CN116906657A - 自动化设备、过程阀结构单元和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于工业自动化的自动化设备(1)，用于调节和/或诊断具有执行器元件(3)的气动执行器(2)，其中所述自动化设备(1)拥有所述气动执行器(2)的尤其是非线性的模型(15)，所述模型具有至少一个模型参数，能够通过所述模型参数使所述模型(15)适合于所述气动执行器(2)的不同变型方案，并且其中所述自动化设备(1)被构造用于在使用所述模型(15)的情况下执行所述气动执行器(2)的调节和/或诊断。

Description

自动化设备、过程阀结构单元和方法
技术领域
本发明涉及一种用于过程自动化的自动化设备，所述自动化设备用于调节和/或诊断具有执行器元件的气动执行器。
背景技术
自动化设备例如是用于过程阀(Prozessventil)的调节和/或诊断设备。例如，自动化设备是定位器(Positioner)。气动执行器尤其是过程阀。过程阀例如包括驱动装置和可通过驱动装置操作的配件(Armatur)。
气动执行器可以以多种可能的变型方案之一存在。这些变型方案可以例如在其运动学方面不同。例如，存在至少一种具有活塞的线性变型方案和/或具有膜状物(Membran)的线性变型方案和/或具有齿条小齿轮(Zahnstrangenritzel)的旋转变型方案和/或具有止动轭
(Scotch-Yoke)的旋转变型方案。此外，变型方案可以在其设计(Dimensionierung)、尤其是其参量方面不同。例如，存在至少一种第一参量的变型方案和/或不同于第一参量的第二参量的第二变型方案。此外，变型方案可以在其负载方面不同。负载例如通过配件和/或要受过程阀影响的过程介质(Prozessmedium)来确定。
存在为了调节气动执行器而使用PID调节器的方案。PID调节器通常可以简单地实现并且拥有少量要设定的参数。由于气动执行器通常具有强的非线性(由于可压缩空气)，因此，在调节气动执行器时利用PID调节器通常情况下尚不能获得最佳调节品质。这尤其是还适用于如下情况：其中存在气动执行器的不同变型方案并且应该对于不同变型方案使用PID调节器。
发明内容
本发明的任务在于提供一种可灵活使用的自动化设备，利用所述自动化设备对气动执行器的要简单实现且精确的调节和/或诊断是可能的。
该任务通过根据权利要求1所述的自动化设备来解决。该自动化设备拥有气动执行器的尤其是非线性的模型。该模型具有至少一个模型参数，通过所述模型参数可以使模型适合于气动执行器的不同变型方案。自动化设备被构造用于在使用模型的情况下执行气动执行器的调节和/或诊断。
通过使用尤其是非线性的模型，精确地调节和/或诊断气动执行器是可能的。对于气动执行器的不同变型，自动化设备可以通过如下方式被使用并且因此可以灵活地被使用：通过至少一个模型参数使模型可以适合于气动执行器的不同变型。
该模型也可以被称为广义模型。有利地，气动执行器的所有变型方案、尤其是气动执行器的所有参量和运动学特性都可以利用模型来描述。有利地，该模型拥有(与传统模型相比)数量减少的可适配模型参数，例如最多四个或恰好四个可适配模型参数，或者最多五个或恰好五个可适配模型参数。
通过所述一个或多个模型参数使该模型分别适合于当前气动执行器。应该利用自动化设备调节和/或诊断的那个气动执行器、即尤其是连接到自动化设备上的那个气动执行器应该被称为当前气动执行器。当前气动执行器的相应变型方案也应该被称为当前变型方案。
有利的改进方案是从属权利要求的主题。
本发明进一步涉及一种过程阀结构单元，所述过程阀结构单元包括自动化设备以及气动执行器，其中气动执行器实施为过程阀。
本发明进一步涉及一种用于运行自动化设备或过程阀结构单元的方法，所述方法包括以下步骤：在使用模型的情况下执行气动执行器的调节和/或诊断。
优选地，针对自动化设备或过程阀结构单元的上面和/或下面阐述的设计方案对该方法进行改进。
本发明进一步涉及一种用于运行系统的方法，所述系统包括多个装置，所述装置由相应的自动化设备和分配给所述相应的自动化设备的相应的气动执行器组成，其中每个自动化设备根据上述自动化设备来实施并且拥有相应的模型，以便执行分别分配的气动执行器的诊断和/或调节，其中所述自动化设备的模型彼此不同，并且其中所述气动执行器中的至少两个气动执行器在其变型方案方面彼此不同，其中所述方法包括以下步骤：适配每个模型的至少一个模型参数，以便使相应的模型适合于分别分配的气动执行器的当前变型方案。
优选地，针对自动化设备或过程阀结构单元的上面和/或下面阐述的设计方案对该方法进行改进。
附图说明
下面参考附图阐述其他示范性细节以及示例性实施方式。在此，
图1示出具有自动化设备和单作用气动执行器的装置的示意图，
图2示出双作用气动执行器的示意图，
图3示出参数适配流程的流程图，
图4示出利用自动化设备执行的调节和/或诊断的框图，
图5示出具有自动化设备和单作用气动驱动装置的过程阀结构单元的示意图，
图6示出双作用气动驱动装置，以及
