CN109578674B - 用于控制双动式致动器中的位置和交叉压力的优化方法 - Google Patents

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Abstract

可提供在考虑对交叉压力设定的约束(例如，包括设定点的死区范围)的情况下，数字地控制双动式气动致动器中的位置和交叉压力两者的系统和方法。控制可经由作用于致动器位置反馈和(例如，如由每一相应的气动腔室的压力反馈所指示的)交叉压力反馈的输入的控制算法(例如，多输入多输出(MIMO)控制算法)来实现。此外，本文中描述的实施例可以降低用于调节交叉压力的控制动作的必要频率，由此降低过程部件上的磨损，并允许对致动器位置的更精细的控制。

Description

用于控制双动式致动器中的位置和交叉压力的优化方法
技术领域
本公开内容总体上涉及控制阀，并且更具体地涉及用于控制作用于控制阀的双动式气动致动器的控制方法和系统。
背景技术
许多工业过程控制系统都使用控制阀来控制通过管道的过程流体的流动速率。传统上，控制阀可以经由致动器来打开和关闭，其中致动器的位置可以根据定位信号来设定，该定位信号由定位器基于过程设置、来自致动器位置传感器的反馈和/或其他输入生成。在一些过程环境中，致动器可以是包括两个气动腔室的双动式气动致动器，其中向每一腔室供应的气动流体的压差双向推动连接到阀杆的活塞。阀杆进而转换活塞的运动来调节控制阀的开度，以增加或减少过程流体的流动速率。
阀定位器和致动器组合的主要目的在于通过控制致动器位置来快速且准确地控制通过控制阀的流体流动。该组合的另一主要目的在于使由过程流体本身的流动所产生的力和/或其他环境力引起的致动器位置的不希望的偏差最小化。
致动器位置对这种力的敏感性可基于致动器的刚度而变化，在双动式气动致动器的情况下，该刚度可以表示为两个气动腔室的压力的平均(该平均有时被称为“交叉压力”)。低致动器刚度(即，两个腔室之间的低交叉压力)可使致动器更易受由过程流体力和/或其他力引起的位置偏差的影响，这可能另外导致致动器上磨损和损耗的增加。高致动器刚度(即，高交叉压力)可妨碍期望的致动器运动。
因此，致动器刚度在快速控制致动器位置的能力和减轻可能导致致动器位置方面不期望的偏差的振动力之间提供工程折衷。传统上，双动式气动致动器中的刚度可以经由机械调节(通常采用气动排气的形式)来调节以从气动腔室中“排出”不期望的压力。然而，这样的做法可能是耗时、不精确并且浪费气动流体的。因此，更精确地限定和维持致动器刚度的能力将改善在过程控制环境中的质量、耐久性和效率。
发明内容
本公开内容的方法实施例以及对应的系统可以在考虑到对交叉压力设置的约束(例如，包括设定点的死区范围)的情况下，以数字方式控制双动式气动致动器的位置和刚度(在本文中也被称为“交叉压力”)。控制可经由作用于致动器位置反馈和(例如，由每一相应的气动腔室的压力反馈所指示的)交叉压力反馈的输入的控制算法(例如，多输入多输出(MIMO)控制算法)来实现。此外，本文中描述的实施例可以降低用于调节交叉压力的控制动作的必要频率，由此降低过程部件的磨损，并且允许更精细地控制致动器位置(例如，经由相同的改进技术、经由先前描述的传统技术、和/或经由其他控制技术)。
在一可能实施例中，可以提供一种用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的计算机实现的方法。该方法可以包括：(1)监测关于双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力；(2)确定所监测的交叉压力在预定死区范围之外，其中所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的交叉压力值的范围；(3)响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力和设定点之间的差值，并使用计算出的差值来设置交叉压力误差变量；(4)使用该误差变量来执行控制算法，以将所监测的交叉压力驱动到设定点；和/或(5)响应于确定所监测的交叉压力已达到设定点，将误差变量设为零，同时所监测的交叉压力保持在死区范围内。该方法可以包括更多的、更少的或替换的动作，包括这本文描述的动作。
