用于控制双作用气动致动器的方法和装置制造方法及图纸

一种用于双作用气动致动器的控制回路被配置为生成两个控制信号，两个气动腔室中的每一个气动腔室对应一个控制信号，以便鉴于对致动器的腔室压力或刚度的操作约束来控制致动器位置。刚度的数值指标可以以各种方式进行计算，例如，计算为两个腔室压力的平均值。在一个实施例中，刚度的数字指标被视为系统的输出以及致动器的位置。具有位置和压力反馈的多输入多输出控制回路可以用于同时控制致动器的位置和刚度。

【技术实现步骤摘要】
用于控制双作用气动致动器的方法和装置
本专利技术总体上涉及控制阀，更具体而言，涉及用于控制用于过程控制阀的双作用气动致动器的方法和装置。
技术介绍
许多工业过程使用控制阀来控制通过管道的流体的流动速率。这些控制阀由致动器打开和关闭，致动器的位置由定位器使用来自致动器位置传感器的反馈和过程设置进行设定。定位器和致动器组合的目标是响应于流过阀的过程流体产生的力而快速且精确地控制致动器位置并且使致动器位置的偏差最小化。双作用气动致动器通过调节两个气动腔室中的压力来改变位置，其中压力推动连接到杆的活塞。转而，杆将活塞的运动转换为调节控制阀的开度以改变过程流体的流动。当来自过程流体流动的力移动致动器时，该过程可能受到不利影响，并且致动器部件上的附加磨损可能降低致动器的寿命。致动器的刚度呈现在能够快速控制致动器位置和限制阀中的抖动力对致动器位置的波动的影响之间的工程折衷。减少阀致动器的刚度的不希望的变化将改善过程控制系统的质量和耐用性。
技术实现思路
本公开内容的方法和对应系统的实施方式可以鉴于对致动器的刚度设定的约束来控制双作用气动致动器的位置。所述系统可以通过增加两个气动腔室中的相对的(opposing)压力来增加刚度并且相反地通过减小两个压力来减小刚度。因此，通过控制到致动器腔室的两个气动信号，所公开的方法可以改变致动器的位置，同时增加或减小刚度。所述系统可以被配置为测量两个腔室中的压力并使用测量值来计算刚度的数值指标。控制回路可以被配置为使用刚度的数字指标作为用于控制的输出中的一个输出，以及控制所述致动器的位置。该用于控制致动器的方法可以包括：获得对致动器的刚度的数字指标的约束并获得针对致动器的位置的设定点；测量致动器的位置；计算致动器的刚度的数字指标；鉴于对致动器的刚度的数字指标的约束来计算控制信号以调节两个气动腔室中的压力，以便使致动器的位置的误差最小化，和/或响应于该控制信号来致动气动设备以调节致动器的气动腔室中的压力。替代地，该方法可以通过以下方式来使用测量到的压力(不必计算刚度的指标)：获得针对致动器的位置的设定点；测量致动器的位置；测量致动器的两个气动腔室中的压力的传感器输出；将测量到的位置和测量到的压力用于计算控制信号以调节两个气动腔室中的压力以便使致动器的位置的误差最小化，和/或响应于该控制信号来致动气动设备以调节致动器的两个气动腔室中的压力。不同的实施方式可以以不同方式定义对致动器的刚度的约束或对致动器的气动腔室中的压力的约束。一些实施方式可以通过以下方式来定义对腔室中的压力的约束：设定针对腔室中的一个腔室或每一个腔室的最小和/或最大压力值，设定针对腔室中的一个腔室或每一个腔室中的压力的目标压力(即，设定点)，或者将指标定义为两个腔室中的压力值的数学组合(诸如平均值)，并且向该指标给予相应的设定点或可接受的范围。一些实施方式可以将致动器的刚度的数字指标定义为两个腔室中的压力值的数学组合(诸如加权和)，或者在指标的定义和计算中包括位置测量值。这些实施方式可以将相应的约束定义为刚度的指标中的可接受的范围或者定义为刚度的指标中的设定点。不同的实施方式可以以不同方式计算控制信号。在一些实施方式中，约束可以设定在给定腔室中的压力将增加还是减小，并且位置误差将设定增加或减小的相应幅值。替代地，多输入多输出(MIMO)控制回路可以使用刚度的指标的误差或压力的误差以及位置的误差，来计算用于两个腔室中的每一个腔室的控制信号。这些计算可以包括计算致动器的位置的误差、致动器的速度、以及致动器的刚度的数字指标的误差(或腔室压力的误差)的加权和。另外，不同的实施方式可以以不同方式将计算出的控制信号转换成由气动设备生成的气动信号。