CN113272759A - 质量流量控制器和控制器算法 - Google Patents

Abstract

一种质量流量控制器，该质量流量控制器包括线性化系统，该线性化系统用于控制阀的线性响应以便控制该质量流量控制器的增益。该线性化系统包括流量建模系统，该流量建模系统用于处理与通过流动路径的该流体流量有关的流体类型、流量、压力和温度值信号中的至少一项并确定流体特性。该线性化系统还包括阀建模系统，该阀建模系统用于根据阀规格、期望的流量和所确定的流体特性来确定该阀所需的操作特性。该线性化系统确定用于控制该阀的升程以获取期望流体流量的增益。该增益是通过计算预测升程相对于流体流量的导数和驱动相对于预测升程的导数来确定的。

Description

质量流量控制器和控制器算法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月29日提交的名称为“Mass Flow Controller andcontroller algorithm[质量流量控制器和控制器算法]”的美国临时专利申请号16/116,780的优先权，该美国临时专利申请的全部内容出于所有目的通过援引并入本文。

技术领域

本公开内容总体上涉及用于控制通过流动路径的流体流量的质量流量控制器(MFC)，并且尤其涉及一种用于通过控制质量流量控制器阀的线性响应来控制质量流量控制器的增益的MFC和控制器算法。

背景技术

MFC是用于基于期望的流量以及所测得的温度、压力和流体流量的实时反馈测量结果来控制通过流动路径的流体流量的装置。为了控制这一过程并维持期望的流量，质量流量控制器根据反馈测量结果机电地控制阀的打开和关闭，以实现期望的流量。当前，可用的MFC缺乏维持有限的控制水平所需的复杂性，从而无法在不会由于各种非线性伪像而将噪声引入系统中的情况下持续不断地维持期望的流量。

发明内容

在实施例中，呈现了一种用于控制流体流量的质量流量控制器。该质量流量控制器包括：入口，该入口用于接收该流体；阀致动器，该阀致动器联接到阀，用于通过控制该阀的操作来调节流出该质量流量控制器的出口的该流体流量；至少一个传感器，该至少一个传感器用于测量与通过流动路径的该流体流量有关的流体类型、压力和温度值信号中的至少一项；以及线性化控制系统，该线性化控制系统与该阀致动器联接，用于通过使用期望的流体流量和该至少一个信号值控制该阀的线性响应来控制该质量流量控制器的增益；其中，该线性响应是通过确定致动器驱动值的变化和该流体的流量变化dDrive/dFlow来控制的。

在本实施例中，该线性化控制系统进一步包括：流量建模系统，该流量建模系统用于根据该至少一个值信号来确定流体特性；以及阀建模系统，该阀建模系统用于根据阀规格和所确定的流体特性来确定该阀所需的操作特性。该阀建模系统进一步被配置为：确定用于控制该阀的升程以获取该期望流体流量的驱动值；其中，该驱动值由用于流体流量变化的阀升程之间的关系来确定。该线性化控制系统被配置为：扫描存储在该质量流量控制器的存储器装置中的该阀的驱动值；基于该压力和该温度值信号来确定相应的流量值；将所确定的流量值转换为升程值；以及确定给定流量变化的驱动值与升程值之间的关系。该质量流量控制器还包括用于存储该阀的多个驱动值和升程值的存储器模块。该线性化控制系统被配置为：使用g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)来确定流量的升程与流量关系的导数；使用f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D来确定作为升程的函数的致动器增益；以及使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定增益；其中，X1和X2是流量值，并且Y1和Y2是相应的升程值。Y1和Y2是所计算出的对应于流量值X1和X2的大约+/-1％的升程值。

在又另一实施例中，呈现了一种用于通过质量流量控制器来控制流体流量的方法。该方法包括：通过入口接收该流体；使用阀致动器通过控制该阀的操作来调节流出该质量流量控制器的出口的该流体流量；接收期望的流体流量，并且从至少一个传感器接收与通过流动路径的该流体流量有关的压力、温度值、流量和流体类型信号中的至少一项；以及通过使用该至少一个信号值控制该阀的线性响应来控制该质量流量控制器的增益；其中，该线性响应是通过确定致动器驱动值的变化和该流体的流量变化dDrive/dFlow来控制的。该方法进一步包括：根据该至少一个值信号来确定流体特性；以及根据阀规格和所确定的流体特性来确定该阀所需的操作特性。该方法进一步包括：确定用于控制该阀的升程以获取该期望流体流量的驱动值；其中，该驱动值由用于流体流量变化的阀升程之间的关系来确定。该方法进一步包括：扫描存储在该质量流量控制器的存储器单元中的该阀的驱动值；基于该压力和该温度值信号来确定相应的流量值；将所确定的流量值转换为升程值；以及确定给定流量变化的驱动值与升程值之间的关系。该方法进一步包括将该阀的多个驱动值和升程值存储在存储器模块中。该方法还包括：使用g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)来确定流量的升程与流量关系的导数；使用f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D来确定作为升程的函数的致动器增益；以及使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定增益；其中，X1和X2是流量值，并且Y1和Y2是相应的升程值。Y1和Y2是所计算出的对应于流量值X1和X2的大约+/-1％的升程值。

