CN1549065A - 用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，它包括两个设备，其中设备1中包含一个模拟量输入功能块，与传感器相连；设备2中包含控制功能块、模拟量输出功能块，所述模拟量输出功能块与执行器相连；在设备1中，增加一个预测控制功能块和一个控制功能块，其中控制功能块的参数与设备2中控制功能块的参数完全一样；在设备2中增设一个与设备1中的预测功能块完全相同的预测功能块；使用通用的组态软件配置设备1和设备2中各个功能块之间参数连接。本发明能减少总线网络通信负担，从而提高总线网络数据通信的实时性和确定性；并对错误的采样数据报警，起到第二传感器的作用，提高控制系统稳定性。

Description

用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构

技术领域

本发明涉及现场总线(FOUNDATION Filedbus，简称FF)技术，具体地说是一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，属于基金会现场总线柔性功能块(Flexible Function Block)中的一种。

背景技术

功能块是基金会现场总线最具特色的技术之一。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，完成一个独立而完整的控制功能。FF的控制系统在逻辑上可以视为由若干个功能块组成。构成控制系统的功能块可以是在同一个设备中，也可以分散在多个设备中，由组态软件进行组态后，协作完成控制算法。一个现场设备中可以包含多个功能块，这些功能块可以是现场总线基金会(Fieldbus Foundation)定义的标准的功能块，也可以是开发商根据特定的控制要求定义的柔性功能块。

功能块可分为输入功能块(例如模拟量输入功能块AI)，控制(计算)功能块(例如控制功能块PID)和输出功能块(例如模拟量输出功能块AO)三种。输入功能块所在的设备与传感器相连，输出功能块所在的设备与执行器相连，控制功能块可以存在于任何设备中。在典型的闭环控制系统中，在每一个控制周期内，输入功能块通过传感器检测当前的被控物理量，进行滤波和线性化之后，将采样值传送给控制功能块。控制功能块计算出控制量，通过输出功能块将控制量发送到执行器完成控制。

在现有技术中，完成每一个控制周期，控制系统都至少需要通过总线网络进行一次通信。频繁的总线通信，必然占用较多的网络带宽，影响了控制系统的实时性和确定性，尤其是在以太网现场总线载波侦听/冲突回避的通信机制下，这一问题更加突出。另一方面，在现有控制系统中，难以快速检测传感器或(和)执行器出现的故障；即使检测出传感器出现了故障，控制系统将进入安全状态，停止对被控对象的控制。这必然对生产造成损失，甚至出现危险情况。

发明内容

为了克服由于频繁通信和传感器或(和)执行器故障所造成的控制系统的不稳定和安全隐患，本发明提供一种基于预测的解决方案，即一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，它根据被控对象的传递函数、控制量和采样值对被控物理量进行预测，从而减少总线网络的通信量，而且对控制系统中的传感器和执行器的工作状态进行监控，提高控制系统的稳定性和安全性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：包括两个设备，其中设备1中包含一个模拟量输入功能块，与传感器相连；设备2中包含控制功能块、模拟量输出功能块，所述模拟量输出功能块与执行器相连；在设备1中，增加一个预测控制功能块和一个控制功能块，其中控制功能块的参数与设备2中控制功能块的参数完全一样，预测功能块中功能块的角色标记设置为传感器一侧；在设备2中增设一个与设备1中的预测功能块完全相同的预测功能块，并将其功能块的角色标记设置为执行器一侧；使用通用的组态软件配置设备1和设备2中各个功能块之间参数的连接如下：在设备1中，模拟量输入功能块的输出参数与预测功能块的输入参数采样值相连，控制功能块的输出参数与预测功能块的输入参数控制量相连，预测功能块的输出参数同时与设备1中控制功能块的输入参数和设备2中预测功能块的输入参数采样值相连；在设备2中，控制功能块的输出参数同时与预测功能块的输入参数控制量和模拟量输出功能块的输出参数相连，预测功能块的输出参数与控制功能块的输入参数相连，预测功能块的输入参数采样值与设备中预测功能块的输出参数相连；

