用于補(bǔ)償基于第一原理的仿真模型的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了用于補(bǔ)償基于第一原理的仿真模型的方法和裝置。示例性的用于補(bǔ)償基于第一原理的仿真模型的方法包括施加一個(gè)或多個(gè)第一測(cè)試輸入到過(guò)程系統(tǒng)以生成第一輸出數(shù)據(jù)；施加一個(gè)或多個(gè)第二測(cè)試輸入到第一原理模型以生成第二輸出數(shù)據(jù)；基于所述第一輸出數(shù)據(jù)和所述第二輸出數(shù)據(jù)來(lái)生成誤差模型，施加輸入數(shù)據(jù)到所述第一原理模型以生成仿真模型輸出數(shù)據(jù)；以及經(jīng)由所述誤差模型來(lái)補(bǔ)償所述模型數(shù)據(jù)以生成被補(bǔ)償?shù)哪Ｐ洼敵鰯?shù)據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于補(bǔ)償基于第一原理的仿真模型的方法和裝置
[0001] 本申請(qǐng)是2010年7月12日提出的申請(qǐng)?zhí)枮?01010229070. 6的"用于補(bǔ)償基于第 一原理的仿真模型的方法和裝置"的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本公開(kāi)一般涉及過(guò)程建模，以及更特別地涉及用于補(bǔ)償基于第一原理的仿真模型 的方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0003] 在過(guò)程仿真的領(lǐng)域中，仿真器設(shè)計(jì)通常基于兩個(gè)不同的模型類(lèi)型：基于第一原理 和基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型。也被稱(chēng)作高保真模型的基于第一原理的模型基于例如質(zhì)量、能量 和動(dòng)量守恒定律的第一原理物理定律來(lái)對(duì)設(shè)備和過(guò)程進(jìn)行建模。描述物理過(guò)程的基于第一 原理的模型常常是復(fù)雜的，并可以利用偏微分方程和/或微分代數(shù)方程來(lái)表示。這些方程 可以描述過(guò)程或設(shè)備屬性和/或在這些屬性中的變化。在許多基于第一原理的模型中，方 程是模塊化的，以對(duì)多設(shè)備或多過(guò)程系統(tǒng)中的過(guò)程和/或設(shè)備的特定部分進(jìn)行建模。因此， 能夠通過(guò)用相應(yīng)于被改變和/或更新的設(shè)備和/或過(guò)程的方程替換在所述模型中的方程來(lái) 在所述模型中容易地改變和/或更新設(shè)備和/或過(guò)程。然而，由于基于第一原理的模型不 能說(shuō)明與過(guò)程設(shè)備的實(shí)際特性或?qū)傩杂嘘P(guān)的不確定度，所以基于第一原理的模型常遭受建 模誤差。
[0004] 另一方面，通常也稱(chēng)作黑箱模型的基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型通過(guò)依照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)施 加測(cè)試輸入到實(shí)際的過(guò)程系統(tǒng)并測(cè)量相應(yīng)于該測(cè)試輸入的測(cè)試輸出來(lái)生成建模公式或方 程?；谒鲚斎牒洼敵?，生成用于確定輸入和輸出之間關(guān)系的方程以對(duì)過(guò)程或設(shè)備進(jìn)行 建模。在該方法中可以比基于第一原理的方程更容易獲得經(jīng)驗(yàn)方程，并且在所述經(jīng)驗(yàn)方程 中可以比在基于第一原理的方程中更好地捕獲和表示動(dòng)態(tài)瞬變現(xiàn)象。然而，必須設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn) 和執(zhí)行特殊的實(shí)驗(yàn)以獲得足夠獲取用于開(kāi)發(fā)所述模型的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確且多樣的數(shù)據(jù)。此 夕卜，當(dāng)改變或替換設(shè)備時(shí)必須開(kāi)發(fā)新的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其是費(fèi)時(shí)且昂貴的。
[0005] 不管使用的過(guò)程建模方法的類(lèi)型為何，過(guò)程系統(tǒng)模型常常需要調(diào)節(jié)和/或調(diào)整。 一般通過(guò)可以重復(fù)多次的試錯(cuò)法來(lái)執(zhí)行這種調(diào)節(jié)和調(diào)整，以反映過(guò)程數(shù)據(jù)中由設(shè)備老化或 疲勞引起的偏差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 此處描述用于補(bǔ)償基于第一原理的仿真模型的方法和裝置。一些示例性的補(bǔ)償基 于第一原理的仿真模型的方法包括施加一個(gè)或多個(gè)第一測(cè)試輸入到過(guò)程系統(tǒng)以生成第一 輸出數(shù)據(jù)；施加一個(gè)或多個(gè)第二測(cè)試輸入到第一原理模型以生成第二輸出數(shù)據(jù)；以及基于 第一和第二輸出數(shù)據(jù)來(lái)生成誤差模型。所述示例性的方法進(jìn)一步包括施加輸入數(shù)據(jù)到第一 原理模型以生成仿真模型輸出數(shù)據(jù)以及經(jīng)由所述誤差模型來(lái)補(bǔ)償所述模型數(shù)據(jù)以生成被 補(bǔ)償?shù)哪Ｐ洼敵鰯?shù)據(jù)。
