CN103048994B

CN103048994B - 用于过程控制的设备及方法

Info

Publication number: CN103048994B
Application number: CN201210390994.3A
Authority: CN
Inventors: 克劳斯·贝克
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: DE102011115896A1; DE102011115896B4; US20130103209A1; US9720423B2; CN103048994A

Abstract

本发明涉及采用调节装置、位置传感器、过程阀、过程传感器和调整级对过程进行控制或调节的方法与设备。遍历过程阀的n个位置，获得相应的实际位置（POS）和与每个实际位置（POS）对应的过程实测值（PV），以获得由实际位置与过程实测值组成的数值对（POS/PV）。基于确定的数值对（POS/PV）确定校正值，并基于校正值计算校正后的位置预定值（CMD*）以补偿所述过程的非线性，以此实现总体的线性响应。

Description

用于过程控制的设备及方法

技术领域

本发明涉及用于过程控制的设备及其方法。

背景技术

基于微控器技术的测量仪、控制仪、控制器等都在工艺流程自动化中得到运用。鉴于经济上的考虑，除了常规的基本功能之外，最佳的自动化过程调整具有越来越重要的意义。一种广泛用于工业过程的控制器是：借助过程阀（processvalve）以及调节阀来持续作用于液流的电控气动位置控制器。这个控制器通常级联集成在上级过程自动控制环中，并用作下级辅助控制器。上级过程控制器控制着下级位置控制器，下级位置控制器再借助调节阀作用于需控制的过程。利用过程传感器获得过程实测值，从而闭合上级过程自动调节控制环。在需控制的过程中，由于各种原因会经常呈现出非线性的工作特性曲线，其在采用线性的呈比例积分微分控制器的大多数情况下会降低调节性能（控制性能）。通过借助校正曲线实现的工作特性曲线线性化，能实现改善。由于校正曲线是固定的，提供预先规定的（恒定的百分比1:25，1:50，…）或参数化的特性曲线形式的模型。后者实行手动录入数值对。然而，已知方法的不足是，线性化仅松散地基于给定的特性曲线，或如有必要，成本过高地手动求得不闭合的校正曲线。这也由于线性化不完善或不足够而导致调节效果下降。此外，当在自动控制环中使用了错误尺寸的过程阀时，过程自动控制环在线性化过程中只能大致地实现优化，不可能达到最理想的效果。

发明内容

因此，本发明的目标是提供用于过程控制的设备和方法，它能够补偿非线性的不足。

根据本发明的一方面，提供了使用调节设备、位置传感器、过程阀、过程传感器及调整级对过程进行控制及调整的方法。

在下文中将进一步详细描述用于过程调整的本发明方法。另外，该方法包括过程控制器和位置控制器，且它们能够连接在一起。

过程控制器能持续输出位置控制器的位置预定值，这个位置预定值与过程阀的位置有关。在这里，位置预定值在一定范围内，该范围与阀门完全打开及完全闭合之间的阀门位置对应。适当的传感器（例如，位置传感器）随后能够捕捉并输出过程阀的实际位置。过程传感器检测获得过程实测值PV，其可返回到过程控制器。过程传感器可例如为100Pt温度传感器，其输出信号被直接馈送到过程控制器。或者，过程传感器还能包括传送器，该传送器再把经变换的或标准化的传感器信号传输到过程控制器。典型的过程传感器可测量媒介的物理量，如流量、压力、温度、PH值及传导性。借助过程阀的实际位置以及过程实测值，随后能够确定校正后的位置预定值，借助预定值可将过程线性化。由于大多数过程阀位置与过程实测值之间的非线性关联，将借助本发明的方法，调节过程控制器产生的位置预定值将其变为校正过的位置预定值。由此使得每个过程线性化。

在这里，首先将位置自动控制环、过程及过程阀与调整级连接，其中，中断上级过程自动控制环。调整级向位置控制器自动输出n个位置预定值。n个位置预定值覆盖过程阀完全闭合到完全打开的位置范围。然后借助过程传感器，可检测到与每个实际位置相关的过程实测值，从而可获得实际位置与过程实测值的n个数值对。n个数值对提供给过程控制器。

