CN101523314A - 自动间隙估计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于控制系统中间隙的自动估计的方法，所述控制系统包括控制器(C)和将被控制的过程(P)，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数(K，Ti)来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)控制所述过程的所述过程输出信号(y)。该方法包括：监控所述过程输出信号(y)以确定反映时间间隔(Δt)期间所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的值(Δy)；和从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，Ti)来估计间隙。

Description

自动间隙估计

技术领域

【1】本发明总的涉及控制系统中间隙的检测和估计。特别的，本发明涉及一种用于控制系统中间隙的自动估计的方法，该控制系统包括控制器和将被控制的过程，其中所述控制器能够采用一个或多个控制器参数来执行对所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号的设定点值控制所述过程的所述过程输出信号。本发明进一步涉及用于间隙的这样的自动估计的相关设备、控制系统和计算机程序产品。

背景技术

【2】任意控制系统包括一个或多个可控构件，通过其控制过程。控制阀门可能是这样的可控构件的最普通的示例。如工业控制有关的任意人员所熟知的，控制阀门遭受磨损。操作一段时间后，该磨损导致使控制性能恶化的摩擦和间隙。因此，在过程控制中阀门已经被认为是环路级的问题的主要源头。

【3】具有高级静态摩擦(静摩擦)的阀门导致造成控制环路振荡的粘滑运动。随着摩擦量的增大，定位器和阀门致动器中的联接机构中的间隙也增加。该间隙给控制环路增加了时间延迟，其恶化了控制。由于过程控制应用中的控制环路经常被耦合到周围的控制环路，所以也存在由一个环路中的间隙造成的扰动将被传播到其它环路的风险。

【4】当静摩擦或间隙变大，当然该阀门将被修理或更换。但是这通常在不中断过程的情况下不能被完成。由此原因，以及其它经济原因，感兴趣于试图保持该阀门运行尽可能长的时间。假设静摩擦或间隙的程度或量对于所采用的补偿方法是已知的，则静摩擦和间隙可采用有效的方法被补偿。

【5】即使由静摩擦和间隙造成的问题是严重的，过程控制工厂中的操作者也经常不能发现它们。主要原因在于人员的减少已经导致每个操作者简单地具有太多的控制环路要管理的情形。因此，在过去的十年中对于自动性能监控的程序的研究已经非常活跃。在最近这些年中这样的程序的工业应用也已经快速增加。关于静摩擦，已知多种自动方法用于检测具有静摩擦的控制环路。在另一方面，对于间隙，在现有技术中没有有效的自动检测或估计程序是已知的。代替的，过程控制操作者已需要手动调查。现在将简要描述根据现有技术这样的手动调查的一个示例。

【6】图1示出具有间隙的控制环路的框图，控制环路包括控制器C和将被控制的过程P。控制器C接收设定点值信号y_sp和过程输出信号y作为输入，且产生控制信号u作为输出。控制器输出u不是直接地输入到过程P；更确切的，其经过间隙，给出真实的过程输入u_b。图2图示了间隙的函数，由间隙造成的死区被标记为d。当控制信号u被反转时，过程输入u_b保持恒定直到u已经通过死区d。

【7】图1的控制环路中的间隙的量能够通过图3所示的程序容易地被手动地确定。在图3中，上图示出过程输出信号y，下图示出控制信号u。实验以相同方向的控制信号u的两个步骤的变化开始。如果第一步骤足够大，间隙的影响不出现在第二步骤。随后在相反的方向进行第三步骤。现在，在阀门移动之前，控制信号u必须通过整个间隙。如果最后两个步骤是相同的大小，间隙是d＝Δy/K_p，其中Δy是第二和第三步骤之后的过程输出之间的差值(参看图3)，而K_p是静态过程增益(也可以从图3容易的得到)。每当控制系统操作者检查控制环路时，可以采用该手动程序。

【8】但是，如已经解释的，在不同的工业领域中存在减少过程控制工厂中的人员的发展趋势。从而，控制环路的手动检查之间的时间经常长。因此，在不同的工业领域中能够自动地检测和估计间隙的量(即无需人员操作者任意投入)是有利的。

发明内容

【9】从上面可知，本发明的目的在于解决或至少减小上面讨论的问题。更具体的，本发明的实施例意于提供控制环路中间隙的量的自动检测和估计。而且目的在于使得这样的自动间隙估计在存在的、实际的过程控制应用中易于实现。这样，本发明人已经意识到这样的自动间隙估计应该基于来自控制系统的普通操作数据，即没有必须由控制系统操作者提供的参数或其它指导的形式的用户输入。

【10】总地，上述目的通过根据所附的独立的权利要求的方法、设备、控制系统和计算机程序产品来获得。

【11】本发明的第一方面是一种用于控制系统中间隙的自动估计的方法，该控制系统包括控制器和将被控制的过程，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号的设定点值控制所述过程的过程输出信号。该方法包括：