[0007] 還描述了示例性的用于補(bǔ)償基于第一原理的模型的裝置。一些示例性的被補(bǔ)償?shù)?基于第一原理的模型包括被實(shí)現(xiàn)于存儲(chǔ)器中以基于一個(gè)或多個(gè)輸入生成第一輸出數(shù)據(jù)的 第一原理模型、被實(shí)現(xiàn)于存儲(chǔ)器中以在操作階段補(bǔ)償?shù)谝惠敵鰯?shù)據(jù)來(lái)基于第一輸出數(shù)據(jù)生 成被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼哪Ｐ偷妮敵龅恼`差模型，以及在訓(xùn)練階段基于第一輸出數(shù)據(jù)和 過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)生成所述誤差模型的誤差模型發(fā)生器。生成所述誤差模型包括從過(guò)程系統(tǒng)接收 基于一個(gè)或多個(gè)輸入的第一輸出數(shù)據(jù)和第二輸出數(shù)據(jù)以及基于第一和第二輸出數(shù)據(jù)來(lái)生 成誤差模型。
[0008] 另外，描述了一些示例性的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。所述示例性的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括 指令，所述指令當(dāng)由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)施加一個(gè)或多個(gè)第一測(cè)試輸入到過(guò)程系統(tǒng) 以生成第一輸出數(shù)據(jù)；施加一個(gè)或多個(gè)第二測(cè)試輸入到第一原理模型以生成第二輸出數(shù) 據(jù)；基于第一和第二輸出數(shù)據(jù)來(lái)生成誤差模型；施加輸入數(shù)據(jù)到第一原理模型以生成仿真 模型輸出數(shù)據(jù)；以及經(jīng)由所述誤差模型來(lái)補(bǔ)償所述模型數(shù)據(jù)以生成被補(bǔ)償?shù)哪Ｐ洼敵鰯?shù) 據(jù)。
[0009] 描述了 一些不例性的用于生成動(dòng)態(tài)誤差模型以補(bǔ)償基于第一原理的模型的方法。 所述示例性的方法包括：確定第一預(yù)測(cè)方程以表示在一個(gè)或多個(gè)過(guò)程系統(tǒng)輸入和一個(gè)或多 個(gè)過(guò)程系統(tǒng)輸出之間的關(guān)系；基于一個(gè)或多個(gè)測(cè)試輸入和一個(gè)或多個(gè)測(cè)試輸出來(lái)確定用于 一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)的第一預(yù)測(cè)方程的初始條件；基于在第一時(shí)間之前的第二時(shí)間的第三 預(yù)測(cè)方程或初始條件中的至少一個(gè)來(lái)確定在第一時(shí)間的第二預(yù)測(cè)方程；確定優(yōu)化函數(shù)以?xún)?yōu) 化在響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)實(shí)質(zhì)上相等的輸入的基于第一原理的模型和過(guò)程系統(tǒng)之間的輸出 上的差值；基于第二預(yù)測(cè)方程或第三預(yù)測(cè)方程中的至少一個(gè)來(lái)在約束條件范圍內(nèi)求解所述 優(yōu)化函數(shù)以確定所述模型參數(shù)；以及基于所述模型參數(shù)來(lái)生成動(dòng)態(tài)誤差模型。
[0010] 一些另外的示例性的用于生成動(dòng)態(tài)誤差模型以補(bǔ)償基于第一原理的模型的方法 包括：施加測(cè)試輸入數(shù)據(jù)到一過(guò)程以生成測(cè)試輸出數(shù)據(jù)；基于所述測(cè)試輸入和輸出數(shù)據(jù)來(lái) 生成穩(wěn)態(tài)解；以及基于所述穩(wěn)態(tài)解來(lái)生成一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)方程。在第一時(shí)間的預(yù)測(cè)方程基 于下列中的至少一個(gè)：在一個(gè)或多個(gè)先前的時(shí)間的測(cè)試輸出數(shù)據(jù)；在一個(gè)或多個(gè)先前的時(shí) 間的測(cè)試輸入數(shù)據(jù)；或者在先前的時(shí)間的一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)方程。所述示例性的方法進(jìn)一步 包括施加一個(gè)或多個(gè)約束條件到優(yōu)化函數(shù)，以及求解所述優(yōu)化函數(shù)以在一個(gè)或多個(gè)約束條 件范圍內(nèi)優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)方程來(lái)生成動(dòng)態(tài)誤差模型。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是并聯(lián)配置的示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ偷哪K圖；
