2001年3月，欧洲版《控制工程》杂志报道了过程自动化的新发展。被称为“下一代主流控制器”的无模型自适应（Model-Free Adaptive, MFA）控制技术，有能力控制时变和多变量过程而无需建立复杂的数学模型或作参数整定。(见参考文献[2])

无模型自适应MFA控制技术由总部位于美国加州的通控集团博软公司开发，承诺为广泛的工业企业极大地提升其过程控制品质和控制回路的闭环稳定性。

本文探讨了MFA控制自90年代末期问世以来对自动化行业所造成的深远影响。该技术已在世界范围内被大量的最终用户使用，并已被并嵌入到过程控制、设备控制和楼宇自动化主流供应商的设备中。

背景

博软公司于1997年10月在美国加州Anaheim举办的ISA技术展上发布了其MFA专利技术，在全球自动化市场崭露头角。公司CEO程树行博士曾预言，MFA是自动控制技术在工业领域中控制简单到复杂物理过程的重大突破。

据程博士所说，没有其他同类技术可以同时兼备MFA所具有的特性： “自适应、鲁棒、易用。对用户来说，投资小、风险少、见效快。”

从那时起，博软公司的使命就是推广MFA技术，并将有关的MFA控制器嵌入到重点行业名牌产品供应商的仪器、仪表、设备、软件平台和自动化系统中去。博软相信MFA能够大规模地取代比例-积分-微分（PID）控制器，并为大量的手动控制回路提供一个有效的解决方案。

程博士说道：“我们把MFA研制成用户‘梦寐以求的控制器’。与PID相比，MFA无疑是一个上乘的选择。PID无论参数怎么整定，仍不能有效地控制复杂系统。”“MFA技术比PID的鲁棒范围要广很多。此外，与基于模型的控制方法相比，MFA省去了过程模型，而它们往往既复杂又昂贵。”

在许多工业应用中，要实施基于模型的自适应控制经常是困难重重且造价不菲。基于动态模型的自适应控制，可能没有足够的时间和数据去学习一种新的模型。对于高速和复杂的控制系统来说，通常要投入大量的人力物力，由控制专家们建立精确的过程模型。

尽管MFA控制具有明显的优势，程博士依然认可该技术面临着挑战。

“在自动化行业，有一种习惯势力，认为PID已经足够好了。即使使用的技术和产品已经过时，并且造成大量的能源和材料浪费也不想改变现状。”

他说：“我们正在作不懈的努力，与有动力和远见的公司合作。作为新的控制解决方案，MFA为他们在其行业保持领先，增添了新的助力。”

性能优势

许多工业过程在今天仍采用手动控制或使用已经有70年历史的PID技术。PID是一种对单回路控制非常有用的通用控制器，但它有很大的局限性。

PID可用于线性和定常过程，但无法有效地控制那些非线性、时变、耦合、大时滞、大扰动和不确定因素多的复杂回路。

此外，在运行环境和条件变化时PID无法自适应或作自我调整。为了克服这种限制，许多厂家推出了自整定PID控制器，但它们仍然无法控制复杂系统。因为在本质上，它们仍是PID控制器。

我们问程博士，为什么MFA更好？

“MFA不是一个单一的控制器，它是一个系列的控制器。每一种MFA控制器有针对性地解决了一个困难的控制问题。用户只需选择合适的MFA控制器，做一些基本的配置，就可投运。”

MFA控制器包括：

• SISO MFA控制器用于取代PID，控制简单和复杂过程；

• MIMO MFA控制器用于控制多变量过程；

• Nonlinear MFA控制器用于控制极端非线性过程；

• Anti-delay MFA控制器用于控制大滞后过程；

• Robust MFA控制器用于使过程变量保持在预定的范围；

• Feedforward MFA控制器用于抑制可测的扰动；

• MFA pH控制器用于控制pH过程；

• Anti-delay MFA pH控制器用于控制带大滞后的pH过程；

• Time-Varying MFA控制器用于控制大惯性和滞后时间不确定的过程；

• Flex-phase MFA控制器用于控制开环振荡过程；

• MFA XRT控制器用于控制放热反应釜的温度；

• MFA Optimizer用于动态优化的应用。

例如，几乎每一个流程行业的工厂都需要用到pH控制。然而大多数的pH回路表现不佳，造成产品质量低下、环境污染和原材料浪费。MFA pH控制器可有效地控制工业废水处理过程的pH回路，特别那些具有大滞后的pH过程。由此，可大大降低化学原料的消耗，得到快速的投资回报。