【12】监控所述过程输出信号以确定反映时间间隔期间所述过程输出信号的设定点值和真实值之间的瞬间差异的值；和

【13】从所述所确定的值和所述一个或多个控制器参数来估计间隙。

【14】本方法的实施例包括在所述时间间隔期间积分所述过程的控制误差并确定所述值为

$\mathrm{\Δy}=\underset{t_i}{\overset{t_{i+1}}{\∫}}\left|e\right|\mathrm{dt}/\mathrm{\Δt},$

其中Δt＝t_i+1-t_i且e＝y_sp-y＝[所述过程输出信号的设定点值]-[所述过程输出信号的真实值]。

【15】在本方法的实施例中，通过检测所述过程输出信号相对于其设定点值的第一零交叉点来确定所述时间间隔的起始时间，且通过检测所述过程输出信号相对于其设定点值的第二零交叉点来确定所述时间间隔的终止时间。

【16】有利地，间隙被估计为

$\hat{d}=(\frac{K}{T_i}\mathrm{\Δt}-\frac{1}{K_p})\mathrm{\Δy},$

其中

是由所述间隙造成的死区的估计，

K和T_i是所述控制器用于执行所述过程的积分控制所采用的控制器参数，

Δt是所述时间间隔，

Δy是反映所述过程输出信号的设定点值和真实值之间的瞬间差异的所述值，和

K_p是所述过程的静态过程增益。

【17】一个实施例包括设置K_p为预定常数，例如大体上等于1。

【18】典型地，间隙是可控构件造成的，诸如控制系统中的机械的、磁的、电的、气动的或液压的阀门。在这样的情况中，该方法可包括验证从所述控制器到所述可控构件的控制信号以及所述过程输出信号都是缓慢变化信号，其中所述估计间隙的步骤仅当成功的验证时执行。

【19】更具体的，通过测试所述时间间隔与所述控制系统的闭环时间常数相比是否长来执行所述缓慢变化信号的验证。

【20】在一个实施例中，通过使所述闭环时间常数接近所述一个或多个控制器参数中的时间常数和检查所述时间间隔是否超出由所述时间常数与预定常数相乘计算的阈值来执行所述测试。换句话说，在此实施例中，通过检查是否Δt≥N＊T_i来执行测试，其中N是考虑到实际实现适当选择的正数。仅当该测试成功时，确定或信任该间隙估计。在一个实施例中，N被设置为5。

【21】有利的，该方法还包括防止负载扰动，即通过找出所述时间间隔期间所述过程输出信号的设定点值和真实值之间的最大绝对差，验证所述最大绝对差没有超出阈值，其是反映所述过程输出信号的设定点值和真实值之间的瞬间差异的所述所确定的值的函数，和仅当成功的验证时执行所述估计间隙的步骤。

【22】通过所述所确定的值与预定常数相乘来计算所述阈值。因此，在此实施例中，通过检查是否最大绝对差e_max≤M＊Δy来确保防止负载扰动，其中M是考虑到实际实现而适当选择的正数，且仅当该检查成功时，确定或信任该间隙估计。在一个实施例中，M被设置为2。

【23】本发明的第二方面是用于控制系统中间隙的自动估计的设备，控制系统包括控制器和将被控制的过程，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号的设定点值控制所述过程的过程输出信号。该设备包括：

【24】用于监控所述过程输出信号以确定反映时间间隔期间所述过程输出信号的设定点值和真实值之间的瞬间差异的值的装置；和

【25】用于从所述所确定的值和所述一个或多个控制器参数来估计间隙的装置。

【26】有利的，所述用于监控的装置和所述用于估计的装置由所述控制器的处理器来实现。可选的，所述装置可由处理器件(例如CPU(中央处理器)或DSP(数字信号处理器))或任意其它电子的、可编程的和/或逻辑的器件或任意合适的电子仪器中的器件的组合来实现，包括但是不限于任意种类的计算机，或一个或多个集成电路。

【27】本发明的第三方面是具有控制器和将被控制的过程的控制系统，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号的设定点值控制所述过程的过程输出信号。该控制系统具有：

【28】用于监控所述过程输出信号以确定反映时间间隔期间所述过程输出信号的设定点值和真实值之间的瞬间差异的值的装置；和

【29】用于从所述所确定的值和所述一个或多个控制器参数来估计间隙的装置。

【30】本发明的第四方面是一种计算机程序产品，包括当由处理器执行时适合于执行根据第一方面的任意方法的步骤的程序代码装置。

【31】第二至第四方面总的具有与第一方面相同的目的和优点，和相同或直接对应的特征。

【32】从下面详细的公开、从所附的从属权利要求和从附图中将给出本发明的其它目的、特征和优点。

【33】总的，除非在此以其它方式清晰限定，权利要求中采用的全部术语将根据在本技术领域中它们的普通意义来解释。除非以其它方式清晰的陈述，对于所有提及的“一/该[元件、器件、部件、装置、步骤等]”将被开放地解释为涉及所述元件、器件、部件、装置、步骤等的至少一个例子。除非清晰的陈述，此处公开的任意方法的步骤不是必须以所公开的确切顺序来执行。