图7示出具有多个装置的系统。
具体实施方式
图1示出包括自动化设备1和气动执行器2的装置10。装置10表示自动化设备1的示范性应用环境。自动化设备1也可以单独地——即尤其是在无气动执行器2的情况下——被提供。
自动化设备1用于在工业自动化中、尤其是在过程自动化使用。自动化设备1被构造用于调节和/或诊断气动执行器2。
气动执行器2拥有执行器元件3。纯示范性地，气动执行器2实施为驱动缸。气动执行器2拥有活塞装置4，所述活塞装置有利地包括活塞5并且优选地包括与活塞5耦合的活塞杆6。示范性地，活塞装置4构成执行器元件3。气动执行器2拥有第一压力室7。第一压力室7通过活塞装置4限定。可以通过给第一压力室7加载压缩空气来改变执行器元件3的位置。
纯示范性地，气动执行器2实施为单作用执行器。单作用执行器2包括弹簧元件8，所述弹簧元件提供作用于活塞装置4上的弹力。如果不给第一压力室7通气，则弹力引起活塞装置4移动到第一最终位置。第一最终位置示范性地是活塞装置4的移入(einfahren)的最终位置。如果给第一压力室7通气，则活塞装置4通过在第一压力室7中存在着的压力(对抗弹力)被移动到第二最终位置。第二最终位置示范性地是移出(ausfahren)的最终位置。
示范性地，装置10拥有位置传感器设备9，所述位置传感器设备示范性地布置在气动执行器2处。位置传感器设备9用于检测执行器元件3的当前位置。有利地，在执行器元件3的整个运动行程——即从第一最终位置直至第二最终位置——上可以借助于位置传感器设备9检测执行器元件3的当前位置。位置传感器设备9提供表明执行器元件3的当前位置的位置信号。
示范性地，装置10拥有压力传感器设备11，有利地，所述压力传感器设备是自动化设备1的一部分。压力传感器设备11用于检测第一压力室7的当前压力。第一压力室7的所述当前压力也应该被称为当前第一压力。压力传感器设备11提供表明第一压力室7的当前第一压力的第一压力信号。
纯示范性地，自动化设备1拥有阀设备12，自动化设备1可以借助所述阀设备对第一压力室7进行通气和/或排气。阀设备12例如实施为I/P转换器——即实施为电流压力转换器。
可选地，自动化设备1拥有输入单元17，使用者可以借助于所述输入单元向自动化设备1进行输入。
自动化设备1优选地拥有控制单元14，所述控制单元例如实施为微控制器。有利地，控制单元14接收第一压力信号和/或位置信号。控制单元14优选地操纵阀设备12。
可选地，自动化设备1拥有通信接口36，所述通信接口尤其是用于与上级控制装置通信，例如以便接收额定值，尤其是用于调节执行器元件3的位置。
如开头已经阐述的那样，气动执行器2可以以多种可能的变型方案之一存在。这些变型方案例如在其运动学、其度量和/或其负载方面不同。
自动化设备1拥有气动执行器2的模型15。模型15尤其是气动执行器2的非线性模型。模型15具有至少一个模型参数，通过所述模型参数可以使模型适合于气动执行器2的不同变型方案。有利地，模型15存储在控制单元14中，尤其是存储在非易失性存储器中。自动化设备1被构造用于在使用模型15的情况下执行气动执行器2的调节和/或诊断。
有利地，模型15包括第一模型，所述第一模型尤其是被实施用于单作用气动执行器2的调节和/或诊断。
纯示范性地，模型15、尤其是第一模型定义下文描述的、由方程式(1)、(2)和/或(3)描述的关系。优选地，模型15包括方程式(1)、(2)和/或(3)和/或基于方程式(1)、(2)和/或(3)：
x是执行器元件3的当前位置。x等于x1。示范性地，x具有单位％。x2是x的时间导数。
a优选地等于1，并且示范性地具有单位a也应该被称为压力项系数，尤其是被称为第一压力项系数。
p1是第一压力室7中的当前第一压力并且有利地具有单位
pu是气动执行器2的环境压力并且有利地具有单位示例性地，pu是大气压力。
F是可适配模型参数并且应该被称为位置项系数。有利地，F的单位是
xF是可适配模型参数并且应该被称为弹簧预应力行程参数(Federvorspannungsweg-Parameter)。有利地，xF的单位是％。
κ是等熵指数，尤其是空气的等熵指数。
V01是可适配模型参数并且应该被称为第一死容积参数(Totvolumen-Parameter)。有利地，V01的单位是m3。
ΔV是可适配模型参数并且应该被称为容积变化率参数。有利地，ΔV的单位是
R是通用气体常数。
T是温度。
u1(t)也应该被称为第一通气参量并且示范性地是进入第一压力室7或离开第一压力室7的压缩空气的当前第一质量流量(Massenfluss)。有利地，自动化设备1基于(尤其是利用压力传感器设备11)检测的压力、检测的位置和/或基于对阀设备12的操纵来计算第一通气参量。
有利地，以下阐述涉及第一模型。
示范性地，模型15、尤其是第一模型包括第一状态参量x1、第二状态参量x2和/或第三状态参量x3。
