一种新颖的控制算法——速率预测控制（非PID变体）

前言

作为一种新的非比例-积分-微分（PID）控制算法，速率预测控制（RPC）可以更好的适应过程增益的变化，这对于回路调整、自动调整和模型维护都很有帮助。

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，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P V 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，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，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，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， 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。

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RPC 术语词典

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。