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跟踪模拟方法专利名称：跟踪模拟方法跟踪模拟方法技术领域 本发明一般涉及通过自动化系统控制工业过程背景技术：过程控制或自动化系统被用于自动控制诸如化学、炼油、纸浆造纸工厂的工业过 程过程自动化系统常使用网络以互连传感器、控制器、操作员终端和致动器过程自动化 包括使用计算机技术和软件工程以帮助发电厂和工厂更安全有效地工作过程模拟是用于研究和分析实际或理论系统的行为和性能的软件中的工业过程 和单位操作的基于模型的表示不是在真实世界系统上，而是在出于研究某些系统力学和 特性的目的产生的系统的(通常基于计算机的)模型上执行模拟研究任何模型的目的是， 使得其用户能够通过研究和分析模型得出关于真实系统的结论与分析真实系统相对，开 发模型的主要原因包括经济性、“真实”系统的不可用和实现系统的元件之间的关系的更深 的理解的目的过程模拟总是使用引入近似和假定但允许在不能被真实数据覆盖的诸如温度和 压力的广泛的性能上描述性能的模型模型还允许内插和外推一在某些极限内一并使得能 够搜索已知的性能的范围外面的条件在过程自动化中，模拟器可使用测量，以不仅表示工 厂如何工作，而且模拟不同的操作模型并找到最适于工厂的策略。

为了允许操作员预期某些情况并能够适当地反应以及基于一些准则测试和选择 替代方案、测试为什么在考虑的系统的操作中出现某些现象、洞察哪些变量对于性能最重 要以及这些变量如何交互作用、识别过程中的瓶颈、更好地理解系统如何实际地操作(与每 个人认为它如何操作不同)以及比较替代方案并减少决定的风险，可以在任务或情境训练 区域中使用模拟基本的过程模拟器可在不与模拟过程实时连接的情况下运行在图1A中示出该 方法自动化系统(例如，分布控制系统，DCS)2被配置为控制真实工业过程3如虚线所 示，同一自动化系统也可被配置为控制运行工业过程的模型的过程模拟器4一般地，这种 过程模拟器，不管它是静态模拟器还是动态模拟器，都不能使其行为适于现实而其输出是 编程的模型的结果因此，由于总是存在未知的输入和随时间改变的参数，因此，如果过程 模拟器与真实过程并行地运行，那么它一般偏离真实过程作为替代方案，过程模拟器4可 在过程设计和测试中或者出于训练目的被离线使用在这种情况下，可能根本不存在真实 过程3，并且/或者自动化系统2被连接以仅控制过程模拟器另一方面，跟踪模拟器具有使其行为适于现实的能力如图1B所示，跟踪模拟器5 是与真实过程并行地实时运行的过程模拟器，并且具有与真实过程3的连接。

具体而言，跟 踪模拟器5从真实过程3接收过程测量值，并能够通过比较真实过程测量值与模拟器输出 校正其自身的行为(模型)在图1B中，比较器(减法器)6和7从真实过程测量值和模拟器 输出产生误差信号，并且，更新算法块8更新模拟器模型9的参数，使得减少真实过程测量 值与模拟器输出之间的误差(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 中公开了跟踪模拟器的例子已知的参数算法可由式(I)给出P (k) =p (k~l) +Ke (k) (I)其中，p(k)是更新的模拟参数，K是参数更新常数，并且，e(k)是真实过程测量值与各模拟器输出之间的误差，并且，k是指数，其中，k= 1、2、…图1C是示出现有技术的用于一个参数的更新算法的框图比较器6或7接收对于(+ )输入的过程测量值和对于(-) 输入的模拟器输出，并且输出误差信号e(k)。

