專利名稱：用于實(shí)時計(jì)算過程模型狀態(tài)量的方法和模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在過程計(jì)算機(jī)上實(shí)時計(jì)算過程模型狀態(tài)量 的方法和模擬器，所述過程計(jì)算機(jī)具有第一計(jì)算單元和處理接口，其 中所述過程計(jì)算機(jī)被設(shè)置為能夠由所述過程計(jì)算機(jī)通過所述處理接 口釆集物理過程的至少一個狀態(tài)量，和/或能夠由所述過程計(jì)算機(jī)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(jì)算單元利用 顯式積分法計(jì)算過程模型，以確定狀態(tài)量。另外，本發(fā)明還涉及另外 一種該類型的方法和用于實(shí)現(xiàn)這些方法的模擬器。
背景技術(shù)：
實(shí)踐中，先前所給出的用于實(shí)時計(jì)算過程模型狀態(tài)量的方法以及 實(shí)現(xiàn)這類方法的模擬器尤其是不能離開機(jī)電和過程自動化領(lǐng)域來考 慮。通常，過程計(jì)算機(jī)或模擬器通過其處理接口與真實(shí)的物理過程相 聯(lián)系，使得物理過程的狀態(tài)量能夠通過測量由過程計(jì)算機(jī)或模擬器所 采集，并且過程計(jì)算機(jī)或模擬器能夠經(jīng)由該處理接口通過輸出量的輸 出對真實(shí)的物理過程施加影響。
對于過程計(jì)算機(jī)或模擬器有大量的應(yīng)用場合，其例如可以根據(jù)在 過程計(jì)算機(jī)或模擬器上執(zhí)行的是何種類型的過程模型來進(jìn)行分類。
當(dāng)在過程計(jì)算機(jī)上主要實(shí)現(xiàn)的是控制算法的時候，過程計(jì)算機(jī)通 常是控制設(shè)備，其中過程模型可以是所實(shí)現(xiàn)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(tǒng)去耦時就是這種情況。一 種典型的應(yīng)用場合在這里是調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，其例如根據(jù)所采用的開發(fā)工
具、例如在所謂的"快速控制原型(RCP)"的框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
在其它經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)用場合下，由過程計(jì)算機(jī)計(jì)算一個工藝流程 的數(shù)學(xué)映像作為過程模型，如汽車發(fā)動機(jī)或傳動機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。這樣的過程模型通過過程計(jì)算機(jī)的處理接口與一個"真實(shí)的"技術(shù)物理 過程相關(guān)聯(lián)，在上述汽車應(yīng)用場合的情況下，往往與能夠測試其功能
的控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)；目前它可能是發(fā)動機(jī)控制設(shè)備。由過程模型的輸 出量對該控制設(shè)備施加相應(yīng)的信號(例如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、凸輪軸的姿態(tài) 等)，并且該控制設(shè)備以特定的狀態(tài)量、即物理過程的狀態(tài)量對其做 出反應(yīng)，其至少部分地通過處理接口反作用于過程計(jì)算機(jī)。在這種應(yīng) 用場合下，過程計(jì)算機(jī)經(jīng)常被稱為"模擬器"。模擬器也可以作為開放 的控制回路"開環(huán)"工作，其中物理過程的狀態(tài)量并不反作用于模擬 器。
