[發明專利]用于實時計算過程模型狀態量的方法和模擬器

有效

• 申請號: 200910133566.0
• 申請日: 2009-04-14
• 公開（公告）號: CN101593151A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: J·弗羅赫特
• 申請（專利權）人: 帝斯貝思數字信號處理和控制工程有限公司
• 主分類號: G06F11/36
• 分類號: G06F11/36
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 趙 冰

技術領域

本發明涉及一種用于在過程計算機上實時計算過程模型狀態量 的方法和模擬器，所述過程計算機具有第一計算單元和處理接口，其 中所述過程計算機被設置為能夠由所述過程計算機通過所述處理接 口采集物理過程的至少一個狀態量，和/或能夠由所述過程計算機輸出 至少一個輸出量以影響所述物理過程，其中由所述第一計算單元利用 顯式積分法計算過程模型，以確定狀態量。另外，本發明還涉及另外 一種該類型的方法和用于實現這些方法的模擬器。

背景技術

實踐中，先前所給出的用于實時計算過程模型狀態量的方法以及 實現這類方法的模擬器尤其是不能離開機電和過程自動化領域來考 慮。通常，過程計算機或模擬器通過其處理接口與真實的物理過程相 聯系，使得物理過程的狀態量能夠通過測量由過程計算機或模擬器所 采集，并且過程計算機或模擬器能夠經由該處理接口通過輸出量的輸 出對真實的物理過程施加影響。

對于過程計算機或模擬器有大量的應用場合，其例如可以根據在 過程計算機或模擬器上執行的是何種類型的過程模型來進行分類。

當在過程計算機上主要實現的是控制算法的時候，過程計算機通 常是控制設備，其中過程模型可以是所實現的控制算法的一部分，例 如在從線性或者還有非線性的多個量的系統去耦時就是這種情況。一 種典型的應用場合在這里是調節器設計，其例如根據所采用的開發工 具、例如在所謂的“快速控制原型(RCP)”的框架內實現。

在其它經常出現的應用場合下，由過程計算機計算一個工藝流程 的數學映像作為過程模型，如汽車發動機或傳動機構的數學模型。這 樣的過程模型通過過程計算機的處理接口與一個“真實的”技術物理 過程相關聯，在上述汽車應用場合的情況下，往往與能夠測試其功能 的控制設備相關聯；目前它可能是發動機控制設備。由過程模型的輸 出量對該控制設備施加相應的信號(例如發動機轉數、凸輪軸的姿態 等)，并且該控制設備以特定的狀態量、即物理過程的狀態量對其做 出反應，其至少部分地通過處理接口反作用于過程計算機。在這種應 用場合下，過程計算機經常被稱為“模擬器”。模擬器也可以作為開放 的控制回路“開環”工作，其中物理過程的狀態量并不反作用于模擬 器。

借助前面的例子可知，“過程計算機”和“模擬器”的概念是指等同 的數字采樣及計算工具，利用它能夠計算出過程模型。下文中提到“過 程計算機”或“模擬器”時，只是考慮到針對特定應用的常用語言習慣， 但在功能上這些概念在下文中通常是可互換的。如果利用模擬器似乎 使測試對象(這里是真實的過程)構成了一個工作循環，則經常用“在 環(in-the-Loop)”模擬器來表示，在本例中是硬件在環模擬器。

在過程計算機上計算出的過程模型是通過微分方程對物理技術 系統的數學描述。這些微分方程是過程模型的與時間有關的狀態量， 其中所述微分方程通過公共的狀態量彼此關聯。為了數值求解過程模 型，即為了由微分方程求出狀態量，采用了已知的數值積分法。該積 分法可按照不同的觀點來分類，例如可以分成顯式積分法和隱式積分 法，以及單步積分法和多步積分法。

首先，這些積分法的共同之處在于，僅僅在某些特定的離散時間 點計算一個過程模型的狀態量x_M，結果，這些狀態量并不是作為時間 連續的函數x_M(t)，而是僅僅位于離散的時間支持點x_M(t_k)。針對該過 程模型的狀態量x_M利用積分法在一個支持點求出的值在方法的限制 下始終是有誤差的，因此只能得到對于狀態量x_M的實際值的近似值。 對于各種數值積分均存在以下任務：即要求出狀態量x_M在時刻t_k+1的將來值，即狀態量x_M，k+1，其中一般地來說有下列公式：