專利名稱：產(chǎn)生濾波信號的方法和產(chǎn)生濾波信號的數(shù)字濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及一種產(chǎn)生濾波信號的方法和一種產(chǎn)生濾波信號的數(shù)字濾波器。更具體地說，本發(fā)明涉及一種從多個(gè)原始信號和至少一個(gè)先前產(chǎn)生的濾波信號中產(chǎn)生濾波信號的方法和一種從許多原始信號和至少一個(gè)先前產(chǎn)生的濾波信號中產(chǎn)生濾波信號的數(shù)字濾波器。
背景技術(shù)：
在控制技術(shù)中，傳統(tǒng)或典型的反饋控制器在控制實(shí)踐中占主要地位。傳統(tǒng)的反饋控制器包括線性控制器如比例(P)控制器，比例積分(PI)控制器或比例積分微分(PID)控制器，所有這些控制器都將在下面闡述，和非線性控制器如模糊邏輯(FL)控制器。圖1是使用P-型反饋控制的假想化學(xué)反應(yīng)器的高液面部分方框圖的部分示意圖，該圖顯示了一種過程，通過控制流體的進(jìn)料速度Vf保持錐形箱10中的液面。更具體地說，液面控制器12將指示箱10內(nèi)液面的信號提供給流量控制器FC14，該流量控制器讀出液體進(jìn)料Vf并將定位信號提供給進(jìn)料控制閥16以控制進(jìn)入箱10的液體進(jìn)料Vf。在如圖1所示的系統(tǒng)中，值得注意的是，流出箱外的液體不受流量控制器14的控制。
可以知道，當(dāng)錐形箱內(nèi)的液面高于其設(shè)定點(diǎn)(set-point)SP時(shí)，控制器14將減少進(jìn)入箱內(nèi)的新鮮進(jìn)料，即減少Vf，而當(dāng)它太低時(shí)，控制器14則提高流量，即增加Vf。這種調(diào)節(jié)的大小由所用的調(diào)整參數(shù)確定，其中最重要的是增益系數(shù)(gain)，即PID中的比例項(xiàng)(“P”)。在這種情況下，應(yīng)規(guī)定增益系數(shù)的單位為(升/小時(shí))/(％液面)。通過規(guī)定增益系數(shù)，操作人員就能確定對于箱10內(nèi)的液面偏離預(yù)定設(shè)定點(diǎn)SP的百分?jǐn)?shù)(％)偏差，該調(diào)節(jié)多少液體進(jìn)料Vf。
同樣應(yīng)值得注意的是，由術(shù)語PID表示的另外兩個(gè)項(xiàng)是積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。積分項(xiàng)，正如其名稱所暗示的，它始終監(jiān)視著有多長時(shí)間液面偏離預(yù)定的設(shè)定點(diǎn)SP。當(dāng)設(shè)定點(diǎn)曲線和當(dāng)前的閥曲線之間的面積增大時(shí)，積分項(xiàng)(I)開始命令液體進(jìn)料Vf有較大的變化。相反，當(dāng)箱10的液面加速或減速，微分項(xiàng)(D)規(guī)定液體進(jìn)料Vf的調(diào)節(jié)量，例如，當(dāng)箱10的液面以某一個(gè)加速度增加時(shí)，Vf的變化為第一值；當(dāng)箱10的液面以一個(gè)減速度增加時(shí)，Vf的變化為與第一值不同的第二值。
PID是一種自近1930年以來的常規(guī)控制策略；PID控制在化學(xué)制造業(yè)中仍居主導(dǎo)地位?？梢钥吹絇ID控制有若干優(yōu)點(diǎn)，其中最大的優(yōu)點(diǎn)是它不需要任何系統(tǒng)的專門知識或模型；PID控制僅需要操作人員在調(diào)整系統(tǒng)時(shí)具有靈巧的手(deft hand)。這個(gè)強(qiáng)項(xiàng)也正是其最大的弱點(diǎn)。更具體地說，PID控制不能利用操作人員所知道的關(guān)于系統(tǒng)的知識的優(yōu)勢。這樣，對于圖1所示的假想的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)就不能顧及箱10是錐形的事實(shí)。如圖1所示，錐形箱10在重力的作用下排放，而液面控制器14調(diào)節(jié)新鮮進(jìn)料的流動(dòng)速度Vf。由于箱10是錐形的，當(dāng)液面高時(shí)，改變液面所需的容積變化就大得多。直覺上，這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，即相對于幾乎是空的時(shí)候來說，當(dāng)箱10幾乎是滿的時(shí)候，為校正液面1％的偏差所需的對流動(dòng)Vf的調(diào)節(jié)要大得多。為此，調(diào)整FC控制器14的參數(shù)的任何單一設(shè)定值(single set)都無法適用于所有液面設(shè)定點(diǎn)SP的值。這樣，通常不可能對箱10的所有液面都使用一組調(diào)整參數(shù)。因此，從一個(gè)液面到另一個(gè)液面的較大的“轉(zhuǎn)變”主要由操作人員手工進(jìn)行，原因是對參數(shù)的一組設(shè)定將無法對箱10的低和高液面都適用。
若控制系統(tǒng)對于箱10還有其它的控制環(huán)路操作，即如圖2所示的溫度環(huán)路，則圖1所示的情況將進(jìn)一步復(fù)雜化。在圖2中，溫度10較好地通過調(diào)節(jié)夾套流體Vj的溫度Tj而得到控制。更具體地說，溫度傳感器18為控制加熱器22的溫度控制器20提供一溫度信號，所述加熱器加熱提供給箱10的夾套10’的流體Vj。為了控制箱溫達(dá)70℃，溫度控制器20改變夾套流體溫度Tj的設(shè)定點(diǎn)。應(yīng)注意的是，控制器14和20盡管在物理上相互隔離，但它們在操作上仍然相互耦合。為了幫助說明這種系統(tǒng)中的“控制器耦合”的概念，假定在20℃時(shí)將新鮮的流體送入箱10內(nèi)，并假定箱流體的密度是溫度的函數(shù)。因此，進(jìn)料Vf的任何變化都將會(huì)影響箱10內(nèi)流體的溫度，影響箱10內(nèi)流體的密度，并隨后影響箱10內(nèi)的液面等等。如圖3和4所示，會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性，這在下面有更詳細(xì)的說明。圖4的關(guān)系曲線圖進(jìn)一步說明了通過箱10內(nèi)流體的密度所發(fā)生的由于液面和溫度控制器的強(qiáng)烈耦合所招致的控制器耦合。
可以知道傳導(dǎo)到箱10的熱量將取決于溫差(T夾套-T箱)和接觸的表面積，即熱交換表面積。而且，箱10內(nèi)的溫度升高取決于箱內(nèi)液體的質(zhì)量和液體的熱容。值得注意的是熱交換的表面積和液體質(zhì)量是箱液面的強(qiáng)非線性函數(shù)；僅通過觀察就可以看到對箱10內(nèi)液面的任何擾動(dòng)或改變都將會(huì)干擾箱10內(nèi)液體的溫度。
進(jìn)一步地，假定液體密度是溫度的函數(shù)，則箱10溫度的任何變化都將會(huì)影響箱10內(nèi)液體的液面，繼而再影響新鮮液體進(jìn)料Vf，進(jìn)料又進(jìn)一步干擾箱10的溫度。在常規(guī)的PID控制中，這就是被稱為會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)持續(xù)振蕩或系統(tǒng)徹底不穩(wěn)定性的控制器耦合。這對于液面設(shè)定點(diǎn)SP的變化圖示于圖3和4中。從這些較后的附圖中，可以看到當(dāng)控制器14的調(diào)整對箱10的較高液面來說是可接受的時(shí)候，系統(tǒng)在箱10的液面較低時(shí)的快得多的響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重的不穩(wěn)定性。對諸如圖2所示的帶有PID控制的系統(tǒng)的控制器耦合的解決方案是“解調(diào)”控制器14，20中的一個(gè)控制器，即降低控制器20的能力，例如控制其變量以便保持其它控制器如控制器12避免與控制器20相對抗。這樣，在以除了對過程干擾有較差的響應(yīng)外而且有較多的漂移為代價(jià)的前提下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就實(shí)現(xiàn)了。
圖5是烯烴聚合產(chǎn)物所用的第一氣相反應(yīng)器(GPR)100的總體示意圖。將聚合物從閃蒸鼓110送入反應(yīng)器100中。從反應(yīng)器100頂部出來的氣體在冷卻器114中冷卻，而后由壓縮機(jī)140進(jìn)行再壓縮。此時(shí)注意的是然后加入新鮮單體C2，C3和氫氣H2，將氣體送回至GPR 100。通過精密的旋風(fēng)器128和聚合物排放閥130，132同樣使氣體離開反應(yīng)器100。從排放閥130，132出來的氣體經(jīng)鳧式滌氣器(teal scrubber)120和壓縮機(jī)118最終到達(dá)乙烯汽提塔116，其中大量的丙烯和丙烷被除去并將它們返回至丙烯彈(未圖示出)中，同時(shí)乙烯和氫氣H2返回至反應(yīng)器100中。
圖6圖示了疊加到圖5示意圖上的原始的氣相反應(yīng)器的控制流程圖。觀察圖6可以看出，引導(dǎo)控制環(huán)路使用對閃蒸鼓100的均聚物排放速度的計(jì)算值，以設(shè)定為到達(dá)最終產(chǎn)物中希望的乙烯％所需的進(jìn)入反應(yīng)器100的乙烯流量。
為了使在GPR 100中產(chǎn)生的二聚物具有乙烯和丙烯的正確組成，必須將氣體組成保持在正確的值。由于乙烯的進(jìn)料已經(jīng)固定，故通過按氣體控制器GC的讀數(shù)來調(diào)節(jié)丙烯進(jìn)料速度完成這個(gè)過程。尤其是，控制氫氣H2以保持其與乙烯的所需比率。應(yīng)知道GPR 100中的壓力在一定的容差范圍內(nèi)必須保持不變。由于乙烯的進(jìn)料是固定的，又由于必須將丙烯的進(jìn)料調(diào)節(jié)到使最終的氣體組成保持不變，故只能通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器100中聚合物床的液面來完成所需的控制。應(yīng)注意的是，床的液面越高，則供入系統(tǒng)中以使氣體反應(yīng)的催化劑就越多，反之亦然。
在圖6的底部是列舉使用系統(tǒng)傳感器進(jìn)行的測量和基于這些測量控制的變量的圖表符號?？梢灾莱Ｒ?guī)的控制方案，即PID控制會(huì)在傳感速度和響應(yīng)速度上產(chǎn)生一根本的失調(diào)(basic mismatch)。值得注意的是，控制環(huán)路能非常快地跟隨壓力的變化，而壓力仍通過改變變化得非常慢的床液面得到控制。另外，盡管系統(tǒng)能非?？斓馗淖儐误w的流動(dòng)速度，但系統(tǒng)并非能如此快地改變，原因是氣體組成值的變化非常緩慢，又因?yàn)榫畚锏倪M(jìn)料取決于過濾值(filtered number)。
表示常規(guī)PID控制方案的方框示于圖7中。正如上述錐形箱的例子，圖7中的各PID控制器是各自獨(dú)立的(self-contained)的，并且不能與其它控制器共享信息。另一個(gè)相似之處是這些控制器都如上所述均與系統(tǒng)“耦合”，這就意味著必須對它們進(jìn)行調(diào)節(jié)以緩慢響應(yīng)，避免不穩(wěn)定性。此情況的最好例子是氫氣控制器70，它力圖通過調(diào)節(jié)氫氣的進(jìn)料來保持反應(yīng)器中的H2/C2比率。然而，C2進(jìn)料的變化也會(huì)影響此比率。當(dāng)氣體比率(C2/(C2+C3))或壓力(全部氣體)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，C2容量(hold-up)也將改變，使氫氣控制器70反應(yīng)，以保持H2/C2的比率。然而，當(dāng)C2偏離得過多時(shí)，H2/C2的比率將在相反的一端特別高，這主要是由于H2容量的改變?？梢灾溃瑸榱吮３址€(wěn)定性需要緩慢調(diào)節(jié)，故氫氣控制器70需要許多小時(shí)以消除假定的擾動(dòng)。
總之，氣相反應(yīng)器的常規(guī)控制使用傳統(tǒng)的PID控制器，它不利用受控系統(tǒng)的知識或受監(jiān)測和受控變量之間可預(yù)見的相互作用。由于這個(gè)原因，必須對PID控制系統(tǒng)環(huán)路進(jìn)行調(diào)節(jié)以緩慢地反應(yīng)，從而最大程度地減少控制器耦合造成的影響。必須選擇乙烯進(jìn)料作為引導(dǎo)控制器(lead controller)，對它來說只允許非常緩慢的變化，原因是在乙烯進(jìn)料中的任何擾動(dòng)都將會(huì)干擾調(diào)節(jié)系統(tǒng)的所有其它PID控制器。