附图说明

【34】参考所包含的附图，现在将较详细地描述本发明的实施例，其中：

图1是具有间隙的控制环路的框图。

图2图示了图1所示的控制环路中的间隙的函数。

图3图示了手动间隙估计。

图4图示了间隙的描述函数的负倒函数。

图5图示了具有间隙的积分过程的控制。

图6图示了具有间隙的稳定过程的控制。

图7图示了当控制具有间隙的稳定过程时发生的控制性能恶化。

图8图示了图6中所示的图的一部分。

图9图示了根据一个实施例的自动间隙估计方法的流程图。

图10图示了用于图9中所示的自动间隙估计方法的框架程序代码。

图11是作为本发明可应用于其中的环境的示例的控制系统的示意性图示。

图12-14是来自在图11的环境中执行的工业测试的图。

图15-17是图示间隙补偿的影响的图。

具体实施方式

【35】现在将较详细地描述本发明的实施例。但是，在此之前，将给出间隙的理论介绍。在所公开的实施例的自动间隙估计的描述之后，将简要地涉及某些工业测试。最后，将讨论间隙补偿，基于由于本发明而获得的所估计的间隙有利地执行该间隙补偿。

【36】对间隙的理论介绍

再次参考图1和2中所示的控制环路和死区图示。间隙的描述函数Y_N是：

${\mathrm{ReY}}_N\left(a\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\arcsin (1-\frac{d}{a})+(1-\frac{d}{a})\sqrt{\frac{d}{a}(2-\frac{d}{a})})$

$\mathrm{Im}{Y}_N\left(a\right)=-\frac{d}{\mathrm{\πa}}(2-\frac{d}{a}),---\left(1\right)$

【37】其中a是输入幅值且d是在图2中给出的间隙。在图4中示出该间隙的描述函数的负倒函数(实线)。图4也示出了当积分过程P₁＝e^-0.2s/(s(1+0.8s))(虚线)和稳定过程P₂＝1/(1+s)⁴)(点画线)分别被PID控制器控制时所获得的2个环路传递函数的尼奎斯特图。

【38】从此图中，可以得出结论，由具有积分器的控制器控制的积分过程导致极限环。在另一方面，合理调整的稳定过程将不给出极限环。

【39】由于d在其出现在(1)中的每一位置除以a，所以描述函数的形状不依赖于d。这有个有趣结果。其意味着间隙的幅值d将影响振幅，但是由于与尼奎斯特图的相交发生在相同位置，振荡周期将保持相同而与间隙的幅值无关。

【40】在本文的全文中，假定图1的控制器C是PID控制器。这是实践中最经常的情况。但是，此处呈现的结果能够相当容易地对于具有积分作用的其它控制器被修改。

【41】在下列示例中采用的PID控制器具有结构：

$u\left(t\right)=K(-y_f\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\∫(y_{\mathrm{sp}}\left(t\right)-y_f\left(t\right))\mathrm{dt}-T_d\frac{{\mathrm{dy}}_f\left(t\right)}{\mathrm{dt}}),---\left(2\right)$

【42】其中u是控制器输出，y_sp是设定点，y_f是所滤波的过程输出，且控制器参数是增益K，积分时间T_i和微分时间T_d。该控制器具有在比例项和微分项都等于0的设定点权重。这在工业控制器中是普通的。该过程输出通过二阶低通滤波器滤波

$Y_f\left(s\right)=\frac{1}{{(1+s{T}_f)}^2}Y\left(s\right)---\left(3\right)$

【43】其中Y和Y_f分别是过程输出和所滤波的过程输出的拉普拉斯变换。二阶滤波器被用于保证在控制器中的高频滚降(roll off)，且滤波器时间常数是T_f＝T_d/5。如果采用PI控制器，则建议采用滤波器时间常数T_f＝T_i/10。

【44】下列两个示例说明了在反馈环路中由间隙造成的问题。

示例1-具有间隙的积分过程的控制

【45】传递函数为

$P_1\left(s\right)=\frac{1}{s(1+0.8s)}{e}^{-0.2s}---\left(4\right)$

的积分过程被具有参数

K＝1.9   T_i＝2.4     T_d＝0.67

的形式(2)的PID控制器控制。

【46】采用已知为MIGO的设计方法来获得控制器参数。在控制环路中引入5％(d＝0.05)的间隙。

【47】图4示出了环路传递函数的尼奎斯特图和间隙的负倒描述函数。该曲线相交，其表示极限环将发生。该描述函数分析预测了具有4.4％的过程输出信号的幅值和7.7s的振荡周期的极限环。

【48】图5示出了模拟结果，其中在t＝0时产生设定点变化，且在t＝100在过程输入应用负载扰动。如图中所见，控制环路振荡。过程输出的幅值是3.2％，且振荡周期是5.7s。这非常接近于描述函数分析所预测的。