在仍又另一实施例中，呈现了一种用于质量流量控制器的过程控制系统。该控制系统包括：线性化模块，该线性化模块与阀致动器和存储器装置可通信地联接，该线性化模块通过使用期望的流体流量和来自至少一个传感器的与通过流动路径的流体流量有关的压力、温度值、流量和流体类型中的至少一项控制阀的线性响应来控制该质量流量控制器的增益。该线性化模块进一步包括：流量建模系统，该流量建模系统用于根据该至少一个值信号来确定流体特性；以及阀建模系统，该阀建模系统用于根据阀规格和所确定的流体特性来确定该阀所需的操作特性。该线性响应是通过确定致动器驱动值的变化和该流体的流量变化来控制的。该阀控制系统进一步被配置为：扫描存储在该质量流量控制器的存储器单元中的该阀的驱动值；基于该压力和该温度值信号来确定相应的流量值；将所确定的流量值转换为升程值；以及确定给定流量变化的驱动值与升程值之间的关系。该线性化模块进一步被配置为：使用g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)来确定流量的升程与流量关系的导数；使用f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D来确定作为升程的函数的致动器增益；以及使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定增益；其中，X1和X2是流量值，并且Y1和Y2是相应的升程值。如权利要求19所述的过程控制系统，其中，Y1和Y2是所计算出的对应于流量值X1和X2的大约+/-1％的升程值。

在具体实施方式中阐述了附加实施例、优点和新颖特征。

附图说明

为了更全面地理解本公开内容的特征和优点，现在参照具体实施方式以及附图，其中不同附图中的相应附图标记表示相应部分，并且其中：

图1是根据某些示例实施例的MFC的框图的图示；

图2是根据某些示例实施例的用于控制MFC的控制阀的线性响应的控制器系统的图示；

图3A是根据某些示例实施例的控制器系统的阀和流体流量建模算法的图示；

图3B是根据某些示例实施例的控制器系统的流体流量控制算法的图示；

图4A是根据某些示例实施例的控制命令滤波斜坡信号在已经通过控制器系统的滤波过程之后的图示；

图4B是根据某些示例实施例的性能曲线图的图示，该性能曲线图展示了对滤波后的与相关过程信号相关的设定点值进行的精度过程控制；

图4C是在不同的控制器系统设置下基于压力的MFC响应时间与设定点值之间的性能曲线图的图示；以及

图5是根据某些示例实施例的描绘计算机器和系统应用的框图。

具体实施方式

尽管下面详细讨论了本公开内容的各种实施例的制造和使用，但是应当了解，本公开内容提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可以在很多具体背景中体现。本文讨论的具体实施例仅是说明性的，并不限制本公开内容的范围。为了清楚起见，在本公开内容中可能并未描述实际实施方式的所有特征。当然，应了解，在任何这种实际实施例的开发中，必须做出许多专门针对实施方式的决策，以实现开发者的具体目标，比如遵守与系统有关的约束和与业务有关的约束条件，这将因实施方式而不同。此外，应了解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言将会是例行的工作。

本文呈现的MFC和控制算法具有许多实际应用，例如，当在半导体处理领域中使用时，MFC和控制算法提供了显著的优点。这些控制算法(例如，通过实施在整个控制范围内和所有操作条件下都能实现快速、精确和一致的瞬态响应特性的控制算法)提供了优于传统MFC的优点。此处呈现的控制算法包括流量控制算法、流量建模算法和阀建模算法，它们可以一起通过提供对MFC阀操作的精确线性响应控制来显著改善MFC操作。此外，设定点控制命令输入滤波可以增加稳定性和一致性，以控制不想要的非线性瞬态响应。

控制算法在MFC内可以是完全独立的。这样的优点是，可以在配置不同的流体类型以及实际温度、压力和流量发生变化时实时对流体特性进行建模。这样的另一个优点是，可以使用由流量建模算法提供的流体特性来建立期望的流量所需的阀开度与实现该流量所需的驱动信号之间的关系。本文描述的流量控制算法可以是增益-超前-滞后(GLL)控制器(PID控制器的一种形式)，它结合了可变和动态增益输入(以下称为GLL增益)，用于使系统的受控对象增益线性化，该受控对象增益是反馈信号相对于控制器的输出的导数。执行非实时GLL增益计算的替代性方法是使用离线二维表和外部软件。此实施方式的不期望属性是，GLL增益表的生成基于预定义的压力范围和温度，而不是基于实际的温度和压力，二维增益表需要很大的存储量，并且创建该表可能比较耗时。