再者，對空載時(shí)間(dead time)占主導(dǎo)地位的過程和含時(shí)間變量的動(dòng)態(tài)過程來說，傳統(tǒng)的反饋控制器不能很好地運(yùn)行。另外，對于在過程變量之間存在相互作用的多變量過程中，傳統(tǒng)的反饋控制器如PID控制器也不能很好地運(yùn)行。業(yè)已發(fā)展了幾種預(yù)測控制技術(shù)以針對傳統(tǒng)反饋控制器的局限性，但這些技術(shù)中沒有一種技術(shù)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)反饋控制器在化學(xué)工業(yè)中的主導(dǎo)地位。
應(yīng)注意的是，使用線性程序模式以實(shí)現(xiàn)對過程的控制是現(xiàn)在的常規(guī)思路。目前使用線性程序模式(它是從數(shù)學(xué)上定義受控變量的未來變化和操作變量的現(xiàn)在和過去變化之間的關(guān)系)以增強(qiáng)過程控制器的操作。在本文中，應(yīng)述及的是受控變量是一被定為保持在所需設(shè)定點(diǎn)的過程變量，而操作變量是一被調(diào)整到驅(qū)動(dòng)受控變量達(dá)目標(biāo)值的變量。在任何商業(yè)過程中，干擾將發(fā)生在過程的外部，它可能會(huì)引起不穩(wěn)定，降低效率并改變產(chǎn)品的質(zhì)量，除非對該過程進(jìn)行控制以實(shí)時(shí)響應(yīng)未測量到的干擾。對過程來說未測量到的干擾可能是由于如環(huán)境溫度的改變、產(chǎn)品配方的變化或?qū)Ξa(chǎn)品需求的意想不到的改變而引起的。另外，這種過程具有系統(tǒng)制約如溫度、壓力和流動(dòng)速度，它們限制了過程變量并且也必須在過程控制中加以考慮。
已有的自適應(yīng)控制法如在自適應(yīng)極點(diǎn)置位控制器(adaptive PolePlacement controller)和最小方差控制器(Minimum Variance controller)中所用的方法是有希望完成所需控制任務(wù)的方法。然而，它們具有兩個(gè)潛在有缺陷的局限性(1)計(jì)算上的復(fù)雜性，這就限制了它們在多變量應(yīng)用中的可行性；和(2)對輸入-輸出延遲的選擇和模型階次選擇的敏感性。近年來在開發(fā)試圖克服這些局限性的自適應(yīng)控制器上已投入了相當(dāng)多的研究，主要的焦點(diǎn)是開發(fā)擴(kuò)展范圍預(yù)測控制法(extended horizon predictive controlmethods)。美國專利5,301,101，5,329,443，5,424,942和5,568,378(為所有目的，將這些專利參考引用在本文中)披露了各種形式的預(yù)測范圍控制器和相應(yīng)的方法。下述提要概括了來自上述幾個(gè)標(biāo)題專利的背景部分的資料。
動(dòng)態(tài)矩陣控制(dynamic matrix control)(DMC)是一種過程控制方法，它使用過程模型根據(jù)對受控變量的未來變化的預(yù)測來計(jì)算操作變量的調(diào)節(jié)。動(dòng)態(tài)矩陣控制的基本概念是使用已知的時(shí)域階躍響應(yīng)過程模型(time domainstep response process models)以確定操作變量的變化，使性能指標(biāo)在一規(guī)定的時(shí)間范圍上達(dá)到最小或最大?；谟蓵r(shí)域階躍響應(yīng)模型預(yù)測的過程響應(yīng)來計(jì)算用于各操作變量的操作變量變化的時(shí)間序列值，從而使性能指標(biāo)達(dá)到最佳化?？梢灾溃蒀utler和Ramaker描述的DMC控制器是基于近似的階躍響應(yīng)模型。因此，DMC控制器只可用于開環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)。
在復(fù)雜環(huán)境下操作的復(fù)雜的多輸入、多輸出、非線性、隨時(shí)間變化的系統(tǒng)中需要使用高性能、計(jì)算有效的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制器的軟件和硬件。尤其是需要用于含有大量的系統(tǒng)輸入和輸出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有效的控制方法，該方法能解決對受控系統(tǒng)的模型不確定性和不可測量的外部擾動(dòng)。
對最簡單的預(yù)測控制方法如最小方差和推廣的最小方差法需要加以考慮的事實(shí)是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)具有輸入-輸出延遲D。選擇控制輸入，使系統(tǒng)匹配D時(shí)間步以后的某期望的軌跡。近年來，考慮系統(tǒng)輸入-輸出延遲的時(shí)間范圍(timehorizons)的預(yù)測控制器(擴(kuò)展范圍預(yù)測控制器)已在許多工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用。為此的動(dòng)力是兩方面的。第一，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入-輸出延遲通常預(yù)先并不知道，若錯(cuò)誤地估計(jì)時(shí)間的延遲，或者延遲是隨系統(tǒng)操作進(jìn)程的時(shí)間而變，則系統(tǒng)的輸入-輸出穩(wěn)定性會(huì)受損害。第二，對于快速采樣的高性能控制器設(shè)計(jì)來說，所得抽樣的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)通常具有非最小的相位零點(diǎn)(所含的零點(diǎn)在單元圓外面)。在這種情況下，當(dāng)對控制的選擇僅基于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的開始，則控制器通常不能很好地運(yùn)行。
在所有擴(kuò)展范圍預(yù)測控制器和自適應(yīng)預(yù)測控制器的內(nèi)部是一個(gè)“預(yù)測器”，它基于輸入和輸出的當(dāng)前和過去的值來估算某些涉及系統(tǒng)輸出的量的未來值。若預(yù)測范圍k延伸超出系統(tǒng)延遲D，則必須假設(shè)(k-D)未來輸入組(u(t)，u(t+1)，...，u(t+k-D))。不同的預(yù)測控制器和自適應(yīng)預(yù)測控制器在這些“額外”輸入上有不同的假定(或加上不同的約束)。接著基于一些標(biāo)準(zhǔn)，將預(yù)測系統(tǒng)輸出用于計(jì)算控制輸入。先前已開發(fā)了若干擴(kuò)展范圍預(yù)測控制器。它們在如何選擇對未來控制的設(shè)置上是不同的。這些控制器包括擴(kuò)展范圍自適應(yīng)控制(EHC)，向后范圍適應(yīng)控制(RHC)，控制向前移動(dòng)平均控制器(CAMAC)，擴(kuò)展預(yù)測自適應(yīng)控制(EPSAC)，通用預(yù)測控制器(GPC)，模型預(yù)測啟發(fā)式控制(MPHC)和動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)。
由Ydstie開發(fā)的EHC預(yù)測控制器如Goodwin和Sin所述，是基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的帶有輔助輸入的模型描述的自動(dòng)-回歸移動(dòng)平均(ARMAX)。通過使受到k-步長事先預(yù)輸出等于某些所需數(shù)值約束的控制作用達(dá)到最小的方式來選擇對k未來控制的設(shè)置。在EHC中，已采用了兩種實(shí)施方法擴(kuò)展范圍和向后范圍方法。在擴(kuò)展范圍實(shí)施方法中，順序執(zhí)行對k未來控制的設(shè)置并更新每k個(gè)樣品。在EHC(即RHC)的向后范圍實(shí)施方法中，只將設(shè)置中的第一個(gè)控制施加到系統(tǒng)上。在接下來取樣的瞬間，計(jì)算對k未來控制的整個(gè)組，并再次只采用第一個(gè)控制。在擴(kuò)展范圍方法中，EHC可以穩(wěn)定開環(huán)不穩(wěn)定的系統(tǒng)和非最小相系統(tǒng)。然而，RHC通常不能穩(wěn)定開環(huán)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。
由Voss等人開發(fā)的CAMAC控制器不同于EHC控制器的地方在于對未來控制組的選擇上。在CAMAC控制器中，假定所有的k未來控制都是恒定的。這個(gè)選擇保證了即使在沒有積分的作用下，在穩(wěn)定狀態(tài)下的無偏移的跟蹤性能。CAMAC控制器也可用于向后范圍和擴(kuò)展范圍實(shí)施方法。再者，若開環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，則CAMAC控制器會(huì)失效。EHC和CAMAC控制器已考慮了只在一個(gè)未來點(diǎn)及時(shí)的輸出。
由Clarke等人開發(fā)的GPC控制器通過允許加入多步輸出預(yù)測而擴(kuò)展了這個(gè)想法。GPC中的k未來控制組通過使預(yù)輸出跟蹤誤差和控制的二次費(fèi)用函數(shù)最小在未來到達(dá)某一范圍值而加以確定。如RHC控制器一樣，GPC以向后范圍方式來實(shí)現(xiàn)。GPC控制器對開環(huán)不穩(wěn)定的系統(tǒng)和非最小相系統(tǒng)都是有效的。由于將受控自動(dòng)-回歸積分移動(dòng)平均值(CARIMA)模式用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型并預(yù)測輸出，故GPC控制器總是包含積分器。GPC控制器包括EPSAC控制器作為一個(gè)特殊情況。
由Richalet等人開發(fā)的MPHC控制器基于近似的脈沖響應(yīng)模型來進(jìn)行輸出預(yù)測。另一方面，由Cutler和Ramaker開發(fā)的DMC控制器是基于近似的階躍響應(yīng)模型。因此，MPHC和DMC控制器都只能施加到開環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)上。然而，應(yīng)指出的是DMC控制器可以穩(wěn)定非最小相系統(tǒng)。
簡言之，現(xiàn)在引入以模型為基礎(chǔ)的“范圍”控制器以控制化學(xué)反應(yīng)器如氣相反應(yīng)器，有希望在穩(wěn)定狀態(tài)下和在轉(zhuǎn)變過程中有大的改進(jìn)的控制。通過使用前饋計(jì)算以確定操作變量的最終穩(wěn)定狀態(tài)值是多少并參照相對于此預(yù)測值的所有“過調(diào)”和“欠調(diào)”移動(dòng)，范圍控制器和相應(yīng)的方法就能部分地完成上述這個(gè)愿望?？梢灾肋@個(gè)特征使時(shí)間范圍控制器非?？斓貙_動(dòng)作出響應(yīng)；然而，對處理操作的穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)模式來說，不能使這些以模型為基礎(chǔ)的范圍控制器達(dá)到最佳化。也可以知道這個(gè)特征使范圍控制器非?？斓貙_動(dòng)作出響應(yīng)，但這是以使這些控制器對用作進(jìn)行前饋計(jì)算的信號中的噪聲非常敏感為代價(jià)的。關(guān)于后者，這些信號必須光滑以避免會(huì)使設(shè)備的剩余部分不穩(wěn)定的操作變量的過度搖擺。較好的是，必須盡可能快地產(chǎn)生這些“光滑的”信號。
一種現(xiàn)成的最簡單的信號濾波器是具有下述形式的低通濾波器Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*[X(t)-Xf(t-1)] (1)它包括采用當(dāng)前測量值，X(t)，和濾波過的信號的前一值，Xf(t-1)，之差以及由FIL值確定的只移動(dòng)這個(gè)距離的濾波過的信號的某些百分率。值得注意的是對于FIL＝1，對信號不作光滑處理，而對于FIL＝0，則原始信號被完全忽略了。對于小于1的值，該值越小，則就越光滑，但是對基礎(chǔ)信號中真實(shí)變化的響應(yīng)的延遲就越長。同樣值得注意的是低通濾波器總是改變Xf(t)相對于Xf(t-1)的值，除非Xf(t)正好等于Xf(t-1)。這就意味著它傳送所有的噪聲，盡管其幅值降低。因此，從噪聲源獲得一非常光滑的濾波信號的唯一方法是具有低值FIL以容忍緩慢的響應(yīng)。
多么需要一種能控制化學(xué)反應(yīng)器如氣相反應(yīng)器的方法，它使用在線參數(shù)平衡，如壓力和/或密度平衡，和非線性模型，以便同時(shí)控制最終產(chǎn)品中的氣體組成、壓力和化學(xué)含量。同樣也多么需要一種能從系統(tǒng)傳感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)中快速濾波噪聲的方法，以便最大程度地降低由控制方法引起的不需要的控制操作的個(gè)數(shù)。