示例2-具有间隙的稳定过程的控制

【49】传递函数为

$P_2\left(s\right)=\frac{1}{{(1+s)}^4}---\left(5\right)$

的过程被具有参数

K＝1.2   T_i＝2.2    T_d＝1.2

的形式(2)的PID控制器控制。

【50】采用MIGO设计方法来获得控制器参数。在控制环路中引起5％(d＝0·05)的间隙。

【51】图4示出了环路传递函数的尼奎斯特图和间隙的负倒描述函数。该曲线不相交，其表示不发生极限环。

【52】图6示出了模拟结果，其中在t＝0时产生设定点变化，且在t＝100在过程输入应用负载扰动。而且，具有1％的标准偏差的噪声被添加到过程输出。该图示出即使没有如先前的示例的极限环，也存在由间隙造成的控制的严重恶化。由于噪声，该控制误差将永不被解决。每当过程输入的变化率被反转，该控制信号必须通过死区。这意味着将存在过程输出的低频扰动。

【53】描述函数分析和示例说明了当间隙被引入控制环路时产生的控制问题。积分过程被具有积分作用的控制器控制的控制环路将进入极限环振荡。这些振荡可以被本身已知的振荡检测程序检测。

【54】除了极端地滞后占支配地位的过程，用于稳定过程的控制环路通常将不进入极限环振荡。但是，即使在这些情况下，控制性能仍恶化。这在图7中图示。该图示出当由出现在如上面示例2所呈现的控制环路中的间隙造成的负载扰动时，IAE(“绝对误差积分”)值(左图)和峰值误差e_max(右图)如何增加。实线对应于10％的负载变化，且虚线对应于20％的负载变化。即使e_max是非常噪声敏感的，随着间隙d的增加，IAE值和e_max都增加。该增加依赖于负载扰动的量值。该结果与先前已知的是非常一致的。

【55】间隙在控制环路中引入死区时间。此死区时间的长度依赖于数个状态和参数。仅当控制信号作用被反转时出现死区时间。死区时间是控制信号通过死区所花费的时间。低积分增益K/T_i给出长的死区时间。如果控制误差大，则该死区时间变短。这意味着对于大的负载扰动的死区时间比对于较小者短。这解释了图7所示结果。

【56】由于振幅相当小，具有间隙的稳定环路通常不被振荡检测程序检测出。

【57】现在将提出用于这些过程的新的自动检测和估计程序。

自动间隙估计

【58】现在将描述根据一个实施例的自动间隙估计的方法。该方法仅处理稳定过程。如前所述，具有间隙的积分过程将导致振荡控制环路，其能够被本领域已知的程序检测。

【59】自动间隙估计方法一般操作在如图1中所示的控制环路。控制器C是PID控制器(或具有积分作用的任意其它类型控制器)，其可操作用于产生控制信号：

$u\left(t\right)=K\·e+\frac{K}{T_i}\∫\mathrm{edt}+K\·T_d\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}},$

其中

e＝y_sp-y

【60】图8示出了图6中给出的模拟的一部分。过程输出信号y已经通过滤波器(3)滤波。这意味着呈现在图8中的过程输出信号是进入PID算法的信号。该信号示出当稳定过程被具有积分作用的控制器控制时和当在控制环路中存在间隙时所获得的典型的图案。当控制信号u偏移穿过由间隙造成的死区时，该过程输出信号y与设定点距离Δy。当控制信号已经变化量Δu，该过程输出信号朝设定点y_sp移动。当过程输出信号y穿越设定点时的时间点在图8中被标记在t＝40和t＝60。这些零交叉点之间的时间是Δt＝t_i+1-t_i。

【61】控制信号的变化Δu主要由控制器C的积分部分造成。这意味着

$\mathrm{\Δu}\≈\frac{K}{T_i}\underset{t_i}{\overset{t_{i+1}}{\∫}}\left|e\right|\mathrm{dt}=\frac{K}{T_i}\mathrm{\Δy\Δt},---\left(7\right),$

其中

$\mathrm{\Δy}=\underset{t_i}{\overset{t_{i+1}}{\∫}}\left|e\right|\mathrm{dt}/\mathrm{\Δt},---\left(8\right),$

参见图8。

【62】如果信号变化慢，过程动态可被忽视，且过程输出信号y和控制信号u之间的关系主要由静态过程增益K_p确定。更具体的，K_p是瞬态之后y的变化和u的变化之间的关系，前者的变化由后者的变化造成。因此，该关系是

Δy＝K_pΔu_true             (9)

【63】其中Δu_true是间隙结束和阀门移动的Δu的部分。这意味着

Δu＝Δu_true+d                (10)

【64】从公式(7)到(10)，获得了用于估计间隙的下述等式：

$\hat{d}=\mathrm{\Δu}-\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{true}}=\frac{K}{T_i}\mathrm{\Δy\Δt}-\frac{\mathrm{\Δy}}{K_p}=(\frac{K}{T_i}\mathrm{\Δt}-\frac{1}{K_p})\mathrm{\Δy}---\left(11\right)$