[0012] 圖2是串聯(lián)配置的示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ偷哪K圖；
[0013] 圖3是圖1和2中說(shuō)明的示例性的第一原理模型的更詳細(xì)的模塊圖；
[0014] 圖4是在訓(xùn)練階段實(shí)現(xiàn)圖1和2的誤差模型發(fā)生器的示例性的誤差模型發(fā)生器的 模塊圖；
[0015] 圖5是描述利用并聯(lián)誤差模型配置來(lái)補(bǔ)償基于第一原理的模型的示例性的過(guò)程 的流程圖；
[0016] 圖6是描述利用串聯(lián)誤差模型配置來(lái)補(bǔ)償基于第一原理的模型的示例性的過(guò)程 的流程圖；
[0017] 圖7是描述生成誤差模型的示例性的過(guò)程的流程圖；
[0018] 圖8是描述生成一動(dòng)態(tài)誤差模型的示例性的過(guò)程的流程圖；
[0019] 圖9是示例性的處理器系統(tǒng)的模塊圖，所述示例性的處理器系統(tǒng)可被用于實(shí)現(xiàn)此 處描述的示例性的裝置、方法和制品。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 盡管下面公開(kāi)了除了其它組件之外包括在硬件上執(zhí)行的軟件和/或固件的示例 性的系統(tǒng)，但應(yīng)該注意到這種系統(tǒng)僅僅是說(shuō)明性的而不應(yīng)該被認(rèn)為是限制。舉例來(lái)說(shuō)，考慮 了任意或所有這些硬件、軟件和固件組件能夠單純實(shí)施在硬件中、單純實(shí)施在軟件中或?qū)?施在硬件和軟件的任意組合中。相應(yīng)地，雖然下面描述了示例性的系統(tǒng)，但本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員將容易地理解提供的所述實(shí)例并不是實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)的唯一方式。
[0021] 在過(guò)程控制（例如，工業(yè)過(guò)程控制）領(lǐng)域，設(shè)備和/或過(guò)程很少是真正的黑箱。相 反地，因?yàn)檫@種設(shè)備和過(guò)程常常附有被充分記載的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和/或操作歷史數(shù)據(jù)，所以通 常知道一些關(guān)于所述設(shè)備和/或過(guò)程的信息。依照在下面更詳細(xì)描述的實(shí)例，來(lái)源于這種 文件的有用信息可被用于定義第一原理模型。第一原理模型接著可被用于對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的主 要過(guò)程增益和非線(xiàn)性進(jìn)行建模。誤差模型接著可被開(kāi)發(fā)以消減和/或補(bǔ)償?shù)谝辉砟Ｐ椭?的誤差。在許多應(yīng)用中，在主要過(guò)程輸入和輸出變量之間的主要關(guān)系是已知的并利用第一 原理模型被很好地建模。然而，過(guò)程中的不確定度可能導(dǎo)致過(guò)程輸出中存在足夠的偏差，從 而為開(kāi)發(fā)誤差模型來(lái)校正所述偏差提供依據(jù)。
[0022] 此處描述的示例性的方法、裝置和制品可被用于補(bǔ)償基于第一原理的過(guò)程仿真模 型。更具體地說(shuō)，如果為過(guò)程給定一組輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，則此處描述的示例性的方法、 裝置和制品可被用于為一給定輸入或一組輸入確定誤差模型以補(bǔ)償在過(guò)程系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù) 和基于第一原理的模型輸出數(shù)據(jù)之間的差值。在確定誤差模型以后，可以利用由誤差模型 補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼哪Ｐ蛨?zhí)行進(jìn)一步的仿真。作為結(jié)果，可以利用基于第一原理的模型 的準(zhǔn)確性和靈活性，同時(shí)由誤差模型負(fù)責(zé)（即，補(bǔ)償）過(guò)程變化。
[0023] 圖1是并聯(lián)配置的示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00的模塊圖。也 可被稱(chēng)為加性模型的示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?〇〇可被用來(lái)對(duì)例如工 業(yè)過(guò)程和/或工業(yè)設(shè)備進(jìn)行建模。舉例來(lái)說(shuō)，仿真模型100可以響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)輸入來(lái) 生成一個(gè)或多個(gè)輸出，以對(duì)改變輸入、改變過(guò)程和/或改變?cè)O(shè)備的一個(gè)或多個(gè)部件的效果 進(jìn)行精確的建模。在該實(shí)例中，被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00從接收一個(gè)或多個(gè) 輸入X的例如工業(yè)過(guò)程的過(guò)程系統(tǒng)102中接收一個(gè)或多個(gè)輸出W。
