CN103034135A - 控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过程（2）的控制装置（1），在该控制装置中，将死区元件（4）连接在线性动态控制器（6）之前，以减少在控制的稳定状态中的调节干预。如果控制电路的控制偏差（e）超过第一阈值（s1），即自动禁用死区元件（4），其中，在禁用状态中，通过死区元件（4）引导的控制偏差（e1）不受所调节的死区的影响。如果随后控制偏差（e）低于比第一阈值更小的第二阈值，即自动重新激活死区元件（4）。由此降低调节元件（2）的能耗与磨损，并且改进控制特性的稳定精度以及控制电路的导向特性。

Description

控制装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于过程的控制装置，在该控制装置中，将死区元件连接在线性动态控制器之前。

背景技术

由功能手册“过程控制系统PCS7，PSC7 Advanced Process LibraryV71”03/2009中已知，可将例如PID控制器（其根据设计方案的不同也分别称作P控制器、PI控制器或PD控制器）或者模型预测控制器（其在这里也称作ModPreCon）作为可被用于在控制装置中有死区元件连接在其之前的线性动态控制器。在这里所述的死区元件的传输性能如图2所示。在连接在前面的死区元件中，在控制器上所输出的控制偏差由一个有效的额定值SP与一个过程值PV构成，并且在输出端ER上将所述控制偏差提供给控制器。为了抑制稳定状态中的干扰或者抑制不可避免的测量噪声，可激活死区，并且对死区的下限-D（Deadband）连同死区的上限D一起进行参数化。如果D设定为等于0，死区即被禁用或者说被去激活（deaktiviert），反之，当D不等于0时，则激活（aktiviert）死区。死区的参数由用户参数化并且在运行中保持恒定。其中，在理想状况中，这样来对所述死区进行参数化，使得当控制值已在死区内呈稳定时，调节干预的可能性就低。这就要求合理地选择死区的宽度。

死区的宽度主要取决于在处理技术方面所期望的控制精度，也就是说，取决于最大容许存在的控制偏差，并且或者是，例如当使用接通的调节元件时，则取决于控制值在调节值最小可能的变化的情况下的改变。其中，下述调节准则有利于使调节干预最小化，即：这样来选择死区的宽度，使得例如由于测量噪声或量化噪声而不可避免的控制值的变化不会导致频繁的调节运动：

-假定控制值的数值围绕额定值呈统计学上的正态分布，即将稳定状态中的控制值的标准偏差的两倍至三倍用作为死区的宽度。如果控制装置配有用于确定控制特性的特征值的监测模块，该模块在开头所述的功能手册中也被称作Control Performance Management（CPM：控制性能管理）或ConPerMon，那么，可将在监测模块中所计算出的、实际值的标准偏差用来计算死区宽度。

-如果通过调节值的量化仅能步进地实现控制值的改变，例如由于具有定义的最小脉冲持续时间的脉宽调制、由于具有定义的最小步宽的步进控制器或者当电控气动的位置控制器在气压驱动的填料盒中具有静摩擦时，死区的宽度取决于调节值的量化，其与各个过程增力相乘。例如当温度控制的调节值量化为5%并且过程增量为1.5℃/%时，就只能在

5%·1.5°C/%=7.5°C

的栅格里准确地实现该温度。随后必须这样来选择死区的宽度，使得过程可在其上保持稳定的至少一个栅格点落入死区内。在所述示例中，死区的极限D可被调至大于约3.8℃。

尽管借助宽度恒定的死区已经能够从一定程度上实现调节干预的减少，然而还必须要考虑到一些不足：

-小于死区的控制偏差被控制器忽略，也就是说，即便当控制器无需在前连接的死区也能实现调整时，控制器仍然不会进行这种调整。因而可调节控制值的实际值的稳定状态，其时间上的平均值与额定值之间存在明显偏差。

-如果在死区的边缘区域中调节稳定状态，那么，即便在干扰最小的情况下，也总是会反复导致控制干预。在发生致使离开死区的干扰状况后，控制器会将控制值的实际值仅回调直到死区的各个边缘，如果有其他的干扰，就可能导致重新进行调节干预。因而增加了调节元件的磨损与能耗。

-尤其是在额定值跳跃的情况下，较大的死区会给控制电路的控制特性带来负面作用。其原因在于，例如在正跳跃响应的上升阶段中，控制器会在控制偏差进入死区时首先“调整工作（Arbeit）”。这就可能导致一个蠕变的稳定过程，或者致使只有当实际值由于过调而超过死区的上限时，控制器才会重新激活。