有利地，模型15、尤其是第一模型包括执行器元件3的当前位置x作为状态参量、尤其是作为第一状态参量x1。有利地，利用位置传感器设备9测量执行器元件3的当前位置x。尤其是，通过位置信号的当前信号值表明x。当前位置x——以及因此第一状态参量x1——优选地被定义为模型15中的相对参量。这尤其是意味着当前位置x在模型15中被定义为与执行器元件3的最大位置——即尤其是最终位置——和/或最大移动行程(Verfahrweg)的比例。例如，在模型15中具有位置值0的当前位置对应于执行器元件3的第一最终位置和/或具有位置值1的当前位置对应于执行器元件3的第二最终位置。模型15中的当前位置x可选地被定义为百分数。尤其是，模型15中的当前位置x不具有物理单位，尤其是不具有物理长度单位和/或不具有角度单位。模型15中的位置x优选地是无量纲参量。
是第一状态参量x1的时间导数。/>是当前位置x的时间导数。
有利地，模型15、尤其是第一模型包括执行器元件3的当前速度作为状态参量、尤其是作为第二状态参量x2——即第一状态参量x1的时间导数。在模型15中，执行器元件3的当前速度可选地以单位百分比/秒被定义。是第二状态参量x2的时间导数并且表明执行器元件3的当前加速度。
模型15、尤其是第一模型有利地包括第一压力室7的当前第一压力p1作为状态参量、尤其是作为第三状态参量x3。有利地，利用压力传感器设备11测量p1。尤其是，通过第一压力信号的当前信号值表明p1。是第三状态参量x3的时间导数，并且表明第一压力p1的当前变化率。
模型15、尤其是第一模型定义状态参量x1、x2、x3和第一通气参量u1(t)之间的关系，所述第一通气参量u1(t)描述对第一压力室7的通气和/或排气。示范性地，第一通气参量u1(t)是当前质量流量，例如由自动化设备1借助于阀设备12以所述质量流量对第一压力室7进行通气和/或排气。
如上已经提及的，模型15、尤其是第一模型包括至少一个可适配模型参数。示范性地，模型15包括多个可适配模型参数。模型15优选地包括最多四个、尤其是恰好四个可适配模型参数。模型15可选地包括最多五个、尤其是恰好五个可适配模型参数。状态参量x1、x2、x3和第一通气参量u1(t)之间的关系可以通过模型参数在模型15中被适配，尤其是适合于气动执行器2的当前变型方案。
示范性地，模型15、尤其是第一模型作为模型参数、尤其是作为可适配模型参数包括位置项系数F、弹簧预应力行程参数xF、第一死容积参数V01和/或容积变化率参数ΔV。模型15、尤其是第一模型优选地仅仅包括这四个参数作为可适配模型参数。可选地，模型15、尤其是第一模型包括压力项系数a作为模型参数。
优选地，至少一个模型参数包括位置项系数F。有利地，模型15、尤其是第一模型定义执行器元件3的当前加速度和压力项与位置项系数F和位置项的乘积的差之间的关系。这示范性地产生于第二方程式(2)。压力项示范性地是p1-pu，即第一压力p1和环境压力pu之间的差。示范性地，位置项是x1-xF，即执行器元件的当前位置x1与弹簧预应力行程参数xF之间的差。
至少一个模型参数优选地包括弹簧预应力行程参数xF。弹簧预应力行程参数xF表明执行器2的弹簧元件8的弹簧预应力行程。模型15有利地定义执行器元件3的加速度和执行器元件3的位置x1与弹簧预应力行程参数xF的差之间的关系。
至少一个模型参数优选地包括第一死容积参数V01，所述第一死容积参数表明气动执行器2的第一死容积V01。第一死容积V01尤其是第一压力室7的最小容积——即尤其是第一压力室7的、在执行器元件3的以下最终位置中剩余的容积，在所述最终位置中第一压力室7的容积是最小的。
至少一个模型参数优选地包括容积变化率参数ΔV。容积变化率参数ΔV表明执行器2的第一压力室7的容积变化与执行器2的执行器元件3的位置变化的比例。
如上已经提及的，压力项系数a可以有利地恒定地设置为值1，并且因而有利地不是可适配模型参数。备选地，至少一个模型参数可以包括压力项系数a。
如果加速度要么在测量技术上不能被检测要么不能根据位置信号以足够的品质被计算，则压力项系数a尤其是被设置为1。如果存在信号，则可以通过方程式(2)或(4)来确定所述信号。为此，系统可以从一个最终位置移动到另一个最终位置中。方程式可以在多个点中被评估。优选地仅评估加速度不等于零的点。可以将多个点的结果取平均，以便改善标识(Identifikation)的品质。有利地，在已经确定了F和xF或G之后确定压力项系数。
在图2中，气动执行器2实施为双作用气动执行器。有利地，上文关于气动执行器2的阐述也适用于双作用气动执行器2。双作用气动执行器2包括第二压力室16。第二压力室16由活塞装置4限定。可以通过给第二压力室16加载压缩空气来改变执行器元件3的位置。通过对第二压力室16通气，在朝向第一最终位置的方向上操作活塞装置4。通过对第一压力室7通气，在朝向第二最终位置的方向上操作活塞装置4。
可选地，双作用气动执行器2在装置10中用作气动执行器2——尤其是代替单作用气动执行器2。
示范性地，装置10的压力传感器设备11进一步用于检测第二压力室16的当前压力。第二压力室16的该当前压力也应该被称为当前第二压力。压力传感器设备11提供表明第二压力室16的当前第二压力的第二压力信号。
