CN106950821B - 在非周期性更新的控制器中基于速度的控制 - Google Patents

在非周期性更新的控制器中基于速度的控制 Download PDF

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Abstract

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。

Description

在非周期性更新的控制器中基于速度的控制
技术领域
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。
背景技术
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Emerson Process Management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Smith Predictor或ModelPredictive Control(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“Apparatus for Providing Redundant Wireless Access to Field Devices ina Distributed Control System”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-Periodic Control Communicationsin Wireless and Other Process Control Systems”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。作为另一个示例，题为“Process Control With Unreliable Communications”的美国专利No.7,620,460，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，包括滤波器，其提供对于控制信号的预期响应的指示，但进一步修改该滤波器以并入自从最后一个非周期性测量更新后经过的时间的测量，以生成更为准确的预期过程响应的指示。
但在许多控制应用中，过程控制系统在过程操作期间可以接收设定点变化。一般来说，当在周期性更新的控制系统(例如硬连线的控制通信系统)的执行过程中改变设定点时，设计为对在设定点与测量的过程变量之间的误差采取比例动作的控制器会立即改变控制器输出以向着新的稳态值驱动过程变量。但在如以上两个示例中所述的操作的接收不频繁的、非周期性测量更新的无线控制系统中，由每一个新的测量更新反映的测量的过程响应反映了在控制器输出中做出的变化，它是除了由在接收到最后的测量更新后的某个时间做出的设定点变化导致的输出中的变化以外由于最后的测量更新而采取的。在此情况下，基于控制器输出和自从最后的测量更新后的时间的控制器复位部件的计算(如美国专利No.7,620,460中所述的)可能过度补偿在最后的测量更新后做出的变化。对于设定点变化的过程响应因此可以基于在最后的测量更新后何时做出设定点变化而不同。结果，这个系统不对设定点变化迅速或鲁棒地做出响应，因为在设定点中的变化后产生控制信号时，控制器继续依靠在前生成的(现在过时的)预期响应的指示。为了克服这个问题，题为“Compensating for Setpoint Changes in a Non-Periodically Updated Controller”的美国专利申请公开No.2013/0184837，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，在控制器内的反馈回路中使用连续更新的滤波器以在没有接收新的过程变量测量时追踪受控变量的操作，并当在控制器接收到新的过程变量测量时使用这个控制器的输出，否则使用来自接收到过程变量的测量的最近时间的滤波器的输出来生成控制信号。在这个系统中，生成的控制信号对于在接收过程变量测量的时间之间过程变量的设定点中何时存在变化响应更为灵敏且操作更佳。
此外，当在无线控制系统中使用电池供电的发射器，希望设置系统以维持一个长的电池寿命。例如，为了使用当前发射器和电池技术获得3-5年的电池寿命，通常必须使用8秒或更大的通信更新率。然而使用这种缓慢的更新率限制将基于PID(比例积分微分)的无线控制用于具有30秒或更大的过程响应时间的过程，因为为了保持过程的控制，仍然以与过程的响应时间相关的速率(即过程响应时间的倒数)至少四倍的速率接收过程反馈测量是重要的。
再进一步地，存在可以用于解决无线控制的各类PID算法，包括使用产生位置输出的那些，例如提供给阀门或其他受控元件的告知元件它最终要移动到的位置的4-20mA信号或数字信号。但存在提供基于速度的控制信号的其他PID算法，该控制信号指示阀门或其他受控元件在特定方向上移动特定量，例如通过在特定时间量中赋能可移动元件。这种基于速度的控制信号通常与电动机一起使用，提供脉冲信号形式的控制信号(具有调制以指示阀门应赋能可移动元件以在特定时间期间中移动的时间量的脉冲宽度)。基于速度的控制器往往会产生位置信号的变化，与指示可移动元件要获得的实际位置的信号相反。因而，基于速度的控制算法往往用于将增量(增加/减少)输出提供给致动器，因此可用于控制不提供位置反馈的致动器。
发明内容
一种控制技术允许对相对于作为到过程控制器的反馈而提供受控过程变量的测量值的速率具有快速动态变化的过程或控制回路的鲁棒控制。具体而言，该控制技术使用位置或速度形式的PID算法以便能够控制过程，在过程中，以等于或者甚至大于过程响应时间的时间间隔将过程变量测量或反馈信号提供给控制器。具体而言，该控制技术可以用于在具有比反馈时间间隔小两倍到四倍的响应时间的过程中提供鲁棒的控制。这种情形例如可以在使用无线控制时出现，其中，将过程变量反馈测量以无线的、间歇性的或小于、接近于或者甚至大于过程的响应时间的时间间隔的方式提供给控制器。
公开的速度PID控制例程可以用于许多不同情形中，例如用以在致动器需要增量输入且控制器不能得到位置反馈时使用无线测量执行控制，用以在连接到需要位置或增量输入的致动器时借助有线测量执行控制，及用以在将无线测量用于控制中的情况下解决传统安装以及新的安装。此外，可以基于过程增益和动态来执行速度形式的PID算法的调节，与无线通信速率无关。再进一步地，速度形式的PID控制例程在失去通信时自动保留最后的输出位置，并在重新建立通信时提供无扰的恢复。
在一个情况下，实施新控制技术的控制器通常包括差分结构，因为生成了差分比例、积分和微分控制信号分量并用于产生基于差分或移动的控制信号，将其随后发送到受控设备，例如阀门，以控制受控设备的操作并从而控制过程。这个基于差分或速度形式的控制在存在缓慢过程变量反馈测量时生成比标准PID控制操作更佳的控制信号。具体而言，使用这个控制技术的控制器在每一次控制器迭代过程中生成差分比例值，表示在以前比例控制信号分量与新计算的比例控制信号分量之间的差，将这个差分比例值用作来自控制器是每一个新控制信号的基础。但当在控制器可获得新过程变量测量信号时，例如微分和/或积分控制信号分量的多个其他控制信号可以添加到或结合差分比例控制信号分量。这两个控制信号分量还可以基于在新计算的值与以前计算的值之间的差。具体而言，在控制器可获得新接收的过程变量测量的值的控制器迭代过程中可以计算新微分分量。类似地，使用在控制器的每一次控制例程迭代中生成过程的预期响应的新指示的连续更新的滤波器可以产生新积分分量。但在接收到新的过程变量测量值时，连续更新的滤波器的输出仅用于生成新积分分量。在其他时间，将积分控制信号分量设定为零。
本文公开的基于速度的PID控制技术使用差分信号形式来产生迅速适应设定点中的变化的控制信号(甚至在过程变量反馈信号出现在控制器的输入端的时间之间)，同时在存在缓慢接收的(例如间歇性)反馈信号时仍提供鲁棒和稳定的控制，包括以小于(例如甚至小两倍或四倍)、接近于或大于受控过程的响应时间的倒数的速率接收的反馈信号。
附图说明
图1是示例性周期性更新的硬连线过程控制系统的方框图。
图2是例示了包括过程响应时间的对用于示例性周期性更新的硬连线的过程控制系统的过程输入的过程输出响应的曲线图。
图3是例示了具有接收缓慢的或非周期性反馈输入的控制器的示例性过程控制系统的方框图。
图4A是允许在非周期性更新的无线过程控制系统中对设定点变化或前馈干扰的鲁棒补偿的示例性控制器的方框图。
图4B是例示了随着控制器对几个设定点变化做出响应的图4A的示例性控制器的过程输出响应的曲线图。
图5是在非周期性更新的过程控制系统中执行设定点变化补偿的示例性控制器的方框图，其中，控制器补偿反馈信号中的过程和/或测量延迟。
图6是在非周期性更新的过程控制系统中执行设定点变化补偿的示例性控制器的方框图，其中，过程控制器使用微分或速率贡献来确定控制信号。
图7是在非周期性更新的过程控制系统中执行设定点变化补偿的示例性控制器的方框图，其中，过程控制器接收从现场设备、控制元件或其他下游设备提供的附加控制器输入数据以影响过程操作中的响应。
图8是在非周期性更新的过程控制系统中执行设定点变化补偿的示例性控制器的方框图，其中，过程控制器适应将实际或隐含的控制器输入数据用于现场设备。
图9是示例性的基于速度的PI控制器的方框图，其允许响应于缓慢接收的过程变量测量信号鲁棒地补偿过程控制系统中的设定点变化或前馈干扰。
图10是示例性的基于速度的PID控制器的方框图，其允许响应于缓慢接收的过程变量测量信号鲁棒地补偿过程控制系统中的设定点变化或前馈干扰。