因此，在控制装置中连接在控制器之前的死区元件可以如公知地有助于减少调节元件的运动，并进而降低调节元件的能耗与磨损。这特别适用于机械式调节元件、例如阀门和泵。此外，死区元件也能够避免控制电路中由于调节干预的量化而引起的、作为调节元件的工作运动的持续振荡。

然而，使用在前连接的死区元件目前大多数情况下会损害控制质量，因为只有通过取决于死区宽度的偏移量、而不是像取消死区元件时那样通过控制值的平均值才能实现准确的额定值。并且，控制值相对于准确的额定值的偏差（偏移量）还导致会更加频繁地离开原本为减少调节干预而选定的死区，因为死区是围绕额定值、而不是围绕控制值的所实现的实际值呈对称布置的。一旦离开死区，控制器就必须重新进行干预，以便将实际值重新导回到死区的范围内，因而仅能在很小的范围内实现死区的上述优点。

上述问题导致死区元件通常只有在其无论如何不可或缺的情况下才连接在线性动态控制器之前，并且通常在这样的情况下、即在只是应该减少在其中使用了控制装置的过程技术设备的磨损与能耗的情况下，并不会连接在线性动态控制器之前。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于过程的控制装置，在该控制装置中，将死区元件连接在控制器之前，利用该装置可进一步改进调节干预的减少并且尤其是在稳定精度方面可获得更好的控制特性。

为了实现上述目的，开头所述类型的新型控制装置具有如权利要求1的特征部分中所输出的特征。在从属权利要求中对本发明的有利的改进方案进行说明，在权利要求7中对控制方法进行说明，在权利要求8和9中对相应的计算机程序或计算机程序产品进行说明。

通过控制装置控制的过程按照以下方式在统计装置中以其处于死区中心的控制值保持稳定，即无论其是由于额定值跳跃还是由于干扰事件所引起，该死区元件都在出现较大的控制偏差时会暂时禁用。

因为只有当控制偏差低于比第一阈值更小且在其中实现禁用的第二阈值时，所述死区元件才可由禁用的状态中重新被激活，因而有利地提高了发生下述情况的可能性，即：使得控制偏差长时间地保持在死区内并且由此长时间地不再需要任何其他的调节干预。从而减少了尤其是在控制电路中所用的调节元件的磨损并且降低能耗。

另外，也极大地减少了在额定值跳跃时的导向特性或者说对调节值变化的响应（Führungsverhalten）、例如稳定过程中的蠕变特性或过调的方面不能自动禁用的死区元件的上述不足。因而提高了用户对于使用死区元件的接受程度，因为基本避免了其目前对控制质量带来的负面作用。因此，由于减少了调节干预，可通过新型控制装置实现的节能也得以被用于明显更多的应用情况中。这尤其适用于在其中使用了机械式调节元件如阀门或泵的控制电路。阀门的能耗也就是直接与所经过的行程相关，即与调节行程的时间积分相关。特别是在电气动运行的调节阀门中，当所涉及的是一种单作用的气动驱动时，压缩空气的消耗量与逆向于弹力经过的行程互成比例。在离心泵中，转数的每次改变都需要能量，以用于转子以及共同运动的介质的加速或制动，如果没有任何带有制动能反馈的变频器，就会消耗该能量。对于一种具有用于借助分别所存在的控制偏差来加热或冷却过程介质的所谓的分程控制的温度控制电路而言，重要的是，要避免调节信号的振荡，这会导致加热与冷却的短时间的先后进行，并且因而将可能浪费能源。通过所述新型控制装置所实现的持续振荡的减少在此就非常利于促进能耗的减少。

在本发明的一种尤其有利的设计方案中，第一阈值被设定为与死区的极限值一致，死区元件在超过第一阈值时即能自动禁用。由此，就不用在控制装置开始运行时输入额外的参数，并且进而也减少了开始运行的投入。在这里要说明的是，“死区极限值”与“死区宽度”两个概念经常被用作同义词，因为要借助控制偏差的量来评估控制偏差是否在死区内。

在另一种有利的设计方案中，第二阈值被选定为等于所调节的死区宽度的0.15倍，所述死区元件在低于第二阈值时会重新进入激活状态。因此，可依据所调节的死区宽度来自动实现该参数的计算，使得为此也不需要由用户再单独进行输入。实践已表明，在死区宽度的0.1至0.2倍之间的值会在稳定的精度以及减少调节干预方面提供极好的效果。