其中通过通用的组态软件，配置设备1中功能块的调度，首先是模拟量输入功能块执行，然后由预测功能块决定是否需要通过总线向设备2发送由模拟量输入功能块传送来的采样值，是否需要发送报警，最后是控制功能块执行；其中配置设备2中功能块的调度，通过是否接收到从设备1中预测功能块发送来的采样值来决定控制功能块执行，计算出本控制周期的控制量的依据，并将控制量同时发送给模拟量输出功能块，同时发送到和设备2中的预测功能块；最后是模拟量输出功能块执行，将设备2控制功能块发送来的控制量进行量程变换后转换发送到执行器，施加于被控对象之上；

其中在传感器一侧设备1中的预测功能块执行流程如下：预测功能块首先计算预测值，并计算此预测值与模拟量输入功能块发送来的采样值之间偏差的绝对值，并参考最大允许误差来判断预测值的精度是否达到要求：如果预测值与采样值之间偏差的绝对值小于最大允许误差，用预测值代替采样值，并将被替换的采样值(即预测值)发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果预测值与采样值之间偏差的绝对值大于最大允许误差，需要重新计算预测修正量，然后将采样值通过总线网络发送到设备2中的预测功能块中，再根据报警阈值判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常：如果预测值与采样值之间偏差的绝对值小于报警阈值，将采样值发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果预测值与采样值之间偏差的绝对值大于报警阈值，发送报警提醒现场工程师检修，然后将采样值发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；

其中在执行器一侧设备2中的预测功能块执行流程如下：预测功能块首先计算预测值，然后判断是否接收到从设备1中的预测功能块发送来的采样值，如果没有接收到从设备1中的预测功能块发送来的采样值，将预测值发送到设备2中的控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果接收到从设备1中的预测功能块发送来的采样值，重新计算预测修正量，然后计算预测值与从设备1中的预测功能块发送来的采样值之间偏差的绝对值，并参考报警阈值来判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常：如果预测值与采样值之间偏差的绝对值小于报警阈值，将从设备1中的预测功能块发送来的采样值发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果预测值与采样值之间偏差的绝对值大于报警阈值，需要根据信任预测时长的值来决定此后的执行过程：如果信任预测时长大于0，将信任预测时长减1，然后将预测值发送到设备2中的控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果信任预测时长等于0，将从设备1中的预测功能块发送来的采样值发送到设备2中的控制功能块中，结束预测功能块的执行过程。

本发明具有如下优点：

1.减轻总线网络通信负担。本发明通过对被控物理量的预测，减少总线网络的通信负担，从而提高了控制系统的实时性和确定性，尤其是在以太网现场总线载波侦听/冲突回避的通信机制下，这一优点更是明显。

2.合理利用设备资源。本发明通过两个设备中的预测控制功能块对同一被控物理量进行预测的冗余计算来减轻通信负担，不但不会影响设备正常工作，而且合理有效的利用了分散在现场总线控制系统中各个设备中的空闲资源和计算能力。

3.提高控制系统的稳定性和安全性。本发明通过比较预测值和采样值之间的偏差是否超出最大允许误差MAX_ERR所规定的范围来判断控制系统的传感器或(和)执行器的工作状态，起到第二传感器的作用，从而提高控制系统的稳定性和安全性，避免发生危险。

4.减少因传感器故障造成的损失。本发明可以在控制系统传感器出现故障时，在信任预测时长所规定的控制周期内使用预测值继续进行控制，从而减少因为控制停顿对生产造成的损失，为工程师检修系统争取时间。