鑒于上述內(nèi)容，可以知道目前在本領(lǐng)域中需要一種能控制化學(xué)過程的方法，該方法考慮到非線性作用并結(jié)合系統(tǒng)知識，它克服了上述缺點(diǎn)。本發(fā)明受為克服目前已有技術(shù)中的不足和缺點(diǎn)的愿望所促使，從而實(shí)現(xiàn)了本領(lǐng)域中的這個(gè)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種過程控制方法，它能快速調(diào)節(jié)并穩(wěn)定化學(xué)反應(yīng)器。按本發(fā)明的一個(gè)方面，該過程控制方法能匹配帶有快速測量的快速控制操作，反之亦然，以使過程控制最佳化。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種使設(shè)定點(diǎn)優(yōu)先排序的過程控制方法。在一個(gè)例舉的情況中，當(dāng)在系統(tǒng)中發(fā)生不平衡時(shí)，本發(fā)明的過程控制方法將最高優(yōu)先級放在保持壓力于設(shè)定點(diǎn)，從而穩(wěn)定H2/C2的比率和氣體組成。按本發(fā)明的一個(gè)方面，當(dāng)壓力是優(yōu)先控制的參數(shù)時(shí)，由于穩(wěn)定的氣體密度，熱轉(zhuǎn)移和液化作用將比較一致。按本發(fā)明的另一個(gè)方面，將操作變量分組，以便于瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)響應(yīng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于受控反應(yīng)器的參數(shù)平衡和數(shù)學(xué)模型的過程控制方法，從而使控制器實(shí)現(xiàn)該過程控制方法，以便較精確和快速地對貫穿于操作參數(shù)的一個(gè)寬范圍中的擾動(dòng)進(jìn)行反應(yīng)。按本發(fā)明的一個(gè)方面，該過程控制方法容許在各種產(chǎn)品類型之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種用于受控反應(yīng)器的參數(shù)平衡和數(shù)學(xué)模式的過程控制方法，從而使控制器實(shí)現(xiàn)該過程控制方法，以便比較快地進(jìn)行設(shè)定點(diǎn)的變化。應(yīng)認(rèn)識到上面對相對速度和反應(yīng)速度的描述是針對在常規(guī)PID控制系統(tǒng)的控制下的同一系統(tǒng)而言的。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種執(zhí)行濾波器算法的過程控制方法，它保持其響應(yīng)噪聲的輸出信號并且仍能非?？斓貙A(chǔ)輸入信號中的真實(shí)改變作出響應(yīng)。按本發(fā)明的一個(gè)方面，N-極性濾波器(N-sign filters)(其中N為正整數(shù))，與低的N值相比比較高的N值產(chǎn)生較光滑信號，但有大的延遲，所有的都要滿足這些操作標(biāo)準(zhǔn)。特別是，舉一個(gè)例子，改進(jìn)的N-極性濾波器(其中N等于3)看上去能滿足這些互相排斥的標(biāo)準(zhǔn)即使對于有噪聲的輸入，它在穩(wěn)定狀態(tài)下也能給出非常光滑的輸出信號；當(dāng)輸入發(fā)生快速變化時(shí)，它不會(huì)明顯地延遲輸出信號。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種例如通過范圍控制器來濾波所接受的信號或所產(chǎn)生的穩(wěn)定狀態(tài)的輸出信號中的一種信號的過程控制方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種濾波輸入信號的過程控制方法，其中濾波器的靜帶寬度與第一個(gè)范圍內(nèi)信號中的噪聲成比例，并且按濾波器輸出信號中延遲的最大允許值來確立濾波器的靜帶寬度，從而接受輸出信號中更多的噪聲。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種濾波輸入信號的過程控制方法，其中外加由濾波器(算法)處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以降低靜帶寬度。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種用于任何過程控制器的信號濾波方法。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將由使用非線性預(yù)測控制的控制化學(xué)反應(yīng)器的方法來提供。該方法較好地包括以下步驟產(chǎn)生許多表征化學(xué)反應(yīng)器的當(dāng)前狀態(tài)和反映化學(xué)反應(yīng)器中各反應(yīng)物的成分的信號；計(jì)算響應(yīng)許多信號并且參照化學(xué)反應(yīng)器中各反應(yīng)物的質(zhì)量容量(masshold-up)的化學(xué)反應(yīng)器的未來狀態(tài)；控制與化學(xué)反應(yīng)器有關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)，從而控制化學(xué)反應(yīng)器的未來狀態(tài)。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將由使用非線性預(yù)測控制的控制化學(xué)反應(yīng)器的方法來提供。該方法較好地包括以下步驟產(chǎn)生許多表征化學(xué)反應(yīng)器的當(dāng)前狀態(tài)和反映化學(xué)反應(yīng)器中各反應(yīng)物的成分的信號；產(chǎn)生相應(yīng)于響應(yīng)至少三個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的信號的濾波信號和不包括該三個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的各處理過的信號；計(jì)算響應(yīng)濾波信號以相應(yīng)于化學(xué)反應(yīng)器中各反應(yīng)物的擴(kuò)展變量(extensive variables)表示的化學(xué)反應(yīng)器的未來狀態(tài)；和控制與化學(xué)反應(yīng)器有關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)，從而控制化學(xué)反應(yīng)器的未來狀態(tài)。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將由一種濾波方法來提供，該方法用于濾波輸入信號并產(chǎn)生光滑的信號，從而使光滑信號中的虛假噪聲降至最小，其中濾波方法按下述算法進(jìn)行f3＝SIGN[X(t)-Xf(t-3)]*1.0f2＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-3)]*1.0f1＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-3)]*1.0fsum＝f1+f2+f3FAC＝(ABS(fsum)/3)zXf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{X(t)-Xf(t-1)}其中X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，和Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將由一種濾波方法來提供，該方法用于濾波輸入信號并產(chǎn)生光滑的信號，從而使光滑信號中的虛假噪聲降至最小，其中濾波方法按下述算法進(jìn)行
f4＝SIGN[X(t)-Xf(t-4)]*因子4f3＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-4)]*因子3f2＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-4)]*因子2f1＝SIGN[X(t-3)-Xf(t-4)]*因子1fsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+f4))FAC=(ABS(fsum)4)z]]>XS(t)=X(t)+X(t-1)+X(t-2)+X(t-3)4]]>Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}，其中X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，和Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將由一種濾波方法來提供，該方法用于濾波輸入信號并產(chǎn)生光滑的信號，從而使光滑信號中的虛假噪聲降至最小，其中濾波方法按下述算法進(jìn)行
f5＝SIGN[X(t)-Xf(t-5)]*因子5f4＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-5)]*因子4f3＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-5)]*因子3f2＝SIGN[X(t-3)-Xf(t-5)]*因子2f1＝SIGN[X(t-4)-Xf(t-5)]*因子1fsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+f4+f5))FAC=(ABS(fsum)5)z]]>XS(t)=X(t)+X(t-1)+X(t-2)+X(t-3)+X(t-4)5]]>Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}，其中X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，和Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號。


本發(fā)明的這些和各種其它特征和方面將參考下面與所附附圖結(jié)合起來的詳細(xì)描述得到容易的理解，其中使用貫穿于其中的相同或類似的標(biāo)號，其中圖1和2分別是說明假想的簡單和復(fù)雜控制方案的操作過程的簡化的方框圖；圖3和4分別是說明常見問題的曲線，即與PID控制方案有關(guān)的控制器耦合的曲線；圖5是用于常規(guī)PID控制方法和本發(fā)明的控制方法的一般的氣相反應(yīng)器的示意方框圖；圖6是一般氣相反應(yīng)器和PID控制器的示意圖；圖7是說明與常規(guī)PID控制方法有關(guān)的函數(shù)的高液面方框圖；圖8是如圖2所示的系統(tǒng)但使用本發(fā)明的控制方法的高液面方框圖；圖9和10是說明對如圖2所示的系統(tǒng)使用非線性時(shí)間范圍控制來消除耦合的曲線；圖11是使用本發(fā)明控制方法的一般氣相反應(yīng)器的高液面方框圖；圖12是說明與本發(fā)明控制方法有關(guān)的函數(shù)的高液面方框圖；圖13A-13F是一系列將常規(guī)PID控制方法與本發(fā)明控制方法的性能進(jìn)行比較的曲線；圖14A和14B分別說明對于如圖2所示的系統(tǒng)，在PID和范圍控制系統(tǒng)中耦合和缺乏耦合的情況；圖15A-15D是用于理解本發(fā)明的基本N-極性濾波器操作的數(shù)據(jù)表示；圖16A-16D是用于理解本發(fā)明另一個(gè)較好實(shí)例的另一種N-極性濾波器操作的數(shù)據(jù)表示；圖17說明較宜在本發(fā)明的N-極性濾波器中使用的另一種計(jì)算方法的使用；圖18A-18K說明用于理解本發(fā)明各種N-極性濾波器實(shí)例的操作的各種輸出信號；和圖19A-19H是用于描繪在本發(fā)明N-極性濾波器中所用的各種參數(shù)的最佳化狀態(tài)的輸出信號。
具體實(shí)施例方式
控制非線性耦合系統(tǒng)的辦法是將有關(guān)對系統(tǒng)已知的知識加入到過程模型中，然后使用這些模型預(yù)測系統(tǒng)中所發(fā)生的任何變化的效應(yīng)。在如圖8所示的箱10的情況中，給定所需的液體體積、液面、表面、以及甚至是流出底部的出射氣流都可以容易地加以計(jì)算。由此，就比較簡單地可以確定在新鮮進(jìn)料Vf和夾套溫度Jt上需要有怎樣的變化才能達(dá)到并保持設(shè)定點(diǎn)?？梢灾烙糜趫D8系統(tǒng)的液面控制方法實(shí)際上完全不控制箱10內(nèi)的液面；該控制方法實(shí)際上控制反應(yīng)器中液體的計(jì)算的質(zhì)量容量。對這種方法，若溫度偏離其設(shè)定點(diǎn)，即使液面由于液體密度的改變而發(fā)生變化，質(zhì)量控制方法由于質(zhì)量仍維持在目標(biāo)值也不會(huì)響應(yīng)。應(yīng)提到的是以這種方式使用模型會(huì)使如圖6所示的兩個(gè)控制環(huán)路解除耦合，以降低干擾，這樣就使兩個(gè)控制環(huán)路對參數(shù)的變化很好地響應(yīng)，而不會(huì)導(dǎo)致常規(guī)PID控制系統(tǒng)中所看到的不穩(wěn)定。這可以在圖9和10中看出，對于與圖3和4所示的基本上相同的液面變化，卻帶來了令人滿意得多的結(jié)果。
