什么是速率预测控制?

过程控制行业的大多数人都认为，尽管比例-积分-导数(PID)算法具有各种特性，但它不太可能被取代，成为单回路控制的行业标准。最近一项名为速率预测控制(RPC)的专利发明从几个角度引起了学术界和实践界的兴趣。RPC是:

• 一种新的、新颖的控制算法(不是PID变体)，具有显著的优点
• 自适应过程增益的变化，一个里程碑式的发展，考虑到行业长期和困难的历史循环调优，自动调优，模型维护，和相关的挑战
• 非常适合作为无模型反馈多变量控制算法，这是今天仍然缺乏的东西。后续文章将讨论多变量控制。

RPC是如何工作的?

RPC比PID更简单、更直观。理解RPC的关键是感知它的简单机制，而不一定要深入研究它的数学。然而，它的数学比PID或基于模型的控制更简单。

该图说明了RPC是如何工作的。在时间为0时，设定值增加了10%。作为响应，RPC开始以预先设置的移动速率(在本例中为每秒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，移动逐渐变细并停止，因此PV最终基于一阶过程动力学完全稳定在目标上。

RPC预测时间是一个以类似于PID积分时间(或Lambda)的方式设置的调优参数，通常等于或略长于实际的63%过程时间常数(T63)，以提供一个平滑可靠的方法来达到设定点，很少或没有超调或振荡。

预先设定的移动速率是根据经验和安全操作实践选择的，可以被认为是过程速度限制或安全驾驶习惯，尽管RPC不限于一种速度。移动速率可以动态调整，以满足各种控制性能标准。例如，当超过约束限制时，可以应用移动速率倍增器，并且在RPC锥度带内动态调整移动速率。

当预测接近设定值时，输出趋势的舍入度是RPC锥度带的函数。当预测值接近设定值时，锥形带的作用是减小移动速率，因此当误差趋于零时，移动速率趋于零。

这类似于操作员在手动模式下控制时，在接近设定值时减小步长。在面对现实生活中的非理想情况时，如过程响应的方差、死区时间、逆响应等，RPC锥度带的结果是可靠的控制行为。

RPC受死时间影响的方式基本上与PID相同，程度也相同，因此死时间主导循环(死时间>> T63)仍然是一个特殊的挑战。而RPC动态死时控制是一种新的技术，可以改善死时主导控制环的控制。

可以直观地看到，RPC机制固有地适应进程增益的变化。例如，如果过程增益变大，过程响应就会变大，预测向量就会扩展得更远，移动也会相应地变细并更快地停止，因此PV就会正确地固定在目标上。基于同样的推理，RPC天生就能适应预先设置的移动速率的变化，因此可以随意手动调优或动态调整它，以满足各种高性能标准。

适应变化，振荡小

RPC中的几个过程控制优势值得注意，例如:

• RPC对过程增益的变化具有内在的适应性。这对于以下行业来说意义重大:
  • 术语调优、回调和失谐的用法大致相同
  • 自动调优还远远没有达到业界的期望和期望
  • 基于模型的控件可能以其高模型维护性而闻名。

这些困难的经历都源于同一个根本原因——频繁和动态变化的过程收益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，这意味着可以根据所需的循环性能手动调整移动速率，或者使用内置的辅助RPC特性动态调整移动速率，以实现各种高性能标准。
• RPC对初始错误反应更灵敏，并且在PV返回设定值时更稳定，因为它使用PV的预测值(明显的或已经显示的)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可能会看到一个更大的错误，并通过考虑PV变化率和预测值更快地做出更大的移动。出于同样的原因，RPC更加稳定和可靠，因为PV返回设定值时很少或没有不必要的超调或振荡。
• 为了控制系统操作员，RPC看起来与传统的PID控制器相同——它具有PV、设定值、输出和模式——因此它可以无缝地应用于操作和控制系统环境中。对于控制工程师来说，RPC的学习和调优更容易、更直观。

其他调优应用程序

RPC是通用的，可以针对其他类型的性能进行调优。例如，经典的误差最小化或四分之一振幅衰减可以通过使用高移动速率和较短的预测时间来实现。RPC(像PID一样)“按原样”工作，用于积分和非积分变量。对于有一个非常高的“速度限制”(在单环控制中并不罕见，但在多变量控制中很罕见)的环，一个大的移动速率可以与一个宽的锥度带相结合，在远离设定值时提供一个大的响应，当接近设定值时，锥度减小到一个安全速度。

RPC是“无模型的”，这是它固有自适应的另一种说法。它不使用流程模型(也不尝试“自行运行”，例如使用自动调优或自适应建模)。RPC仅依赖于增益方向，这相当于PID控制动作(直接或反向)，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改变的方面。

RPC还使用过程响应时间(T63)，但这可以直观地进行调优(如积分时间、Lambda或闭环响应时间)，而不是详细地进行调优(如基于模型的控制)。RPC性能受实际T63的变化影响较小。

增益方向和近似响应速度是有效控制任何环路所需的最小信息。更详细的模型信息可以发挥更大的优势，但它也引入了更多的成本、风险和维护。从这个角度来看，RPC在简单性、性能和可靠性之间提供了一种谨慎而健壮的折衷方案。

艾伦·克恩业主和顾问在吗APC性能有限责任公司．由内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程、《媒体,mhoske@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:先进的过程控制，速率预测控制，过程增益

Rate-predictive控制(RPC),一种新的先进的控制方法，具有比积分-导数(PID)算法的优点。

RPC是自适应过程增益的变化。

获得方向是任何模型中最基本的方面。

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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
• 光伏(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(或直流电压):单回路控制器输出(OP)或多变量控制器直接控制变量(DCV)，又称“手柄”

RPC调优参数还包括以下参数:

• RPC移动速度:预先选择的移动速率(对于OP, DCV或手柄);根据安全操作规范选择或作为过程“速度限制”(单位为每秒输出，或多变量控制的每分钟输出)
• RPC预测时间:用于PV预测计算;通常设置为等于或大于63%的过程时间常数(T63)，但也可以设置为小于T63，以获得更积极的错误最小化性能(多变量控制的单位为秒或分钟)
• RPC锥形带:在RPC开始逐渐减少移动速率的设定值附近的错误带，因此当错误趋于零时，移动速率趋于零;概念上是基于操作员使用手动控制时开始减小步长(与PV相同单位)的点。