图11A是例示了响应于基本控制变量中的设定点变化并具有8秒的过程响应时间的示例性现有技术的基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图11B是例示了响应于基本控制变量中的设定点变化并具有8秒的过程响应时间的根据本发明的示例性基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图12A是例示了响应于基本控制变量中的设定点变化并具有3秒的过程响应时间的示例性现有技术的基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图12B是例示了响应于基本控制变量中的设定点变化并具有3秒的过程响应时间的根据本发明的示例性基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图13A是例示了响应于干扰变化并具有8秒的过程响应时间的示例性现有技术的基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图13B是例示了响应于干扰变化并具有8秒的过程响应时间的根据本发明的示例性基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图14A是例示了响应于干扰变化并具有3秒的过程响应时间的示例性现有技术的基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
图14B是例示了响应于干扰变化并具有3秒的过程响应时间的根据本发明的示例性基于速度的PID控制器在有线和无线配置中的模拟过程响应的曲线图。
具体实施方式
一种控制技术可用于在缓慢地或间歇性地接收过程测量反馈信号的过程回路中执行控制，尤其在以慢于、近似于或仅略大于与受控过程动态相关的速率(例如过程响应时间的倒数)的速率接收过程测量反馈信号时是有用的。这个控制器例如可以用于以缓慢地或非周期性方式，尤其是以小于、相同数量级于或类似于受控的过程动态的过程响应速率(即受控的过程变量的过程响应时间的倒数)的速率，接收作为反馈信号的过程测量信号的控制器中。在一个情况下，该控制技术通过将比例贡献信号与一个或多个微分贡献信号和积分贡献信号组合而产生用于控制诸如阀门的过程设备的控制信号。在使用基于速度的PID算法的一个情况下，控制器由在设定点与最近接收的过程变量测量反馈信号之间的差产生比例贡献值。这个误差信号随后乘以增益信号，并提供给差值单元，其确定自从控制器的最后执行周期后在这个信号中的变化。此外，微分单元可以接收该误差信号，并在误差信号上执行微分计算，基本上是求得自从在控制器接收最后的测量信号后误差信号随着时间的推移的导数。微分模块或计算的输出还提供给变化检测单元或差值单元，其确定在微分计算的当前输出与用于控制信号的计算的以前值之间的差。类似地，积分计算单元接收作为比例单元和微分单元的产物的控制信号的差并对其求积分(例如求和)。求和器的输出提供给滤波器，其操作以对求和器输出滤波，产生积分贡献信号。但这个积分贡献提供给求和器，其仅在新的反馈值提供给控制器时才将这个贡献与控制信号的输出求和。即，对于所有控制器迭代，积分贡献设定为零，除了控制器可获得新的反馈信号的那些以外。
一般来说，控制器内积分贡献单元的连续更新的滤波器在控制器的每一次控制例程迭代期间生成预期过程响应的指示(也称为反馈贡献)，尽管从现场设备缓慢地或非周期性地接收过程变量测量值更新。连续更新的滤波器部分地使用来自最后的控制例程迭代的以前生成的预期响应的指示和控制例程执行期间而在每一次控制例程迭代期间生成预期响应的指示。另外，控制器内的积分输出开关基于最新的测量指示，提供连续更新的滤波器的输出，作为对控制信号的反馈贡献，例如积分(也称为复位)贡献。一般来说，在不可获得新的测量信号的控制器的每一次迭代期间，积分输出开关在速度形式的PID控制器中提供在控制器接收到最后的测量值更新时由连续更新的滤波器生成的预期过程响应或者零值作为对控制信号的积分或复位贡献。当可以获得新的测量值更新时，积分输出开关箝位到由连续更新的滤波器生成的预期过程响应的新指示上(基于新测量值更新的指示)，并作为控制信号的积分贡献提供新的预期过程响应。结果，使用连续更新的滤波器的控制器确定在每一次控制迭代期间新的过程的预期响应，其中，每一个新的预期过程响应反映在测量更新之间的时间中做出的，且在控制信号的产生期间影响控制器输出的设定点变化或前馈变化的影响，即使仅当在控制器可获得新的测量值时，才改变控制信号的积分或复位分量。
图1中例示了过程控制系统10，其可以用于实施所述的控制方法。过程控制系统10包括过程控制器11，连接到数据历史记录12和一个或多个主机工作站或计算机13(其可以是任何类型的个人计算机、工作站等)，每一个都具有显示屏14。控制器11还经由输入/输出(I/O)卡26和28连接到现场设备15-22。数据历史记录12可以是任何希望类型的数据收集单元，具有用于存储数据的任何希望类型的存储器和任何希望或已知的软件、硬件或固件。在图1中，控制器11使用硬连线的通信网络和通信方案可通信地连接到现场设备15-22。
通常，现场设备15-22可以是任何类型的设备，如传感器、阀门、变送器、定位器等，而I/O卡26和28可以是任何类型的I/O设备，符合任何所希望的通信或控制器协议。控制器11包括处理器23，其实施或监视存储在存储器24中的一个或多个过程控制例程(或任何模块、块或其子例程)。一般来说，控制器11与设备15-22、主机计算机13和数据历史记录12通信，以任何所希望的方式控制过程。此外，控制器11使用通常被称为功能块的来实施控制策略或方案，其中，每一个功能模块都是总控制例程的一个对象或其他部分(如，子例程)，其结合其他功能块(经由称为链路的通信)操作以在过程控制系统10中实施过程控制回路。功能块典型地执行以下之一：输入功能，例如与变送器、传感器或其他过程参数测量设备相关的；控制功能，例如与执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关的；或输出功能，其控制一些设备的操作，例如阀门，以执行过程控制系统10中的一些物理功能。当然，存在混合和其他类型的功能块并可以在此使用。如下所述，功能块可以存储在控制器11或其他设备中并由控制器11或其他设备执行。
如图1的分解块30所示的，控制器11可以包括多个单回路控制例程，示出为控制例程32和34，如果希望的话，可以实施一个或多个高级控制回路，示出为控制回路36。每一个这种控制回路通常称为控制模块。单回路控制例程32和34示出为执行单回路控制，使用单输入/单输出模糊逻辑控制块和单输入/单输出PID控制块，分别连接到适当的模拟量输入(AI)和模拟量输出(AO)功能块，它们可以与诸如阀门的过程控制设备、诸如温度和压力变送器的测量设备、或过程控制系统10中的任何其他设备相关联。高级控制回路36示出为包括高级控制块38，具有可通信地连接到一个或多个AI功能块的输入端和可通信地连接到一个或多个AO功能块的输出端，尽管高级控制块38的输入端和输出端可以连接到任何其他所希望的功能块或控制元件以接收其他类型的输入，并提供其他类型的控制输出。高级控制块38可以实施任何类型的多输入多输出控制方案，可以构成或包括模型预测控制(MPC)块、神经网络建模或控制块、多变量模糊逻辑控制块、实时优化器块等。会理解，包括高级控制块38的图1中所示的功能块可以由独立控制器11执行，或者可替换地，可以位于过程控制系统的任何其他处理设备或控制元件中并由其执行，例如工作站13之一或现场设备19-22之一。示例性地，现场设备21和22可以分别是变送器和阀门，可以执行控制元件，用于实施控制例程，因而可以包括处理和其他部件，用于执行部分控制例程，例如一个或多个功能块。具体而言，现场设备21可以具有存储器39A，用于存储与模拟输入块相关的逻辑和数据，而现场设备22可以包括致动器，具有存储器39B，用于存储与和模拟量输出(AO)块通信的PID或其他控制块相关的逻辑和数据，如图1所示的。
图2的曲线图总体上例示了基于控制回路32、34和36的一个或多个(和/或位于现场设备21和22或其他设备中的包含功能块的任何控制回路)的实施，响应于过程控制系统的过程输入产生的过程输出。所实施的控制例程通常在多个控制器迭代上以周期性方式执行，具有图2中由粗箭头40沿时间轴所示的控制例程执行的时间。在常规情况下，每一个控制例程迭代40受到由例如变送器或其他现场设备提供的以细箭头42所示的更新的过程测量支持。如图2所示，典型的存在多个周期性过程测量42，在每一个周期性控制例程执行时间40之间由控制例程做出并接收。为了避免与将测量值与控制执行同步相关联的限制，许多已知的过程控制系统(或控制回路)都设计为以2-10倍的因子过采样过程变量测量。这种过采样有助于确保过程变量测量当前在每一个控制例程执行或迭代期间在控制方案中使用。此外，为了使得控制变化最小，常规设计方案指定基于反馈的控制应比过程响应时间快4-10倍地执行，且在每一次控制器迭代可获得新的过程变量测量。过程响应时间在图2的曲线图的过程输出响应曲线43中示出为在过程输入中的阶跃变化44的实施后(在图2的下方线45中显示)与过程时间常数(τ)相关的时间(例如，过程变量变化的63％)加上过程延迟或停歇时间(TD)。在任何情况下，为了满足这些常规设计方案要求，过程测量值更新(由图2的箭头42所示的)以比控制例程执行速率(由图2的箭头40所示的)快得多的速率采样并提供给控制器，控制例程执行速率又比过程响应时间快得多或高得多。
但当控制器运行在例如控制器以无线方式从一个或多个现场设备接收测量的过程控制环境中时，从该过程获得频繁且周期性的测量样本可能是不切实际的，甚至是不可能的。具体而言，在这些情况下，控制器仅能够接收缓慢的过程变量测量(以节省无线传感器/变送器的电池寿命)或者非周期性过程变量测量。此外，在这些情况下，在非周期性或甚至周期性过程变量测量之间的时间可以大于控制例程执行速率(由图2的箭头40所示的)。图3示出了示例性的无线过程控制系统10，其可以实施在控制器11使用过程控制数据或过程变量测量的缓慢的和/或非周期性无线通信。