應(yīng)注意的是，本發(fā)明的過程控制方法付出了一個(gè)代價(jià)，即必須監(jiān)測大量的系統(tǒng)數(shù)據(jù)以達(dá)到所需的控制。這樣，在如圖8所示的例舉的系統(tǒng)中，箱液面、箱溫度、流出物的流動(dòng)速度Ve、進(jìn)料流速度Vf和進(jìn)料溫度都必須加以測量，并且必須使相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到用于廣泛的參數(shù)平衡(extensive propertybalances)，如壓力和/或密度平衡，并用于基于模型的控制方法計(jì)算上。在過程控制方法的每個(gè)操作都完成后，進(jìn)料流Vf和夾套溫度Jt的設(shè)定點(diǎn)而后都返回至從屬控制器FC和TC。同樣應(yīng)注意的是圖8所示的虛構(gòu)的流Vd代表來自箱10的任何未被測量到的排出物，和模型誤差及測量誤差。
一種用于氣相反應(yīng)器(GPR)的新的控制方法，即使用在線參數(shù)平衡和非線性模型以同時(shí)控制氣體組成、壓力和最終產(chǎn)物的成分(即乙烯)含量的非線性模式預(yù)控制(NMPC)法，對此已經(jīng)作出了廣泛的技術(shù)評估。本發(fā)明的NMPC法較好使用范圍控制技術(shù)控制GPR中各組分的氣體壓力。方便的是，NMPC法使用常規(guī)PID控制器所用的相同的設(shè)定點(diǎn)H2/C2的比率；氣體的比率；壓力；和C2/均聚物的比率，它大大地簡化了轉(zhuǎn)移到NMPC方法的投入和培訓(xùn)力量。
與使用四個(gè)獨(dú)立的PID控制器的常例相反，NMPC法是一種多變量的控制方法。如上所述，由于整個(gè)系統(tǒng)的空載時(shí)間和反應(yīng)器參數(shù)之間的相互作用，必須非常緩慢地對常規(guī)的PID控制器進(jìn)行調(diào)整以進(jìn)行反應(yīng)，從而避免由于如控制器耦合導(dǎo)致的不穩(wěn)定效果?？梢钥吹竭@會(huì)導(dǎo)致頻繁的設(shè)定點(diǎn)偏移。另一方面，NMPC法能預(yù)測各種所測量的參數(shù)之間的相互作用，從而能使以NMPC方法運(yùn)作更有效地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使NMPC控制器較為穩(wěn)定和對設(shè)定點(diǎn)變化有較快反應(yīng)。
在此處應(yīng)提到的是，由于NMPC法是基于壓力的平衡，故可以計(jì)算在線質(zhì)量參數(shù)，它包括％乙烯％可溶二甲苯和％二聚物。應(yīng)知道實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和計(jì)算的質(zhì)量參數(shù)之間的任何差別主要是由于模型誤差。
NMPC法首先在一般用于操作人員培訓(xùn)的模擬器上進(jìn)行測試。應(yīng)知道的是由于將模擬器設(shè)計(jì)成具有加速的動(dòng)態(tài)特性以考驗(yàn)操作人員，該模擬器提供一個(gè)嚴(yán)格的測試平臺以評價(jià)按NMPC法的控制器操作。該模擬器用于評價(jià)測試整個(gè)NMPC控制法的概念以及NMPC法對嚴(yán)重干擾的響應(yīng)。在模擬器上的測試進(jìn)行幾個(gè)月。應(yīng)明白的是模擬器的使用并不單單局限于演示NMPC控制的概念，它同樣可用于籌備設(shè)備試驗(yàn)所用的技術(shù)和操作人員。模擬器可用作合格或不合格的測試，之后進(jìn)行任何設(shè)備試驗(yàn)，該測試將即刻在下面作更詳細(xì)的描述。
對于設(shè)備試驗(yàn)，建立兩個(gè)主要的性能標(biāo)準(zhǔn)，假定本發(fā)明的NMPC法對模擬器是可接受的(a)在穩(wěn)定狀態(tài)(H2，C2，C3，％C2)下使用NMPC法的各控制器的穩(wěn)定性，和(b)H2控制器的瞬時(shí)響應(yīng)。對概念設(shè)備測試的實(shí)際驗(yàn)證在GPR上進(jìn)行。
圖11說明了控制方案，即本發(fā)明的NMPC法，其中引導(dǎo)控制器操縱著各成分(即乙烯和丙烯)的進(jìn)料，以便保持GPR 100中的壓力在非常緊密界限范圍內(nèi)。如上所述，必須保持氣體組成GC，這較好地是通過調(diào)節(jié)乙烯與丙烯在單體進(jìn)料中的比率而順利地完成的。
應(yīng)提到的是采用IR傳感器每秒鐘確定氣體比率，代替采用GC大約每隔6分鐘獲得氣體比率使較快的響應(yīng)方便地得到。為了改進(jìn)模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并降低氣相色譜法的空載時(shí)間(大約5分鐘)，一種運(yùn)用紅外(IR)光譜學(xué)的新穎的傳感器能測量乙烯和丙烯在GPR 100的氣相中的含量。該IR分光鏡提供一個(gè)與色譜值一致的連續(xù)信號。對IR是看不見的氫氣仍必須只采用GC來控制。應(yīng)注意的是對C2和C3的進(jìn)料使用由色譜儀校正的紅外分析儀能提供一個(gè)引導(dǎo)約4分鐘的色譜儀輸出的連續(xù)而精確的信號。當(dāng)NMPC法用于傳感并控制包括氣體比率在內(nèi)的轉(zhuǎn)變時(shí)，和在其它系統(tǒng)干擾的過程中，就可以更好地看出IR分光鏡的全部優(yōu)點(diǎn)。
可以看到圖11圖示的例舉的GPR 100控制系統(tǒng)的最終產(chǎn)物必須具有合適的乙烯含量。因此，NMPC法必須保證進(jìn)入均聚物進(jìn)料中的乙烯進(jìn)料的平均比率與含有采用常規(guī)PID控制的控制系統(tǒng)的GPR中所用的比率相同?？梢灾肋@個(gè)控制先前可以通過直接調(diào)節(jié)乙烯的進(jìn)料來完成。相反，在試圖控制乙烯含量的過程中并不能完全控制乙烯的進(jìn)料，原因是乙烯的進(jìn)料由使用NMPC法的系統(tǒng)中的壓力控制器P被部分地設(shè)置好了。實(shí)際上，本發(fā)明的NMPC法保持反應(yīng)器100中的聚合物床在能使壓力控制器P供入所需的乙烯量的液面上。
應(yīng)提到的是，NMPC法將引導(dǎo)控制器放在最重要的變量如所討論的GPR 100中的壓力上。通過將壓力保持在穩(wěn)定的值，該系統(tǒng)也能保持影響反應(yīng)器100中的流化作用和熱轉(zhuǎn)移的氣體密度。另外，穩(wěn)定的壓力能很好地穩(wěn)定來自閃蒸鼓110進(jìn)入反應(yīng)器100以及從反應(yīng)器100出來進(jìn)入袋狀過濾器122的氣體流，使之能較容易地保持合適的氣體組成，原因是丙烯從閃蒸鼓110進(jìn)入反應(yīng)器100并通過乙烯汽提塔116離開反應(yīng)器100。
本發(fā)明NMPC法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間的匹配。較好的是，每隔幾秒鐘讀取一次壓力的讀數(shù)；采用NMPC法的系統(tǒng)控制器控制單體進(jìn)料變化得非?？斓腉PR 100中的壓力。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明NMPC法的控制器的高液面方框示于圖12中?？梢钥吹?，通過使用過程模型可以實(shí)現(xiàn)由NMPC法反映的控制方法上的變化，從而使系統(tǒng)控制器解除耦合。與使用集中幾個(gè)變量(intensive variables)，即不是基于諸如H2/C2比率、C2/(C2+C3)比率和C2/PP比率(與錐形箱中的液面相類似)的量的變量的常規(guī)PID控制方案不同，以模型為基礎(chǔ)的NMPC法是基于擴(kuò)展變量，即反應(yīng)器100中各成分的質(zhì)量容量或GPR 100的壓力或GPR 100中反應(yīng)物的密度來控制GPR100的。例如，氣體組成以及系統(tǒng)體積的設(shè)定點(diǎn)能容易地用來確定需要多少千克的各成分達(dá)到所需的系統(tǒng)目標(biāo)。
有無數(shù)詳述有關(guān)擴(kuò)展變量的設(shè)備控制的基礎(chǔ)知識的參考資料，如由C.Georgakis等人在題為“在過程動(dòng)力學(xué)和控制中使用擴(kuò)展變量(On the Use ofExtensive Variables in Process Dynamics and Control)”(Chem Eng.Sci.，Vol.41，1471-1484頁(1986))的文章。然而，這些參考資料沒有披露產(chǎn)生用于模型預(yù)測控制器的非線性預(yù)測模型，其中該模型采用如下形式操作變量(多個(gè))＝穩(wěn)態(tài)項(xiàng)(多個(gè))+動(dòng)態(tài)項(xiàng)(多個(gè))+誤差項(xiàng)這種形式的預(yù)測模型在將擴(kuò)展變量分成特別適用于穩(wěn)定狀態(tài)操作或瞬時(shí)操作的組中是特別有利的。這就促進(jìn)了非?？斓腘MPC系統(tǒng)響應(yīng)，原因是為響應(yīng)系統(tǒng)瞬態(tài)變化可以引發(fā)大的參數(shù)變化，而在穩(wěn)定狀態(tài)的操作過程中實(shí)現(xiàn)很小的參數(shù)變化。應(yīng)明白，在NMPC系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生但在其外部應(yīng)用誤差項(xiàng)，所述系統(tǒng)宜使該誤差項(xiàng)成為控制器誤差的動(dòng)態(tài)測量。參見圖11和12。
作為例子，當(dāng)在C2的容量上發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，C2控制器160將響應(yīng)，而H2控制器不響應(yīng)，這樣使H2/C2的比率偏離目標(biāo)值，原因是使用NMPC法的控制系統(tǒng)知道氫氣H2的正確量已存在于GPR 100中。在這種情況下，當(dāng)C2的干擾被消除時(shí)，C2的設(shè)定點(diǎn)將被重新確立。另外，應(yīng)明白的是，允許預(yù)測校正的各成分的質(zhì)量平衡必須與反應(yīng)器100中的設(shè)定點(diǎn)或干擾的變化響應(yīng)。
總之，運(yùn)用系統(tǒng)知識建立基于擴(kuò)展系統(tǒng)參數(shù)的控制器的NMPC法可以使系統(tǒng)解除耦合，這樣使系統(tǒng)中所有的各控制器能快速地發(fā)生作用，而不會(huì)損失系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，使用參數(shù)平衡使控制器實(shí)現(xiàn)NMPC法來預(yù)測問題，并相應(yīng)地響應(yīng)，從而使干擾的影響降至最小，以便快速轉(zhuǎn)變，即設(shè)定點(diǎn)的變化。
在實(shí)際的操作氣相反應(yīng)器中在對各種產(chǎn)物的穩(wěn)定狀態(tài)和瞬時(shí)條件下測試本發(fā)明的NMPC法。設(shè)備測試結(jié)果如下。重要的是要注意實(shí)際設(shè)備試驗(yàn)是在對生產(chǎn)基本上無干擾的情況下進(jìn)行的，這在貫穿于任何過程控制的發(fā)展中都總是首要的任務(wù)。在實(shí)際設(shè)備上控制方案的投產(chǎn)和測試總共僅在兩個(gè)星期內(nèi)完成。
在對于穩(wěn)定狀態(tài)操作的設(shè)備試驗(yàn)中，使用NMPC法的控制器運(yùn)行得非常好，相對于使用PID控制的常規(guī)控制器來說，使用NMPC法的控制器的第一個(gè)產(chǎn)物的H2/C2的變化系數(shù)(COV)減少到二分之一，而第二個(gè)產(chǎn)物的該變化系數(shù)減少到五分之一。參見圖13A。更具體地說，達(dá)到如下差別(A)NMPC控制(1)H2/C2的變化保持在20ppm。
(2)由于底部排料的阻塞引起的R2401干擾。NMPC使干擾降至最小。
(3)為了在緊密控制下保持H2/C2的比率，使H2進(jìn)料速度發(fā)生較大和較頻繁的改變。
(B)常規(guī)控制(PID)(4)對設(shè)定點(diǎn)的控制不緊密。發(fā)生漂移。
(5)對H2進(jìn)料速度僅有緩慢的改變。
(6)再循環(huán)壓縮機(jī)(C2301)中的流動(dòng)擾動(dòng)使再循環(huán)至反應(yīng)器的H2損失。PID控制器緩慢地增加H2的進(jìn)料加以補(bǔ)償。
