DE102014102665B4

DE102014102665B4 - Verbesserte Kalman-Filter in Prozesssteuerungssystemen

Info

Publication number: DE102014102665B4
Application number: DE102014102665.9A
Authority: DE
Inventors: Terrence Lynn Blevins; Mark J. Nixon; Wilhelm K. Wojsznis
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2034-03-01
Also published as: US20140249654A1; JP7009432B2; GB201402081D0; JP2014197390A; JP6356977B2; CN104020667B; GB2512713A; US9436174B2; JP2020013622A; CN104020667A; DE102014102665A1; GB202001206D0; GB2581034A; GB2581034B; JP2018088289A; GB2512713B

Abstract

Steuerungssystem (10) zum Benutzen bei der Steuerung eines Prozesses, das Steuerungssystem umfassend:eine Steuerungseinheit (11) einschließlich einer Prozessvariableneingabe und einer Steuerungsroutineeinheit, die mit der Prozessvariableneingabe kommunikativ gekoppelt sind, wobei die Steuerungsroutineeinheit ein Steuerungssignal erzeugt zur Benutzung beim Steuern des Prozesses basierend auf einem an der Prozessvariableneingabe empfangenen Prozessvariablenwert;eine Kalman-Filtereinheit, die mit der Steuereinheit (11) gekoppelt ist, wobei die Kalman-Filtereinheit einmal während jeder einer Reihe der Ausführungszyklen betrieben wird, um eine Prozessvariablenschätzung zu erzeugen, die Kalman-Filtereinheit beinhaltend:eine Steuerungssignaleingabe, gekoppelt zum Empfangen des durch die Steuerungsroutineeinheit erzeugten Steuerungssignals,eine Schnittstelle (660), einschließlich einer Prozessvariablen-Feedbackeingabe, die ein Prozessvariablenmessungssignal weniger häufig als einmal pro Ausführungszykluszeit der Kalman-Filtereinheit empfängt,ein Prozessmodell, gekoppelt zum Empfangen des Steuerungssignals an der Steuerungssignaleingabe zur Erzeugung einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung,eine Korrektureinheit, gekoppelt zur Benutzung des über die Prozessvariablen-Feedbackeingabe empfangenen Prozessvariablenmessungssignals zur Erzeugung eines Korrektursignals von einem Rest, wobei die Korrektureinheit einen ersten Kombinierer (418), eine Schaltereinheit (662) und eine Verstärkungseinheit (422) beinhaltet, undeinen zweiten Kombinierer (414), gekoppelt mit dem Prozessmodell und mit der Korrektureinheit, um die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung zu kombinieren;wobei während dem Ausführungszyklus der Kalman-Filter-Einheit, an der ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Schaltereinheit (662) betrieben wird zur Bereitstellung eines neuen Werts des Rests an die Verstärkungseinheit (422), um das Korrektursignal zu erzeugen, wobei der neue Wert des Rests durch das Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem Wert des Prozessvariablenmessungssignals am ersten Kombinierer (418) bestimmt wird;wobei während Ausführungszyklen der Kalman-Filter-Einheit nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Schaltereinheit (662) betrieben wird zur Bereitstellung eines gespeicherten Werts des Rests an die Verstärkungseinheit (422) zur Erzeugung des Korrektursignals, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem einen der Ausführungszyklen der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird; undwobei die Prozessvariableneingabe der Steuerungseinheit (11) gekoppelt ist zum Empfangen der Prozessvariablenschätzung basierend auf der weiteren Prozessvariablenschätzung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Prozessüberwachungs- und Steuerungssysteme und insbesondere auf die Übertragung und Verarbeitung von fortlaufenden, drahtlosen und/oder intermittierenden Steuerungskommunikationen in Prozesssteuerungssystemen, die Controller aufweisen, die Kalman-Filter benutzen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Prozesssteuerungssysteme, wie verteilte oder skalierbare Prozesssteuerungssysteme, wie die in chemischen, Erdöl- oder sonstigen Prozessen benutzen, beinhalten typischerweise einen oder mehrere Prozesscontroller, die über analoge, digitale oder kombinierte analog/digitale Busse kommunikativ miteinander, mit mindestens einer Host- oder Operator-Workstation und mit einem oder mehreren Feldgeräten gekoppelt sind. Die Feldgeräte, die zum Beispiel Ventile, Ventilsteller, Schalter und Transmitter sein können (z.B. Temperatur-, Druck- und Flussratensensoren), führen Funktionen, wie das Öffnen oder Schließen von Ventilen und Messen von Prozessparametern innerhalb des Prozesses durch. Der Prozesscontroller empfängt Signale, die Prozessmessungen anzeigen, die von den Feldgeräten durchgeführt wurden und/oder andere Informationen, die sich auf die Feldgeräte beziehen, und benutzt diese Informationen, um eine Steuerungsroutine durchzuführen, um Steuerungssignals zu generieren, die über die Busse zu den Feldgeräten gesendet werden, um den Betrieb des Prozesses zu steuern. Informationen von den Feldgeräten und dem Controller werden typischerweise an eine oder mehrere durch die Operator-Workstation ausgeführte Applikationen verfügbar gemacht, um jede gewünschte Funktion mit Bezug zu dem Prozess, wie das Ansehen des aktuellen Zustands des Prozesses, das Modifizieren des Betriebs des Prozesses etc., durchzuführen.
Einige Prozesssteuerungssysteme, wie das DeltaV™-System, verkauft von Emerson Prozess Management, benutzen Funktionsblocks oder Gruppen von Funktionsblöcken, bezeichnet als Module, die im Controller oder in verschiedenen Feldgeräten zur Durchführung von Steuerungs- und/oder Überwachungsvorgängen angeordnet sind. In diesen Fällen ist der Controller oder das andere Gerät in der Lage, einen oder mehrere Funktionsblöcke oder Module zu beinhalten und auszuführen, von denen jeder/jedes Eingaben von anderen Funktionsblöcken empfängt und/oder Ausgaben an andere Funktionsblöcke (entweder innerhalb des selben Geräts oder innerhalb verschiedener Geräte) bereitstellt und einige Prozessvorgänge durchführt, wie das Messen oder Detektieren eines Prozessparameters, Überwachen eines Geräts, Steuern eines Geräts oder Durchführen eines Steuerungsvorgangs, wie die Durchführung einer proportional-integral-derivativen (PID) Steuerungsroutine. Die verschiedenen Funktionsblöcke und Module innerhalb eines Prozesssteuerungssystems sind im Allgemeinen zur Kommunikation miteinander (z.B. über einen Bus) konfiguriert, um eine oder mehrere Prozesssteuerungsschleifen zu bilden.
Prozesscontroller werden typischerweise zur Ausführung verschiedener Algorithmen, Subroutinen oder Steuerungsschleifen programmiert (die alle Steuerungsroutinen sind) für jede einer Reihe von verschiedenen Schleifen, die für einen Prozess definiert oder darin enthalten sind, wie Durchfluss-Steuerungsschleifen, Temperatur-Steuerungsschleifen, Druck-Steuerungsschleifen etc. Allgemein gesagt beinhaltet jede derartige Steuerungsschleife einen oder mehrere Eingabeblöcke, wie einen analogen Eingabe (AI) -Funktionsblock, einen Einzel-Ausgabe-Steuerungsblock, wie einen proportional-integral-derivativen (PID) oder einen Fuzzy-Logic-Steuerungs-Funktionsblock, und einen Ausgabeblock, wie einen analogen Ausgabe (AO) - Funktionsblock. Die Steuerungsroutinen und die Funktionsblöcke, die derartige Routinen durchführen, wurden entsprechend einer Reihe von Steuerungstechniken konfiguriert, einschließlich PID-Steuerung, Fuzzy-Logic-Steuerung und modellbasierter Techniken, wie einem Smith-Prädiktor oder einer modellprädiktiven Steuerung (MPC - Model Predictive Control).
Zur Unterstützung der Ausführung der Routinen weist ein typisches Industrie- oder Prozesswerk einen zentralisierten Controller oder Raum auf, der kommunikativ mit einem oder mehreren Prozesscontrollern und Prozess E/A-Subsystemen gekoppelt ist, die wiederum mit einem oder mehreren Feldgeräten verbunden sind. Analoge Feldgeräte wurden herkömmlicherweise für sowohl die Signalübertragung als auch die Stromversorgung mit den Controllern durch Zweileiter- oder Vierleiter-Stromschleifen verbunden. Ein analoges Feldgerät, das ein Signal zu dem Steuerungsraum (z.B. einem Sensor oder Transmitter) überträgt, moduliert den durch die Stromschleifen fließenden Strom, sodass der Strom proportional zu den erfassten Prozessvariablen ist. Auf der anderen Seite werden analoge Feldgeräte, die unter der Steuerung des Steuerungsraums eine Handlung durchführen, durch die Stärke des durch die Stromschleife fließenden Stroms gesteuert.
In jüngerer Zeit wurden Feldgeräte dazu konzipiert, um zur Überlagerung digitaler Daten auf die zur Übertragung der analogen Signale benutzte Stromschleife betrieben werden zu können. Das HART (Highway Addressable Remote Transducer) - Protokoll benutzt zum Beispiel die Stromschleifenstärke, um analoge Signale zu senden und empfangen, überlagert jedoch außerdem ein digitales Trägersignal auf das Stromschleifensignal, um Zweiwege-Feldkommunikation mit intelligenten Feldinstrumenten zu ermöglichen. Ein anderes Protokoll, das im Allgemeinen als das FOUNDATION^® Fieldbuss-Protokoll bezeichnet wird, ist ein volldigitales Protokoll, das tatsächlich zwei Sub-Protokolle definiert, eines, das Datenübertragungen zu einer Rate von bis zu 31,25 Kilobit pro Sekunde unterstützt, während mit dem Netzwerk gekoppelte Feldgeräte angetrieben werden, und das andere, das Datenübertragungen zu einer Rate von bis zu 2,5 Megabit pro Sekunde überträgt, ohne Strom an Feldgeräte bereitzustellen. Mit diesen Arten von Kommunikationsprotokollen unterstützen intelligente Feldgeräte, die von Natur aus volldigital sein können, eine Reihe von Wartungsmodi und verbesserten Funktionen, die durch ältere Steuerungssysteme nicht bereitgestellt werden.