在MFC固件中实施的流量建模算法和阀建模算法提供了显著的优点。例如，可以在每个处理循环上执行GLL增益计算。无需生成表。阀建模算法可以实时处理压力、温度和流体速率，并且因此，可以更准确地管理不同流体类型的流量。GLL增益本质上是给定流量变化所需的驱动变化量。GLL增益可以表示为1/(dFlow/dDrive)，或简单地表示为dDrive/dFlow。由于GLL增益可以表示为dDrive/dFlow，因此可以确定驱动与流量的关系。使用阀建模算法，可以通过流量确定升程，反之亦然，这将在下文更详细地讨论。

此外，由于压力换能器的响应时间较快，因此可以将瞬态流量控制响应时间指定为更严格的容差。例如，瞬态流量响应时间可以控制在200ms+/-10ms之内。这是对传统系统的显著改进。这可以在流量控制器命令输入上使用各种滤波功能来完成。命令滤波的另一个优点是，GLL控制器现在只需要控制命令输入与过程变量之间的较小误差，因此可以在不影响稳定性的情况下将GLL控制器谐调为更具响应性。如果没有命令滤波，则命令输入的任何变化都会使GLL控制器出现较大且瞬时的误差。又另一个优点是提供了一种手段，以便用很少的时间和精力轻松地提供分层的响应时间。传统上，当需要更严格的瞬态响应时间容差或通常更快的瞬态响应时间时，通常需要大量的时间和精力来完善众多的调谐参数以获得期望的结果。使用命令滤波，在大多数情况下，可以通过调整单个属性来快速且轻松地完成此操作。

现在参照图1，展示了根据某些示例实施例的总体上表示为100的MFC的框图。MFC100可以包括台阶102、质量流量计104、以及包含阀108和致动器110的阀组件106，所有这些部件都可以安装在流体入口114与流体出口116之间的台阶102上。MFC 100可以进一步包括可通信地联接在质量流量计104与阀组件106之间的阀控制系统118。另外，质量流量控制器100可以包括入口压力换能器120和出口压力换能器122，该入口压力换能器和出口压力换能器在上游位置和下游位置联接到流动路径并且与阀控制系统118可通信地联接。质量流量计104可以包括流体流经的旁路通道124和较小部分的流体流经的具有流量传感器126的另一通道。另外，质量流量控制器100可以使用热质量流量传感器来测量温度和流量，但是可以使用其他传感器类型，包括基于科里奥利的传感器(Coriolis-based sensor)和压差传感器。基于科里奥利的传感器能够独立于温度、流量分布、密度、粘度和均匀性来确定质量流量。

实际上，当流体流过压力换能器120和122以及流量传感器126时，可以将实时压力数据、流量数据和温度数据提供给阀控制系统118。流体的流量可能是敏感的，并且许多操作条件(包括流体类型、入口和出口压力、温度、流量设定点值和阀操作特性)都可能影响流体的流量，即，导致流量偏离期望的设定流量。阀控制系统118可以通过向阀致动器110提供纠错驱动信号来实时控制阀10的操作，从而基于流体类型、入口压力换能器和出口压力换能器的读数、流量设定点值和阀规格对阀108和流量进行调整，以控制阀108的操作。可以在质量流量控制器中使用反馈控制方法(比如比例控制、积分控制、比例-积分(PI)控制、微分控制、比例-微分(PD)控制、积分-微分(ID)控制和比例-积分-微分(PID)控制)来控制流体流量。

现在参照图2，展示了根据某些示例实施例的用于控制控制阀170的线性响应的、总体上表示为200的MFC控制器系统。控制系统200执行包括流量建模算法、阀建模算法和流量控制算法的控制算法，以便更准确地控制MFC 100的增益。控制器系统200包括设定点(SP)滤波器202、增益-超前-滞后(GLL)控制器204、以及流量控制和建模系统206。GLL控制器204接收用于控制阀170的响应的SP值和反馈(FB)信号，例如，压力或温度或这两者。流量控制和建模系统206通过根据SP命令、传感器输入数据和阀规格进一步控制其响应来增强对GLL控制器204的调谐。通过在处理之前对设定点值进行滤波并且在处理期间使用这些建模算法，可以更严格地控制阀170的响应时间并且可以使其在各种操作条件下都更加一致。此外，通过在处理之前对设置点值进行恰当的滤波，可以消除或显著减少影响阀响应时间的非线性瞬态伪像。

SP滤波器202对所接收到的设定点(SP)值进行滤波，并将滤波后的值发送到GLL控制器204以及建模和流量控制系统206。SP值可以是流体流量值。SP滤波器202可以包括可配置的速率限制滤波器(如转换速率限制滤波器)和低通滤波器，以确保命令变化速率不会发生突然和不连续的改变。通过延迟设定点，对设定点数据和测量结果的处理更加精确，并且因此，可以显著减少或消除非线性瞬态伪像。GLL控制器204的作用是通过向阀致动器208提供驱动命令来控制阀170的升程。建模和流量系统206接收SP值、以及入口/出口压力值、温度值、流体类型值的实时测量结果。建模和流量系统206可以访问并处理阀规格数据，并且基于所确定的流体建模特性和阀规格数据可以确定适当的增益并相应地控制阀170的升程。