(7)再循環(huán)壓縮機(jī)返回使用。PID控制器緩慢地減少H2反饋成穩(wěn)定狀態(tài)的流(需要18小時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定性)。NMPC能較快地響應(yīng)，起初提高H2流，而后減少它，同時(shí)恢復(fù)正常的操作。
應(yīng)明白括號()中的各數(shù)字相應(yīng)于諸如圖13A的曲線上的各確定的點(diǎn)。另外，對各產(chǎn)物(參見圖13B)來說氣體比率(C2/C2+C3)的變化保持恒定，而對第一個(gè)產(chǎn)物(參見圖13C)來說計(jì)算的質(zhì)量參數(shù)，即％C2和％二聚物的變化減少。應(yīng)提到的是，為了觀察到對第二個(gè)產(chǎn)物的改進(jìn)，需要對液面控制器有更主動(dòng)的調(diào)整。
尤其是，如圖13B所示，在NMPC法和常規(guī)的PID控制法之間存在下述不同(A)NMPC法(1)即使由于底部排料的阻塞引起反應(yīng)器干擾時(shí)，C2/(C2+C3)的比率也能得到緊密地控制。
(2)與H2相似，丙烯流在NMPC控制中移動(dòng)得更為主動(dòng)。
(B)常規(guī)控制(PID)(3)在穩(wěn)定狀態(tài)條件和沒有干擾的情況下。PID控制的變化小。
(4)對干擾的響應(yīng)太慢以致于不能防止漂移，花費(fèi)了許多時(shí)間以恢復(fù)設(shè)定點(diǎn)。
再者，圖13C描述了常規(guī)PID控制法和NMPC法之間的下述不同之處(A)常規(guī)控制(PID)(1)由于PID控制器是基于保持C2進(jìn)料/均聚物的比率恒定，故此參數(shù)的變化較慢。
(2)然而，所關(guān)心的真正的質(zhì)量參數(shù)是最終的％C2(所消耗的C2/聚合物總量)，它在PID控制下由于均聚物排放速度的變化會(huì)波動(dòng)得更為厲害。
(B)NMPC控制(3)注意到在整個(gè)10小時(shí)的期間內(nèi)，％C2在+/-0.05％上下非常穩(wěn)定。
(4)改進(jìn)的調(diào)節(jié)降低了C2進(jìn)料的波動(dòng)，它進(jìn)一步改進(jìn)了計(jì)算的質(zhì)量參數(shù)(最終的％C2，％二聚物)的穩(wěn)定性。
為了進(jìn)行涉及瞬態(tài)的設(shè)備試驗(yàn)，采用了兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)變化，每種產(chǎn)物一個(gè)。在第一種情況中，將第一個(gè)產(chǎn)物的設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)到50ppm，它需要2小時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的條件。在第二種情況中，將第二個(gè)產(chǎn)物的H2/C2比率的設(shè)定點(diǎn)提高到100ppm，它需要1.7小時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的操作。應(yīng)提到的是，與使用常規(guī)PID控制法的控制器平均需要15小時(shí)相比，這兩種情況下的結(jié)果都有了相當(dāng)大的改進(jìn)。
實(shí)現(xiàn)NMPC法的系統(tǒng)控制器也可用于穩(wěn)定如圖13D所示的從第一個(gè)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成第二個(gè)產(chǎn)物后的氫氣。起初，H2/C2的比率從設(shè)定點(diǎn)為75ppm，處在由常規(guī)PID控制器的緩慢作用所設(shè)定的標(biāo)尺(roll)上。當(dāng)打開時(shí)，使用NMPC法的控制器立刻沖破了標(biāo)尺，在約1.0小時(shí)內(nèi)使H2/C2的比率達(dá)到了目標(biāo)值。若沒有NMPC法，則該標(biāo)尺還會(huì)呈下降的幅度持續(xù)達(dá)10小時(shí)。圖13D中所示的結(jié)果如下(A)常規(guī)控制(PID)(1)由于系統(tǒng)的空載時(shí)間和相互作用，PID必須非常緩慢地調(diào)節(jié)。即使離設(shè)定點(diǎn)僅75ppm，H2進(jìn)料也僅有非常小的提高。
(2)此標(biāo)尺在該點(diǎn)處持續(xù)3小時(shí)，并且要經(jīng)操作人員手工操作才能移動(dòng)。對PID控制器來說，需要另外10小時(shí)以排除此標(biāo)尺。
(B)NMPC控制(3)當(dāng)打開時(shí)，NMPC計(jì)算使H2/C2比率在規(guī)定的TSS(在此為60分鐘)內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值所需的H2的“過調(diào)”。
(4)如圖13A所示，主動(dòng)地移動(dòng)H2的進(jìn)料，使H2/C2的比率保持在設(shè)定點(diǎn)。
如圖13E所示，在從第一個(gè)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成第二個(gè)產(chǎn)物以穩(wěn)定氣體比率的結(jié)束時(shí)，使用本發(fā)明的NMPC法。所作出的移動(dòng)為0.472到0.460。C2在規(guī)定的40分鐘內(nèi)達(dá)到其新的目標(biāo)值，而C3要花60分鐘，重要原因是對C3流所允許的變化率受限制。所估算的40分鐘轉(zhuǎn)變時(shí)間，即使是稍微長的實(shí)際轉(zhuǎn)變時(shí)間，與使用常規(guī)PID控制的類似改變所需的3小時(shí)進(jìn)行比較已經(jīng)很好了。圖13E所示的結(jié)果如下(A)常規(guī)控制(PID)(1)即使遠(yuǎn)離設(shè)定點(diǎn)，也僅發(fā)生小的變化。用PID控制達(dá)到設(shè)定點(diǎn)需要3小時(shí)。
(B)NMPC控制(2)啟動(dòng)NMPC，進(jìn)入新的設(shè)定點(diǎn)。即刻C2就發(fā)生大的變化。
(3)40分鐘后，C2的容量就達(dá)到了其所需的目標(biāo)值。
(4)現(xiàn)在C2/(C2+C3)的比率低于目標(biāo)值，原因是C3太受可調(diào)節(jié)的參數(shù)(最大的變化率)所制約。這表明應(yīng)使用較大的變化率值。
(5)C3達(dá)到設(shè)定點(diǎn)(20分鐘后)，C2/(C2+C3)在60分鐘后達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，比PID約快2小時(shí)。
應(yīng)指出的是，所有的NMPC計(jì)算都基于各成分(H2，C2，C3)的質(zhì)量平衡。從中估算C2和C3的消耗量，然后最好如圖12所示在各成分的時(shí)間范圍控制器中使用。使用該消耗量也可以計(jì)算最終產(chǎn)物中的％C2。由于即使不使用本發(fā)明的NMPC法也要利用模型計(jì)算，故可以將計(jì)算得的％C2與轉(zhuǎn)變過程中的實(shí)驗(yàn)室和IMR值相比較。這些結(jié)果示于圖14F中。應(yīng)指出的是，比較表明計(jì)算的動(dòng)態(tài)性能(斜率)與IMR在線分析的相匹配。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果證實(shí)了轉(zhuǎn)變的結(jié)束。
(A)常規(guī)控制(PID)(1)值得注意的是，與在相同速率下預(yù)測的％C2相比，由IMR測量的％C2下降約30分鐘的滯后。滯后是滯留氣相反應(yīng)器的結(jié)果(若需要的話可以對此作出解釋)。
(2)關(guān)于轉(zhuǎn)變的完成該計(jì)算也與IMR相符合。
由于％C2計(jì)算的動(dòng)態(tài)過程與設(shè)備響應(yīng)很好地相吻合，故可以評價(jià)有關(guān)質(zhì)量參數(shù)變化的控制器性能(NMPC法相對于PID法)，即使質(zhì)量變化比實(shí)驗(yàn)室能檢測到的小。第二個(gè)產(chǎn)物的平均模型誤差((實(shí)驗(yàn)室值-計(jì)算值)/實(shí)驗(yàn)室值)為+14.5％，第一個(gè)產(chǎn)物的為+8.5％。對于最后兩次操作，該兩個(gè)產(chǎn)物的偏移保持恒定。
如上所述，業(yè)已開發(fā)了能顯著地改進(jìn)目前在常規(guī)應(yīng)用中常用的低通濾波器的性能的數(shù)字式濾波器，該新穎的濾波器不僅能給出非常穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)信號，而同時(shí)又能快速地對輸入的移動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)。目前在許多使用常規(guī)NMPC法的化學(xué)設(shè)備中都安裝了時(shí)間范圍控制器，以便對設(shè)定點(diǎn)的變化或過程干擾作出前饋響應(yīng)。然而，這個(gè)特征使它們對時(shí)間范圍計(jì)算中所用的信號中的噪聲敏感。而且，在與測量參數(shù)相對應(yīng)的信號中的不想要的噪聲會(huì)使時(shí)間范圍控制器過分地?cái)[動(dòng)操作變量，這樣對其它控制環(huán)路產(chǎn)生干擾。在輸入信號上使用常規(guī)的低通濾波器可以使諸如使用NMPC法的時(shí)間范圍控制器的行為變得平滑，但以延遲為代價(jià)，該延遲不僅降低時(shí)間范圍控制器的性能，而且會(huì)抹殺與時(shí)間范圍控制器有關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)之一。
本發(fā)明的N-極性濾波器能很好地提供一種實(shí)際上沒有延遲的非常光滑的信號，它能顯著地減少操作變量的移動(dòng)，并使整個(gè)NMPC過程穩(wěn)定。使用密度時(shí)間范圍控制器的動(dòng)態(tài)模擬(認(rèn)為時(shí)間范圍控制器對傳感信號中的噪聲高度敏感)來驗(yàn)證N-極性濾波器的優(yōu)點(diǎn)。在任何具有中等編程能力的常規(guī)控制器中都可以容易地實(shí)現(xiàn)代表本發(fā)明N-極性濾波器的算法。N-極性濾波器較好地作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，它較好地可被放在控制系統(tǒng)的任一點(diǎn)上，即時(shí)間范圍控制器的“上游”或“下游”。應(yīng)注意的是，N-極性濾波器并不局限于其在時(shí)間范圍控制器上的應(yīng)用；常規(guī)PID控制器的性能借助于使用N-極性濾波器也能方便地得到。
正如上面所詳細(xì)談?wù)摰?，目前引入以模型為基礎(chǔ)的“時(shí)間范圍”(″horizon″controller)控制器來控制GPR 100，有希望獲得在穩(wěn)定狀態(tài)下和在產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變過程中都有大大改進(jìn)的控制?？梢灾溃ㄟ^使用前饋計(jì)算以確定操作變量的最終穩(wěn)定狀態(tài)值是多少并參照相對于此穩(wěn)定狀態(tài)值的所有“過調(diào)”和“欠調(diào)”移動(dòng)，時(shí)間范圍控制器和相應(yīng)的方法就能部分地完成上述這個(gè)愿望。這個(gè)特征使時(shí)間范圍控制器能非?？斓貙Ω蓴_作出響應(yīng)；這個(gè)特征也使時(shí)間范圍控制器對進(jìn)行前饋計(jì)算所用的信號中的噪聲非常敏感。這些信號必須光滑以避免操作變量的過分?jǐn)[動(dòng)，引起化學(xué)設(shè)備的其余部分失去穩(wěn)定。
例如，使用本發(fā)明的NMPC法的密度時(shí)間范圍控制器使用來自參數(shù)(如熱)平衡的生產(chǎn)率值以確定必須有多少穩(wěn)定狀態(tài)的單體進(jìn)料。生產(chǎn)率信號中的噪聲將引起單體進(jìn)料的擺動(dòng)，該噪聲會(huì)干擾GPR 100的溫度控制、壓力鼓和尾端。因此，時(shí)間范圍控制器所用的生產(chǎn)率信號必須是光滑的。然而，常規(guī)的低通濾波器能提供一非常光滑的輸出信號，但是以延遲為代價(jià)，輸入的任何運(yùn)動(dòng)需延遲許多分鐘，這就妨礙了時(shí)間范圍控制器的性能。應(yīng)知道，顯著的信號延遲最終可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)路密度的振蕩。