Mit der zunehmenden Menge der Datenübertragung bezieht ein besonders wichtiger Aspekt der Prozesssteuerungssystemkonzepte die Art und Weise ein, mit der Feldgeräte miteinander, mit Controllern und anderen Systemen oder Geräten innerhalb eines Prozesssteuerungssystems oder eines Prozesswerks kommunikativ gekoppelt werden. Im Allgemeinen werden die verschiedenen Kommunikationskanäle, Links und Pfade, die den Feldgeräten das Funktionieren innerhalb des Prozesssteuerungssystems ermöglichen, üblicherweise zusammenfassend als ein Eingabe/Ausgabe (E/A) - Kommunikationsnetzwerk bezeichnet.
Die Kommunikationsnetzwerktopologie und physischen Verbindungen oder Pfade, die zur Durchführung eines E/A-Kommunikationsnetzwerks benutzt werden, können eine erhebliche Auswirkung auf die Robustheit oder Integrität von Feldgerätkommunikationen haben, insbesondere wenn das Netzwerk ungünstigen Umweltfaktoren oder harten Bedingungen ausgesetzt ist. Diese Faktoren und Bedingungen können die Integrität zwischen einem oder mehreren Feldgeräten, Controllern etc. kompromittieren. Die Kommunikationen zwischen den Controllern und den Feldgeräten sind insofern besonders empfindlich auf derartige Störungen, als die Überwachungsapplikationen oder Steuerungsroutinen typischerweise periodische Aktualisierungen der Prozessvariablen für jede Iteration der Steuerungsroutine oder - schleife erfordern. Daher konnten kompromittierte Steuerungskommunikationen zu reduzierter Prozesssteuerungssystemeffizienz und/oder Profitabilität und exzessiver Abnutzung oder Schäden an den Geräten sowie einer Reihe potentiell schädlicher Ausfälle führen.
Im Interesse der Sicherstellung robuster Kommunikationen wurden in Prozesssteuerungssystemen benutzte E/A-Kommunikationsnetzwerke historisch fest verdrahtet. Leider werfen fest verdrahtete Netzwerke eine Reihe von Komplexitäten, Herausforderungen und Begrenzungen auf. Die Qualität fest verdrahteter Netzwerke kann sich zum Beispiel im Verlauf der Zeit vermindern. Fest verdrahtete E/A-Kommunikationsnetzwerke sind darüber hinaus typischerweise teuer in der Installation, insbesondere in Fällen, in denen das E/A-Kommunikationsnetzwerk mit einem großen, großflächig verbreiteten Industriewerk oder einer Industrieanlage, wie zum Beispiel einer Ölraffinerie oder einem Chemiewerk, die/das mehrere Morgen Land in Anspruch nimmt, assoziiert ist. Die erforderlichen langen Kabelläufe beziehen typischerweise erhebliche Mengen an Arbeit, Material und Ausgaben ein und können Signalverschlechterung einführen, die aus Verkabelungsimpedanzen und elektromagnetischer Störausstrahlung entstehen. Aus diesen und anderen Gründen sind fest verdrahtete E/A-Kommunikationsnetzwerke im Allgemeinen schwer zu rekonfigurieren, modifizieren oder aktualisieren.
Drahtlose E/A-Kommunikationsnetzwerke wurden in jüngerer Zeit in das Prozesssteuerungsumfeld eingeführt, um einige der Schwierigkeiten abzuschwächen, die mit fest verdrahteten E/A-Netzwerken assoziiert sind. Das US-Patent Nr. 7,519,012 , mit dem Titel „Verteiltes Steuerungssystem zur Steuerung von Materialfluss mit drahtlosem Sendeempfangsgerät verbunden an ein Industrie-Prozesssteuerungsfeldgerät zur Bereitstellung von redundant drahtlosem Zugang“, dessen vollständige Offenlegung hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme vorliegend einbezogen wird, legt zum Beispiel ein System offen, das drahtlose Kommunikationen zwischen Controllern und Feldgeräten verwendet, um zum Beispiel die Benutzung von fest verdrahteten Kommunikationen zu augmentieren oder zu ergänzen. Die Benutzung von drahtlosen Kommunikationen zwischen Geräten innerhalb eines Prozesssteuerungsnetzwerks, wie zwischen Controllern und Feldgeräten, hat eine Eigendynamik entwickelt. Als Reaktion auf diesen Trend wurden drahtlose Kommunikationsprotokolle zur Unterstützung von Kommunikationen innerhalb der Prozesswerkumgebungen, einschließlich des WirelessHART^®-Protokoll, errichtet.
Vollständiger Verlass auf drahtlose Kommunikationen für steuerungsbezogene Übertragungen war jedoch unter anderem aufgrund von Ausfallsicherheitsbedenken begrenzt. Wie oben beschrieben, setzen moderne Prozesssteuerungsüberwachungs- und Steuerungsapplikationen zwischen dem Controller und den Feldgeräten verlässliche Datenkommunikationen voraus, um optimale Steuerungslevel zu erzielen. Typische Prozesscontroller führen darüber hinaus Steuerungsalgorithmen zu schnellen Raten aus, um unerwünschte Abweichungen im Prozess zu korrigieren, und diese Steuerungsalgorithmen verlassen sich während jedes Controllerausführungszyklus auf die Verfügbarkeit neuer Prozessmanagementdaten. Unerwünschte Umweltfaktoren oder andere ungünstige Bedingungen können intermittierende Störungen erzeugen, die die zur Unterstützung einer derartigen Ausführung der Überwachungs- und Steuerungsalgorithmen erforderlichen schnellen Kommunikationen behindern oder verhindern.
Darüber hinaus ist der Stromverbrauch manchmal ein erschwerender Faktor für die Durchführung drahtloser Kommunikationen in Prozesssteuerungsumfeldern. Wenn die Feldgeräte vom fest verdrahteten E/A-Netzwerk getrennt sind, müssen sie möglicherweise ihre eigene Stromquelle bereitstellen. Demzufolge sind drahtlose Feldgeräte typischerweise batteriebetrieben, beziehen Strom aus Sonnenenergie oder entwenden Umgebungsenergie, wie Vibration, Wärme, Druck etc. Die bei der Durchführung von Datenübertragung über ein drahtloses Netzwerk verbrauchte Energie kann bei diesen Arten von Geräten jedoch einen erheblichen Teil des Gesamtenergieverbrauchs darstellen. Es kann sogar mehr Energie während der Bemühung um die Errichtung und Aufrechterhaltung einer drahtlosen Kommunikationsverbindung verbraucht werden, als während anderer wichtiger durch das Feldgerät durchgeführten Operationen, wie dem Erfassen oder Detektieren der zu messenden Prozessvariablen.
Daher hat die verhältnismäßig neuere Einführung drahtloser Transmitter in der Prozesssteuerungsindustrie viele Herausforderungen aufgeworfen, wenn eine drahtlos übertragene Messung in einer geschlossenen Steuerungsschleife zu benutzten ist, weil die in derartigen Systemen bereitgestellten Prozessvariablenmessungen oft auf einer sehr viel langsameren Basis gemeldet werden (z.B. Aktualisierungsrate von 15 Sekunden), als dies typischerweise durch einen verdrahteten Transmitter bereitgestellt wird. Der durch ein drahtloses Gerät bereitgestellte Messwert kann außerdem auf einer nicht-periodischen Basis kommuniziert werden. Durch einige WirelessHART^®-Geräte unterstützte, gefensterte Kommunikationen können zum Beispiel neue Messwerte auf einer nicht-periodischen Basis übertragen. Dennoch ist es weiterhin entscheidend, dass der Verlust von Kommunikationen bei der drahtlosen Durchführung durch den Controller automatisch auf eine Art und Weise behandelt wird, die keine Prozessunterbrechung einführt.
Als Reaktion auf diese Probleme wurden Methodologien entwickelt, um einige Prozesscontroller, wie die proportional-integral-derivativen (PID) Prozesscontroller, dazu zu befähigen, effektiv mit langsamen Messungsaktualisierungen, nicht-periodischen Messungsaktualisierungen und intermittierendem Verlust von Kommunikationen zu arbeiten, d.h. Situationen, die häufiger mit drahtlosen Kommunikationsnetzwerken assoziiert werden. Diese Steuerungsmethodologien empfangen und verarbeiten im Allgemeinen unzuverlässige oder nicht-periodisch empfangene Feedbacksignale (z.B. intermittierend empfangene Prozessvariablenmessungen), während sie eine Prozessschleife noch ausreichend steuern. Diese Systeme ermöglichen es daher zum Beispiel einem PID-Controller, ordnungsgemäß betrieben werden zu können, ohne neue Prozessvariablenmessungen für jeden Ausführungszyklus der Prozesssteuerungsroutine zu empfangen. US-Patent Nummern 7,620,460; 7,587,252 und 7,945,339 und US-Patent Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2008/0082180 beschreiben insbesondere, wie zum Beispiel eine PID-Steuerungsroutine modifiziert werden kann, um eine geschlossene Steuerungsschleife unter Benutzung eines drahtlosen Transmitters durchzuführen, der intermittierende Kommunikationen durchführt, wodurch ermöglicht wird, dass nur dann Prozessvariablenmessungen an den Controller über ein drahtloses Kommunikationslink kommuniziert werden können, wenn sich die Prozessvariable zu einem bestimmten Umfang ändert.
Diese neuen Steuerungstechniken modifizieren, obwohl sie effektiv sind, im Allgenmeinen die Art und Weise, auf die eine PID-Steuerungsroutine oder ein PID-Steuerungsblock die intermittierend empfangenen Prozessvariablenmessungen an der Eingabe des Controllers oder der Steuerungsroutine handhaben. Es gibt jedoch viele Arten von Steuerungstechniken, einschließlich einiger PID-basierter Steuerungsschemen, die Schätzungen von Prozessvariablen als Eingaben an den Controller benutzen, anstatt gemessene Prozessvariablenwerte und Steuerungssignals als Eingaben an den Controller zu benutzten. Prozesssteuerungstechniken, die zum Beispiel Kalman-Filter benutzen, werden typischerweise an dem gemessenen Prozessvariablenwert betrieben, um eine Schätzung des Prozessvariablenwertes zu erzeugen, der anschließend an die Steuerungsroutine zur Generierung eines Steuerungssignals bereitgestellt wird. In diesen Fällen werden die Prozessvariablenmessungssignale nicht direkt an die Steuerungsroutine bereitgestellt. Traditionelle Kalman-Filter nehmen weiterhin das Vorhandensein von mittelwertfreiem Prozess- oder Messungsrauschen innerhalb des Prozesses an, wenn eine Schätzung des Prozessvariablenwerts erzeugt wird. Bei Prozessen, in denen diese Annahme nicht richtig ist, wird das Kalman-Filter-basierte Steuerungssystem möglicherweise unzureichend betrieben.