模型15有利地包括第二模型，所述第二模型尤其是被实施用于对双作用气动执行器2进行调节和/或诊断。
纯示范性地，模型15、尤其是第二模型定义下文描述的、通过方程式(1)、(4)、(5)和/或(6)描述的关系。模型15优选地包括方程式(1)、(4)、(5)和/或(6)和/或基于方程式(1)、(4)、(5)和/或(6)：
与此相关的上文阐述适用于方程式(4)、(5)和(6)的、已经包含在上面讨论的方程式(1)、(2)和(3)中的那些参量。
p2是第二压力室16中的当前第二压力并且有利地具有单位
G是可适配模型参数并且应该被称为压力项系数，尤其是被称为第二压力项系数。G优选地是无量纲的。
V02是可适配模型参数并且应该被称为第二死容积参数。V02的单位有利地是m3。
u2(t)也应该被称为第二通气参量并且示范性地是进入第二压力室16或离开第二压力室16的压缩空气的当前第二质量流量。自动化设备1有利地基于(尤其是利用压力传感器设备11)检测的压力和/或基于阀设备12的操纵计算第二通气参量。
以下阐述有利地涉及第二模型。
模型15、尤其是第二模型优选地包括第一状态参量x1、第二状态参量x2、第三状态参量x3和/或第四状态参量x4。关于第一、第二和第三状态参量，应该参照(尤其是结合第一模型阐明的)上文阐述。
有利地，模型15、尤其是第二模型包括第二压力室16的当前第二压力p2作为状态参量、尤其是作为第四状态参量x4。有利地，利用压力传感器设备11测量p2。尤其是，通过第二压力信号的当前信号值表明p2。是第四状态参量x4的时间导数并且表明第二压力p2的当前变化率。
模型15、尤其是第二模型包括至少一个模型参数。示范性地，模型15、尤其是第二模型包括多个模型参数。模型15、尤其是第二模型优选地包括最多四个、尤其是恰好四个模型参数。可选地，模型15、尤其是第二模型包括最多五个、尤其是恰好五个可适配模型参数。在模型15中，状态参量x1、x2、x3、x4与第一通气参量u1(t)和第二通气参量u2(t)之间的关系可以通过模型参数被适配，尤其是适合于气动执行器2的当前变型方案。
示范性地，模型15、尤其是第二模型包括压力项系数G、第一死容积参数V01、第二死容积参数V02和/或容积变化率参数ΔV作为模型参数、尤其是作为可适配模型参数。模型15、尤其是第二模型优选地仅仅包括这四个参数作为可适配模型参数。可选地，模型15、尤其是第一模型包括压力项系数a作为模型参数。
至少一个模型参数优选地包括压力项系数G。模型15、尤其是第二模型有利地定义执行器元件3的当前加速度和第一压力项与压力项系数G和第二压力项的乘积的差之间的关系。这示范性地产生于第四方程式(4)。第一压力项示范性地是p1-pu，即第一压力p1和环境压力pu之间的差。第二压力项示范性地是p2-pu，即第二压力p2和环境压力pu之间的差。
至少一个模型参数优选地包括第二死容积参数V02，所述第二死容积参数表明气动执行器2的第二死容积V02。第二死容积V02尤其是第二压力室16的最小容积——即尤其是第二压力室16的、在执行器元件3的以下最终位置中剩余的容积，在所述最终位置中，第二压力室16是最小的。
自动化设备1优选地被构造用于在气动执行器2的气动操作下执行参数适配流程20，并且在参数适配流程20的范围中将至少一个模型参数适合于气动执行器2的当前变型方案。
尤其是，自动化设备1被构造用于在参数适配流程20的范围中将模型15的多个或所有(尤其是上文阐述的)模型参数适合于气动执行器2的当前变型方案。
图3示出参数适配流程20的示范性设计方案的流程图。
可选地，参数适配流程20包括第一步骤S1，其中确定当前气动执行器2是单作用气动执行器还是双作用气动执行器。该确定例如通过以下方式进行，即使用者将工作原理信息输入到自动化设备1中，该工作原理信息指示当前气动执行器2是单作用气动执行器还是双作用气动执行器。可选地，工作原理信息在使用压力和位置信息的情况下通过自动化方法被确定。基于工作原理信息，自动化设备1选择性地继续第一子流程21(用于单作用气动执行器)或第二子流程22(用于双作用气动执行器)。自动化设备1尤其是被构造用于确定对于参数适配流程20是应该使用第一模型还是应该使用第二模型。
参数适配流程20、尤其是第一子流程21有利地包括用于适配第一死容积参数V01的第一死容积参数适配步骤AS11。自动化设备1被构造用于为了适配第一死容积参数V01而多次相继地对第一压力室7进行通气和排气，并且与此同时测量第一压力。多次通气和排气优选地以恒定的质量流量进行。多次通气和排气优选地在执行器元件3位于排气最终位置(示范性地第一最终位置)的状态下进行。执行器元件3有利地在多次通气和排气期间不移动。例如，执行器元件3在多次通气和排气期间被固定，尤其是被固定在第一最终位置中。对此可替代地，执行器元件3的移动通过以下方式被防止，即在气动力小于弹力并且从而不发生位置变化的压力范围内执行通气和排气。
