專利名稱：跟蹤模擬方法
跟蹤模擬方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及通過自動(dòng)化系統(tǒng)控制工業(yè)過程。
背景技術(shù)：
過程控制或自動(dòng)化系統(tǒng)被用于自動(dòng)控制諸如化學(xué)、煉油、紙漿造紙工廠的工業(yè)過 程。過程自動(dòng)化系統(tǒng)常使用網(wǎng)絡(luò)以互連傳感器、控制器、操作員終端和致動(dòng)器。過程自動(dòng)化 包括使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件工程以幫助發(fā)電廠和工廠更安全有效地工作。
過程模擬是用于研究和分析實(shí)際或理論系統(tǒng)的行為和性能的軟件中的工業(yè)過程 和單位操作的基于模型的表示。不是在真實(shí)世界系統(tǒng)上，而是在出于研究某些系統(tǒng)力學(xué)和 特性的目的產(chǎn)生的系統(tǒng)的(通?；谟?jì)算機(jī)的)模型上執(zhí)行模擬研究。任何模型的目的是， 使得其用戶能夠通過研究和分析模型得出關(guān)于真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)論。與分析真實(shí)系統(tǒng)相對(duì)，開 發(fā)模型的主要原因包括經(jīng)濟(jì)性、“真實(shí)”系統(tǒng)的不可用和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的元件之間的關(guān)系的更深 的理解的目的。
過程模擬總是使用引入近似和假定但允許在不能被真實(shí)數(shù)據(jù)覆蓋的諸如溫度和 壓力的廣泛的性能上描述性能的模型。模型還允許內(nèi)插和外推一在某些極限內(nèi)一并使得能 夠搜索已知的性能的范圍外面的條件。在過程自動(dòng)化中，模擬器可使用測(cè)量，以不僅表示工 廠如何工作，而且模擬不同的操作模型并找到最適于工廠的策略。
為了允許操作員預(yù)期某些情況并能夠適當(dāng)?shù)胤磻?yīng)以及基于一些準(zhǔn)則測(cè)試和選擇 替代方案、測(cè)試為什么在考慮的系統(tǒng)的操作中出現(xiàn)某些現(xiàn)象、洞察哪些變量對(duì)于性能最重 要以及這些變量如何交互作用、識(shí)別過程中的瓶頸、更好地理解系統(tǒng)如何實(shí)際地操作(與每 個(gè)人認(rèn)為它如何操作不同)以及比較替代方案并減少?zèng)Q定的風(fēng)險(xiǎn)，可以在任務(wù)或情境訓(xùn)練 區(qū)域中使用模擬。
基本的過程模擬器可在不與模擬過程實(shí)時(shí)連接的情況下運(yùn)行。在圖1A中示出該 方法。自動(dòng)化系統(tǒng)(例如，分布控制系統(tǒng)，DCS)2被配置為控制真實(shí)工業(yè)過程3。如虛線所 示，同一自動(dòng)化系統(tǒng)也可被配置為控制運(yùn)行工業(yè)過程的模型的過程模擬器4。一般地，這種 過程模擬器，不管它是靜態(tài)模擬器還是動(dòng)態(tài)模擬器，都不能使其行為適于現(xiàn)實(shí)。而其輸出是 編程的模型的結(jié)果。因此，由于總是存在未知的輸入和隨時(shí)間改變的參數(shù)，因此，如果過程 模擬器與真實(shí)過程并行地運(yùn)行，那么它一般偏離真實(shí)過程。作為替代方案，過程模擬器4可 在過程設(shè)計(jì)和測(cè)試中或者出于訓(xùn)練目的被離線使用。在這種情況下，可能根本不存在真實(shí) 過程3，并且/或者自動(dòng)化系統(tǒng)2被連接以僅控制過程模擬器。
另一方面，跟蹤模擬器具有使其行為適于現(xiàn)實(shí)的能力。如圖1B所示，跟蹤模擬器5 是與真實(shí)過程并行地實(shí)時(shí)運(yùn)行的過程模擬器，并且具有與真實(shí)過程3的連接。具體而言，跟 蹤模擬器5從真實(shí)過程3接收過程測(cè)量值，并能夠通過比較真實(shí)過程測(cè)量值與模擬器輸出 校正其自身的行為(模型)。在圖1B中，比較器(減法器)6和7從真實(shí)過程測(cè)量值和模擬器 輸出產(chǎn)生誤差信號(hào)，并且，更新算法塊8更新模擬器模型9的參數(shù)，使得減少真實(shí)過程測(cè)量 值與模擬器輸出之間的誤差(差值)。在Nakaya et al.，MODEL PARAMETER ESTIMATION BYTRACKING SIMULATOR FOR THE INNOVATION OF PLANT OPERATION, Proceedings of thel7th IFAC World Congress, p. 2168-2173，Seoul, Korea, 2008 中公開了跟蹤模擬器的例子。已知的參數(shù)算法可由式(I)給出
P (k) =p (k~l) +Ke (k) (I)
其中，p(k)是更新的模擬參數(shù)，K是參數(shù)更新常數(shù)，并且，e(k)是真實(shí)過程測(cè)量值與各模擬器輸出之間的誤差，并且，k是指數(shù)，其中，k= 1、2、…。圖1C是示出現(xiàn)有技術(shù)的用于一個(gè)參數(shù)的更新算法的框圖。比較器6或7接收對(duì)于(+ )輸入的過程測(cè)量值和對(duì)于(-) 輸入的模擬器輸出，并且輸出誤差信號(hào)e(k)。誤差信號(hào)e(k)在乘法器單元81中乘以參數(shù)更新常數(shù)K，并且，相乘的誤差信號(hào)Ke (k)被施加到加法器82的(+ )輸入，而作為其先前的計(jì)算循環(huán)的P (k)值的先前的參數(shù)值P (k-Ι)從1/Z單元83被施加到加法器82的另一(+ ) 輸入。單元83的功能可由式(2)限定
