)的加權預定初始值之和，其中每個自適應參數(shù)值被相 應加權因子加權，并且用于參數(shù)值的加權因子是對于所有參數(shù)值的總計范數(shù) 的總和與對于相應參數(shù)值計算的總計范數(shù)相除的商。
6. 如權利要求1所述的自適應控制器設計方法，其中模型均方誤差E,(t) 被計算為E/(t)Ky(t)-Y,(t))2，其中y(t)是在特定時間的過程輸出，Y,(t)是在那個 時間的模型輸出。
7. 如權利要求1所述的自適應控制器設計方法，其中用于參數(shù)的自適應 參數(shù)值由加權參數(shù)值之和組成，其中應用于每個參數(shù)值的加權因子與參數(shù)適 合度成比例。
8. 如權利要求7所述的自適應控制器設計方法，其中用于參數(shù)的自適應 參數(shù)值被計算為參數(shù)的加權值之和，其中應用于每個參數(shù)值的加權因子與參 數(shù)適合度成比例。
9. 如權利要求8所述的自適應控制器設計方法，其中向模型中表示的每 個模型參數(shù)值分配一個范數(shù)，其中所述范數(shù)是在評估每個模型期間計算的模 型均方誤差之和。
10. 如權利要求9所述的自適應控制器設計方法，其中模型均方誤差E,(t) 被計算為E/(t)=(y(t)-Y/(t))2，其中y(t)是在特定時間的過程輸出，Y,(t)是在那個 時間的模型輸出。
11. 如權利要求1所述的自適應控制器設計方法，其中過程模型的參數(shù) 包括有記憶參數(shù)、和無記憶參數(shù)，并且其中過程建模順序首先考慮有記憶參 數(shù)，然后考慮無記憶參數(shù)。
12. 如權利要求11所述的自適應控制器設計方法，其中與每個參數(shù)相關 聯(lián)的所述一組初始值包括中心參數(shù)值、上限參數(shù)值和下限參數(shù)值。
13. 如權利要求12所述的自適應控制器設計方法，其中上限參數(shù)值是離中心參數(shù)值+A。/。的偏移，下限參數(shù)值是離中心參凄史值-A。/。的偏移。
14. 如權利要求11所述的自適應控制器設計方法，其中通過將在給定時 間的過程輸出y(t)與在那個時間的模型輸出Y,(t)相比較，并且通過對于模型 Mod,計算相應模型均方誤差AOX:KO-"(0)2,來評估每個模型Mod,。
15. 如權利要求ll所述的自適應控制器設計方法，其中向模型中表示的 每個模型參數(shù)值分配一個范數(shù)，其中所述范數(shù)是在評估每個模型的期間計算 的模型均方誤差之和。
16. 如權利要求11所述的自適應控制器設計方法，其中模型均方誤差 E,(t)被計算為E/(t一(y(t)-Y/(t))2,其中y(t)是在特定時間的過程輸出，Y,(t)是在 那個時間的模型輸出。
17. 如權利要求11所述的自適應控制器設計方法，其中用于參數(shù)的自適 應參數(shù)值被計算為加權參數(shù)值之和，其中應用于每個參數(shù)值的加權因子與參 數(shù)值的相對適合度成比例。
18. 如權利要求17所述的自適應控制器設計方法，其中用于參數(shù)的自適 應參數(shù)值被計算為加權參數(shù)值之和，其中應用于每個參數(shù)值的加權因子與參 數(shù)適合度成比例。
19. 如權利要求l所述的自適應控制器設計方法，其中控制器是PID型 控制器。
20. 如權利要求1所述的自適應控制器設計方法，其中控制器包括一個 或多個前々責輸入。
21. 如權利要求l所述的自適應控制器設計方法，其中控制器是多輸入 多輸出控制器。
22. 如權利要求l所述的自適應控制器設計方法，其中控制器是模型預 測控制器。
23. —種調(diào)諧過程控制器以控制受控過程的方法，包括 對于與普通過程模型相關聯(lián)的多個模型參數(shù)中的每一個，定義大量模型參數(shù)值，所述普通過程模型表示受控過程；創(chuàng)建一組單獨過程模型，其中所述一組單獨過程模型中的每一個是使用 用于所迷多個模型參數(shù)中的每一個的大量模型參數(shù)值之一從所述普通過程模 型形成的，并且其中所述一組單獨過程模型中的每一個是使用用于模型參數(shù) 的模型參數(shù)值的不同組合而形成的；執(zhí)行模型掃描，包括對一個或多個過程輸入執(zhí)行所述單獨過程模型中的每一個，以便對 于所述單獨過程模型中的每一個產(chǎn)生模型輸出，將所述單獨過程模型中的每一個的輸出與過程輸出相比較，以便對 于所述單獨過程模型中的每一個確定模型誤差值，對于每個單獨過程模型，將用于所述單獨過程模型的模型誤差值與 在那個單獨過程模型中使用的每個模型參數(shù)值相結合，和對于每個模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值，從與那個模型參數(shù)值相關聯(lián)的模型誤差值中計算模型參數(shù)值范數(shù)；對于每個模型參數(shù)，從對于那個模型參數(shù)的大量參數(shù)值計算的模型參數(shù) 值范數(shù)中確定新模型參數(shù)值，以便創(chuàng)建對于每個模型參數(shù)包括一個新模型參 數(shù)值的一組新^^莫型參數(shù)值；和從所述一組新模型參數(shù)值中確定一個或多個過程控制器調(diào)諧值。