在另一可能实施例中，可提供一种用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的系统。该系统可包括：(1)用于获得第一压力测量值的第一传感器，该第一压力测量值指示双动式气动致动器的两个气动腔室中的第一腔室中的压力；(2)用于获得第二压力测量值的第二传感器，该第二压力测量值指示两个气动腔室中的第二腔室中的压力；以及(3)处理单元，该处理单元被配置为进行以下操作：(i)使用第一压力测量值和第二压力测量值来监测关于两个气动腔室的交叉压力，(ii)确定所监测的交叉压力在预定死区范围之外，其中该死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的交叉压力值范围，(iii)响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力与设定点之间的差值，并使用计算出的差值来设置交叉压力误差变量，(iv)使用误差变量来执行控制算法，以将所监测的交叉压力驱动到设定点，和/或(v)响应于确定所监测的交叉点压力已达到设定点，将误差变量设为零，同时所监测的交叉压力保持在死区范围内。该系统可以包括更多的、更少的或替换的部件和/或其功能，包括本文描述的那些部件和/或其功能。
在又一个可能实施例中，可以提供一种用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的控制器。该控制器可被配置为：(1)接收第一压力测量值，该第一压力测量值指示双动式气动致动器的两个气动腔室中的第一腔室中的压力；(2)接收第二压力测量值，该第二压力测量值指示两个气动腔室中的第二腔室中的压力；(3)使用第一压力测量值和第二压力测量值来监测关于两个气动腔室的交叉压力；(4)确定所监测的交叉压力在预定死区范围之外，其中死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的交叉压力值范围；(5)响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力与设定点之间的差值，并使用计算出的差值来设定交叉压力误差变量；(6)使用误差变量执行控制算法，将所监测的交叉压力驱动到设定点；和/或(7)响应于确定所监测的交叉压力已达到设定点，将误差变量设为零，同时所监测的交叉压力保持在死区范围内。控制器可被配置为执行更多的、更少的或替换的动作，包括本文中描述的动作。
附图说明
图1是被配置为操作双动式气动致动器的示例性控制阀定位系统的框图；
图2是用于控制双动式气动致动器的操作的控制回路的状态空间描述的示图；
图3A是绘制在控制双动式气动致动器中的交叉压力的传统技术的示例性实现中的交叉压力、误差变量和得到的控制动作的图表；
图3B是绘制在控制双动式气动致动器中的交叉压力的经改进的技术的示例性实现中的交叉压力、误差变量和得到的控制动作的图表；以及
图4是用于以数字方式控制双动式气动致动器中的交叉压力的示例性方法的流程图。
具体实施方式
尽管以下文本阐述了本发明的一个或多个示例性实施例的详细描述，但是应该理解，本发明的合法范围由本专利开始处阐述的权利要求的文字限定。因此，以下详细描述仅被解释为示例性的，而并未描述本发明的每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例即使不是不可能的也是不切实际的。可使用当前技术或在本专利的申请日之后开发的技术实现众多替换实施例。设想这些替换实施例仍将落入限定本发明的权利要求书的范围内。
包括双动式致动器的示例性系统
图1例示了包括双动式致动器1和用于控制致动器1的定位器10的系统的实现。在一些实现中，定位器10可被配置为包括数字阀控制器(DVC)的一些或全部高级功能，尽管图1并没有例示该功能。致动器1可包括上气动腔室2和下气动腔室3，它们可由活塞4分隔开。上气动腔室2和下气动腔室3之间的压差可以引起活塞4的运动，该运动可进而引起连接到活塞4的阀杆5的运动。阀杆5的运动(例如，阀杆5的线性位移或角位移)可以打开或关闭过程流体可流经的过程控制阀(PCV)。过程控制阀可以控制过程控制系统(例如化学或其他过程控制工厂)内的流体流动。
入口/出口6a可向上气动腔室2供应空气或其他控制流体和/或相反地，可以从上气动腔室2排出控制流体。同样，入口/出口6b可以向下气动腔室3供应控制流体，和/或从下气动腔室3排出控制流体。随着腔室2和3中的任一者或两者中控制流体的量改变，腔室2和3中的控制流体压差可以引起活塞4和阀杆5的位置移动以部分或完全打开或关闭控制阀。如本文中所使用的，术语“致动器位置”可指代由双动式气动致动器1的气动腔室2和3造成的阀杆5的位置。
在一些实施方式中，双动式致动器1可在腔室2和3中的一者或两者中包括用于失效打开或失效关闭动作的弹簧(未示出)。当例如腔室2和3中的任一者由于泄漏而减压时，这样的弹簧可将致动器置于致动器范围的一个极限处。弹簧可抵消两个腔室压力之间的平衡。
在一些实施方式中，替代致动器1中的机构可以借助齿条与齿轮、止专转轭或另一机构将活塞4的线性运动转换成阀杆5的旋转运动。在这些实现中，致动器1可包括一个或多个活塞以及两个或更多个气动腔室。