图3的控制系统10在本质上类似于图1的控制系统10，相似的元件具有相同的编号。但图3的控制系统10包括多个现场设备60-64和71，其无线可通信地耦合到控制器11并可能耦合到彼此。如图3所示，无线连接的现场设备60连接到天线65，并协作以与天线74无线通信，天线74又耦合到无线I/O设备68。此外，现场设备61-64连接到有线-无线转换单元66，有线-无线转换单元66又连接到天线67。现场设备61-64通过天线67与连接到另一个无线I/O设备70的天线73无线通信。同样如图3所示的，现场设备71包括天线72，其与天线73和74之一或二者通信，从而与I/O设备68和/或70通信。I/O设备68和70又经由有线背板连接(图3中未示出) 可通信地连接到控制器11。在此情况下，现场设备15-22保持经由I/O设备26和28硬连线到控制器11。
图3的过程控制系统10通常使用由变送器60-64或例如现场设备71的其他控制元件测量、感测或计算的数据的无线传输，如下所述。在图3的控制系统10中，假定新的过程变量测量或其他信号值在缓慢或非周期性的基础上由设备60-64和71传送到控制器11，例如在满足特定条件时。例如，当过程变量值相对于由设备发送到控制器11的最后的过程变量测量值改变预定量时，将新的过程变量测量值发送到控制器11。这些信号也可以周期性地发送，但以比诸如有线过程控制信号的正常用于典型的过程控制系统的慢得多的速率。例如，缓慢的周期性反馈速率可以小于控制器执行速率(控制器生成新的控制信号以用于产生控制信号的速率)，使用本文所述的控制技术，可以在小于、等同于或类似于过程响应速率或响应时间的速率，例如比受控的过程动态的响应速率小2-4倍的速率。在此，过程响应速率是过程响应时间的倒数。当然，也可以实施或替换确定何时以周期性或非周期性方式发送过程变量测量值的其他方式。
会理解，图3的变送器60-64中的每一个都可以将表示各自的过程变量(例如流量、压力、温度或液位信号)的信号传送到控制器11，以便在一个或多个控制回路或例程中使用或者在监控例程中使用。诸如现场设备的其他无线设备可以无线地接收过程控制信号，和/或被配置为传送表示任何其他过程参数的其他信号。一般来说，如图3所示，控制器11包括通信栈80，其在处理器23上执行以处理输入的信号，模块或例程82，其在在处理器23上执行以检测输入的信号何时包括测量更新，及一个或多个控制模块84，其在处理器23上执行以基于测量更新执行控制。检测例程82可以生成标志或其他信号，以表示经由通信栈80提供的数据包括新的过程变量测量或其他类型的更新。新的数据和更新标志随后可以提供给一个或多个控制模块84(其可以是功能块)，控制模块84随后由控制器11以预定周期性执行速率执行，如以下进一步详述的。可替换地，或者另外地，新的数据和更新标志可以提供给在控制器11或者控制系统10中的其他位置中执行的一个或多个监控模块或应用程序。
图3的无线(或其他)变送器通常导致在现场设备60-64和71与控制器11之间缓慢的或非周期性的数据传输，包括不规律的或不太频繁的数据传输。但如上提及的，从现场设备15-22到控制器11的测量值的传送传统上构造为以比控制器的执行速率快得多或者至少比过程的动态速率，即过程响应时间的倒数(用于受控过程的现象)，快得多的速率以周期性方式执行。结果，控制器11中的控制例程通常针对在控制器11的反馈回路中使用的过程变量测量值的周期性更新而设计。
为了适应例如由在一些现场设备与控制器11之间的无线通信引入的缓慢的、非周期性的或不可用的测量更新(及其他不可用的通信传输)，控制器11的控制和监控例程可以如下所述地重构或修改以使得过程控制系统10能够在使用包括非周期性的缓慢的或非周期性的或间歇性的更新时，尤其是在这些更新与控制器11的执行速率相比不太频繁地出现时，甚至当以类似于(例如小2-4倍或在相同数量级等)过程响应速率(例如受控的过程变量的过程响应时间的倒数)的速率接收这些更新时，适当地运行。
在图4-10中更详细地例示了被配置为使用缓慢的和/或非周期性的控制相关通信操作的示例性控制方案。例如，图4A示意性地例示了耦合到过程101的位置型过程控制器100。由控制器100(其可以是图1和3的控制器11或者例如图3的一个无线现场设备的现场设备的控制元件等)实施的控制方案通常包括结合图3所示和所述的通信栈80、更新检测模块82和一个或多个控制模块84的功能，并且产生指示控制设备的可移动元件要移动到的位置的控制信号。
在图4A是示例性系统中，控制器100例如从工作站13之一(图1和3)或者从过程控制系统10中的或与过程控制系统10通信的任何其他源接收设定点信号，并操作以生成一个或多个控制信号105，其从控制器100的输出端提供给过程101。除了接收控制信号105以外，过程101可能受到由箭头104示意性示出的测量的或不可测量的干扰。取决于过程控制应用的类型，设定点信号可以在过程101的控制期间的任何时间改变，例如由用户、调节例程等。当然，过程控制信号105可以控制与阀门相关的致动器，或者可以控制任何其他现场设备以影响过程101的操作中的响应。过程101对过程控制信号105中的变化的响应由例如可以是对应于图3中所示的变送器60-64中任何一个的变送器、传感器或其他现场设备106测量或感测。在变送器106与控制器100之间的通信链路可以包括无线连接，在图4A中用虚线示出。
在简单的实施例中，控制器100可以实施单/输入、单/输出闭环控制例程，例如PI控制例程，它是一种形式的PID型控制例程。因此，控制器100包括几个标准PI控制器元件，包括通信栈80、包含求和块108的控制信号生成单元、比例增益元件110、另一个求和块112和高低限制器114。控制例程100还包括包含滤波器116的直接反馈路径和包含选择块118的积分输出开关。滤波器116耦合到高低限制器114的输出端，开关的块118耦合到滤波器116的输出端，将由控制器100生成的控制信号的积分或复位贡献或分量提供给求和块112。
在控制器100的操作期间，求和块108将设定点信号与从控制器100中的通信栈80提供的最近接收的过程变量测量值相比较以产生误差信号。比例增益元件110例如通过将误差信号乘以比例增益值Kp而在误差信号上运算以产生控制信号的比例贡献或分量。求和块112随后将增益元件110的输出(即比例贡献)与由反馈路径产生的控制信号的积分或复位贡献或分量合并，以产生本质上未受限的控制信号。限制器块114随后在求和器112的输出上执行高低限制以产生要发送以控制过程101的控制信号105。
重要的是，控制器100的反馈路径中的滤波器116和块或开关110操作以如下方式产生控制信号的积分或复位贡献分量。滤波器116耦合以接收限制器114的输出，滤波器116基于限制器114的输出值和控制算法100的执行期间或时间，产生对控制信号105的预期过程响应。滤波器116将这个预期过程响应信号提供给开关或块118。开关或块118只要接收到新的过程变量测量值，就在开关或块118的输出端采样并箝位滤波器116的输出，并保持该值，直到在通信栈80接收到下一个过程变量输出。因而开关118的输出保持在滤波器116的输出，其在最后测量更新被采样。
由滤波器116产生的对求和器108的输出中的变化的预期过程响应可以使用一阶模型来近似，如下详述的。但更一般地，预期过程响应可以使用过程100的任何适当的模型产生，不限于在控制器100的反馈路径中包含的模型，或者与确定控制信号的积分或复位贡献相关的滤波器或模型。例如，利用模型来提供预期过程响应的控制器可以包含微分贡献，使得控制例程100可以实施PID控制方案。以下结合图6-8来说明包含示例性类型的微分贡献的几个示例。
在更详细地论述图4A的滤波器116的操作之前，注意到可以使用正反馈网络以确定积分或复位贡献来实施传统PI控制器是有用的。在数学上表明，传统PI实施方式的传递函数等价于用于无约束控制，即输出不受限制，的标准公式。具体而言：
Figure DEST_PATH_GDA0001207404270000161
其中，Kp＝比例增益
T复位＝复位，秒
O(s)＝控制输出
E(s)＝控制误差
如图4所示的，使用控制器100内的正反馈路径的一个优点是在控制器输出受到高或低限制时，即由限制器114，自动防止复位贡献结束。
在任何情况下，以下所述的控制技术都实现了在控制器接收过程变量的非周期性更新时使用正反馈路径来确定复位或积分贡献，同时在出现在新的过程变量测量的接收之间的设定点变化或前馈变化的情况下，仍实现了鲁棒的控制器响应。具体而言，为了提供鲁棒的设定点变化控制器操作，滤波器116被配置为在控制器100的每一个或每次执行期间计算预期过程响应的新指示或值，不管滤波器的这个输出是否曾经提供给求和块112。结果，滤波器116的输出在控制器例程的每一个执行周期期间重新再生，即使仅是在控制器100从通信栈80接收到新的过程测量更新后立即生成的滤波器116的输出在求和器112中用作积分或复位贡献。
具体而言，在每一个控制器执行周期期间，依据当前控制器输出(即在限制器114后的控制信号)、在最后的(即在前紧挨着的)控制器执行周期期间由滤波器116产生的预期过程响应的指示、和控制器执行时间段计算由滤波器116产生的预期过程响应的新指示。结果，滤波器116在本文说明为被连续更新，因为在每一个控制器执行周期期间执行它以产生新的过程响应估计。以下提出在每一个控制执行周期期间可以由连续更新的滤波器116实施以产生新的预期过程响应或滤波器的示例性等式：
Figure DEST_PATH_GDA0001207404270000171
其中，FN＝新的滤波器输出
FN-1＝滤波器输出最后执行
ON-1＝控制器输出最后执行
ΔT＝控制器执行时间段
