一种基于多参量解耦算法的多仓室设备过程控制方法与流程

本发明涉及过程控制，具体为一种基于多参量解耦算法的多仓室设备过程控制方法。

背景技术：

1、在现代流程工业（如半导体制造、连续化学生产、多温区热处理等）中，多仓室设备得到了广泛应用。这类设备通常由多个在物理空间上顺次连接的仓室构成，过程介质（如反应气体、流体或连续物料）依据既定的工艺拓扑流向，在各个仓室之间自上游向下游连续穿透输运。为了保障工艺质量，各个仓室通常配置有独立的执行器与控制器，采用经典的闭环反馈控制策略（如pid控制），以维持本仓室内各项过程变量的稳定。

2、在理想的稳态工况下，现有的独立闭环反馈控制机制能够使各仓室的过程参量稳定在设定值附近，满足基本的生产需求。然而，在实际运行过程中，受工艺配方切换、外部环境扰动或负荷变化等因素影响，系统不可避免地会经历瞬态非平衡过程。

3、当位于工艺流上游的仓室因响应瞬态扰动而发生过程变量的剧烈变化时，穿流而过的过程介质状态也会随之改变。由于物理空间的客观存在，这种携带扰动状态的过程介质向后续仓室输运时，必然存在时间上的空间传播延迟。现有的各仓室本地闭环控制回路完全依赖于自身传感器的实时测量偏差来驱动执行器，这意味着下游仓室的控制器只有在扰动介质实际进入本仓室、并引起本地过程变量发生明显偏离后，才会触发控制干预。

4、这种因介质客观物理输运延迟与本地反馈控制瞬时性之间产生的时空错位，导致下游仓室在面对上游传导而来的扰动时，始终处于被动滞后的跟随状态。在此种工况下，单一仓室的参数波动极易通过过程介质的流通演变为跨仓室的级联扰动；且随着工艺要求的不断提高，多个过程变量之间的物理耦合效应进一步放大了这种滞后响应带来的系统震荡风险。

5、综上所述，如何在存在介质上下游物理输运延迟的多仓室连续工艺系统中，实现跨仓室过程演化的平稳过渡，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

6、为此，提出一种基于多参量解耦算法的多仓室设备过程控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多参量解耦算法的多仓室设备过程控制方法，通过多参量解耦，实现了跨仓室平稳过渡。包括，获取各仓位角色标识和第一过程变量当前值，按角色标识调用物理约束映射确定第二过程变量上限值并注入执行器；计算第一过程变量变化率，当变化率大于按角色调用的进入阈值时判定进入非平衡阶段，将目标靶点替换为解耦设定值，并切换为前馈-反馈复合控制；当主导角色仓位进入非平衡阶段时，对从属角色仓位提前下发预切换指令；最后，对于本地触发仓位，当变化率连续多周期低于回切阈值即恢复状态；对于预切换仓位，待过程介质输运至出口且自身变化率连续多周期低于回切阈值时恢复。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于多参量解耦算法的多仓室设备过程控制方法，包括：

4、获取各仓位角色标识和第一过程变量当前值，按角色标识调用物理约束映射确定第二过程变量上限值，转换为输出上限后经独立硬件通路注入对应执行器上限寄存器，不同角色标识在同一变量值下注入不同上限；

5、对各仓位计算第一过程变量变化率，按角色标识调用进入阈值，当变化率大于阈值时判定进入非平衡阶段，将目标靶点由耦合设定值替换为解耦设定值，控制策略由闭环反馈切换为前馈-反馈复合控制，不同角色标识对应不同进入阈值；

6、当主导角色仓位进入非平衡阶段时，对其下游从属角色仓位下发预切换指令提前替换靶点并切换策略，下发早于从属仓位变化率达到进入阈值；

7、对于本地触发的仓位，当变化率连续多周期低于回切阈值即恢复切换前状态；对于预切换的仓位，待过程介质从主导仓位输运至其出口、且自身变化率连续多周期低于回切阈值时恢复；各仓位独立执行状态恢复，回切阈值小于进入阈值，不同角色标识对应不同回切阈值。

8、优选的，所述不同角色标识在同一变量值下注入不同上限的过程包括：依据各仓位在过程工艺流中承担的过程角色，为各仓位分配仓位角色标识；在系统运行前，针对每一种仓位角色标识，依据当前角色条件下所述第一过程变量与所述第二过程变量之间的固有物理约束关系，离线建立角色对应的物理约束映射表，所述物理约束映射表以第一过程变量值为输入、以第二过程变量物理上限值为输出；将所有角色对应的物理约束映射表汇总为角色-物理约束映射集合并固化存储；运行时，对于每个仓位，以仓位的角色标识从角色-物理约束映射集合中选取对应的物理约束映射表，再以仓位的当前第一过程变量值在映射表中匹配，得到仓位在当前角色和当前变量条件下的第二过程变量物理上限值；将各仓位得到的第二过程变量物理上限值分别转换为仓位对应执行器的输出上限限值，通过与闭环控制数据通路分离的独立通路写入各仓位对应执行器的上限寄存器，使得同一第一过程变量值下不同角色的仓位被写入不同的输出上限限值。

9、优选的，所述进入非平衡阶段的判定过程包括：对各仓位，持续计算所述第一过程变量在预设滑动时间窗口内的变化率；将各仓位的过程角色标识与预设的角色差异化判定参数集合进行匹配，所述角色差异化判定参数集合中，过程主导角色对应的非平衡进入阈值低于过程从属角色对应的非平衡进入阈值，使得在相同的所述第一过程变量变化率下，主导角色仓位较从属角色仓位更早被判定进入非平衡阶段；当任一仓位的变化率绝对值大于其匹配的进入阈值时，当前仓位被判定进入非平衡阶段。

