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无模型多变量控制的好处

第2部分:无模型多变量控制(XMC)旨在解决多变量控制挑战,而不使用详细的模型或嵌入式优化器。

由阿兰·克恩 2019年4月30日

术语“基于模型的多变量控制”已经无处不在了很长时间,以至于许多工程师没有意识到他们可以在没有模型的情况下进行多变量控制。

无模型多变量控制(XMC)并不是多变量控制领域的最新创新,而是回归基础。XMC以一种更简单、更可靠的方式解决了多变量控制问题,无需使用详细的模型或在线优化器。

在传统的基于模型的多变量控制中,与模型相关的活动占工程和维护成本的90%或更多,然而几乎所有的可靠性和性能问题继续归因于模型质量差,几乎没有理由期望这一改变(控制工程2018年9月。”自动调优背后的大故事”)。

今天,大多数高级过程控制(APC)资源都用于支持现有的应用程序,而不是新的应用程序。这使得许多APC需求没有得到满足,机会没有被抓住,问题没有得到解决。XMC提供了一条摆脱这种不可持续困境的途径。

XMC如何工作?

XMC自动化了操作团队手工管理流程约束和优化操作的方式,而不需要详细的模型或在线优化器。重要的过程约束,主要手柄,经济优化驱动,和安全移动尺寸,都不是秘密,可以从模型细节中提炼出来。它们是运营团队成员的基本知识(图1):

  • 重要的约束、相关的处理、优化目标和增益方向(不是详细的模型)被捕获在一个传统的多变量控制矩阵中;这足以让XMC(或任何人)为每个句柄确定正确的移动方向
  • XMC根据已建立的安全操作实践为每个句柄实现预先设计的移动速率,也称为“处理速度限制”
  • XMC监视实际正在进行的过程响应(不是昨天或去年的响应),并使用速率预测控制(RPC)(一种新的专利单环控制算法)来预测逐步减少移动,从而相应地进行进一步的移动速率调整。

历史上,人工多变量控制的质量依赖于时间、主动性和个体操作人员的专业水平。这些—时效性和一致性—是自动化的标志,XMC抓住了这一点。

XMC在内部使用RPC

本系列的第1部分(“什么是速率预测控制?)主要关注RPC,它是与XMC一起开发的。它是基于自动化传统的经过验证的手动控制方法的概念,并结合(小心不要留下)重要的过程控制原则和智慧。RPC是由此产生的单循环解决方案,而XMC是在内部使用RPC的多变量控制解决方案。第1部分中描述的RPC的所有优点也适用于XMC多变量控制。

RPC比传统的比例-积分-导数(PID)有许多显著的优点,但可能它最大的优点是在XMC的多变量控制环境中,它带来了:

  • 响应,但稳定的性能
  • 当变量接近目标时,预测变细,以避免不必要的超调或振荡
  • 预先选择的移动速率(或“过程速度限制”),这在多变量控制中特别重要,因为多个关键手柄可以同时移动
  • 鲁棒反馈控制的本质,所以它采取适当的行动,而不管干扰的来源或“模型不匹配”。

“无模型”是什么意思?

模型较少的控制手段反馈控制。所有的过程控制本质上不是反馈就是前馈。前馈控制需要模型,用来进行预测和采取先发制人的行动。反馈响应正在进行的错误,并且必须有一些可靠的方法来做这件事,如PID或RPC。

基于模型就是前馈的同义词;无模型是反馈的同义词。大多数控制工程师欣赏潜在的但历史经验和现代多变量经验表明,前馈最好是有选择性地使用,就像XMC那样,而不是像MPC那样大规模使用。

无模型也意味着自适应,这意味着随着过程响应的变化(正如它们通常在短期和长期基础上所做的那样),控制算法自动补偿。自适应控制一直是过程控制的圣杯。在现代,工业界试图通过自动调谐实现单回路自适应控制,但大部分都不成功(如上所述),现在正尝试在更复杂的多变量基础上做同样的事情,如自适应建模。值得注意的是,在无数的过程控制专利中,RPC拥有唯一的专利,声称是固有的自适应

第三,无模型控制手段基于模型的。因此,通过使用无模型控制,与模型相关的活动,包括工厂测试、模型识别和模型维护,都被减少或完全消除了。

先进的过程控制增长

XMC的可行性为过程工业指明了一种新的多变量控制范式,该范式更加经济、灵活、可扩展和可靠,并更好地满足现代过程工业灵活的日常操作需求。它基于定性模型,没有嵌入式优化器,并结合了传统的反馈和手动控制原则。图2比较了当今基于模型的多变量控制范式与新兴的无模型范式。

在运营设施中,多变量控制应用程序的规模各不相同——从少量变量到几十个变量——因此一个较小的占地面积解决方案可以在两个方面带来进展。它可以为应用程序提供可伸缩的工具,这些应用程序一直处于传统的大占用空间范式之外。它还可以为许多高维护的遗留应用程序提供另一种重新设计策略。

由于XMC尚未完全出现并通过行业要求,流程行业可能会从将其作为工作远景的追求中受益。它应该被视为一条有望克服现有模式的高所有权负担和资源困境的路径,开启一个敏捷和可持续的APC解决方案。

艾伦·克恩业主和顾问在吗APC性能有限责任公司.克里斯·瓦夫拉编辑,制作编辑,控制工程,《媒体,cvavra@cfemedia.com

更多的答案

关键词:无模型多变量控制,XMC,高级过程控制

无模型多变量控制(XMC)设计用于解决高级控制问题,而不需要详细的模型或在线优化器。

Rate-predictive控制(RPC)是与XMC共同设计的,具有相同的优点。

XMC简单而可扩展的方法更适合现代过程工业。

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艾伦·克恩
作者简介:Allan Kern是APC Performance LLC的所有者,他拥有超过30年的先进过程控制(APC)经验,并撰写了大量关于高性价比APC解决方案的论文。他是固有自适应控制算法和多变量控制的无模型方法的发明者。他1981年毕业于怀俄明大学化学工程专业,拥有控制系统工程和化学工程专业工程执照。