在此，会注意到，将新的滤波器输出FN迭代地确定为最近的在前滤波器输出FN-1(即当前滤波器输出值)加上衰减分量，所述衰减分量确定为在当前控制器输出值ON-1与当前滤波器输出值FN-1之间的差乘以取决于复位时间T复位与控制执行期间ΔT的因子。使用以此方式连续更新的滤波器，控制例程100在接收到新的过程变量测量而计算积分控制信号分量时，能够更好地确定预期过程响应，从而对于出现在两个过程变量测量的接收之间的设定点或其他前馈干扰中的变化更易于做出反应。具体而言，会注意到，设定点中的变化(没有接收到新的过程测量值)会立即导致在求和器108的输出端的误差信号中的变化，这改变了控制信号的比例贡献分量，从而改变了控制信号。结果，滤波器116会立即开始产生过程对改变的控制信号的新的预期响应，因而可以在控制器100接收新的过程测量值之前更新其输出。随后，当控制器100接收新的过程测量值，且滤波器输出的样本由开关118箝位到求和器112的输入以用作控制信号的积分或复位贡献分量时，滤波器116迭代到预期过程响应，其至少在一定程度上已经对过程101对设定点中的改变的响应做出反应或已经包含了过程101对设定点中的改变的响应。
过去，诸如在美国专利No.7,587,252和7,620,460中所述的系统中，用于非周期性更新的控制器的反馈路径中的复位贡献滤波器仅在可获得新的过程变量测量值时才计算预期响应的新指示。结果，复位贡献滤波器不补偿出现在过程变量测量的接收之间的设定点变化或前馈干扰，因为设定点变化或前馈干扰完全独立于任何测量值更新。例如，如果在两个测量更新之间出现设定点变化或前馈干扰，控制器的预期过程响应有可能失真，因为预期响应的新指示的计算基于自从最后的测量更新后的时间和当前控制器输出105。结果，滤波器116无法开始考虑由在控制器接收两个过程变量测量值之间出现的设定点变化(或其他前馈干扰)而产生的在过程(或控制信号)中的时间变化。
但会理解，图4A的控制例程100通过使其计算基于非周期性测量值，同时还另外确定在两个测量值的接收之间的预期响应以考虑由设定点中的变化(或者用作到控制器100的前馈输入的任何测量的干扰)引起的变化来提供预期过程响应。因而，上述的控制技术能够适应可能影响预期过程响应的设定点变化、在测量的干扰上的前馈操作等，因而提供更鲁棒的控制响应。
会理解，图4中所示的控制技术借助连续更新的滤波器116(例如复位贡献滤波器)计算对控制块或例程100的每一个执行的预期过程响应的指示。在此，控制器100配置连续更新的滤波器116以计算对控制块的每一个执行的预期响应的新指示。但为了确定滤波器116的输出是否应用作到求和块112的输入，通信栈80，及在一些示例中，更新检测模块82(图3)，在接收到新的过程变量测量值时，处理从变送器106输入的数据以生成用于积分输出开关118的新值标志。这个新值标志告知开关118采样并箝位到求和器112的输入端的这个控制器迭代的滤波器输出值。
不管是否传送了新值标志，连续更新的滤波器116都连续计算对控制例程的每一次迭代的预期响应的指示。预期响应的这个新指示在控制块的每一个执行被传递到积分输出开关或块118。取决于是否存在新值标志，积分输出开关118在允许来自连续更新的滤波器116的预期响应的新指示通过以传送到求和块112与保持以前在控制块的最后执行期间传递到求和块112的信号之间切换。具体而言，当传送新值标志时，积分输出开关118允许来自连续更新的滤波器116的最近计算的预期影响的指示传递到求和块112。相反，如果不存在新值标志，那么积分输出开关118就将来自最后的控制块迭代的预期响应的指示重新发送到求和块112。以此方式，每一次从栈80传送新值标志，积分输出开关118就箝位到预期响应的新指示上，但如果不存在新值标志，就不允许任何新计算的预期响应的指示到达求和块112。
这个控制技术允许连续更新的滤波器116对预期过程响应连续建模，不管是否传送了新的测量值。如果控制输出作为基于测量的干扰的设定点变化或前馈操作的结果而改变，不管是否存在新值标志，连续更新的滤波器116都通过计算在每一个控制例程迭代的预期响应的新指示而正确反映预期过程响应。但预期响应的新指示(即复位贡献或积分分量)只有在传送了新值标志时(经由积分输出开关118)才包含在控制器计算中。
图4B中所示的曲线图200示出了在随着控制器100对几个设定点变化做出响应而将过程输出信号202驱动到稳态值中图4A的控制器100的模拟操作。在图4B中，在过程控制系统的无线操作期间相对于设定点值信号204(示出为细线)显示了过程输出信号202(示出为粗线)。当出现设定点变化时，如由沿在曲线图200的底部的时间轴的箭头所示的，控制器102通过产生驱动过程输出以对新设定点值(即稳态值)做出反应的控制信号而做出响应。例如，如图4B所示的，在时间T1出现设定点变化，如由设定点值信号204将其量值从较高值明显地改变为较低值所证明的。作为响应，控制器102在平滑的过渡曲线中将与设定点相关的过程变量驱动到新的稳态或设定点值，如由在时间T1和T2之间的输出信号202所展示的。类似地，在图4B中，在时间T2出现第二个设定点变化，如由设定点值信号204的量值从较低值明显地改变为较高值所证明的。作为响应，控制器102在平滑的过渡曲线中将与设定点变化相关的过程变量控制到新的稳态或设定点值，如由在时间T2和T3之间的输出信号202所示的。结果，可由图4B见到，实施上述控制例程的控制器100允许以鲁棒的方式补偿非周期性无线控制系统中的设定点变化。由于前馈干扰可以测量并包含在控制操作中，实施上述控制例程的控制器100还可以允许补偿非周期性无线控制系统中控制输出中的前馈变化。
应注意到，图4A的简单PID控制器结构将滤波器116的输出直接用作对控制信号的复位贡献，在此情况下，闭环控制例程的复位贡献(例如以上提出的连续更新滤波器等式)在确定过程是否展现出稳态行为时可以提供过程响应的准确表示。但其他过程，例如停歇时间主导的过程，会需要在图4A的控制器中并入额外的分量，以便对预期过程响应建模。关于可以由一阶模型很好地表示的过程，过程时间常数通常可以用于为PI(或PID) 控制器确定复位时间。具体而言，如果复位时间设定为等于过程时间常数，复位贡献通常会抵消比例贡献，以使得随着时间过去，控制例程100反映预期过程响应。在图4A所示的示例中，复位贡献可以由具有滤波器的正反馈网络来实现，所述滤波器具有与过程时间常数相同的时间常数。尽管可以利用其他模型，但正反馈网络、滤波器或模型提供了用于确定具有已知或近似的过程时间常数的过程的预期响应的便利机制。对于需要PID控制的那些过程，也称为速率的对PID输出的微分贡献也可以仅在接收到新的测量时重新计算并更新。在这些情况下，微分计算可以使用自从最后的新测量后所经过的时间。以下将结合图5-8来说明控制器的一些示例，其可以使用其他控制器部件以使用过程测量的非周期性接收来控制更复杂的过程，但可以使用图4A的滤波技术来响应于设定点变化而提供鲁棒的控制。
现在参考图5，根据如上所述的控制技术配置的可替换的控制器(或控制元件)120在许多方面类似于图4A中所示的控制器100。结果，两个控制器共同的元件以相似的参考标记来识别。但控制器120在控制例程中包含额外的元件，其确定在测量传输之间的预期过程响应。在此情况下，过程101可以表征为具有相当大量的停歇时间，结果，将停歇时间单元或块122包含在控制器模型中用于停歇时间补偿。停歇时间单元122的包含总体上有助于获得过程响应的更准确表示。具体而言，停歇时间单元122可以以任何所希望的方式来实施，并可以包括或利用Smith预测器或其他已知控制例程所共有的方法。但在此情况下，连续更新的滤波器116和开关模块118以与以上相对于图4A的控制器100所述的相同的方式操作，以响应于设定点变化提供鲁棒的控制。
图6示出了另一个可替换的控制器(或控制元件)130，其与以上图4A中所述的控制器100的区别在于将微分或速率贡献分量包含在控制器130中。通过包含微分贡献，由控制器130实施的控制例程包括额外的反馈机制，以便在一些情况下实施比例-积分-微分(PID)控制方案。
图6的控制例程或技术包括微分贡献，其按照以上结合图4A的积分贡献所述的类似的方式配置，以适应非周期性或其他无法获得的过程测量的更新。可以基于自从最后测量更新后所经过的时间来重构微分贡献。以此方式，避免了在微分贡献(及得到的输出信号)中的尖峰信号。具体而言，由微分块132确定图6的微分贡献，微分块132与专门用于比例和积分贡献的元件并行地从求和块108接收误差信号。尽管可以使用其他PID结构(例如串行结构)，如图6所示的，将比例、积分和微分贡献在求和块134合并。
为了适应不可靠的传输，且更一般地，测量更新的不可利用，微分贡献可以保持在最后确定的值，直到如由来自通信栈80的新值标志所示的接收到测量更新。这个技术允许控制例程按照控制例程的正常或已建立的执行速率继续进行周期性执行。在接收到更新的测量后，如图6所示的，微分块132可以根据以下等式确定微分贡献：
Figure DEST_PATH_GDA0001207404270000211
其中，eN＝当前误差
eN-1＝最后的误差
ΔT＝自从传送新值后经过的时间
OD＝控制器微分项
KD＝微分增益因子
借助用于确定微分贡献的这个技术，用于过程变量(即控制输入)的测量更新可以在一个或多个执行期间丢失，而不会产生输出尖峰信号。当重建通信时，微分贡献等式中的项(eN-eN-1)可以生成与在微分贡献的标准计算中所生成的相同的值。但对于标准PID技术，在确定微分贡献中的除数是执行期间。相反，该控制技术利用在两个连续接收的测量之间所经过的时间。借助所经过的时间大于执行期间，该控制技术产生比标准PID技术更小的微分贡献和减小的尖峰信号。
为了有助于确定所经过的时间，通信栈80可以将上述的新值标志提供给微分块132，如图6所示的。可替换的示例可以包括或涉及基于其值的新测量或更新的检测。此外，可以使用过程测量来代替比例或微分分量的计算中的误差。更一般地，通信栈80可以包括或包含任何软件、硬件或固件(或其任意组合)以实施与包括过程101中的任何现场设备、控制器外的过程控制元件等的过程101的通信连接。但在图6的控制器130中，连续更新的滤波器116和开关模块118以与以上相对于图4A的控制器100所述的相同地操作，以响应于设定点变化提供鲁棒的控制。