借助前面的例子可知，"過程計(jì)算機(jī)"和"模擬器"的概念是指等同 的數(shù)字采樣及計(jì)算工具，利用它能夠計(jì)算出過程模型。下文中提到"過 程計(jì)算機(jī)，，或"模擬器，，時，只是考慮到針對特定應(yīng)用的常用語言習(xí)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(shí)的過程)構(gòu)成了一個工作循環(huán)，則經(jīng)常用"在 環(huán)(in-the-Loop )"模擬器來表示，在本例中是硬件在環(huán)模擬器。
在過程計(jì)算機(jī)上計(jì)算出的過程模型是通過微分方程對物理技術(shù) 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述。這些微分方程是過程模型的與時間有關(guān)的狀態(tài)量， 其中所述微分方程通過公共的狀態(tài)量彼此關(guān)聯(lián)。為了數(shù)值求解過程模 型，即為了由微分方程求出狀態(tài)量，采用了已知的數(shù)值積分法。該積 分法可按照不同的觀點(diǎn)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(diǎn)計(jì)算一個過程模型的狀態(tài)量^，結(jié)果，這些狀態(tài)量并不是作為時間
連續(xù)的函數(shù)^I(t)，而是僅僅位于離散的時間支持點(diǎn)^yj(tk)。針對該過
程模型的狀態(tài)量2M利用積分法在一個支持點(diǎn)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(tài)量的實(shí)際值的近似值。
對于各種數(shù)值積分均存在以下任務(wù)即要求出狀態(tài)量^vi在時刻tk+1 的將來值，即狀態(tài)量^M，kH，其中一般地來說有下列公式
<formula>formula see original document page 5</formula>顯式積分法規(guī)定在時刻t^要新計(jì)算的狀態(tài)量五m的值、即sm， k+1僅根據(jù)時間上位于前面的值2[M， k和等等來計(jì)算，即函數(shù)￡可以
顯式地通過該值來表述。通過顯式積分法對狀態(tài)量^M,e的計(jì)算在位于 前面的離散時間點(diǎn)進(jìn)行，即根據(jù)已經(jīng)過去的狀態(tài)量的值及其一次或多 次求導(dǎo)遞歸地進(jìn)行。根據(jù)狀態(tài)量的值需要回溯多少個時間步驟，將其 稱為單步積分法或者多步積分法；這同樣適用于隱式積分法。
隱式積分法規(guī)定如公式1所示，函數(shù)L本身與當(dāng)前所求得的狀 態(tài)量或者其一次或多次求導(dǎo)相關(guān)。已知的是，這種相關(guān)性在數(shù)值上只 能迭代求解，因此這意味著在數(shù)值積分步驟內(nèi)必須執(zhí)行一次迭代循 環(huán)，而這在顯式積分法中則不需要。通常當(dāng)連續(xù)計(jì)算出的近似值彼此 相差小于一個固定設(shè)置的最大值、即處于特定誤差范圍以下時結(jié)束為 求取用隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài)量^M， i的迭代。
顯式積分法所具有的優(yōu)點(diǎn)是為計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)量^Vl，e所需的計(jì)
算步驟數(shù)目是已知的，并且近似保持相等，從而能夠確保狀態(tài)量
的當(dāng)前值位于特定的、可預(yù)見的時間點(diǎn)。這對于所有實(shí)時應(yīng)用來說都 是十分重要的，因?yàn)榉駝t的話就不能實(shí)現(xiàn)時間離散的采樣系統(tǒng)了。但
顯式積分法的缺點(diǎn)是計(jì)算精度具有不確定性，尤其是在剛性系統(tǒng)、 即具有顯著不同的特征值的系統(tǒng)的情況下，當(dāng)顯式數(shù)值積分法的步寬 被選擇為足夠小時，只能得到可接受的計(jì)算結(jié)果。對于剛性系統(tǒng)，顯 式積分法的步寬可能必須要縮小，這樣就不能再在實(shí)時性條件下進(jìn)行