自动化设备1有利地被构造用于基于所测量的第一压力尤其是在使用理想气体方程式的情况下计算第一死容积参数V01。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第一模型中使用所计算的死容积参数V01。
参数适配流程20、尤其是第一子流程21有利地包括用于适配位置项系数F的位置项系数适配步骤AS12。自动化设备1被构造用于为了适配位置项系数F而对气动执行器2进行通气和排气，使得执行器元件3在最终位置之间移动，并且与此同时测量第一压力的时间曲线。自动化设备1进一步被构造用于基于执行器元件3的位置x1的时间曲线在使用位置项系数F的情况下、尤其是在使用模型15的情况下计算第一压力的时间曲线，而且尤其是根据以下关系(所述关系从方程式(2)中得出)来计算：
p1＝pu+Fx1 (7)
自动化设备1有利地被构造用于计算第一压力的所测量的时间曲线和第一压力的所计算的时间曲线之间的误差并且基于所计算的误差适配(为了计算第一压力的所计算的时间曲线所使用的)位置项系数F，尤其是使得在气动执行器2的通气期间的误差总和等于在气动执行器2的排气期间的误差总和。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第一模型中使用经适配的位置项系数F。
参数适配流程20、尤其是第一子流程21有利地包括用于适配弹簧预应力行程参数xF的弹簧预应力行程参数适配步骤AS13。自动化设备1被构造用于测量气动执行器2的起动压力(Losbrechdruck)pL并且基于起动压力pL计算弹簧预应力行程参数xF，尤其是在使用(尤其是已经适配的)位置项系数F的情况下例如根据以下关系来计算：
pl＝p1-pu
起动压力是第一压力与环境压力的差的压力值，在该压力值处执行器元件3开始移动。例如，自动化设备1被构造用于(在第一压力室7的排气状态下)提高第一压力并且检测第一压力的以下压力值作为通气起动压力，即在所述压力值处执行器元件3开始移动，尤其是从第一最终位置移出。可选地，自动化设备1被构造用于(在第一压力室7的通气状态下)降低第一压力并且检测第一压力的以下压力值作为排气起动压力，即在所述压力值处执行器元件3开始移动，尤其是从第二最终位置移出。
自动化设备1优选地被构造用于分别基于通气起动压力和排气起动压力计算相应的弹簧预应力行程参数，尤其是在使用方程式(8)的情况下来计算，以及基于以这种方式计算的两个弹簧预应力行程参数计算经适配的弹簧预应力行程参数，例如作为两个弹簧预应力行程参数xF的平均值。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第一模型中使用经适配的弹簧预应力行程参数xF。
参数适配流程20、尤其是第一子流程21有利地包括用于适配容积变化率参数ΔV的容积变化率参数适配步骤AS14。自动化设备1尤其是被构造用于为了适配容积变化率参数ΔV而根据预先给定的位置轨迹、例如斜坡函数或阶跃函数来执行执行器元件3的位置控制，并且与此同时测量执行器元件3的位置的时间曲线，尤其是利用位置传感器设备9来测量。自动化设备1被构造用于基于模型15尤其是在使用模型15的反演模型方程式(invertierte Modellgleichungen)的情况下计算执行器元件1的位置的时间曲线。自动化设备1被构造用于基于所测量的时间曲线和所计算的时间曲线适配容积变化率参数VRel，尤其是使得所测量的时间曲线和所计算的时间曲线之间的误差、尤其是合计的差是最小的。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第一模型中使用经适配的容积变化率参数ΔV。
下面，尤其是应该探讨第二子流程22。
参数适配流程20、尤其是第二子流程22有利地包括用于适配第一死容积参数V01的第一死容积参数适配步骤AS21。第一死容积参数适配步骤AS21有利地与上文阐述的第一死容积参数适配步骤AS11相同，使得与此相关的阐述也适用于第一死容积参数适配步骤AS21。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第二模型中使用所计算的死容积参数V01。
参数适配流程20、尤其是第二子流程22有利地包括用于适配第二死容积参数V02的第二死容积参数适配步骤AS22。自动化设备1被构造用于为了适配第二死容积参数V02而多次相继地对第二压力室16进行通气和排气，并且与此同时测量第二压力。多次通气和排气优选地以恒定的质量流量进行。多次通气和排气优选地在执行器元件3位于排气最终位置(示范性地第二最终位置)的状态下进行。有利地，执行器元件3在多次通气和排气期间不移动。例如，执行器元件3在多次通气和排气期间被固定，尤其是被固定在第二最终位置中。对此可替代地，执行器元件3通过以下方式保持在该最终位置中，即对压力室7、16通气，使得第二压力室16总是引起比第一压力室7更大的力。
