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一种新颖的控制算法——速率预测控制(非PID变体)

来源:控制工程网2019.12.02阅读 750

  过程控制行业中,大多数人都接受比例-积分-微分(PID)算法的所有特性,因此其不太可能被单回路控制的行业标准所替代。最近获得专利的发明被称为速率预测控制(rate-predictive control,简称RPC),从不同角度引发了学术和实践的兴趣。速率预测控制(RPC)是:
  ●一种具有很多明显优势的新颖的控制算法(不是PID的变体)。
  ●能够适应流程增益变化,考虑到行业应用在回路调整、自动调整、模型维护和相关挑战方面所面临的漫长而艰难的历史,这是一个具有里程碑意义的发展。
  ●非常适合作为无模型反馈多变量控制算法CONTROL ENGINEERING China版权所有,而在其他情况下今天仍然应用不多。
  RPC的工作原理
  速率预测控制(RPC)比PID更简单、更直观。理解RPC的关键是感知它的简单机制,而不一定要探究它的数学原理。但是,它的数学原理比PID或基于模型的控制更简单。
  图1显示了速率预测控制(RPC)的工作原理。在零时刻,设定值增加10%。在响应方面,RPC开始以预设的移动速率(在此示例中为每秒1%)增加输出。在每个控制器执行期间, RPC计算正在进行的过程变量(PV)变化率和预测的未来值。当预测值达到设定值时,移动逐渐变小并停止,因此基于一阶过程动态响应,PV值最终精确地确定在目标上。

图1:RPC使用预设的移动速率,并根据PV值的预测值逐渐减少移动。图片来源:APCPerformance

  RPC预测时间是一种调整参数,其设置方式类似于PID积分时间(或Lambda),并且通常等于或稍大于实际的63%过程时间常数(T63),以便为设定值提供平稳可靠的方法,没有过冲或振荡。
  预先设定的移动速率是根据经验和安全运行实践选择的,并且可以被认为是过程速度限制或安全驾驶习惯,尽管RPC并不限于一个速度。可以动态调整移动速率以满足各种控制性能标准。例如,当超过约束限制时CONTROL ENGINEERING China版权所有,可以应用移动速率乘数,并且在RPC锥形带内动态调整移动速率。
  当预测接近设定值时,输出趋势中的舍入程度是RPC锥形带的函数。当预测值接近设定值时,锥形带用于降低移动速率,从而当误差变为零时移动速率也变为零。
  这类似于运行人员在手动模式下控制时,在接近设定值时逐步减小步长。RPC锥形带在面对实际非理想性工况时实现可靠的控制行为www.cechina.cn,例如过程响应的变化、死区时间、反向响应等。
  RPC受死区时间的影响基本上与PID相同,并且程度相同,因此死区时间主导回路(死区时间>>T63)仍然是一个特殊的挑战。然而, RPC动态死区时间控制是一种新技术,可以改善对死区时间主导控制回路的控制。
  适应过程增益变化
  可以直观地看出, RPC固有的自适应过程增益的变化。例如,如果过程增益变大,则过程响应将更大,预测向量将进一步延伸,并且移动将逐渐减小并相应地更快地停止www.cechina.cn,以使PV值稳定在目标上。以此类推, RPC本身适应于预设移动速率的变化,因此可以随意手动调整或动态调整以满足各种高性能标准。
  RPC中的几个过程控制优势值得注意。RPC固有的自适应过程增益的变化。对长期饱受调整、重调和失谐这些术语困扰的过程行业来讲,这一特性尤其重要。自动调整远远超出了行业的希望和期望。基于模型的控制可能因其较高的模型维护而闻名。
  这些糟糕的共同经历源于同样的根本原因——频繁和动态变化的过程增益,现在,过程行业可以从固有的自适应方法中受益。
  RPC本身也适应移动速率的变化,这意味着可以使用内置的辅助RPC功能随意手动调整移动速率以获得所需的回路性能,或动态调整移动速率,以实现各种高性能标准。
  当PV值返回到设定值时, RPC对初始错误更敏感并且更稳定,因为它使用PV的预测值而不仅仅是当前值。
  例如,传统的PID控制器可能会看到一个小的初始错误,而RPC可能会看到更大的错误,并通过考虑PV值变化率和预测值,来更快地做出更大的移动。出于同样的原因, RPC更稳定可靠,因为PV值返回设定值时只有很小或没有不必要的过冲或振荡。
  对于控制系统运行人员, RPC看起来与传统PID控制器相同,都具有PV值、设定值、输出和模式,因此它可以在运营和控制系统环境中无缝应用。对于控制工程师来说CONTROL ENGINEERING China版权所有, RPC更容易、更直观地学习和调整。
  其它调节应用
  RPC功能具有多样性,可以针对其它类型的性能进行调整。例如,可以通过使用较高的移动速率和较短的预测时间,来使经典误差最小化或提供四分之一幅度的阻尼。RPC(与PID一样)可“按原样”工作以集成和非集成变量。对于具有较高“速度限值”的回路(在单回路控制中并不罕见,但在多变量控制中很少见),可以将较大的移动速率与较宽的锥形频带组合,以在远离设定值时提供更快的响应,而在接近设定值时逐渐减小到安全速度。
  RPC是“无模型”的,这是表示它本身就是自适应的另一种说法方式。它不使用过程模型,也不会尝试“自己动手”,例如使用自动调整或自适应建模。RPC仅依赖于增益方向,这相当于PID控制操作(正向或反向)、或增益的符号(正或负)。增益方向是任何模型中最基本和不可变的因素。
  RPC使用过程响应时间(T63),这可以直观地调整(如积分时间、Lambda或闭环响应时间),而无需进行详细调整(如在基于模型的控制中)。RPC性能受到实际T63变化的轻微影响。
  增益方向和近似响应速度是有效控制任何回路所需的最少信息。更详细的模型信息可能会发挥更大的优势,但同时它也会带来更高的成本、风险和更多的维护。从这个角度来看, RPC在易用、性能和可靠性方面提供了审慎而稳健的折衷方案。(作者:Allan Kern)
  RPC术语词典
  ●SP(或目标):单回路控制器设定值(SP)或多变量控制器目标值。
  ●PV(或ICV):单回路控制器过程变量(PV)或多变量控制器间接控制变量(ICV)。
  ●OP(或DCV):单回路控制器输出(OP)或多变量控制器直接控制变量(DCV),也称为“手柄”。
  ●速率预测控制(RPC)调整参数还包括以下内容:
  ●RPC移动速率:预选移动速率(OP,DCV或手柄);根据安全运行实践或作为过程“速度限值”(以每秒输出为单位,对多变量控制而以每分钟为单位)选择。
  ●RPC预测时间:用于PV预测计算;通常设置等于或大于63%的过程时间常数(T63),但也可以设置为小于T63,以获得更具侵略性的误差最小化性能(单位为秒,多变量控制则为分钟)。
  ●RPC锥形带: RPC开始逐渐减小移动速率的设定值周围的误差带,因此当误差变为零时,移动速率变为零;从概念上来讲,基于使用手动控制的运行人员开始减小步长(与PV相同的单位)的点。


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