由结合图3、4A和5-6所述的控制器控制的致动器或其他下游元件仍可以接收具有突然变化的控制信号，尤其是在控制器或控制元件到下游致动器或其他元件之间的没有通信的期间后。所得到的控制操作的突然性在一些情况下足以影响工厂操作，且这种突然变化可能导致不适合的不稳定性程度。
由于在控制器与下游元件之间的通信丢失的突然控制变化的可能性可以通过在确定对控制信号的反馈贡献时，包含实际下游数据以代替在最后的执行期间中的控制器输出来解决。一般来说，这种实际下游数据提供对控制信号的响应的反馈指示，因而可以由接收控制信号的下游元件(例如过程控制模块)或设备(例如致动器)测量或计算。提供这种数据以代替对控制信号的隐含响应，例如来自最后执行的控制器输出。如图4A和5-6所示的，连续更新的滤波器116作为下游响应的隐含指示接收控制信号105。这种隐含数据的使用有效地假定诸如致动器的下游元件接收控制信号的传送，从而对控制信号做出适当的响应。实际反馈数据也与诸如受控的过程变量的测量的其他响应指示不同。
图7示出了示例性控制器140，其响应于控制信号从下游设备或元件接收致动器位置数据。下游设备或元件通常对应于提供致动器位置的测量的致动器。更一般地，下游设备或元件可以对应于或包括PID控制块、控制选择器、分离器或由控制信号控制任何其他设备或元件。在所示的示例性情况下，作为对控制信号的响应的指示提供致动器位置数据。因而，致动器位置数据由控制器140在控制例程的连续执行期间中使用，尽管缺少过程变量的测量更新。为此，连续更新的滤波器116可以经由建立用于输入的反馈数据的连接的通信栈146接收致动器位置数据。在这个示例性情况下，反馈数据包括对控制信号、致动器位置和过程变量的响应的两个指示。
与以前的示例一样，连续更新的滤波器116被配置为适应涉及缺少过程变量的测量更新的情况。连续更新的滤波器116在这种缺少期间类似地重新计算其输出，尽管实际上仅是在接收新的测量值标志后生成的滤波器输出用于求和器112中。但在接收到测量更新后，连续更新的滤波器116不再依靠控制信号的反馈来修改其输出。相反，如下所示地利用来自致动器的实际响应数据：
Figure DEST_PATH_GDA0001207404270000231
其中，FN＝新的滤波器输出
FN-1＝滤波器输出最后执行
AN-1＝控制器输出最后执行
ΔT＝控制器执行时间段
T复位＝复位时间
使用对控制信号的响应的实际指示有助于在从PID控制元件到诸如致动器的下游元件的周期性通信的期间中和在非周期性或丢失通信的期间后改进控制技术的准确性。但如果在不同设备中实施，实际响应指示的传输通常会需要在现场设备与控制器之间的额外通信。这种通信可以是无线的，如上所述，因此会受到不可靠的传输或电力限制。其他原因也可能导致反馈数据的无法获得。
如下所述，本文所述的控制技术还可以解决没有以周期性或及时的方式传送这种响应指示的情形。即，该控制技术的应用不必受到缺少用于过程变量的测量更新的限制。相反，该控制技术可以有利地用于解决涉及缺少其他响应指示的情形，例如致动器的位置或下游控制元件的输出。再进一步地，该控制技术可以用于解决涉及从控制器(或控制元件)到诸如现场设备(例如致动器)或另一个控制元件(例如级联PID控制、分离器等)的下游元件的传输的丢失、延迟或其他无法获得的情形。
到控制器或控制元件的(即响应指示或下游元件反馈)或来自控制器或控制元件(即控制信号)的附加数据的无线或其他不可靠传输提供了通信难题和/或问题的额外可能性。如上所述，来自下游元件(例如致动器)的反馈可以参与确定积分贡献(或其他控制参数或贡献)。在这个示例中，控制例程依赖于两个反馈信号，而不是在上述示例中的单一过程变量反馈。此外，如果控制信号从来没有到达下游元件，该过程将不会收到的控制方案的好处。任意一个这些信号的传输可能延迟或丢失，因此，本文所述的技术解决任意一个可能性。
滤波器或其他控制计算中涉及的缺少响应指示可以通过保持预期响应(或其他控制信号分量)的指示直到接收到更新来解决。
当控制信号没有到达下游元件时，来自下游元件的响应指示(即反馈)将不会改变。在这种情况下，缺少值的变化可以触发控制器(或控制元件)中的逻辑，类似地保持预期的响应(或其他控制信号分量)的指示，直到接收到值的变化。
该控制技术还可以实施于实际反馈数据是不需要的或不可获得的情形。前一情况在将隐含响应用于控制信号的简化是有益的那些情形中是有利的。例如，实际反馈数据的通信可能是有问题的或不切实际的。后者可能涉及没有被配置为提供位置测量数据的致动器或其他设备，如上所述。旧设备可能没有这样的能力。
为了适应这些设备，可以提供开关或其他设备，以允许控制技术使用隐含或实际的响应指示。如图8所示，控制器150耦合到开关152，其又接收隐含和实际的响应指示。在这种情况下，控制器150可以与任何上述控制器相同，只要控制方案的实施不依赖于知道响应指示的类型。开关152可在软件、硬件、固件或其任何组合中实施。开关152的控制可以独立于控制器150和任何控制例程的实施。可替换地或另外，控制器150可以提供控制信号来配置开关152。此外，开关152可以实施为控制器自身的一部分，在某些情况下，可以作为通信栈的部分或控制器的其他部分集成。
该控制方法、系统和技术的实践不局限于任何一个特定无线架构或通信协议。在2005年6月17日提交的题为“Wireless Architecture and Support for Process ControlSystems”的美国专利申请No.11/156,215中说明了合适的示例性架构和通信支持方案，其全部公开内容借以通过参考明确地并入本文中。实际上，对控制例程的修改非常适合于任何环境，其中，以周期性的方式来实施控制例程，但没有用于每一个控制迭代的过程变量测量更新。其他示例性环境包括例如由分析器或借助实验室样本不规则地或更少地提供采样值的情况。
该控制技术的实践不限于与单输入、单输出PID控制例程(包括PI和PD例程)一起使用，而是可以应用于多个不同多输入和/或多输出控制方案和级联控制方案中。更一般地，该控制技术还可以应用于任何闭环的基于模型的控制例程的环境中，涉及一个或多个过程输出变量，一个或多个过程输入或其他控制信号，例如模型预测控制(MPC)。
图9例示了使用本文所述的原理的另一个示例性控制系统，但被配置为具有基于速度的控制器形式的控制器300。在图9是示例性系统中，控制器100例如从工作站13之一(图1和3)或者从过程控制系统中的或与过程控制系统通信的任何其他源接收设定点信号，并操作以生成一个或多个控制信号305，其从控制器300的输出端提供给过程301。除了接收控制信号305以外，过程301可能受到由图4中箭头304示意性示出的测量的或不可测量的干扰。取决于过程控制应用的类型，设定点信号可以在过程301的控制期间的任何时间改变，例如由用户、调节例程等。当然，过程控制信号305可以控制与阀门相关的致动器，或者可以控制任何其他现场设备以影响过程301的操作中的响应。过程301对过程控制信号305中的变化的响应由例如可以是对应于图3中所示的变送器60-64中任何一个的变送器、传感器或其他现场设备306测量或感测。在变送器306与控制器300之间的通信链路可以包括无线连接，在图9中用虚线示出。但这个链路也可以是有线通信链路或其他类型的通信链路。为了讨论的目的，假定测量受控过程变量(及受控变量)或与受控过程变量相关的代理变量的变送器在缓慢或间歇性的更新速率。这个缓慢的更新速率可以是周期性的或非周期性的，被假定为与相关于受控过程变量的过程动态的过程响应速率在相同数量级。因而，过程变量测量在每一个大于过程的响应时间的时间间隔提供一次，每一个类似于过程响应时间的时间间隔提供一次，或者每一个略小于过程响应时间的时间间隔提供一次。因而，在某些情况下，这个更新速率可以是过程响应速率(过程响应时间的倒数)的1/2到1/4。
在图9所示的简单实施例中，控制器300可以实施单/输入、单/输出闭环控制例程，例如PI控制例程，它是一种形式的PID型控制例程。因此，控制器300包括几个标准PI控制器元件，包括通信栈380、包含求和块308的控制信号生成单元、比例增益元件310和另一个求和块312。控制例程300还包括包含滤波器316的直接积分反馈路径和包含选择块318的积分输出开关。但在此情况下，图9的PI控制器被配置为在控制信号的比例和积分分量上执行位置或差分控制计算。因而，控制器300还包括布置在比例分量计算路径中的差分块320、布置在积分分量计算路径中的求和器322和在其输入端使用差分计算的控制分量以产生控制信号305的块324。一般来说，块324缩放控制器300中生成的位置(速度)控制信号中的变化，或者以其他方式将这个信号转换为模拟或数字信号，将其发送到控制设备以指示控制设备在一个方向上移动特定量或特定时间期间中移动。这个块324例如可以将脉冲宽度调制信号、脉冲信号、表示导通时间的数字信号或表示随时间的位置变化量的任何其他信号发送到控制设备。
如图9所示，积分滤波器316耦合到求和器322，其又耦合以接收求和器312的输出，而开关的块318耦合到滤波器316的输出端，将由控制器300生成的控制信号的积分或复位贡献或分量提供给求和块312。
在控制器300的每一次迭代或操作期间，求和块308将设定点信号与从控制器300中的通信栈380提供的最近接收的过程变量测量值相比较以产生误差信号。比例增益元件或块310例如通过将误差信号e乘以比例增益值Kp而在误差信号e上运算以产生速度控制信号的比例贡献或分量。差分块320随后通过确定在增益块310的当前输出与增益块310的最近值(在最后的或紧接着在前的控制器迭代期间产生的)之间的差来确定自从最后的控制器迭代后比例增益值中的变化。求和块312随后将变化单元320的输出(即基于速度的比例贡献)与由积分反馈路径产生的控制信号的积分或复位贡献或分量合并，以产生速度控制信号326，将其提供给输出块324。