PID，MFA和基于模型控制的适用性

图2描述了PID，MFA和基于模型控制的适用范围。

PID控制器可用来控制各种各样的简单过程且无需精确的过程信息。我们称它们为“黑箱”(Black Box)过程。然而，PID是一种固定参数控制器，对动态特性经常变化的过程，就显得力不从心。

基于模型的控制适用于可获得精确过程特性的过程。我们称它们为“白箱”(White Box)过程。例如，可用基于模型的控制方法设计一套完善的控制系统来控制一架飞机，因为飞机的数学模型是现成的。

MFA适用于控制那些只具备定性信息、而不具备定量信息的过程。此外，该类过程的动态特性可能经常变化。我们称它们为“灰箱”(Grey Box)过程。许多工业过程由于其负荷、燃料和动态特性经常变化，它们都是“灰箱”过程。

与PID相比，在过程动态特性变化时，MFA的自适应能力就能显示出其威力。如图3所示，当控制同一个不稳对象，PID控制系统会不停地振荡；而MFA能很快地适应对象，取得很好的控制效果。当设定值再次改变的时候，MFA系统不会出现振荡。

典型应用

MFA已在各连续或半连续的流程行业获得广泛应用。它们被用来控制关键的过程变量和质量变量，包括温度、压力、液位、流量、密度、浓度、pH、湿度、产品尺寸等。例如，在具有精馏塔链的大规模流程企业，鲁棒Robust MFA控制器可用于控制各精馏塔的液位，保持过程的物料平衡和能量平衡，防止干塔或溢出事故。

多输入多输出的MIMO MFA控制器可用于控制各种多变量过程如蒸发器、蒸馏塔和工业窑炉。如图4所示，在一炼油厂，一套多变量 MFA控制系统用来控制带有四个温度区的精炼炉。MFA可严格控制炉膛出口温度且减小温度区之间的温差，解除回路之间的耦合，减小塔炉之间的连锁反应，消除过量或不足加热，提高产量。基于模型的控制在此也能解决问题。但模型的开发和维护造价不菲，影响了它们被大量采用。

发展历程

自1994年成立以来，博软公司已开发出一系列的MFA控制器用于解决困难的控制问题。如今，MFA控制器已装备在各种OEM供应商提供的产品如楼宇控制器、单回路控制器、可编程逻辑控制器（PLC）、过程自动化控制器（PAC）和控制软件中。

博软公司开发新型MFA控制器的脚步并未停止。例如，他们最近开发出一种特殊的MFA XRT控制器可用于控制放热反应釜的温度。这种独创的控制器能快速且聪明地控制带有大滞后的“失控”(run-away)过程，使系统达到并保持动态平衡。

CyboCon是博软公司开发的第一套MFA控制软件产品，在PC上运行并通过基于API的接口或OPC与PLC或DCS进行通信连接。博软公司还开发了几种MFA硬件控制产品，包括CyboCon CE先进控制仪表、CyboCon Dragon微型DCS和MFA回路控制器。

MFA控制器的软件模块体积小，占用CPU资源少，可嵌入各种CPU和编程平台中。在其战略合作伙伴的帮助下，博软公司开发了多种嵌入式MFA软件。例如，美国国家仪器公司LabVIEW™ 软件的用户可以方便地使用MFA LabVIEW控制工具包来解决从设计、样机制造、测试、成品投运等各个阶段可能遭遇的控制难题。从而降低新设备研发的风险和成本，缩短产品上市时间。

在学术和工程设计领域，为MATLAB™ 软件设计的MFA控制工具包是非常有用的。该产品能让用户在MATLAB/Simulink环境中模拟、测试和评估MFA控制器对各类复杂过程模型的控制效果。教授和学生们可在他们熟悉的MATLAB/Simulink环境里，教学MFA控制方法。