計(jì)算了。
與此相反，隱式積分法的優(yōu)點(diǎn)是通過預(yù)先給定誤差范圍可以非常 精確地預(yù)定計(jì)算精度，但相應(yīng)的缺點(diǎn)是不知道在一個積分步驟內(nèi)為了 計(jì)算出所要求的精度需要多少次迭代。因此隱式積分法尤其是在剛性 系統(tǒng)的情況下只能非常有限地適用于實(shí)時應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是至少部分地避免在用于實(shí)時計(jì)算過程模型 狀態(tài)量的已知方法中所提到的上述缺點(diǎn)，尤其是在最大程度確保計(jì)算的數(shù)值精度和穩(wěn)定性的前提下能夠保證計(jì)算的實(shí)時性。
首先根據(jù)本發(fā)明的第 一個技術(shù)方案，本發(fā)明所述的用于實(shí)時計(jì)算 與真實(shí)物理過程相關(guān)聯(lián)的過程模型的狀態(tài)量的方法的主要特征在于，
提供了第二計(jì)算單元，基本上與利用第一計(jì)算單元計(jì)算過程模型同步 地，利用所述第二計(jì)算單元通過隱式積分法執(zhí)行該過程模型，為了校 正在第一計(jì)算單元上所執(zhí)行的對過程模型的計(jì)算，調(diào)用利用第二計(jì)算 單元和隱式積分法所計(jì)算的過程模型狀態(tài)量，并將以這種方式通過顯 式積分法所求得的狀態(tài)量用作該過程模型的狀態(tài)量。
根據(jù)本發(fā)明的方法利用了以下原理過程計(jì)算機(jī)通過硬件配置提 供了多個計(jì)算單元，其可能是多處理器系統(tǒng)的形式、即具有多個作為 部件的可區(qū)分的處理器，或者可能是多內(nèi)核處理器(Multicore),其 中 一個處理器包含多個在很大程度上彼此獨(dú)立工作的內(nèi)核，它們實(shí)際 上可以同時處理不同的進(jìn)程，這些進(jìn)程不是僅僅串行地先后執(zhí)行，而 是以單個線程的形式被處理，因而不會產(chǎn)生時間增益。
當(dāng)說到"基本上"與利用第 一計(jì)算單元計(jì)算過程模型同步地，利用 所述第二計(jì)算單元通過隱式積分法執(zhí)行該過程模型時，這意味著所 述兩種積分法彼此同時地執(zhí)行，但允許硬件和方法步驟上的差別。例 如可能是這樣的情況顯式和隱式的積分法在不同的、即彼此稍微有 所偏差的計(jì)算時刻對狀態(tài)量^m，e及Sm， i執(zhí)行計(jì)算，此時對過程模型的 兩種計(jì)算在本發(fā)明的意義上仍然可以認(rèn)為是"基本上"同步執(zhí)行的，因 為這兩者均涉及相同的物理時間，并具有共同的物理時基。
通過將利用顯式積分法所求得的狀態(tài)量^M， e用作過程模型的狀
態(tài)量^vi,可以保持計(jì)算過程模型狀態(tài)量時的實(shí)時條件。通過以利用隱
式積分法所求得的狀態(tài)量^M， i來校正利用顯式積分法所求得的狀態(tài)量
SM，e，可以附帶地保證顯式積分法的誤差不會隨便累加。其中盡管盡 可能經(jīng)常采取這種校正是具有優(yōu)點(diǎn)的，但并不要求在顯式積分法的每
一個計(jì)算步驟中都進(jìn)行這種校正。
根據(jù)本發(fā)明的一個特別有利的實(shí)施例，為了用第 一計(jì)算單元計(jì)算 當(dāng)前的狀態(tài)量^M，e，使用由第二計(jì)算單元所計(jì)算的已經(jīng)過去的狀態(tài)量2M，i——如果它存在的話。在這里，顯式積分法(只要可能的話)用 隱式積分法的更為精確的數(shù)據(jù)來執(zhí)行。當(dāng)用隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài) 量^M，i目前不完整時(例如由于隱式積分法沒有能夠及時結(jié)束)，由 顯式積分法得到的肯定是帶有錯誤的狀態(tài)信息。
根據(jù)本發(fā)明的另 一獨(dú)立技術(shù)方案，開始提到的以及所描述的任務(wù)