在控制偏差已经低于第二阈值之后，可以有利地再等待一段特定的时间，并且然后重新通过控制偏差来检验是否符合该极限值，以便确保该过程在死区元件重新激活时已经在工作点上实现稳定。因此就有利地实现了，使控制值的实际值几乎稳定在死区的中心。并且，也提高了发生下述情况的可能，即：无需其他的调节干预而使实际值长时间保持在死区内。

为了在控制值波动时使控制值的平均值尽可能接近额定值，可额外考虑到调节值在控制装置中的变化过程。为此，在死区元件重新激活后输出一个调节值，其与在一个时间窗口（Zeitfenster）内在死区元件的禁用状态中所输出的调节值的平均值一致（entspricht）。如果低于第二阈值且重新激活死区元件，那么，就不使用由控制器为接下来的保持在死区期间的时间而实时计算出的调节值，而使用在稳定状态中所输出的调节值的平均值。因为调节值在之前死区元件被禁用的运行中典型地会进行小的工作运动，因此，与在稳定状态中所输出的调节值的平均值相比，在转变为激活状态时曾随机被选出的、调节值的瞬时值也就一般来说更不适合用来保持控制值接近额定值。因此，与在死区的边缘处相比较而言，所述控制值在死区的中心的稳定的实现则更加有利。由此避免了控制值的平均值与额定值之间的不必要的偏移，并且进而避免了较差的稳定的控制质量。

如果所述控制装置配有用于所谓的控制性能检测（ControlPerformance Monitoring CPM）的监测模块，其例如被应用于过程控制系统PCS7中，那么，可从在监测模块中所计算出的特征值中推导出所述新型控制装置的各个不同的参数。其优点在于，能够特别简单且可靠地算出上述参数，因为可参考监测模块的已通过实验确定了的部分。因此，为了测得死区宽度，可考虑到控制值在工作点中的标准偏差。此外，在所述监测模块中使用弹性时间窗口，其可用作稳定过程的持续时间、即在死区被重新激活前需要等待的时间的基准点。此外，在已知的监测模块CPM中计算出弹性时间窗口内调节值的平均值，其可被接受作为在死区元件重新激活时的调节值的值。为了得出该调节值，将控制器切换到具有该调节值的随动运行（Nachführbetrieb）中以用于一个扫描周期，接着使用了在过程控制系统PCS7的控制器中已知的无障碍的手动/自动切换。

用于控制一种过程且可利用上述控制装置实施的方法，优选以软件或者软件/硬件结合的方式实现，因此，本发明也涉及一种具有可通过计算机执行的、用于实施该方法的程序编码指令的计算机程序。有鉴于此，本发明还涉及一种计算机程序产品、尤其是数据载体或存储介质，具有这种可由计算机执行的计算机程序。这种计算机程序优选是一个自动化设备的组成部分，控制装置可通过该组成部分实现控制；或者被保存在自动化设备的存储器内或者可被下载到该存储器内，使得当自动化设备运行时，会自动执行所述用于控制该过程的方法。

附图说明

下面借助其中示出了本发明的实施例的附图进一步阐述本发明以及其设计方案与优点。

其中：

图1示出控制电路的框图；

图2示出死区元件的传输性能；

图3示出具有死区元件的状态转换的流程图；

图4至7示出用于说明控制特性的时间图。

具体实施方式

图1示出了具有不同的功能块的框图，由所述功能块可构建控制装置1，该控制装置借助调节元件3作用于过程2。调节元件3例如可以是阀门，过程2可以是管线，在其上应该按照额定值w来调节作为控制值x的质量流量。干扰z给额定值w的准确调节增加了难度，其中，该干扰例如可能是管线2中的压力波动。在控制装置1中，将作为额定值w与控制值x的值之间的差异所计算出的控制偏差e输送给死区元件4和操控装置5。死区元件4能通过操控装置5自动地激活以及禁用。在禁用状态下，死区元件4的输出值e1与所述控制偏差e一致。然而，在激活状态中，以一种根据如图2的传输性能进行修正的形式输出控制偏差e作为在后连接的控制器6、例如产生用于调节元件3的调节值u的PID控制器上的初始值e1。在操控装置5中集成一个监测模块，该模块像已知的控制性能检测那样用于确定控制特性的各个不同的特征值。依照所述参数自动地或者通过以手动输入系数进行修正来得到控制装置的各个不同的参数：第一阈值，死区元件4在超过该阈值时能自动通过操控装置5禁用；第二阈值，死区元件4在低于该阈值时能自动重新激活；死区元件4的死区的宽度D（图2）；当控制偏差e在死区元件4处于禁用状态的情况下首次低于第二阈值之后，随着死区元件4的重新激活而需要等待的时长；以及时间窗口的宽度，在该时间窗口期间，将调节值u的平均值考虑用于确定调节值u的、在死区元件4重新激活时需通过控制器6输出的值。例如可通过一个新的控制器功能模块来实现控制装置1，基于过程控制系统PCS7中的已知的PID控制器或者已知的模型预测控制器，基本上通过扩展新的操控装置5来实现所述模块。