在一些实施方式中，控制信号的幅值可以设定由气动设备生成的流动速率或压力的幅值。在其它实施方式中，控制信号可以激活气动设备中的每一个气动设备，以在与对应的控制信号的幅度相一致的持续时间内提供恒定的流动速率。附图说明图1是被配置为控制双作用气动致动器的示例性定位系统的框图；图2是用于鉴于对致动器的刚度的约束来控制致动器的示例性方法的流程图描述；图3是用于通过将测量到的腔室压力结合到控制回路中来控制致动器的示例性方法的流程图；以及图4是致动器控制回路的状态空间描述的图。具体实施方式图1示出了包括双作用致动器1和用于控制致动器1的定位器10的系统的实施方式。定位器10可以包括数字阀控制器(DVC)的高级功能，但是图1未示出该功能。致动器1具有由活塞4分开的上部气动腔室2和下部气动腔室3，活塞4被附接到与过程控制阀(PCV)连接的杆5。过程控制阀可以控制过程控制系统(诸如化学或其它过程控制工厂)内的流体流动。腔室2具有出口6a，其可以供应空气或另一种控制流体或者相反地从腔室2排放控制流体。类似地，腔室3具有出口6b，其可以供应或排放腔室3的控制流体。随着控制流体的量在致动器腔室2和/或3中的一个或两者中变化，活塞4和附接的杆5移动到新的位置。双作用致动器1的实施方式还可以在腔室中的一个腔室中包含用于失效打开(fail-open)或失效关闭(fail-closed)动作的弹簧(未示出)。当例如腔室由于泄漏而减压时，弹簧将致动器置于致动器范围的一个限制。弹簧可以抵消两个腔室压力之间的平衡。在一些实施方式中，替代的致动器中的机构可以通过齿条和小齿轮、止转棒轭或其它机构将活塞的线性运动转换成杆的旋转运动。这些实施方式可以包含多于一个活塞和多于两个腔室。位置传感器11被配置为检测致动器1的位置。尽管在所示实施方式中，该位置指示杆5的线性位移，在使用替代的旋转式致动器的实施方式中，替代的传感器可以被配置为测量该替代的旋转式致动器的某个部分的角度位移。压力传感器14a和14b被配置为分别指示腔室2和3中的压力。压力传感器可以位于腔室的出口6a-b处。传感器还可以在通过气动管线流体连接到腔室2和3的位置处集成到定位器10的主体中。传感器11、14a和14b通信地耦合到处理单元16。处理单元16被配置为检测位置和压力传感器11、14a和14b的输出。处理单元16通信地耦合到接口18。在一个实施方式中，处理单元16可以包括微处理器。在其它实施方式中，处理单元16可以包括现场可编程门阵列(FPGA)或模拟电路。处理单元16被配置为将电控制信号输出到气动设备。处理单元16还可以被配置为计算其它信号，诸如关于定位器和致动器的诊断信息。接口18可以包括有线和无线连接、用于通信和信号处理的电路、非暂时性存储器和人机接口。因此，处理单元16可以以各种方式获得用于控制致动器的设定点和约束。位置的设定点可以是动态变化的值，其由过程控制器使用预定的通信协议传送到接口18。对致动器的刚度的约束可以动态地改变或可以不动态地改变。在使用对刚度的预设定约束的实施方式中，处理单元16可以使用接口18来通过访问可以存储约束的非易失性存储器来获取刚度约束。图1中所示的实施方式使用四个电流-压力(I/P)换能器20a-d来生成用于致动器的气动信号。换能器20a-d通信地耦合到处理单元16。可以在其中换能器中的每一个被配置用于在一个方向上致动流动的实施方式中使用四个换能器。I/P换能器20a和相应的气动放大器24a流体地连接到加压控制流体的供给，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制双作用气动致动器的方法，所述致动器包括致动活塞和两个气动腔室，其中，一个腔室中的压力在一个方向上对活塞施加力，而另一个腔室中的压力在相反方向上对所述活塞施加力，并且所述控制所述致动器的方法包括：获得对所述致动器的刚度的数字指标的约束并获得针对所述致动器的位置的设定点；测量所述致动器的位置；计算所述致动器的刚度的数字指标；鉴于对所述致动器的刚度的数字指标的约束来计算控制信号以调节所述两个气动腔室中的压力，以便使所述致动器的所述位置的误差最小化；以及响应于所述控制信号来致动气动设备以调节所述致动器的所述气动腔室中的压力。