[0024] 如圖1中所述，被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00包括第一原理模型104。通 常，示例性的第一原理模型104是一數(shù)學(xué)模型，所述數(shù)學(xué)模型仿真接收與過(guò)程系統(tǒng)102相同 或?qū)嵸|(zhì)相同的輸入，利用所述輸入或響應(yīng)于所述輸入來(lái)仿真過(guò)程系統(tǒng)102,并且生成除某些 建模誤差之外與過(guò)程系統(tǒng)102實(shí)質(zhì)相同的輸出z。如下所述，因?yàn)檫^(guò)程系統(tǒng)102是一物理 過(guò)程而第一原理模型104是所述物理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，所以過(guò)程系統(tǒng)102和第一原理模型 104通常不接收完全相同的輸入并且在輸入相同時(shí)也不產(chǎn)生相同的輸出。
[0025] 如此處所提及的，接收相同的輸入可以指在質(zhì)量上和數(shù)量上接收相同的輸入，或 者可以指接收適當(dāng)?shù)谋硎拘问降妮斎氲亩勘硎尽Ｅe例來(lái)說(shuō)，燃煤電廠的過(guò)程系統(tǒng)和燃煤 電廠的第一原理模型可以通過(guò)分別接收1，〇〇〇千克（kg)的煤和1，000kg的煤的數(shù)學(xué)表示 來(lái)接收相同的或?qū)嵸|(zhì)上相同的輸入。相似地，如此處所提及的，具有相同的輸出可以指在質(zhì) 量上和數(shù)量上具有相同的輸出，或者可以指輸出適當(dāng)?shù)谋硎拘问降妮敵龅亩勘硎?。舉例 來(lái)說(shuō)，燃煤電廠可以輸出302. 78千瓦小時(shí)（kWh)的電，同時(shí)燃煤電廠的第一原理模型可以 輸出302. 78kWh的數(shù)學(xué)表示。
[0026] 為減少在第一原理模型104的輸出中的建模誤差，提供了一種誤差模型發(fā)生器 106。誤差模型發(fā)生器106接收與過(guò)程系統(tǒng)102和/或第一原理模型104相同或?qū)嵸|(zhì)上相同 的輸入（和/或相同的輸入的數(shù)學(xué)表不）。誤差模型發(fā)生器106還接收相應(yīng)于所述輸入的 過(guò)程系統(tǒng)102和第一原理模型104的輸出之間的差值。基于所述輸入和輸出差值，誤差模 型發(fā)生器106生成一誤差模型108。不例性的誤差模型108接收與第一原理模型104相同 或?qū)嵸|(zhì)上相同的輸入，并生成一個(gè)或多個(gè)輸出歹以補(bǔ)償在第一原理模型104和過(guò)程系統(tǒng)102 之間的誤差。通常，誤差模型108可以如在下面結(jié)合圖4所更詳細(xì)描述地包括穩(wěn)態(tài)誤差模 型和/或動(dòng)態(tài)誤差模型。
[0027] 減法器110生成過(guò)程系統(tǒng)102的輸出和第一原理模型104的輸出之間的差值y。 減法器110接著將差值y發(fā)送到誤差模型發(fā)生器106。加法器112接收來(lái)自于第一原理模 型104的輸出（z)以及來(lái)自于誤差模型108的輸出（5〇，并對(duì)所述輸出求和以生成被補(bǔ)償 的第一原理模型的輸出。
[0028] 示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00可以從用戶(hù)接口 114接收一個(gè)或 多個(gè)約束條件、輸入數(shù)據(jù)、誤差模型函數(shù)和/或用于建模的其它數(shù)據(jù)。如在下面所更詳細(xì)說(shuō) 明的，可以由誤差模型發(fā)生器106使用所述約束條件、數(shù)據(jù)和/或誤差模型函數(shù)來(lái)以精確的 方式生成誤差模型108。
[0029] 示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00工作于以下兩個(gè)階段：訓(xùn)練階段 和操作階段。在圖1和2中，利用虛線(xiàn)說(shuō)明了訓(xùn)練階段期間使用的對(duì)象和數(shù)據(jù)，同時(shí)利用實(shí) 線(xiàn)說(shuō)明了操作階段期間使用的對(duì)象和數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練階段期間，示例性的過(guò)程系統(tǒng)102、示例 性的第一原理模型104和不例性的誤差模型發(fā)生器106接收相同或?qū)嵸|(zhì)上相同的測(cè)試輸 入。減法器110從過(guò)程系統(tǒng)102和第一原理模型104接收輸出w和z，并將差值發(fā)送到誤差 模型發(fā)生器106。誤差模型發(fā)生器106基于所述輸入和差值來(lái)生成誤差模型108。如在下 面所更詳細(xì)描述的，誤差模型108可以包括穩(wěn)態(tài)誤差模型和/或動(dòng)態(tài)誤差模型。
