無(wú)模型多變量控制（XMC）旨在解決多變量控制難題，而無(wú)需詳細(xì)模型或嵌入式優(yōu)化器。

“基于模型的多變量控制”應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間，以至于許多工程師都沒(méi)有意識(shí)到，現(xiàn)在無(wú)需在模型上付出工作，就可以擁有多變量控制。

無(wú)模型多變量控制（XMC）并不是對(duì)多變量控制方法的“顛覆”，它代表了對(duì)基本原理的回歸。無(wú)模型多變量控制以更簡(jiǎn)單、更可靠的方式解決了多變量控制問(wèn)題，而無(wú)需使用詳細(xì)的模型或在線(xiàn)優(yōu)化器。

在傳統(tǒng)的基于模型的多變量控制中，與模型有關(guān)的活動(dòng)占工程和維護(hù)成本的90％或更多，但是幾乎所有的可靠性和性能問(wèn)題都是因?yàn)槟Ｐ唾|(zhì)量差，幾乎沒(méi)有理由期望這種情況會(huì)改變。

如今，大多數(shù)高級(jí)過(guò)程控制資源都被用于支持已經(jīng)存在的應(yīng)用程序，而不是支持新的應(yīng)用程序。這使得許多高級(jí)過(guò)程控制需求未得到滿(mǎn)足，機(jī)會(huì)沒(méi)有被抓住，因此問(wèn)題也就沒(méi)有得到解決。無(wú)模型多變量控制提供了擺脫這種不可持續(xù)困境的途徑。

無(wú)模型多變量控制的原理

以前，運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)管理受到過(guò)程限制條件需要手動(dòng)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)活動(dòng)，而無(wú)模型多變量控制（XMC）則將這些工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且無(wú)需詳細(xì)的模型或在線(xiàn)優(yōu)化器。重要的過(guò)程限制條件、主要手柄的控制、驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化和安全移動(dòng)大小等，不再是從模型細(xì)節(jié)中才能獲得的秘密。它們已成為運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)成員的基本知識(shí)（圖1）：

無(wú)模型多變量控制（XMC）使運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)，將以前需要手動(dòng)執(zhí)行的多變量約束控制和優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。值得注意的是，這種方法不需要詳細(xì)的模型或嵌入式優(yōu)化器。無(wú)模型多變量控制在內(nèi)部使用獲得專(zhuān)利的速率預(yù)測(cè)控制（RPC）。圖片提供：APCPerformance

?在其它常規(guī)的多變量控制矩陣中捕獲的重要約束、相關(guān)手柄、優(yōu)化目標(biāo)和增益方向（不是詳細(xì)的模型），這對(duì)于無(wú)模型多變量控制來(lái)說(shuō)足以確定每個(gè)控制手柄的正確移動(dòng)方向。

?無(wú)模型多變量控制根據(jù)既定的安全運(yùn)營(yíng)規(guī)范（也稱(chēng)為“過(guò)程速度限制”），為每個(gè)手柄實(shí)施預(yù)先設(shè)計(jì)的移動(dòng)速率。

?無(wú)模型多變量控制監(jiān)視實(shí)際正在運(yùn)行的過(guò)程響應(yīng)，而不是昨天或去年的響應(yīng)，并使用速率預(yù)測(cè)控制（RPC）（一種最新的、獲得專(zhuān)利的單環(huán)控制算法），進(jìn)行進(jìn)一步的移動(dòng)速率調(diào)整，以預(yù)測(cè)性地減少移動(dòng)。

從歷史上看，手動(dòng)多變量控制的質(zhì)量取決于時(shí)間、主動(dòng)性和不同運(yùn)行人員的專(zhuān)業(yè)水平。而及時(shí)性和一致性是自動(dòng)化的基石，這些都是無(wú)模型多變量控制的優(yōu)勢(shì)。 

使用速率預(yù)測(cè)控制

基于自動(dòng)驗(yàn)證的手動(dòng)控制方法，并結(jié)合重要的過(guò)程控制原理和智能概念。速率預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)是將傳統(tǒng)的成熟的手動(dòng)控制方法自動(dòng)化，并結(jié)合重要的過(guò)程控制原則和智慧。

速率預(yù)測(cè)控制產(chǎn)生的是單回路解決方案，而無(wú)模型多變量控制是多變量控制解決方案，它在內(nèi)部使用速率預(yù)測(cè)控制。因此速率預(yù)測(cè)控制的所有優(yōu)點(diǎn)也適用于無(wú)模型多變量控制。

與傳統(tǒng)的比例-積分-微分（PID）相比，速率預(yù)測(cè)控制具有許多顯著優(yōu)勢(shì)，它對(duì)PID替代的需求低，而對(duì)多變量控制替代的需求卻很高，它的最大優(yōu)勢(shì)可能是在采用無(wú)模型多變量控制的環(huán)境中，帶來(lái)如下好處：