P (k~l) = 1/Z * P (k) (2)
其中，1/Z是以一個(gè)采樣瞬時(shí)延遲信號(hào)的單一元件緩沖器。
作為結(jié)果，加法器82的輸出是根據(jù)上式更新的估計(jì)的參數(shù)P (k)。參數(shù)p(k)被施加到模擬器9，并且還被反饋到1/Z單元83。與這種類型的已知的跟蹤模擬器相關(guān)的主要問題在于，參數(shù)更新相對(duì)較慢，并且，選擇或計(jì)算過程參數(shù)的參數(shù)更新常數(shù)K是困難和麻煩的。應(yīng)當(dāng)注意，一般地，在模擬模型中，存在大量應(yīng)跟蹤和更新的過程參數(shù)，每個(gè)需要單獨(dú)的參數(shù)更新常數(shù)K。
Fukano et al. , Application of Tracking Simulator to Steam Reforming Process, Yokogawa Technical Report English Edition, No. 43 (2007)，p. 13-16 公開了跟蹤模擬器的應(yīng)用例子。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供模擬工業(yè)過程的新方法。通過所附的獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。在從屬權(quán)利要求中公開本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種模擬工業(yè)過程的方法，該方法包括
接收通過控制工業(yè)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)提供的多個(gè)控制輸入；
從工業(yè)過程接收多個(gè)過程測(cè)量值；
通過使用工業(yè)過程的模型與工業(yè)過程同步且并行地模擬工業(yè)過程；
提供來自工業(yè)過程的模型的多個(gè)模擬輸出，所述多個(gè)模擬輸出中的每一個(gè)是所述多個(gè)過程測(cè)量值中的相應(yīng)的一個(gè)的模擬版本；
用基于所述多個(gè)過程測(cè)量值和所述多個(gè)模擬輸出產(chǎn)生的多個(gè)調(diào)整參數(shù)調(diào)整工業(yè)過程的模型；和
通過比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或類似的控制器產(chǎn)生所述多個(gè)調(diào)整參數(shù)中的至少一個(gè)。
根據(jù)實(shí)施例，方法包括通過自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化控制器調(diào)諧工具配置比例積分 (PD或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或類似的控制器。
根據(jù)實(shí)施例，方法包括通過比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或類似的控制器以外的裝置產(chǎn)生所述多個(gè)調(diào)整參數(shù)中的至少另一個(gè)。
根據(jù)實(shí)施例，方法包括通過基于搜索的優(yōu)化算法產(chǎn)生所述多個(gè)調(diào)整參數(shù)中的至少 另一個(gè)。
根據(jù)實(shí)施例，所述基于搜索的優(yōu)化算法包含Nelder-Mead算法和/或誤差平方 (SE)算法。
根據(jù)實(shí)施例，方法包括產(chǎn)生和輸出估計(jì)工業(yè)過程的內(nèi)部行為或參數(shù)但對(duì)于從工業(yè) 過程測(cè)量不可行的軟測(cè)量值。
根據(jù)實(shí)施例，所述輸出包含在屏幕上顯示所述軟測(cè)量值數(shù)據(jù)和/或在存儲(chǔ)介質(zhì)中 存儲(chǔ)軟測(cè)量值數(shù)據(jù)。
根據(jù)實(shí)施例，所述輸出包含向用于控制或優(yōu)化工業(yè)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)和/或向出 于維護(hù)目的的維護(hù)系統(tǒng)發(fā)送軟測(cè)量值數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的另一方面是一種用于估計(jì)工業(yè)過程的將來的行為的根據(jù)以上的權(quán)利要 求中的任一項(xiàng)的方法的用途。
本發(fā)明的另一方面是一種用于測(cè)試工業(yè)過程對(duì)于不同的控制情況的響應(yīng)的根據(jù) 以上的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法的用途。
本發(fā)明的另一方面是一種包括用于實(shí)現(xiàn)以上的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法的裝 置的跟蹤模擬器。