Der Artikel „State Estimation in the Case of Loss of Observations“, ICROS-SICE International Joint Conference 2009, 1804-1845, behandelt das Problem des Informationsverlusts (Beobachtungen) in Steuerungs- und Kommunikationssystemen. Er schlägt verschiedene theoretische Ansätze vor und erörtert diese, um den Verlust von Informationen auszugleichen, wenn ein Kalman-Filter-Algorithmus zur Vorhersage des Zustands eines Systems verwendet wird. Im Allgemeinen funktioniert der Algorithmus rekursiv, indem er den Zustand eines Systems vorhersagt und dann den vorhergesagten Zustand mithilfe von Beobachtungen verbessert (aktualisiert). Der Verlust von Beobachtungen beeinflusst daher den Aktualisierungsschritt, der wiederum die Vorhersage im nächsten Schritt beeinflusst. Um den Verlust von Beobachtungen (engl. „Loss of observations“, LOOB) auszugleichen, schlägt der Artikel alternative Möglichkeiten vor, den Aktualisierungsschritt für Szenarien durchzuführen, in denen LOOB an zufälligen Stellen auftritt, und wenn LOOB für eine bestimmte Zeitspanne auftritt.
Der Artikel „The discrete-time compensated Kalman filter", International Journal of Control, 29, 1979, 2, 293-311, konzentriert sich auf die Korrektur von Bias-Fehlern, die auf Unterschiede zwischen den nominalen Anlagenparametern zurückführen sind, die bei der Filtergestaltung verwendet werden, und den tatsächlichen Anlagenparametern. Zu diesem Zweck wird ein Kompensator entwickelt, der zusammen mit einem herkömmlichen diskreten Kalman-Filter verwendet wird. Der resultierende kompensierte Kalman-Filter eliminiert effektiv stationäre Bias-Schätzungsfehler, die aus Modellierungsfehlern resultieren, indem er Akkumulatoren verwendet, die auf Prozessreste wirken. Wenn persistente Bias-Fehler aufgrund von Modellinkongruenzen vorliegen, liefern die Akkumulatoren die daher notwendigen Korrekturen, damit die Bias-Fehler aus den stationären Schätzungen entfernt werden.
KURZDARSTELLUNG
Vor diesem Hintergrund ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Prozesskontrollsystem (mit verbesserten Kalman-Filtern) bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand nach Anspruch 1 sowie die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
Ein Kalman-Filter-basiertes Steuerungssystem oder eine Kalman-Filter-basierte Steuerungstechnik ermöglicht die Benutzung von empfangenen Prozessvariablenwerten von einem Prozess, der nicht-mittelwertfreies Prozess- oder Messungsrauschen und/oder Prozessvariablenwerte aufweist, die auf eine langsame oder intermittierende Art und Weise ohne das Erfordernis der Änderung des Steuerungsalgorithmus übertragen werden. Das Steuerungssystem beinhaltet einen Controller, wie einen PID-Controller, und einen Kalman-Filter, gekoppelt zum Empfangen von Feedback in der Form von beispielweise intermittierend gemessenen oder gesendeten Prozessvariablenmessungssignalen von einem Prozess, in dem die Prozessvariablenmessungen nicht-mittelwertfreies Rauschen aufweisen können. Der Kalman-Filter ist zur Erzeugung einer Schätzung des Prozessvariablenwertes von den empfangenen Prozessfeedbacksignalen konfiguriert, während eine neue Prozessvariablenschätzung an den Controller bereitgestellt wird, um es dem Controller zu ermöglichen, ein Steuerungssignal zu erzeugen, das zur Steuerung des Prozesses benutzt wird.
Der Kalman-Filter kann, falls erwünscht, Prozessvariablen auf eine fortlaufende oder eine langsame oder intermittierende Art und Weise empfangen. In jedem Fall kann der Kalman-Filter ein oder mehrere Prozessmodelle benutzen, um eine an die Eingabe des Controllers bereitzustellende Schätzung einer empfangenen Prozessvariablen zur Benutzung bei der Erzeugung eines Steuerungssignals zur Steuerung des Prozesses zu generieren, wie zur Benutzung bei der Steuerung der zu schätzenden Prozessvariablen. Fortlaufend empfangene Prozessvariablenmessungen können an den Kalman-Filter zum Beispiel über ein verdrahtetes Kommunikationsnetzwerk kommuniziert werden, wohingegen langsam oder intermittierend empfangene Prozessvariablenmessungen an den Kalman-Filter zum Beispiel über ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk kommuniziert werden können. Die langsam oder intermittierend empfangenen Prozessvariablenmessungen können jedoch, wenn erwünscht, auch über ein verdrahtetes oder eine andere Art von Kommunikationsnetzwerk gesendet werden. Obwohl der Controller zum Beispiel einen PID-Steuerungsalgorithmus beinhalten und ausführen kann, kann der Controller darüber hinaus andere gewünschte Arten von Controlleralgorithmen aus- oder durchführen, wie MPC, neuronales Netzwerk oder andere modell- oder nichtmodellbasierten Steuerungsalgorithmen.
Der Kalman-Filter kann einmal während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen zur Erzeugung einer an den Controller zuzustellenden Prozessvariablenschätzung betrieben werden und kann eine Steuerungssignaleingabe beinhalten, die zum Empfangen des durch die Steuerungsroutineeinheit erzeugten Steuerungssignals gekoppelt ist, eine Schnittstelle, einschließlich einer Prozessvariablen-Feedbackeingabe, die ein Prozessvariablenmessungssignal weniger häufig als einmal pro Ausführungszykluszeit des Kalman-Filters empfängt, und ein Prozessmodell, gekoppelt zum Empfangen des Steuerungssignals an der Steuerungssignaleingabe zur Erzeugung einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung. Der Kalman-Filter kann auch eine Korrektureinheit beinhalten, gekoppelt zur Benutzung des über die Prozessvariablen-Feedbackeingabe empfangenen Prozessvariablenfeedbacksignals zur Erzeugung eines Korrektursignals von einem Rest, wobei die Korrektureinheit einen ersten Kombinierer, eine Schaltereinheit und eine Verstärkungseinheit beinhaltet. Der Kalman-Filter kann weiterhin einen zweiten Kombinierer gekoppelt mit dem Prozessmodell und mit der Korrektureinheit beinhalten, um die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung zu kombinieren. In diesem Fall wird die Schaltereinheit während dem Ausführungszyklus der Kalman-Filtereinheit, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignal verfügbar ist, betrieben, um einen neuen Wert des Rests an die Verstärkungseinheit zur Erzeugung des Korrektursignals bereitzustellen, wobei der neue Wert des Rests durch Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem Wert des Prozessvariablenmessungssignals an dem ersten Kombinierer bestimmt wird. Während Ausführungszyklen der Kalman-Filtereinheit nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, wird die Schaltereinheit jedoch betrieben, um einen gespeicherten Wert des Rests an die Verstärkungseinheit zur Erzeugung des Korrektursignals bereitzustellen, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird. In einem Fall ist die vorbestimmte Reihe von Ausführungszyklen und in anderen Fällen ist die vorbestimmte Reihe von Ausführungszyklen größer als eins.
Wenn das Prozessmessungssignal auf eine langsame, intermittierende oder anderweitig nicht-periodische Art und Weise empfangen wird, stellt die Schnittstelle einen Flag oder eine andere Markierung zur Angabe des Empfangs eines neuen Werts des Prozessmessungssignals ein. Sobald das neue Werte-Flag eingestellt ist sowie für eine vorbestimmte Reihe von Ausführungszyklen danach, kann der Kalman-Filter einen neuen Verstärkungswert, wie einen neuen Kalman-Verstärkungswert, und einen neuen Restwert zur Entwicklung des Korrektursignals berechnen. Wenn auf der anderen Seite das neue Werte-Flag nicht eingestellt wird sowie nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen danach, kann der Kalman-Filter einen gespeicherten Verstärkungswert und einen gespeicherten Restwert zur Erzeugung des Korrektursignals benutzen. Der gespeicherte Verstärkungs- oder Restwert wird zum Beispiel während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen berechnet, nachdem das Werte-Flag eingestellt wird. Mit anderen Worten, nach dem Ausgangs-Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert der Prozessvariablen oder des Prozesssignals an der Kalman-Filtereingabe verfügbar ist, wartet der Kalman-Filter die vorbestimmte Reihe von Ausführungszyklen, ehe der Verstärkungs- oder Restwert zur Benutzung während weiterer Ausführungszyklen berechnet wird, an denen ein neuer Wert der Prozessvariablen oder des Prozesssignals nicht verfügbar ist.