這樣來解決提供了第二計(jì)算單元，基本上與利用第一計(jì)算單元計(jì)算 過程模型同步地，利用所述第二計(jì)算單元通過隱式積分法計(jì)算該過程 模型，只要利用第二計(jì)算單元和隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài)量是實(shí)時 的，就將利用第二計(jì)算單元和隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài)量用作該過程 模型的狀態(tài)量，否則的話，將利用顯式積分法所求得的狀態(tài)量用作該 過程模型的狀態(tài)量。
在這種本發(fā)明所述的方法中，也就是說，當(dāng)隱式積分法沒有及時 結(jié)束的情況下，即在實(shí)時性方面沒能得到所希望的結(jié)果時，在第一計(jì) 算單元上所執(zhí)行的顯式積分法作為對該過程模型進(jìn)行計(jì)算的返回點(diǎn)。 對于在第二計(jì)算單元上執(zhí)行的隱式積分法違背了實(shí)時性條件的情況， 采用在第一計(jì)算單元上執(zhí)行的顯式積分法的計(jì)算結(jié)果作為替代。很顯
然，可以把隱式積分法的狀態(tài)量^V!，i提供給第一計(jì)算單元上的顯式積 分法，從而可以保證顯式積分法也能得到良好的精度。
在本發(fā)明所述方法的 一種有利的實(shí)施例中，在笫二計(jì)算單元上實(shí) 現(xiàn)的隱式積分法至少部分地用比在第一計(jì)算單元上實(shí)現(xiàn)的顯式積分 法更大的采樣步寬來工作，其中隱式積分法的采樣步寬尤其優(yōu)選的是 可變的，即根據(jù)狀態(tài)量^M或者根據(jù)這些狀態(tài)量隨時間的變化而進(jìn)行 適配。在過程模型的狀態(tài)量2M必須位于固定的時間掃描柵內(nèi)、即必 須提供恒定采樣率的應(yīng)用場合下，隱式積分法在可變計(jì)算步寬下所提 供的狀態(tài)量^l，i可以通過下述方法來同步，即在第二計(jì)算單元上，位 于兩個計(jì)算出的采樣時刻之間的狀態(tài)量通過內(nèi)插來計(jì)算，尤其是通過 過程模型或過程模型 一部分的多項(xiàng)式擬合函數(shù)來計(jì)算，尤其是通過密
集輸出(Dense-Output)法來計(jì)算。當(dāng)隱式積分法的采樣步寬與顯式 積分法的采樣步寬相差不太多時，在求取兩個計(jì)算步驟之間過程模型的狀態(tài)量時，簡單的、即線性的內(nèi)插已足以得到可用的結(jié)果。
當(dāng)隱式積分法的采樣步寬與顯式積分法的采樣步寬相差較大或 者對隱式積分法的精度有較高要求時，在釆樣時間點(diǎn)之間對過程模型 進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。通過采用已知的密集輸出法，實(shí)踐中能夠以高精度 在位于兩個采樣時間點(diǎn)之間的任意時刻計(jì)算出該過程模型的所求狀 態(tài)量。
采用隱式積分法的一個特別的困難在于，為了計(jì)算將來的狀態(tài) 量、即時刻tk+,的狀態(tài)量，還需要該物理過程在該時刻出現(xiàn)的狀態(tài)量 &，但它很顯然并不是已知的，因?yàn)闀r刻tkw是未來的時間點(diǎn)。根據(jù)
本發(fā)明，在這種情況下建議在第二計(jì)算單元上，為計(jì)算過程模型的
將來的狀態(tài)量^M，i所需的該物理過程的未來狀態(tài)量^p可以通過由該物
理過程的已經(jīng)過去的狀態(tài)量的外插來得到。
對于第一計(jì)算單元上的顯式積分法以及第二計(jì)算單元上的隱式 積分法均延遲結(jié)束的情況，根據(jù)本發(fā)明的另 一 個有利的實(shí)施例建議 為了計(jì)算過程模型的狀態(tài)量^m，該狀態(tài)量通過由已經(jīng)求得的該過程模 型的狀態(tài)量的先前的值的外插來計(jì)算。由此保證了在本發(fā)明的方 法中始終能夠提供在所要求的采樣時間點(diǎn)的狀態(tài)量。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例，過程模型利用第二計(jì)算 單元和至少一個另外的第三計(jì)算單元上的隱式積分法并行處理，并且 在第二計(jì)算單元和至少一個另外的第三計(jì)算單元上并行地共同計(jì)算