位置传感器11可被配置为例如通过检测阀杆5的线性位移来检测致动器1的位置。在利用替代旋转式致动器的实现中，替代位置传感器11可被配置为测量替代旋转式致动器的某一部分的角位移。压力传感器14a可被配置为检测上气动腔室2中的气动压力的量。类似地，压力传感器14b可被配置为检测下腔气动腔室3中的气动压力的量。在一些实现中，压力传感器14a和14b可位于相应腔室2和3的出口端口处。附加地或替换地，压力传感器14a和14b可被集成到定位器10的主体中，并且经由气动线路连接到相应的腔室2和3。在任何情况下，位置传感器11以及压力传感器14a和14b可通信地连接到处理单元16，以向处理单元16提供对所观察到的致动器位置和压力的反馈。
处理单元16可被配置为从位置传感器11接收位置反馈，和/或从压力传感器14a和14b接收压力反馈。在一些实现中，处理单元可包括一个或多个微处理器。在其他实现中，处理单元可以包括现场可编程门阵列(FPGA)或模拟电路。处理单元16可被配置为执行控制算法(例如，多输入多输出(MIMO)控制算法)以将电控制信号输出到相应的电流到压力(I/P)换能器20a-20d以用于为致动器1生成气动信号。另外，处理单元16可被配置为计算其他信号，例如诊断关于定位器和致动器的信息。
另外，定位器10可包括通信地耦合到处理单元16的接口18，其中处理单元16可包括有线和/或无线连接、用于通信和信号处理的电路、非瞬态存储器和/或人机器接口。在一些实施例中，接口18可传送可由人类操作员和/或控制算法定义的致动器控制约束、过程变量设定点和/或其他信息。位置设定点可以是动态变化的值，其由过程控制器使用预定的通信协议传送到接口。另一方面，对致动器刚度的约束可能不需要动态改变。在具有预先设置的对刚度的约束的实现中，处理单元16可访问接口18以检索刚度约束，例如通过访问其中可储存约束的非易失性存储器。
在任何情况下，处理单元16可输出用于控制致动器1的电信号，向I/P换能器20a-20d传输的电信号，这些电信号中的每一者都可连接到对应的气动放大器24a-24d，气动放大器24a-24d可放大经由相应的换能器20a-20d指定的流动速率。I/P换能器20a及对应的气动放大器24a与加压控制流体供应部流体连通，而I/P换能器20b及相应的气动放大器24b在低压下与排出部流体连通。供应和排出气动路径在气动汇总部件27中流体地结合并连接到上腔室2的出口6a。类似地，I/P换能器20c及相应的气动放大器24c与加压控制流体的供应部流体连通，而I/P换能器20d及相应的气动放大器24d在低压下与排出部流体连通。供应和排出气动路径在气动汇总部件28中流体地结合并连接到下腔室3的出口6b。在一些实现中，单个气动设备可以组合多个气动功能。例如，同一设备可包括气动放大器24a、24b和气动汇总部件27。
在操作中，处理单元16可与接口18通信以获得位置设定点以及对致动器1的刚度的约束。处理单元16还可以经由传感器11、14a和/或14b获得传感器读数，以获得致动器1的位移和致动器1的腔室2和3中的压力。处理单元16可根据限定致动器的刚度的数值指标(indicator)的方式，从收集到的传感器数据(例如，为腔室2和3的压力的平均值或加权和)计算致动器的刚度的数值指标。在一些实现中，对致动器刚度的约束可以被定义为可接受的两个腔室中的压力的平均值的范围(或“死区”)。在这些实现中，处理单元16可计算两个控制信号并传送这些信号来激活一个或多个四件式换能器20a-d，以调节腔室2和3中的一者或两者中的压力，从而调节致动器1的刚度。
在给定时间可仅需要为每一气动腔室激活换能器20a-20d中的一者，以便改变该腔室中的压力。因此，由处理单元16计算得到的两个控制信号可能足够了，因为这两个信号可为每一新控制动作激活四个换能器20a-20d中的两个换能器。
在一些实现中，如果两个换能器中的每一者都被配置为控制进出两个相应的腔室的双向流动，则定位器10可仅使用两个I/P换能器。
用于控制气动致动器中的位置和/或交叉压力的示例性控制回路
图2例示用于实现该详细描述中描述的系统和方法的多输入多输出(MIMO)实现的控制回路。该MIMO控制算法可例如控制双动式气动致动器中的致动器位置和/或致动器刚度(“交叉压力”)。可以通过从输入向量r中减去输出向量y来计算误差向量e。然后，可以将该误差向量乘以增益矩阵K，以获得向量u中的一个或多个控制信号。积分块1/s、系统矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C和馈通矩阵D描述控制信号u对输出y的影响。参考向量r和输出向量y可以包括该系统的相同参数。这些参数可包括致动器位置，并且在同时控制刚度的实现中，可以包括数值刚度指标。在一些实现中，参数还可包括致动器的速度，其中该速度的参考通常被设为零。