现在参照图3A，展示了根据某些示例实施例的总体上表示为250的阀和流体流量建模算法。算法250开始于框252，在该框处，读取滤波后的SP值。这些SP值可以由用户提供，或者被编程到MFC中并根据使用情况定期进行调整。在框254处，扫描特定阀的驱动值以确定在给定压力和温度下的相应流量值。在框256处，算法250使用可用的阀规格将所确定的流量转换为预测升程值。在框258处，计算给定流量变化的驱动与升程之间的关系(即，GLL增益)。

引入滤波后的SP值消除或显著降低了导致非线性瞬态效应的过冲，并允许根据压力和(可选地)其他环境读数更准确地确定GLL增益。如下表所展示的，在滤波后的设置点值和一组流体测量读数的增益计算结果的范围内，未检测到过冲。

表-瞬态响应时间性能

GLL增益可以被定义为受控对象增益的倒数。受控对象增益可以被定义为指示流体流量的反馈控制信号相对于GLL控制器的输出(即驱动)的导数。通过对设定点值进行恰当滤波并将GLL增益设置为等于受控对象增益的倒数，可以实现恒定环路增益。这样，可以实现在各种操作条件(例如，气体、温度、入口和出口压力以及流量)下都一致的阀响应时间。

GLL增益可以表示为dDrive/dFlow，即驱动的变化是流量变化的函数，并且因此，可以确定驱动与流量之间的恰当关系，以便更准确地控制阀的响应时间。通常，如果g(x)是根据阀模型确定的作为流体流量(SCCM)的函数的预测升程，f(x)是控制器驱动(满量程驱动的几分之一)，并且Y是作为流量的函数的控制器驱动，则Y＝f(g(x))。可以使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定GLL增益，即dDrive/dFlow，其中，f’(g(x))是致动器增益，即dDrive/dLift，并且g’(x)是阀模型增益，即dLift/dDrive。致动器增益f’(g(x))是驱动相对于预测升程的导数。可以使用阀表征过程来获得驱动与预测升程的曲线。可以计算出驱动与预测升程的导数，以生成致动器增益曲线。该曲线可以在装置中以任何形式(例如，n阶多项式、分段线性函数、脊等)来表示。阀模型增益g’(x)是预测升程相对于当前操作条件周围流量的导数的有限差计算。这是流量与控制器设定点之间的误差接近于0的情况。根据所使用的阀模型，可以直接区分所涉及的方程，并可以表示为封闭形式的导数。无论哪种实施方式，有限计算还是封闭形式都会同样有效。

现在参照图3B，展示了根据某些示例实施例的总体上表示为300的流体流量控制算法。尽管下面提供的用于确定GLL增益的算法方法是有效的，但是应当理解，可以使用其他计算GLL增益的方法。这仅仅是可以确定GLL增益的一种方法。流体流量控制算法计算给定流量变化的驱动值与升程之间的关系。该算法开始于框302，在该框处，使用方程1确定流量的升程与流量的关系：

g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1) (方程1)；并且

其中，Y1、Y2是对应于流量X1、X2的+/-1％或大约+/-1％的升程值。X1和X2或其差值定义了从设定点值和实际流量测量结果获得的流量变化。升程值可以从存储在存储器中的阀规格中检索得到。在框304处，算法300使用方程2和霍纳法则确定作为升程的函数的致动器增益：

f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D (方程2)；

导数的系数可以存储在存储器中并且可以从存储器中检索得到。在框306处，算法300使用方程3确定GLL增益：

dY/dx＝f’(g(x))g’(x) (方程3)；

然后将相应的驱动信号值发送到GLL控制器204，以控制阀致动器208。

GLL增益的单位可以用fractionalDrive/fractionalFlow表示。对于实际的GLL增益计算，所使用的单位可以表示为Drive(伏)/Flow(SCCM-每分钟标准立方厘米)。这种表达式的原因可能是表征之后更改装置的驱动器满量程范围或表征之后更改装置的已配置满量程范围。在使用GLL增益值之前，算法可以执行GLL增益值从Drive(伏)/Flow(SCCM)到fractionalDrive/fractionalFlow的必要转换。然而，GLL增益单位可以表示为GLL控制器204被配置成操作的单位。

