在非周期性更新的控制器中基于速度的控制制造技术

一种用于控制使用缓慢或非周期性接收的过程变量测量的过程的技术实现了对设定点变化和干扰变化的更鲁棒的控制器响应，即使在以与相关于过程动态或受控的变量的响应时间的速率在同一数量级的速率检查过程变量测量反馈信号。该控制技术实施控制例程的迭代以使用复位或速率贡献分量生成控制信号，复位或速率贡献分量在某些意义上定义了对控制信号的预期过程响应。当控制器不可获得新的过程变量测量时，在生成控制信号时，复位或速率更新分量保持为零或一些其他在前级别。但在每一个控制器执行周期期间，迭代地重新计算复位贡献分量，即使在没有接收到新的过程变量测量时，以使得复位贡献分量的输出包含预期过程变化，其作为在控制器接收到实际过程变量测控值的时间之间的影响过程输入或控制信号的设定点或前馈变化的结果而出现。这个技术使得控制器在控制器接收非周期性过程变量测量的时间之间接收的设定点或前馈变化存在时，在产生控制信号时更为鲁棒，并使得控制器在过程变量反馈时间间隔大于、等于或同数量级于过程响应时间时更好地操作。

【技术实现步骤摘要】
在非周期性更新的控制器中基于速度的控制
本专利涉及补偿用于在使用非周期性控制或慢反馈过程变量通信的过程控制系统中提供基于速度的控制的方法和系统，具体而言，涉及一种设备和方法，被配置为当以与过程动态相比缓慢的速率接收过程变量反馈时，在实施控制时鲁棒地控制过程。
技术介绍
诸如分布式或可缩放式过程控制系统的过程控制系统，如用于化学、石油或其他过程中的，典型地包括一个或多个过程控制器，经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线可通信地耦合到彼此、至少一个主机或操作员工作站及一个或多个现场设备。现场设备例如可以是阀门、阀门定位器、开关及变送器(如温度、压力、流速传感器)，在过程内执行诸如打开或关闭阀门和测量过程参数的功能。过程控制器接收表示由现场设备做出的过程测量和/或与现场设备有关的其他信息的信号，并使用这个信息来实施控制例程以生成控制信号，将控制信号通过总线发送到现场设备以控制过程的操作。来自现场设备和控制器的信息典型地可用于由操作员工作站执行的一个或多个应用，以使得操作员能够执行相对于过程的任何所希望的功能，例如查看过程的当前状态、修改过程的操作等。一些过程控制系统，例如EmersonProcessManagement销售的DeltaVTM系统，使用位于控制器或不同的现场设备中的称为模块的功能块或功能块的组来执行控制和/或监控操作。在这些情况下，控制器或其他设备能够包括并执行一个或多个功能块或模块，其每一个都从其他功能块接收输入和/或将输出提供给其他功能块(在同一设备内或在不同设备内)，并执行一些过程操作，例如测量或检测过程参数、监控设备、控制设备或执行控制操作，例如比例积分微分(PID)控制例程的实施。在过程控制系统中的不同功能块和模块通常被配置为彼此通信(例如通过总线)以形成一个或多个过程控制回路。典型地对过程控制器编程以执行不同算法、子例程或控制回路(它们都是控制例程)，用于为过程定义的或过程内包含的多个不同回路的每一个，例如流量控制回路、温度控制回路、压力控制回路等。一般来说，每个这样的控制回路都包括一个或多个输入块，如模拟量输入(AI)功能块，单输出控制块，如比例积分微分(PID)或模糊逻辑控制功能块，和输出块，如模拟量输出(AO)功能块。控制例程和实施这种例程的功能块根据多个控制技术来配置，包括PID控制、模糊逻辑控制和基于模型的技术，例如SmithPredictor或ModelPredictiveControl(MPC)(模型预测控制)。为了支持例程的执行，典型的工业或加工厂具有集中控制室，可通信地与一个或多个过程控制器和过程I/O子系统连接，它们又连接到一个或多个现场设备。传统上，模拟现场设备已经由用于信号传输和电力供应的二线或四线电流回路连接到控制器。将信号发送到控制室的模拟现场设备(例如传感器或变送器)调节通过电流回路的运行的电流，以使得电流与所感测的过程变量成正比。