本發(fā)明的另一方面是一種包括用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)以上的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法 的裝置的自動(dòng)化系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一方面是一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包括用于在所述程序在計(jì)算 機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行根據(jù)以上的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的方法的程序代碼。
本發(fā)明的另一方面是一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī) 可讀介質(zhì)上的用于在所述程序產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行根據(jù)以上的權(quán)利要求中的任一 項(xiàng)的方法的程序代碼裝置。


以下，參照附圖通過示例性實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中，
圖1A是示出現(xiàn)有技術(shù)的沒有與模擬的過程的實(shí)時(shí)連接的模擬器的框圖1B是示出現(xiàn)有技術(shù)的跟蹤模擬器的框圖1C是示出圖1B所示的現(xiàn)有技術(shù)的跟蹤模擬器的更新機(jī)制的框圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的跟蹤模擬器的簡(jiǎn)化框圖2B是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的基于比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù) (PID)控制器或類似的控制器的更新機(jī)制的簡(jiǎn)化框圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的“混合”跟蹤模擬器的簡(jiǎn)化框圖4是示出熱交換器過程中的跟蹤模擬器的示例性應(yīng)用的簡(jiǎn)化框圖5表示用于圖4所示的跟蹤模擬器中的PI控制器的調(diào)諧時(shí)的Metso DNAauto 調(diào)諧工具中的調(diào)諧示圖的例子；
圖6表示可關(guān)于熱交換器的操作向操作員顯示的Metso DNA系統(tǒng)中的示例性示 圖。
具體實(shí)施方式
在圖2A中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例?？膳c任何自動(dòng)化系統(tǒng)(過程控制系統(tǒng))2 和任何工業(yè)過程2等關(guān)聯(lián)地應(yīng)用本發(fā)明。工業(yè)過程3可包含但不限于諸如紙漿造紙、煉油、 石化和化學(xué)工業(yè)的處理工業(yè)中的過程和發(fā)電廠中的過程等。存在用于自動(dòng)化系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)。例如，自動(dòng)化系統(tǒng)2可以是本領(lǐng)域公知的直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)或分布控制系統(tǒng) (DCS)0這種分散式自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)例子是由Metso Automation Inc提出的MetsoDNA (DNA、動(dòng)態(tài)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò))?？刂浦T如造紙廠的整個(gè)工廠的生產(chǎn)活動(dòng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的中央處理單元常被稱為控制室，該控制室可由一個(gè)或多個(gè)控制室計(jì)算機(jī)/程序和過程控制計(jì)算機(jī)/程序以及自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。自動(dòng)化系統(tǒng)2可包含相互耦合不同的過程控制部件或計(jì)算機(jī)的過程總線/網(wǎng)絡(luò)和/或控制室總線/網(wǎng)絡(luò)?？刂剖铱偩€/網(wǎng)絡(luò)可以互連自動(dòng)化系統(tǒng) 2的用戶界面部件?？刂剖铱偩€/網(wǎng)絡(luò)可以是例如基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)絡(luò)。過程總線/網(wǎng)絡(luò)又可以互連過程控制部件。例如，過程總線/網(wǎng)絡(luò)可基于確定性的令牌通過協(xié)議。過程控制器也可與控制室網(wǎng)絡(luò)連接，從而允許過程控制器與用戶界面之間的通信。但是，應(yīng)當(dāng)理解，這不是要將本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域限于自動(dòng)化系統(tǒng)2的任何特定的實(shí)現(xiàn)。
