用于控制双动式致动器中的位置和交叉压力的优化方法技术

可提供在考虑对交叉压力设定的约束(例如，包括设定点的死区范围)的情况下，数字地控制双动式气动致动器中的位置和交叉压力两者的系统和方法。控制可经由作用于致动器位置反馈和(例如，如由每一相应的气动腔室的压力反馈所指示的)交叉压力反馈的输入的控制算法(例如，多输入多输出(MIMO)控制算法)来实现。此外，本文中描述的实施例可以降低用于调节交叉压力的控制动作的必要频率，由此降低过程部件上的磨损，并允许对致动器位置的更精细的控制。

【技术实现步骤摘要】
用于控制双动式致动器中的位置和交叉压力的优化方法
本公开内容总体上涉及控制阀，并且更具体地涉及用于控制作用于控制阀的双动式气动致动器的控制方法和系统。
技术介绍
许多工业过程控制系统都使用控制阀来控制通过管道的过程流体的流动速率。传统上，控制阀可以经由致动器来打开和关闭，其中致动器的位置可以根据定位信号来设定，该定位信号由定位器基于过程设置、来自致动器位置传感器的反馈和/或其他输入生成。在一些过程环境中，致动器可以是包括两个气动腔室的双动式气动致动器，其中向每一腔室供应的气动流体的压差双向推动连接到阀杆的活塞。阀杆进而转换活塞的运动来调节控制阀的开度，以增加或减少过程流体的流动速率。阀定位器和致动器组合的主要目的在于通过控制致动器位置来快速且准确地控制通过控制阀的流体流动。该组合的另一主要目的在于使由过程流体本身的流动所产生的力和/或其他环境力引起的致动器位置的不希望的偏差最小化。致动器位置对这种力的敏感性可基于致动器的刚度而变化，在双动式气动致动器的情况下，该刚度可以表示为两个气动腔室的压力的平均(该平均有时被称为“交叉压力”)。低致动器刚度(即，两个腔室之间的低交叉压力)可使致动器更易受由过程流体力和/或其他力引起的位置偏差的影响，这可能另外导致致动器上磨损和损耗的增加。高致动器刚度(即，高交叉压力)可妨碍期望的致动器运动。因此，致动器刚度在快速控制致动器位置的能力和减轻可能导致致动器位置方面不期望的偏差的振动力之间提供工程折衷。传统上，双动式气动致动器中的刚度可以经由机械调节(通常采用气动排气的形式)来调节以从气动腔室中“排出”不期望的压力。然而，这样的做法可能是耗时、不精确并且浪费气动流体的。因此，更精确地限定和维持致动器刚度的能力将改善在过程控制环境中的质量、耐久性和效率。
技术实现思路
本公开内容的方法实施例以及对应的系统可以在考虑到对交叉压力设置的约束(例如，包括设定点的死区范围)的情况下，以数字方式控制双动式气动致动器的位置和刚度(在本文中也被称为“交叉压力”)。控制可经由作用于致动器位置反馈和(例如，由每一相应的气动腔室的压力反馈所指示的)交叉压力反馈的输入的控制算法(例如，多输入多输出(MIMO)控制算法)来实现。此外，本文中描述的实施例可以降低用于调节交叉压力的控制动作的必要频率，由此降低过程部件的磨损，并且允许更精细地控制致动器位置(例如，经由相同的改进技术、经由先前描述的传统技术、和/或经由其他控制技术)。在一可能实施例中，可以提供一种用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的计算机实现的方法。该方法可以包括：(1)监测关于双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力；(2)确定所监测的交叉压力在预定死区范围之外，其中所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的交叉压力值的范围；(3)响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力和设定点之间的差值，并使用计算出的差值来设置交叉压力误差变量；(4)使用该误差变量来执行控制算法，以将所监测的交叉压力驱动到设定点；和/或(5)响应于确定所监测的交叉压力已达到设定点，将误差变量设为零，同时所监测的交叉压力保持在死区范围内。该方法可以包括更多的、更少的或替换的动作，包括这本文描述的动作。在另一可能实施例中，可提供一种用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的系统。该系统可包括：(1)用于获得第一压力测量值的第一传感器，该第一压力测量值指示双动式气动致动器的两个气动腔室中的第一腔室中的压力；(2)用于获得第二压力测量值的第二传感器，该第二压力测量值指示两个气动腔室中的第二腔室中的压力；以及(3)处理单元，该处理单元被配置为进行以下操作：(i)使用第一压力测量值和第二压力测量值来监测关于两个气动腔室的交叉压力，(ii)确定所监测的交叉压力在预定死区范围之外，其中该死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的交叉压力值范围，(iii)响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力与设定点之间的差值，并使用计算出的差值来设置交叉压力误差变量，(iv)使用误差变量来执行控制算法，以将所监测的交叉压力驱动到设定点，和/或(v)响应于确定所监测的交叉点压力已达到设定点，将误差变量设为零，同时所监测的交叉压力保持在死区范围内。该系统可以包括更多的、更少的或替换的部件和/或其功能，包括本文描述的那些部件和/或其功能。在又一个可能实施例中，可以提供一种用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的控制器。该控制器可被配置为：(1)接收第一压力测量值，该第一压力测量值指示双动式气动致动器的两个气动腔室中的第一腔室中的压力；(2)接收第二压力测量值，该第二压力测量值指示两个气动腔室中的第二腔室中的压力；(3)使用第一压力测量值和第二压力测量值来监测关于两个气动腔室的交叉压力；(4)确定所监测的交叉压力在预定死区范围之外，其中死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的交叉压力值范围；(5)响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力与设定点之间的差值，并使用计算出的差值来设定交叉压力误差变量；(6)使用误差变量执行控制算法，将所监测的交叉压力驱动到设定点；和/或(7)响应于确定所监测的交叉压力已达到设定点，将误差变量设为零，同时所监测的交叉压力保持在死区范围内。控制器可被配置为执行更多的、更少的或替换的动作，包括本文中描述的动作。附图说明图1是被配置为操作双动式气动致动器的示例性控制阀定位系统的框图；图2是用于控制双动式气动致动器的操作的控制回路的状态空间描述的示图；图3A是绘制在控制双动式气动致动器中的交叉压力的传统技术的示例性实现中的交叉压力、误差变量和得到的控制动作的图表；图3B是绘制在控制双动式气动致动器中的交叉压力的经改进的技术的示例性实现中的交叉压力、误差变量和得到的控制动作的图表；以及图4是用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的示例性方法的流程图。具体实施方式尽管以下文本阐述了本专利技术的一个或多个示例性实施例的详细描述，但是应该理解，本专利技术的合法范围由本专利开始处阐述的权利要求的文字限定。因此，以下详细描述仅被解释为示例性的，而并未描述本专利技术的每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例即使不是不可能的也是不切实际的。可使用当前技术或在本专利的申请日之后开发的技术实现众多替换实施例。设想这些替换实施例仍将落入限定本专利技术的权利要求书的范围内。包括双动式致动器的示例性系统图1例示了包括双动式致动器1和用于控制致动器1的定位器10的系统的实现。在一些实现中，定位器10可被配置为包括数字阀控制器(DVC)的一些或全部高级功能，尽管图1并没有例示该功能。致动器1可包括上气动腔室2和下气动腔室3，它们可由活塞4分隔开。上气动腔室2和下气动腔室3之间的压差可以引起活塞4的运动，该运动可进而引起连接到活塞4的阀杆5的运动。阀杆5的运动(例如，阀杆5的线性位移或角位移)可以打开或关闭过程流体可流经的过程控制阀(PCV)。过程控制阀可以控制过程控制系统(例如化学或其他过程控制工厂)内的流体流动。入口/出口6a可向上气动腔室2供应空气或其他控制流体和/或相反地，可以从上气动腔室2排本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字地控制双动式气动致动器的方法，所述方法包括：监测关于所述双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力；确定为所监测的交叉压力在预定的死区范围之外，所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的值；响应于确定为所监测的交叉压力在所述死区范围之外，确定在所监测的交叉压力与所述交叉压力设定点之间的差值，以生成交叉压力误差；使用所述交叉压力误差来执行控制动作，以将所监测的交叉压力驱动至所述交叉压力设定点；响应于确定为所监测的交叉压力已达到所述设定点，将所述交叉压力误差设为零；以及在所监测的交叉压力在所述死区范围内的情况下，将所述交叉压力误差保持为零。