10、优选的，所述控制策略由闭环反馈切换为前馈-反馈复合控制的过程包括：在判定进入非平衡阶段的触发时刻，锁存当前生效的耦合设定值的目标数值，同步采集当前仓位的当前第一过程变量值及当前第一过程变量变化率；依据当前仓位的角色标识，调用与该角色标识绑定的多维状态解耦模型，所述多维状态解耦模型以所述第一过程变量当前值及当前变化率为联合输入特征，经状态相平面映射与特征提取后，输出表征当前扰动强度的动态解耦系数；依据角色标识调用基准转换算法将所述耦合设定值转换为静态基准前馈量，以所述动态解耦系数对静态基准前馈量比例缩放生成解耦设定值；以生成的所述解耦设定值覆写当前被控变量目标靶点；在非平衡阶段冻结闭环反馈控制器的积分累加项，禁止基于切换前耦合设定值偏差的完整闭环反馈通路继续输出；基于所述解耦设定值与当前第一过程变量值的偏差生成前馈驱动分量，并允许偏差输入至比例项和/或微分项生成瞬态反馈驱动分量，将所述前馈驱动分量与所述瞬态反馈驱动分量叠加后作为复合驱动指令向执行器输出。

11、优选的，所述多维状态解耦模型包括：以第一过程变量当前值和当前变化率为横纵轴构建二维状态相平面，将连续采样数据映射为演化轨迹点序列；提取第一过程变量历史稳态平均值作为稳态锚点并划定稳态包络区，当轨迹点突破包络区时提取拓扑边界特征，包括最大穿透深度与轨迹发散角；将相平面离散网格化，统计滑动窗口内轨迹点在各网格的驻留频次生成分布矩阵，提取空间聚集度与跃迁熵值作为统计特征；将拓扑边界特征与统计特征拼接输入非线性评估函数，输出动态解耦系数；依据角色标识调用基准转换算法，将耦合设定值转换为静态基准前馈量，以动态解耦系数对该前馈量比例缩放生成解耦设定值。

12、优选的，所述对其下游从属角色仓位下发预切换指令提前替换靶点并切换策略的过程包括：当主导角色仓位被判定进入非平衡阶段时，查询系统预置的多仓室工艺拓扑链，提取与该主导角色仓位存在物理介质直连链路的下游从属角色仓位集合；获取当前过程介质的动态输运流速与所述直连链路的空间管网距离，将所述空间管网距离与所述动态输运流速进行映射，计算得出扰动介质在物理空间上发生转移的传播滞后时长；调取所述下游从属角色仓位内执行器的机械响应死区时间，从所述传播滞后时长中前置扣减所述机械响应死区时间，生成针对该下游从属角色仓位的动态预发时序戳；将生成的所述预切换指令挂载至系统异步事件队列中进行倒计时等待，在系统时钟抵达所述动态预发时序戳时出队执行。

13、优选的，所述各仓位独立执行状态恢复的过程包括：计算当前仓位第一过程变量变化率的绝对值，当绝对值低于所述回切阈值时稳态计数器累加，达到连续多周期要求后，生成本地稳态标志；依据过程介质的实时流速与预置的工艺管网距离，计算得出介质排空所需时长；以主导仓位生成本地稳态标志的时刻为起点启动计时，计时达到所述介质排空所需时长后，生成介质清空标志；对于本地触发的仓位，检测到所述本地稳态标志生成时，即触发状态恢复动作；对于预切换的仓位，当所述本地稳态标志与所述介质清空标志均生成时，方触发状态恢复动作；在触发状态恢复动作的瞬间，提取下发至执行器的实际控制输出值，将其扣除比例项和微分项的瞬时输出分量后作为基准值写入闭环反馈控制器的积分寄存器中，实现回路的无扰动接管；同时将被控变量目标靶点由所述解耦设定值恢复为切换前的耦合设定值。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、1.通过将第一过程变量的当前值与变化率联合映射至二维状态相平面，并将连续采样数据转化为演化轨迹，利用轨迹穿越稳态包络区的拓扑边界特征及离散网格的统计特征量化当前扰动强度。为非线性评估函数提供了不依赖特定工艺解析物理公式的通用计算路径。配合基于角色标识的转换算法，系统能够在静态基准前馈量上施加由实际物理偏离趋势驱动的动态比例缩放，使最终输出的解耦设定值客观贴合瞬态工况的真实波动状态。

16、2.通过引入多仓室工艺拓扑链的空间管网距离与介质输运流速测算传播滞后时长，并前置扣减下游执行器的机械响应死区时间，本技术为预切换指令构建了基于物理位移映射的异步时序调度机制。该控制逻辑将前馈干预指令的下发条件与过程介质在实体管线中的流动耗时相绑定，使预切换动作能够驻留于系统倒计时队列中按节点触发。此调度方式在执行层面上限定了从属仓位靶点替换等动作的发生时刻，使其物理动作节点客观对齐上游非平衡态介质实际流经该下游仓室边界的时机，在多节点工艺链中建立了一条平行的时序调度通路。

17、3.通过在预切换仓位的恢复判定逻辑中关联多周期稳态计数与基于输运距离测算的介质排空状态，使状态恢复动作同时受控于本地变量表征与管网残留介质的双重客观物理约束。在触发回切的瞬间，控制策略提取当前前馈-反馈复合控制模式下的实际物理输出值，并将其直接覆写至闭环反馈控制器的积分初始化寄存器，平抑了控制策略直接切换时因新旧靶点数值差异而伴生的控制信号阶跃现象，实现了系统调节权限移交过程的连贯过渡。