附图说明

图1为现有技术中典型的闭环控制系统结构图。

图2为本发明的控制系统结构简图。

图3为图2中控制原理图

图4为本发明实际采样值与预测值的关系图。

图5为图2中预测功能块结构图。

图6为本发明在设备1中预测功能块的执行流程图。

图7为本发明在设备2中预测功能块PC的执行流程图。

图8为本发明一个实施例结构示意图。

图9为本发明一个实施例控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，现有技术中典型的基金会现场总线控制系统由模拟量输入功能块(Analog Input，简称AI)、模拟量输出功能块(Analog Output，简称AO)和控制功能块(Proportional Integral Derivative，简称PID)三种功能块组成。在每一个控制周期内，模拟量输入功能块AI通过传感器检测当前的被控物理量，进行滤波和线性化之后，将采样值发送给控制功能块PID。控制功能块PID计算出控制量，通过模拟量输出功能块AO将控制量发送到执行器完成控制。在一个设备中除了可以具有控制功能块之外，还可以具有输入功能块或者输出功能块，但是不能同时具有输入功能块和输出功能块。因此，完成每一个控制周期，都至少需要通过总线网络进行一次通信，频繁的总线通信，必然占用较多的网络带宽，影响了控制系统的实时性和确定性，尤其是在以太网载波侦听/冲突回避的通信机制下，这一问题更加突出。另一方面，如果系统中的传感器或(和)执行器出现故障而未被系统检测出，必然对生产产生不利影响，甚至造成危险情况。退一步说，即使已经检测出传感器出现故障，传统的控制系统将进入安全状态，停止对被控对象的控制，同样也要给生产造成损失。

如图2所示，本发明包括两个设备，其中设备1中包含一个模拟量输入功能块AI，与传感器相连；设备2中包含控制功能块PID、模拟量输出功能块AO，所述模拟量输出功能块AO与执行器相连；在设备1中，增加一个预测功能块PC和一个控制功能块PID，其中控制功能块PID的参数与设备2中控制功能块PID的参数完全一样，预测功能块PC中功能块的角色标记设置为传感器一侧；在设备2中增设一个与设备1中的预测功能块PC完全相同的预测功能块PC，并将其功能块的角色标记设置为执行器一侧；通过通用的组态软件，配置设备1中功能块的调度过程如下：首先是模拟量输入功能块AI执行，将通过传感器得到本周期的采样值SAMPLE发送到预测功能块PC；然后是预测功能块PC执行，根据传递函数描述G¹、以往的控制量和以往的采样值计算出预测值，并与模拟量输入功能块AI发送来的采样值SAMPLE进行比较，决定本控制周期采用预测值还是采样值SAMPLE进行控制，是否需要通过总线向设备2发送采样值SAMPLE，是否需要发送报警；最后是控制功能块PID执行，计算出本控制周期的控制量CONTROL，并将此控制量CONTROL发送到预测功能块PC，用于计算下一控制周期的预测值；配置设备2中功能块的调度过程如下：首先是预测功能块PC执行，根据传递函数描述G¹、以往的控制量和以往的采样值计算出预测值，并通过是否接收到从设备1中预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE来决定本控制周期采用预测值还是采样值SAMPLE进行控制；然后是控制功能块PID执行，计算出本控制周期的控制量CONTROL，发送给模拟量输出功能块AO，同时此控制量CONTROL还要发送到设备2中的预测功能块PC，用于计算下一控制周期的预测值；最后是模拟量输出功能块AO执行，将控制功能块PID发送来的控制量CONTROL进行量程转换发送到执行器，施加于被控对象之上。

如图3所示，使用通用的组态软件配置设备1和设备2中各个功能块之间参数的连接如下：在设备1中，模拟量输入功能块AI的输出参数OUT与预测功能块PC的输入参数采样值SAMPLE相连，控制功能块PID的输出参数OUT与预测功能块PC的输入参数控制量CONTROL相连，预测功能块PC的输出参数OUT同时与设备1中控制功能块PID的输入参数IN和设备2中预测功能块PC的输入参数采样值SAMPLE相连；在设备2中，控制功能块PID的输出参数OUT同时与预测功能块PC的输入参数控制量CONTROL和模拟量输出功能块AO的输出参数OUT相连，预测功能块PC的输出参数OUT与控制功能块PID的输入参数IN相连，预测功能块PC的输入参数采样值SAMPLE与设备1中预测功能块PC的输出参数OUT相连。

如图4所示，工程师对被控对象传递函数描述G¹与实际被控对象传递函数G之间是存在一定差距的，预测功能块PC预测值的精度很大程度上取决于对被控对象传递函数描述G¹的准确性。如果对被控对象的辨识不精确，即实际被控对象传递函数G与被控对象传递函数描述G¹存在较大的偏差，则相同的控制量CONTROL作用于这两个模型上，所产生的采样值和预测值必然是不同的，也就是说无论采用何种预测算法，得到的预测值都将与实际采样值存在较大的偏差。因此，为了得到精确的预测值，对被控对象传递函数G的准确描述是至关重要的。但是，对于现场工程师而言，对被控对象的精确辨识比较困难。此外，被控对象受到控制现场环境的影响，其模型也会出现漂移。因此需要采用一定的修正算法来提高预测值的精度。