另一方面，在控制室的控制下执行操作的模拟现场设备由通过回路的电流的大小来控制。随着数据传输量的增加，过程控制系统设计的一个特别重要的方面涉及在过程控制系统或加工厂内现场设备可通信地耦合到彼此、控制器和其他系统或设备的方式。在一般情况下，使得现场设备能够在过程控制系统内运行的各种通信信道、链路和路径通常统称为输入/输出(I/O)通信网络。用于实施I/O通信网络的通信网络拓扑结构和物理连接或路径对于现场设备通信的鲁棒性或完整性具有实质性的影响，尤其是当网络遭受到不良环境因素或苛刻条件时。这些因素和条件损害了在一个或多个现场设备、控制器等之间的通信的完整性。在控制器和现场设备之间的通信对于任何这种破坏尤其敏感，因为监控应用程序或控制例程典型地需要过程变量对于例程的每一次迭代的周期性更新。受损的控制通信因此会导致控制系统的效率和/或盈利能力降低，对于设备的过度磨损或损坏，以及任何数量的潜在有害故障。为了确保鲁棒的通信，用于过程控制系统中的I/O通信网络历来是硬连线的。不幸的是，硬连线的网络引入了许多复杂性、难题和限制。例如，硬连线的网络的质量会随时间下降。此外，硬连线的I/O通信网络通常在安装上是昂贵的，特别是在I/O通信网络与分布在大的区域上的大型工业工厂或设施相关联的情况下，例如占用几亩土地的炼油厂或化工厂。必要的长线路运行通常涉及相当大量的劳动力、材料和费用，并可能引入由于布线阻抗和电磁干扰而产生的信号退化。出于这些和其他原因，硬连线的I/O通信网络通常难以重新配置、修改或更新。已经提出使用无线I/O通信网络来缓解一些与硬连线的I/O网络有关的困难。例如，题为“ApparatusforProvidingRedundantWirelessAccesstoFieldDevicesinaDistributedControlSystem”的美国专利申请公开No.2003/0043052，其全部公开内容借以通过参考明确地并入本文中，公开了一种系统，利用无线通信来扩充或补充硬连线的通信的使用。但尤其由于可靠性问题，对于控制相关的传输的无线通信的依赖传统上受到限制。如上所述，现代监控应用程序和过程控制依赖于在控制器与现场设备之间可靠的数据通信，以达到最佳的控制水平。此外，典型的控制器快速执行控制算法以迅速纠正过程中不必要的偏差。不良的环境因素或其他不利条件会产生间歇性干扰，其阻碍或阻止支持监控或控制算法的这种执行所必需的快速通信。幸运的是，在过去的二十年中，无线网络变得更为强大，使得在一些类型的过程控制系统中能够可靠地使用无线通信。但当在过程控制应用中使用无线通信时功耗仍然是复杂的因素。由于无线现场设备在物理上与I/O网络断开，现场设备典型地需要提供其自己的电源。因此，现场设备可以是电池供电、汲取太阳能发电或取得环境能量，如振动、热、压力等。对于这些设备，数据传输所消耗的能量可以构成总能耗的相当大的部分。实际上，与在由现场设备执行的其他重要的操作过程中相比，诸如为了感测或检测被测量的过程变量所采取的步骤，在建立和维持无线通信连接过程中会消耗更多的功率。为了减少在无线过程控制系统中的功耗并因而延长电池寿命，建议了实施无线过程控制系统，在其中，诸如传感器的现场设备以非周期性、缓慢的或间歇性的方式与控制器通信。在一个案例中，仅在检测到过程变量中的显著变化时，现场设备才与控制器通信或将过程变量测量发送到控制器，导致与控制器的非周期性通信。为了处理非周期性过程变量测量更新而已经开发的一种控制技术使用控制系统，其提供并维持对于由控制器在不频繁的或非周期性测量更新之间产生的控制信号的预期过程响应的指示。预期过程响应可以由数学模型开发，其计算控制信号对于给定测量更新的预期过程响应。这个技术的一个示例在题为“Non-PeriodicControlCommunicationsinWirelessandOtherProcessControlSystems”的美国专利No.7,587,252中被说明，其全部公开内容借以通过参考明确地并入本文中。