在图4A中，展示了在滤波器202处进行滤波之前和之后的设定值命令的示例。被描绘为“lpf_ramp”的轨迹展示了通过速率限制和低通滤波器之后的组合斜坡信号。在这种情况下，200ms的斜坡时间与20ms时间常数的低通滤波器相结合，在250ms内产生最终值的98％以内的输出。图4B是示例曲线图，展示了对滤波后的与供应电压和归一化流量、分数流量和滤波后的SP值相关的设定点值进行的精度过程控制。可以容易地看出，滤波后的SP值与流量之间的差异或误差很小，几乎不存在。在图4C中，展示了当控制器系统200不使用滤波器202并且流量控制和建模系统206被禁用时、当控制器系统200不使用滤波器202并且流量控制和建模系统206被启用时、以及当控制器系统200使用滤波器202并且流量控制和建模系统206被启用时的针对SP值的百分比的不同响应时间的曲线图。在不使用滤波器和增益控制的情况下，响应时间跨设定点可以介于135ms到315ms之间(扩展了180ms)。启用增益控制将一致性提高了3倍。同时启用SP滤波和增益控制可提供跨设定点的最佳一致性、在+/-10ms范围内。

现在参照图5，展示了根据示例实施例的计算机器400和系统应用模块500。计算机器400可以对应于本文呈现的各种计算机、移动装置、膝上型计算机、服务器、嵌入式系统、或计算系统中的任一者。模块500可以包括一个或多个硬件或软件元件，例如其他OS应用以及用户和内核空间应用，其被设计为便于计算机器400执行本文呈现的各种方法和处理功能。计算机器400可以包括各种内部组件或附接组件，比如处理器410、系统总线420、系统存储器430、存储介质440、输入/输出接口450、用于与网络470(例如，蜂窝/GPS、蓝牙、或WIFI)进行通信的网络接口460。

计算机器可以被实施为常规计算机系统、嵌入式控制器、膝上型计算机、服务器、移动装置、智能电话、可穿戴计算机、定制机器、任何其他硬件平台、或它们的任何组合或多重性。计算机器可以是被配置为使用经由数据网络或总线系统互连的多个计算机器而起作用的分布式系统。

处理器410可以被设计为执行代码指令以便执行本文所述的操作和功能、管理请求流和地址映射，并且被设计为执行计算并生成命令。处理器410可以被配置为监测和控制计算机器中的组件的操作。处理器410可以是通用处理器、处理器核、多处理器、可重构处理器、微控制器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、控制器、状态机、门控逻辑、分立硬件组件、任何其他处理单元、或它们的任何组合或多重性。处理器410可以是单个处理单元、多个处理单元、单个处理核、多个处理核、专用处理核、协处理器、或它们的任何组合。根据某些实施例，处理器410以及计算机器400的其他组件可以是在一个或多个其他计算机器中执行的基于软件或基于硬件的虚拟化计算机器。

系统存储器430可以包括非易失性存储器，比如只读存储器(“ROM”)、可编程只读存储器(“PROM”)、可擦除可编程只读存储器(“EPROM”)、闪速存储器、或能够在施加或不施加电力的情况下存储程序指令或数据的任何其他装置。系统存储器430还可以包括易失性存储器，比如随机存取存储器(“RAM”)、静态随机存取存储器(“SRAM”)、动态随机存取存储器(“DRAM”)和同步动态随机存取存储器(“SDRAM”)。其他类型的RAM也可以用于实施系统存储器430。可以使用单个存储器模块或多个存储器模块来实施系统存储器430。尽管将系统存储器430描绘为计算机器的一部分，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本技术的范围的情况下，系统存储器430可以与计算机器400分离。还应了解，系统存储器430可以包括比如存储介质440等非易失性存储装置或与之结合地操作。

存储介质440可以包括硬盘、软盘、光盘只读存储器(“CD-ROM”)、数字多功能光盘(“DVD”)、蓝光光盘、磁带、闪速存储器、其他非易失性存储器装置、固态驱动器(“SSD”)、任何磁存储装置、任何光存储装置、任何电存储装置、任何半导体存储装置、任何基于物理的存储装置、任何其他数据存储装置、或它们的任何组合或多重性。存储介质440可以存储一个或多个操作系统、应用程序和程序模块、数据、或任何其他信息。存储介质440可以是计算机器的一部分或连接到计算机器。存储介质440还可以是与计算机器(比如服务器、数据库服务器、云存储装置、附网存储装置等)通信的一个或多个其他计算机器的一部分。

应用模块500和其他OS应用模块可以包括一个或多个硬件或软件元件，其被配置为促进计算机器执行本文呈现的各种方法和处理功能。应用模块500和其他OS应用模块可以包括存储为与系统存储器430、存储介质440或两者相关联的软件或固件的一种或多种算法或指令序列。因此，存储介质440可以表示机器或计算机可读介质的示例，在其上可以存储供处理器410执行的指令或代码。机器或计算机可读介质一般可以指用于向处理器410提供指令的任何一种或多种介质。与应用模块500和其他OS应用模块相关联的这种机器或计算机可读介质可以包括计算机软件产品。应了解，包括应用模块500和其他OS应用模块的计算机软件产品也可以与用于经由网络、任何信号承载介质、或任何其他通信或输送技术将应用模块500和其他OS应用模块输送到计算机的一个或多个过程或方法相关联。应用模块500和其他OS应用模块还可以包括硬件电路或用于配置硬件电路的信息，比如用于FPGA或其他PLD的微代码或配置信息。在一个示例性实施例中，应用模块500和其他OS应用模块可以包括能够执行通过本文所呈现的流程图和计算机系统描述的功能操作的算法。