控制信号可被计算为位置误差与刚度指标的加权和。在该计算的另一实现中，可为致动器的速度添加因子，该因子也可被解释为位置误差的变化率，并且可使用连续的位置测量值的差值来计算。然后，得到的控制信号可随后被写为：
Figure BDA0001815227380000071
Figure BDA0001815227380000072
其中，Ca是上腔室的控制信号，Cb是下腔室的控制信号，Kp，a和-Kp，b是腔室的位置反馈增益，-Kv，a、Kv，b是速度反馈增益，-Ks，a、-Ks，b是刚度指标的反馈增益，ex是误差位置，
Figure BDA0001815227380000073
可被解释为位置误差的变化率，或简单地，被解释为致动器的速度，并且es是数值刚度指标的误差。在一些实现中，数值刚度指标可由压力指标替换，并且es则可由压力指标的误差ep替换。
控制信号Ca和Cb可以用与误差的加权和不同的各种方式来计算。例如，反馈增益可取决于这些误差或其他过程参数而改变值。同样，与上升至整数幂或非整数幂的误差成比例的项可被包括在误差计算之中。
控制信号Ca和Cb对I/P换能器的影响可取决于给定的实现。在一个实现中，模拟I/P换能器可被使用，并且控制信号可设置进入或离开对应腔室的流动速率的幅值，其中这些流动速率幅值例如与这些控制信号成比例。在另一实现中(该实现尤其适合于数字I/P换能器)，可控制固定流动速率的持续时间。例如，如果Ca为正，而Cb为负但其绝对值是Ca的绝对值的两倍，则图1中的I/P换能器20a和20d可以被激活，其中20d被激活达20a的持续时间的两倍。由此导致的腔室2中的控制流体量的增加和腔室3中的控制流体的减少两者都可有助于活塞4和阀杆5的向下运动。另外，如果腔室3中的控制流体量的减少大于腔室2中的的控制流体量增加，致动器的刚度可能降低。
与流动速率幅值相反，对流动速率持续时间的控制可特别适用于其中控制动作以预定义的间隔更新的控制方法的实现。该间隔中给定流动路径有效的一部分可以与对应的控制信号的幅值成比例，该幅值确定到相关联的I/P换能器的电脉冲的持续时间。
高效控制交叉压力
以上描述的实施例可使得阀控制器能够使用控制算法(例如，多输入多输出(MIMO)控制算法)来同时控制致动器位置和接近其相应的设定点(SP)的交叉压力。
实际上，可将死区(DB)引入受控过程变量(PV，例如位置和交叉压力)中的每一者，该死区对应于高于或低于设定点的过程变量值的允许范围。传统上，由控制器执行的控制算法的目的在于经由“控制动作”来驱动在其死区内的每一受控过程变量。为达到该目的，对于每一受控过程变量，控制器可设置(并且频繁更新)对应于该过程变量与该过程变量的可接受值之间的差值的误差变量e。传统上，e可以计算为：
e＝(SP–PV)–DB
换言之，e等于设定点和过程变量之间的差值减去由死区提供的限额(allowance)。通过计算e，当过程变量处于死区的任一边缘时，e的值为零，并且e随着设定点和过程变量之间的差值增加而线性增加。控制器可使用e(例如，在MIMO控制算法中作为输入)来执行控制算法，以将e驱动到0，由此将过程变量带进死区内。一旦每一受控变量都处于死区内，控制器就可关闭，直到过程变量离开其死区为止。
采用这种传统方法的缺点在于，在控制时段期间，受控过程变量将往往稳定在死区的边缘，并且可归因于过程控制系统中的控制流体泄漏和/或其他干扰而在死区周围振荡。每次及每当过程变量离开死区时(即，当e达到非零值时)，附加的控制动作可能是必须的，这通常在每一控制动作仅将过程变量驱动到其可接受范围的边缘时，尤其在控制算法经由以上描述的方法控制多个过程变量(例如，交叉压力和致动器位置)时，大量发生。这种频繁的控制动作可能需要大量电力或其他资源消耗，并且可能进一步导致过程控制系统部件上的显着磨损。
为了说明这些困难，图3A绘制了在其中控制器在控制时段t期间采用传统技术来控制双动式气动致动器中的交叉压力(以及在一些实施例中，同时控制诸如致动器位置之类的另一过程变量)的示例性实现方式中，交叉压力、交叉压力误差变量e及被采取来驱动交叉压力的控制动作的可能行为。在一些实施例中，包括一个或多个处理单元的控制器可监测交叉压力、计算e和/或发起控制动作来控制交叉压力。应当领会，本文中描述的控制行为仅仅是示例性的，并且交叉压力、e及控制动作的实际行为可与图3A中所示的行为不同。
在对应于控制时段t的开始的时间t0，交叉压力在死区之外(在这种情况下，低于-DB)。因此，控制器可将交叉压力误差变量e设为非零值。控制器可经由控制算法发起控制动作(例如，向一个或两个致动器腔室增加压力)，以使交叉压力上升到死区的边缘，并且因此使e在随后的时间t1变到零。最佳地，在t1，控制器可停止针对交叉压力的控制动作。