如图5所示，预测功能块PC的结构包含以下内容：SAMPLE参数接收实际采样值；CONTROL参数接收由控制功能块PID传送来的上一周期控制量；这个控制量CONTROL作用在被控对象传递函数描述G¹上，就可以得到预测值。预测值与采样值SAMPLE进行比较，如果它们之间的偏差超过报警阈值MAX_DEV，则认为当前传感器或(和)执行器工作状态不正常，预测功能块PC发出报警。MAX_ERR是预测值与实际采样值SAMPLE之间的最大允许误差。当预测值与实际采样值SAMPLE之间偏差绝对值超过最大允许误差MAX_ERR时，将这个差值保存到一个固定长度(例如5)的数组中，并覆盖掉该数组中时间最早的数据；在下一个执行周期中，取这个数组中数据的平均值作为修正量，与直接计算得到的预测值相加作为最终的预测结果；这样做的目的是手动补偿同一控制量CONTROL作用在模型被控对象传递函数描述G¹与模型实际被控对象传递函数G上所得到的输出之间的偏差，从而提高预测精度；预测功能块PC采用这个简单的方法，不仅有效的提高了预测精度，而且功能块的执行时间也得到了很好的控制，使得在控制系统中加入预测功能块PC并不会给设备造成太大的计算负担，从而也不会影响控制系统的实时性。

如图6所示，在传感器一侧设备(即设备1)中的预测功能块PC执行流程如下：预测功能块PC首先计算预测值，预测值是根据传递函数描述G¹、以往控制量和以往采样值计算得到，再加上预测修正量以提高预测值的精度；然后计算此预测值与模拟量输入功能块AI发送来的采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR，并参考最大允许误差MAX_ERR来判断预测值的精度是否达到要求：如果预测值与采样值之间偏差的绝对值ERROR小于最大允许误差MAX_ERR，说明预测值的精度满足要求，用预测值代替采样值SAMPLE，并将被替换的采样值SAMPLE(即预测值)发送到控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程，在这种情况下不需要通过总线网络发送采样值SAMPLE；如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR大于最大允许误差MAX_ERR，说明预测值的精度不能满足要求，不能代替采样值SAMPLE，需要重新计算预测修正量，以提高下一次预测的精度，然后将采样值SAMPLE通过总线网络发送到设备2中的预测功能块PC中，在这种情况下需要通过总线网络发送采样值SAMPLE；接下来根据报警阈值MAX_DEV判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常：如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR小于报警阈值MAX_DEV，说明传感器和执行器工作正常，不需要发送报警，将采样值SAMPLE发送到控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程；如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR大于报警阈值MAX_DEV，说明传感器或(和)执行器工作不正常，需要发送报警提醒现场工程师检修，然后将采样值SAMPLE发送到控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程。

如图7所示，在执行器一侧设备(即设备2)中的预测功能块PC执行过程如下：预测功能块PC首先计算预测值，预测值是根据传递函数描述G¹、以往控制量和以往采样值计算得到，再加上预测修正量以提高预测值的精度；然后判断是否接收到从设备1中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE，如果没有接收到从设备1中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE，说明预测值的精度满足要求，将预测值发送到设备2中的控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程；如果接收到从设备1中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE，说明预测值的精度不能满足要求，需要重新计算预测修正量，以提高下一次预测的精度，然后计算预测值与从设备1中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR，并参考报警阈值MAX_ERR来判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常：如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR小于报警阈值MAX_DEV，说明传感器和执行器工作正常，将从设备1中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE发送到控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程；如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差的绝对值ERROR大于报警阈值MAX_DEV，需要根据信任预测时长的值来决定此后的执行过程：如果信任预测时长大于0，说明在信任预测时长所规定的控制周期内使用预测值进行控制，将信任预测时长减1，然后将预测值发送到设备2中的控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程；如果信任预测时长等于0，说明不信任预测值或者已经达到了信任预测时长所规定的控制周期，将从设备1中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE发送到设备2中的控制功能块PID中，结束预测功能块PC的执行过程。