【65】间隙估计量(11)假设信号变化慢。检查这个的方便的方式是查看相比于整个控制系统(包括控制器C和被控制的过程P)的闭环时间常数Δt是否长。由于整个控制系统的闭环时间常数典型地未知，有利的应用Ti与闭环时间常数密切相关的事实，其中T_i是PID控制器C的控制器参数的其中一个且因此是已知的。因此，所公开的实施例包括通过测试是否Δt≥5T_i来验证控制信号u和过程输出信号y都是缓慢变化的信号的步骤。仅仅如果这个标准满足时，才执行估计。

【66】在线确定间隙所需的信息是控制器参数K和T_i，和静态过程增益K_p。而且，有必要以(8)测量Δy(即积分零交叉点之间的控制误差e)和这些零交叉点之间的时间Δt。

【67】由于过程增益K_p典型地未知，所以该增益被用于算法中的事实需要一些考虑。在另一方面，估计对K_p的估计中的误差相当不敏感。为明白这点，重写(11)为

$\hat{d}=K(\frac{\mathrm{\Δt}}{T_i}-\frac{1}{{\mathrm{KK}}_p})\mathrm{\Δy}---\left(12\right)$

【68】由于假设Δt≥5T_i，所以括号中的第一项总是大于5。对于应用到不是延迟占支配地位(delay-dominated)的过程的良好调整的控制器，乘积KK_p通常大于0.5。这意味着(12)中的第一项占支配地位且间隙估计量(11)对于K_p的误差不敏感。由于工业控制器通常与归一化信号一起工作，K_p＝1方便地用作缺省值。

【69】噪声不造成零交叉点是重要的。因此，过程输出信号y不仅通过二阶滤波器(3)滤波，而且在该信号在估计程序中被处理之前应用附加的二阶滤波器。在本文提出的示例中，该后一滤波器的时间常数是T_i/2。

【70】如此的在线程序应该具有安全网。在公开的实施例中，由于负载扰动可以恶化间隙估计，这样的安全网的一个要素是防止负载扰动。为了检查过程输出信号具有类似于图8中的过程输出信号的形式，仅当e_max≤2Δy时执行估计，其中e_max是间隔[t_i，t_i+1]中的最大控制误差的绝对值。

【71】这个安全网的其它要素不得不在工业领域测试期间被开发。

【72】这样，根据此实施例的自动间隙估计方法包括下列步骤，其也在图9的流程图中示出：

【73】在第一步骤100，初始化必要的变量和计数器。随后，在步骤110监控过程输出信号y(如上所述被滤波的)的相对于设定值y_sp的第一零交叉点。一旦已经检测到第一零交叉点，执行进行到步骤120，其中控制误差e被积分直到在步骤130已经检测到第二零交叉点。

【74】随后，在步骤140，第一和第二零交叉点之间的时间间隔Δt被确定。在下面的步骤150中执行对缓慢改变信号y，u的前述检查。如果测试失败，则执行结束；否则执行进行到步骤160，在该步骤中如在(8)中解释的计算Δy。

【75】步骤170是前面解释的防止负载扰动步骤。如果认为负载扰动足够小，即如果e_max≤2Δy，在步骤180中计算间隙估计

；否则执行结束。

【76】描述间隙估计量的框架代码在图10中给出。

【77】自动间隙估计方法的功能性可由在实际实现中可得到的任意合适仪器执行。例如，如之后参考工业测试和图11所看到的，该功能性可由实现PID控制器C(如由图11中控制环路30的PID1控制器32实现的，PID1控制器具有可编程CPU33，其带有能够存储程序代码和工作数据的相关的存储器34。)的硬件仪器中的处理器或其它逻辑器件的适当的编程执行。可选地，再次参看图11，当传统计算机50(诸如个人计算机、工作站、膝上型计算机或手持计算机)适当地被编程并耦合到被控制的过程P的控制器C(PID1控制器32)时，自动间隙估计方法的功能性可由该传统计算机50执行。

【78】自动间隙估计方法的结果，即间隙估计

，可以以任意合适的方式呈现于控制系统操作者(参见图11中52)，例如通过运行在计算机50中的软件的方式，和/或通过控制器C(图11中的PID1控制器32)的用户接口的方式。如在实际实施中所期望的，该结果可以以不同的方式被采用。其可以用作所检测的间隙的简单指示(例如，当

超过指示显著间隙的阈值时)，或间隙存在的量的估计，或作为对服务/维护人员关于可控构件(例如图11中的阀门38)需要服务、修理或更换的报警触发器，或作为到与间隙估计方法相关执行的间隙补偿方法的补偿步骤的输入数据。对于关于间隙补偿的进一步信息参见本说明书的最后部分。

【79】因此，综上得出，用于间隙估计的新的自动方法(在线程序)已经被呈现。其通过公式(12)给出，且一些进一步特征在图9和10中总结。该估计方法是自动的，相信其有利于其在过程控制工业被接受。该估计方法可以以许多方式被采用。首先，其可以以类似于本身已知的振荡检测程序的方式用作检测程序。根据该方法，零交叉点之间的控制性能被研究。可以得出结论，如果间隙检测率变高，则间隙存在于环路中。