Wenn der Prozess darüber hinaus nicht-mittewertfreies Prozessrauschen beinhaltet, dann kann zwischen der Prozessvariablenmessung und der Prozessvariablenschätzung ein Offset bestehen. Um dieses Offset zu entfernen, kann der Kalman-Filter eine Kompensationseinheit beinhalten, die ein Kompensationssignal erzeugt, und einen anderen Kombinierer, der das Kompensationssignal mit der Prozessvariablenschätzung zur Erzeugung einer kompensierten Prozessvariablenschätzung kombiniert. Der Kalman-Filter stellt in dieser Hinsicht eine genauere Prozessvariablenschätzung an den Controller zur Benutzung bei der Prozesssteuerung bereit, insbesondere bei der Prozessteuerung, die nicht-mittwertfreies Rauschen aufweist. Der Kalman-Filter kann im Allgemeinen die Kompensationseinheit für alle fortlaufenden, drahtlosen und/oder intermittierenden Prozesssteuerungskommunikationen benutzen.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Steuerungssystem zur Benutzung bei der Steuerung eines Prozesses eine Steuerungseinheit, die eine Prozessvariableneingabe und eine Steuerungsroutineeinheit aufweist, die mit der Prozessvariableneingabe kommunikativ gekoppelt sind, wobei die Steuerungsroutineeinheit ein Steuerungssignal zur Benutzung bei der Steuerung des Prozesses basierend auf einem an der Prozessvariableneingabe empfangenen Prozessvariablenwert generiert. Das Steuerungssystem beinhaltet weiterhin eine mit der Steuerungseinheit gekoppelte Kalman-Filtereinheit, wobei die Kalman-Filtereinheit einmal während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen betrieben wird, um eine Prozessvariablenschätzung zu erzeugen. In diesem Fall beinhaltet die Kalman-Filtereinheit eine Steuerungssignaleingabe gekoppelt zum Empfangen des durch die Steuerungsroutineeinheit erzeugten Steuerungssignals, eine Schnittstelle, die eine Prozessvariablen-Feedbackeingabe beinhaltet, die das Prozessvariablenmessungssignal weniger häufig empfängt als einmal pro Ausführungszykluszeit der Kalman-Filtereinheit, und ein gekoppeltes Prozessmodell zum Empfangen des Steuerungssignals an der Steuerungssignaleingabe zur Erzeugung einer Ausgangsprozessvariablenschätzung. Die Kalman-Filtereinheit beinhaltet auch eine Korrektureinheit gekoppelt zur Benutzung des über die Prozessvariablen-Feedbackeingabe empfangenen Prozessvariablenmessungssignals zur Erzeugung eines Korrektursignals von einem Rest. Die Korrektureinheit beinhaltet einen erster Kombinierer, eine Schaltereinheit und eine Verstärkungseinheit. Ein zweiter Kombinierer ist weiterhin mit dem Prozessmodell und mit der Korrektureinheit gekoppelt, um die Ausgangsprozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung zu kombinieren. Während des Ausführungszyklus des Kalman-Filters, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, wird die Schaltereinheit betrieben, um einen neuen Wert des Rests an die Verstärkungseinheit zur Erzeugung des Korrektursignals bereitzustellen. Der neue Wert des Rests wird durch Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem Wert des Prozessvariablenmessungssignals an dem ersten Kombinierer bestimmt. Während Ausführungszyklen der Kalman-Filtereinheit nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, wird die Schaltereinheit betrieben, um einen gespeicherten Wert des Rests an die Verstärkungseinheit zur Erzeugung des Korrektursignals bereit zu stellen, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird. Die Prozessvariableneingabe der Steuerungseinheit ist weiterhin gekoppelt zum Empfangen der Prozessvariablenschätzung basierend auf der weiteren Prozessvariablenschätzung, um dadurch zur Durchführung der Steuerung des Prozesses unter Benutzung dieser Prozessvariablenschätzung betrieben werden zu können. Falls gewünscht, ist die Prozessvariablenschätzung die weitere Prozessvariablenschätzung.
Die Verstärkungseinheit kann darüber hinaus einen Wert des Rests mit einem Verstärkungswert zur Erzeugung des Korrektursignals multiplizieren. Die Verstärkungseinheit wird als solche während dem Ausführungszyklus der Kalman-Filtereinheit, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert der Prozessvariablenmessung verfügbar ist, zur Bestimmung eines neuen Verstärkungswerts zur Benutzung in der Verstärkungseinheit betrieben. Während der Ausführungszyklen der Kalman-Filtereinheit nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, wird die Verstärkungseinheit jedoch betrieben, um einen gespeicherten Verstärkungswert zu benutzen, wobei der gespeicherte Verstärkungswert während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
Die Kalman-Filtereinheit kann weiterhin eine Kompensationseinheit gekoppelt zur Benutzung des Rests zur Erzeugung eines Kompensationssignals beinhalten. Die Kompensationseinheit kann eine weitere Verstärkungseinheit beinhalten, die einen Wert des Rests mit einem weiteren Verstärkungswert multipliziert, und eine Filtereinheit, die einen Wert des Rests mit dem weiteren Verstärkungswert zur Erzeugung des Kompensationssignals multipliziert. Die Kalman-Filtereinheit kann zusätzlich einen dritten Kombinierer gekoppelt mit dem zweiten Kombinierer und mit der Kompensationseinheit zur Kombination der weiteren Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der Prozessvariablenschätzung beinhalten, um dadurch zur Durchführung der Steuerung des Prozesses unter Benutzung dieser Prozessvariablenschätzung betrieben zu werden. Falls gewünscht, kann die Steuerungseinheit jede gewünschte Art von Steuerungsroutine speichern und ausführen oder benutzen und kann beispielsweise einen proportional-integral-derivativen Steuerungsalgorithmus zur Erzeugung des Steuerungssignals speichern und durchführen.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Steuerung eines Prozesses das Durchführen einer Steuerungsroutine auf einem Computerprozessorgerät während jedem einer Reihe von Ausführungszyklen, um basierend auf einer Prozessvariablenschätzung ein Steuerungssignal zur Benutzung bei der Steuerung des Prozesses zu erzeugen. Dieses Verfahren empfängt ein Prozessvariablenmessungssignal an einem Computerprozessorgerät, das weniger häufig als die Ausführungszykluszeitrate ist, und führt während jeder der Reihe von Ausführungszyklen eine Kalman-Filterroutine an einem Computerprozessorgerät durch, um die Prozessvariablenschätzung zu erzeugen. Das zur Erreichung der Kalman-Filterroutine durchgeführte Verfahren beinhaltet das Empfangen des durch die Steuerungsroutine während jeder der Reihe von Ausführungszyklen erzeugten Steuerungssignals, wodurch unter Benutzen eines Prozessmodells zur Modellierung der Reaktion des Prozesses auf das Steuerungssignal während jeder der Reihe von Ausführungszyklen eine Ausgangs-Prozessvariablenschätzung erzeugt wird, und das Erzeugen eines Korrektursignals von einem Rest während jeder der Reihe der Ausführungszyklen. Das Kalman-Filterroutineverfahren kombiniert während jeder der Reihe von Ausführungszyklen auch die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung. Das Kalman-Filterroutineverfahren erzeugt anschließend eine Prozessvariablenschätzung basierend auf der weiteren Prozessvariablenschätzung. Die Prozessvariablenschätzung ist, falls gewünscht, die weitere Prozessvariablenschätzung. Das Erzeugen des Korrektursignals von dem Rest während dem Ausführungszyklus, an dem ein neu empfangener Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neu empfangener Wert der Prozessvariablenmessung verfügbar ist, beinhaltet in jedem Fall das Benutzen eines neuen Werts des Rests, wobei der neue Wert des Rests durch Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem empfangenen Wert des Prozessvariablenmessungssignals bestimmt wird. Das Erzeugen des Korrektursignals von dem Rest beinhaltet jedoch während Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neu empfangener Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, das Benutzen eines gespeicherten Werts des Rests, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird. Das Kalman-Filterroutineverfahren kann, falls gewünscht, auch das Bestimmen eines Kompensationssignals und Kombinieren der weiteren Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der Prozessvariablenschätzung während jeder der Reihe von Ausführungszyklen beinhalten.
In noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Kalman-Filter, der zur Erzeugung einer kompensierten Prozessvariablenschätzung betrieben wird, eine Schnittstelle mit einer Prozessvariablen-Feedbackeingabe, die ein Prozessvariablenmessungssignal empfängt. Der Kalman-Filter beinhaltet auch eine Steuerungssignaleingabe, die ein Steuerungssignal empfängt, ein Prozessmodell gekoppelt zum Empfangen des Steuerungssignals an der Steuerungssignaleingabe, um eine Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zu erzeugen, und eine Korrektureinheit gekoppelt zur Benutzung eines Prozessvariablenmessungssignals, das über die Prozessvariablen-Feedbackeingabe empfangen wurde, um ein Korrektursignal zu erzeugen. In diesem Fall beinhaltet die Korrektureinheit einen ersten Kombinierer, der die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem empfangenen Prozessvariablenmessungssignal kombiniert, um einen Rest und eine Verstärkungseinheit zu bestimmen, die den Rest mit einem Verstärkungswert zur Erzeugung des Korrektursignals kombiniert. Der Kalman-Filter beinhaltet darüber hinaus einen zweiten mit dem Prozessmodell und mit der Korrektureinheit gekoppelten Kombinierer, der die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal kombiniert, um eine weitere Prozessvariablenschätzung zu erzeugen. Der Kalman-Filter beinhaltet weiterhin eine Kompensationseinheit gekoppelt zur Benutzung des Rests zur Erzeugung eines Kompensationssignals. Die Kompensationseinheit beinhaltet eine weitere Verstärkungseinheit, die den Rest mit einem weiteren Verstärkungswert kombiniert, und eine Filtereinheit, die den Rest mit dem weiteren Verstärkungswert zur Erzeugung des Kompensationssignals kombiniert. Der Kalman-Filter beinhaltet zusätzlich einen dritten Kombinierer gekoppelt mit dem zweiten Kombinierer und mit der Kompensationseinheit zur Kombination der weiteren Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der kompensierten Prozessvariablenschätzung.
Der Kalman-Filter kann, falls gewünscht, zu einer Ausführungszyklusrate betrieben werden, um die kompensierte Prozessvariablenschätzung während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen zu erzeugen. In einem Fall kann die Schnittstelle das Prozessvariablenmessungssignal zu einer Rate empfangen, die größer oder gleich der Ausführungszyklusrate ist.