能源、楼宇自动化

在能源行业，Nabors Industries通过其子公司Canrig Drilling在其用于石油和天然气勘探和生产的DrillSmart™ 钻井系统中使用嵌入式MFA控制器。依靠MFA的自适应和鲁棒性，极富挑战性的横钻和侧钻工艺变得容易了许多。MFA用于控制钻头的前进速度、钻头承重和差压等关键回路。

自2005年以来，MFA已被嵌入西门子(Siemens)公司APOGEE®楼宇自动化系统用于控制供暖、通风和空调（HVAC）系统。据估计，每年用在这一领域新增的MFA控制回路数达十万个。MFA软件提高了能源效率和舒适程度。无论楼宇负荷和季节如何变化，MFA始终把温度、压力、气流和湿度控制在最佳状态。

西门子工业公司楼宇技术部的产品经理杰夫·威尔斯说：“感谢MFA技术，它是一个先进且完善的工业控制算法，使APOGEE系统用户能够获得最佳的控制效果。”

“它的好处包括增加阀门和执行器的平均寿命。减少由回路震荡导致的阀门和执行器损耗，提高了其寿命，并减少了设备的维修、更换和维护成本。因为能够不断地作自适应调整，MFA还省去了我们在季节变化时做控制器参数整定的繁琐工作。”

美国能源部基金

博软公司已获得由美国能源部（DOE）颁发的多项基金用于研发采用MFA控制技术的电厂锅炉控制、执行器控制和工业炉窑控制。

锅炉控制项目的目的是开发用于超临界锅炉和循环流化床（CFB）锅炉的智能控制系统。这两种锅炉都具有极高的能源效率却难以控制。由于煤炭现在是、将来也会是电厂的主要燃料，清洁煤技术至关重要。美国能源部的最终目标是实现能源效率最大化，零排放，可变燃料、和产品多样化（电汽共生）。

展望未来

MFA近来的创新工作是应对自动化领域最艰难的挑战，包括与气候变化和全球暖化有关的问题。在节能减排、pH控制与环保、石油勘探与生产、以及可再生能源的开发等领域，更好更强的自动控制技术是大有可为的。

博软公司目前正重点开发多个新的MFA控制解决方案和产品用于能源和可再生能源市场。这包括帮助电力和其它工业企业解决与执行器相关的控制问题。研究表明，工业控制回路的振荡有三分之二是由于控制阀或挡风板的问题所造成的。对于燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料的燃烧过程，空燃比控制的优劣至关重要。燃烧过程的控制不佳会直接导致能源浪费和排污增加。

程博士指出：“由于在未来的许多年里化石燃料仍将是世界的主要能源，我们认为改善燃烧控制对我们的国家乃至世界都具有重要的战略意义。”===================================

MFA技术的工作原理

无模型自适应控制，顾名思义，是一种无需进行繁琐和耗时的建模工作的自适应控制方法。对OEM供应商，这意味着更低的产品开发成本和更快的新品上市时间。为最终用户则带来更低的运营成本和更高的自控率。感谢MFA技术：

• 无需过程的精确定量知识；

• 系统中不含过程辨识机制或辨识器；

• 不需要针对某一过程进行控制器设计；

• 不需要复杂的控制器参数人工整定；

• 具有闭环系统稳定性分析和判据，确保系统的稳定性。

图5中显示了MFA控制器的基本结构。其中，有人工神经网络作为控制器的重要组成部分，而不是作为一个模型。神经网络由一个输入层、一个隐藏层和一个输出层组成；内有一组可以根据需要而改变的加权因子（wij和hi），从而对控制器的行为进行实时调整。更新加权因子的算法是以缩小控制误差，即设定值与过程变量之间的偏差为目标。由于这一“努力”与要达到的控制目标是一致的，加权因子的自适应可以帮助控制器在过程动态特性发生变化时减小控制误差。

基于人工神经网络的MFA控制器保存和处理着按一个时间窗口移动的历史数据。它们包含了与过程动态特性有关的珍贵信息。相比之下，数字式PID控制器只保留当前和前两拍的数据。在这一点上，PID控制器几乎是健忘的，而MFA拥有一个“聪明”的控制器所必需的记忆能力。