然而，用于使交叉压力上升的控制动作可必然包括向一个或两个致动器室增加压力。由于致动器位置基于两个腔室中的压差而变化，因此驱动交叉压力也可将致动器位置驱动到其自己的死区之外，尤其是控制器经由与交叉压力相同的控制算法和/或技术来控制致动器位置(即，将位置驱动到位置死区的边缘)。当位置被驱动到其自己的死区之外时，控制器可能需要在t1执行另一控制动作来校正当在t1停止对交叉压力的驱动时可观察到的位置误差(和/或另一过程变量误差)。对位置采取的控制动作可引起交叉压力的改变，从而使得交叉压力误差在随后的时间t2被再次观察到。因此，从t2到另一时间t3，进一步的控制动作可能是必须的，以校正交叉压力误差。实际上，可能产生一个循环，在该循环中，用于将交叉压力驱动到其死区内的控制动作使将致动器位置驱回到其相应的死区内的随后的控制动作成为必需，并且反之亦然。
因此，利用传统控制算法来控制交叉压力和致动器位置的尝试可使不期望的频繁控制动作成为必需，从而将附加的复杂性引入致动器位置控制的已经困难的努力中。应该注意，在过程控制环境中，位置控制可能需要极其精确的精度。在一些实现中，例如，可以仅允许高于或低于设定点0.125％的最大位置变化。同时，交叉压力可能不需要那么高的精度，并且例如在其设定点正负(周围的)5％或10％的变化可以是可接受的。
为了减轻以上描述的传统控制技术的缺点，设想了一种改进的控制技术，在该改进的控制技术中，控制算法可执行交叉压力误差变量的经修改的设置以不只将交叉压力驱动到其死区的边缘处，而且更接近其设定点，这可允许对致动器位置和/或其他受控过程变量的更集中的控制。根据该新技术，对交叉压力误差变量e的计算可基于观察到的交叉压力是否已离开其死区以及交叉压力是否已达到或越过其设定点而不同。在交叉压力被确定为在其死区之外的时间，e可被定义为：
e＝(SP-PV)
其中PV表示交叉压力的值。控制算法可利用e，并且控制器算法可发起控制动作，该控制动作将交叉压力驱动到其设定点，由此根据该经修改的对e的计算将e驱动到零。一旦交叉压力达到其设定点(即，e等于零)或越过其设定点(即，e改变符号)，控制器就可将e设为零，只要交叉压力保持在其可接受的死区范围内即可。因此，当设定的交叉压力误差变量e为零时，用于校正交叉压力的控制动作可能不是必要的。
为了说明该经改进技术的益处，图3B绘制了在其中控制器在控制时段t期间采用该经改进的技术来控制双动式气动致动器中的交叉压力(以及在一些实施例中，同时还控制诸如致动器位置之类的另一过程变量)的示例性实现中，交叉压力、交叉压力误差变量e以及所采取的用于驱动交叉压力的控制动作的可能行为。在一些实施例中，包括一个或多个处理单元的控制器可监测交叉压力、计算e和/或发起控制动作以控制交叉压力。应当领会，本文中描述的控制行为仅仅是示例性的，并且交叉压力、e及控制动作的实际行为可与图3B中示出的行为不同。
在对应于控制周期t的开始的时间t0，交叉压力在死区之外(在这种情况下，低于-DB)。因此，控制器可计算交叉压力和设定点之间的差值，并将e设为计算出的差值。控制器可以发起控制动作以将交叉压力驱动到其设定点，从而将e驱动到零。一旦e在随后的时间t1达到零或者改变符号(即，随着交叉压力越过其设定点)，用于驱动交叉压力的控制动作就可停止，且控制器可关闭。
通过该改进的技术，一旦e在t1达到零或改变符号，控制器就可将e设置为零，只要所监测的交叉压力保持在其死区(即，在+DB和-DB处或在+DB和-DB之间)(在该情况下，为直到时间t2，t2可比传统控制技术中观察到的时间明显更远离t1)。在e设为零的情况下，控制器可不需要在t1和t2之间的“零间隔”期间执行控制动作来校正交叉压力。在该零间隔期间，控制器所采取的任何控制动作都可能旨在控制位置和/或可能需要特别精细的控制的其他过程变量。在t2处，控制器可重新计算e并将e设为交叉压力与设定点之间的差值(从而导致图3B中可见e的峰值)。得到的控制动作可从t2到另一个时间t3将交叉压力驱动回其设定点。在t3处，交叉压力再一次在其死区的中间附近，并且在t3之后的另一零区间可使得控制器能够避免进一步的控制动作，和/或精细地控制位置和/或其他受控过程变量。
实际上，经由该改进的控制技术，在交叉压力误差e被限定为零并且由此不会影响控制器输出情况下，大范围的值是有可能的，从而通过允许更精确的控制动作被执行以便精细地控制致动器位置和/或降低由控制动作的频繁循环所引起的过程控制部件上的磨损而简化了控制。
用于控制双动式气动致动器中的交叉压力的示例性方法