In einem anderen Fall kann die Schnittstelle das Prozessvariablenmessungssignal zu einer Rate empfangen, die geringer als die Ausführungszyklusrate ist. Die Korrektureinheit kann hier weiterhin eine Schaltereinheit beinhalten. Die Schaltereinheit kann als solche während dem Ausführungszyklus des Kalman-Filters, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, zur Bereitstellung eines neuen Werts des Rests an die Verstärkungseinheit zur Erzeugung des Korrektursignals betrieben werden, wobei der neue Wert des Rests durch Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem Wert des Prozessvariablenmessungssignals an dem ersten Kombinierer der Korrektureinheit bestimmt wird. Die Schaltereinheit kann jedoch während Ausführungszyklen des Kalman-Filters nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, betrieben werden zur Bereitstellung eines gespeicherten Werts des Rests an die Verstärkungseinheit zur Erzeugung des Korrektursignals, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Kalman-Filter, der zur Ausführung auf einem Computerprozessor angepasst ist, um eine kompensierte Prozessvariablenschätzung zu erzeugen, eine Schnittstellenroutine, die in einem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und zur Ausführung auf dem Prozessor angepasst ist, um ein Prozessvariablenmessungssignal zu empfangen und um ein Steuerungssignal zu empfangen, das zur Steuerung eines Prozesses benutzt wird. Der Kalman-Filter beinhaltet auch eine Prozessmodellierungsroutine, die in dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und zur Ausführung auf dem Prozessor angepasst ist, um das Steuerungssignal zur Erzeugung einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zu benutzen, und beinhaltet eine Korrekturroutine, die in dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert ist und zur Ausführung auf dem Prozessor angepasst ist, um eine Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem empfangenen Prozessvariablenmessungssignal zur Bestimmung eines Rests zu kombinieren. Die Korrekturroutine kombiniert den Rest mit einem Verstärkungswert, um ein Korrektursignal zu erzeugen. Eine in dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeicherte Kombiniererroutine, die zur Ausführung auf dem Prozessor angepasst ist, kombiniert die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung. Der Kalman-Filter beinhaltet weiter eine Kompensationsroutine, die in dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert ist und zur Ausführung auf dem Prozessor angepasst ist, um den Rest mit einem weiteren Verstärkungswert zu kombinieren und um den mit dem weiteren Verstärkungswert kombinierten Rest zur Erzeugung eines Kompensationssignals zu filtern. Eine weitere Kombiniererroutine, die in dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und zur Ausführung auf dem Prozessor angepasst ist, kombiniert die weitere Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der kompensierten Prozessvariablenschätzung.
Der Kalman-Filter kann, falls gewünscht, angepasst sein zur Ausführung auf dem Prozessor zu einer Ausführungszyklusrate zur Erzeugung der kompensierten Prozessvariablenschätzung während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen. In einem Fall empfängt die Schnittstellenroutine das Prozessvariablenmessungssignal zu einer Rate, die größer oder gleich der Ausführungszyklusrate ist.
In einem anderen Fall kann die Schnittstellenroutine das Prozessvariablenmessungssignal zu einer geringeren Rate als die Ausführungszyklusrate empfangen. Die Korrekturroutine kann hier eine weitere Umschaltroutine beinhalten. Die Umschaltroutine wird als solche während dem Ausführungszyklus des Kalman-Filters, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, zur Bereitstellung eines neuen Werts des mit dem Verstärkungswert zu kombinierenden Rests zur Erzeugung des Korrektursignals betrieben. Die Umschaltroutine wird jedoch während Ausführungszyklen des Kalman-Filters nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, zur Bereitstellung eines gespeicherten Werts des mit dem Verstärkungswert zu kombinierenden Rests zur Erzeugung des Korrektursignals betrieben, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zu einem vollständigeren Verständnis der Offenbarung sollten die nachstehende ausführliche Beschreibung und die begleitenden Figuren in den Zeichnungen in Bezug genommen werden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren identifizieren und in denen:

1 eine schematische Darstellung eines Prozesssteuerungssystem mit einem Controller ist, der zur Durchführung einer oder mehrerer Steuerungsroutinen, die Prädiktoren wie Kalman-Filter benutzen, konfiguriert ist, die wiederum nicht-periodische oder intermittierend empfangene Kommunikationen benutzen können, die über ein oder mehrere langsame oder drahtlose Kommunikationsnetzwerke übertragen werden;
2 eine schematische Darstellung eines bekannten Prädiktor-basierten Steuerungsschemas ist, das periodisch generierte Prozessvariablenmessungssignale über ein verdrahtetes Kommunikationslink empfängt, einschließlich einer Art und Weise des Modellierens des gesteuerten Prozesses;
3 eine schematische Darstellung eines Prozesssteuerungssystems ist, das einen Prozesscontroller und einen modifizierten Prädiktor zur Steuerung eines Prozesses benutzt, in dem der modifizierte Prädiktor ein Prozessvariablenmessungssignal in einer langsamen, nicht-periodischen oder intermittierenden Art und Weise über ein drahtloses Kommunikationslink empfängt;
4 eine schematische Darstellung eines bekannten Controllers und eines Kalman-Filters ist, wobei der Kalman-Filter mit einem Prozess verbunden ist, um über ein verdrahtetes Kommunikationslink periodische Messungen von einer Prozessvariablen zu empfangen;
5 eine schematische Darstellung eines Controllers und eines Kalman-Filters ist, der zur Steuerung eines Prozesses benutzt wird, wobei der Kalman-Filter zum Empfang von periodischen Messungen einer Prozessvariablen über ein verdrahtetes Kommunikationslink und zur Kompensation nicht-mittelwertfreien Rauschens in dem Prozess konfiguriert ist;
6 eine schematische Darstellung eines Controllers und eines Kalman-Filters ist, der zur Steuerung eines Prozesses benutzt wird, wobei der Kalman-Filter zum Empfangen nicht-periodischer, intermittierender oder langsamer Messungen einer Prozessvariablen über ein drahtloses Kommunikationslink konfiguriert ist;
7 eine schematische Darstellung eines Controllers und eines Kalman-Filters ist, der zur Steuerung eines Prozesses benutzt wird, wobei der Kalman-Filter zum Empfangen von nicht-periodischen, intermittierenden oder langsamen Messungen einer Prozessvariablen über ein drahtloses Kommunikationslink und zur Kompensation nicht-mittelwertfreien Rauschens in dem Prozess konfiguriert ist;
8 eine Grafik ist, die den modellierten Betrieb eines Prozessteuerungssystems veranschaulicht, das einen PID-Controller mit einem modifizierten Kalman-Filter aufweist, der nicht-periodische, langsame oder intermittierende Prozessvariablenmessungen über ein drahtloses Kommunikationslink empfängt und nicht-mittelwertfreies Rauschen in dem Steuerungssystem kompensiert, im Gegensatz zu einem Steuerungssystem, das einen PID-Controller aufweist, der periodische Prozessvariablenmessungen über ein verdrahtetes Kommunikationslink empfängt;
9 eine schematische Veranschaulichung eines Prozesssteuerungssystems ist, das einen von einem modifizierten Prädiktorblock getrennten Controllerblock aufweist;
10 eine schematische Veranschaulichung eines Prozesssteuerungssystems ist, das einen modifizierten Prädiktorblock aufweist, der in demselben Steuerungsmodul angeordnet ist wie der Controllerblock; und
11 eine schematische Veranschaulichung eines Prozesssteuerungssystems ist, das einen modifizierten Kalman-Filter aufweist, der mit einem Steuerungsalgorithmusblock in einem Controller integriert ist.

Obwohl das offengelegte System und Verfahren für Ausführungsformen in verschiedenen Formen empfänglich sind, werden in den Zeichnungen besondere Ausführungsformen der Erfindung in dem Verständnis veranschaulicht (und nachstehend beschrieben), dass die Offenbarung bezweckt, veranschaulichend zu sein und nicht bezweckt, die Erfindung auf die vorliegend beschriebenen und veranschaulichten besonderen Ausführungsforms zu begrenzen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Prozesssteuerungssystem 10, das zur Durchführung einer Steuerungsroutine benutzt werden kann, die eine Prädiktor-basierte Steuerung benutzt, und auf dem Empfang von intermittierenden, langsamen oder nicht-periodischen Prozessvariablenmessungen basiert, wobei weiterhin eine hochgenaue Steuerung eines Prozesses bereitgestellt wird. Allgemein gesagt beinhaltet das Prozesssteuerungssystem 10 von 1 einen Prozesscontroller 11, der mit einem Datenhistorian 12 und mit einer/m oder mehreren Workstations oder Computern 13 verbunden ist (die jede Art von Personal Computern, Workstations etc. sein können), von denen jede/r einen Anzeigebildschirm 14 aufweist. Der Controller 11 ist auch über fest verdrahtete Kommunikationsverbindungen mit Feldgeräten 15-22 über Eingabe/Ausgabe (E/A) -Karten 26 und 28 verbunden. Der Datenhistorian 12 kann jede gewünschte Art von Datenerfassungseinheit sein mit jeder gewünschten Art von Speicher und jeder gewünschten oder bekannten Software, Hardware oder Firmware zur Speicherung von Daten und kann, obwohl er als getrenntes Gerät veranschaulicht ist, anstatt dessen oder zusätzlich Teil von einer oder mehreren Workstations 13 oder einem anderen Computergerät wie einem Server sein. Der Controller 11, der beispielsweise ein DeltaV™-Controller, verkauft von Emerson Prozess Management, sein kann, ist kommunikativ mit den Hostcomputern 13 und mit dem Datenhistorian 12 über ein Kommunikationsnetzwerk 29 verbunden, das zum Beispiel eine Ethernetverbindung sein kann.
Der Controller 11 wird als kommunikativ mit den Feldgeräten 15-22 verbunden veranschaulicht unter Benutzung eines fest verdrahteten Kommunikationsschemas, das die Benutzung von jeder gewünschten Hardware, Software und/oder Firmware zur Durchführung fest verdrahteter Kommunikationen beinhalten kann, einschließlich zum Beispiel standardmäßigen 4-20 mA-Kommunikation und/oder aller Kommunikationen, die jedes intelligente Kommunikationsprotokoll benutzen, wie das FOUNDATION^®-Fieldbus-Kommunikationsprotokoll, das HART^®-Kommunikationsprotokoll etc. Die Feldgeräte 15-22 können jegliche Art von Gerät sein, wie Sensoren, Ventile, Transmitter, Positionierer etc., wohingegen die E/A-Karten 26 und 28 jegliche Art von E/A-Gerät sein können, die jeder/m gewünschten Kommunikation oder Controllerprotokoll entsprechen. In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform sind die Feldgeräte 15-18 standardmäßige 4-20 mA-Geräte, die über analoge Leitungen mit der E/A-Karte 26 kommunizieren, wohingegen die Feldgeräte 19-22 intelligente Geräte, wie Fieldbus-Feldgeräte, sind, die über einen digitalen Bus unter Benutzung von Fieldbus-Protokoll-Kommunikationen mit der E/A-Karte 28 kommunizieren. Die Feldgeräte 15-22 können natürlich jedem anderen gewünschtem Standard oder Protokoll entsprechen, einschließlich jedem Standard oder Protokoll der/das in der Zukunft entwickelt wird.