這樣，由于需要尋求一種能在穩(wěn)定狀態(tài)下提供非常光滑的信號，不會(huì)在提供給預(yù)測計(jì)算所用的時(shí)間范圍控制器的信號中引入顯著的延遲，即時(shí)間滯后的更為有效的濾波輸入信號的方法，從而促進(jìn)了N-極性濾波器的發(fā)展。換句話說，對N-極性濾波器操作進(jìn)行研究的目的是為了開發(fā)在對噪聲響應(yīng)中不會(huì)改變其信號并且對基礎(chǔ)信號中的真實(shí)改變能快速響應(yīng)的濾波器。緊接在下面稱為N-極性濾波器的濾波器滿足這些準(zhǔn)則。如上所述，盡管將時(shí)間范圍控制器的需求考慮進(jìn)去來設(shè)計(jì)N-極性濾波器，但N-極性濾波器較好地改進(jìn)常規(guī)PID控制器的性能。
如上所述，一種現(xiàn)成的最簡單的信號濾波器是低通濾波器Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*[X(t)-Xf(t-1)] (1)它包括采用當(dāng)前測量值，X(t)，和濾波過的信號的前一值，Xf(t-1)，之差以及由FIL值確定的只移動(dòng)這個(gè)距離的濾波過的信號的某些百分率。值得注意的是對于FIL＝1，不能實(shí)現(xiàn)光滑，而對于FIL＝0，則原始信號被完全忽略了。對于小于1的值，該值越小，則就越光滑，但是對基礎(chǔ)信號中真實(shí)變化的響應(yīng)的延遲就越長。同樣值得注意的是低通濾波器總是改變Xf(t)相對于Xf(t-1)的值，除非Xf(t)正好等于Xf(t-1)。這就意味著它傳送所有的噪聲，盡管是幅值降低。因此，從噪聲源獲得一非常光滑的濾波信號的唯一方法是具有低值FIL以容忍緩慢的響應(yīng)。
N-極性濾波器的理論非常簡單，控制系統(tǒng)檢查最近N個(gè)(例如為3)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)并將原始數(shù)據(jù)點(diǎn)與剛好在它們之前的濾波信號的值相比較。應(yīng)明白的是，剛好在它們之前的濾波信號一點(diǎn)也不受N個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響。正如下面更詳細(xì)討論的，當(dāng)N個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在剛好在它們之前的濾波信號點(diǎn)的一側(cè)，則濾波信號接下來的值較好地將朝著N個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)移動(dòng)。然而，當(dāng)N個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)落在剛好在它們之前的濾波信號點(diǎn)的兩側(cè)，則認(rèn)為N個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)存在噪聲。為此，剛好在它們之前的濾波信號在對N個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的響應(yīng)中將發(fā)生小的變化。
下面討論將從基本的、原始的N-極性濾波器開始展開，然后說明采用本發(fā)明的NMPC法，基本的N-極性濾波器該如何進(jìn)行操作。
基本N-極性濾波器(N＝3)X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號f3＝SIGN[X(t)-Xf(t-3)]*1.0(2)f2＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-3)]*1.0 (3)f1＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-3)]*1.0 (4)fsum＝f1+f2+f3(5)FAC＝(ABS(fsum)/3)z (6)Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{X(t)-Xf(t-1)} (7)應(yīng)清楚的是，基本N-極性濾波器是一種帶有FIL項(xiàng)乘以新的FAC項(xiàng)的低通濾波器。對于各原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，SIGN函數(shù)用于確定它是否落在參照的濾波信號值，Xf(t-3)，即不受三個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)影響的最近的濾波信號值的上面還是下面。參見圖15。SIGN函數(shù)對正數(shù)來說返回+1值，對負(fù)數(shù)來說返回-1值。例如SIGN(10.3-8.1)＝+1SIGN(8.1-10.3)＝-1給出fsum＝f1+f2+f3，并且”f”項(xiàng)可為+1或-1，fsum的可能值列于下表I中。
表I

fsum的絕對值較好地通過除以3而后自乘到Z次冪獲得FAC項(xiàng)而標(biāo)準(zhǔn)化。
FAC＝(ABS(fsum)/3)z(6)應(yīng)指出的是，Z值的選擇是基于在穩(wěn)定狀態(tài)下需要排除多少噪聲。換一種方式來說，可以將基本N-極性濾波器看成具有兩種可能的FIL值的低通濾波器一種用于對信號的改變作出響應(yīng)(例如fsum等于3)，F(xiàn)IL1，另一種用于穩(wěn)定狀態(tài)的噪聲排除(例如fsum等于1)，F(xiàn)IL2。參見下表II。
FIL1＝FIL*(1)z(10)FIL2＝FIL*(1/3)z(11)表II

參照下述討論并同時(shí)參看圖15A-15D可以最好地來理解本發(fā)明的將N設(shè)置為3時(shí)的N-極性濾波器的操作。例如圖15A說明了原始數(shù)據(jù)點(diǎn)-表示為X，和濾波信號-表示為Xf。剛記錄，即接受新的X(t)值，就需要計(jì)算相應(yīng)的Xf(t)值。在圖15B中，Xf(t-3)點(diǎn)是確定f1、f2和f3值的參照，原因是Xf(t-3)點(diǎn)是不受最近的三個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)影響的最近的點(diǎn)。將這些差別總和起來獲得fsum＝1，F(xiàn)AC＝(1/3)z。在這個(gè)時(shí)候，已確定了FIL為輸入時(shí)的FAC值。
換一種方式來說，為了確定Xf(t)的新值，首先將“f”項(xiàng)指定給X的最后三個(gè)原始值，這取決于這些點(diǎn)與Xf(t-3)的濾波值之差是正數(shù)還是負(fù)數(shù)。值得注意的是圖15B中的Xf(t-2)和Xf(t-1)并不參與計(jì)算。這樣，F(xiàn)AC值按下述公式確定FAC=(ABS(f1+f2+f3)3)z=(1/3)z]]>例如Z＝4FAC＝0.0123可以知道，Xf(t-3)作為確定的參照點(diǎn)，其中X(t)代表真實(shí)的信號移動(dòng)或正是噪聲。也可以知道，如圖15C所示，計(jì)算Xf(t)的參照點(diǎn)卻是Xf(t-1)。這樣，在確定了FAC值之后，使用下述公式來計(jì)算Xf(t)值Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*(X(t)-Xf(t-1))由于FAC的值是如此的小，故不管FIL是什么值相對于Xf(t-1)來說幾乎沒有變化，除非X(t)-Xf(t-1)之差非常大。對于所討論的例舉情況，在FIL＝0.5和Z＝4，F(xiàn)IL*FAC＝0.00615時(shí)，可以看到Xf(t)朝X(t)移動(dòng)小于1％的距離。這種情況示于圖15D中，其中粗線代表時(shí)間范圍控制器所看到的濾波“信號”。可以知道即使在原始數(shù)據(jù)信號中存在相當(dāng)多的噪聲，信號Xf也非常穩(wěn)定。應(yīng)注意的是，這就使時(shí)間范圍控制器的穩(wěn)定狀態(tài)的計(jì)算變得更穩(wěn)定，且不會(huì)限制時(shí)間范圍控制器的適應(yīng)所加的設(shè)定點(diǎn)中的真實(shí)干擾或變化的能力。相反，值得注意的是FIL值＝0.5的低通濾波器能在Xf(t-1)和X(t)之間移動(dòng)50％的距離?？梢灾肋\(yùn)用上述所討論的情況為基礎(chǔ)，N-極性濾波器(其中將N設(shè)定為4或5)的發(fā)展可以外推到所有的N值。
改進(jìn)的N-極性濾波器對于有噪聲的信號，使三個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在Xf(t-3)同一側(cè)的概率是好的。如圖16A所示，在使用基礎(chǔ)N-極性濾波器的情況下，當(dāng)不需要移動(dòng)時(shí)，卻Xf(t)會(huì)偶然上下產(chǎn)生移動(dòng)，然而，如圖16B較詳細(xì)說明的，通過在參照點(diǎn)Xf(t-3)的周圍增加靜帶(dead-band)(其中“f”項(xiàng)的值為0而不是+1或-1)就可以大大地減少這種現(xiàn)象的可能發(fā)生。對圖16B的觀察可以看到，由于兩個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)落在這個(gè)靜帶內(nèi)，故FAC的值非常小，這就導(dǎo)致了Xf(t)相對于Xf(t-1)來說幾乎沒有變化。
f3＝SIGN[X(t)-Xf(t-3)]*因子3 (12)f2＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-3)]*因子2(13)f1＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-3)]*因子1(14)
較好地可以用許多不同的方法來計(jì)算“因子“項(xiàng)，以適應(yīng)信號的特性。如圖16C所示，計(jì)算這些項(xiàng)的最簡單的方法是使僅在靜帶內(nèi)部的因子為離散值0，而在其外部為1。在如圖16C所示的例舉情況中，三個(gè)點(diǎn)中有兩個(gè)點(diǎn)落在靜帶的外部，故FAC的值不再可以忽略不計(jì)。對于圖16C所示的X的三個(gè)值，向上移動(dòng)Xf(t)似乎是適宜的步驟。然而，若X(t-1)落在Xf(t-3)值的下面，則不移動(dòng)Xf(t)似乎更為合理。如下更詳細(xì)地說明，實(shí)現(xiàn)了這種情況。
參照圖16C，在相類似地求得因子2和因子1的情況下，按下述方法可以計(jì)算因子3。
若ABS[X(t)-Xf(t-3)]＞DBAND，則因子3＝1 (15)否則因子3＝0 (16)一種較復(fù)雜的方法是采用因子i來假定0至1的值的范圍。這示于圖16D中，其中若ABS[X(t)-Xf(t-3)]＞DBAND，則因子3＝1 (17)否則 在此應(yīng)指出的是采用取一列數(shù)最小值的內(nèi)函數(shù)MIN在一行中(in one line)就可以達(dá)到相同的效果。一個(gè)例舉的表達(dá)式如下。
現(xiàn)在fsum較好地可以采用從-3到3的一個(gè)連續(xù)的值。如下面更詳細(xì)地討論的，這可以使N-極性濾波器逐漸地消除偏移。
較好地可以將N＝4的改進(jìn)的N-極性濾波器構(gòu)造成獨(dú)立的單元或使用常用的控制器，如使用本發(fā)明的NMPC法的時(shí)間范圍控制器來完成下述等式(20)-(31)的算法。應(yīng)再次指出在下述等式中，X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號。

f4＝SIGN[X(t)-Xf(t-4)]*因子4 (24)f3＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-4)]*因子3(25)f2＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-4)]*因子2(26)f1＝SIGN[X(t-3)-Xf(t-4)]*因子1(27)fsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+f4)) (28)FAC=(ABS(fsum)4)z...(29)]]>XS(t)=X(t)+X(t-1)+X(t-2)+X(t-3)4...(30)]]>Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*(XS(t)-Xf(t-1)}(31)再者，可以將N＝5的改進(jìn)的N-極性濾波器構(gòu)造成獨(dú)立的單元或使用常用的控制器，如使用本發(fā)明的NMPC法的時(shí)間范圍控制器來完成下述等式(32)-(45)的算法。應(yīng)再次指出在下述等式中，X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號。
f5＝SIGN[X(t)-Xf(t-5)]*因子5 (37)f4＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-5)]*因子4 (38)f3＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-5)]*因子3 (39)