該過程模型的狀態(tài)量^vi， i。例如在隱式積分法中求解相關(guān)聯(lián)的方程系 的任務(wù)可以相對較好地并行處理，其中在現(xiàn)有技術(shù)中已知有可以自動 執(zhí)行這種并行處理的方法。通過并行處理實(shí)現(xiàn)了以下可能性，即在有
分:能夠L很高的精度執(zhí)行/ ' 、'"、' 曰 '。,、
此外，開始所提到和所描述的任務(wù)通過一種模擬器來實(shí)現(xiàn)，尤其 是在環(huán)模擬器，用于實(shí)時計(jì)算過程模型的狀態(tài)量，具有第一計(jì)算單元、 至少一個第二計(jì)算單元和處理接口 ，其中能夠由所述模擬器通過所述 處理接口采集物理過程的至少一個狀態(tài)量，并且可以由所述模擬器輸
9出至少一個狀態(tài)量，以影響所述物理過程，其中所述模擬器整體上被 設(shè)置為能夠利用它來實(shí)現(xiàn)前面所描述的方法。


現(xiàn)在逐一給出不同的可能方案，其能夠?qū)崿F(xiàn)并進(jìn)一步形成本發(fā)明
所述的方法和本發(fā)明所述的模擬器。為此參照從屬于權(quán)利要求1和3 的從屬權(quán)利要求以及與附圖相結(jié)合對優(yōu)選實(shí)施例所進(jìn)行的描述。如圖 所示
圖1示出與物理過程相關(guān)聯(lián)的過程計(jì)算機(jī)以及與之相應(yīng)的模擬
器，
圖2示出關(guān)于第一計(jì)算單元和第二計(jì)算單元上的顯式積分法和 隱式積分法的可能的處理時間的示例性示意圖，以及所計(jì)算的狀態(tài)量 的應(yīng)用，
圖3示出關(guān)于第一計(jì)算單元和第二計(jì)算單元上的顯式積分法和 隱式積分法的可能的處理時間的另一示例性示意圖，以及所計(jì)算的狀 態(tài)量的替代應(yīng)用，并且
圖4示出通過外插計(jì)算該物理過程的將來的狀態(tài)量的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖l在示意圖中示出了具有第一計(jì)算單元2和處理接口 3的過
程計(jì)算機(jī)1或模擬器1。關(guān)于過程計(jì)算機(jī)1的其它必要細(xì)節(jié)、例如存
儲器和將第一計(jì)算單元2和存儲器相連的數(shù)據(jù)總線在這里沒有示出，
其對于本發(fā)明來說并不是很重要。
過程計(jì)算機(jī)i被設(shè)置為由過程計(jì)算機(jī)通過處理接口 3采集物理
過程4的至少一個狀態(tài)量Xp，并可以由過程計(jì)算機(jī)1輸出至少一個 用于影響物理過程4的輸出量y ，其中該過程模型由第 一計(jì)算單元2
利用顯式積分法進(jìn)行計(jì)算，以求得狀態(tài)量^l，e。
如開始處詳細(xì)描述的，尤其是在計(jì)算剛性過程模型的狀態(tài)量時， 顯式積分法的應(yīng)用在實(shí)時性條件方面是存在問題的，因?yàn)闉榱舜_保特
10定精度，步寬必須選擇得很小，從而可能不能再在實(shí)時性條件下執(zhí)行 計(jì)算。
解決這一問題的第一種方法在圖2中示出，其特征在于，提供了 第二計(jì)算單元5，利用這個第二計(jì)算單元5，基本上與利用第一計(jì)算 單元2對過程模型進(jìn)行計(jì)算同步地，利用隱式積分法執(zhí)行該過程模型， 為了校正在第一計(jì)算單元2上所執(zhí)行的對過程模型的計(jì)算，調(diào)用利用
第二計(jì)算單元5和隱式積分法所計(jì)算的過程模型的狀態(tài)量^M，i，并將
以這種方式利用顯式積分法求得的狀態(tài)量^M，e用作該過程模型的狀 態(tài)量2m。
在圖1中所示的過程計(jì)算機(jī)中，第一計(jì)算單元2和第二計(jì)算單元
5是一個多內(nèi)核處理器的兩個獨(dú)立的內(nèi)核；在另外的在這里沒有示出