自动化设备1有利地构造用于基于所测量的第二压力、尤其是在使用理想气体方程式的情况下计算第二死容积参数V02。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第二模型中使用所计算的死容积参数V02。
参数适配流程20、尤其是第二子流程22有利地包括用于适配压力项系数G的压力项系数适配步骤AS22。自动化设备1被构造用于为了适配压力项系数G而对气动执行器2进行通气和排气，使得执行器元件3在最终位置之间移动，并且与此同时测量第一压力的时间曲线。自动化设备1进一步被构造用于基于执行器元件3的第二压力p2的时间曲线在使用压力项系数G(例如压力项系数的初始值)的情况下、尤其是在使用模型15的情况下计算第一压力的时间曲线，而且尤其是根据以下关系(所述关系从方程式(4)中得出)来计算：
P1＝G(pu-p2)+pu (9)
有利地，自动化设备1被构造用于计算第一压力的所测量的时间曲线和第一压力的所计算的时间曲线之间的误差并且基于所计算的误差适配(为了计算第一压力的所计算的时间曲线所使用的)位置项系数G，尤其是使得在气动执行器2的通气期间的误差总和等于在气动执行器2的排气期间的误差总和。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第二模型中使用经适配的压力项系数G。
参数适配流程20、尤其是第二子流程22有利地包括用于适配容积变化率参数ΔV的容积变化率参数适配步骤AS24。容积变化率参数适配步骤AS24有利地与上文阐述的容积变化率参数适配步骤AS14相同，使得与此相关的阐述也适用于容积变化率参数适配步骤AS24。自动化设备1被构造用于在模型15、尤其是第二模型中使用所计算的容积变化率参数ΔV。
自动化设备1被构造用于在使用模型15的情况下、尤其是在使用第一模型和/或第二模型的情况下执行气动执行器2的调节和/或诊断。调节是基于模型的调节和/或诊断是基于模型的诊断。
该调节例如是执行器元件3的位置调节。进一步地，该调节可以包括压力调节和/或刚度调节。自动化设备1有利地被构造用于在使用模型15、尤其是第一模型和/或第二模型的情况下计算一个或多个用于操纵阀设备12的调整信号(Stellsignal)，尤其是基于额定值和/或实际值来计算，以便执行调节、尤其是位置调节。
进一步地，该调节可以是多参量调节。通过该模型，多参量调节(尤其是在双作用驱动装置的情况下)也是可能的。在此情况下，优选独立地调节位置和压力水平。由此除了位置调节之外，例如调节刚度或能量优化也是可能的。
有利地，在执行诊断时自动化设备1产生诊断信息。诊断信息例如包括指示气动执行器2的误差的误差信息和/或指示气动执行器2的磨损的磨损信息。有利地，自动化设备1基于一个或多个在调节的、尤其是上文阐述的调节的范围中计算的调整信号和/或额定值和/或实际值在使用模型15、尤其是第一模型和/或第二模型的情况下计算诊断信息。
图4示出利用自动化设备1执行的调节和/或诊断的框图。
额定值23被输送给自动化设备1。额定值23示范性地是执行器元件3的位置的额定值。
可选地，自动化设备1被构造用于基于额定值23执行轨迹规划24，以便计算轨迹额定值25。
优选地，自动化设备1被构造用于在使用模型15、尤其是第一模型和/或第二模型的情况下尤其是基于轨迹额定值25或(如果轨迹规划24不存在)基于额定值23以及基于实际值27并且可选地在考虑基于模型的诊断29的误差信息28的情况下执行基于模型的调节26。实际值27示范性地是执行器元件3的位置的实际值。自动化设备1在基于模型的调节26的范围中计算一个或多个调整信号31，用于操纵气动调整系统(Stellsystem)32。气动调整系统32例如是阀设备12。
根据一个或多个调整信号31，气动调整系统32将一个或多个质量流量33输出给气动驱动系统34。气动驱动系统34例如是气动执行器2。
气动驱动系统34的实际值27——例如执行器元件3的当前位置——被检测并且被输送给基于模型的调节26和/或基于模型的诊断。
自动化设备1优选地被构造用于在使用模型15、尤其是第一模型和/或第二模型的情况下尤其是基于额定值23和/或一个或多个调整信号31和/或实际值27来执行基于模型的诊断。自动化设备1尤其是被构造用于在基于模型的诊断的范围中产生误差信息28。自动化设备1有利地被构造用于在基于模型的诊断的范围中产生诊断信息35并且有利地输出给用户。
自动化设备1可以尤其是根据以下方法被运行，所述方法包括以下步骤：在使用模型15的情况下执行气动执行器2的调节和/或诊断。该方法优选地进一步包括以下步骤(该步骤尤其是在执行调节和/或诊断的步骤之前被执行)：执行参数适配流程，并且在参数适配流程的范围中，将至少一个模型参数适合于气动执行器2的当前变型方案。在参数适配流程的范围中，优选地使多个模型参数、尤其是上述模型参数、例如恰好四个模型参数适合于气动执行器2的当前变型方案。
图5示出过程阀结构单元30。过程阀结构单元30是装置10的示范性实施方案。过程阀结构单元30包括自动化设备1以及气动执行器2。气动执行器2实施为过程阀.