[0030] 在操作階段期間，第一原理模型104和誤差模型108接收相同或?qū)嵸|(zhì)上相同的輸 入和/或相同的輸入的數(shù)學(xué)表不。響應(yīng)于所述輸入，第一原理模型104生成仿真模型輸出 數(shù)據(jù)，而誤差模型108生成誤差模型輸出數(shù)據(jù)。加法器112接收來(lái)自于第一原理模型104 的仿真模型輸出數(shù)據(jù)z以及來(lái)自于誤差模型108的誤差模型輸出數(shù)據(jù)?，對(duì)所述數(shù)據(jù)求和， 并輸出被補(bǔ)償?shù)牡谝辉砟Ｐ偷妮敵?。通常，?duì)于相同的輸入來(lái)說(shuō)更接近過(guò)程系統(tǒng)的輸出 的被補(bǔ)償?shù)牡谝辉砟Ｐ偷妮敵鍪歉虾跣枰?。在下面參考圖5的示例性的過(guò)程500來(lái) 描述示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00的詳細(xì)的訓(xùn)練與操作。
[0031] 圖2是串聯(lián)配置的示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00的模塊圖。與 圖1的仿真模型1〇〇類(lèi)似，示例性的基于第一原理的仿真模型200可被用于對(duì)工業(yè)過(guò)程和/ 或工業(yè)設(shè)備建模，以基于一個(gè)或多個(gè)輸入來(lái)確定一個(gè)或多個(gè)輸出。也可被稱(chēng)作乘法模型的 示例性的基于第一原理的仿真模型200接收過(guò)程系統(tǒng)102的輸出w，并包括第一原理模型 104、誤差模型發(fā)生器206和誤差模型208。示例性的誤差模型發(fā)生器206和/或誤差模型 208可以與結(jié)合圖1描述的誤差模型發(fā)生器106和/或誤差模型108中的相應(yīng)的一個(gè)相似 或相同。
[0032] 與圖1的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00相似，圖2的示例性的被補(bǔ)償?shù)?基于第一原理的仿真模型200操作于訓(xùn)練階段和操作階段。在訓(xùn)練階段期間，示例性的過(guò) 程系統(tǒng)102和示例性的第一原理模型104接收相同或?qū)嵸|(zhì)上相同的測(cè)試輸入X?；谒?測(cè)試輸入，過(guò)程系統(tǒng)102生成測(cè)試過(guò)程輸出數(shù)據(jù)而第一原理模型104生成測(cè)試模型輸出數(shù) 據(jù)。所述測(cè)試過(guò)程輸出數(shù)據(jù)和測(cè)試模型輸出數(shù)據(jù)由誤差模型發(fā)生器206接收。雖然誤差模 型發(fā)生器206使用憑經(jīng)驗(yàn)生成的數(shù)據(jù)，例如為建立過(guò)程系統(tǒng)102的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投傻臄?shù)據(jù)， 但是誤差模型發(fā)生器206可以使用相對(duì)較少的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立誤差模型208。結(jié)果，可以 減少生成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退璧某杀竞蜁r(shí)間，并且可以在過(guò)程系統(tǒng)102上執(zhí)行簡(jiǎn)化、簡(jiǎn)略版本的 試驗(yàn)以生成測(cè)試過(guò)程輸出數(shù)據(jù)。因?yàn)檎`差模型208消減由例如未被第一原理模型104建模 的非常影響過(guò)程系統(tǒng)102的輸出的幾個(gè)變量引起的建模誤差，所以可以使用較少的經(jīng)驗(yàn)數(shù) 據(jù)。更多的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以被使用，但可能導(dǎo)致影響誤差模型208和/或被補(bǔ)償?shù)牡谝辉?模型的輸出的不希望得到的瞬態(tài)數(shù)據(jù)和/或噪音。
[0033] 誤差模型發(fā)生器206基于測(cè)試過(guò)程輸出數(shù)據(jù)w和測(cè)試模型輸出數(shù)據(jù)z來(lái)生成誤差 模型208以補(bǔ)償?shù)谝辉砟Ｐ?04。示例性的生成誤差模型208的方法被描述如下。示例 性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼姆抡婺Ｐ?00與用戶(hù)接口 114通信以接收一個(gè)或多個(gè)約束條 件、數(shù)據(jù)、誤差模型函數(shù)和/或用于建模的其它數(shù)據(jù)。如在下面所進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的，可以 由誤差模型發(fā)生器206使用所述約束條件、數(shù)據(jù)和/或誤差模型函數(shù)來(lái)生成精確的誤差模 型 208。
[0034] 在生成誤差模型208以后，示例性的基于第一原理的仿真模型200進(jìn)入操作階段。 在操作階段期間，第一原理模型104接收表示對(duì)過(guò)程系統(tǒng)102的輸入的一個(gè)或多個(gè)輸入X。 基于所述輸入X，第一原理模型104生成由誤差模型208作為輸入接收的輸出z (例如，響應(yīng) 于相應(yīng)的輸入X對(duì)過(guò)程系統(tǒng)102的輸出w進(jìn)行建模）。誤差模型208補(bǔ)償由第一原理模型 104生成的模型輸出z，并輸出被補(bǔ)償?shù)牡谝辉砟Ｐ偷妮敵?。和圖1中所示的示例性的并 聯(lián)配置形成對(duì)比，圖2的誤差模型208補(bǔ)償?shù)谝辉砟Ｐ?04的輸出而不接收相應(yīng)的輸入 X。因此，圖2的串聯(lián)配置更適合于具有線(xiàn)性傳遞函數(shù)的第一原理模型（以及作為擴(kuò)展，過(guò) 程系統(tǒng)）。在下面參考圖6的示例性的過(guò)程600來(lái)描述示例性的被補(bǔ)償?shù)幕诘谝辉淼?仿真模型200的詳細(xì)的操作。