【80】如果检测出间隙，且如果所估计的间隙值是接近的，则也可以得出关于间隙的量的结论。如果目的不仅是检测间隙还要补偿它，则这是必要的。

【81】如果静摩擦存在于控制环路中，则由估计方法所估计的间隙是间隙和由静摩擦造成的死区的总和。由于间隙补偿器将不仅补偿间隙还补偿静摩擦，所以相信这是好的特征。

【82】在上面间隙估计量的推导中，假定将采用PID控制器。但是技术人员对于具有积分作用的其它控制器修改该方法是容易的。

工业性测试

【83】间隙估计方法已经在造纸厂中的流量控制环路上进行测试。此环境在图11中被示意性的图示，该图上面已经涉及。过程部分是管道12，其中纸浆从回收纸浆塔10被传送到罐60。PID控制器(PID1)32控制通过阀门38的纸浆流量并因此形成一个控制环路30。过程输出y是纸浆流量，由流量检测器(F)36测量为在范围0-900m³/h内，且控制器输出u范围是0-100％。

【84】设定点y_sp是外部的且由下游的罐60处的液位控制器(PID2)给出。这意味着流量控制器42在级联配置中形成从属控制环路40。纸浆流由包含在另一控制环路20中的且使用压力检测器26的压力控制器(PID0)22控制的泵28驱动。

【85】流量控制器和压力控制器互相作用。为了减少该互相作用，通过在环路中引入具有20s的时间常数的低通滤波器，通常相当快的流环路的带宽已经减小。

【86】执行手动测试以检查阀门中的间隙的量。在图12中示出结果。控制器输出首先增加以确保间隔关闭。由于流量增加，当控制信号处于最终值u＝39％时间隙被关闭。随后控制器输出反转并以1％的步幅减小。最初的步幅不会导致任意流量减小，指示控制信号位于死区内。但是，由值u＝36％开始的步幅给出流量减小，表示在这个控制信号值附近间隙被关闭。测试示出间隙大约为d＝3％。

【87】流量控制器是具有参数K＝0.6和Ti＝28s的PI控制器。在控制器中采用的信号被归一化到范围[0，1]。静态过程增益被估计为K_p＝1.3。

【88】图13示出了所做的大约4000s的记录的结果。上图示出外部设定点(噪声信号)和过程输出(流量)。下图示出控制信号。所估计的间隙值在上图中被指示。由于振荡的设定点，所以环路是振荡的。设定点振荡可能由间隙造成的流量改变产生。图13示出在测试期间间隙被检测5次，间隙估计范围从2.5％到3.1％。这些估计接近于在图12中由手动测试获得的那些。

【89】设定点改变可扰动间隙估计量。如果测试e_max≤2Δy不存在，在测试期间将获得15个检测，尤其是最后两个主设定点变化将给出非常大的间隙估计。

【90】为了消除由外部设定点造成的扰动，也执行了具有固定内部设定点的实验。图14示出这样的测试的结果。上图示出恒定内部设定点和过程输出(流量)。下图示出控制信号。所估计的间隙值被指示在上图中。

【91】比较图13和图14，明显看出，由外部设定点造成的振荡已经消失。图14示出存在一些低频扰动。它们可能由来自压力控制环路的互相作用造成。

【92】在实验期间做了3个间隙检测，分别具有估计1.6％，2.4％，和2.4％。这些值稍微低于图13中获得的那些。由于在先前示例中设定点改变放大了间隙的影响，这是预期的。而且，所实施的模拟示例和方法的推导已经示出，间隙估计预期是保守的。

【93】总之，工业测试已经示出，间隙估计方法也在具有困难的低频扰动的工业环境中起作用。为了获得用于在不需要用户干预的意义上是自动的实际实现的稳健方法，如技术人员所知的，必须增加安全网的附加要素。

间隙补偿

【94】当发现控制阀门具有如此大间隙以致控制恶化时，当然采取的最好的行为是更换或修理该阀门。间隙的量通常随时间增大的事实使得这甚至更加重要。

【95】但是，更换或修理阀门通常意味着必须停止生产。为此原因，和感兴趣于尽可能长时间使用阀门的经济原因，感兴趣于补偿间隙。

【96]控制阀门通常不会自己移动或当控制信号恒定时移动，除非致动器不足够大或定位器不稳定。因此，相对于间隙的控制信号的位置由控制信号和其历史给出。这意味着间隙是可逆的非线性。

【97】补偿间隙的一种方式是每当控制作用被反转时使得控制信号跳过间隙。该补偿被看作前馈补偿

u＝u_FB+u_FF。              (13)

【98】其中u是控制器输出，u_FB是反馈项，例如来自PID控制器(2)的输出，而u_FF是补偿间隙的项。

【99】理想的间隙补偿是

$u_{\mathrm{FF}}=\frac{d}{2}\mathrm{sign}\left(\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\right)---\left(14\right)$