预测功能块PC中包含以下参数：

——被控对象传递函数描述G¹；

——控制量CONTROL；

——采样值SAMPLE；

——预测值；

——最大允许误差MAX_ERR，预测值与实际采样值SAMPLE之间的偏差在此范围之内，就认为预测值有足够的精度，可以代替采样值SAMPLE；

——报警阈值MAX_DEV，当预测值与实际采样值SAMPLE之间的偏差超出此范围，就认为传感器或执行器出现故障，需要发送报警；

——信任预测时长，在此时间内可以使用预测值进行控制；

——预测修正量，对预测值进行修正，提高预测精度；

——功能块的角色标记，控制当前预测功能块PC的执行方式；

其中：所述预测值是根据被控对象传递函数描述G¹、以往采样值和以往控制量计算得到；最大允许误差和报警阈值MAX_DEV均采用的是绝对值，大小可由现场工程师设定；预测修正量是根据以往预测值计算得到；信任预测时长可由现场工程师设定，数值是控制周期的倍数；功能块的角色标记在控制系统组态时由现场工程师设定；

所述被控对象传递函数的描述是一系列内含参数，这些参数刻画了被控对象的特性，其数值由现场工程师根据具体的被控对象设定。在过程控制中，大部分被控对象都是一阶或可以近似为一阶的惯性环节和积分环节，只有少量的二阶振荡环节，这些被控对象传递函数的一般形式为 $G\left(s\right)=\frac{K}{T_1{s}^2+T_{2}s+T_3},$ 只需要放大倍数K、时间常数T₁、T₂和T₃这四个参数就可以描述这一形式的传递函数。对于一阶惯性环节而言，其传递函数的形式为 $G\left(s\right)=\frac{K}{\mathrm{Ts}+1},$ 描述这一类的传递函数需要现场工程师设置K和T₂两个参数，而将T₁设置为0，T₃设置为1；对于一阶积分环节而言，其传递函数的形式为 $G\left(s\right)=\frac{K}{\mathrm{Ts}},$ 描述这一类的传递函数需要现场工程师设置K和T₂两个参数，而将T₁和T₃设置为0；对于二阶振荡环节而言，其传递函数的形式为 $G\left(s\right)=\frac{K}{T_1{s}^2+T_{2}s+T_3},$ 描述这一类的传递函数需要现场工程师设置K、T₁、T₂和T₃四个参数。现场工程师通过这四个参数所描述的传递函数，与实际被控对象的传递函数可能存在偏差，为叙述方便，将工程师所设定的被控对象传递函数的描述记为G¹，实际被控对象的传递函数记为G。相同的控制量CONTROL作用于被控对象传递函数的描述G¹上，就得到预测值，作用于实际被控对象的传递函数G上，就得到采样值SAMPLE；

所述控制量CONTROL是一个输入参数，接收由控制功能块PID计算得到的控制量。此控制量是上一控制周期对被控对象的控制量，经过模拟量输出功能块AO进行量程变换之后，通过执行器施加于被控对象之上。控制量CONTROL是计算预测值的必要条件之一，控制量CONTROL作用于被控对象传递函数的描述G¹上，就得到预测值。对于一阶系统而言，计算本控制周期的预测值需要前一控制周期的控制量；对于二阶系统而言，计算本控制周期的预测值需要前两个控制周期的控制量，因此需要将前面第二控制周期的控制量保存起来；

所述采样值SAMPLE是一个输入参数，接收由模拟量输入功能块AI传递来的上一控制周期对被控物理量的实际采样值。根据实际采样值SAMPLE与计算得到的预测值之间的偏差，并参考最大允许误差MAX_ERR所设定的数值，来决定本控制周期之内用采样值SAMPLE还是预测值进行控制。如果实际采样值SAMPLE与预测值之间的偏差在最大允许误差MAX_ERR范围之内，则采样值SAMPLE被预测值所代替。采样值SAMPLE是计算预测值的必要条件之一，对于一阶系统而言，计算本控制周期的预测值需要前一控制周期的采样值；对于二阶系统而言，计算本控制周期的预测值需要前两个控制周期的采样值，因此需要将前面第二控制周期的采样值保存起来；