具体而言，该专利公开了一种控制系统，具有滤波器，其在接收到非周期性过程变量测量更新后，生成对于控制信号的预期过程响应的指示，并维持生成的预期过程响应的指示，直到下一个非周期性过程变量测量更新到达。作为另一个示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对过程进行控制的方法，包括：在计算机处理设备上实施控制例程的多次迭代以生成控制信号，包括在所述控制例程的每一次迭代期间：使用计算机处理设备生成积分反馈贡献，用于产生所述控制信号，包括在所述多次迭代的每一次迭代期间，使用迭代滤波器来根据所述控制例程的在前迭代的积分反馈贡献值和所述控制信号的值，确定用于所述控制例程的当前迭代的当前积分反馈贡献值；以及在接收到新的过程响应指示的每一次控制器迭代期间，使用所述当前积分反馈贡献来生成用于所述控制例程的当前迭代的所述控制信号，并且在没有接收到对所述控制信号的新的过程响应指示的控制器迭代期间，不使用所述当前积分反馈贡献来生成所述控制信号；以及使用所述控制信号来控制所述过程。

【技术特征摘要】
2015.10.12 US 62/240,322;2016.03.25 US 15/081,1891.一种对过程进行控制的方法，包括：在计算机处理设备上实施控制例程的多次迭代以生成控制信号，包括在所述控制例程的每一次迭代期间：使用计算机处理设备生成积分反馈贡献，用于产生所述控制信号，包括在所述多次迭代的每一次迭代期间，使用迭代滤波器来根据所述控制例程的在前迭代的积分反馈贡献值和所述控制信号的值，确定用于所述控制例程的当前迭代的当前积分反馈贡献值；以及在接收到新的过程响应指示的每一次控制器迭代期间，使用所述当前积分反馈贡献来生成用于所述控制例程的当前迭代的所述控制信号，并且在没有接收到对所述控制信号的新的过程响应指示的控制器迭代期间，不使用所述当前积分反馈贡献来生成所述控制信号；以及使用所述控制信号来控制所述过程。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在每一次迭代期间生成比例贡献，以及在每一次迭代期间使用所述比例贡献来生成所述控制信号。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过程响应指示是受所述控制信号影响的过程参数的测量。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述过程参数是受响应于所述控制信号的现场设备控制的过程变量。5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述积分反馈贡献包括：基于在用于所述控制例程的当前迭代的所述控制信号与所述控制例程的在前迭代的积分反馈贡献值之间的差乘以取决于复位时间和控制器执行时间段的因子，生成所述积分反馈贡献值。6.根据权利要求1所述的方法，其中，实施控制例程的多次迭代以生成控制信号包括：在所述控制例程的每一次迭代期间，基于设定点值、过程变量的最近的测量和所述积分反馈贡献来生成所述控制信号。7.根据权利要求1所述的方法，其中，实施控制例程的多次迭代以生成控制信号包括：在所述控制例程的每一次迭代期间，依据设定点值、最近接收的过程响应指示和比例增益值来生成比例分量，以及使用在所述当前迭代期间生成的比例分量与在前迭代期间生成的比例分量之间的差来生成所述控制信号。8.根据权利要求7所述的方法，其中，生成所述积分反馈贡献用于产生所述控制信号包括：依据所述控制例程的在前迭代的积分反馈贡献值和自接收到新的过程响应指示的最后迭代以后、用于全部在前迭代的所述控制信号的合计值，确定用于所述控制例程的当前迭代的当前积分反馈贡献值。9.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述积分反馈贡献用于产生所述控制信号包括：依据所述控制例程的在前迭代的积分反馈贡献值和自接收到新的过程响应指示的最后迭代以后、用于全部在前迭代的所述控制信号的合计值，确定用于所述控制例程的当前迭代的当前积分反馈贡献值。