f2＝SIGN[X(t-3)-Xf(t-5)]*因子2 (40)f1＝SIGN[X(t-4)-Xf(t-5)]*因子1 (41)fsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+f4+f5)) (42)FAC=(ABS(fsum)5)z...(43)]]>XS(t)=X(t)+X(t-1)+X(t-2)+X(t-3)+X(t-4)5...(44)]]>Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)} (45)對N-極性濾波器的進(jìn)一步加工是提高在Xf(t-3)的與其它兩個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)相反一側(cè)上的任何原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的補(bǔ)償(penalty)。這較好地可通過截?cái)鄁sum的值(下面用FORMRAN內(nèi)函數(shù)INT表示)來完成。
fsum’＝INT(ABS(fsum)) (46)例如f1＝1，f2＝-0.5，f3＝1fsum＝1.5但fsum’＝INT(1.5)＝1.0至此，討論的焦點(diǎn)是關(guān)于可以用來計(jì)算FAC項(xiàng)的改進(jìn)的方法上。假定FAC＝1，則可以完成基于{X(t)-Xf(t-1)}之差的濾波信號的調(diào)節(jié)。然而，對于有噪聲的信號，這個(gè)差值包含所有的X(t)值的噪聲。如圖17所示，較好地可以通過計(jì)算移動(dòng)平均值XS(t)并使用確定Xf(t)時(shí)的移動(dòng)平均值使濾波信號Xf(t)略微變得光滑。也宜使用其它使原始信號光滑的方式。在如圖17所示的例子中，三個(gè)連續(xù)的點(diǎn)落在靜帶的上方，故FAC＝1，然而，最后一點(diǎn)高出其它兩個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)相當(dāng)多。這表明了緊接在t-2處真實(shí)信號的向上移動(dòng)的情況。平均來說，所有的點(diǎn)均高出靜帶，有一些點(diǎn)由于噪聲而高出更多。為了不致作用在噪聲上，基于Xf(t-1)和X的最后3個(gè)移動(dòng)平均值(即XS(t))之差，而非簡單地使用X(t)值來完成Xf(t)的計(jì)算。
XS(t)=X(t)+X(t-1)+X(t-2)3...(47)]]>Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)} (48)可以看到這會(huì)增加少許附加的延遲，該延遲較好地可通過增加FIL方便地加以消除。
這樣，可以將另一個(gè)較好的N-極性濾波器的實(shí)例構(gòu)造成獨(dú)立的單元或使用常用的控制器，如使用本發(fā)明的NMPC法的時(shí)間范圍控制器來完成下述等式(49)-(60)所述的算法。應(yīng)再次指出在下述等式中，X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號。N-極性濾波器的算法較好地按下述一系列的步驟完成。
(1)按公式(49)-(52)計(jì)算n個(gè)因子值 ↓↓ (2)按公式(53)-(56)計(jì)算n個(gè)f值fn＝SIGN[X(t)-Xf(t-n)]*因子n (53)fn-1＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-n)]*因子n-1 (54)fn-2＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-n)]*因子n-2 (55)↓↓↓f1＝SIGN[X(t-n+1)-Xf(t-n)]*因子1 (56)(3)按公式(57)計(jì)算fsumfsum＝ABS(f1+f2+f3+...+fn) (57)(4)按公式(58)計(jì)算FACFAC＝([ABS(fsum)]/n)z(58)(5)按公式(59)計(jì)算光滑的值XS(t)XS(t)=X(t)+X(t-1)+X(t-2)+...+X(t-n+1)n...(59)]]>(6)按公式(60)計(jì)算濾波值Xf(t)Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)} (60)上述算法較好地使用下述推薦值
(A)DBAND應(yīng)大于噪聲的大小。因此，若在穩(wěn)定的狀態(tài)下，X(t)在Xf(t-3)+噪聲和Xf(t-3)-噪聲之間變化，DBAND應(yīng)略微大于噪聲?？梢灾涝肼曧?xiàng)表示為傳感變量的百分?jǐn)?shù)或固定值。
(B)盡管Z可為任何正數(shù)，但Z較好約為1-10，更好為3-5?？梢灾廊鬦太小，(1/3)**Z就不小，濾波信號在對噪聲的響應(yīng)中會(huì)有一些波動(dòng)。相反，當(dāng)Z太大時(shí)，濾波信號的移動(dòng)被全部減少或沒有，這相對于顯著的信號移動(dòng)來說是可以接受的，但它在對斜坡信號的響應(yīng)中會(huì)趨于加強(qiáng)N-極性濾波器的階梯狀特性(step-like nature)。換句話說，N-極性濾波器的輸出可以由幾個(gè)較大的階梯(steps)表示。
(C)FIL較好地應(yīng)被設(shè)置成對真實(shí)信號移動(dòng)的響應(yīng)如需要的那么快。對于每分鐘運(yùn)行約1次的時(shí)間范圍控制器來說，該值為0.5可能是合適的。
或者，用于計(jì)算fsum所用的公式(57)可被公式(61)代替fsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+...+fn)) (61)總之，業(yè)已開發(fā)了能滿足下面兩個(gè)看上去相互排斥的準(zhǔn)則的數(shù)字信號濾波器它提供在穩(wěn)定狀態(tài)下的非常光滑的信號，它也能對變化快速地作出響應(yīng)。這使它成為使用時(shí)間范圍控制器來使信號光滑的理想。
圖18A說明了所例舉的在所有的N-極性濾波器測試中所用的信號。盡管所述的N-極性濾波器可以在任何信號上使用，但生產(chǎn)率作為測試的案例，使得在密度時(shí)間范圍控制器上信號光滑的效果可被容易地加以說明。真實(shí)信號在SPAKg/hr處開始，在5分鐘內(nèi)上升至SPB Kg/hr，它可能在突然加入H2或C2后，在100分鐘內(nèi)調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定，然后在100分鐘的過程中緩慢地降低返回至SPAKg/hr，此時(shí)它可能對催化劑進(jìn)料的減少作出響應(yīng)。這樣，測試信號顯示出必須用來評價(jià)本文的濾波方法的三個(gè)特性穩(wěn)定狀態(tài)、突然變化和緩慢漂移。疊加在圖18A中“真實(shí)”信號上的是“測量”信號，在這種情況下該“測量”信號包括最大幅值為200Kg/hr的噪聲。這種“測量”信號將會(huì)進(jìn)入濾波器以確定其提供光滑而又響應(yīng)輸出信號的能力。
所測試的第一種濾波器是標(biāo)準(zhǔn)的低通濾波器。圖18B說明了FIL＝0.5的結(jié)果。原始信號中所有的噪聲仍然留在光滑的信號中，唯一不同的是其幅值減至一半。應(yīng)注意的是，需要將噪聲的幅值減至+/-20Kg/hr，這要求FIL＝0.1，這是圖18C所示的情況。可以看到圖18C中所示的低通濾波器的輸出被描述成可接受的光滑的穩(wěn)定狀態(tài)的信號，它是以對基礎(chǔ)信號中的任何變化作出非常緩慢的響應(yīng)為代價(jià)的，對濾波信號需25分鐘以上才能達(dá)到SPB kg/hr便是證明。應(yīng)指出的是，得自使用時(shí)間范圍控制器的好處是使這個(gè)延遲的信號明顯地不可接受。同樣可以知道正是圖18C中所示的情況推動(dòng)了使穩(wěn)定狀態(tài)光滑的最佳方法的研究。
應(yīng)指出的是，由于N-極性濾波器象低通濾波器一樣對階梯的改變(step change)作出響應(yīng)，故N-極性濾波器的所有測試都在FIL＝0.5的情況下進(jìn)行?；綨-極性濾波器的響應(yīng)示于圖18D中，顯然它是對低通濾波器的改進(jìn)。然而，圖18D所示的N-極性濾波器的響應(yīng)仍然是有噪聲的，這主要是由于噪聲的三個(gè)連續(xù)波動(dòng)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)均在同一方向上，即在Xf(t-3)點(diǎn)的一側(cè)。
圖18E說明了由于增加200Kg/hr的半寬度(half-width)到靜帶而如何使N-極性濾波器得到顯著的改進(jìn)。此時(shí)濾波信號在穩(wěn)定狀態(tài)下實(shí)際上沒有移動(dòng)，并且對階梯改變的響應(yīng)非常好。值得注意的是，為穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)付出了代價(jià)，該代價(jià)是對設(shè)定點(diǎn)中緩慢漂移的響應(yīng)的階梯質(zhì)量(stair-step quality)，以及趨于持續(xù)向后的偏移。階梯的不連續(xù)特征可能對具有微分作用的常規(guī)PID反饋控制器產(chǎn)生一些問題，但這種控制器對于常規(guī)的低通濾波器來說無論如何都要求一個(gè)非常低的FIL值，并且該問題可通過降低N-極性濾波器的FIL值而避免。對于以模型為基礎(chǔ)的時(shí)間范圍控制器，即NMPC法來說，這些階梯根本不存在問題。
在所有的情況中，由圖18E所示的帶有靜帶的N-極性濾波器給出的信號對應(yīng)用本發(fā)明的時(shí)間范圍控制方法來說是足夠清楚的。然而，如上所討論，某些較小的改進(jìn)不僅是可能的，而且是可行的。這些改進(jìn)的效果參考圖18F-18H進(jìn)行討論。更具體地說，圖18F說明了改進(jìn)靜帶允許“因子”項(xiàng)為從0至1的連續(xù)值的結(jié)果(代替僅在靜帶內(nèi)部為0，而在靜帶外部為1的情況)。這就改進(jìn)了對緩慢漂移的響應(yīng)，使之更為光滑，這是以在穩(wěn)定狀態(tài)下略微有噪聲的信號為代價(jià)的。如圖18G所示，附加噪聲可通過截?cái)唷癴sum”值而大大地消除。最后，如圖18H所示，可通過使用3點(diǎn)移動(dòng)的測量平均值使濾波信號的不平邊緣，如達(dá)到SPBKg/hr后的尖銳脈沖變得光滑。這對略微的階梯改變作出緩慢的響應(yīng)，而這可以通過提高FIL值得到補(bǔ)償。
已經(jīng)注意到，這個(gè)研究的動(dòng)力是發(fā)現(xiàn)了一種使時(shí)間范圍控制器所用的信號光滑的方法，該方法的前饋特征使之能快速地對真實(shí)的干擾作出響應(yīng)，但對用于其計(jì)算的信號中的噪聲也是較為敏感的。在第一個(gè)環(huán)路密度時(shí)間范圍控制器的情況下，單體進(jìn)料的前饋值由下述公式給出VFIKGSS＝(R0+R1)/ZMFPOL1TEFF其中R0+R1是來自熱平衡的生產(chǎn)率(預(yù)聚+第一個(gè)環(huán)路)，ZMFPOL1TEFF是達(dá)目標(biāo)密度時(shí)環(huán)路排料中聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，VF1KGSS是保持在穩(wěn)定狀態(tài)的目標(biāo)密度所需的新鮮丙烯進(jìn)料。應(yīng)明白的是，生產(chǎn)率信號，R1中的任何噪聲都會(huì)直接傳送到單體流的設(shè)定點(diǎn)上。
圖18I說明了R1的“測量”值和兩個(gè)濾波值低通濾波器和最佳化的N-極性濾波器。圖18J將由R1的N-極性濾波器值產(chǎn)生的單體進(jìn)料設(shè)定點(diǎn)與使用低通信號的相比較。使用低通值的時(shí)間范圍控制器每分鐘改變著單體的設(shè)定點(diǎn)。這會(huì)使其它控制環(huán)路，尤其是溫度和壓力鼓控制器失去穩(wěn)定。另一方面，使用N-極性濾波器的時(shí)間范圍控制器非常穩(wěn)定，它對設(shè)備的其余部分有很強(qiáng)的穩(wěn)定化作用。還有，它仍保持著對基礎(chǔ)信號中的真實(shí)變化快速響應(yīng)的能力。
圖18K將使用低通濾波器的控制器的密度曲線與使用N-極性濾波器的相比較。在這兩種情況中，控制是優(yōu)異的，盡管在生產(chǎn)率上有一非常大的擺動(dòng)，仍將密度保持在+/-0.7g/l的范圍內(nèi)。令人啼笑皆非的是，在單體進(jìn)料的擺動(dòng)大時(shí)，密度卻能較為牢固地保持，而這由于對設(shè)備其余部分的去穩(wěn)定化作用明顯是不可接受的。