【100】在噪声环境中该补偿是不可实现的。可能的修改是在微分之前滤波控制信号。其给出下列补偿

$u_{\mathrm{FF}}=\frac{\mathrm{\δ}}{2}\mathrm{sign}\left(\frac{{\mathrm{du}}_f}{\mathrm{dt}}\right)---\left(15\right)$

【101】其中u_f是被滤波的控制信号。注意补偿器的增益是从真间隙d到值δ变化的，其中δ≤d。控制信号的滤波将引入控制信号率的符号变化的检测的延迟。这意味着控制信号已经开始通过间隙。因此，补偿必须小于理想情况中的。

【102】还存在其它的可能性来执行间隙补偿。在(15)中，控制信号u已经通过低通滤波器以减小在控制器中由过程输出y引入的噪声。在控制器中，由于微分项，测量信号被馈送通过高通滤波器。这样，噪声水平首先被放大，然后被低通滤波器减小。更直接的方式是前馈直接基于测量信号。在本文中将采用的一种方法是

$u_{\mathrm{FF}}=\frac{\mathrm{\δ}}{2}\mathrm{sign}\left(e\right)---\left(16\right)$

【103】其中控制误差是e＝y_sp-y_f且y_f是由(3)给出的所滤波的过程输出。当控制误差e变化符号时，控制器中的积分项的率也变化符号。因此，前馈(16)可被看作仅考虑控制器的噪声不敏感的积分部分且从补偿中排除噪声敏感的比例和微分部分的方法。

【104】现在将对于来自本文的前面部分的2个示例说明间隙补偿。

示例3-用于积分过程的间隙补偿

【105】考虑示例1中的控制问题。形式(15)的间隙补偿器被加到控制器中。产生所滤波的控制信号为

$U_f\left(s\right)=\frac{1}{{(1+s{T}_d/5)}^2}U\left(s\right)---\left(17\right)$

【106】这是具有相对高带宽的滤波器。在另一方面，在此示例中过程输出是无噪声的。由此，补偿器的增益被选择等于间隙，即δ＝d＝0.05，因此，补偿器与理想的补偿器(14)一致。

【107】在图15中给出了模拟的结果。比较图5和图15，很明显间隙补偿器在此无噪声情况下给出了几乎理想的补偿。

示例4-用于稳定过程的间隙补偿

【108】考虑示例2中的控制问题。形式(16)的间隙补偿器被加到控制器中。在此示例中，由于过程输出被噪声破坏，补偿比前一示例中的更复杂。

【109】图16示出了当采用具有δ＝d＝0.05的补偿器时的结果。从图中清楚的看出该补偿器的增益太高且该补偿器造成环路振荡。减少补偿器增益到δ＝0.4给出在图17中示出的结果。此补偿器给出几乎不受间隙影响的过程输出。在一定时期控制信号具有一些高频偏移。这能够通过调整过程输出的滤波来避免。在另一方面，由于间隙，这些改变不造成任意阀门移动。

【110】图7示出了当负载变化20％时5％的间隙给出大约45％的所增加的IAE值。通过补偿器，此增加被减小至大约15％。

结束语

【111】控制阀门中的间隙(和静摩擦)是过程控制工厂中的环路水平的主要问题。存在问题的两个方面。首先，非线性恶化控制性能。但是，附加的问题是面对这些问题的环路经常保持不被过程控制工厂中的人员发现。

【112】用于静摩擦检测和用于静摩擦补偿的程序已经存在很多年，且今天它们被用于许多工业工厂中。用于间隙的补偿同样简单，但是已知的程序很少用在过程控制工厂中。对此的主要原因在于不存在间隙检测和间隙在线估计方法。

【113】本文已经呈现了用于控制环路中的间隙的检测和估计的在线方法。该方法在无需用户提供信息的意义上是自动的。除了控制系统中的信号外，需要的唯一的信息是控制器参数。通过模拟和工业领域测试，已经证明了该方法的效果。

【114】上面已经主要参考几个实施例描述了本发明。但是，本领域普通技术人员容易理解，除了上面公开的一些，其它的实施例同样可以在如所附的权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种用于控制系统中间隙的自动估计的方法，所述控制系统包括控制器(C)和将被控制的过程(P)，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数(K，T_i)来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)控制所述过程的过程输出信号(y)，所述方法特征在于：

监控所述过程输出信号(y)以确定反映时间间隔(Δt)期间的所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的值(Δy)；和

从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，T_i)来估计所述间隙。

2.如权利要求1所述的方法，包括在所述时间间隔(Δt)期间积分所述过程的控制误差(e)并确定所述值(Δy)为

$\mathrm{\Δy}=\underset{t_1}{\overset{t_{i+1}}{\∫}}\left|e\right|\mathrm{dt}/\mathrm{\Δt},$

其中Δt＝t_i+1-t_i且e＝y_sp-y＝[所述过程输出信号的设定点值]-[所述过程输出信号的真实值]。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中

