CN104781737A - 一种过程控制方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种过程控制方法、装置和系统。该系统包括：无线传感器，用于根据采样频率采集生产过程的过程参数，根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正值，并根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值发送到控制器，其中所述采样频率高于传输频率；控制器，用于根据无线传感器所发送的过程参数计算控制变量初始值，并根据控制变量初始值和无线传感器所发送的控制量修正值获取控制变量值，并利用所述控制变量值控制所述生产过程。应用本发明实施方式之后，在无线传感器能量消耗与控制器的控制性能之间实现了良好折衷，一方面可以采用较慢的传输频率以降低无线传感器能量消耗，另一方面充分利用无线传感器数据传输过程之间所采集的多个测量值来提高控制器的控制性能。

Description

一种过程控制方法、 装置和系统 技术领域

本发明涉及控制技术领域， 特别是涉及一种过程控制方法、 装置和系统。 背景技术

近年来， 无线技术以其独有的优越性， 越来越受到过程控制领域的重视。 工 过程控制 系统是控制領域的一个重要组成部分， 其现场信号离散性高、 系统延^大等特点非常适合与 无线技术相结合。 在工业自动化和建筑自动化等领域中， 无线传感器在过程控制中的应用已 经逐渐发展为行业趋势。 随着许多公司大量开发出适于无线 HART和 ISA-100标准的无线过 程工具， 这种趋势得以进一步展示。

在过程控制中使用无线传感器的优势对于本领域是显而易见的。 比如， 快速安装、 节省 布线成本 （至多可到每英尺线节省 40美元）， 等。 而且， 制药处理、 石油化工处理、 藻类养 殖处理以及室内温度控制等应用环境， 都是无线传感器在过程控制中的示范性应用。

无线传感器通常由服务寿命有限的电池提供电力。 取决于传感器的操作状况， 电池寿命 通常为几个月或许多年。 无线传感器与过程控制系统之间的通信过程耗费了大部分的电力。 因此， 采用更长的通信间隔可以最大化电池服务寿命， 并减低传感器维修和保养工作。 在由 电池提供电力的西门子无线温度发射器 （SITRANS TF280无线 HART) 中， 传输率可以从 8 秒到 255秒之间调节， 出厂设置为 60秒。

然而， 更长的传输间隔使得控制环不优化而且容易振荡。 当从有线传感器切换到无线传 感器， 或改变传输间隔时， 已经良好调节的 PI控制器可能需要被重新调节。

图 1为根据现有技术两个无线传输间隔的控制性能对比示意图。 参照图 1， 在图 1 中分 别针对两个无线传输间隔的控制性能进行了比较。 对于 100秒处的设定值变化， 相同 PI控制 器的控制参数（process variable)输出如虚线所示。 如果传输间隔为 2秒， 该过程呈现良好的 控制性能 （曲线 1 )。 如果用户尝试将传输间隔增加到 20秒以改善电池服务寿命 （曲线 2)， 随着发生大过冲以及过渡时间变长， 控制性能将变坏。

大部分无线传感器的工作流程包括： 给出测量值、 将测量值发送到控制系统， 进入休眠 模式以节约能量。 在现有技术中， 可以在无线传感器的数据传输过程之间获取多个测量值以 改进过程控制鲁棒性， 但是并不能有效利用这些数据来改进控制性能。 比如， 即使现有技术 中会向控制系统发送过程变量的平均值， 但是无线传感器的传输过程之间的多次测量值却没 有得到有效利用。 发明内容

本发明实施方式提出一种过程控制系统， 以改进控制性能。

本发明实施方式提出一种过程控制方法， 以改进控制性能。

本发明实施方式提出一种无线传感器， 以改进控制性能。

本发明实施方式提出一种控制器， 以改进控制性能。

本发明实施方式的技术方案包括：

一种过程控制系统， 包括无线传感器和控制器， 其中：

无线传感器， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采 集的过程参数获取控制量修正值， 并根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量 修正值发送到控制器， 其中所述采样频率高于传输频率；