调整级也可以被设计成使得基于实际位置与过程实测值的n个数值对，计算出完整的校正曲线。

在确定n个数值对后，通过用于过程控制环的过程控制器闭合位置自动控制环、过程和过程传感器。基于所确定的由实际位置与过程实测值组成的数值对，在过程控制器或调整级中确定校正值（校正曲线），使得借助校正数值可在过程控制器上直接计算出校正后的位置预定值。随后，校正后的位置预定值有助于补偿所述过程的非线性，以实现总体过程的线性。与传统的过程自动控制环（或称调节环）不同，本发明的自动控制环的所有非线性校正是自动的，快速且直接在过程控制器上进行。从而提高总的调节性能。在改变过程或更换或替换过程自动调节环的元件时，可重新进行校正。

在本发明中，对于过程控制，位置控制器是位置自动控制环路的组成元件。这包括了位置控制器（或称定位器）、调节系统、过程阀（例如比例阀）以及位置传感器，它们作为位置自动控制环设置在封闭的回路中。例如，通过位置传感器，检测出过程阀的气动驱动的当前位置（即，实际位置）。位置控制器将对实际位置与规定的作为标准信号的位置预定值进行比较。如果出现偏差，通过调节系统上传动装置的充气或换气改变其驱动来补偿。采用这种方式，可以将传动装置（致动器）的位置偏差变为零。此后将位置自动控制环还可集成于过程自动控制环中，并成为下级辅助自动控制环。这产生了所谓的级联调节（控制）。过程自动控制环包括如过程控制器、位置自动控制环、过程，其过程变量以及过程参数在借助过程传感器的情况下可返回到过程控制器。如果过程变量与过程预定值间存在偏差，要在过程自动控制环路中进行补偿。在这种情况下，过程自动控制环相当于主自动控制环。例如，过程自动控制环中的过程控制器具有比例积分微分（PID）功能（比例积分微分控制器，带积分和减法的比例控制器）。将过程预定值给出作为参考值。通过使用传感器（实际可能是传送器），获得过程实测值。过程控制器将过程实测值与由其规定的预定值进行对比。如果出现偏差，则改变用于位置控制器的位置预定值，使得调节体系上的过程阀传动装置被设置到实现自动控制环中的偏差为零的理想状态。

有利地，根据本发明的一方面，在所确定的实际位置与过程实测值的数值对基础上确定校正的位置预定值时，很快确定完整的校正曲线。本领域技术人员熟悉的各种算法也可用于线性化。根据本发明的一方面，将确定的实际位置与过程实测值的数值对转换成对应的校正曲线，以使得该校正曲线与过程特性曲线的结合会得到线性总体行为。因此，鉴于要达到最佳线性化的效果，可以校正所有的位置预定值，这有助于优化调节效果。

另外，根据本发明，对获得的实际位置与过程实测值数值对（POS/PV）和/或因此得出的校正曲线进行分析。例如，检查校正后的位置预定值与未校正的位置预定值或过程实测值的最大值和/或最小值的比值，看是否处于在规定的范围内。这可以用来评估过程阀的特性。在此，要特别注意考虑过程阀的尺寸，如流量系数及控制特性。例如，通过变化过程阀中的节流阀壳体几何结构，可以影响控制性能。对自动确定的校正曲线的分析及评估结果可以报告给用户，以避免及排除在设计过程自动控制环的尺寸时出现错误。

本发明还提出一种用于过程控制的设备，例如带有集成过程控制器与位置控制器的过程控制设备。进一步地，设置有调节系统及位置传感器。过程控制器在正常运转中接收过程预定值，且利用过程传感器获得过程实测值，同时过程实测值大小与阀门位置相关。通过过程预定值与过程实测值，过程控制器可算出位置预定值，并被输出至位置控制器。除此之外，位置控制器还接收由位置传感器输出的实际位置，而位置传感器与过程阀连接。通过所确定的位置预定值与实际位置，位置控制器可算出控制值，它会传送到调节系统中，而调节系统连接到过程阀上。由于位置预定值与实际位置间存在偏差，相应地需要在调节系统中对过程阀充气或放气以进行补偿。

该设备还包括调整级，借助实际位置与过程实测值的数值对，调整级可以确定校正值用于形成经校正的位置预定值，以实现每个过程的线性化。

此外，调整级还被设置成输出位置预定值，该预定值与过程阀的实际位置相对应。特别地，实际位置要达到过程阀在运转状态下的关闭位置到打开位置。

有利地，设置有切换装置，使得既可向位置控制器输出调整级的位置预定值，又能输出过程控制器校正后的位置预定值。

校正后的位置预定值随后由过程控制器输出。换言之，对所述过程的非线性化的校正在过程控制器里或间接其上进行。可以储存校正曲线（校正值），利用该校正曲线可以计算出每个位置预定值对应的校正后位置预定值。一旦储存校正曲线，在变更时可通过调整级再次进行调节，使得该曲线适应系统（改变过程或自动控制环（辅助自动控制环或自动控制总环路）的元件）。各种过程自动控制环可以根据本发明而独立地或在系统参数变化的激励下定制，以获得针对每个自动控制环的校正曲线，以通过通过线性化来优化调节性能。当出现阀门尺寸错误或其他错误时，能够做到同步反馈。