输入/输出(“I/O”)接口450可以被配置为联接到一个或多个外部装置，以从一个或多个外部装置接收数据，并且向该一个或多个外部装置发送数据。这种外部装置以及各种内部装置也可以称为外围装置。I/O接口450可以包括用于将各种外围装置联接到计算机器或处理器410的电连接和物理连接两者。I/O接口450可以被配置为在外围装置、计算机器或处理器410之间传送数据、地址和控制信号。I/O接口450可以被配置为实施任何标准接口，比如小型计算机系统接口(“SCSI”)、串行附接SCSI(“SAS”)、光纤通道、外围组件互连(“PCI”)、PCI express(PCIe)、串行总线、并行总线、先进技术附接(“ATA”)、串行ATA(“SATA”)、通用串行总线(“USB”)、Thunderbolt、FireWire、各种视频总线等。I/O接口450可以被配置为仅实施一种接口或总线技术。可替代地，I/O接口450可以被配置为实施多种接口或总线技术。I/O接口450可以被配置为系统总线420的一部分、全部或与其结合地操作。I/O接口450可以包括一个或多个缓冲器，用于缓冲一个或多个外部装置、内部装置、计算机器、或处理器420之间的传输。

I/O接口420可以将计算机器联接到各种输入装置，包括鼠标、触摸屏、扫描仪、电子数字转换器、传感器、接收机、触摸板、轨迹球、相机、麦克风、键盘、任何其他定点装置、或它们的任何组合。I/O接口420可以将计算机器联接到各种输出装置，包括视频显示器、扬声器、打印机、投影仪、触觉反馈装置、自动化控制件、机器人部件、致动器、马达、风扇、电磁阀、阀、泵、发射机、信号发射器、灯等。

计算机器400可以使用通过NIC 460到网络上的一个或多个其他系统或计算机器的逻辑连接而在联网环境中操作。该网络可以包括广域网(WAN)、局域网(LAN)、内联网、互联网、无线接入网、有线网络、移动网络、电话网络、光网络、或它们的组合。该网络可以是任何拓扑的分组交换式、电路交换式，并且可以使用任何通信协议。网络内的通信链路可以涉及各种数字或模拟通信介质，比如光纤线缆、自由空间光学器件、波导、电导体、无线链路、天线、射频通信等。

处理器410可以通过系统总线420连接到计算机器的其他元件或本文讨论的各种外围装置。应了解，系统总线420可以在处理器410内、在处理器410外或两者。根据一些实施例，本文讨论的处理器410、计算机器的其他元件、或各种外围装置中的任何一个都可以集成到单个装置中，比如片上系统(“SOC”)、封装件上系统(“SOP”)、或ASIC装置。

实施例可以包括体现本文描述和展示的功能的计算机程序，其中该计算机程序在计算机系统中实施，该计算机系统包括存储在机器可读介质中的指令和执行这些指令的处理器。然而，应当清楚的是，在计算机编程中可以有许多不同的方式来实施实施例，并且除非针对示例性实施例另外公开，否则不应将实施例解释为限于任何计算机程序指令集。进一步地，熟练的程序员将能够基于在应用文本中所附的流程图、算法和相关联的描述来编写这样的计算机程序以实施所公开实施例中的实施例。因此，对于充分理解如何制作和使用实施例，公开特定的程序代码指令集被认为是不必要的。进一步地，本领域技术人员将理解，本文描述的实施例的一个或多个方面可以由硬件、软件、或它们的组合来执行，如可以体现在一个或多个计算系统中。此外，任何对由计算机执行的动作的引用都不应解释为由单个计算机执行，因为多于一个的计算机可以执行该动作。

本文描述的示例实施例可以与执行先前描述的方法和处理功能的计算机硬件和软件一起使用。本文描述的系统、方法和过程可以体现在可编程计算机、计算机可执行软件、或数字电路系统中。该软件可以存储在计算机可读介质上。例如，计算机可读介质可以包括软盘、RAM、ROM、硬盘、可移动介质、闪速存储器、记忆棒、光学介质、磁光介质、CD-ROM等。数字电路系统可以包括集成电路、门阵列、构建块逻辑、现场可编程门阵列(FPGA)等。

先前呈现的实施例中描述的示例性系统、方法和动作是说明性的，并且在替代性实施例中，在不脱离各种实施例的范围和精神的情况下，某些动作可以以不同的顺序执行、彼此并行执行、完全省略、和/或在不同的示例实施例之间组合，和/或可以执行某些附加动作。因此，这样的替代性实施例包括在本文的描述中。

如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。应进一步理解的是，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指定所陈述特征、整合物、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或加入一种或多种其他特征、整合物、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的集合。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。如本文所使用的，比如“在X与Y之间”和“在约X与Y之间”等短语应被解释为包括X和Y。如本文所使用的，比如“在约X与Y之间”等短语是指“在约X与Y约之间”。如本文所使用的，比如“从约X到Y”等短语是指“从约X到约Y”。