控制器， 用于根据无线传感器所发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根据控制变量 初始值和无线传感器所发送的控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制所 述生产过程。

无线传感器， 用于根据传输频率将传输时刻时所采集的过程参数以及计算出的控制量修 正值发送到控制器， 或根据传输频率将数据传输周期内所采集的过程参数平均值以及计算出 的控制量修正值发送到控制器。

无线传感器， 用于将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期 所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

一种过程控制系统， 包括无线传感器和控制器， 其中：

无线传感器， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 并根据传输频率将所采集的 过程参数发送到控制器， 其中所述采样频率高于传输频率；

控制器， 用于根据无线传感器在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正值， 根据无线传感器发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根据控制变量初始值和控制量修正 值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制所述生产过程。

控制器， 用于根据无线传感器在传输时刻时所采集的过程参数计算控制变量初始值， 或 根据无线传感器在数据传输周期内所采集的过程参数平均值计算控制变量初始值。

控制器， 用于将无线传感器在数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据 传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

一种过程控制方法， 该方法包括： 根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取 控制量修正值， 并根据传输频率利用无线方式发送所采集的过程参数以及计算出的控制量修 正值， 其中所述采样频率高于传输频率；

根据利用无线方式所接收的过程参数计算控制变量初始值， 并根据该控制变量初始值和 无线方式所接收的控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制生产过程。

所述根据传输频率利用无线方式发送所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值包 括- 根据传输频率利用无线方式发送在传输时刻时所采集的过程参数以及计算出的控制量修 正值； 或根据传输频率利用无线方式发送在数据传输周期内所采集的过程参数平均值以及计 算出的控制量修正值。

所述根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正值包括：

将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参 数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

一种过程控制方法， 该方法包括：

根据采样频率采集生产过程的过程参数， 并根据传输频率利用无线方式发送所采集的过 程参数， 其中所述采样频率高于传输频率；

从无线方式接收到的过程参数中提取包含在数据采集周期中的过程参数， 利用包含在数 据采集周期中的过程参数获取控制量修正值， 根据无线方式接收到的过程参数计算控制变量 初始值， 并根据控制变量初始值和控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控 制生产过程。

所述根据无线方式接收到的过程参数计算控制变量初始值包括：

利用传输时刻时所采集的过程参数计算控制变量初始值， 或利用数据传输周期内所采集 的过程参数平均值计算控制变量初始值。

所述利用包含在数据采集周期中的过程参数获取控制量修正值包括：

将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参 数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

一种无线传感器， 该无线传感器包括过程参数采集单元、 控制量修正值获取单元和无线 传输单元， 其中- 过程参数采集单元， 用于根据采样频率采集过程参数；

控制量修正值获取单元， 用于根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正 值； 无线传输单元， 用于根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值发送 到控制器；

其中所述采样频率高于传输频率。

控制量修正值获取单元包括比较器、 求和器和聚合器。

无线传输单元， 用于根据传输频率将传输时刻时所采集的过程参数以及计算出的控制量 修正值发送到控制器， 或根据传输频率将数据传输周期内所采集的过程参数平均值以及计算 出的控制量修正值发送到控制器。

控制量修正值获取单元， 用于将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数 据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

一种控制器， 该控制器包括无线传输单元、 控制量修正值获取单元和控制变量值获取单 元， 其中：

无线传输单元， 用于获取无线传感器根据采样频率采集的、 并根据传输频率所发送的生 产过程的过程参数， 其中所述采样频率高于传输频率；

控制量修正值获取单元， 用于根据无线传感器在数据采集周期中所采集的过程参数获取 控制量修正值；

控制变量值获取单元， 用于根据无线传感器发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根 据控制变量初始值和控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制生产过程。

控制变量值获取单元， 用于根据无线传感器在传输时刻时所采集的过程参数计算控制变 量初始值， 或根据无线传感器在数据传输周期内所采集的过程参数平均值计算控制变量初始 值。

控制量修正值获取单元， 用于将无线传感器在数据采集周期中所采集的各个过程参数分 别减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