由自動(dòng)化系統(tǒng)2控制的過程3 —般包含廠區(qū)(現(xiàn)場(chǎng))中的諸如致動(dòng)器、閥、管和傳感器的大量的現(xiàn)場(chǎng)器件。存在各種替代性的配置自動(dòng)化系統(tǒng)2與過程3(例如，現(xiàn)場(chǎng)器件)之間的互連的方式，諸如二導(dǎo)線雙絞線回路(4 20mA模擬信號(hào))、HART (Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議和其它的現(xiàn)場(chǎng)總線(例如，F(xiàn)ieldbus和Profibus)。但是,應(yīng)當(dāng)理解，例如控制室與現(xiàn)場(chǎng)器件之間的自動(dòng)化系統(tǒng)2與過程3之間的互連的類型或?qū)崿F(xiàn)可基于上述的替代方案中的任一種或它們的任意的組合或任何其它的實(shí)現(xiàn)。由于工廠被更新并且在長(zhǎng)的時(shí)間周期上逐漸擴(kuò)展，因此，實(shí)際的工廠配置可以并且一般包含幾種類型的并聯(lián)的自動(dòng)化線或現(xiàn)場(chǎng)總線。
過程測(cè)量值21可 包含諸如流速、壓力、溫度、閥位置等的過程3中的任何希望的變量或性能的任何測(cè)量值?？赏ㄟ^配置于過程工廠的現(xiàn)場(chǎng)的專用傳感器測(cè)量這些過程變量。 從自動(dòng)化系統(tǒng)2到過程3以及到模擬器29的輸入24可包含但不限于對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)器件的控制輸入。
一般通過控制回路/電路控制過程3?？刂苹芈坊螂娐房砂绫豢刂频倪^程、 控制的現(xiàn)場(chǎng)器件、測(cè)量傳感器/傳送器和控制器。例如，控制器可給予現(xiàn)場(chǎng)器件作為模擬電流信號(hào)或數(shù)字控制消息的控制信號(hào)。測(cè)量傳感器可測(cè)量控制的變量，并且，獲得的測(cè)量產(chǎn)物被反饋到控制器并且在該控制器中與給定的基準(zhǔn)值相比較。基于差值變量，控制器計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)器件的更新控制。通常，控制器以通過諸如PI或PID算法的適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄊ共钪底兞孔钚』姆绞狡鹱饔谩Ｒ话阍诎惭b或操作中對(duì)于各現(xiàn)場(chǎng)器件調(diào)諧該控制算法。
在圖2A所示的本示例性實(shí)施例中，設(shè)置與工業(yè)過程3同步且并行地將工業(yè)過程3 模型化的跟蹤模擬器。示例性的跟蹤模擬器包含模擬器單元29和一個(gè)或多個(gè)PI控制器 20-1…20-N。模擬器單元29接收由自動(dòng)化系統(tǒng)2提供的一個(gè)或多個(gè)控制輸入24_1…24-N， 以控制工業(yè)過程3?；谶@些輸入24，具有其過程模型的模擬器單元29通過使用的過程模型提供盡可能精確地代表真實(shí)的過程輸出的模擬的(估計(jì)的)過程輸出22-1…22-N (例如， 流速、溫度、壓力)。為了避免模型偏離真實(shí)過程3，跟蹤模擬器具有與真實(shí)過程3的連接。 具體而言，跟蹤模擬器從真實(shí)過程3接收一個(gè)或多個(gè)過程測(cè)量值21-1…21-N，并且能夠基于這些真實(shí)過程測(cè)量值21和模擬器輸出22校正即更新其自身的行為(模型)。根據(jù)本發(fā)明的原理，由比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或基于任何其它控制算法20的控制器產(chǎn)生用于模擬器單元的更新或調(diào)整參數(shù)23-1…23-N (例如，參數(shù)P (k))中的一個(gè)或多個(gè)。
具體而言，在本示例性實(shí)施例中，各對(duì)的過程測(cè)量值21-1…21-N和模擬器輸出 22-1…22-N作為輸入被施加于向模擬器單元29輸出各更新或調(diào)整參數(shù)23_1…23-N的各 PI或PID或類似的控制器20-1…20-N。應(yīng)當(dāng)理解，可以自由地選擇數(shù)量N (其中，N =1、 2、3···)。應(yīng)當(dāng)理解，在同一實(shí)施例中，過程測(cè)量值21、模擬器輸出22、控制器20和/或更新參數(shù)23的數(shù)量可相互不同。
PI和PID控制器一般用于自動(dòng)調(diào)整一些變量以在設(shè)定點(diǎn)上保持測(cè)量值(或過程變量)。設(shè)定點(diǎn)是希望測(cè)量所處的位置。誤差被定義為設(shè)定點(diǎn)與測(cè)量值之間的差值。PI和PID 控制器的輸出響應(yīng)測(cè)量值或設(shè)定點(diǎn)的變化改變。
PI是“比例和積分”的縮寫。PI控制器是包含具有這兩種功能的元件。PID是“比例、積分和導(dǎo)數(shù)”的縮寫。PID控制器是包含這三種功能的控制器。縮寫PI和PID也可在元件級(jí)上被使用比例元件被稱為“P元件”，積分元件被稱為“I元件”，并且，導(dǎo)數(shù)元件被稱為“D元件”?？梢哉f，控制器的元件P、I和D產(chǎn)生具有以下的特征的輸出