24. 如權利要求23所述的方法，還包括通過在不同時間執(zhí)行兩個或多個 模型掃描以便產(chǎn)生用于與每個模型掃描相關聯(lián)的每個模型參數(shù)值的模型參數(shù) 值范數(shù)，來執(zhí)行自適應循環(huán)，并且其中確定用于特定模型參數(shù)的新模型參數(shù) 值包括組合用于特定模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值的、與所述兩個或多個模型 掃描中的每個模型掃描相關聯(lián)的模型參數(shù)值范數(shù)。
25. 如權利要求24所述的方法，其中組合用于特定模型參數(shù)的每個模型 參數(shù)值的模型參數(shù)值范數(shù)包括將為來自所述兩個或多個模型掃描的每個模 型掃描的特定模型參數(shù)值創(chuàng)建的模型參數(shù)值范數(shù)求和。
26. 如權利要求25所述的方法，其中確定用于每個模型參數(shù)的新模型參 數(shù)值包括對于特定模型參數(shù)，從用于特定模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值的模 型參數(shù)值范數(shù)之和中計算用于特定模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值的加權值，并 且使用用于特定模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值的加權值來確定用于特定模型參 數(shù)的新模型參數(shù)值。
27. 如權利要求26所述的方法，其中確定特定模型參數(shù)的模型參數(shù)值之 一的加權值包括反轉用于所述模型參數(shù)值之一 的模型參數(shù)值范數(shù)之和。
28. 如權利要求26所述的方法，其中對于與所述普通過程模型相關聯(lián)的 多個模型參數(shù)中的每個模型參數(shù)定義大量模型參數(shù)值包括將用于模型參數(shù)之 一的大量模型參數(shù)值中的一個定義為在先前自適應循環(huán)中確定的用于模型參數(shù)之一的新模型參數(shù)值。
29. 如權利要求28所述的方法，其中對于與所述普通過程模型相關聯(lián)的 多個模型參數(shù)中的每個模型參數(shù)定義大量模型參數(shù)值包括將用于模型參數(shù)之 一的大量模型參數(shù)值中的其他模型參數(shù)值定義為在先前自適應循環(huán)中確定的 用于該模型參數(shù)之一的新模型參數(shù)值的函數(shù)。
30. 如權利要求23所述的方法，其中將每個所述單獨過程模型的輸出與 過程輸出相比較以確定用于每個單獨過程模型的誤差值包括確定每個單獨過 程模型的輸出與過程輸出之間的均方誤差，以便確定用于每個單獨過程模型 的模型誤差值。
31. 如權利要求23所述的方法，其中計算用于特定模型參數(shù)值的模型參 數(shù)值范數(shù)包括將與所述特定模型參數(shù)值相關聯(lián)的模型誤差值求和。
32. 如權利要求23所述的方法，還包括將所述一個或多個過程控制器 調(diào)諧值提供給所述過程控制器以用于控制受控過程。
33. —種用于調(diào)諧受控過程的過程控制器的調(diào)諧系統(tǒng)，包括 用于存儲表示受控過程的普通過程模型的存儲設備；用于存儲用于與所述普通過程模型相關聯(lián)的多個模型參數(shù)中的每一個的 大量模型參數(shù)值的存儲設備；和 調(diào)諧系統(tǒng)，包括，存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的模型創(chuàng)建例程，用于創(chuàng) 建一組單獨過程模型，其中所述單獨過程模型中的每一個是使用用于所 述多個模型參數(shù)中的每一個的大量模型參數(shù)值之一從所述普通過程模型 中形成的，并且其中所述一組單獨過程模型中的每一個是使用用于模型 參數(shù)的模型參數(shù)值的不同組合而形成的；存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的模型執(zhí)行例程，用于執(zhí) 行一個或多個模型掃描，每個模型掃描包括對一個或多個過程輸入執(zhí)行所述單獨過程模型中的每一個，以 便對于所述單獨過程模型中的每一個產(chǎn)生模型輸出，將所述單獨過程模型中的每一個的輸出與過程輸出相比較，以 便確定用于所述單獨過程模型中的每一個的模型誤差值；對于每個單獨過程模型，將用于所述單獨過程模型的模型誤差 值與在那個單獨過程模型中使用的每個模型參數(shù)值相結合；和對于每個模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值，從與那個模型參數(shù)值相 關聯(lián)的模型誤差值計算模型參數(shù)值范數(shù)；存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的模型參數(shù)值確定例程， 用于確定用于每個模型參數(shù)的新模型參數(shù)值，其中用于特定模型參數(shù)的 新模型參數(shù)值是從對于所述特定模型參數(shù)的大量參數(shù)值確定的模型參數(shù)值范數(shù)創(chuàng)建的；和存儲在存儲器中的、將要在處理器上執(zhí)行的調(diào)諧參數(shù)例程，用于從 用于模型參數(shù)的新模型參數(shù)值中確定將被過程控制器使用的一個或多個 過程控制器調(diào)諧值。