一种机器可读的存储介质， 存储用于使机器执行根据以上任意一项所述的方法的指令。 一种计算机程序， 当所述计算机程序运行于机器中时使所述机器执行根据以上任意一项 所述的方法。

从上述技术方案可以看出， 在发明实施方式中， 包括无线传感器和控制器， 其中： 无线 传感器， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采集的过程 参数获取控制量修正值， 并根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值发 送到控制器， 其中所述采样频率高于传输频率； 控制器， 用于根据无线传感器所发送的过程 参数计算控制变量初始值， 并根据控制变量初始值和无线传感器所发送的控制量修正值获取 控制变量值， 并利用所述控制变量值控制所述生产过程。 由此可见， 应用本发明实施方式之 后， 在无线传感器能量消耗与控制器的控制性能之间实现了良好折衷， 一方面可以采用较慢 的传输频率以降低无线传感器能量消耗， 另一方面充分利用无线传感器数据传输过程之间所 采集的多个测量值来提高控制器的控制性能。 附图说明

图 1为根据现有技术两个无线传输间隔的控制性能对比示意图；

图 2为本发明实施方式过程控制系统结构图；

图 3为本发明实施方式的过程控制方法第一流程图；

图 4为本发明实施方式的过程控制方法第二流程图；

图 5为本发明实施方式的无线传感器结构图；

图 6为本发明实施方式的控制器结构图；

图 7为本发明实施方式的过程控制系统的详细结构图；

图 8为本发明实施方式与现有技术的控制性能对比示意图；

图 9为本发明实施方式的控制性能改进示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施方式， 对本发明进 行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明， 并 不用于限定本发明的保护范围。

在本发明实施方式中， 在无线传感器能量消耗与控制器的控制性能之间实现良好折衷， 一方面可以采用较慢的传输频率以降低无线传感器能量消耗， 另一方面充分利用无线传感器 数据传输过程之间所采集的多个测量值来提高控制器的控制性能。

图 2为本发明实施方式过程控制系统结构图。

如图 2所示， 该过程控制系统包括无线传感器 201和控制器 202。 其中：

无线传感器 201， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所 采集的过程参数获取控制量修正值， 并根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制 量修正值发送到控制器 202， 其中所述采样频率高于传输频率；

控制器 202， 用于根据无线传感器 201所发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根据控 制变量初始值和无线传感器 201所发送的控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变 量值控制所述生产过程。 在一个实施方式中， 无线传感器 201， 可以根据传输频率将传输时刻时所采集的过程参数 以及计算出的控制量修正值发送到控制器 202， 或根据传输频率将数据传输周期内所采集的 过程参数平均值以及计算出的控制量修正值发送到控制器 202。

在一个实施方式中， 无线传感器 201， 可以将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别 减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

在上述实例中， 具体描述了由无线传感器 201计算控制量修正值的示范性情形。 实际上， 本发明实施方式也可以不由无线传感器 201计算控制量修正值， 而是由控制器 202计算控制 量修正值。

当由控制器 202计算控制量修正值时：

无线传感器 201， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 并根据传输频率将所采集 的过程参数发送到控制器， 其中所述采样频率高于传输频率；

控制器 202， 用于根据无线传感器在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正 值， 根据无线传感器发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根据控制变量初始值和控制量 修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制所述生产过程。

类似地， 控制器 202， 可以根据无线传感器 201在传输时刻时所采集的过程参数计算控制 变量初始值， 或根据无线传感器在数据传输周期内所采集的过程参数平均值计算控制变量初 始值。

类似地， 控制器 202， 可以将无线传感器 201在数据采集周期中所采集的各个过程参数分 别减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

本领域技术人员可以意识到， 无线传感器 201和控制器 202之间的通信方式可以具有多 种实施方式， 包括但是不限于： 蜂窝连接、 红外连接、 蓝牙连接、 无线局域网 （LAN) 或无 线广域网 （WAN) 连接， 等等。