· P元件與瞬時(shí)t的誤差即“當(dāng)前”誤差成比例。通過P控制器，存在偏移(偏離設(shè)定點(diǎn))。增加控制器增益將使得回路變得不穩(wěn)定。
·Ι元件與直到瞬時(shí)t的誤差的積分成比例，可被解釋為“過去”誤差的累積。通過積分元件，控制器輸出與存在誤差的時(shí)間量成比例。I元件趨于消除偏移。響應(yīng)會(huì)或多或少地?cái)[動(dòng)，并且在一定程度上通過增加導(dǎo)數(shù)作用被穩(wěn)定化。
-D元件與瞬時(shí)t上的誤差的導(dǎo)數(shù)成比例，可被解釋為“將來”誤差的預(yù)測(cè)。通過導(dǎo)數(shù)元件D，控制器輸出與測(cè)量值的變化率或誤差成比例。通過測(cè)量值隨時(shí)間的變化率計(jì)算控制器輸出。
使用PI控制器20的示例性的更新裝置或算法可根據(jù)式(3)操作
P (k) =p (k~l) +Kje (k) +Kp (e (k) -e (k~l)) (3)
其中，
P (k)是更新的參數(shù)，
e(k)是真實(shí)過程測(cè)量值與各模擬器輸出之間的誤差，
Kp是比例增益
Ki是更新常數(shù)，
k是指數(shù)，其中，k=l, 2，…
圖2B表示實(shí)現(xiàn)式(3)的PI控制器/控制算法20的示例性框圖。
在PI控制器部分中，比 較器201接收對(duì)于一個(gè)輸入(+ )的過程測(cè)量值21和對(duì)于另一輸入(_)的模擬器輸出22,并且輸出誤差信號(hào)e (k)。誤差信號(hào)e(k)被施加到1/Z單元202，并且被施加到比較器203的一個(gè)輸入(_)。1/Z單元202可以是將信號(hào)延遲一個(gè)采樣瞬時(shí)的單元件緩沖器。作為其先前的計(jì)算循環(huán)的e(k)值的先前的參數(shù)值e(k-l)被施加到比較器203的另一輸入(_)。因此，誤差信號(hào)e(k)-e(k-l)的比(即，變化)從比較器203 被輸出，并然后在乘法器204中乘以比例增益Kp。乘法器204的輸出Kp(e(k)-e(k-l))被施加到加法器206的一個(gè)輸入(+ )。Kp(e(k)-e(k_l))是PI控制器的P部分。
在示例性實(shí)施例中，來自比較器201的誤差信號(hào)e (k)也被施加到乘法器205，該乘法器205將誤差信號(hào)e (k)乘以常數(shù)Ki并且將Kp (k)輸出到加法器206的另一輸入(+ )。 Kie (k)是PI控制器的I部分。
對(duì)于加法器206的第三輸入(+ )施加先前的更新參數(shù)p(k-l)，這些更新參數(shù) p(k-l)是來自1/Z單元207的其先前的計(jì)算循環(huán)的P (k)的值。1/Z單元207可以是將信號(hào)延遲一個(gè)采樣瞬時(shí)的單元件緩沖器。加法器206輸出對(duì)于模擬器單元209的新更新的估計(jì)的參數(shù)P (k) 23。更新的參數(shù)P (k)也被施加到1/Z單元207。
本發(fā)明的通過使用比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或類似的控制器更新模型參數(shù)的跟蹤模擬器使得能夠快速地更新模型參數(shù)。因此，與常規(guī)的跟蹤模擬器相比，模型參數(shù)以及由此導(dǎo)致的模擬模型更精確快速地跟蹤真實(shí)過程中的變化。
應(yīng)當(dāng)理解，除了使用用于更新跟蹤模擬器的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)比例積分(PI)和/或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器和/或類似的控制器以外，也可存在一種或多種其它類型的用于更新同一跟蹤模擬器的一個(gè)或多個(gè)其它的參數(shù)的配置。換句話說，不必通過使用比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或類似的控制器更新所有的參數(shù)。例如，有時(shí)，影響輸出值22的參數(shù)p(k)的方向可隨過程的操作點(diǎn)改變。在這種情況下，不能利用PI控制器以更新這種參數(shù)，而是，除了以上討論的一個(gè)或多個(gè)PI/PID控制器以外，可優(yōu)選施加Nelder-Mead算法或任何類似的基于搜索的優(yōu)化算法。在圖3中示出這種“混合” 跟蹤模擬器的示例性實(shí)施例。自動(dòng)化系統(tǒng)2、真實(shí)過程3、PI控制器20和模擬器單元29可與參照?qǐng)D2A描述的那些類似。通過上述的比例積分(PI)或比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制器或類似的控制器20，產(chǎn)生用于模擬器單元29的更新或調(diào)整參數(shù)23-1 (例如，參數(shù)p(k))。通過Nelder-Mead算法33產(chǎn)生其它的更新或調(diào)整參數(shù)23-2 (用于模擬器單元29)。在示例性實(shí)施例中，過程測(cè)量值21-2和模擬器輸出22-2被施加到提供代表過程測(cè)量值21-2與模擬器輸出22-2之間的差值的誤差信號(hào)的比較器31的輸入(+ )和(_)。誤差的平方(SE)由 SE塊32中的誤差信號(hào)形成，并被施加到Nelder-Mead算法塊21。