[0035] 任意或所有的示例性的第一原理模型104、示例性的誤差模型發(fā)生器106和/或 206、和/或示例性的誤差模型108和/或208可以利用硬件、固件和/或軟件的任意組合來(lái) 實(shí)現(xiàn)。然而，在固件和/或軟件中實(shí)現(xiàn)的第一原理模型104、示例性的誤差模型發(fā)生器106 和206、以及示例性的誤差模型108和208中的任意一個(gè)可以被實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤┰谟?jì)算機(jī)可讀介 質(zhì)上，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括但不限于動(dòng)態(tài)（例如，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取）和/或靜態(tài)（例如，靜 態(tài)隨機(jī)存?。┐鎯?chǔ)器、固態(tài)存儲(chǔ)器和/或存儲(chǔ)裝置（例如，固態(tài)硬盤(pán)、閃存）、光存儲(chǔ)器（例 如，CDs、DVDs)和/或磁存儲(chǔ)器（例如，磁帶、軟盤(pán)）。在這種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤?的固件或軟件可以包括用于在例如處理器912(圖9)的處理裝置上執(zhí)行的指令，和/或可 以被實(shí)現(xiàn)在專(zhuān)用集成電路（ASIC)上。
[0036] 圖3是圖1和2中所示的示例性的第一原理模型104的更詳細(xì)的模塊圖。示例性 的第一原理模型104包括模型組件A-F。利用基于第一原理的模型來(lái)對(duì)工業(yè)過(guò)程和/或設(shè) 備建模的優(yōu)點(diǎn)包括容易地改變所述模型以適應(yīng)新的或替換部件和/或過(guò)程的能力。模型組 件A可以利用數(shù)學(xué)算法個(gè)別地建模以接收一個(gè)或多個(gè)輸入和/或生成一個(gè)或多個(gè)輸出。對(duì) 模型組件A的輸入可以接收自任意其它的模型組件B-F和/或接收自外部激勵(lì)（例如，對(duì) 第一原理模型104的輸入X)。外部激勵(lì)可以例如是如結(jié)合圖1和2所描述的在訓(xùn)練階段期 間使用的測(cè)試輸入數(shù)據(jù)和/或在操作階段期間使用的輸入數(shù)據(jù)。
[0037] 在舉例說(shuō)明的實(shí)例中，模型組件A從外部激勵(lì)以及模型組件B、C和D中接收一個(gè) 或多個(gè)輸入。另外，模型組件A提供輸出到模型組件B、C和D。相似地，示例性的模型組件 F從模型組件D中接收輸入，并生成一個(gè)或多個(gè)輸出以輸出到模型組件D和/或從第一原 理模型104中輸出。第一原理模型104 (例如，模型組件F)的輸出z可以是如結(jié)合圖1和 2所描述的在訓(xùn)練階段期間使用的測(cè)試模型輸出和/或在操作階段期間生成的模型輸出。
[0038] 在結(jié)合用于燃煤電廠的仿真模型來(lái)使用示例性的第一原理模型104的情況下，模 型組件A相應(yīng)于所述電廠的發(fā)熱組件或?qū)λ霭l(fā)熱組件進(jìn)行建模，所述發(fā)熱組件接收一定 體積的煤（即，對(duì)第一原理模型104的輸入）并生成被接收為對(duì)其它模型組件的輸入的輸 出（例如，熱）。此外，模型組件B可以對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型組件C可以對(duì)蒸汽系統(tǒng) 進(jìn)行建模，而模型組件D可以對(duì)渦輪機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模。更進(jìn)一步地，示例性的模型組件E可 以對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模，而模型組件F可以對(duì)由渦輪機(jī)提供動(dòng)力的發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模，其生 成第一原理模型104的輸出（例如，電力）。在圖3中描述的模型組件之間的舉例說(shuō)明的輸 入和輸出的相互關(guān)系僅僅是示例，可以使用任意其它的相互關(guān)系來(lái)適應(yīng)一特定的應(yīng)用。