所述预测值是一个内含参数，根据被控对象传递函数的描述、控制量CONTROL和采样值SAMPLE计算得到。预测值的计算方法是：考虑零阶保持器，对被控对象传递函数的描述G¹进行Z变换，并转换为差分方程。对于一阶系统，差分方程的形式为Y(k)＝aU(k-1)+bY(k-1)，其中Y(k)是需要计算的本周期的预测值，U(k-1)是上一控制周期的控制量，Y(k-1)是上一控制周期的采样值，常数a和b是根据被控对象的传递函数描述G¹中的参数K、T₁、T₂和T₃计算得到；对于二阶系统，差分方程的形式为Y(k)＝a₁U(k-1)+a₂U(k-2)+b₁Y(k-1)+b₂Y(k-2)，其中Y(k)是需要计算的本周期的预测值，U(k-1)和U(k-2)分别是上一、二控制周期的控制量，Y(k-1)和Y(k-2)分别是上一、二控制周期的采样值，常数a₁、a₂、b₁和b₂是根据被控对象的传递函数描述中的参数K、T₁、T₂和T₃计算得到。通过差分方程计算得到的预测值，与实际采样值SAMPLE进行比较，如果它们之间的偏差在最大允许误差范围之内，则用预测值代替采样值SAMPLE，对被控对象进行控制并作为计算下一周期预测值的依据，而且不需要通过总线通信发送采样值SAMPLE；如果它们之间偏差的绝对值大于最大允许误差，则抛弃此预测值，使用采样值SAMPLE进行控制并计算下一周期预测值，而且需要通过总线通信发送采样值SAMPLE。预测值还作为第二传感器使用，工作原理是：在正常的控制过程中，预测值和采样值SAMPLE之间的偏差不会太大。当控制系统的传感器出现故障，无法采集到正确的采样值SAMPLE，或者当控制系统的执行器出现故障，控制量CONTROL无法正确施加在被控对象之上时，预测值和采样值SAMPLE会出现较大的偏差。如果这个偏差的绝对值大于报警阈值MAX_DEV，则认为控制系统的传感器或(和)执行器出现故障，需要发送报警，提醒工程师对系统进行检修。根据现场情况和安全性要求，如果是传感器出现了故障而执行器工作正常，还可以在信任预测时长之内继续用预测值进行控制，为检修争取时间，减少损失；

所述最大允许误差MAX_ERR是一个内含参数，其数值是一个绝对值，由现场工程师根据控制需要设定，作为判断预测精度的标准。如果实际采样值SAMPLE与预测值之间偏差的绝对值小于最大允许误差MAX_ERR，则认为预测值达到了所需要的精度，可以代替实际采样值SAMPLE；如果实际采样值SAMPLE与预测值之间偏差的绝对值大于最大允许误差MAX_ERR，则认为预测值没有达到所需要的精度，需要用实际采样值SAMPLE来完成控制和预测；

所述报警阈值MAX_DEV是一个内含参数，其数值是一个绝对值，由现场工程师根据所需要的安全系数来设定，作为判断当前传感器和执行器工作状态的标准。在控制系统正常的工作状态下，实际采样值SAMPLE与预测值之间的偏差不会超过报警阈值MAX_DEV。如果实际采样值SAMPLE与预测值之间的偏差超过报警阈值MAX_DEV，则认为传感器或(和)执行器工作状态不正常，需要发送报警，提醒现场工程师进行检修，避免造成更大损失和产生危险；

所述信任预测时长是一个内含参数，其数值是控制周期的倍数，由现场工程师根据所需要的安全系数和预测值的精度来设定。当实际采样值SAMPLE与预测值之间偏差的绝对值大于报警阈值MAX_DEV，并检测出传感器工作状态不正常时，为了减少因为控制停顿而产生的损失，在信任预测时长所规定的控制周期内，控制系统采用预测值代替实际采样值SAMPLE继续进行控制，为工程师对系统的检修争取时间。信任预测时长是对预测值的信任程度的反映，其数值的大小很大程度上取决于预测值的精度；