图4例示了用于控制双动式气动致动器中的交叉压力的示例性方法400。方法400可例如经由数字阀控制器(DVC)、可编程逻辑控制器(PLC)和/或另一控制器来执行，其可设置在结合图1来描述的处理单元16内。控制器可被配置为执行诸如多输入多输出(MIMO)控制算法(例如，图2的控制回路)之类的控制算法，以在过程环境中在某一时间段内控制致动器中的交叉压力和致动器位置两者。
该方法可包括监测关于(over)双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力(或“刚度”)(402)。监测交叉压力可包括接收两个气动腔室中的第一腔室中的压力指示以及这两个腔室中的第二腔室中的压力指示。在一些实施例中，这些压力指示可经由设置在相应的两个腔室处的两个压力传感器来获得。监测交叉压力可包括基于所指示的压力来计算交叉压力(例如，为这两个所指示的压力的加权和、为这两个所指示的压力的平均值、或经由某一其他计算)。在一些实现中，控制器可被配置为通过获取频繁的压力指示以及通过在过程环境中的操作期间频繁地计算交叉压力来频繁地(例如，以预定间隔)监测交叉压力。
一般而言，交叉压力可针对期望设定点来监测和控制，并且可例如由人类操作员和/或控制程序(例如，预先安装在数字阀控制器处或以其他方式包括在数字阀控制器处的程序)来限定。所限定的交叉压力在控制时段期间可以是静态的，或者替换地可以是动态的，例如基于时间、可变的供应压力和/或检测到的致动器位置而变化。预定义的死区范围可以对应于设定点之上和之下的交叉压力值的范围(例如，+DB到-DB，包括SP，如图3A和3B中所描绘的)。死区范围可例如被限定为例如设定点的任一侧上的百分比限额(例如，与设定点的+/-5％或+/-10％的交叉压力差)，并且可由人类操作员和/或控制器处的控制程序来定义。
方法400可包括通过监测交叉压力确定所监测的交叉压力在预定义的死区范围之外(404)。方法400可包括，响应于确定所监测的交叉压力在死区范围之外，计算所监测的交叉压力与交叉压力设定点之间的差值，并使用所计算的差值来设定交叉压力误差变量(406)。
方法400可包括使用误差变量执行控制算法，以便将所监测的交叉压力驱动到设定点(408)。在一些实现中，MIMO控制算法可使用交叉压力误差变量作为多个输入中的一个输入来执行(例如，根据图2的示图)，其中该多个输入可另外包括(经由本文中描述的控制技术中的一者或多者中的任一者计算得到的)位置误差，使得MIMO控制算法可控制双动式气动致动器中的交叉压力和致动器位置两者。驱动所监测的交叉压力可包括输出一个或多个控制信号(例如，如本文中所描述的，包括向一个或多个I/P换能器提供控制信号)以影响交叉压力，其可在方法400的一部分或全部执行期间，继续(例如，以预定的频率)被监测。
一旦所监测的交叉压力已达到或越过设定点(即，一旦误差变量已达到零或改变符号)，方法400可包括，响应于确定所监测的交叉压力已达到或越过设定点，在所监测的交叉压力保持在死区范围内时，将该误差变量设为零(410)。换言之，交叉压力可被继续监测，并且只要该交叉压力不离开死区范围，误差变量就可保持为零。例如，控制器可设定误差变量，并在交叉压力保持在可接受的死区范围内时，将该误差变量保持在零处，从而使得可不采取影响交叉压力的附加控制动作。实际上，实现了其中控制器可执行对致动器位置和/或过程环境的其他方面的更集中的控制的时间段。
因此，在一些实现中，方法400可进一步包括，在将交叉压力误差变量设为零后，确定所监测的交叉压力再次在死区范围之外。响应于该确定，方法400可包括重新计算所监测的交叉压力和交叉压力设定点之间的差值，并将该误差变量设为该差值。结果，例如，控制器可通过执行如先前所描述的控制算法来发起控制动作，以将所监测的交叉压力驱动回到其设定点，从而允许另一时间段，在该另一时间段期间，影响交叉压力的控制动作可能并不必要。
在方法400执行期间的任何时间，方法400可以附加地包括经由本文中描述的控制技术中的任一者或多者来在同一双动式气动致动器中监测和/或控制致动器位置(和/或另外的一个或多个过程参数)。在一些实现中，执行MIMO控制算法以控制交叉压力的控制器还可例如通过(例如，经由致动器位置传感器)监测致动器位置并使用致动器位置误差变量的输入(通过本文中描述的技术中的任一者或多者来设定)以及交叉压力误差变量来执行MIMO控制算法来控制致动器位置。
方法400可包括附加的、替代的或更少的动作，包括本文中描述的那些动作。
附加考虑因素
前面的详细描述仅出于清楚理解的目的而给出，而不应该中理解不必要的限制，因为修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。另外，在整个说明书中，多个实例可实现作为单个实例来描述的部件、操作或结构。尽管一个或多个方法的各个操作是作为分开的操作来例示和描述的，但是各个操作中的一者或多者可被同时执行，或者可按照所示顺序的替代顺序来执行。在示例性配置中作为分开的部件来呈现的结构和功能可被实现为组合的结构或部件。类似地，作为单个部件来呈现的结构和功能可被实现为分开的部件。这些和其他变化、修改、增加和改进都落在本文主题的范围内。