[0039] 如上所述，基于第一原理的模型的優(yōu)點(diǎn)包括容易地增加或改變模型組件的能力。 在圖3的示例中，模型組件E可以從第一原理模型104中刪除并由一新的模型組件E2來(lái)替 換。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)工業(yè)設(shè)備的一部分上的舊的或磨損的部件被新的或改進(jìn)的設(shè)備的一部分 替換時(shí)，這種替換可能發(fā)生?？梢杂膳c被替換的過(guò)程生成相同的輸出的更有效的過(guò)程模型 組件（例如，E2)來(lái)替換示例性的過(guò)程模型組件（例如，E)。在用新的模型組件E2替換模 型組件E之后，示例性的新的模型組件E2利用相同類(lèi)型和數(shù)目的輸入來(lái)進(jìn)行工作，并生成 相同類(lèi)型和數(shù)目的輸出?；蛘?，新的模型組件E2可以利用更少的輸入來(lái)生成相同的輸出， 或者利用相同的或更少的輸入來(lái)生成更少的輸出（例如，副產(chǎn)品）。
[0040] 圖4是可被用于在訓(xùn)練階段實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的圖1和2中的誤差模型發(fā)生器106或206 的示例性的誤差模型發(fā)生器400的模塊圖。示例性的誤差模型發(fā)生器400生成可被用于補(bǔ) 償基于第一原理的仿真模型的輸出的誤差模型（例如圖1的108或圖2的208)。示例性的 誤差模型發(fā)生器400包括穩(wěn)態(tài)誤差模型發(fā)生器402和動(dòng)態(tài)誤差模型發(fā)生器404。示例性的 穩(wěn)態(tài)誤差模型發(fā)生器402生成穩(wěn)態(tài)誤差模型406,而示例性的動(dòng)態(tài)誤差模型發(fā)生器404生成 動(dòng)態(tài)誤差模型408?？梢苑珠_(kāi)和/或組合地使用穩(wěn)態(tài)誤差模型406和動(dòng)態(tài)誤差模型408,以 實(shí)現(xiàn)圖1的誤差模型108和/或圖2的誤差模型208。
[0041] 為了清楚起見(jiàn)，示例性的誤差模型發(fā)生器400的下列討論將參考圖1的示例性的 誤差模型發(fā)生器106和示例性的誤差模型108。然而，下列討論同樣可適用于圖2的示例性 的誤差模型發(fā)生器206和示例性的誤差模型208。
[0042] 正如上面參考圖1和2所討論的，示例性的誤差模型發(fā)生器400接收輸入數(shù)據(jù) 410。舉例來(lái)說(shuō)，輸入數(shù)據(jù)410可以是表示對(duì)過(guò)程（例如，如圖1中配置的過(guò)程系統(tǒng)102)的 實(shí)際輸入X的數(shù)據(jù)、過(guò)程（例如，如圖2中配置的過(guò)程系統(tǒng)102)的測(cè)試輸出w、第一原理模 型（例如，如圖2中配置的第一原理模型104)的測(cè)試輸出z和/或過(guò)程系統(tǒng)和第一原理模 型的測(cè)試輸出之間的差值y(例如，如圖1中配置的減法器110的輸出）。
[0043] 附加地或者可替換地，示例性的誤差模型發(fā)生器400可以從用戶(hù)接口 114接收輸 入。系統(tǒng)用戶(hù)經(jīng)由用戶(hù)接口 114可以提供函數(shù)412給誤差模型發(fā)生器400,以例如為誤差 模型108指定數(shù)學(xué)形式。在某些實(shí)例中，誤差模型發(fā)生器400自主地確定將被使用的函數(shù)。 附加地或者可替換地，系統(tǒng)用戶(hù)經(jīng)由用戶(hù)接口 114可以提供約束條件414給誤差模型發(fā)生 器400以約束優(yōu)化解決方案的搜索空間。約束條件414可以限制誤差模型108的輸出服從 絕對(duì)和/或?qū)嶋H的約束條件，其實(shí)例被提供于下文。
[0044] 在下面示例性的誤差模型發(fā)生器400的操作說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)X可以泛指例如對(duì)仿真 塊（例如，圖1和2的第一原理模型104)的仿真輸入和/或?qū)^(guò)程（例如，圖1和2的實(shí) 際過(guò)程102)的真實(shí)輸入的一個(gè)輸入。術(shù)語(yǔ)y可以泛指在實(shí)際輸出和相應(yīng)的模型輸出之間 的差值（例如，如圖1和2中所示的建模誤差z-w)。術(shù)語(yǔ)$可以泛指由誤差模型確定的被 預(yù)期的或被仿真的誤差，例如圖1和2的誤差模型108和208的輸出。
[0045] 在操作中，誤差模型發(fā)生器400在訓(xùn)練階段期間接收輸入數(shù)據(jù)410、函數(shù)412和/ 或約束條件414。穩(wěn)態(tài)誤差模型發(fā)生器402基于接收的輸入數(shù)據(jù)410、函數(shù)412和/或約束 條件414來(lái)生成穩(wěn)態(tài)誤差模型406。示例性的誤差模型發(fā)生器400的詳細(xì)操作將在下面分 別參考圖7和8的流程圖700和800來(lái)進(jìn)行討論。
[0046] 對(duì)于穩(wěn)態(tài)模型表示，示例性的目標(biāo)可以是找到一個(gè)函數(shù)f(x，y，a)，以便基于一 個(gè)或多個(gè)選定的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出的a)接近地?cái)M合原始的 yi。在描述的實(shí)例中，當(dāng) (歹i-yi)的絕對(duì)值對(duì)于一給定的i減小時(shí)，模型被認(rèn)為更好。描述輸入X和輸出誤差y之間 關(guān)系的示例性的函數(shù)能夠用下面的方程1的通式來(lái)表示。