重要的是，控制器300的积分反馈路径中的求和器322、滤波器316和块或开关318操作以如下方式产生控制信号的积分或复位贡献分量。在此，求和器322在每一次控制器迭代期间耦合以接收求和器312的输出(即表示可移动控制元件的位置中的变化的基于速度的控制信号)，并将该值与求和器322的在前输出S(在控制器300的最后迭代期间生成的)求和，从而实际上对特定时间期间中输出信号的变化中的变化积分或计算总和。求和器322的新输出S提供给积分滤波器316，其产生对控制信号305的预期过程响应的指示，图9中示出为R。滤波器316将这个预期过程响应信号R提供给开关或块318。但如图9所示，开关或块318只要接收到新的过程变量测量值，就在开关或块318的输出端采样并箝位滤波器316的输出，而在无法获得新的过程变量测量的那些控制迭代期间将零(0.0)值提供给312作为积分控制贡献。因而，在每一次控制器迭代期间作为积分控制贡献而提供以产生新的控制信号的开关318的输出仅在新的过程变量测量可由控制器300获得以便使用的控制器迭代期间是滤波器316的输出，否则就是零(0.0)。在每一次设置由通信栈380产生的新值标志(指示在控制器300可获得新的过程变量测量值)后，求和器322将其输出设定为零，并开始在新的时间期间中求和。因而，实际上，求和器322对在过程变量测控更新之间每一次控制器迭代中控制输出信号中的变化求和，只要在控制器300接收到新的过程变量测量更新(后在控制器迭代期间)就复位。
由滤波器316产生的对控制信号中的变化的预期过程响应可以使用一阶模型来近似，如下详述的。但更一般地，预期过程响应可以使用过程300的任何适当的模型产生，不限于在控制器300的反馈路径中包含的模型，或者与确定控制信号的积分或复位贡献相关的滤波器或模型。例如，利用模型来提供预期过程响应的控制器可以包含微分贡献，使得控制例程300可以实施PID控制方案。以下结合图10来说明包含示例性类型的微分贡献的示例。
在任何情况下，以下所述的控制技术都实现了在控制器300接收过程变量的缓慢或非周期性更新时使用正反馈路径来确定复位或积分贡献，同时在出现在新的过程变量测量的接收之间的设定点变化或前馈变化的情况下，仍实现了鲁棒的控制器响应。具体而言，滤波器316被配置为在控制器300的每一个或每次执行期间计算预期过程响应的新指示或值，不管滤波器316的这个输出是否曾经作为控制信号的积分分量提供给求和块312。结果，滤波器316的输出在控制器例程的每一个执行周期期间重新再生，即使仅是在控制器300从通信栈380接收到新的过程测量更新后立即(或的执行周期期间)生成的滤波器316的输出在求和器312中用作积分或复位贡献。
具体而言，在每一个控制器执行周期期间，依据当前控制器输出S(即自从最后的过程变量测量更新后由求和器312输出的控制信号中的合计变化)、在最后的(即在前紧挨着的)控制器执行周期期间由滤波器316产生的预期过程响应的指示、和控制器执行时间段计算由滤波器316产生的预期过程响应R的新指示。结果，滤波器316在本文说明为被连续更新，因为在每一个控制器执行周期期间执行它以产生新的过程响应估计。以下提出在每一个控制执行周期期间可以由连续更新的滤波器316实施以产生新的预期过程响应或滤波器的示例性等式：
Figure DEST_PATH_GDA0001207404270000281
其中，RN＝新的滤波器输出
RN-1＝滤波器输出最后执行
SN-1＝积分路径求和器输出最后执行
ΔT＝控制器执行时间段
eT 复位＝积分时间期间
在此，会注意到，
将新的滤波器输出RN迭代地确定为最近的在前滤波器输出RN-1(即当前滤波器输出值)加上衰减分量，所述衰减分量确定为在来自求和器322的当前控制器输出值SN-1中的合计变化与当前滤波器输出值RN-1之间的差乘以取决于复位时间T复位与控制执行期间ΔT的因子。使用以此方式连续更新的滤波器，控制例程300在接收到新的过程变量测量而计算积分控制信号输入时，能够更好地确定预期过程响应，从而对于出现在两个过程变量测量的接收之间的设定点或其他前馈干扰中的变化更易于做出反应。但这个积分路径计算防止控制系统在有缓慢接收的或间歇性的过程变量反馈测量的情况下结束。具体而言，会注意到，设定点中的变化(没有接收到新的过程测量值)会立即导致在求和器308的输出端的误差信号中的变化，这改变了速度控制信号326的比例贡献分量，从而改变了控制信号305。结果，求和器322会立即将其输出S增大该数量，滤波器316随后会开始产生过程对改变的控制信号的新的预期响应，因而可以在控制器300接收新的过程测量值之前更新其输出。
随后，当控制器100接收新的过程测量值，且滤波器输出的样本由开关318箝位到求和器312的输入以用作控制信号的积分或复位贡献分量时，滤波器316迭代到预期过程响应，其至少在一定程度上已经基于在前发送的控制信号305对过程301对设定点中的改变的响应做出反应或已经包含了过程301对设定点中的改变的响应。但这个积分值仅在接收到新的过程测量值时才添加到控制信号326中，以使得由求和器308产生的误差信号e 能够反映在控制器300接收到过程变量测量的时间之间过程变量中的变化。在接收到过程变量测量的时间之间的控制器迭代中，将提供给求和器312的积分分量设定为零。这个技术防止或有助于避免控制系统300结束。实际上，由滤波器316产生的积分分量估计在接收到随后的过程变量反馈的时间(控制器迭代)之间的过程响应，如果当在控制器300接收到新的过程变量测量时，实际过程变量响应如同预期的，那么积分分量将使得在比例路径中产生的值归零。如果过程的预期响应与该时间期间的实际过程响应不同，那么积分分量将引起控制信号326中的变化以迫使致动器移动，从而校正致动器的位置。
过去，诸如在美国专利No.7,587,252和7,620,460中所述的系统中，用于非周期性更新的控制器的反馈路径中的复位贡献滤波器仅在可获得新的过程变量测量值时才计算预期响应的新指示。结果，复位贡献滤波器不补偿出现在过程变量测量的接收之间的设定点变化或前馈干扰，因为设定点变化或前馈干扰完全独立于任何测量值更新。例如，如果在两个测量更新之间出现设定点变化或前馈干扰，控制器的预期过程响应有可能失真，因为预期响应的新指示的计算基于自从最后的测量更新后的时间和当前控制器输出305。结果，滤波器316无法开始考虑由在控制器接收两个过程变量测量值之间出现的设定点变化(或其他前馈干扰)而产生的在过程(或控制信号)中的时间变化。
但会理解，图9的控制例程300通过使执行的计算基于缓慢的或非周期性测量值，同时还另外确定在两个测量值的接收之间的预期响应以考虑由设定点中的变化(或者用作到控制器300的前馈输入的任何测量的干扰)引起的变化来提供预期过程响应。因而，上述的控制技术能够适应可能影响预期过程响应的设定点变化、在测量的干扰上的前馈操作等，因而提供更鲁棒的控制响应。此外，由于其避免在控制器中的结束，这个控制技术能够当过程变量测量反馈速率等于或者甚至小于过程响应时间的倒数时(即当在控制器接收反馈测量之间的时间大于过程响应时间时)有效地操作。
会理解，图9中所示的控制技术借助连续更新的滤波器316(例如复位贡献滤波器)计算对控制块或例程300的每一个执行的预期响应的指示。在此，控制器300配置连续更新的滤波器316以计算对控制块的每一个执行的预期响应的新指示。但为了确定滤波器316的输出是否应用作到求和块312的输入，通信栈380，及在一些示例中，更新检测模块82(图3)，在接收到新的过程变量测量值时，处理从变送器306输入的数据以生成用于积分输出开关318和求和器326的新值标志。这个新值标志告知开关318采样并箝位到求和器312的输入端的这个控制器迭代的滤波器输出值。否则，开关318就将零(0.0)值作为积分贡献值提供给求和器312。
不管是否传送了新值标志，连续更新的滤波器316都连续计算对控制例程的每一次迭代的预期响应的指示。预期响应的这个新指示在控制块的每一个执行被传递到积分输出开关318。取决于是否存在新值标志，积分输出开关318在允许来自连续更新的滤波器316的预期响应的新指示通过以传送到求和块312与保持在到求和块312的输入端的零值之间切换。具体而言，当传送新值标志时，积分输出开关318允许来自连续更新的滤波器316的最近或当前计算的预期影响的指示传递到求和块312。相反，如果不存在新值标志，那么积分输出开关318就将零值提供给求和器312。
当在过程控制器300接收到新的过程变量测量值且在求和器312中使用连续滤波器316的输出R后或时，自从最后的通信后的时间设定为零(0)，连续滤波器输出R设定为零。类似地，求和器312的输出设定为零(0)。此外，在这些情形下，取决于块320执行差分计算的方式或顺序，求和器312可以从块320的输出扣除连续滤波器输出R，以生成新的控制信号326。
这个控制技术允许连续更新的滤波器316对预期过程响应连续建模，不管是否传送了新的测量值。如果控制输出作为基于测量的干扰的设定点变化或前馈操作的结果而改变，不管是否存在新值标志，连续更新的滤波器316都通过计算在每一个控制例程迭代的预期响应的新指示来反映预期过程响应。但预期响应的新指示(即复位贡献或积分分量)只有在传送了新值标志时(经由积分输出开关318)才包含在控制器输出信号计算中，这防止或减小了响应于在控制器300缓慢接收的过程变量测量的控制器结束。