另一明顯的優(yōu)點(diǎn)在于，可通過使用當(dāng)前用于調(diào)諧真實(shí)過程中的PI和PID控制器的自動(dòng)調(diào)諧工具，調(diào)諧基于PI或PID或類似的控制器的使用的跟蹤模擬器。因此，這種自動(dòng)調(diào)諧工具是很容易在自動(dòng)化系統(tǒng)中得到的。在圖2A和圖3的示例性實(shí)施例中，這種自動(dòng)調(diào)諧工具或器件一般由與PI控制器20-1…20-N通信耦合的自動(dòng)調(diào)諧塊28表示。適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧工具的例子是來自Metso Automation Inc的DNAautotune。工具被集成于MetsoDNA的用戶界面中，使得當(dāng)需要時(shí)，工具在用戶界面中總是可用的。在一旦開始就在過程測(cè)試中不需要人干涉的意義上，調(diào)諧過程是自動(dòng)的。但是，在提出的調(diào)諧參數(shù)被下載到PI/PID控制器之前，需要由用戶接受結(jié)果。在沒有確認(rèn)的情況下，不對(duì)于在線控制器進(jìn)行改變。通過使用基于過程模型和控制器的目標(biāo)速度的λ調(diào)諧方法計(jì)算新一組的控制參數(shù)。過程模型精確地捕獲真實(shí)過程力學(xué)是十分關(guān)鍵的。為了確保過程模型是好的，在強(qiáng)干涉的情況下， DNAautotune提供用戶模擬趨勢(shì)以及圖形編輯過程模型以更好地?cái)M合數(shù)據(jù)的任選。由于最快的調(diào)諧不總是最好的一個(gè)，因此，用戶可選擇目標(biāo)速度，并通過不同的目標(biāo)速度選擇模擬設(shè)定點(diǎn)變化。一旦用戶通過點(diǎn)擊“下載到控制器”按鈕接受它們，提出的調(diào) 諧參數(shù)就將被下載到在線控制器上。用戶得到控制器調(diào)諧操作的打印的一頁報(bào)告。
通過例子檢查跟蹤模擬及其自動(dòng)調(diào)諧，其中，真實(shí)過程是熱交換器。在圖4中示出該配置的簡(jiǎn)化框圖。真實(shí)的熱交換器41被配置為接收傳輸例如熱的流體的熱進(jìn)入管42和傳輸例如冷的流體的冷進(jìn)入管44。穿過熱交換器41的熱流體被配置為通過熱輸出管43離開。類似地，穿過熱交換器41的冷流體被配置為通過冷輸出管45離開。在冷流體和熱流體穿過熱交換器41的同時(shí)，從熱流體到冷流體交換熱，并且，前者冷卻下來并且后者升溫， 這是本領(lǐng)域公知的。
設(shè)置同步并且與熱交換器41并行地將熱交換器41模型化的跟蹤模擬器52。模擬器52提供代表熱輸出管43中的流體的模擬熱輸出22-1和代表冷輸出管45中的冷流體的模擬冷輸出22-2。在示例性實(shí)施例中，“模擬”熱進(jìn)入管53和“模擬”冷進(jìn)入管54不是模擬值，而分別通過用溫度傳感器47測(cè)試真實(shí)熱進(jìn)入管42的流體溫度Th()t，in和用溫度傳感器 48測(cè)試真實(shí)冷進(jìn)入管44的流體溫度Trauin被提供。沒有在圖4中示出來自自動(dòng)化系統(tǒng)的控制輸入，原因是它們與實(shí)施例的描述無關(guān)。
在示出的示例性實(shí)施例中，熱交換器的模擬模型52包含被配置為分別通過PI控制器20-1、20-2、20-3和20-4被更新的四個(gè)模擬參數(shù)23-1、23-2、23-3和23-4。
溫度傳感器46被配置為測(cè)試?yán)漭敵龉?5的流體溫度Tmu _，并向PI控制器20_1 的一個(gè)輸入提供測(cè)量的溫度作為過程測(cè)量值21-1。模擬器52的模擬冷輸出22-2被施加到 PI控制器20-1的另一輸入。PI控制器20-1的更新參數(shù)23-1是h * A，其中，h是傳熱系數(shù)，A是熱交換器的熱交換面積。
流量計(jì)(流量指示器)50被配置為測(cè)量冷進(jìn)入管44的流速Fetjld，并向PI控制器 20-2的一個(gè)輸入提供測(cè)量的流速作為過程測(cè)量值21-2。模擬器52的模擬冷輸入52 (BP, 測(cè)量的溫度Iraltun)被施加到PI控制器20-2的另一輸入。PI控制器20-2的更新參數(shù)23_2 是Δρ, cold,即冷輸入中的壓力差。
流量計(jì)(流量指示器)51被配置為測(cè)量熱輸出管43的流速Ftot,并向PI控制器20_3 的一個(gè)輸入提供測(cè)量的流速作為過程測(cè)量值21-3。模擬器52的模擬熱輸出22-1被施加到 PI控制器20-3的另一輸入。PI控制器20-3的更新參數(shù)23-3是Λ p，hot，即，熱輸入中的壓力差。
溫度傳感器49被配置為測(cè)量熱輸出管43的流體溫度Thtrt^ut，并向PI控制器20_4 的一個(gè)輸入提供測(cè)量的溫度作為過程測(cè)量值21-4。模擬器52的模擬熱輸出22-1被施加到 PI控制器20-4的另一輸入。PI控制器20-4的更新參數(shù)23_4是Cp，hot,其中，Cp, hot是熱流體的熱容量。
在設(shè)置跟蹤模擬器時(shí)，在輸入到模擬器52和PI控制器20-1…20-4的過程測(cè)量值被連接之后，可以開始實(shí)時(shí)模擬。PI控制器20-1…20-4通過自動(dòng)調(diào)諧工具(例如， DNAautotune)被自動(dòng)調(diào)諧，并與自動(dòng)模式連接。作為結(jié)果，PI控制器20_1…20_4將估計(jì)未知的參數(shù)23。