所述预测修正量是一个只读参数，根据以往的预测值和采样值计算得到。由于现场工程师所设定的被控对象传递函数描述G¹与实际被控对象传递函数G可能存在较大的误差，使得相同控制量CONTROL作用于被控对象传递函数描述G¹和实际被控对象的传递函数G之上分别得到的预测值和采样值之间可能有较大的偏差，为了减少这一偏差，在计算得到的预测值上增加一个修正量，使预测值更加接近采样值SAMPLE。预测修正量的计算方法是：当预测值与实际采样值SAMPLE之间偏差绝对值超过最大允许误差时，将这个差值保存到一个固定长度(例如5)的数组中，并覆盖掉该数组中时间最早的数据，取这个数组中数据的平均值作为预测修正量。预测修正量提高预测值的精度，减小预测值与采样值SAMPLE之间的偏差，从而减少总线网络通信量，并提高第二传感器的置信度，增加信任预测时长；

所述功能块的角色标记是一个内含参数，指示当前功能块的执行方式和在控制系统中所承担的任务。预测功能块PC在连接传感器的设备中和在连接执行器的设备中的执行方式是不同的。在连接传感器的设备中的预测功能块PC在执行过程中，计算出预测值，并与采样值SAMPLE进行比较。如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差绝对值小于最大允许误差MAX_ERR，则用预测值代替采样值SAMPLE，而且不需要通过总线发送采样值SAMPLE；如果预测值与采样值SAMPLE之间偏差绝对值大于最大允许误差MAX_ERR，则需要通过总线发送采样值SAMPLE，并且重新计算修正量。如果这个偏差大于报警阈值MAX_DEV，则认为传感器或(和)执行器工作不正常，需要发送报警。在连接传感器的设备中的预测功能块PC在执行过程中，计算出预测值，并判断是否接收到来自在连接传感器的设备中的预测功能块PC发送来的采样值SAMPLE。如果接收到采样值SAMPLE，说明当前预测值不够精确，抛弃当前预测值，将采样值SAMPLE发送到执行器进行控制，同时重新计算修正量；如果没有接收到采样值SAMPLE，说明当前预测值有足够的精度，用预测值代替采样值SAMPLE进行控制。

补充实验条件及结果：

如图8所示，实验条件条件及实验结果如下：传感器1采用的是热电阻传感器PT100，由设备1中的模拟量输入功能块AI对其进行采样得到采样值SAMPLE；可控硅调压模块作为执行器将设备2中模拟量输出功能块AO输出的4～20mA电流控制量CONTROL转变为0～200V直流电压控制量，对灯泡3的亮度进行控制，进而控制灯箱2的温度。实验测得被控对象(本实施例为灯箱2的温度)传递函数描述G¹中的放大倍数K＝4.47，时间常数T₂＝525秒。实验采用的控制周期为1秒，测试结果如表1所示。从表1中可以看到，在最大允许误差MAX_ERR为0.2℃(总控制量程40℃的千分之五)时，利用本发明预测功能块PC可以节省四分之三以上的通讯量；即使最大允许误差MAX_ERR为0.08℃(总控制量程40℃的千分之五)时，也可以节省三分之一以上的通讯量。因此，采用本发明预测功能块PC来节省通讯量的效果是非常明显的。

表1测试结果

             允许最大误差

控制周期数

                           未发送次数      未发送次数百分比

             MAX ERR

7608         0.2℃            5889               77.4％

7324         0.08℃           2461               33.6％

如图9所示，在最大允许误差MAX_ERR为0.2℃(总控制量程40℃的千分之五)的条件下，用OPC服务器绘制的利用本发明对图8所示的灯箱温度进行控制的实际控制效果曲线。从控制效果曲线来看，本发明增加了预测功能块PC，并不会影响控制系统的稳定性和控制效果。从图9中可以看到，即使在控制中使用了大量的预测值来进行控制，仍然能达到非常满意的控制效果。

本发明可以在基金会现场总线H1设备中使用，也可以在高速以太网(HSE)设备中使用。

Claims (5)