应注意到，图9的简单PI控制器结构将滤波器316的输出直接用作对控制信号的复位贡献，在此情况下，闭环控制例程的复位贡献(例如以上提出的连续更新滤波器等式)在确定过程是否展现出稳态行为时可以提供过程响应的准确表示。但其他过程，例如停歇时间主导的过程，会需要通过将停歇时间单元包含在积分计算路径中而在图9的控制器中并入额外的分量，例如图5和6中所示的那些，以便对预期过程响应建模。关于可以由一阶模型很好地表示的过程，过程时间常数通常可以用于为PI(或PID)控制器确定复位时间。具体而言，如果复位时间设定为等于过程时间常数，复位贡献通常会抵消比例贡献，以使得随着时间过去，控制例程300反映预期过程响应。在图9所示的示例中，复位贡献可以由具有滤波器的正反馈网络来实现，所述滤波器具有与过程时间常数相同的时间常数。尽管可以利用其他模型，但正反馈网络、滤波器或模型提供了用于确定具有已知或近似的过程时间常数的过程的预期响应的便利机制。对于需要PID控制的那些过程，也称为速率的对PID输出的微分贡献也可以仅在接收到新的测量时重新计算并更新。在这些情况下，微分计算可以使用自从最后的新测量后所经过的时间。以下将结合图10来说明控制器的示例，其可以使用其他控制器部件以使用过程测量的非周期性接收来控制更复杂的过程，但可以使用图9的滤波技术来响应于设定点变化而提供鲁棒的控制。
具体而言，图10示出了可替换的控制器(或控制元件)400，其与以上图9中所述的控制器300的区别在于将微分或速率贡献分量包含在控制器400中。通过包含微分贡献，由控制器400实施的控制例程包括额外的反馈机制，以便在一些情况下实施比例-积分-微分(PID)控制方案。
图10的控制例程或技术包括微分贡献，其按照以上结合图7和8的系统所述的类似的方式配置，以适应缓慢的、非周期性或其他无法获得的过程测量的更新。可以基于自从最后测量更新后所经过的时间来重构微分贡献。以此方式，避免了在微分贡献(及得到的输出信号)中的尖峰信号。具体而言，由微分块432确定图10的微分贡献，微分块432与专门用于比例和积分贡献的元件并行地从增益块310接收误差信号(乘以了比例增益Kp)，并操作以产生微分控制分量OD，随后将它提供给变化块433。变化块433确定自从最后的控制器迭代后的微分控制分量中的变化，并将这个变化值提供给求和器434，求和器434将微分控制分量中的这个变化与求和器312的输出求和或相加以产生控制信号中的变化。在此情况下，积分贡献计算路径中的求和器322连接到求和器434的输出端。但图9中同样示出的图10的部件按照相对于图9所述的方式操作。会见到，微分块432仅在接收到新值标志(指示在控制器接收到过程变量测量的新值)的控制器迭代期间操作以计算新的微分分量OD。这个操作实际上对于在控制器40没有接收到新的过程变量测量的全部控制器迭代，将变化块434的输出保持为零。
为了适应不可靠的传输，且更一般地，测量更新的不可利用，微分贡献OD可以保持在最后确定的值，直到如由来自通信栈380的新值标志所示的接收到测量更新。这个技术允许控制例程按照控制例程的正常或已建立的执行速率继续进行周期性执行。在接收到更新的测量后，如图10所示的，微分块432可以根据以下等式确定微分贡献：
Figure DEST_PATH_GDA0001207404270000321
其中，eN＝当前误差
eN-1＝最后的误差
ΔT＝自从传送新值后经过的时间
OD＝控制器微分项
KP＝比例增益因子
KD＝微分增益因子
当然，如果希望的话，微分分量计算块432可以直接连接到求和器308的输出端以接收误差信号，微分增益项KD可以设定为包含微分增益与比例增益KP。借助用于确定微分贡献的这个技术，用于过程变量(即控制输入)的测量更新可以在一个或多个执行连续期间丢失或者无非获得，而不会产生输出尖峰信号，这实现了无扰的恢复。当重建通信时，或者在控制器接收到新的过程变量测量值时，微分贡献等式中的项(eN-eN-1)可以生成与在微分贡献的标准计算中所生成的相同的值。但对于标准PID技术，在确定微分贡献中的除数是执行期间。相反，该控制技术利用在两个连续接收的测量之间所经过的时间。借助所经过的时间大于执行期间，该控制技术产生比标准PID技术更小的微分贡献和减小的尖峰信号。
为了有助于确定所经过的时间，通信栈80可以将上述的新值标志提供给微分块432，如图10所示的。可替换的示例可以包括或涉及基于其值的新测量或更新的检测。此外，可以使用过程测量来代替比例或微分分量的计算中的误差。更一般地，通信栈380可以包括或包含任何软件、硬件或固件(或其任意组合)以实施与包括过程301中的任何现场设备、控制器外的过程控制元件等的过程301的通信连接。但在图10的控制器400中，连续更新的滤波器316和开关模块318以与以上相对于图9的控制器300所述的相同地操作，以响应于设定点变化提供鲁棒的控制。
本文所述的控制方法、系统和技术的实践不局限于任何一个特定无线架构或通信协议。在2005年6月17日提交的题为“Wireless Architecture and Support for ProcessControl Systems”的美国专利申请No.11/156,215中说明了合适的示例性架构和通信支持方案，其全部公开内容借以通过参考明确地并入本文中。实际上，对控制例程的修改非常适合于任何环境，其中，以周期性的方式来实施控制例程，但没有用于每一个控制迭代的过程变量测量更新。其他示例性环境包括例如由分析器或借助实验室样本不规则地或更少地提供采样值的情况。
该控制技术的实践不限于与单输入、单输出PID控制例程(包括PI和PD例程)一起使用，而是可以应用于多个不同多输入和/或多输出控制方案和级联控制方案中。更一般地，该控制技术还可以应用于任何闭环的基于模型的控制例程的环境中，涉及一个或多个过程输出变量，一个或多个过程输入或其他控制信号，例如模型预测控制(MPC)。
图11-14提供了相比于使用标准速度形式的PID控制算法的现有技术控制器的本文所述的(具体而言是图10的)控制例程的模拟操作的曲线图示，以例示本控制例程在过程响应时间类似于或者甚至小于在受控过程变量的测量的更新之间的时间的情形下的有效性。图11-14的曲线图例示了仅使用基本控制的模拟的控制示例，尽管可以使用其他类型的控制，例如超驰控制。一般来说，图11A、12A、13A和14A的每一个曲线图都例示了标准的现有技术的基于速度的PID控制算法的操作，使用了在每一个控制器迭代期间可获得新的过程变量测量值的有线反馈结构(其操作在曲线图的左侧示出)和无线结构(其操作在曲线图的右侧示出)。但图11A和13A例示了反馈速率或在过程变量测量之间的时间是8秒，且过程响应时间是8秒的控制情形，而图12A和14A例示了反馈速率或在过程变量测量之间的时间是8秒，且过程响应时间是3秒的现有技术控制器的操作。类似地，图11和12例示了响应于设定点变化的控制器操作，而图13和14例示了响应于干扰变化的这些相同控制器的操作。为了对照，图11B、12B、13B和14B的曲线图例示了在分别与图11A、12A、13A和14A的那些相同的过程控制情形中本文所述的基于速度的PID算法的操作。
一般来说，下列参数用于图11-14中所示的模拟控制操作中，这些测试针对有线和无线输入，并针对如上所述的设定点和不可测量的干扰中的变化进行。用于测试中的控制和过程模拟设置如下：
用于8秒的过程响应的测试
基本过程(相同增益和动态)
过程增益＝1
过程时间常数＝8秒
过程停歇时间＝0秒
对基本过程的PID调节(λ因子1.0)
比例增益＝1
积分增益＝7.5次重复/分钟
用于3秒的过程响应的测试
基本过程(相同增益好动态)
过程增益＝1
过程时间常数＝3秒
过程停歇时间＝0秒
对基本过程的PID调节(λ因子1.0)
比例增益＝1
积分增益＝20次重复/分钟
模块执行速率
全部测试为0.5秒
无线通信更新速率
全部测试为8秒周期性的
干扰输入
仅影响基本测量
增益＝1
如图11A和13A中所示的，现有技术的基于速度的PID控制算法在过程响应时间等于在过程比例测量之间的间隔(二者都设定为8秒)的有线结构和无线结构中响应于设定点变化(图11A)和干扰变化(图13A)有些令人满意地操作。但如图11A和13A的曲线图的圆圈部分所示的，这个控制技术引起阀门位置在无线控制期间的响应过程中经历显著的变化。如图11B和13B所示的，本文所述的当前控制技术在这些情形下(图11B中设定点变化，图13B中干扰变化)操作地好一点且非常类似于有线结构的操作。
但如图12A和14A所示的，在过程响应时间为3秒，且过程变量更新速率为8秒时，响应于设定点变化和干扰变化，现有技术的基于速度的PID控制算法在无线控制期间操作极差，实际上变得不稳定。但如图12B和14B所示的，当前基于速度的控制例程在这些情形下仍令人非常满意地操作，例示了在过程变量测量更新间隔时间大于(长于)，甚至明显大于(例如2-4倍于)过程响应时间时，当前所述控制例程的有效性。
本文在广泛的意义上使用术语“现场设备”以包括多个设备或设备的组合(即，提供多个功能的设备，例如变送器/致动器混合)，以及执行控制系统中的功能的任何其他设备。在任何情况下，现场设备例如都可以包括输入设备(例如，诸如提供表示例如温度、压力、流速等的过程控制参数的状态、测量或其他信号的传感器和仪器的设备)，以及控制操作者或致动器，其响应于从控制器和/或诸如阀门、开关、流量控制设备等的其他现场设备接收的命令而执行操作。
应注意，本文所述的任何控制例程或模块可以具有以在多个设备上的分布式方式实施或执行的部分。结果，控制例程或模块可以具有由不同控制器、现场设备(例如智能现场设备)或其他设备或控制元件实施的部分，如果希望这样的话。类似地，本文描述为在过程控制系统内实施的任何控制例程或模块可以采取任何形式，包括软件、固件、硬件等。提供这种功能所涉及的任何设备或元件在本文通常可以称为“控制元件”，不管与之相关的软件、固件或硬件是否布置在过程控制系统内的控制器、现场设备或任何其他设备(或设备的集合)中。控制模块可以是过程控制系统的任何部件或部分，例如包括例程、块或其任何元件，存储在任何计算机可读介质上。这种控制模块、控制例程或其任何部分(例如块)可以由本文统称为控制元件的过程控制系统的任何元件或设备来实施或执行。控制例程可以是控制程序的模块或任何部分，例如子例程、子例程的部分(例如代码行)等，可以以任何所希望的软件格式来实施，例如使用面向对象编程、使用梯形逻辑、顺序功能图、功能方框图，或使用任何其他软件的编程语言或设计范式。类似地，控制例程可以硬编码到例如一个或多个EPROM、EEPROM、专用集成电路(ASIC)或任何其他硬件或固件元件中。再进一步地，控制例程可以使用任何设计工具来设计，包括图形设计工具或任何其他类型的软件/硬件/固件编程或设计工具。因此，控制器11可以被配置为以任何希望的方式实施控制策略或控制例程。