下面依照图3，借助一个流程图来进一步说明用于过程控制的新方法。在所示实施例中，所述方法以步骤S01开始，其中，死区元件进入激活状态中。（当然在另一种实施例中，也可在当前实施例中在后面才进行的死区元件的禁用之前进入该流程）。在死区元件已被激活后，在询问步骤S02中检验控制偏差e是否超过第一阈值s1。只要未超过阈值s1，则死区元件就保持在激活状态中。以“n”标记该分支。反之，如果控制偏差e的量超过了死区，那么相应地就以“j”来标记该分支以转入步骤S03，并且所述死区元件转为禁用状态。在禁用状态中-如同在控制器6之前没有连接任何死区元件4（图1）那样-向控制器输入端输出未经过修正的控制偏差e，以便实现更好的稳定特性，并达到更好的稳定的精度。当控制值重新被回置到非常接近额定值并且控制偏差e由此低于第二阈值s2时，通过询问步骤S04来对这种情况予以确认并转到S05步骤，在该步骤中等待一段特定的时间，该时间与控制电路的稳定过程的持续时间一致。在随后的询问步骤S06中重新检验，控制偏差e是否小于第二阈值s2，也就是说该过程是否已稳定在工作点上。如果是这种情况，那么就重新跳回流程的开始并且在步骤S01中重新激活死区元件。如果所述过程尚未稳定，则转到步骤S05并且等待稳定过程的结束。

首先借助图4至图6中的时间图来说明各种不同措施的有利作用。这些图示出了不同的模拟结果，用于温度控制区段，该温度控制区段具有过程模型

$g\left(s\right)=\frac{3}{(15s+1)(2s+1)}$

以及一个带有的参数为Gain=5、TI=7、TD=2的PID控制器。标准偏差为0.5°的有色噪声信号作用于控制值的实际值，该有色噪声信号由白色噪声中借助以下传输性能的形状过滤器（Formfilter）

$f\left(s\right)=\frac{10}{100s+1}$

来产生。死区元件的死区的所选择的宽度较大为D=5℃，以便能够清楚地看到所描述的效果。图中的横坐标为各个时间，其纵坐标上是以℃为单位的温度T。在图4至图6中标出了额定值的曲线41，51或61，控制值的实际值的曲线42，52或62以及调节值的曲线43，53或63。所模拟的实际值跳跃在温度70℃至150℃之间运动。调节值的曲线43、53或63直接在额定值跳跃后短时间内达到预定的调节值极限。

图4示出了模拟的结果，其中，死区元件始终未激活，即无死区的控制。通过装置内的实际值很好地实现了额定值，然而，由于干扰而需要大量调节干预，这可以从调节值的曲线43的明显偏转中看出。即便在稳定状态中，调节元件也会由于持续的调节元件运动而要消耗很多运行能量。此外，调节元件的磨损量也由于持续的调节干预而很高。

反之，图5中所示的包含恒定的死区的控制系统、即其中的死区元件持续转为激活状态的控制装置的模拟结果表明，即便在稳定状态中，额定值与实际值之间仍然存在偏差，但调节值自一个特定状态起不再发生任何改变，与所述特定状态符合的情况是：控制偏差在稳定过程后进入死区。与如根据图4所述的无死区的控制相比，稳定过程本身的持续时间大致更长。因此，调节值保持在稳定状态中，但导向特性较差，并且控制值的实际值甚至在死区的边缘波动，而不会达到额定值。

现在，如图6中所示的模拟结果那样，在额定值跳跃的过程中禁用死区元件，那么控制值的实际值会很快随着额定值的曲线变化并且正好与其完全一致，并且在稳定状态中实际上就不再需要调节干预。因此，调节元件的能耗与磨损也就明显更少。从图6中可以清楚地看出，所述控制表现出良好的导向特性，并且控制值的实际值在稳定状态中被调节为接近额定值。