的實(shí)施例中，笫一計(jì)算單元2和第二計(jì)算單元5也可以是一個多處理 器系統(tǒng)中的兩個獨(dú)立的處理器。第一計(jì)算單元2和第二計(jì)算單元5對 一個共用的存儲器進(jìn)行訪問，通過該存儲器可以交換數(shù)據(jù)，例如所計(jì) 算出的狀態(tài)量。這在圖l中沒有詳細(xì)示出。
在圖1中所示的實(shí)施例中，這樣來實(shí)現(xiàn)對利用顯式積分法所求得
的狀態(tài)量^M，e的校正為了用第 一計(jì)算單元2計(jì)算當(dāng)前的狀態(tài)量2[M，e，
使用由第二計(jì)算單元5所計(jì)算的已經(jīng)過去的狀態(tài)量2[m， i——如果它存 在的話。這種方法在圖2中詳細(xì)示出。時間軸被簡要地劃分成用k-2、 k-l、 k、 k+l和k+2來表示的積分時間步驟。圖中所示的是相應(yīng)地由
第一計(jì)算單元2所計(jì)算的狀態(tài)量^M，e和由第二計(jì)算單元所計(jì)算的狀態(tài) 量^M， i。
正如借助所示箭頭所看到的，為了在笫一計(jì)算單元2上利用顯式 積分法計(jì)算將來的狀態(tài)量，使用了隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài)量Svi，i。 這只有當(dāng)在第二計(jì)算單元上所執(zhí)行的隱式積分法沒有及時結(jié)束時才 不能實(shí)現(xiàn)，如圖2中在時間點(diǎn)k-2和k-l之間的時間間隔就是這種情
況。在這種情況下，為了計(jì)算狀態(tài)^vi，e，k-n利用顯式積分法來計(jì)算由 顯式積分法所得到的狀態(tài)量^M，e，k-2。原理上，顯式積分法總是得到用 作該過程模型的狀態(tài)量^M的狀態(tài)量SM，e。這樣，整體上以較大的可靠性保證了計(jì)算的實(shí)時性。
圖3中示出了用于實(shí)時計(jì)算過程模型的狀態(tài)量的另 一種方法，
其首先具有同樣的特征，即提供了第二計(jì)算單元5。利用這個第二計(jì)
算單元5，基本上與利用第一計(jì)算單元2對過程模型進(jìn)行計(jì)算同步地，
利用隱式積分法計(jì)算該過程模型，只要利用第二計(jì)算單元5和隱式積
分法所計(jì)算的狀態(tài)量^M，i是實(shí)時的，就將利用第二計(jì)算單元5和隱式
積分法所計(jì)算的狀態(tài)量^Vl，i用作該過程模型的狀態(tài)量^M。否則的話，
將利用顯式積分法所求得的狀態(tài)量^M，e用作該過程模型的狀態(tài)量^M。 這兩個計(jì)算單元中的哪一個為該過程模型提供計(jì)算出的狀態(tài)數(shù)
據(jù)這里僅取決于在第二計(jì)算單元5上所執(zhí)行的隱式積分法是否及時結(jié) 束。在圖3中可以看到，在時間點(diǎn)k-2、 k、 k+l和k+2之前的計(jì)算間
隔內(nèi)，分別由第二計(jì)算單元提供通過隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài)量2M，i
作為該過程模型的狀態(tài)量^m,只有在時間點(diǎn)k-l之前的時間間隔內(nèi)，
才使用由第一計(jì)算單元上的顯式積分法所求得的狀態(tài)量SM， e作為該 過程模型的狀態(tài)量2M。
在圖2和圖3所示的實(shí)施例中還可以看到，在第一計(jì)算單元上的
顯式積分法用通過隱式積分法所求得的狀態(tài)量^M，i來執(zhí)行，只要它存
在的話，即隱式積分法在先前的計(jì)算步驟中及時結(jié)束。
在圖2和圖3中示出了在第二計(jì)算單元上實(shí)現(xiàn)的隱式積分法用和
顯式積分法同樣的計(jì)算步寬來執(zhí)行。在另一種這里沒有示出的方法 中，隱式積分法的步寬被選為大于顯式積分法的步寬。優(yōu)選的是，計(jì) 算步寬是可變的，并與狀態(tài)量隨時間的發(fā)展相適應(yīng)，即在瞬時過程的 情況下選擇得小，而在狀態(tài)變量只有很小的改變的調(diào)諧狀態(tài)下選擇得 大。