【技术特征摘要】
2017.09.29 US 62/565,9291.一种控制双作用气动致动器的方法，所述致动器包括致动活塞和两个气动腔室，其中，一个腔室中的压力在一个方向上对活塞施加力，而另一个腔室中的压力在相反方向上对所述活塞施加力，并且所述控制所述致动器的方法包括：获得对所述致动器的刚度的数字指标的约束并获得针对所述致动器的位置的设定点；测量所述致动器的位置；计算所述致动器的刚度的数字指标；鉴于对所述致动器的刚度的数字指标的约束来计算控制信号以调节所述两个气动腔室中的压力，以便使所述致动器的所述位置的误差最小化；以及响应于所述控制信号来致动气动设备以调节所述致动器的所述气动腔室中的压力。2.根据权利要求1所述的方法，其中：获得对所述致动器的刚度的数字指标的约束包括：获得针对所述致动器的刚度的数字指标的设定点；以及鉴于对所述致动器的刚度的数字指标的约束来计算控制信号以调节所述两个气动腔室中的压力，以便使所述致动器的所述位置的误差最小化包括：计算所述控制信号，以便同时使所述致动器的所述位置的误差和所述致动器的刚度的数字指标的误差最小化。3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述控制信号，以便同时使所述致动器的所述位置的误差和所述致动器的刚度的数字指标的误差最小化包括：针对所述两个控制信号中的每一个控制信号，计算以下各项的加权和：(i)所述致动器的所述位置的误差、(ii)所述致动器的速度、以及(iii)所述致动器的刚度的数字指标的误差。4.根据权利要求1所述的方法，还包括：测量所述致动器的所述气动腔室中的每一个气动腔室中的压力；以及将测量到的压力用于计算所述致动器的刚度的数字指标。5.根据权利要求4所述的方法，包括：使用所述两个气动腔室中的压力的加权和来计算所述致动器的刚度的数字指标。6.根据权利要求4所述的方法，包括：通过对所述两个气动腔室中的压力求平均来计算所述致动器的刚度的数字指标。7.根据权利要求4所述的方法，其中：获得对所述致动器的刚度的数字指标的约束包括获得针对所述致动器的刚度的数字指标的设定点；以及鉴于对所述致动器的刚度的数字指标的约束来计算所述控制信号以调节所述两个气动腔室中的压力，以便使所述致动器的所述位置的误差最小化包括：计算所述控制信号以便同时使所述致动器的所述位置的误差和所述致动器的刚度的数字指标的误差最小化。8.根据权利要求7所述的方法，其中，计算所述控制信号，以便同时使所述致动器的所述位置的误差和所述致动器的刚度的数字指标的误差最小化包括：针对所述控制信号中的每一个控制信号，计算以下各项的加权和：(i)所述致动器的所述位置的误差、(ii)所述致动器的速度、以及(iii)所述致动器的刚度的数字指标的误差。9.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于所述控制信号来致动所述气动设备以调节所述致动器的所述气动腔室中的压力包括：致动所述气动设备中的每一个气动设备以在与对应的控制信号的幅度相一致的持续时间内提供恒定的流动速率。10.一种用于控制双作用气动致动器的系统，所述系统包括：接口，其被配置为获得针对所述致动器的位置的设定点并获得对所述致动器的刚度的数字指标的约束；位置传感器，其被配置为测量所述致动器的所述位置；两个压力传感器，其被配置为测量所述致动器的两个气动腔室中的每一个气动腔室中的压力，所述两个压力传感器包括：被配置为测量指示第一腔室中的压力的值的第一传感器以及被配置为测量指示第二腔室中的压力的值的第二传感器；电子处理单元，其被配置为使用指示所述两个气动腔室中的压力的测量值来计算所述致动器的刚度的数字指标，以及鉴于对所述致动器的刚度的数字指标的约束来计算控制信号以调节所述两个气动腔室中的压力，以便使所述致动器的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·S·梅茨彻克，M·R·方丹，K·W·琼克，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