自动化设备1示范性地实施为定位器(Positioner)。自动化设备1包括外壳37，阀设备12、控制单元14和/或压力传感器设备11有利地布置在所述外壳中。示范性地，输入单元17和/或通信接口36布置在外壳37中和/或布置在外壳37处。
(尤其是实施为定位器的)自动化设备1示范性地尤其是利用其外壳37被紧固在气动执行器2处。
(示范性地实施为过程阀的)气动执行器2包括驱动装置38和可由驱动装置操作的配件39。配件39包括阀元件41，所述阀元件经由驱动装置38被操作。
驱动装置38例如实施为旋转驱动装置。驱动装置38包括活塞装置4。驱动装置38拥有第一压力室7。第一压力室7由活塞装置4限定。示范性地，驱动装置38实施为单作用的。驱动装置38示范性地包括弹簧元件8，所述弹簧元件提供作用于活塞装置4上的弹力。
驱动装置38拥有驱动元件42，所述驱动元件可以通过活塞装置4被驱动。驱动元件42与阀元件41耦合，使得阀元件41可以通过驱动元件42在其位置方面被改变。
有利地，活塞装置4、驱动元件42或阀元件41是执行器元件3。
驱动装置38的替代设计方案在图6中示出。驱动装置38在这里实施为双作用的。驱动装置38(除了第一压力室7之外还)包括第二压力室16。第二压力室16通过活塞装置4被限定。
可选地，双作用驱动装置38在过程阀结构单元30中被用作驱动装置38——尤其是代替单作用驱动装置38。
在使用单作用驱动装置38的情况下，自动化设备1将第一模型用于调节和/或诊断。在使用双作用驱动装置38的情况下，自动化设备1将第二模型用于调节和/或诊断。
图7示出系统40，所述系统包括多个装置10A、10B，所述装置10A、10B由相应的自动化设备1A、1B和分配给相应的自动化设备1A、1B的相应的气动执行器2A、2B组成。每个自动化设备1A、1B如上文阐述的自动化设备1那样来实施。每个气动执行器2A、2B如上文阐述的气动执行器2那样来实施。示范性地，系统40包括第一装置10A，所述第一装置包括第一自动化设备1A和分配给第一自动化设备1A的第一气动执行器2A。示范性地，系统40包括第二装置10B，所述第二装置包括第二自动化设备1B和分配给第二自动化设备1B的第二气动执行器2B。
可选地可以存在多于两个装置。例如可能存在多于5个、多于10个或多于20个装置。
每个自动化设备1A、1B拥有相应的模型15，以便执行对分别分配的气动执行器2A、2B的诊断和/或调节。每个模型15有利地如上文阐述的模型15那样来实施，并且有利地包括第一模型和/或第二模型。
自动化设备1A、1B的模型15优选地彼此不同。尤其是，每个自动化设备1A、1B拥有相同的模型15、尤其是拥有相同的第一模型和/或相同的第二模型。
气动执行器中的两个气动执行器2A、2B优选地在其变型方案中彼此不同。示例性地，第一气动执行器2A根据第一变型方案来实施和/或第二气动执行器2B根据不同于第一变型方案的第二变型方案来实施。例如如开头已经阐述的那样，第一变型方案和第二变型方案可以在其运动学、度量和/或其负载方面不同。
系统40优选地利用以下方法被运行，所述方法包括以下步骤：适配每个模型15的至少一个模型参数，以便使相应的模型15适合于分别分配的气动执行器2A、2B的当前变型方案。示范性地，使第一自动化设备1A的模型15适合于第一气动执行器2A的当前第一变型方案，尤其是通过适配模型15的至少一个、优选地多个、示范性地恰好四个模型参数，例如借助于利用第一装置10A对上文阐述的参数适配流程的执行来进行。
示范性地，使第二自动化设备1B的模型15适合于第二气动执行器2B的当前第二变型方案，尤其是通过适配模型15的至少一个、优选地多个、例如恰好四个模型参数，例如借助于利用第二装置10B对上文阐述的参数适配流程的执行来进行。
例如，气动执行器2A、2B实施为单作用气动执行器。例如，第一自动化设备1A和第二自动化设备1B分别包括第一模型。在第一自动化设备1A的第一模型中，使位置项系数F、弹簧预应力行程参数xF、第一死容积参数V01和/或容积变化率参数ΔV(并且有利地无其他参数)适合于第一气动执行器2A的当前第一变型方案。在第二自动化设备1B的第一模型中，使位置项系数F、弹簧预应力行程参数xF、第一死容积参数V01和/或容积变化率参数ΔV(并且有利地无其他参数)适合于第二气动执行器2A的当前第二变型方案。