上述討論提出了一些附圖，這些附圖呈現(xiàn)出在其設(shè)計(jì)中加入對N-極性濾波器信號的改進(jìn)如連續(xù)的靜帶，fsum的截?cái)嗪蚇點(diǎn)(如3點(diǎn))的移動(dòng)平均值，這就最終導(dǎo)致了圖18H中所示的信號。應(yīng)指出的是，這些測試過程均對3個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，在Z＝4并且靜帶＝最大噪聲幅度(在這些情況下為200kg/hr)下進(jìn)行的。下面參照圖19A-19H的討論說明了改變這些參數(shù)中每個(gè)參數(shù)所致的影響，從而證實(shí)為什么認(rèn)為上述值代表著N-極性濾波器的最佳配置。
圖19A說明了在不存在噪聲的情況下，N-極性濾波器的信號是如何比低通濾波器的延遲N-1次時(shí)間間隔。如圖19B所示，當(dāng)加上靜帶時(shí)，由于輸出信號直到N點(diǎn)在靜帶的外部以前實(shí)際上沒有改變，故響應(yīng)變成階梯狀。應(yīng)注意的是，N-極性濾波器所用的時(shí)間間隔可以比使用信號并僅受原始數(shù)據(jù)值現(xiàn)有的頻率限制的時(shí)間范圍控制器的小得多。例如，當(dāng)密度時(shí)間范圍控制器每1分鐘運(yùn)行1次時(shí)，以生產(chǎn)率操作的N-極性濾波器每20秒鐘就能容易地被校正到?？梢灾肋@會(huì)抵銷N-1次間隔延遲的作用。
再者，如上較詳細(xì)討論的，N-極性濾波器的設(shè)計(jì)能容易地延伸至4，5或任何其它點(diǎn)數(shù)。N-極性濾波器中所用的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目越大，宜使用的靜帶就越小。然而，如上所述，代價(jià)是較長的延遲，這就需要更為頻繁的運(yùn)行以消除延遲。圖19C和19D分別圖示了4-和5-型濾波器的響應(yīng)曲線。應(yīng)注意的是，盡管在基礎(chǔ)N-極性濾波器中增加點(diǎn)數(shù)可以獲得更為光滑的信號，但對如圖18H所示的改進(jìn)的N-極性濾波器的改進(jìn)卻甚?。贿@就令人懷疑，增加原始數(shù)據(jù)點(diǎn)所增加的工作是否值得。
Z值的調(diào)節(jié)是根據(jù)當(dāng)所有的三個(gè)點(diǎn)都在靜帶的外部并在同一側(cè)，即當(dāng)fsum＜1時(shí)，需要有多少的作用來做。圖19E圖示了Z＝1的改進(jìn)的N-極性濾波器的響應(yīng)，與低通濾波器(其響應(yīng)示于圖18B中)相比，上述響應(yīng)確實(shí)非常好。從先前的討論可以知道，提高Z使信號光滑是以較持續(xù)的偏移為代價(jià)的。簡言之，與靜帶寬度相比，難以使光滑的信號接近真實(shí)的信號。這樣，如圖19F所示對于Z＝10，N-極性濾波器在對斜坡響應(yīng)中產(chǎn)生較少、較大的階梯。據(jù)觀察，Z＝4的值似乎是最佳的，原因是它對應(yīng)于能產(chǎn)生非常光滑的穩(wěn)定狀態(tài)的信號的最低值。
而且，應(yīng)指出的是靜帶的最佳值通常大致上達(dá)到與信號中的噪聲的大小相同。在為證明這點(diǎn)的所有的例子中，最大的信號噪聲幅度為+/-200kg/hr，而靜帶的寬度也為200kg/hr。靜帶始終等于或大于信號中的噪聲成分并不是關(guān)鍵所在，當(dāng)靜帶為150kg/hr(未圖示)時(shí)也能給出幾乎與圖18H所示的等同的結(jié)果。如圖19G所示，對于靜帶＝100kg/hr，將靜帶設(shè)置為噪聲大小的一半可能太小了。另一方面，如圖19H所示，對于靜帶＝400kg/hr，將靜帶設(shè)置得太寬會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)果。這里，濾波信號對斜坡的延遲幾乎為30分鐘，這就明確地妨礙了時(shí)間范圍控制器保持其設(shè)定點(diǎn)的能力。基于圖19G和19H所示的數(shù)據(jù)可以推斷，當(dāng)信號中的噪聲非常嚴(yán)重時(shí)，必須將靜帶設(shè)置在延遲是可接受的并且能承受N-極性濾波器輸出中附加波動(dòng)的最大值。
上述討論說明了使時(shí)間范圍控制器所用的信號光滑的最佳N-極性濾波器設(shè)計(jì)是如何推導(dǎo)出來并實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)明白的是，在實(shí)踐中，最佳的N-極性濾波器結(jié)構(gòu)，即算法將取決于原始信號本身的特性，時(shí)間范圍控制器的特征，和控制器對化學(xué)設(shè)備其余部分的過分或緩慢作用的間接影響。這樣，盡管毫無疑問地需要一定量的試驗(yàn)和誤差使特定應(yīng)用的N-極性濾波器達(dá)到最佳化，但認(rèn)為這種試驗(yàn)是在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的技能范圍內(nèi)，尤其是在給出了理論和許多例舉算法的情況下。
盡管上面已經(jīng)詳細(xì)地描述了目前本發(fā)明較好的實(shí)例，但應(yīng)清楚地明白，在此所述的對本領(lǐng)域技術(shù)熟練者來說可能是顯見的對本發(fā)明基本概念的多種改變和/或改進(jìn)都落在所附權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種從多個(gè)原始信號和至少一個(gè)先前產(chǎn)生的濾波信號中產(chǎn)生濾波信號的方法，該方法包括如下步驟(a)按下述公式計(jì)算n個(gè)因子值 ↓ ↓ (b)按下述公式計(jì)算n個(gè)f值fn＝SIGN[X(t)-Xf(t-n)]*因子nfn-1＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-n)]*因子n-1fn-2＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-n)]*因子n-2↓ ↓ ↓f1＝SIGN[X(t-n+1)-Xf(t-n)]*因子1(c)按下述公式計(jì)算fsumfsum＝ABS(f1+f2+f3+...+fn)(d)按下述公式計(jì)算FACFAC＝([ABS(fsum)]/n)z(e)按下述公式計(jì)算平滑值XS(t)XS(t)＝(a0)X(t)+(a1)X(t-1)+...+(an-1)X(t-(n-1))；和(f)按公式(60)計(jì)算濾波值Xf(t)Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}，其中X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)；Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號；n為正整數(shù)；z為正數(shù)；SIGN是返回各表達(dá)式的符號的函數(shù)；FIL是在時(shí)間t時(shí)的濾波信號的變化率的實(shí)數(shù)標(biāo)示；ABS是絕對值函數(shù)；DBAND是接近但大于就X(t)測量的系統(tǒng)噪聲的數(shù)；和1＝a0+a1+...+an-1。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中n等于3。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的步驟(a)-(f)共同執(zhí)行下述算法f3＝SIGN[X(t)-Xf(t-3)]*1.0f2＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-3)]*1.0f1＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-3)]*1.0fsum＝f1+f2+f3FAC＝(ABS(fsum)/3)zXS(t)＝[X(t)+X(t-1)+X(t-2)]/3Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中n等于4，并且所述步驟(a)-(f)共同執(zhí)行如下的算法 f4＝SIGN[X(t)-Xf(t-4)]*因子4f3＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-4)]*因子3f2＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-4)]*因子2f1＝SIGN[X(t-3)-Xf(t-4)]*因子1fsum＝ABS(f1+f2+f3+f4)FAC＝([ABS(fsum)]/4)zXS(t)＝[X(t)+X(t-1)+X(t-2)+X(t-3)]/4Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中n等于5，并且所述步驟(a)-(f)共同執(zhí)行如下的算法 f5＝SIGN[X(t)-Xf(t-5)]*因子5f4＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-5)]*因子4f3＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-5)]*因子3f2＝SIGN[X(t-3)-Xf(t-5)]*因子2f1＝SIGN[X(t-4)-Xf(t-5)]*因子1fsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+f4+f5))FAC＝([ABS(fsum)]/5)zXS(t)＝[X(t)+X(t-1)+X(t-2)+X(t-3)+X(t-4)]/5和Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}，其中函數(shù)INT對于任何實(shí)數(shù)輸入來說輸出整數(shù)。
6.一種從許多原始信號和至少一個(gè)先前產(chǎn)生的濾波信號中產(chǎn)生濾波信號的數(shù)字濾波器，它包括按下述公式計(jì)算n個(gè)因子值的第一個(gè)裝置 ↓ ↓ 按下述公式計(jì)算n個(gè)f值的第二個(gè)裝置fn＝SIGN[X(t)-Xf(t-n)]*因子nfn-1＝SIGN[X(t-1)-Xf(t-n)]*因子n-1fn-2＝SIGN[X(t-2)-Xf(t-n)]*因子n-2↓↓ ↓f1＝SIGN[X(t-n+1)-Xf(t-n)]*因子1按下述公式計(jì)算fsum的第三個(gè)裝置fsum＝ABS(f1+f2+f3+...+fn)按下述公式計(jì)算FAC的第四個(gè)裝置FAC＝([ABS(fsum)]/n)z按下述公式計(jì)算平滑值XS(t)的第五個(gè)裝置XS(t)＝(a0)X(t)+(a1)X(t-1)+...+(an-1)X(t-(n-1))；和按公式(60)計(jì)算濾波值Xf(t)的第六個(gè)裝置Xf(t)＝Xf(t-1)+FIL*FAC*{XS(t)-Xf(t-1)}，其中X(t)＝在時(shí)間t時(shí)的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)；Xf(t)＝在時(shí)間t時(shí)的濾波信號；n為正整數(shù)；z為正數(shù)；SIGN是返回各表達(dá)式的符號的函數(shù)；FIL是在時(shí)間t時(shí)的濾波信號的變化率的實(shí)數(shù)標(biāo)示；ABS是絕對值函數(shù)；DBAND是接近但大于就X(t)測量的系統(tǒng)噪聲的數(shù)；和1＝a0+a1+...+an-1。
7.如權(quán)利要求6所述的數(shù)字濾波器，其中n為大于或等于2。
8.如權(quán)利要求6所述的數(shù)字濾波器，其中第三個(gè)裝置按下述公式計(jì)算fsumfsum＝INT(ABS(f1+f2+f3+...+fn))；第四個(gè)裝置按下述公式計(jì)算FACFAC＝(ABS(fsum)/n)z；和INT對于任何實(shí)數(shù)輸入來說輸出整數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的數(shù)字濾波器，其中n為大于或等于2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種從多個(gè)原始信號和至少一個(gè)先前產(chǎn)生的濾波信號中產(chǎn)生濾波信號的方法和一種從許多原始信號和至少一個(gè)先前產(chǎn)生的濾波信號中產(chǎn)生濾波信號的數(shù)字濾波器。較好地使用N－極性濾波器子程序來濾波傳感器或控制器輸出信號，就可以將由于這些信號中的噪聲引起的虛假控制過程降至最小。
文檔編號C08F110/06GK1545207SQ0314584
公開日2004年11月10日 申請日期1998年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月23日
發(fā)明者D·G·哈勒爾, D·C·威廉斯, D G 哈勒爾, 威廉斯 申請人:蒙岱爾北美股份有限公司