图4至图6清楚表明了，新型控制装置不仅融合了无死区元件的控制装置的优点，同时也融合了具有持续激活的死区元件的控制装置的优点，而没有附带其负面影响。

新型控制装置在实际的设备模型上利用PID控制器以及模型预测控制器也同样试验成功。其中，PID流量控制器的死区为30l/h、工作点为1200l/h，并且在具有3x3结构的多通道模型预测控制器的第一通道上使用相对于100%的总液面高度而言为3%的死区，所述多通道模型预测控制器用于控制反应器-液面高度以及两个流入口。图7中的横坐标为时间，其纵坐标是以l/h为单位的流量。额定值的曲线71在接近开始该接收时间段时表现出一个向上200l/h的跳跃，并且大致在中间又表现出一个同样高的向下的跳跃。另外还示出了用于控制值或者说调节值的实际值的曲线72和73。连接在流量控制器之前的死区元件在第二个向下的额定值跳跃之前的短时间内暂时禁用。当死区元件在第一个向上的额定值跳跃中处于激活状态时，会表现出蠕变的导向特性并且表现出一个在稳定过程后留下的、明显可见的控制偏差。通过死区元件在向下跳跃时的暂时禁用，改进了导向特性并且减少了所存在的控制偏差。因此，在实际设备中的可靠性验证中也证实了，通过死区元件的暂时禁用，会在减少调节干预的同时明显改进控制质量。

Claims (9)

1.一种用于过程的控制装置，在所述控制装置中，将死区元件（4）连接在线性动态控制器（6）之前，以减少在控制的稳定状态中的调节干预，其特征在于，设置有装置（5），如果控制电路的控制偏差（e）超过预定的或能预定的第一阈值（s1），则所述死区元件（4）能通过所述装置自动禁用，其中，在禁用状态中，通过所述死区元件（4）的控制偏差（e1）不受所调节的死区的影响，并且，如果所述控制偏差（e）低于预定的或能预定的、比所述第一阈值（s1）更小的第二阈值（s2），则所述死区元件（4）能通过所述装置自动重新激活。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述第一阈值（s1）等于所调节的死区宽度（D）。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述第二阈值（s2）等于所述所调节的死区宽度（D）的0.1倍至0.2倍。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置（1）进一步这样设计，即，在所述死区元件（4）的所述禁用状态中在所述控制偏差（e）超过所述第二阈值（s2）之后，则要等待一段预定的或能预定的时长，并且，只有当所述控制偏差（e）小于所述第二阈值（s2）时，所述死区元件（4）然后才能自动重新激活。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置（1）还设计用于，在所述死区元件（4）重新激活后输出调节值（u），所述调节值与在一个时间窗口内最后在所述死区元件（4）的所述禁用状态中所输出的调节值的平均值一致。

6.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置（1）具有监测模块，用于确定用于控制特性的多个特征值，并且，借助至少一个所述特征值来预先确定所述控制装置（1）的至少一个参数，

其中，依据由所述监测模块计算出的、控制值（x）的标准偏差来预先确定所述死区宽度（D）作为参数，和/或其中，依据在所述监测模块中所调节的、用于表征稳定过程的持续时间的时间窗口来预先确定所述时长，在所述时长后，所述死区元件（4）在超过所述第二阈值（s2）时能重新激活，和/或

其中，在所述时间窗口内最后在所述死区元件（4）的所述禁用状态中所输出的所述调节值（u）的平均值与在所述监测模块中所计算出的、所述调节值（u）的平均值一致。

7.一种用于控制过程（2）的方法，在所述方法中，将死区元件（4）连接在线性动态控制器（6）之前，以减少在控制的稳定状态中的调节干预，其特征在于，如果控制电路的控制偏差（e）超过预定的或能预定的第一阈值（s1），则所述死区元件（4）能自动禁用，其中，在禁用状态中，通过所述死区元件（4）的控制偏差（e1）不受所调节的死区（D）的影响，并且，如果所述控制偏差（e）低于预定的或能预定的、比所述第一阈值（s1）更小的第二阈值（s2），则所述死区元件（4）能自动重新激活。

8.一种计算机程序，具有用于实施根据权利要求7所述的方法的程序编码指令，当在计算机上执行所述计算机程序时，能通过计算机执行所述程序编码指令。

9.一种计算机程序产品、尤其是数据载体或存储介质，具有根据权利要求8所述的、能通过计算机执行的计算机程序。

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