本发明的方法当然也可以自由地用类似的方式用于过程控制，而无需考虑过程控制器。同样地，该方法可在不使用位置控制器的情况下求出校正曲线。在此，首先需要控制时间的是运转状态下过程阀的n个位置，它随后由位置传感器检测出。对应过程阀的每个位置，借助过程传感器求出过程实测值，且由实际位置（POS）与过程实测值(PV)求得n个数值对并传输到调整级。其他步骤与如上文关于控制情形的描述一致。

附图说明

下面参照附图并借助于下文中对本发明优选结构示图的说明，可以清晰地理解本发明的其他特性及优势。

图1示出根据现有技术的过程自动控制环的示意图。

图2示出根据现有技术的位置自动控制环的简化示意图。

图3示出根据本发明一方面的具有集成的位置自动控制环的过程自动控制环。

图4示出关于校正曲线分析结果的示意图。

图5示出根据本发明一方面的优化的过程自动控制环的简化示图，以及

图6是本发明实施例的结构示图。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的过程自动控制环1的结构简图。该过程自动控制环包括过程控制器2、位置自动控制环3、过程4和过程传感器5。过程预定值由级6规定。过程变量PV从所述过程得到并对应于过程实测值。过程预定值SP与过程实测值PV间的偏差为偏差Xd2。偏差Xd2被输入至过程控制器2中，该过程控制器2将基于其的位置预定值CMD输出至位置自动控制环3中。利用打开阀门，位置自动控制环作用于过程4并进而影响过程实测值PV。当前的过程实测值PV由过程4得出且由过程传感器5检测到，并可回到过程控制器2的输入端。过程传感器可以将信号直接传送到过程控制器2中或通过传动装置直接转送信号。在这个结构示图中，过程自动控制环1（即自动控制总环路）里面的过程控制器2具有比例积分微分功能。可以通过自动控制环路降低总偏差Xd2。Z2代表干扰。

图2示出根据现有技术的位置自动控制环3，其也可以用于本发明中。位置自动控制环3是辅助自动控制环，如图1所示用于过程自动控制环1中。位置自动控制环3包括位置控制器7，其能够例如作为特定过程阀的控制系统。位置控制器7输出控制信号SC用于驱动过程阀8。因此，这会致使过程阀8出现一定程度的阀门打开。借助位置传感器9可以确定过程阀8驱动的实际位置POS。将这个实际位置POS与由过程控制器2从外部规定的位置预定值CMD进行比较。由此确定偏差Xd1，它又由位置控制器7变换成相应的控制信号SC发给过程阀8。

根据本发明一方面，也是用过程自动控制环1与位置自动控制环3的级联配置。

图3示出本发明结构的简化框图。过程自动控制环还包括过程控制器20，该过程控制器20可根据本发明的构思而修改或替换。另外，在过程自动控制环中设置位置自动控制环3作为辅助自动控制环，辅助自动控制环3与过程4耦合。借助过程传感器10可检测过程4的过程实测值PV。实测值PV返回到过程控制器20，在这里将过程实测值PV与过程预定值SP进行比较，并确定偏差Xd2。

但是，根据本发明的一方面，另外设置有切换装置SW，其能够将位置自动控制环3及位置控制器7与过程控制器20隔开。因此，该切换装置在开关位置1a与2a之间切换。在开关位置1a上，过程自动控制环闭合，并且利用校正后的位置预定值CMD*进行过程控制。在开关位置2a上，借助调整级11进行过程调节。调整级11代替过程控制器20，向位置自动控制环上输出n个位置预定值CMD。这个过程可在设置及建立过程自动控制环的开始时或之后进行。这个过程也可以按周期性间隔进行重复。由调整级11输出的n个位置预定值CMD在此过程中于处于过程阀8的打开位置到其关闭位置之间的范围内。针对从调整级11中输出的n个位置预定值CMD中的每个，借助过程传感器10检测在过程4中记录的过程变量以及过程实测值PV。由实际位置POS及与其相关的过程实测值PV组成n个数值对（POS/PV）。调整级11还用于从n个数值对（POS/PV）计算出校正值，由其能够计算出校正的位置预定值CMD*。这些校正值的简单抽象表示是校正后的位置预定值CMD*与未校正的位置预定值CMD的比值，即CMD*/CMD。在过程控制器20中将位置预定值CMD乘以这个比值CMD*/CMD,就能得出校正后的位置预定值CMD*。