?反應(yīng)靈敏且穩(wěn)定的性能；

?變量逐漸接近目標(biāo)值時(shí)，進(jìn)行預(yù)測(cè)漸縮以避免不必要的過(guò)沖或波動(dòng)；

?預(yù)先選擇的移動(dòng)速度（或“過(guò)程速度限制”），在多變量控制中可能特別重要，因?yàn)樵谠撨^(guò)程中可能會(huì)移動(dòng)多個(gè)關(guān)鍵手柄；

?強(qiáng)健的反饋控制特性，因此無(wú)論干擾源如何或“模型如何匹配”，它都會(huì)采取適當(dāng)措施。 

“無(wú)模型”是什么意思？

無(wú)模型控制意味著反饋控制。所有過(guò)程控制本質(zhì)上都是反饋或前饋。前饋控制需要模型，這些模型用于預(yù)測(cè)和采取前饋行動(dòng)。反饋則響應(yīng)正在進(jìn)行的偏差，并且必須有合理的方法來(lái)響應(yīng)，例如PID或速率預(yù)測(cè)控制。

因此，基于模型與前饋同義。無(wú)模型是反饋的代名詞。大多數(shù)控制工程師都很欣賞前饋的潛力（無(wú)縫地消除干擾），但是歷史經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)代的多變量經(jīng)驗(yàn)表明，最好像無(wú)模型多變量控制那樣有選擇地使用前饋，而不是像模型預(yù)測(cè)控制那樣大量使用。無(wú)模型也意味著自適應(yīng)，這意味著隨著過(guò)程響應(yīng)的變化（在短期和長(zhǎng)期基礎(chǔ)上，它們通常會(huì)發(fā)生變化），控制算法會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。自適應(yīng)控制始終是過(guò)程控制的主要目標(biāo)。在當(dāng)代，工業(yè)界一直在嘗試通過(guò)自動(dòng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)回路自適應(yīng)控制，但是在很大程度上卻沒(méi)有成功，并且在更復(fù)雜的多變量基礎(chǔ)上嘗試進(jìn)行相同的事情，例如自適應(yīng)建模。值得注意的是，速率預(yù)測(cè)控制擁有無(wú)數(shù)過(guò)程控制專(zhuān)利中唯一具有固有適應(yīng)性的專(zhuān)利。

此外，無(wú)模型控制意味著控制不基于模型。因此，通過(guò)使用無(wú)模型控制可以減少或完全消除與模型相關(guān)的活動(dòng)，包括工廠(chǎng)測(cè)試、模型標(biāo)識(shí)和模型維護(hù)。 

更先進(jìn)的過(guò)程控制

無(wú)模型多變量控制的可行性為過(guò)程工業(yè)提供了一種新的多變量控制范例，該范例更經(jīng)濟(jì)、敏捷、具有更大的可擴(kuò)展性、更可靠，并且可以更好地滿(mǎn)足現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)日益靈活的日常運(yùn)營(yíng)需求。它基于定性模型，沒(méi)有嵌入式優(yōu)化器，并結(jié)合了傳統(tǒng)的反饋和手動(dòng)控制原理。表1將當(dāng)今基于模型的多變量控制范例與新興的無(wú)模型范例進(jìn)行了比較。

表1：基于模型的多變量控制模式與無(wú)模型模式的比較

在運(yùn)營(yíng)設(shè)施中，多變量控制應(yīng)用程序的規(guī)模往往大小不一，從幾個(gè)變量到幾十個(gè)變量不等，因此較小占地面積的解決方案可以在兩個(gè)方面帶來(lái)好處。在占用空間較大的傳統(tǒng)應(yīng)用中，它可以為其提供可擴(kuò)展的工具。在很多行業(yè)中，它還可以為那些維護(hù)負(fù)擔(dān)較重的老舊應(yīng)用程序，提供替代的新設(shè)計(jì)策略。

在無(wú)模型多變量控制尚未獲得完全應(yīng)用的情況下，過(guò)程行業(yè)可以考慮將其作為一種備案方案，并從中受益。它應(yīng)被視為一條有望克服現(xiàn)有模式的重要資產(chǎn)和資源，并幫助制造企業(yè)開(kāi)發(fā)出敏捷、可持續(xù)的先進(jìn)過(guò)程控制解決方案的途徑。 

關(guān)鍵概念：

■無(wú)模型多變量控制旨在解決高級(jí)控制問(wèn)題，而無(wú)需詳細(xì)模型或在線(xiàn)優(yōu)化器。

■速率預(yù)測(cè)控制與無(wú)模型多變量控制一起設(shè)計(jì)，具有相同的好處。

■無(wú)模型多變量控制可以使現(xiàn)代過(guò)程行業(yè)受益。

思考一下：

無(wú)模型多變量控制可以為您的行業(yè)或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施提供哪些幫助？

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