可替换地或另外地，功能块可以存储在现场设备自身中并由它们实施，或者在过程控制系统的其他控制元件中，它们可以是利用Fieldbus设备的系统的情况。尽管本文使用功能块控制策略来提供控制系统的说明，但该控制技术和系统也可以使用其他常规惯例来实施或设计，例如梯形逻辑、顺序功能图等，或者使用任何其他所希望的编程语言或范式。
在实施时，本文所述的任何软件可以存储在任何计算机可读存储器中，例如磁盘、激光盘、或其他储存介质、计算机或处理器的RAM或ROM、闪存等中。类似地，这个软件可以使用任何已知的或所希望的交付方法交付给用户、加工厂或操作员工作站，例如包括在计算机可读盘或其他便携式计算机储存机制上或者通过通信信道，例如电话线、互联网、万维网、其他局域网或广域网等(其交付视为与经由便携式储存介质提供这种软件相同或可互换)。而且，这个软件可以无需调制或加密直接提供，或者可以在通过通信信道传送前使用任何适合的调制载波和/或加密技术调制和/或加密。
尽管参考特定示例说明了本发明，但其意图仅是说明性的，并非对本发明的限制，对于本领域普通技术人员显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所述的控制技术做出改变、添加或删除。

Claims (37)

1.一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包括当前迭代期间，使用连续更新的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；
在接收到新的过程响应指示的每一次控制器迭代期间，由耦合到所述连续更新的迭代滤波器的开关确定，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，由所述开关确定，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，所述新的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：
连续更新的迭代滤波器，所述连续更新的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；
耦合到所述连续更新的迭代滤波器的开关，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，提供由所述连续更新的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连续更新的迭代滤波器，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连续更新的迭代滤波器。
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信号。
20.根据权利要求10所述的过程控制器，其中，所述另外的值是在在前控制器迭代中由所述开关输出的积分控制信号值。
21.一种在控制例程的多次迭代的每一次迭代期间生成基于速度的过程控制信号的方法，包括：
相对于所述控制例程的多次迭代的每一次迭代，在较少的迭代中经由计算机处理设备接收受控的过程变量的新值；
使用计算机处理设备在所述控制例程的多次迭代的每一次迭代期间，生成基于差的积分反馈贡献，用于产生所述控制信号，包括：求和自接收到新过程变量值的所述控制例程的最后迭代以后、所述控制例程的每一次迭代期间生成的所述控制信号，以产生合计控制信号；将所述合计控制信号提供给连续更新的迭代滤波器；以及在所述多次迭代的每一次迭代期间，使用所述连续更新的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合计控制信号，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
在接收到新过程变量值的每一次迭代期间，由耦合到所述连续更新的迭代滤波器的开关确定，使用所述当前积分反馈贡献值来生成用于所述控制例程的当前迭代的所述控制信号，并且在没有从所述过程接收到新过程变量值的迭代期间，由所述开关确定，不使用所述当前积分反馈贡献值来生成所述控制信号；以及
使用所述控制信号控制所述过程变量。
22.根据权利要求21所述的生成基于速度的过程控制信号的方法，进一步包括：使用计算机处理设备在所述控制例程的迭代的每一次迭代期间，生成基于差的比例贡献；以及使用所述比例贡献在所述控制例程的迭代的每一次迭代期间生成所述控制信号。
23.根据权利要求21所述的生成基于速度的过程控制信号的方法，其中，所述新过程变量值是受所述控制信号影响的过程参数的测量。
24.根据权利要求21所述的生成基于速度的过程控制信号的方法，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合计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，生成所述当前积分反馈贡献值。
25.根据权利要求21所述的生成基于速度的过程控制信号的方法，其中，在没有从所述过程接收到新过程变量值的迭代期间，不使用所述当前积分反馈贡献值来生成所述控制信号包括：在没有从所述过程接收到新过程变量值的迭代期间，使用固定值作为所述当前积分反馈贡献来生成所述控制信号。
26.根据权利要求25所述的生成基于速度的过程控制信号的方法，其中，所述固定值是零。
27.一种基于速度的过程控制器，所述基于速度的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，所述基于速度的过程控制器包括：
通信单元，相对于所述过程控制器的多次迭代的每一次迭代，所述通信单元在较少的迭代中接收所述过程变量的新值；
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：
连续更新的迭代滤波器，所述连续更新的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
开关，所述开关耦合到所述连续更新的迭代滤波器，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，提供由所述连续更新的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
控制信号生成器，所述控制信号生成器被耦合为接收所述积分控制信号值以生成控制信号，用于在所述控制器迭代的每一次迭代期间控制所述过程。
28.根据权利要求27所述的基于速度的过程控制器，进一步包括比例控制部件，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过程变量的设定点值与所述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；并且
其中，所述控制信号生成器包括第二求和器，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。
29.根据权利要求28所述的基于速度的过程控制器，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。
30.根据权利要求29所述的基于速度的过程控制器，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。
31.根据权利要求28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，和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、所述微分增益单元的输出与在当前控制器迭代的、所述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，以产生所述控制信号。
32.根据权利要求27所述的基于速度的过程控制器，其中，所述积分控制部件包括另一个求和器，所述另一个求和器耦合到所述连续更新的迭代滤波器，其中，所述求和器对用于在前控制器迭代的控制信号进行求和，以产生合计控制信号值，并且其中，所述求和器将所述合计控制信号值作为输入提供给所述连续更新的迭代滤波器。
33.根据权利要求32所述的基于速度的过程控制器，其中，当在所述通信单元处接收到所述过程变量的新值后，所述求和器复位所述合计控制信号。
34.根据权利要求32所述的基于速度的过程控制器，其中，当在所述通信单元处接收到所述过程变量的新值后，所述求和器将所述合计控制信号复位为零。
35.根据权利要求27所述的基于速度的过程控制器，其中，所述另外的值是零。
36.根据权利要求27所述的基于速度的过程控制器，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控制信号生成器，所述控制信号转换单元将由所述控制信号生成器产生的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。
37.根据权利要求36所述的基于速度的过程控制器，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。
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