圖5 示出可在圖4所示的跟蹤模擬器的情況下使用的Metso DNAautotune工具的調(diào)諧示圖的例子?？刂破魉俣缺贿x擇為“慢”并且控制器類型被選擇為“PI”。通過改變Kp 和Ti的值，自動(dòng)調(diào)諧器可搜索適于PI控制器的配置值。在調(diào)諧過程結(jié)束時(shí)，臨時(shí)增益Kp 設(shè)為“41. 299”，并且積分時(shí)間Ti被設(shè)為“44. 236”。通過示圖示出控制輸入和測(cè)量和模擬的輸出。因此，不需要如常規(guī)的跟蹤模擬器那樣憑空或者通過復(fù)雜的計(jì)算取得調(diào)諧參數(shù)。
通過本發(fā)明的實(shí)施例，普通的過程模擬器可很容易地?cái)U(kuò)展到可用于許多目的的跟蹤模擬器，包括軟傳感器、將來的工廠行為的預(yù)測(cè)、輪廓和形狀的可視化、參數(shù)估計(jì)和工廠優(yōu)化。
本發(fā)明的一些實(shí)施例可產(chǎn)生和輸出估計(jì)工業(yè)過程的內(nèi)部行為或參數(shù)但對(duì)于從工業(yè)過程測(cè)量不可行的軟測(cè)量值。在一些實(shí)施例中，輸出可包含在屏幕上顯示所述軟測(cè)量值數(shù)據(jù)和/或其它的模擬數(shù)據(jù)和/或在數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)軟測(cè)量值數(shù)據(jù)和/或其它的模擬數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，輸出可包含向用于控制或優(yōu)化工業(yè)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)或向出于維護(hù)目的的維護(hù)系統(tǒng)發(fā)送軟測(cè)量值數(shù)據(jù)和/或其它的模擬數(shù)據(jù)。
圖6表示可對(duì)于操作員顯示的關(guān)于Metso DNA系統(tǒng)中的熱交換器的操作的示例性示圖。在左上角，四個(gè)框給出與PI控制器20-1…20-4有關(guān)的信息。在各框中，最上面的值是來自估計(jì)器的輸出值22，中間的值是各過程測(cè)量值21的值，并且，最下面的值是來自PI 控制器20的更新模擬參數(shù)23的值?；谀M結(jié)果，可以繪制各種示圖。在圖6中，對(duì)于從熱入管42到熱出管43以及沿相反的方向從冷入管44到冷出管45的熱流，示出沿?zé)峤粨Q器的縱軸(X軸)的溫度輪廓。模擬示圖示出在熱交換器44中如何進(jìn)行熱交換。這是所謂的“軟”測(cè)量即可通過模擬獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)的例子，但相同的數(shù)據(jù)難以或者不可能直接從真實(shí)過程測(cè)量。
可通過各種手段實(shí)現(xiàn)這里描述的技術(shù)。例如，可以在硬件(一個(gè)或多個(gè)裝置)、固件 (一個(gè)或多個(gè)裝置)、軟件(一個(gè)或多個(gè)模塊)或它們的組合中實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)。對(duì)于固件或軟件，實(shí)現(xiàn)可通過執(zhí)行這里描述的功能的模塊(例如，過程和功能等)。軟件代碼可被存儲(chǔ)于任何適當(dāng)?shù)奶幚砥?計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)或存儲(chǔ)器單元中，并由一個(gè)或多個(gè)處理器/計(jì)算機(jī)執(zhí)行。可以在處理器/計(jì)算機(jī)內(nèi)或者處理器/計(jì)算機(jī)外面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)或存儲(chǔ)器單元，在這種情況下，它可通過本領(lǐng)域公知的各種手段與處理器/計(jì)算機(jī)通信耦合。另外， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，為了有利于實(shí)現(xiàn)相關(guān)地描述的各種方面、目的、優(yōu)點(diǎn)等，可通過附加的部件重新配置和/或增補(bǔ)這里描述的系統(tǒng)的部件，并且這些部件不限于在給出的示圖中給出的確切的配置。
描述和相關(guān)的附圖僅是為了通過例子示出本發(fā)明的原理?；谠撁枋?，各種替代性的實(shí)施例、變更和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是十分明顯的。