10.一种过程控制器，所述过程控制器生成控制信号，用于在所述过程控制器的多次控制器迭代的每一次迭代期间控制过程变量，所述过程控制器包括：通信单元，相对于所述过程控制器的多次控制器迭代的每一次迭代，所述通信单元在较少的迭代中接收所述过程变量的新值；比例控制部件，所述比例控制部件在所述过程控制器的迭代的每一次迭代期间生成比例控制信号值，所述比例控制部件包括：第一求和器，所述第一求和器确定在用于所述过程变量的设定点值与过程变量的接收值之间的差，以及比例增益单元，所述比例增益单元耦合到所述求和器；积分控制部件，所述积分控制部件在所述过程控制器的迭代的每一次迭代期间生成积分控制信号值，所述积分控制部件包括：迭代滤波器，所述迭代滤波器基于在所述过程控制器的在前迭代期间生成的初始积分控制分量的在前值并基于用于所述过程控制器的当前迭代的所述控制信号，在所述过程控制器的每一次迭代期间确定初始积分控制分量；以及耦合到所述迭代滤波器的开关，所述开关接收所述初始积分控制分量和另外的值，其中，所述开关进行操作以在与在所述通信单元处接收到所述过程变量的新值相关联的过程控制器迭代期间，提供由所述迭代滤波器生成的所述初始积分控制分量作为所述积分控制信号值，并且在与在所述通信单元处接收到过程变量的新值不相关联的控制器迭代期间，提供所述另外的值作为所述积分控制信号值；以及第二求和器，所述第二求和器在每一次过程控制器迭代期间对所述比例控制信号值和所述积分控制信号值求和，以产生所述控制信号。11.根据权利要求10所述的过程控制器，其中，所述积分控制部件进一步包括第三求和器，所述第三求和器耦合到所述迭代滤波器，其中，所述第三求和器对用于在前控制器迭代的控制信号求和以产生合计控制信号值，并且其中，所述第三求和器将所述合计控制信号值作为输入提供给所述迭代滤波器。12.根据权利要求11所述的过程控制器，其中，当在所述通信单元处接收到所述过程变量的新值时，所述第三求和器复位所述合计控制信号。13.根据权利要求12所述的过程控制器，其中，当在所述通信单元处接收到所述过程变量的新值时，所述第三求和器将所述合计控制信号复位为零。14.根据权利要求11所述的过程控制器，其中，所述另外的值是零。15.根据权利要求11所述的过程控制器，其中，所述比例控制部件包括差分单元，所述差分单元耦合到所述比例增益单元。16.根据权利要求15所述的过程控制器，其中，所述差分单元耦合在所述比例增益单元与所述第二求和器之间，并且所述差分单元确定在来自在前控制器迭代的、所述比例增益单元的输出与在所述当前控制器迭代的、所述比例增益单元的输出之间的差值，并将所述差值作为所述比例控制信号值提供给所述第二求和器。17.根据权利要求10所述的过程控制器，进一步包括控制信号转换单元，所述控制信号转换单元耦合到所述第二求和器，所述控制信号转换单元将所述控制信号转换为要发送以控制过程内的设备的输出控制信号。18.根据权利要求17所述的过程控制器，其中，所述控制信号表示在要发送到所述过程的所述输出控制信号中的变化。19.根据权利要求10所述的过程控制器，进一步包括微分控制部件，所述微分控制部件确定微分控制信号值，所述微分控制部件包括耦合到所述第一求和器的微分增益单元，以及耦合到所述微分增益单元的第二差分单元，所述第二差分单元确定在来自在前控制器迭代的、微分增益单元的输出与在当前控制器迭代的、微分增益单元的输出之间的另一个差值，并将所述另一个差值作为所述微分控制信号值提供给所述第二求和器，并且其中，所述第二求和器对所述微分控制信号值与所述积分控制信号值和所述比例控制信号值求和以产生所述控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·布莱文斯，P·斯托尔特诺，M·J·尼克松，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US