如本文所使用的，“硬件”可以包括分立组件、集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列、或其他合适硬件的组合。如本文所使用的，“软件”可以包括一个或多个对象、媒介、线程、代码行、子例程、单独的软件应用、在一个或多个处理器上在两个或更多个软件应用中操作的两行或更多行代码或其他合适的软件结构(其中处理器包括一个或多个微型计算机或其他合适的数据处理单元、存储器装置、输入输出装置、显示器、比如键盘或鼠标等数据输入装置、比如打印机和扬声器等外围装置、关联的驱动器、控件卡、电源、网络装置、扩展坞装置、或在软件系统的控制下结合处理器或其他装置操作的其他合适装置)、或其他合适的软件结构。在一个示例性实施例中，软件可以包括在比如操作系统等通用软件应用中操作的一行或多行代码或其他合适的软件结构、以及在专用软件应用中操作的一行或多行代码或其他合适的软件结构。如本文所使用的，术语“联接”及其同根术语(比如“耦合”和“耦接”)可以包括物理连接(比如铜导体)、虚拟连接(比如通过数据存储器装置的随机分配的存储器位置)、逻辑连接(比如通过半导体装置的逻辑门)、其他合适的连接、或此类连接的合适组合。术语“数据”可以指用于使用、传送或存储数据的合适结构，比如数据字段、数据缓冲器、具有数据值和发送方/接收方地址数据的数据消息、具有数据值和使接收系统或组件使用数据执行功能的一个或多个操作符的控制消息，或用于数据的电子处理的其他合适硬件或软件组件。

一般地，软件系统是在处理器上操作以响应预定数据字段执行预定功能的系统。例如，可以通过系统执行的功能及其执行功能所在的数据字段来定义系统。如本文所使用的，NAME系统(其中NAME典型地是由系统执行的一般功能的名称)是指被配置为在处理器上操作并在所公开的数据字段上执行所公开的功能的软件系统。除非公开特定算法，否则本领域技术人员将已知的用于使用相关联的数据字段执行功能的任何合适算法均落入本公开内容的范围内。例如，生成包括发送方地址字段、接收方地址字段和消息字段的消息的消息系统将包含在处理器上操作的软件，消息系统可以从处理器的比如缓冲器装置或缓冲器系统等合适系统或装置中获取发送方地址字段、接收方地址字段和消息字段，可以将发送方地址字段、接收方地址字段和消息字段组合成合适的电子消息格式(比如电子邮件消息、TCP/IP消息或具有发送方地址字段、接收方地址字段和消息字段的任何其他合适的消息格式)，并且可以使用处理器的电子消息收发系统和装置通过比如网络等通信介质来发送电子消息。本领域普通技术人员将能够基于前述公开内容提供针对特定应用的特定编码，其旨在阐述本公开内容的示例性实施例，而不是为不如本领域技术人员专业的人员提供教程，比如不熟悉合适编程语言的编程或处理器的人员。可以以流程图形式或其他合适的格式来提供用于执行功能的特定算法，其中，可以以示例性的操作顺序来阐述数据字段和相关功能，其中顺序可以适当地重新排列，并且除非明确声明是限制性的，否则并不旨在是限制性的。

出于说明和描述的目的，已经呈现了对本公开内容的实施例的前述描述。并非旨在是穷举的或将本公开内容局限于所公开的精确形式，并且鉴于以上教导，修改和变化是可能的，或者可以从本公开内容的实践中获得。实施例被选择和描述以解释本公开内容的原理及其实际应用，使得本领域技术人员能够利用各种实施例的并且具有适合考虑到的特定用途的各种修改的本公开内容。在不背离本公开内容的范围的情况下，可以在实施例的设计、运行条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。参照本说明书，对说明性实施例以及其他实施例的这种修改和组合对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，旨在于所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (20)

1.一种用于控制流体流量的质量流量控制器，所述质量流量控制器包括：

入口，所述入口用于接收所述流体；

阀致动器，所述阀致动器联接到阀，用于通过控制所述阀的操作来调节流出所述质量流量控制器的出口的所述流体流量；

至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量与通过流动路径的所述流体流量有关的流体类型、压力和温度值信号中的至少一项；以及