Das Prozesssteuerungssystem 10 beinhaltet außerdem eine Reihe drahtloser Feldgeräte 60-64 und 71, die in dem zu steuernden Werk angeordnet sind. Die Feldgeräte 60-64 werden in 1 als Transmitter gezeigt (z.B. Prozessvariablensensoren), wohingegen Feldgerät 71 als ein Ventil gezeigt wird. Diese Feldgeräte können jedoch alle anderen gewünschten Arten von innerhalb eines Prozesses angeordneten Geräten zur Durchführung physischer Steuerungsaktivitäten oder zur Messung physischer Parameter innerhalb des Prozesses sein. Drahtlose Kommunikationen können zwischen dem Controller 11 und den Feldgeräten 60-64 und 71 errichtet werden unter Benutzung jeder gewünschten drahtlosen Kommunikationsvorrichtung, einschließlich Hardware, Software, Firmware oder jeder Kombination davon, die jetzt bekannt ist oder später entwickelt wird. In dem in 1 veranschaulichten Beispielsfall ist eine Antenne 65 mit dem Transmitter 60 gekoppelt und zur Durchführung von drahtloser Kommunikation für den Transmitter 60 bestimmt, wohingegen ein drahtloser Router oder anderes Modul 66 mit einer Antenne 67 gekoppelt ist, um gemeinsam drahtlose Kommunikationen für die Transmitter 61-64 zu handhaben. Eine Antenne 72 ist gleichermaßen mit dem Ventil 71 gekoppelt, um drahtlose Kommunikationen für das Ventil 71 durchzuführen. Die Feldgeräte oder assoziierte Hardware 60-64, 66 und 71 können Protokollstapeloperationen durchführen, die durch ein geeignetes drahtloses Kommunikationsprotokoll zum Empfangen, Dekodieren, Routen, Encodieren und Senden von drahtlosen Signalen über die Antennen 65, 67 und 72 zur Durchführung drahtloser Kommunikationen zwischen dem Controller 11 und den Transmittern 60-64 und dem Ventil 71 benutzt werden können.
Die Transmitter 60-64 können, falls gewünscht, das alleinige Link zwischen verschiedenen Sensoren (Transmittern) und dem Controller 11 sein und es wird von ihnen als solchen erwartet, dass sie genaue Signale an den Controller 11 senden, um sicher zu stellen, dass die Produktqualität und der Fluss nicht kompromittiert werden. Die Transmitter 60-64, oft als Prozessvariablentransmitter (PVTs) bezeichnet, können daher eine bedeutende Rolle bei der Steuerung des Werks spielen. Das Ventil oder andere Feldgerät 71 kann außerdem durch die Sensoren innerhalb des Ventils 71 gemachte Messungen bereitstellen oder kann andere, durch das Ventil 71 erzeugte oder berechnete Daten an den Controller 11 als Teil der Operation des Ventils 71 bereitstellen, einschließlich Daten, die durch die Funktionsblöcke FB1 und FB2 erfasst, berechnet oder anderweitig innerhalb des Ventils 71 erzeugt wurden. Das Ventil 71 kann natürlich auch Steuerungssignale von dem Controller 11 zur Bewirkung physischer Parameter, z.B. Fluss, innerhalb des Werks, empfangen.
Der Controller 11 ist mit einem oder mehreren E/A-Geräten 73 und 74 gekoppelt, die jeweils mit einer entsprechenden Antenne 75 und 76 verbunden sind, und diese E/A-Geräte und Antennen 73-76 werden als Transmitter/Empfänger zur Durchführung von drahtlosen Kommunikationen mit den drahtlosen Feldgeräten 61-64 und 71 über ein oder mehrere drahtlose Kommunikationsnetzwerke betrieben. Die drahtlosen Kommunikationen zwischen den Feldgeräten (z.B. den Transmittern 60-64 und Ventil 71) können unter Benutzung von einem oder mehreren drahtlosen Kommunikationsprotokollen, wie dem WirelessHART^®-Protokoll, dem Ember-Protokoll, einem WiFi-Protokoll, einem IEEE-Standard für drahtlose Netzwerke etc. durchgeführt werden. Die E/A-Geräte 73 und 74 können darüber hinaus Protokollstapeloperationen durchführen, die durch diese Kommunikationsprotokolle benutzt werden zum Empfangen, Dekodieren, Routen, Encodieren und Senden von drahtlosen Signalen über die Antennen 75 und 76 zur Durchführung drahtloser Kommunikationen zwischen dem Controller 11 und den Transmittern 60-64 und dem Ventil 71.
Wie in 1 veranschaulicht, beinhaltet der Controller 11 einen Prozessor 77, der eine oder mehrere Prozess-Steuerungsroutinen (oder jedes Modul, jeden Block oder jede Subroutine davon) durchführt oder beaufsichtigt, die in einem Speicher 78 gespeichert sind. Die in dem Speicher 78 gespeicherten Prozess-Steuerungsroutinen können Steuerungsschleifen beinhalten oder damit assoziiert sein, die innerhalb des Prozesswerks durchgeführt werden. Allgemein gesagt führt der Controller 11 eine oder mehrere Steuerungsroutinen durch und kommuniziert mit den Feldgeräten 15-22, 60-64, und 71, den Hostcomputern 13 und dem Datenhistorian 12, um den Prozess auf jede gewünschte Art und Weise zu steuern. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Teile von jeder/m vorliegend beschriebenen Steuerungsroutine oder Modul auf eine über mehrere Geräte verteilte Weise durchgeführt oder ausgeführt werden können. Teile einer Steuerungsroutine oder eines Moduls können demzufolge durch verschiedene Controller, Feldgeräte (z.B. intelligente Feldgeräte) oder andere Geräte oder andere Steuerungselemente durchgeführt werden, wenn dies gewünscht ist.
Die vorliegend beschriebenen, innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 durchzuführenden Steuerungsroutinen oder Module können gleichermaßen jede Form, einschließlich Software, Firmware, Hardware etc. annehmen. Jedes Gerät oder Element, das bei der Bereitstellung derartiger Funktionalität beteiligt ist, kann vorliegend allgemein als ein „Steuerungselement“ bezeichnet werden, unabhängig davon, ob die damit assoziierte Software, Firmware oder Hardware in einem Controller, einem Feldgerät oder einem sonstigen Gerät (oder einer Sammlung von Geräten) innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 angeordnet ist. Ein Steuerungsmodul kann natürlich jeder Bauteil oder Teil eines Prozesssteuerungssystems sein, einschließlich zum Beispiel einer Routine, einem Block oder Element davon, die/der/das auf einem Computer-lesbaren Medium gespeichert ist. Derartige Steuerungsmodule, Steuerungsroutinen oder Teile davon können durch jedes Element oder Gerät des Prozesssteuerungssystems 10 durch- oder ausgeführt werden, das vorliegend allgemein als Steuerungselement bezeichnet wird. Darüber hinaus können Steuerungsroutinen, die Module oder jeder Teil einer Steuerungsroutine wie eine Subroutine, Teile einer Subroutine (wie Codeleitungen) etc. sein können, in jedem gewünschten Softwareformat durchgeführt werden, wie Objektorientiertem Programmieren, Ladder Logic, sequentiellen Funktionstabellen, Funktionsblockdiagramme oder Benutzen jeder anderen Software-Programmiersprache oder jedes anderen Design-Paradigmas. Die Steuerungsroutinen können gleichermaßen in beispielsweise einem/einer oder mehreren EPROMs, EEPROMs, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs - application specific integrated circuits) oder anderen Hardware- oder Firmware-Elementen fest eingebaut werden. Die Steuerungsroutinen können darüber hinaus unter Benutzung jedes Designwerkzeugs konzipiert werden, einschließlich Grafikdesignwerkzeugen oder jeder anderen Art von Software-/Hardware-/Firmware-Programmier- oder Designwerkzeugen. Demzufolge kann der Controller 11 auf jede gewünschte Art und Weise zur Durchführung einer Steuerungsstrategie oder Steuerungsroutine konfiguriert werden.
In einigen Ausführungsformen führt der Controller 11 eine Steuerungsstrategie oder ein Schema unter Benutzung dessen durch, was üblicherweise als Funktionsblöcke bezeichnet wird, wobei jeder Funktionsblock ein Objekt oder anderer Teil (z.B. eine Subroutine) einer Gesamtsteuerungsroutine ist, die zusammen mit anderen Funktionsblöcken (über Links genannte Kommunikationen) zur Durchführung der Steuerungsschleifen innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 betrieben werden. Funktionsblöcke führen typischerweise eine von einer Eingabefunktion durch, wie die mit einem Transmitter, einem Sensor oder sonstigen Prozessparametermessungsgerät assoziierte, einer Steuerungsfunktion, wie die mit einer Steuerungsroutine assoziierte, die PID-, Fuzzy-Logic- etc. Steuerung durchführt, oder einer Ausgabefunktion, die den Betrieb einiger Geräte, wie einem Ventil, steuert, um innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 einige physische Funktionen durchzuführen. Hybride und sonstige Arten von Funktionsblöcken existieren natürlich und können vorliegend verwendet werden. Die Funktionsblöcke können in dem Controller 11 gespeichert und ausgeführt werden, was typischerweise der Fall ist, wenn Funktionsblöcke mit standardmäßigen 4-20 mA-Geräten und einigen Arten intelligenter Feldgeräte, wie HART^®-Geräten, benutzt oder damit assoziiert werden. Die Funktionsblöcke können alternativ oder darüber hinaus in den Feldgeräten selbst, in den E/A-Geräten oder anderen Steuerungselementen des Prozesssteuerungssystems 10 gespeichert und durchgeführt werden, was bei Systemen, die Fieldbus-Geräte verwenden, der Fall sein kann. Obwohl die Beschreibung des Steuerungssystems 10 vorliegend allgemein unter Benutzung einer Funktionsblocksteuerungsstrategie bereitgestellt wird, können die offengelegten Techniken und das System auch unter Benutzung anderer Vereinbarungen oder Programmierparadigma durchgeführt oder konzipiert werden.