而且， 本领域技术人员可以意识到， 本发明实施方式所适用的生产过程可以为工业自动 化、 建筑自动化、 养殖自动化等领域中的任意生产过程， 包括但是不局限于： 微藻类养殖控 制、 温度控制、 压力控制、 流量控制、 液位控制和成分控制， 等等。

基于上述描述， 本发明实施方式还提出了一种过程控制方法。

图 3为本发明实施方式的过程控制方法第一流程图。 如图 3所示， 该方法包括： 步骤 301 : 根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采集的过程 参数获取控制量修正值， 并根据传输频率利用无线方式发送所采集的过程参数以及计算出的 控制量修正值， 其中所述采样频率高于传输频率。

在这里， 可以由传感器来采集生产过程的过程参数。 传感器是一种检测装置， 能感受到 生产过程中被测量的信息， 并能将检测感受到的信息， 按一定规律变换成为电信号或其他所 需形式的信息输出， 以满足信息的传输、 处理、 存储、 显示、 记录和控制等要求。 比如： 传 感器可以具体为压力敏和力敏传感器、 位置传感器、 液位传感器、 能耗传感器、 速度传感器、 加速度传感器、 射线辐射传感器、 热敏传感器， 等等。

在本发明实施方式中， 可以将大量传感器节点随机部署在生产过程监测区域内部或附近， 通过自组织方式构成网络。 传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输， 在 传输过程中监测数据可能被多个节点处理， 经过多跳后路由到汇聚节点， 最后通过互联网或 卫星到达管理节点。 用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理， 发布监测任务以及收 集监测数据。

在本发明实施方式中， 采用无线传感器采集并发送生产过程的过程参数。 可以将无线传 感器的组成模块封装在一个外壳内， 在工作时它将由电池或振动发电机提供电源， 构成无线 传感器网络节点， 由随机分布的集成有传感器、 数据处理单元和通信模块的微型节点， 通过 自组织的方式构成网络。 无线传感器可以采集设备的数字或模拟信号， 通过无线传感器网络 传输到监控中心的无线网关， 直接送入计算机， 进行分析处理。

步骤 302: 根据利用无线方式所接收的过程参数计算控制变量初始值， 并根据该控制变量 初始值和无线方式所接收的控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制生产 过程。

在这里， 控制器侧利用无线方式接收过程参数， 根据过程参数计算控制变量初始值， 并 根据该控制变量初始值和无线方式所接收的控制量修正值获取控制变量值， 再利用控制变量 值控制生产过程。

在步骤 301 中， 根据传输频率利用无线方式发送所采集的过程参数以及计算出的控制量 修正值具体可以包括： 根据传输频率利用无线方式发送在传输时刻时所采集的过程参数以及 计算出的控制量修正值； 或根据传输频率利用无线方式发送在数据传输周期内所采集的过程 参数平均值以及计算出的控制量修正值。

在步骤 301 中， 根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正值具体可以包 括：将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

在上述流程中， 由无线传感器侧计算控制量修正值。 实际上， 本发明实施方式也可以不 由无线传感器侧计算控制量修正值， 而是由控制器侧计算控制量修正值。

图 4为本发明实施方式所述的过程控制方法第二流程图。

如图 4所示， 该方法包括： 步骤 401 : 根据采样频率采集生产过程的过程参数， 并根据传输频率利用无线方式发送所 采集的过程参数， 其中所述采样频率高于传输频率。

步骤 402: 从无线方式接收到的过程参数中提取包含在数据采集周期中的过程参数， 利用 包含在数据采集周期中的过程参数获取控制量修正值， 根据无线方式接收到的过程参数计算 控制变量初始值， 并根据控制变量初始值和控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制 变量值控制生产过程。

在步骤 402中， 根据无线方式接收到的过程参数计算控制变量初始值， 具体可以包括： 利用传输时刻时所采集的过程参数计算控制变量初始值， 或利用数据传输周期内所采集 的过程参数平均值计算控制变量初始值。

在步骤 402 中， 利用包含在数据采集周期中的过程参数获取控制量修正值， 具体可以包 括- 将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参 数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