在整个说明书中，描述为由处理单元16或其他类似的设备(或其上执行的例程或指令)执行的动作通常指代处理器根据机器可读指令操纵或转换数据的动作或过程。机器可读指令可被储存在通信地耦合到处理器的存储器设备上并从其中检索。换而言之，本文中描述的方法可以通过储存在非瞬态计算机可读介质上(即，在存储器设备上)的一组机器可执行指令来体现。这些指令在由相应设备(例如，服务器、移动设备等)的一个或多个处理器执行时使得处理器执行该方法。当在本文中将指令、例程、模块、过程、服务、程序和/或应用称为被储存或保存在计算机可读存储器或计算机可读介质上的情况下，词语“储存”和“保存”旨在排除瞬态信号。
除非另有明确说明，否则本文中使用诸如“处理”、“估算”、“计算”、“确定”、“标识”、“呈现”、“显示”等单词的讨论可指操纵或变换在一个或多个存储器(例如，易失性存储器、非易失性存储器或其组合)、寄存器或者接收、储存、传输或显示信息的其他机器部件内被表示为物理(例如，电子、磁性或光学)量的数据的机器(例如，计算机)的动作或过程。
当以软件实现时，本文中描述的应用、服务和引擎中的任一者可被储存在任何有形的、非瞬态的计算机可读存储器(诸如储存在磁盘、激光盘、固态存储器设备、分子存储器储存设备或其他储存介质上)，存储在计算机或处理器的RAM或ROM中等。虽然本文中公开的示例性系统被公开为包括在硬件上执行的软件和/或固件以及其他部件，但应该注意，这样的系统仅仅是说明性的，而不应被认为构成限制。例如，预期这些硬件、软件和固件部件中的任何一者或全部都可以专门以硬件、专门以软件或以硬件和软件的任何组合来体现。因此，本领域的普通技术人员将容易地领会，所提供的示例并不是实现这样的系统的唯一方式。
因此，虽然已经参考具体的示例(这些示例旨在仅是说明性的而不构成对本发明的限制)描述了本发明，但是对本领域的普通技术人员显而易见的是，可对所公开的实施例做出改变、增加或删除，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种数字地控制双动式气动致动器的方法，所述方法包括：
监测关于所述双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力；
确定为所监测的交叉压力在预定的死区范围之外，所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的值；
响应于确定为所监测的交叉压力在所述死区范围之外，确定在所监测的交叉压力与所述交叉压力设定点之间的差值，以生成交叉压力误差；
使用所述交叉压力误差来执行控制动作，以将所监测的交叉压力驱动至所述交叉压力设定点；
响应于确定为所监测的交叉压力已达到所述交叉压力设定点，将所述交叉压力误差设为零；以及
在所监测的交叉压力在所述死区范围内的情况下，将所述交叉压力误差保持为零。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制动作是第一控制动作，所述方法还包括执行第二控制动作，以将所述气动致动器的位置驱动至位置设定点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，执行所述第一控制动作和所述第二控制动作包括：实现多输入多输出（MIMO）控制方案。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述交叉压力误差的符号的变化，确定为所监测的交叉压力已达到所述交叉压力设定点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述交叉压力包括：（i）接收对所述气动致动器的所述两个气动腔室中的第一腔室中的压力的指示，（ii）接收对所述气动致动器的所述两个气动腔室中的第二腔室中的压力的指示，以及（iii）基于所指示的在所述第一腔室和所述第二腔室中的压力来确定所述交叉压力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算所述交叉压力包括：计算所指示的在所述第一腔室和所述第二腔室中的压力的加权和。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算所述交叉压力包括：计算所指示的在所述第一腔室和所述第二腔室中的压力的平均值。
8.一种用于数字地控制双动式气动致动器的系统，包括：