In jedem Fall kann der Controller 11, wie durch den Explosionsblock 80 von 1 veranschaulicht, eine Reihe von Steuerungsmodulen beinhalten (veranschaulicht als Module 82, 84 und 86), wobei jedes Steuerungsmodul eine oder mehrere Prozesssteuerungsschleifen durchführt. Das Steuerungsmodul 82 führt in diesem Fall ein/e Beobachter-basierte Steuerungsschema oder -routine durch (das/die vorliegend als eine Art Prädiktor-basiertes Steuerungsschema bezeichnet wird), und das Steuerungsmodul 84 führt ein Prädiktor-basiertes Steuerungsschema durch. Als ein Beispiel kann das Beobachter- und/oder Prädiktor-basierte Steuerungsschema auf einen Kalman-Filter basiert werden. Die Module 82 und 84 werden als eine Einzelschleifensteuerung durchführend veranschaulicht, unter Benutzung eines Beobachters (OBS) oder eines Prädiktors (PRD), und einen Einzel-Eingabe/Einzel-Ausgabe-basierten PID-Steuerungsblock (PID) durchführend, der zur Zuweisung von analogen Eingabe- (AI) und analogen Ausgabe (AO) -Funktionsblöcken verbunden ist, die mit Prozesssteuerungsgeräten, wie Ventilen, mit Messgeräten, wie Temperatur- und Drucktransmittern, oder mit jedem anderen Gerät innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 assoziiert sein können. Eine Mehrfach-Eingabe/Mehrfach-Ausgabe-Steuerungsschleife 86 ist auch veranschaulicht als einen erweiterten Steuerungsblock 88 mit Eingaben beinhaltend, die kommunikativ an einen oder mehrere AI-Funktionsblöcke verbunden sind, und Ausgaben, die kommunikativ mit einem oder mehreren AO-Funktionsblöcken verbunden sind, obwohl die Eingaben und Ausgaben des erweiterten Steuerungsblocks 88 an jeden anderen gewünschten Funktionsblock oder andere Steuerungselemente zum Empfangen anderer Arten von Eingaben und zum Bereitstellen anderer Arten von Steuerungsausgaben verbunden werden können. Der erweiterte Steuerungsblock 88 kann jede Art Mehrfach-Eingabe-, Mehrfach-Ausgabe-Steuerungsschema, einschließlich Beobachter- oder Prädiktor-basierter Steuerung, durchführen und kann einen modellprädiktiven Steuerungs (MPC - model predictive control) -block, einen neuralen Netzwerkmodellierungs- oder Steuerungsblock, einen mehrfachvariablen Fuzzy-Logic-Steuerungsblock, einen Echtzeit-Optimiererblock etc. konstituieren oder beinhalten. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die in 1 veranschaulichten Funktionsblöcke durch den Controller 11 ausgeführt werden können oder alternativ in anderen Verarbeitungsgeräten oder Steuerungselementen des Prozesssteuerungssystems angeordnet und durch dieses, wie in einer der Workstations 13 oder in einem oder mehreren der Feldgeräte 19-22 oder 60-64 oder 71, ausgeführt werden können.
Die Beobachter-/Prädiktor-basierten Steuerungsmodule 82, 84 und 86 von 1 wurden in der Vergangenheit im Allgemeinen zur periodischen Ausführung über mehrere Iterationen der Steuerungsroutine konfiguriert. Jede Iteration wird in einem konventionellen Fall durch eine aktualisierte Prozessmessung unterstützt, die zum Beispiel durch einen Transmitter oder ein anderes Feldgerät bereitgestellt wird. Es gibt typischerweise mehrere Prozessmessungen, die zwischen jedem der periodischen Ausführungsiterationen vorgenommen werden, um eine aktualisierte Prozessmessung während jedem Steuerungs-Ausführungszyklus sicherzustellen. Um die Beschränkungen des Synchronisierens des Messwerts mit der Steuerung zu vermeiden, wurden viele der vergangenen Controller (oder Steuerungsschleifen) sogar dazu konzipiert, die Messung um einen Faktor des 2-10-Fachen überabzutasten (Oversampling). Dieses Oversampling half dabei, sicherzustellen, dass die Prozessmessung für die Benutzung im Steuerungsschema aktuell war. Zur Minimierung der Steuerungsvariation spezifizierten konventionelle Konzepte auch, dass die Feedbacksteuerung um das 4-10-Fache schneller ausgeführt werden sollte als die Prozessreaktionszeit. Um diese konventionellen Konzeptanforderungen zu befriedigen, musste der Messwert sehr viel schneller abgetastet werden als die Steuerungsausführungsrate, die viel schneller oder höher als die Prozessreaktionszeit war.
Allgemein gesagt, ermöglichen die Beobachter-/Prädiktor-basierten Steuerungsmodule von 1 (die vorliegend ausführlicher beschrieben werden) die Übertragung der Prozessvariablenmesswerte (die andere Werte wie berechnete oder simulierte Werte beinhalten) zu sehr viel geringeren Raten, zu intermittierenden Raten oder zu nicht-periodischen Raten, um zum Beispiel die Steuerung in Prozessen zu erlauben, in denen nur intermittierende Prozessvariablenfeedback-Kommunikationen bestehen, oder zur Reduzierung des Energieverbrauchs durch die Stromversorgung, die zum Beispiel einen drahtlosen Sensor oder Transmitter (z.B. einen der Transmitter 60-64) versorgt, die die Prozessvariablenmessungen vornehmen. In diesem letzteren Fall kann der konventionelle Ansatz - selbst wenn die Messung und Steuerung synchronisiert sind, wie das bei vielen Fieldbus-Steuerungsschemen der Fall ist - der Einplanung von Steuerungsiterationen um das 4-10-Fache der Prozessreaktion trotzdem zu überhöhtem Stromverbrauch während der Datenübertragung führen. Die Beobachter-/Prädiktor-basierten Steuerungsroutinen können zusätzlich Beobachter-basierte Steuerung in der Anwesenheit von nicht-mittelwertfreiem Prozess- oder Messungsrauschen innerhalb der gemessenen Prozessvariablen durchführen, die als eine Eingabe an den Beobachter der Beobachter-basierten Steuerungsroutine benutzt wird.
Wie nachstehend ausführlich diskutiert, sind die vorliegend beschriebenen Prädiktor-basierten Steuerungstechniken insbesondere nützlich in dem Prozesssteuerungssystem 10, und insbesondere im Controller 11 und in den Übertragungsgeräten und anderen Feldgeräten des Steuerungssystems 10, wenn diese Geräte eine neue Messung oder andere Werte auf einer nicht-periodischen oder intermittierenden Basis, wie wenn bestimmte Bedingungen befriedigt werden, übertragen und empfangen. Ein neuer Messwert kann zum Beispiel basierend darauf übertragen werden, ob sich die Prozessvariable um mehr als einen vorbestimmten Schwellenwert (z.B. zu einem als erheblich bestimmten Umfang) geändert hat. Wenn zum Beispiel die Stärke des Unterschiedes zwischen dem neuen Messwert und dem zuletzt kommunizierten Messwert größer als eine spezifizierte Auflösung ist, dann kann ein Auslöser erzeugt werden, sodass die Messung aktualisiert oder gesendet wird. Bei der Handhabung diskreter Messungen (wie Ein/Aus-Messungen, einem digitalen Bit oder anderen Zustandsmessungen, bei denen einer von einem vorbestimmten Satz an Zuständen oder diskreten Werten erwartet oder gemessen wird), wird eine Änderung von einem Zustand zu einem anderen im Allgemeinen als den Schwellenwert oder die Auflösungsstärke übersteigend angesehen.
In anderen Fällen kann ein neuer Messwert übertragen werden, wenn der Unterschied die spezifizierte Auflösung übersteigt (wie im vorherigen Fall), sowie wenn die seit der letzten Kommunikation verstrichene Zeit eine vorgegebene Auffrischzeit überschreitet. Hier kann entweder eine Änderung der Prozessvariablen oder das Verstreichen einer vorgegebenen Zeit zu einer Übertragung einer Messung führen. Die Auffrisch- oder vorgegebene Zeit für Messungsübertragungen kann zwischen Steuerungsschleifen variieren, insofern mehr oder weniger häufigere Aktualisierungen zweckmäßig sein können, je nachdem ob sich der Prozess langsam voran bewegt oder schnelle Reaktion zeigt (wie zum Beispiel durch die Prozesszeitkonstante angegeben). In einigen Fällen kann eine Bestimmung während der Abstimmung der Steuerungsschleife basierend auf den Zeitkonstanten vorgenommen und danach wie gewünscht eingestellt werden. Die Zeit zwischen den Messungen oder dem Senden der Signale kann zum Beispiel von dem gemessenen Zustand der Variablen oder des Werts abhängen, und in diesem Fall kann die Periode der Messung eingestellt werden, um den Zustand des überwachten Geräts, der überwachten Vorrichtung oder des überwachten Prozesses wieder zu geben. In jedem Fall fungiert die vorgegebene Zeit oder Auffrischzeit als eine Integritätsüberprüfung oder Überbrückung nach Zeitperioden ohne Messungsaktualisierung. Solche Überprüfungen können zum Beispiel zur Unterstützung des abschließenden Antriebs der Prozessvariablen zu einem Ziel nützlich sein.
Der Transmitter, Sensor oder ein anderes für die Beschaffung von Messwerten verantwortliches Feldgerät können trotzdem in der Zwischenzeit die Messungen zu jeder gewünschten Rate, wie dem konventionellen 4-10-Fachen der Prozessreaktionszeit, abtasten. Die Kommunikationstechniken bestimmen anschließend, ob die abgetasteten Werte an den Controller 11 übertragen werden.
Die zugrundeliegende Annahme beim standardmäßigen Steuerungskonzept (z.B. die Benutzung von z-Transformation, Differenzgleichungen etc.) und die digitale Durchführung der Steuerungsroutinen, wie proportional-integral-derivative (PID) Steuerung liegt darin, dass der Steuerungsalgorithmus auf einer periodischen Basis ausgeführt wird. Wenn die Messungen nicht während jedem Ausführungszyklus aktualisiert werden, dann können Schritte wie der Integral- (oder Rücksetz-) Anteil oder Beitrag der Routine nicht zweckmäßig sein. Wenn zum Beispiel der Steuerungsalgorithmus mit der Ausführung des letzten, veralteten Messwerts fortfährt, bewegt sich die Ausgabe weiter basierend auf der Rücksetzabstimmung und dem Fehler zwischen dem letzten gemessenen Wert und dem Sollwert. Wenn die Steuerungsroutine auf der anderen Seite nur ausgeführt wird, wenn eine neue Messung kommuniziert wird, dann könnte die Steuerungsreaktion auf Änderungen des Sollwerts und die Vorkopplungshandlung an gemessenen Störungen verzögert werden. Steuerungsroutinen können auch Berechnungen beinhalten, die auf der seit der letzten Iteration vergangenen Zeit basieren. Bei nicht-periodischen und/oder weniger häufigen Messungsübertragungen kann jedoch die Berechnung des Rücksetzungsbeitrags basierend auf der Steuerungsausführungsperiode (d.h. der Zeit seit der letzten Iteration) zu erhöhter Prozessvarianz führen.