1.一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，包括两个设备，其中设备(1)中包含一个模拟量输入功能块(AI)，与传感器相连；设备(2)中包含控制功能块(PID)、模拟量输出功能块(AO)，所述模拟量输出功能块(AO)与执行器相连；其特征在于：在设备(1)中，增加一个预测控制功能块(PC)和一个控制功能块(PID)，其中控制功能块(PID)的参数与设备(2)中控制功能块(PID)的参数完全一样，预测功能块(PC)中功能块的角色标记设置为传感器一侧；在设备(2)中增设一个与设备(1)中的预测功能块(PC)完全相同的预测功能块(PC)，并将其功能块的角色标记设置为执行器一侧；使用通用的组态软件配置设备(1)和设备(2)中各个功能块之间参数的连接如下：在设备(1)中，模拟量输入功能块(AI)的输出参数(OUT)与预测功能块(PC)的输入参数采样值(SAMPLE)相连，控制功能块(PID)的输出参数(OUT)与预测功能块(PC)的输入参数控制量(CONTROL)相连，预测功能块(PC)的输出参数(OUT)同时与设备(1)中控制功能块(PID)的输入参数(IN)和设备(2)中预测功能块(PC)的输入参数采样值(SAMPLE)相连；在设备(2)中，控制功能块(PID)的输出参数(OUT)同时与预测功能块(PC)的输入参数控制量(CONTROL)和模拟量输出功能块(AO)的输出参数(OUT)相连，预测功能块(PC)的输出参数(OUT)与控制功能块(PID)的输入参数(IN)相连，预测功能块(PC)的输入参数采样值(SAMPLE)与设备(1)中预测功能块(PC)的输出参数(OUT)相连。

2.按照权利要求1所述用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，其特征在于：其中通过通用的组态软件，配置设备(1)中功能块的调度，首先是模拟量输入功能块(AI)执行，然后由预测功能块决定是否需要通过总线向设备(2)发送由模拟量输入功能块(AI)传送来的采样值(SAMPLE)，是否需要发送报警，最后是控制功能块(PID)执行。

3.按照权利要求1所述用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，其特征在于：其中配置设备(2)中功能块的调度，通过是否接收到从设备(1)中预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)来决定控制功能块(PID)执行，计算出本控制周期的控制量(CONTROL)的依据，并将控制量(CONTROL)同时发送给模拟量输出功能块(AO)，同时发送到和设备(2)中的预测功能块(PC)；最后是模拟量输出功能块(AO)执行，将设备(2)控制功能块(PID)发送来的控制量(CONTROL)进行量程变换后转换发送到执行器，施加于被控对象之上。

4.按照权利要求1所述用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，其特征在于：其中在传感器一侧设备(1)中的预测功能块(PC)执行流程如下：预测功能块(PC)首先计算预测值，并计算此预测值与模拟量输入功能块(AI)发送来的采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)，并参考最大允许误差(MAX_ERR)来判断预测值的精度是否达到要求：如果预测值与采样值之间偏差的绝对值(ERROR)小于最大允许误差(MAX_ERR)，用预测值代替采样值(SAMPLE)，并将被替换的采样值(SAMPLE)(即预测值)发送到控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程；如果预测值与采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)大于最大允许误差(MAX_ERR)，需要重新计算预测修正量，然后将采样值(SAMPLE)通过总线网络发送到设备(2)中的预测功能块(PC)中，再根据报警阈值(MAX_DEV)判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常：如果预测值与采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)小于报警阈值(MAX_DEV)，将采样值(SAMPLE)发送到控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程；如果预测值与采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)大于报警阈值(MAX_DEV)，发送报警提醒现场工程师检修，然后将采样值(SAMPLE)发送到控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程。

5.按照权利要求1所述用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，其特征在于：其中在执行器一侧设备(2)中的预测功能块(PC)执行流程如下：预测功能块(PC)首先计算预测值，然后判断是否接收到从设备(1)中的预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)，如果没有接收到从设备(1)中的预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)，将预测值发送到设备(2)中的控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程；如果接收到从设备(1)中的预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)，重新计算预测修正量，然后计算预测值与从设备(1)中的预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)，并参考报警阈值(MAX_ERR)来判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常：如果预测值与采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)小于报警阈值(MAX_DEV)，将从设备(1)中的预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)发送到控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程；如果预测值与采样值(SAMPLE)之间偏差的绝对值(ERROR)大于报警阈值(MAX_DEV)，需要根据信任预测时长的值来决定此后的执行过程：如果信任预测时长大于0，将信任预测时长减1，然后将预测值发送到设备(2)中的控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程；如果信任预测时长等于0，将从设备(1)中的预测功能块(PC)发送来的采样值(SAMPLE)发送到设备(2)中的控制功能块(PID)中，结束预测功能块(PC)的执行过程。

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