34. 如權利要求33所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中模型執(zhí)行例程通過在不同時間 執(zhí)行兩個或多個模型掃描以便在所述兩個或多個模型掃描中的每個模型掃描 期間產(chǎn)生用于每個模型參數(shù)值的模型參數(shù)值范數(shù)，而執(zhí)行模型自適應循環(huán)， 并且其中模型參數(shù)值確定例程通過組合在特定模型參數(shù)的模型參數(shù)值的自適 應循環(huán)的所述兩個或多個模型掃描期間確定的模型參數(shù)值范數(shù)來確定用于特 定模型參數(shù)的新模型參數(shù)值，以便產(chǎn)生用于該特定模型參數(shù)的新模型參數(shù)值。
35. 如權利要求34所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型執(zhí)行例程通過將對于 在所述兩個或多個模型掃描的每個模型掃描期間產(chǎn)生的特定模型參數(shù)值創(chuàng)建 的模型參數(shù)值范數(shù)求和，來組合用于所述特定一個模型參數(shù)的特定一個模型 參數(shù)值的模型參數(shù)值范數(shù)。
36. 如權利要求35所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型參數(shù)值確定例程通過 從用于特定模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值的模型參數(shù)值范數(shù)之和計算用于特定 模型參數(shù)的每個模型參數(shù)值的加權值、并且使用用于特定模型參數(shù)的每個模 型參數(shù)值的加權值來確定用于特定模型參數(shù)的新模型參數(shù)值，來確定用于所 述特定模型參數(shù)的新模型參數(shù)值。
37. 如權利要求36所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型參數(shù)值確定例程通過 反轉用于特定模型參數(shù)的特定模型參數(shù)值的模型參數(shù)值范數(shù)之和，來計算用 于所述特定模型參數(shù)的特定模型參數(shù)值的加權值。
38. 如權利要求36所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型創(chuàng)建例程通過將用于 模型參數(shù)之一的大量模型參數(shù)值中的至少一個定義為在先前自適應循環(huán)中確 定的用于該模型參數(shù)之一的新模型參數(shù)值，來為與所述普通過程模型相關聯(lián) 的多個模型參數(shù)中的每一個定義大量模型參數(shù)值。
39. 如權利要求38所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型創(chuàng)建例程通過將用于 模型參數(shù)之一的其他大量模型參數(shù)值定義為在先前自適應循環(huán)中確定的用于 該模型參數(shù)之一的新模型參數(shù)值的函數(shù)，來定義用于與所述普通過程模型相 關聯(lián)的多個模型參數(shù)中的每一個的大量模型參數(shù)值。
40. 如權利要求33所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型執(zhí)行例程將用于所述 單獨過程模型之一的模型誤差值確定為所述單獨過程模型之一的輸出與過程 輸出之間的均方誤差。
41. 如權利要求33所述的調(diào)諧系統(tǒng)，其中所述模型執(zhí)行例程通過對與特 定模型參數(shù)值相關聯(lián)的模型誤差值求和來計算用于特定模型參數(shù)值的模型參 數(shù)值范數(shù)。
42. 如權利要求33所述的調(diào)諧系統(tǒng)，還包括存儲在存儲器中的、將要在 處理器上執(zhí)行的狀態(tài)機例程，用于監(jiān)視所述受控過程的一個或多個過程變量， 以便確定所述受控過程何時從一個預定狀態(tài)移動到另一個預定狀態(tài)，并且當 所述受控過程從一個預定狀態(tài)移動到另一個預定狀態(tài)時實施調(diào)諧例程。
全文摘要
一種基于狀態(tài)的自適應反饋/前饋PID控制器包括模型組部件，它可通信地連接到一個過程輸入，具有定義多個過程區(qū)域的狀態(tài)變量和多個被編組為過程區(qū)域的模型。每個被編組的模型包括多個參數(shù)，它們具有從被分配到相應參數(shù)的一組預定初始值選擇的一個值。自適應控制器還包括誤差產(chǎn)生器，它可通信地連接到模型組部件和過程輸出；模型評估部件，被配置來計算對應于一個模型的模型均方誤差，并且將所述模型均方誤差與在模型中表示的參數(shù)值相關聯(lián)；參數(shù)內(nèi)插器，它可通信地連接到模型評估部件，用于計算用于在模型中表示的參數(shù)的相應自適應參數(shù)值；以及控制器更新部件，用于響應于在自適應周期結束時的自適應參數(shù)值而更新控制器。
文檔編號G05B13/04GK101477333SQ20081018599
公開日2009年7月8日 申請日期2004年4月21日 優(yōu)先權日2003年4月21日
發(fā)明者威廉·K·沃杰茨尼斯, 特倫斯·L·布萊文斯 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司