通过检测所述过程输出信号(y)相对于其设定点值(y_sp)的第一零交叉点来确定所述时间间隔(Δt)的起始时间(t_i)，且

通过检测所述过程输出信号相对于其设定点值(y_sp)的第二零交叉点来确定所述时间间隔(Δt)的终止时间(t_i+1)。

4.如前面任意权利要求所述的方法，其中所述间隙被估计为

$\hat{d}=(\frac{K}{T_i}\mathrm{\Δt}-\frac{1}{K_p})\mathrm{\Δy},$

其中

是由所述间隙造成的死区的估计，

K和T_i是所述控制器用于执行所述过程的积分控制所采用的控制器参数，

Δt是所述时间间隔，

Δy是反映所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的所述值，和

K_p是所述过程的静态过程增益。

5.如前面任意权利要求所述的方法，包括设置K_p为预定常数。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述预定常数大体上是1。

7.如前面任意权利要求所述的方法，间隙由所述控制系统中的可控构件(38)造成，所述方法包括验证从所述控制器(c；32)到所述可控构件(38)的控制信号(u)以及所述过程输出信号(y)都是缓慢变化的信号，其中所述估计所述间隙的步骤仅当成功验证时执行。

8.如权利要求7所述的方法，其中通过测试所述时间间隔(Δt)与所述控制系统的闭环时间常数相比是否长来执行缓慢变化的信号(u，y)的所述验证。

9.如权利要求8所述的方法，其中通过使所述闭环时间常数接近所述一个或多个控制器参数(K，T_i)中的时间常数(T_i)和检查所述时间间隔(Δt)是否超出由所述时间常数与预定常数(N)相乘计算的阈值来执行所述测试。

10.如权利要求2和4所述的方法，进一步包括通过下述步骤防止负载扰动：

找出所述时间间隔(Δt)期间所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的最大绝对差(e_max)，

验证所述最大绝对差(e_max)没有超出阈值，其是反映所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的所述所确定的值(Δy)的函数，和

仅当成功验证时执行所述估计所述间隙的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过所述所确定的值(Δy)与预定常数(M)相乘来计算所述阈值。

12.一种用于控制系统(30)中间隙的自动估计的设备，所述控制系统包括控制器(C；32)和将被控制的过程(P)，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数(K，T_i)来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)控制所述过程的所述过程输出信号(y)，

所述设备特征在于：

用于监控所述过程输出信号(y)以确定反映时间间隔(Δt)期间所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的值(Δy)的装置(33，50)；和

用于从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，T_i)来估计所述间隙的装置(33，50)。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述用于监控的装置和所述用于估计的装置由所述控制器(C；32)的处理器(33)来实现。

14.一种具有控制器(C；32)和将被控制的过程(P)的控制系统，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数(K，T_i)来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)控制所述过程的所述过程输出信号(y)，

所述控制系统特征在于：

用于监控所述过程输出信号(y)以确定反映时间间隔(Δt)期间所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的值(Δy)的装置(33，50)；和

用于从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，T_i)来估计间隙的装置(33，50)。

15.一种计算机程序，包括当由处理器(33；50)执行时适合于执行如权利要求1-11的任意项所述的步骤的程序代码装置。

16.一种用于控制系统中间隙的自动估计的方法，所述控制系统包括控制器(C)和将被控制的过程(P)，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数(K，T_i)来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)控制所述过程的所述过程输出信号(y)，

所述方法特征在于：

监控所述过程输出信号(y)以确定反映时间间隔(Δt)期间所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的值(Δy)，其中所述时间间隔(Δt)的起始时间(t_i)通过检测所述过程输出信号(y)相对于其设定点值(y_sp)的第一零交叉点来确定，且所述时间间隔(Δt)的终止时间(t_i+1)通过检测所述过程输出信号相对于其设定点值(y_sp)的第二零交叉点来确定；和

从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，T_i)来估计所述间隙。

17.一种具有控制器(C；32)和将被控制的过程(P)的控制系统，其中所述控制器能够使用一个或多个控制器参数(K，T_i)来执行所述过程的积分控制，以相对于所述过程的过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)控制所述过程的所述过程输出信号(y)，

所述控制系统特征在于：

用于监控所述过程输出信号(y)以确定反映时间间隔(Δt)期间所述过程输出信号(y)的设定点值(y_sp)和真实值之间的瞬间差异的值(Δy)的装置(33；50)，其中所述时间间隔(Δt)的起始时间(t_i)通过检测所述过程输出信号(y)相对于其设定点值(y_sp)的第一零交叉点来确定，且所述时间间隔(Δt)的终止时间(t_i+1)通过检测所述过程输出信号相对于其设定点值(y_sp)的第二零交叉点来确定；和

用于从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，T_i)来估计间隙的装置(33；50)。

18.如权利要求17所述的控制系统，其中装置(33；50)布置有能够存储程序代码和工作数据的相关的存储器(34)，以从所述所确定的值(Δy)和所述一个或多个控制器参数(K，T_i)来估计所述间隙。

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