以上流程中， 详细描述了利用包含在数据采集周期中的过程参数获取控制量修正值的具 体方式， 本领域技术人员可以意识到， 本发明实施方式并不局限于此。

基于上述详细分析， 本发明实施方式还提出了一种无线传感器。

图 5为本发明实施方式无线传感器结构图。

如图 5所示， 该无线传感器包括过程参数采集单元 501、控制量修正值获取单元 502和无 线传输单元 503， 其中：

过程参数采集单元 501， 用于根据采样频率采集过程参数；

控制量修正值获取单元 502，用于根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修 正值；

无线传输单元 503，用于根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值发 送到控制器；

其中所述采样频率高于传输频率。

在一个实施方式中， 控制量修正值获取单元 502， 用于将数据采集周期中所采集的各个过 程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正 值。

在一个实施方式中， 控制量修正值获取单元 502具体包括比较器、 求和器和聚合器等电 子元器件， 并由这些电子元器件之间的相互逻辑功能集成为整体。 本领域技术人员可以意识 到， 可以由比较器、 求和器和聚合器等电子元器件通过多种实施方式构成控制量修正值获取 单元， 本发明实施方式对此并无限定。

在一个实施方式中， 无线传输单元 503， 用于根据传输频率将传输时刻时所采集的过程参 数以及计算出的控制量修正值发送到控制器， 或根据传输频率将数据传输周期内所采集的过 程参数平均值以及计算出的控制量修正值发送到控制器。

基于上述详细分析， 本发明实施方式还提出了一种控制器。

图 6为本发明实施方式控制器结构图。

如图 6所示， 该控制器包括无线传输单元 601、控制量修正值获取单元 602和控制变量值 获取单元 603， 其中：

无线传输单元 601， 用于获取无线传感器根据采样频率采集的、并根据传输频率所发送的 生产过程的过程参数， 其中所述采样频率高于传输频率；

控制量修正值获取单元 602，用于根据无线传感器在数据采集周期中所采集的过程参数获 取控制量修正值；

控制变量值获取单元 603， 用于根据无线传感器发送的过程参数计算控制变量初始值， 并 根据控制变量初始值和控制量修正值获取控制变量值，并利用所述控制变量值控制生产过程。

在一个实施方式中， 控制变量值获取单元 602， 用于根据无线传感器在传输时刻时所采集 的过程参数计算控制变量初始值， 或根据无线传感器在数据传输周期内所采集的过程参数平 均值计算控制变量初始值。

在一个实施方式中， 控制量修正值获取单元 602， 用于将无线传感器在数据采集周期中所 采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获 取控制量修正值。

基于上述详细分析， 本领域技术人员可以意识到， 可以利用各种逻辑元器件通过多种方 式具体实施本发明实施方式。 下面结合具体实例对本发明实施方式进行详细描述。

图 7为本发明实施方式过程控制系统的详细结构图。

如图 7所示， 该系统包括控制器端和无线传感器端两部分。 无线传感器端根据采样频率 采集生产过程 （Process) 的过程参数， 根据传输频率将所采集的过程参数发送到控制器端， 其中采样频率高于传输频率。 比如： 假设采样频率为 2秒， 传输频率为 20秒。

由图 7可见， 无线传感器端包括采样保持器、 比较器、 求和器和聚合器。

无线传感器端的工作流程如下：

在 t=0时刻， 采样保持器采集 t=0时刻生产过程的过程参数， 并将 t=0时刻所采集的过程 参数送到比较器。 在比较器中， 该 t=0时刻过程参数值减去采样保持器中所保存的过程参数 值 （该值可以为上一数据传输周期所发送的过程参数平均值， 或上一数据传输时刻所采集的 过程参数值）， 并将结果送到求和器中。