本發(fā)明不是要限于這里描述的例子，本發(fā)明可在所附的權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種模擬工業(yè)過程的方法，包括 接收通過控制工業(yè)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)提供的多個(gè)控制輸入； 從工業(yè)過程接收多個(gè)過程測(cè)量值； 通過使用工業(yè)過程的模型與工業(yè)過程同步且并行地模擬工業(yè)過程； 提供來自工業(yè)過程的模型的多個(gè)模擬輸出，所述多個(gè)模擬輸出中的每一個(gè)是所述多個(gè)過程測(cè)量值中的相應(yīng)的一個(gè)的模擬版本； 用基于所述多個(gè)過程測(cè)量值和所述多個(gè)模擬輸出產(chǎn)生的多個(gè)調(diào)整參數(shù)調(diào)整工業(yè)過程的模型；和 通過比例積分PI或比例積分導(dǎo)數(shù)PID控制器或類似的控制器產(chǎn)生所述多個(gè)調(diào)整參數(shù)中的至少一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括 通過自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化控制器調(diào)諧工具配置比例積分PI或比例積分導(dǎo)數(shù)PID控制器或類似的控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，包括 通過比例積分PI或比例積分導(dǎo)數(shù)PID控制器或類似的控制器以外的裝置產(chǎn)生所述多個(gè)調(diào)整參數(shù)中的至少另一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項(xiàng)的方法，包括通過基于搜索的優(yōu)化算法產(chǎn)生所述多個(gè)調(diào)整參數(shù)中的至少另一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，所述基于搜索的優(yōu)化算法包含Nelder-Mead算法和/或誤差平方SE算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)的方法，包括產(chǎn)生和輸出估計(jì)工業(yè)過程的內(nèi)部行為或參數(shù)但對(duì)于從工業(yè)過程測(cè)量不可行的軟測(cè)量值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，所述輸出包含在屏幕上顯示所述軟測(cè)量值數(shù)據(jù)和/或在存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)軟測(cè)量值數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中，所述輸出包含向用于控制或優(yōu)化工業(yè)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)和/或向出于維護(hù)目的的維護(hù)系統(tǒng)發(fā)送軟測(cè)量值數(shù)據(jù)。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)的方法用于估計(jì)工業(yè)過程的將來的行為的用途。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)的方法用于測(cè)試工業(yè)過程對(duì)于不同的控制情況的響應(yīng)的用途。
11.一種包括用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)的方法的裝置的跟蹤模擬器。
12.一種包括用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)的方法的裝置的自動(dòng)化系統(tǒng)。
13.一種計(jì)算機(jī)程序，包括用于在所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)的方法的程序代碼。
14.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的用于在所述程序產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)的方法的程序代碼裝置。
全文摘要
跟蹤模擬器(29)同步并與工業(yè)過程(3)并行地將工業(yè)過程(3)模型化。模擬器接收由自動(dòng)化系統(tǒng)(2)提供的控制輸入(24-1…24-N)以控制工業(yè)過程(3)?；谶@些輸入(24)，具有其過程模型的模擬器提供模擬的過程輸出(22-1…22-N)。為了避免模擬模型偏離真實(shí)過程(3)，跟蹤模擬器從真實(shí)過程(3)接收過程測(cè)量值(21-1…21-N)，并能夠基于這些真實(shí)過程測(cè)量值(21)和模擬器輸出(22)校正即更新其模型。由PI或PID控制器(20-1…20-N)產(chǎn)生用于模擬模型的更新或調(diào)整參數(shù)(23-1…23-N)中的一個(gè)或多個(gè)。另外，可通過NM或SE方法(32、33)產(chǎn)生更新參數(shù)中的一些。PI或PID控制器可以是自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化控制器調(diào)諧工具(28)。另外，可通過NM產(chǎn)生更新參數(shù)中的一些。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103038714SQ201080068398
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者M·弗里曼, P·埃利卡 申請(qǐng)人:美卓自動(dòng)化有限公司