误差信号e(k)在乘法器单元81中乘以参数更新常数K，并且，相乘的误差信号Ke (k)被施加到加法器82的(+ )输入，而作为其先前的计算循环的P (k)值的先前的参数值P (k-Ι)从1/Z单元83被施加到加法器82的另一(+ ) 输入单元83的功能可由式(2)限定P (k~l) = 1/Z * P (k) (2)其中，1/Z是以一个采样瞬时延迟信号的单一元件缓冲器作为结果，加法器82的输出是根据上式更新的估计的参数P (k)参数p(k)被施加到模拟器9，并且还被反馈到1/Z单元83与这种类型的已知的跟踪模拟器相关的主要问题在于，参数更新相对较慢，并且，选择或计算过程参数的参数更新常数K是困难和麻烦的应当注意，一般地，在模拟模型中，存在大量应跟踪和更新的过程参数，每个需要单独的参数更新常数KFukano et al. , Application of Tracking Simulator to Steam Reforming Process, Yokogawa Technical Report English Edition, No. 43 (2007)，p. 13-16 公开了跟踪模拟器的应用例子。

发明内容本发明的目的是，提供模拟工业过程的新方法通过所附的独立权利要求的主题实现本发明的目的在从属权利要求中公开本发明的优选的实施例本发明的一个方面是一种模拟工业过程的方法，该方法包括接收通过控制工业过程的自动化系统提供的多个控制输入；从工业过程接收多个过程测量值；通过使用工业过程的模型与工业过程同步且并行地模拟工业过程；提供来自工业过程的模型的多个模拟输出，所述多个模拟输出中的每一个是所述多个过程测量值中的相应的一个的模拟版本；用基于所述多个过程测量值和所述多个模拟输出产生的多个调整参数调整工业过程的模型；和通过比例积分(PI)或比例积分导数(PID)控制器或类似的控制器产生所述多个调整参数中的至少一个根据实施例，方法包括通过自动化系统的自动化控制器调谐工具配置比例积分 (PD或比例积分导数(PID)控制器或类似的控制器根据实施例，方法包括通过比例积分(PI)或比例积分导数(PID)控制器或类似的控制器以外的装置产生所述多个调整参数中的至少另一个根据实施例，方法包括通过基于搜索的优化算法产生所述多个调整参数中的至少 另一个根据实施例，所述基于搜索的优化算法包含Nelder-Mead算法和/或误差平方 (SE)算法。

根据实施例，方法包括产生和输出估计工业过程的内部行为或参数但对于从工业 过程测量不可行的软测量值根据实施例，所述输出包含在屏幕上显示所述软测量值数据和/或在存储介质中 存储软测量值数据根据实施例，所述输出包含向用于控制或优化工业过程的自动化系统和/或向出 于维护目的的维护系统发送软测量值数据本发明的另一方面是一种用于估计工业过程的将来的行为的根据以上的权利要 求中的任一项的方法的用途本发明的另一方面是一种用于测试工业过程对于不同的控制情况的响应的根据 以上的权利要求中的任一项的方法的用途本发明的另一方面是一种包括用于实现以上的权利要求中的任一项的方法的装 置的跟踪模拟器本发明的另一方面是一种包括用于实现根据以上的权利要求中的任一项的方法 的装置的自动化系统本发明的另一方面是一种计算机程序，该计算机程序包括用于在所述程序在计算 机上运行时执行根据以上的权利要求中的任一项的方法的程序代码本发明的另一方面是一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储于计算机 可读介质上的用于在所述程序产品在计算机上运行时执行根据以上的权利要求中的任一 项的方法的程序代码装置以下，参照附图通过示例性实施例更详细地描述本发明，其中，图1A是示出现有技术的没有与模拟的过程的实时连接的模拟器的框图1B是示出现有技术的跟踪模拟器的框图1C是示出图1B所示的现有技术的跟踪模拟器的更新机制的框图2A是示出根据本发明的示例性实施例的跟踪模拟器的简化框图2B是示出根据本发明的示例性实施例的基于比例积分(PI)或比例积分导数 (PID)控制器或类似的控制器的更新机制的简化框图3是示出根据本发明的示例性实施例的“混合”跟踪模拟器的简化框图4是示出热交换器过程中的跟踪模拟器的示例性应用的简化框图5表示用于图4所示的跟踪模拟器中的PI控制器的调谐时的Metso DNAauto 调谐工具中的调谐示图的例子；图6表示可关于热交换器的操作向操作员显示的Metso DNA系统中的示例性示 图。