类似地， 在 t=2s时刻， 采样保持器再次采集 t=2s时刻生产过程的过程参数， 并将 t=2s时 刻所采集的过程参数送到比较器。 在比较器中， 该 t=2s时刻过程参数值减去采样保持器中所 保存的过程参数值 （该值与 t=0时刻采样保持器中所保存的过程参数值相同， 仍然为上一数 据传输周期所发送的过程参数平均值， 或上一数据传输时刻所采集的过程参数值， 因为其周 期 T假设为 20s)， 并将结果送到求和器。

类似地， t=4s,6s,〜,18s， 重复上述操作。

在 t=20s时刻， 采样保持器采集 t=20s时刻生产过程的过程参数， 并将 t=20s时刻所采集 的过程参数送到比较器， 同时将 t=20s时刻所采集的过程参数送到采样保持器 （SH) 予以保 存。 在比较器中， 该 t=20s时刻过程参数值减去 t=0时刻采样保持器中所保存的过程参数值， 并将结果送到求和器。

求和器中执行求和操作， 获得控制量修正值 （ED)。 聚合器把求和器的输出 （ED) 和采 样保持器中所保存的过程参数值（比如， 可以为 t=20s时刻所采集过程参数， 或 0-20s之间的 平均过程参数值） 组包通过无线方式发送到控制器的网关。 接着， 复位求和器， 即令 ED=0， 并且重新设置 t=0， 继续重复无线传感器的流程。

控制器端包括网关、第一比较器、 PID控制器和第二比较器， 网关每隔 20s收到无线传感 器端所发送的控制量修正值 （ED)和过程参数。 将过程参数送到第一比较器， 与预先设置的 设定值 （Set point) 进行比较， 其差值送给 PID控制器， 得到控制变量初始值。 而且， 控制 变量初始值与控制量修正值 （ED) 的预订函数求差， 得到控制变量值， 并可以利用该控制变 量值 （MV) 去控制生产过程。

示范性地：

MV = MV + K [e{t) +丄 ( [e{t)dt - Εΰ) ; 其中 为控制变量的偏置值； 是比例系数； ^是积分常数， 和 这两个参数可以 由用户设定； e(t)为设定值与过程参数之差； t为时间。

图 8为本发明实施方式与现有技术的控制性能对比示意图； 图 9为本发明实施方式的控 制性能改进示意图。

由图 8和图 9可见， 本发明实施方式的控制方式相比现有技术， 具有更小的过冲和更短 的过渡时间， 因此控制性能获得了明显提升。 实际上， 本发明实施方式的优势源于在传输周 期之间所提供的多个测量值的额外信息。 在某种程度上， 本发明实施方式补偿了由于采样间 隔过长而损失的信息。 在现有技术中， i = + K_t e{t) +― (e(t)dt 。 然而， 对于具有较长采样和传输间 隔的无线传感器， 该比例积分公式可能会引入较多振荡。 比如， 如图 9所示， 在传输时刻 tl 和 t2之间，现有的 PI控制器假定控制变量和 e (t)是固定的，而实际的控制变量接近设定值。 在本发明实施方式中， 通过在下一控制周期中减去 ED， 重复计算的积分运算获得了校正。通 过在设定值和控制变量之间获取实际的差值信号， 频繁获取的控制变量测量值对改进控制性 能给予贡献。

可以将本发明实施方式应用于各种具体现场环境中。 比如， 可以将图 7所示系统具体应 用到微藻类养殖处理中。 此时， 图 7 中的生产过程为微藻类养殖的光生物反应器。 无线 PH 传感器与控制器每隔 300秒通讯一次， 而且无线 PH传感器每隔 30秒给出额外的测量值。 每 隔 300秒， 所有的测量值都打包发送到控制器。 PH设置值为 7.0， 该值对于微藻类是有益的。 控制器可以采用 PI控制算法， 可以采用各种现有的控制技术， 比如输出限制等等。 控制变量 (MV)为二氧化碳（C0₂)输入到光生物反应器的馈入速度。 多个 PH测量值作为原始数据， 被打包发送到控制系统， 而且在控制器中生成 ED。