调整级11能够用于基于数值对CMD,PV确定完整的校正曲线，它能补偿过程4的非线性，包括所有其他非线性效应（位置自动控制环、过程阀、位置传感器、过程传感器信号等）。当计算整个校正曲线时，调整级11向过程控制器20输出参数集KOR，即由检测到的数值对计算得出的校正值。或者，调整级11还能输出信号KOR。为此，调整级11需接收位置预定值CMD。这在图3中由额外的虚线标示出。校正曲线能以参数的形式体现。现在根据校正曲线来调节过程控制器20，使得生成新的位置预定值CMD*。根据本实施例，设置有校正级12，其在常规过程控制器2的下游。校正值（如，CMD*/CMD）及整个的校正曲线和/或其参数存储在校正级12中。未经校正的位置预定值CMD在校正级12中转化为校正后的位置预定值CMD*。这样，使得总的过程控制线性化。在此，位置预定值的校正及线性化直接在过程控制器中进行或其附近进行。

一旦借助调整级11结束调节过程，就将过程控制器20再次与位置自动控制环3耦合（开关位置1a），以使得用于正常操作的过程自动控制环再次闭合，而现在是以校正后的位置预定值CMD*操作。

调整级还用于针对特定标准而对检测获得的过程实测值PV、作为数值对的相关实际位置POS、或校正值KOR组合或关于彼此进行检查（分析），并推导出过程阀8是否拥有正确的尺度。一旦在分析的过程中发现错误，会在输出21上报告。该输出21可以是数据总线或显示器。如果特定实际位置的过程实测值超过了规定的标准范围，可判断出现错误。同时可以检验最小值和最大值。还可以利用校正值KOR，及校正曲线或推导出的参数进行分析判断。

在图4所示的图示中，校正后的位置预定值CMD*被表示为能够形成相应反馈的不同情形下未校正位置预定值CMD的函数。位置预定值CMD由调整级输出，以启动过程阀处于关闭（数值为0.00）状态再到打开（数值为1.00）状态。借助于确定的实际位置POS及过程实测值PV，可自动确定校正后的位置预定值CMD*。这个图示出三个校正曲线KL1，KL2和KL3。KL1是特性曲线的最佳状态。在这种状况下的过程已经完全通过机械元件（进一步地说，即是所谓的控制器）实现线性化，因此无需其他的线性化。校正曲线KL2涉及的情况是，针对从位置预定值CMD0.00到位置预定值CMD0.50（过程阀的0到50%打开度），所有校正后的位置预定值CMD*都小于阈值，其在此例如为0.1（10%）。在这个例子中，随后会自动输出反馈。这个反馈可能是过程阀尺寸过大，和/或使用了同百分比的控制器（即替换/修改过程阀）。校正曲线KL3涉及的是另外一个故障状况。在这条校正曲线中，对于CMD为0.50到1.00的期望位置，所有校正过的位置预定值CMD*超过阈值，其在此例如为80%。这个比例同样也是出现错误尺寸时可自动识别的标志。反馈指出过程阀尺寸测量过小，或采用了线性化的控制器（即替换/修改过程阀）。

在图5中示出了根据本发明前述方面的行为。其中，过程自动控制环1完全线性化。其包括常规的过程控制器2且具有完全线性化的行为，这个行为包括位置自动控制环3、过程和所有其他图3中的设备。这将在步骤13中进行图示说明。