具体实施方式在图2A中示出本发明的示例性实施例可与任何自动化系统(过程控制系统)2 和任何工业过程2等关联地应用本发明工业过程3可包含但不限于诸如纸浆造纸、炼油、 石化和化学工业的处理工业中的过程和发电厂中的过程等存在用于自动化系统的各种结构例如，自动化系统2可以是本领域公知的直接数字控制(DDC)系统或分布控制系统 (DCS)0这种分散式自动化系统的一个例子是由Metso Automation Inc提出的MetsoDNA (DNA、动态应用网络)控制诸如造纸厂的整个工厂的生产活动的自动化系统的中央处理单元常被称为控制室，该控制室可由一个或多个控制室计算机/程序和过程控制计算机/程序以及自动化系统的数据库构成自动化系统2可包含相互耦合不同的过程控制部件或计算机的过程总线/网络和/或控制室总线/网络控制室总线/网络可以互连自动化系统 2的用户界面部件控制室总线/网络可以是例如基于标准以太网技术的局域网络过程总线/网络又可以互连过程控制部件例如，过程总线/网络可基于确定性的令牌通过协议过程控制器也可与控制室网络连接，从而允许过程控制器与用户界面之间的通信但是，应当理解，这不是要将本发明的应用领域限于自动化系统2的任何特定的实现。

由自动化系统2控制的过程3 —般包含厂区(现场)中的诸如致动器、阀、管和传感器的大量的现场器件存在各种替代性的配置自动化系统2与过程3(例如，现场器件)之间的互连的方式，诸如二导线双绞线回路(4 20mA模拟信号)、HART (Highway Addressable Remote Transducer)协议和其它的现场总线(例如，Fieldbus和Profibus)但是,应当理解，例如控制室与现场器件之间的自动化系统2与过程3之间的互连的类型或实现可基于上述的替代方案中的任一种或它们的任意的组合或任何其它的实现由于工厂被更新并且在长的时间周期上逐渐扩展，因此，实际的工厂配置可以并且一般包含几种类型的并联的自动化线或现场总线过程测量值21可 包含诸如流速、压力、温度、阀位置等的过程3中的任何希望的变量或性能的任何测量值可通过配置于过程工厂的现场的专用传感器测量这些过程变量 从自动化系统2到过程3以及到模拟器29的输入24可包含但不限于对于现场器件的控制输入一般通过控制回路/电路控制过程3控制回路或电路可包含例如被控制的过程、 控制的现场器件、测量传感器/传送器和控制器例如，控制器可给予现场器件作为模拟电流信号或数字控制消息的控制信号。

测量传感器可测量控制的变量，并且，获得的测量产物被反馈到控制器并且在该控制器中与给定的基准值相比较基于差值变量，控制器计算现场器件的更新控制通常，控制器以通过诸如PI或PID算法的适当的控制算法使差值变量最小化的方式起作用一般在安装或操作中对于各现场器件调谐该控制算法在图2A所示的本示例性实施例中，设置与工业过程3同步且并行地将工业过程3 模型化的跟踪模拟器示例性的跟踪模拟器包含模拟器单元29和一个或多个PI控制器 20-1…20-N模拟器单元29接收由自动化系统2提供的一个或多个控制输入24_1…24-N， 以控制工业过程3基于这些输入24，具有其过程模型的模拟器单元29通过使用的过程模型提供尽可能精确地代表真实的过程输出的模拟的(估计的)过程输出22-1…22-N (例如， 流速、温度、压力)为了避免模型偏离真实过程。