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于生成動(dòng)態(tài)誤差模型以補(bǔ)償基于第一原理的模型的方法，包括： 確定多個(gè)預(yù)測(cè)方程以表示在一個(gè)或多個(gè)過(guò)程系統(tǒng)輸入和一個(gè)或多個(gè)過(guò)程系統(tǒng)輸出之 間的關(guān)系； 基于所述一個(gè)或多個(gè)測(cè)試輸入和所述一個(gè)或多個(gè)測(cè)試輸出來(lái)確定用于一個(gè)或多個(gè)模 型參數(shù)的基于所述預(yù)測(cè)方程的初始條件； 基于在第一時(shí)間之前的第二時(shí)間的第三預(yù)測(cè)方程或所述初始條件中的至少一個(gè)來(lái)確 定在所述第一時(shí)間的第二預(yù)測(cè)方程； 確定優(yōu)化函數(shù)，以?xún)?yōu)化在響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)實(shí)質(zhì)上相等的輸入的基于第一原理的模型 和所述過(guò)程系統(tǒng)之間的輸出上的差值； 基于所述第二預(yù)測(cè)方程或所述第三預(yù)測(cè)方程中的至少一個(gè)來(lái)在約束條件范圍內(nèi)求解 所述優(yōu)化函數(shù)，以確定所述一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)；以及 基于所述一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)來(lái)生成動(dòng)態(tài)誤差模型。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中初始時(shí)間的所述第一預(yù)測(cè)方程包括相應(yīng)的模型參數(shù) 和測(cè)試輸出的乘積的一個(gè)或多個(gè)總和以及相應(yīng)的模型參數(shù)和測(cè)試輸入的乘積的一個(gè)或多 個(gè)總和。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中用所述第一預(yù)測(cè)方程的一個(gè)或多個(gè)預(yù)期輸出來(lái)代替 所述第二和第三預(yù)測(cè)方程中在相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)先前的時(shí)間的相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)測(cè)試輸出 數(shù)據(jù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化函數(shù)包括在所述第一預(yù)測(cè)方程的一個(gè)或多 個(gè)預(yù)期輸出與對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的測(cè)試輸入的一個(gè)或多個(gè)測(cè)試輸出之間的差值的平 方之和。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中求解所述優(yōu)化函數(shù)包括確定局部最小值或局部最大 值中的至少一個(gè)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中基于所述約束條件來(lái)確定所述局部最小值或所述局 部最大值。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述優(yōu)化函數(shù)施加一個(gè)或多個(gè)約束條件。
8. -種用于生成動(dòng)態(tài)誤差模型以補(bǔ)償基于第一原理的模型的方法，包括： 對(duì)過(guò)程施加測(cè)試輸入數(shù)據(jù)以生成測(cè)試輸出數(shù)據(jù)； 基于所述測(cè)試輸入數(shù)據(jù)和所述測(cè)試輸出數(shù)據(jù)來(lái)生成穩(wěn)態(tài)解； 基于所述穩(wěn)態(tài)解來(lái)生成一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)方程，其中第一時(shí)間的預(yù)測(cè)方程基于下列中的 至少一個(gè)： 在一個(gè)或多個(gè)先前的時(shí)間的測(cè)試輸出數(shù)據(jù)； 在一個(gè)或多個(gè)先前的時(shí)間的測(cè)試輸入數(shù)據(jù)；或 在先前的時(shí)間的一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)方程； 對(duì)優(yōu)化函數(shù)施加一個(gè)或多個(gè)約束條件；以及 求解所述優(yōu)化函數(shù)，以在所述一個(gè)或多個(gè)約束條件范圍內(nèi)優(yōu)化所述一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)方 程來(lái)生成動(dòng)態(tài)誤差模型。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104049538SQ201410299321
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2009年7月10日
【發(fā)明者】X·程, R·W·科法特, C·門(mén)藤 申請(qǐng)人:愛(ài)默生過(guò)程管理電力和水解決方案公司