图片6是本发明实施例的概要简化图示。示出了根据本发明不同方面的用于对过程进行控制的装置14。在这个装置中包括过程控制器，其包括过程控制器20与位置控制器7。除此之外，还图示出过程阀8，在这里，其在该状况下仅以示例方式包括带有单次动作致动器的连续阀。过程阀调节液流FL，可通过传感器15检测该液流的参数（如流速）。这随后是过程实测值PV。依照本发明实施例的装置14包括位置控制器7和可选择的过程控制器20及位置传感器9，调节系统16及调整级11。位置控制器7、调节系统16及位置传感器9与过程阀8共同组成了位置自动控制环。这个调节系统可以包含用于驱动过程阀8的充气阀和排气阀31、32。其将位置控制器的输出转换成过程阀8的适当控制变量，在调整参数范围内改变输出口的大小。在这种情况下涉及气动驱动。当然，其他形式的驱动也在考虑的范围内。位置传感器9可以在装置14的外部。正如上文所阐述的一样，位置自动控制环3及位置控制器7获得过程控制器20的位置预定值CMD，或者获得调整级11的CMD值。在根据本发明规定的调节过程中，借助于过程控制器20的开关SW调节位置控制器7的输入，后续切回至调整级11，以获得调整级11的位置预定值CMD。开关有三档，即位置1a、2a、3a。在位置2a，调整级11连接到位置控制器7。在遍历调整级11的n个位置预定值的特定值范围时，可同时借助过程阀8的传感器15以及过程4的传感器（图中未示出）获得并存储过程实测值PV，并形成和存储实际位置和过程实测值的数值对（POS,PV）。相应地在装置中设置储存器，其在此未特别描述。随后可由n个数值对POS/PV在调整级11中确定整个校正曲线，并在调节过程结束后保存，使得过程控制器20能够因此在正常运转状态下校正位置参考值，以实现总体线性化行为。在此开关SW处于位置1a。通过这种方式，本发明装置14可自动自主地适应系统的每个过程非线性化与所有其他的非线性化情况，并对此进行校正。

另外，开关SW还可在位置3a上。在这个位置上，可以从位置控制器外部提供位置预定值。通过这种方式，可在装置14外部进行调节以及校正数值的计算。校正数值以及校正曲线或参数随后能从外部传递给过程控制器。

此外，调整级11被构造用于分析所测得的实际位置POS及过程实测值PV的数值对，并例如获得如参考图4所述的过程阀的错误尺度。为此，可以在特定的实际位置POS或校正后的位置预定值CMD*分析过程实测值PV。如有必要，可以在显示器21上向用户输出（或在数据总线上向上级处理级或用户输出）错误尺寸或其他错误，以便消除此类瑕疵。

Claims

1.一种用于使用控制设备、位置传感器、过程阀、过程传感器和调整级对过程进行控制的方法，包括步骤：调节到所述过程阀的n个位置；检测与每个位置相关的n个实际位置(POS)和对应于实际位置的过程实测值(PV)，从而获得由实际位置与过程实测值组成的数值对(POS/PV)；基于确定的数值对(POS/PV)确定校正值；基于校正值计算校正后的位置预定值(CMD*)以补偿所述过程的非线性，使得实现总体的线性响应，其中，所述方法还包括：在从所述过程阀的关闭位置到打开位置的范围内，输出所述调整级的n个位置预定值(CMD)，其中，所述方法还包括：分析所述实际位置(POS)、位置预定值(CMD)、校正后的位置预定值(CMD*)和/或对应的过程实测值(PV)，以评估所述过程阀的不同尺度状况，并输出该评估的结果。

2.一种用于对过程进行控制的设备，该设备包括调节装置、位置传感器、过程阀、过程传感器及调整级，其遍历所述过程阀的n个位置并检测相应的实际位置，且检测对应每个实际位置(POS)的过程实测值(PV)，以获得由实际位置(POS)与过程实测值组成的数值对(POS/PV)，基于确定的所述数值对(POS/PV)计算校正值(POS)，并且使用所述校正值来确定校正后的位置预定值(CMD*)以补偿所述过程的非线性，使得实现总体的线性响应，其中，所述设备还被布置用于使得从所述调整级输出n个位置预定值(CMD)，以遍历所述过程阀的n个调节位置，其中，所述设备还被配置为：分析所述实际位置(POS)、位置预定值(CMD)、校正后的位置预定值(CMD*)和/或对应的过程实测值(PV)，以评估所述过程阀的不同尺度状况，并输出该评估的结果。

3.根据权利要求2所述的设备，包括过程控制器和位置控制器。

4.根据权利要求3所述的设备，所述过程控制器和位置控制器组合成过程控制器。

5.根据权利要求3所述的设备，还包括切换装置，用于向位置控制器输出所述调整级的位置预定值(CMD)或所述过程控制器输出的校正后的位置预定值(CMD*)。

6.根据权利要求3所述的设备，其被布置成从所述过程控制器输出校正后的位置预定值(CMD*)。