双动式气动致动器，所述双动式气动致动器具有第一气动腔室和第二气动腔室；
第一传感器，所述第一传感器用于确定所述第一气动腔室中的压力；
第二传感器，所述第二传感器用于确定所述第二气动腔室中的压力；以及
控制器，所述控制器被配置为：
使用第一压力测量值和第二压力测量值来监测关于两个气动腔室的交叉压力，
确定为所监测的交叉压力在预定的死区范围之外，所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的值，
响应于确定为所监测的交叉压力在所述死区范围之外，确定在所监测的交叉压力与所述交叉压力设定点之间的差值，以生成交叉压力误差，
使用所述交叉压力误差来执行控制动作，以将所监测的交叉压力驱动至所述交叉压力设定点，
响应于确定为所监测的交叉压力已达到所述交叉压力设定点，将所述交叉压力误差设为零，以及
在所监测的交叉压力在所述死区范围内的情况下，将所述交叉压力误差保持为零。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制动作是第一控制动作，所述控制器还被配置为执行第二控制动作以将所述气动致动器的位置驱动到位置设定点。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，为了执行所述第一控制动作和所述第二控制动作，所述控制器实现多输入多输出（MIMO）控制方案。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器还被配置为基于所述交叉压力误差的符号的变化来确定所监测的交叉压力已达到所述交叉压力设定点。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，为了监测交叉压力，所述控制器还被配置为：（i）接收对所述气动致动器的两个气动腔室中的第一气动腔室中的压力的指示，（ii）接收对所述气动致动器的所述两个气动腔室中的第二气动腔室中的压力的指示，以及（iii）基于所指示的所述第一气动腔室和所述第二气动腔室中的压力来确定所述交叉压力。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，为了计算所述交叉压力，所述控制器被配置为计算所指示的在所述第一气动腔室和所述第二气动腔室中的压力的加权和。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，为了计算所述交叉压力，所述控制器被配置为计算所指示的在所述第一气动腔室和所述第二气动腔室中的压力的平均值。
15.一种被配置为数字地控制双动式气动致动器的控制器，所述控制器包括：
处理硬件；以及
其上储存有指令的存储器，所述指令在由所述处理硬件执行时，使得所述控制器执行方法，所述方法包括以下步骤：
监测关于所述双动式气动致动器的两个气动腔室的交叉压力，
确定为所监测的交叉压力在预定的死区范围之外，所述死区范围对应于在交叉压力设定点之上和之下延伸的值，
响应于确定为所监测的交叉压力在所述死区范围之外，确定在所监测的交叉压力和所述交叉压力设定点之间的差值，以生成交叉压力误差，
使用所述交叉压力误差来执行控制动作，以将所监测的交叉压力驱动至所述交叉压力设定点，
响应于确定为所监测的交叉压力已达到所述交叉压力设定点，将所述交叉压力误差设为零，以及
在所监测的交叉压力在所述死区范围内的情况下，将所述交叉压力误差保持为零。
16.根据权利要求15所述的控制器，其特征在于，所述控制动作是第一控制动作，所述方法还包括执行第二控制动作，以将所述气动致动器的位置驱动到位置设定点。
17.根据权利要求16所述的控制器，其特征在于，执行所述第一控制动作和所述第二控制动作包括实现多输入多输出（MIMO）控制方案。
18.根据权利要求15所述的控制器，其特征在于，所述方法还包括基于所述交叉压力误差的符号的变化来确定所监测的交叉压力已达到所述交叉压力设定点。
19.根据权利要求15所述的控制器，其特征在于，监测所述交叉压力包括：（i）接收对所述气动致动器的所述两个气动腔室中的第一腔室中的压力的指示，（ii）接收对所述气动致动器的所述两个气动腔室中的第二腔室中的压力的指示，以及（iii）基于所指示的所述第一腔室和所述第二腔室中的压力确定所述交叉压力。
20.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，计算所述交叉压力包括计算所指示的所述第一腔室和所述第二腔室中的压力的加权和。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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