在導(dǎo)言部分已經(jīng)說明了隱式積分法的特點(diǎn)是過程模型的狀態(tài)量 的計(jì)算在最近的感興趣的時間步驟內(nèi)不僅與已經(jīng)過去的狀態(tài)量有關(guān)， 而且還與感興趣的時間點(diǎn)本身的狀態(tài)量或其導(dǎo)數(shù)有關(guān)。因此隱式積分 法需要迭代求解。由于這種特性，不僅涉及該狀態(tài)量本身，還可能涉 及相關(guān)物理過程的狀態(tài)量。這意味著，為了計(jì)算感興趣的將來的狀態(tài)量^i，i，k+n還可能需要該物理過程的將來的狀態(tài)量&，k+"它當(dāng)然還 不存在。
在圖4中示出了在這種情況下，為計(jì)算所需的物理過程的將來的
狀態(tài)量&，k+1，通過外插由該物理過程的已經(jīng)過去的狀態(tài)量五P，k獲得; 通過外^，分別得到估計(jì)值^,w、 ^,w、 L,、 ^,+1、 L.i+2，它們分別
通過起伏的箭頭來表示，用來計(jì)算狀態(tài)量iM，i。
權(quán)利要求
1.一種用于在過程計(jì)算機(jī)(1)上實(shí)時計(jì)算過程模型的狀態(tài)量(xM)的方法，所述過程計(jì)算機(jī)具有第一計(jì)算單元(2)和處理接口(3)，其中所述過程計(jì)算機(jī)(1)被設(shè)置為能夠由所述過程計(jì)算機(jī)(1)通過所述處理接口(3)采集物理過程(4)的至少一個狀態(tài)量(xP)，和/或能夠由所述過程計(jì)算機(jī)(1)輸出至少一個輸出量(y)以影響所述物理過程(4)，其中由所述第一計(jì)算單元(2)利用顯式積分法計(jì)算所述過程模型，以確定狀態(tài)量(xM，e)，其特征在于，提供了第二計(jì)算單元(5)，基本上與利用所述第一計(jì)算單元(2)對過程模型進(jìn)行計(jì)算同步地，利用這個第二計(jì)算單元(5)通過隱式積分法執(zhí)行該過程模型，為了校正在第一計(jì)算單元(2)上所執(zhí)行的對過程模型的計(jì)算，調(diào)用利用第二計(jì)算單元(5)和隱式積分法所計(jì)算的過程模型的狀態(tài)量(xM，i)，并將以這種方式利用顯式積分法求得的狀態(tài)量(xM，e)用作該過程模型的狀態(tài)量(xM)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，為了用第一計(jì)算單元(2) 計(jì)算當(dāng)前的狀態(tài)量(SM，e),使用由第二計(jì)算單元(5)所計(jì)算 的已經(jīng)過去的狀態(tài)量(^M)——如果它存在的話。
3. —種用于在過程計(jì)算機(jī)(1)上實(shí)時計(jì)算過程模型的狀態(tài)量 (Sm)的方法，所述過程計(jì)算機(jī)具有第一計(jì)算單元(2)和處理接口(3) ，其中所述過程計(jì)算機(jī)(l)被設(shè)置為能夠由所述過程計(jì)算機(jī)(l) 通過所述處理接口 (3)采集物理過程(4)的至少一個狀態(tài)量(^p), 和/或能夠由所述過程計(jì)算機(jī)(1)輸出至少一個輸出量(X)以影響所 述物理過程(4)，其中由所述第一計(jì)算單元(2)利用顯式積分法計(jì)算所述過程模型，以確定狀態(tài)量(^vi，e)，其特征在于，提供了第二計(jì)算單元(5)，基本上與利用所述第一計(jì)算單元(2) 對過程模型進(jìn)行計(jì)算同步地，利用這個第二計(jì)算單元(5)通過隱式 積分法計(jì)算該過程模型，只要利用第二計(jì)算單元(5)和隱式積分法 所計(jì)算的狀態(tài)量(^M,i)是實(shí)時的，就將利用第二計(jì)算單元(5)和隱式積分法所計(jì)算的狀態(tài)量(^M，i)用作該過程模型的狀態(tài)量(五M)， 否則的話，將利用顯式積分法所求得的狀態(tài)量(2[M，e)用作該過程模 型的狀態(tài)量(^VI)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在第二 計(jì)算單元(5)上實(shí)現(xiàn)的隱式積分法至少部分地用比在第一計(jì)算單元(2)上實(shí)現(xiàn)的顯式積分法更大的采樣步寬來工作，尤其是用可變的采樣步寬來工作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，在第二計(jì)算單元(5)上，位于兩個計(jì)算出的采樣時刻之間的狀態(tài)量(^M，i)通過內(nèi)插來計(jì)算，尤其是通過過程模型或過程模型一部分的多項(xiàng)式擬合函數(shù)來計(jì) 算，特別是通過密集輸出法來計(jì)算。