可选地， 也可以在无线传感器中生成 ED， 而且将 ED和控制参数一起发送到控制器。 然 后， 控制器在 PI积分计算中抽取该 ED值。

可以通过指令或指令集存储的储存方式将本发明实施方式所提出的过程控制方法存储在 各种机器可读的存储介质上。 这些存储介质包括但是不局限于： 软盘、 光盘、 DVD、 硬盘、 闪存、 U盘、 CF卡、 SD卡、 MMC卡、 SM卡、 记忆棒 （Memory Stick )、 xD卡等。 另夕卜， 还可以将本发明实施方式所提出的过程控制方法应用到基于闪存（Nand flash)的存储介质中， 比如 U盘、 CF卡、 SD卡、 SDHC卡、 MMC卡、 SM卡、 记忆棒、 xD卡等。

还可以将当本发明实施方式所提出的过程控制方法具体实施为各种形式的计算机指令。 这些计算机指令在机器中被执行时，可以使机器执行本发明实施方式所提出的过程控制方法。

综上所述， 在发明实施方式中， 包括无线传感器和控制器， 其中： 无线传感器， 用于根 据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量 修正值， 并根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值发送到控制器， 其 中所述采样频率高于传输频率； 控制器， 用于根据无线传感器所发送的过程参数计算控制变 量初始值， 并根据控制变量初始值和无线传感器所发送的控制量修正值获取控制变量值， 并 利用所述控制变量值控制所述生产过程。 由此可见， 应用本发明实施方式之后， 在无线传感 器能量消耗与控制器的控制性能之间实现了良好折衷， 一方面可以采用较慢的传输频率以降 低无线传感器能量消耗， 另一方面充分利用无线传感器数据传输过程之间所采集的多个测量 值来提高控制器的控制性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1. 权 利 要 求 书

   1、 一种过程控制系统， 其特征在于， 包括无线传感器和控制器， 其中：

   无线传感器， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采 集的过程参数获取控制量修正值， 并根据传输频率将所釆集的过程参数以及计算出的控制量 修正值发送到控制器， 其中所述采样频率高于传输频率；

   控制器， 用于根据无线传感器所发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根据控制变量 初始值和无线传感器所发送的控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制所 述生产过程。

   2、 根据权利要求 1所述的过程控制系统， 其特征在于，

   无线传感器， 用于根据传输频率将传输时刻时所采集的过程参数以及计算出的控制量修 正值发送到控制器， 或根据传输频率将数据传输周期内所采集的过程参数平均值以及计算出 的控制量修正值发送到控制器。

   3、 根据权利要求 1所述的过程控制系统， 其特征在于，

   无线传感器， 用于将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期 所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

   4、 一种过程控制系统， 其特征在于， 包括无线传感器和控制器， 其中：

   无线传感器， 用于根据采样频率采集生产过程的过程参数， 并根据传输频率将所采集的 过程参数发送到控制器， 其中所述采样频率高于传输频率；

   控制器， 用于根据无线传感器在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正值， 根据无线传感器发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根据控制变量初始值和控制量修正 值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制所述生产过程。

   5、 根据权利要求 4所述的过程控制系统， 其特征在于，

   控制器， 用于根据无线传感器在传输时刻时所采集的过程参数计算控制变量初始值， 或 根据无线传感器在数据传输周期内所采集的过程参数平均值计算控制变量初始值。

   6、 根据权利要求 4所述的过程控制系统， 其特征在于，

   控制器， 用于将无线传感器在数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据 传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

   7、 一种过程控制方法， 其特征在于， 该方法包括- 根据采样频率采集生产过程的过程参数， 根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取 控制量修正值， 并根据传输频率利用无线方式发送所采集的过程参数以及计算出的控制量修 正值， 其中所述采样频率高于传输频率；

   根据利用无线方式所接收的过程参数计算控制变量初始值， 并根据该控制变量初始值和 无线方式所接收的控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制生产过程。

   8、 根据权利要求 7所述的过程控制方法， 其特征在于， 所述根据传输频率利用无线方式 发送所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值包括：