例如，气动执行器2A、2B实施为双作用气动执行器。例如，第一自动化设备1A和第二自动化设备1B分别包括第二模型。在第一自动化设备1A的第二模型中，使压力项系数G、第一死容积参数V01、第二死容积参数V02和/或容积变化率参数ΔV(并且有利地无其他参数)适合于第一气动执行器2A的当前第一变型方案。在第二自动化设备1B的第二模型中，使压力项系数G、第一死容积参数V01、第二死容积参数V02和/或容积变化率参数ΔV(并且有利地无其他参数)适合于第二气动执行器2B的当前第二变型方案。

Claims (12)

1.一种用于工业自动化的自动化设备(1)，所述自动化设备(1)用于调节和/或诊断具有执行器元件(3)的气动执行器(2)，其中所述自动化设备(1)拥有所述气动执行器(2)的尤其是非线性的模型(15)，所述模型具有至少一个模型参数，能够通过所述模型参数使所述模型(15)适合于所述气动执行器(2)的不同变型方案，并且其中所述自动化设备(1)被构造用于在使用所述模型(15)的情况下执行所述气动执行器(2)的调节和/或诊断。
2.根据权利要求1所述的自动化设备(1)，其中所述自动化设备(1)被构造用于在所述气动执行器(2)的气动操作下执行参数适配流程，并且在所述参数适配流程的范围中，使所述至少一个模型参数适合于所述气动执行器(2)的当前变型方案。
3.根据前一权利要求所述的自动化设备(1)，其中所述模型(15)包括所述执行器元件(3)的当前位置作为状态参量，其中所述当前位置被定义为所述模型(15)中的相对参量。
4.根据前一权利要求所述的自动化设备(1)，其中所述至少一个模型参数包括位置项系数，并且所述模型(15)定义所述执行器元件(3)的当前加速度和压力项与所述位置项系数和位置项的乘积的差之间的关系。
5.根据前一权利要求所述的自动化设备(1)，其中所述至少一个模型参数包括弹簧预应力行程参数，所述弹簧预应力行程参数表明所述气动执行器(2)的弹簧元件(8)的弹簧预应力行程，其中所述模型(15)定义所述执行器元件(3)的加速度/所述加速度和所述执行元件(3)的位置/所述位置与所述弹簧预应力行程参数的差之间的关系。
6.根据前一权利要求所述的自动化设备(1)，其中所述至少一个模型参数包括死容积参数，所述死容积参数表明所述气动执行器(2)的死容积。
7.根据前一权利要求所述的自动化设备(1)，其中所述至少一个模型参数包括容积变化率参数，所述容积变化率参数表明所述执行器(2)的第一压力室(7)的容积变化与所述执行器元件(3)的位置变化的比例。
8.根据前一权利要求所述的自动化设备(1)，其中所述至少一个模型参数包括压力项系数，并且所述模型(15)定义所述执行器元件(3)的加速度和第一压力项与所述压力项系数和第二压力项的乘积的差之间的关系。
9.一种过程阀结构单元，所述过程阀结构单元包括根据前述权利要求中任一项所述的自动化设备(1)以及气动执行器(2)，其中所述气动执行器(2)实施为过程阀。
10.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的自动化设备(1)或根据权利要求9所述的过程阀结构单元(30)的方法，所述方法包括以下步骤：在使用所述模型(15)的情况下执行所述气动执行器(2)的调节和/或诊断。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：执行参数适配流程/所述参数适配流程，并且在所述参数适配流程的范围中使所述至少一个模型参数适合于所述气动执行器(2)的当前变型方案。
12.一种用于运行系统(40)的方法，所述系统包括多个装置(10A，10B)，所述装置由相应的自动化设备(1A、1B)和分配给所述相应的自动化设备(1A、1B)的相应的气动执行器(2A、2B)组成，其中每个自动化设备(1A、1B)按照根据权利要求1至8中任一项所述的自动化设备来实施并且拥有相应的模型(15)，以便执行分别分配的气动执行器(2A、2B)的诊断和/或调节，其中所述自动化设备(1A、1B)的模型(15)彼此不同，并且其中所述气动执行器中的至少两个气动执行器(2A、2B)在其变型方案中彼此不同，其中所述方法包括以下步骤：适配每个模型(15)的至少一个模型参数，以便使相应的模型(15)适合于分别分配的气动执行器(2A、2B)的当前变型方案。
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