线性化控制系统，所述线性化控制系统与所述阀致动器联接，用于确定所述质量流量控制器的增益值，以使用期望的流体流量和所述至少一个信号值来控制所述阀致动器的线性响应；

其中，所述线性化控制系统根据滤波后的设定点值、至少一个实时流体参数值、阀模型数据、致动器增益和阀模型增益来确定所述增益值。

2.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中，所述线性化控制系统进一步包括：

流量建模系统，所述流量建模系统用于根据所述至少一个值信号来确定流体特性；以及

阀建模系统，所述阀建模系统用于根据阀规格和所确定的流体特性来确定所述阀所需的操作特性。

3.如权利要求2所述的质量流量控制器，其中，所述阀建模系统进一步被配置为：

确定用于控制所述阀的升程以获取所述期望流体流量的驱动值；

其中，所述驱动值由用于流体流量变化的阀升程之间的关系来确定。

4.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中，所述线性化控制系统被配置为：

扫描存储在所述质量流量控制器的存储器装置中的所述阀的驱动值；

基于所述压力和所述温度值信号来确定相应的流量值；

将所确定的流量值转换为升程值；并且

确定给定流量变化的驱动值与升程值之间的关系。

5.如权利要求4所述的质量流量控制器，进一步包括用于存储所述阀的多个驱动值和升程值的存储器模块。

6.如权利要求4所述的质量流量控制器，其中，所述线性化控制系统被配置为：

使用g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)来确定流量的升程与流量关系的导数；

使用f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D来确定作为升程的函数的致动器增益；并且

使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定控制器增益；

其中，X1和X2是流量值，并且Y1和Y2是相应的升程值。

7.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中，所述增益值由dY/dx＝f’(g(x))g’(x)定义，其中，Y是控制器驱动，f’(g(x))是致动器增益，并且g’(x)是所述阀模型增益。

8.一种用于通过质量流量控制器来控制流体流量的方法，所述方法包括：

通过入口接收所述流体；

使用阀致动器通过控制所述阀的操作来调节流出所述质量流量控制器的出口的所述流体流量；

接收期望的流体流量，并且从至少一个传感器接收与通过流动路径的所述流体流量有关的压力、温度值、流量和流体类型信号中的至少一项；以及

通过使用所述至少一个信号值控制所述阀的线性响应来控制所述质量流量控制器的增益；

其中，所述线性响应是通过确定致动器驱动值的变化和所述流体的流量变化dDrive/dFlow来控制的。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

根据所述至少一个值信号来确定流体特性；以及

根据阀规格和所确定的流体特性来确定所述阀所需的操作特性。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

确定用于控制所述阀的升程以获取所述期望流体流量的驱动值；

其中，所述驱动值由用于流体流量变化的阀升程之间的关系来确定。

11.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

扫描存储在所述质量流量控制器的存储器单元中的所述阀的驱动值；

基于所述压力和所述温度值信号来确定相应的流量值；

将所确定的流量值转换为升程值；以及

确定给定流量变化的驱动值与升程值之间的关系。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述阀的多个驱动值和升程值存储在存储器模块中。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

使用g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)来确定流量的升程与流量关系的导数；

使用f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D来确定作为升程的函数的致动器增益；以及

使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定控制器增益；

其中，X1和X2是流量值，并且Y1和Y2是相应的升程值。

14.如权利要求13所述的质量流量控制器，其中，所述增益值由dY/dx＝f’(g(x))g’(x)定义，其中，Y是控制器驱动，f’(g(x))是致动器增益，并且g’(x)是所述阀模型增益。

15.一种用于质量流量控制器的过程控制系统，所述过程控制系统包括：

线性化模块，所述线性化模块与阀致动器和存储器装置可通信地联接，所述线性化模块通过使用期望的流体流量和来自至少一个传感器的与通过流动路径的所述流体流量有关的压力、温度值、流量和流体类型中的至少一项控制阀的线性响应来控制所述质量流量控制器的增益；

其中，所述线性化模块进一步包括：

流量建模系统，所述流量建模系统用于根据所述至少一个值信号来确定流体特性；以及

阀建模系统，所述阀建模系统用于根据阀规格和所确定的流体特性来确定所述阀所需的操作特性。

16.如权利要求15所述的过程控制系统，其中，所述线性响应是通过确定致动器驱动值的变化和所述流体的流量变化dDrive/dFlow来控制的。

17.如权利要求15所述的过程控制系统，其中，所述阀建模系统进一步被配置为：

扫描存储在所述质量流量控制器的存储器单元中的所述阀的驱动值；

基于所述压力和所述温度值信号来确定相应的流量值；

将所确定的流量值转换为升程值；并且

确定给定流量变化的驱动值与升程值之间的关系。

18.如权利要求17所述的过程控制系统，其中，所述存储器装置存储所述阀的多个驱动值和升程值。

19.如权利要求17所述的过程控制系统，其中，所述线性化模块进一步被配置为：

使用g’(x)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)来确定流量的升程与流量关系的导数；

使用f’(g(x))＝A*lift_x ³+B*lift_x ²+C*lift_x+D来确定作为升程的函数的致动器增益；并且

使用dY/dx＝f’(g(x))g’(x)来确定增益；

其中，X1和X2是流量值，并且Y1和Y2是相应的升程值。

20.如权利要求19所述的过程控制系统，其中，所述增益值由dY/dx＝f’(g(x))g’(x)定义，其中，Y是控制器驱动，f’(g(x))是致动器增益，并且g’(x)是所述阀模型增益。

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