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在第二 計(jì)算單元(5)上，為計(jì)算過程模型的將來的狀態(tài)量(^+,;)所需的該物理過程的未來狀態(tài)量(工")通過由該物理過程的已經(jīng)過去的狀態(tài)量的外插來得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝?計(jì)算單元(2)和第二計(jì)算單元(5)對過程模型的狀態(tài)量(^m)的計(jì) 算延遲結(jié)束的情況下，該過程模型的狀態(tài)量(Sm)通過由已經(jīng)求得的該過程模型的狀態(tài)量(Sm)的先前的值的外插來計(jì)算。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，過程模 型利用所述第二計(jì)算單元(5)和至少一個另外的第三計(jì)算單元上的 隱式積分法并行處理，并且在所述第二計(jì)算單元(5)和所述至少一 個另外的第三計(jì)算單元上并行地共同計(jì)算該過程模型的狀態(tài)量(丕M，i)。
9. 一種模擬器，尤其是在環(huán)模擬器，用于實(shí)時計(jì)算過程模型的 狀態(tài)量(2[m)，具有第一計(jì)算單元(2)、至少一個第二計(jì)算單元(5) 和處理接口 (3)，其中能夠由所述模擬器通過所述處理接口 (3)采集物理過程(4)的至少一個狀態(tài)量，并且能夠由所述模擬器輸 出至少一個狀態(tài)量(x)以影響所述物理過程，其中所述模擬器被設(shè) 置為能夠利用它來實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
描述和示出了一種用于在過程計(jì)算機(jī)(1)上實(shí)時計(jì)算過程模型的狀態(tài)量(x_M)的方法，所述過程計(jì)算機(jī)具有第一計(jì)算單元(2)和處理接口(3)，其中所述過程計(jì)算機(jī)(1)被設(shè)置為能夠由所述過程計(jì)算機(jī)(1)通過所述處理接口(3)采集物理過程(4)的至少一個狀態(tài)量(x_P)，和/或能夠由所述過程計(jì)算機(jī)(1)輸出至少一個輸出量(y)以影響所述物理過程(4)，其中由所述第一計(jì)算單元(2)利用顯式積分法計(jì)算所述過程模型，以確定狀態(tài)量(x_M，e)。本發(fā)明的目的是至少部分地避免在用于實(shí)時計(jì)算過程模型狀態(tài)量的已知方法中的缺點(diǎn)，尤其是在最大程度確保計(jì)算的數(shù)值精度和穩(wěn)定性的前提下能夠保證計(jì)算的實(shí)時性。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)這樣來解決提供了第二計(jì)算單元(5)，基本上與利用所述第一計(jì)算單元(2)對過程模型進(jìn)行計(jì)算同步地，利用這個第二計(jì)算單元(5)通過隱式積分法執(zhí)行該過程模型，為了校正在第一計(jì)算單元(2)上所執(zhí)行的對過程模型的計(jì)算，調(diào)用利用第二計(jì)算單元(5)和隱式積分法所計(jì)算的過程模型的狀態(tài)量(x_M，i)，并將以這種方式利用顯式積分法求得的狀態(tài)量(x_M，e)用作該過程模型的狀態(tài)量(x_M)。
文檔編號G06F11/36GK101593151SQ20091013356
公開日2009年12月2日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者J·弗羅赫特 申請人:帝斯貝思數(shù)字信號處理和控制工程有限公司