【技术特征摘要】
2017.09.28 US 15/718,9601.一种数字地控制双动式气动致动器的方法，所述方法包括：监测关于所述双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力；确定为所监测的交叉压力在预定的死区范围之外，所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的值；响应于确定为所监测的交叉压力在所述死区范围之外，确定在所监测的交叉压力与所述交叉压力设定点之间的差值，以生成交叉压力误差；使用所述交叉压力误差来执行控制动作，以将所监测的交叉压力驱动至所述交叉压力设定点；响应于确定为所监测的交叉压力已达到所述设定点，将所述交叉压力误差设为零；以及在所监测的交叉压力在所述死区范围内的情况下，将所述交叉压力误差保持为零。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制动作是第一控制动作，所述方法还包括执行第二控制动作，以将所述气动致动器的位置驱动至一位置设定点。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，执行所述第一控制动作和所述第二控制动作包括：实现多输入多输出(MIMO)控制方案。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述交叉压力误差的符号的变化，确定为所监测的交叉压力已达到所述设定点。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述交叉压力包括：(i)接收对所述气动致动器的所述两个气动腔室中的第一腔室中的压力的指示，(ii)接收对所述气动致动器的所述两个腔室中的第二腔室中的压力的指示，以及(iii)基于所指示的在所述第一腔室和所述第二腔室中的压力来确定所述交叉压力。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算所述交叉压力包括：计算所指示在所述第一腔室和所述第二腔室中的压力的加权和。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算所述交叉压力包括：计算所指示在所述第一腔室和所述第二腔室中的压力的平均值。8.一种系统，包括：双动式气动致动器，所述双动式气动致动器具有第一气动室和第二气动室；第一传感器，所述第一传感器用于确定所述第一腔室中的压力；第二传感器，所述第二传感器用于确定所述第二腔室中的压力；以及控制器，所述控制器被配置为：使用第一压力测量值和第二压力测量值来监测关于两个气动腔室的交叉压力，确定为所监测的交叉压力在预定的死区范围之外，所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的值，响应于确定为所监测的交叉压力在所述死区范围之外，确定在所监测的交叉压力与所述交叉压力设定点之间的差值，以生成交叉压力误差，使用所述交叉压力误差来执行控制动作，以将所监测的交叉压力驱动至所述交叉压力设定点，响应于确定为所监测的交叉压力已达到所述设定点，将所述交叉压力误差设为零，以及在所述监测的交叉压力在所述死区范围内的情况下，将所述交叉压力误差保持为零。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制动作是第一控制动作，所述控制器还被配置为执...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·R·方丹，D·L·施密德，
申请(专利权)人：费希尔控制产品国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US