   根据传输频率利用无线方式发送在传输时刻时所采集的过程参数以及计算出的控制量修 正值； 或根据传输频率利用无线方式发送在数据传输周期内所采集的过程参数平均值以及计 算出的控制量修正值。

   9、 根据权利要求 7所述的过程控制方法， 其特征在于， 所述根据在数据采集周期中所采 集的过程参数获取控制量修正值包括：

   将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参 数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

   10、 一种过程控制方法， 其特征在于， 该方法包括：

   根据采样频率采集生产过程的过程参数， 并根据传输频率利用无线方式发送所采集的过 程参数， 其中所述采样频率高于传输频率；

   从无线方式接收到的过程参数中提取包含在数据采集周期中的过程参数， 利用包含在数 据采集周期中的过程参数获取控制量修正值， 根据无线方式接收到的过程参数计算控制变量 初始值， 并根据控制变量初始值和控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控 制生产过程。

   11、 根据权利要求 10所述的过程控制方法， 其特征在于， 所述根据无线方式接收到的过 程参数计算控制变量初始值包括：

   利用传输时刻时所采集的过程参数计算控制变量初始值， 或利用数据传输周期内所采集 的过程参数平均值计算控制变量初始值。

   12、 根据权利要求 10所述的过程控制方法， 其特征在于， 所述利用包含在数据采集周期 中的过程参数获取控制量修正值包括：

   将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数据传输周期所发送的过程参 数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

   13、 一种无线传感器， 其特征在于， 该无线传感器包括过程参数采集单元、 控制量修正 值获取单元和无线传输单元， 其中- 过程参数采集单元， 用于根据采样频率采集过程参数；

   控制量修正值获取单元， 用于根据在数据采集周期中所采集的过程参数获取控制量修正 值；

   无线传输单元， 用于根据传输频率将所采集的过程参数以及计算出的控制量修正值发送 到控制器；

   其中所述采样频率高于传输频率。

   14、 根据权利要求 13所述的无线传感器， 其特征在于， 控制量修正值获取单元包括比较 器、 求和器和聚合器。

   15、 根据权利要求 13所述的无线传感器， 其特征在于，

   无线传输单元， 用于根据传输频率将传输时刻时所采集的过程参数以及计算出的控制量 修正值发送到控制器， 或根据传输频率将数据传输周期内所采集的过程参数平均值以及计算 出的控制量修正值发送到控制器。

   16、 根据权利要求 13所述的无线传感器， 其特征在于，

   控制量修正值获取单元， 用于将数据采集周期中所采集的各个过程参数分别减去上一数 据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

   17、 一种控制器， 其特征在于， 该控制器包括无线传输单元、 控制量修正值获取单元和 控制变量值获取单元， 其中- 无线传输单元， 用于获取无线传感器根据采样频率采集的、 并根据传输频率所发送的生 产过程的过程参数， 其中所述采样频率高于传输频率；

   控制量修正值获取单元， 用于根据无线传感器在数据采集周期中所采集的过程参数获取 控制量修正值；

   控制变量值获取单元， 用于根据无线传感器发送的过程参数计算控制变量初始值， 并根 据控制变量初始值和控制量修正值获取控制变量值， 并利用所述控制变量值控制生产过程。

   18、 根据权利要求 17所述的控制器， 其特征在于，

   控制变量值获取单元， 用于根据无线传感器在传输时刻时所采集的过程参数计算控制变 量初始值， 或根据无线传感器在数据传输周期内所采集的过程参数平均值计算控制变量初始 值。

   19、 根据权利要求 17所述的控制器， 其特征在于，

   控制量修正值获取单元， 用于将无线传感器在数据采集周期中所采集的各个过程参数分 别减去上一数据传输周期所发送的过程参数， 再将各个差值求和以获取控制量修正值。

   20、 一种机器可读的存储介质， 存储用于使机器执行根据权利要求 7-12中任意一项所述 的方法的指令。

   21、 一种计算机程序， 当所述计算机程序运行于机器中时使所述机器执行根据权利要求 7-12任意一项所述的方法。