Angesichts der vorstehenden Herausforderungen sowie um genaue und ansprechende Steuerung bereitzustellen, wenn die Prozessvariablenmesswerte nicht auf einer periodischen Basis aktualisiert werden, können Steuerungstechniken benutzt werden, die im Allgemeinen die Prozesssteuerungsroutine basierend darauf modifizieren, ob eine Aktualisierung der Prozessvariablen verfügbar ist. In einigen Fällen kann eine Prädiktor-basierte Steuerungsroutine nach den vorliegend beschriebenen Techniken basierend auf der erwarteten Prozessreaktion sei der letzten Messungsaktualisierung umstrukturiert werden.
Obwohl die nachstehend beschriebenen Steuerungstechniken bei Steuerungsroutinen, die Kommunikationen über drahtlose Kommunikationsnetzwerke durchführen, nützlich und insbesondere darauf anwendbar sind, sollte beachtet werden, dass diese Techniken auch auf Kommunikationen anwendbar sind, die über fest verdrahtete Verbindungen durchgeführt werden. Ein oder mehrere der fest verdrahteten Geräte 15-22 können zum Beispiel auch auf eine begrenzte Stromversorgung angewiesen sein oder anderweitig von reduzierten Datenübertragungsraten profitieren. Das Prozesssteuerungssystem 10 kann außerdem einen abgetasteten Analysator oder anderes Abtastsystem beinhalten, das zur Bereitstellung von Messdaten über fest verdrahtete Kommunikationsnetzwerke intermittierend oder zu langsameren Raten als die Ausführungsrate konzipiert ist.
Die nachstehend beschriebenen Prozesssteuerungstechniken sind angepasst, um jedes Offset zwischen den Prozessvariablenmesswerten und Prozessvariablenschätzungswerten zu eliminieren, das durch das Vorhandensein von nicht-mittelwertfreiem Prozessrauschen verursacht wurde. Diese Kompensation nicht-mittelwertfreien Prozessrauschens kann unabhängig davon durchgeführt werden, ob die Steuerungstechniken über verdrahtete oder drahtlose Kommunikationsnetzwerke durchgeführt werden.
Zum Zwecke der Veranschaulichung zeigt 2 den typischen Stand der Technik, wobei das Prädiktor-basierte Steuerungssystem 100 einen Controller 101 verbunden mit einem Prozess 102 aufweist, und einen Prädiktor 104 verbunden zwischen dem Controller 101 und dem Prozess 102 beinhaltet. Wie in 2 veranschaulicht, erzeugt der Controller 101, der zum Beispiel ein PID-Controller (was jede Art von P, PI, PD, ID und PID-Controller beinhaltet) sein kann, ein Steuerungssignal U_j, das den Betrieb einiger Geräte, wie einem Ventil, innerhalb des Prozesses 102 steuert, um den Wert einer gesteuerten Prozesszustandsvariablen X_j zu beeinflussen oder zu ändern. Ein Transmitter 106 misst darüber hinaus eine durch den Steuerungsbetrieb bewirkte Prozessvariable zur Erzeugung der Prozessausgabe Z_j oder tastet diese ab. In diesem Fall können die Prozessausgabenwerte Z_j gemessene Werte der Prozesszustandsvariablen X_j sein oder können gemessene Werte einer anderen Prozessvariablen sein, die mit der Prozesszustandsvariablen X_j assoziiert ist oder die sich in einer bekannten Beziehung zu dieser ändert. Der Transmitter 106 stellt die Messungsausgabewerte Z_j an den Prädiktor 104 bereit, der zum Beispiel ein Beobachter sein kann. In diesem Fallt wird der Transmitter 106 als verdrahteter Transmitter veranschaulicht, der als solcher die gemessenen Prozessausgabewerte Z_j an den Prädiktor 104 über ein verdrahtetes Kommunikationsnetzwerk kommuniziert. Wie oben weiterhin vermerkt, misst und sendet der Transmitter 106 typischerweise neue Prozessausgabenwerte Z_j zu einer Rate des 4-10-Fachen der Ausführungsrate des Controllers 101.
Wie in 2 veranschaulicht, benutzt der Prädiktor 104, der zum Beispiel ein Kalman-Filter sein kann, die empfangenen gemessenen Prozessausgabenwerte Z_j in Verbindung mit dem Steuerungssignal U_j, das durch den Controller 101 zur Entwicklung einer Schätzung der Prozesszustandsvariablen X̂_j erzeugt wird, die anschließend als eine Eingabe an den Controller 101 zur Benutzung bei der Steuerung des Prozesses 102 und insbesondere zur Steuerung des Werts der Prozesszustandsvariablen X_j bereitgestellt wird. Die Benutzung des Prädiktors 104 ermöglicht es dem Prozesssteuerungssystem 10, Dinge wie Messungsverzögerung, Messungsfehler, Prozessrauschen etc. mit einzubeziehen, um es dem Controller 101 zu ermöglichen, bessere Leistungen oder eine genauere Steuerung des Prozesses 102 zu erbringen. Es sollte beachtet werden, dass der Prädiktor 104 typischerweise an demselben oder einem schnelleren Ausführungszyklus als dem Controller 101 betrieben wird, sodass ein neues Ventil (sic: Fehler im Ausgangstext; richtig wohl: neuer Wert) der Prozesszustandsvariablenschätzung X̂_j an der Eingabe des Controllers 101 an jedem Ausführungszyklus des Controller 101 verfügbar ist. Als solches ist es typisch, einen neuen Prozessmessungsausgabewert Z_j an die Eingabe des Prädiktors 104 zu einer Rate bereitzustellen, die gleich der oder größer (z.B. um das 4-10-Fache) als die Ausführungsrate des Prädiktors 104 ist.
Allgemein gesagt, unterstützt ein Prädiktor, wie der Prädiktor 104 von 2, die Prozesssteuerung durch Bereitstellung einer Prozessvariablenschätzung unter Benutzung eines Modells des Prozesses. Viele industrielle Prozesseinheiten sind zum Beispiel durch eine manipulierte Eingabe U(t) und eine gemessene Prozessausgabe Z(t) charakterisiert. Das Modell eines linearen Prozesses mit einer manipulierten Eingabe und einer gemessenen Prozessausgabe kann im zustandsvariablen Format ausgedrückt werden als: $X_{j} = a X_{j - 1} + b U_{j}$
$Z_{j} = h X_{j}$
wobei:

X_j = Prozesszustand zur Zeit j ist;
U_j = Prozesseingabe zur Zeit j ist;
Z_j = Prozessausgabemessung zur Zeit j ist;
a und b = Konstanten sind, die die Prozessverstärkung und dynamische Reaktion definieren; und
h = Prozessausgabeverstärkung/Einheitsumwandlungsverstärkung ist.

Die Repräsentation der Zustandsvariablen eines Prozess erster Ordnung kann zum Beispiel in diesem Format ausgedrückt werden, in dem: $a = e^{\frac{- Δ T}{τ}}, b = k (1 - e^{\frac{- Δ T}{τ}})$
wobei:

k = Prozessverstärkung;
τ = Prozesszeitkonstante;
ΔT = Ausführungsperiode des Prozessmodells; und
j = aktuelle Zeitinstanz ist.

Für einen Integrationsprozess kann die Repräsentation der Zustandsvariablen eines Prozesses erster Ordnung in diesem Format ausgedrückt werden, wobei: $a = 1;$
und $b = Δ T * k_{I} .$
Um zur Diskussion beizutragen, wird der in 2 gezeigte Prozess 102 in einer oben bereitgestellten mathematischen Form veranschaulicht, um die verschiedenen Fehlerquellen und anderen Betriebe zu veranschaulichen, die den meisten Prozessen inhärent sind, und um ein besseres Verständnis des Prädiktors 104 zu ermöglichen. Der Prozess 102 wird insbesondere durch Prozessverstärkungsblock 120, einen Summierer 122, einen Umwandlungsblock 124, einen Summierer 126 und eine Feedbackschleife 130, einschließlich einer Verzögerungseinheit 132 und einer Verstärkungseinheit 134, modelliert. Um den mathematischen Betrieb des Prozesses 102 zu zeigen, multipliziert die Verstärkungseinheit 120 das durch den Controller 101 erzeugte Steuerungssignal U_j mit einer Prozessverstärkung b, und dieser Wert wird (in dem Summierer 122) zum Prozessrauschen W_j und zu einer dynamischen Reaktion hinzugefügt, die durch die Feedbackschleife 130 geschätzt oder modelliert wird, um die Prozesszustandsvariable X_j zu erzeugen. Das Prozessrauschen W_j kann zum Beispiel als Gauß'sches weißes Rauschen oder mittelwertfreies weißes Rauschen mit Kovarianz Q angenommen werden, die/das mit der Eingabe nicht korreliert, obwohl andere Arten von Rauschmodellen anstatt dessen benutzt werden können. Die Prozesszustandsvariable X_j ist daher mathematisch modelliert als die Ausgabesumme des Prozessverstärkungsblocks 120, des Prozessrauschens W_j und der dynamischen Verstärkungsreaktion. In diesem Fall wird die dynamische Verstärkungsreaktion an der Eingabe des Summierers 122 durch die Feedbackschleife 130 erzeugt oder modelliert, in der die Prozesszustandsvariable X_j durch eine Abtastung oder Controllerausführungszeit in der Verzögerungseinheit 132 verzögert wird, und die verzögerte Version der Prozesszustandsvariablen X_j-l wird mit der Prozess-dynamischen Reaktionsverstärkung a multipliziert. Es wird dem Fachmann ersichtlich, dass die Prozessverstärkung b und die dynamische Prozessreaktionsverstärkung a typischerweise als Konstante modelliert werden, jedoch (periodisch oder anderweitig) basierend auf dem tatsächlichen Betrieb der Prozesses 102 aktualisiert werden können.
Innerhalb des Prozesses 102 wird die Prozesszustandsvariable X_j als in der Umwandlungseinheit 124 umgewandelt veranschaulicht, indem er mit dem Wert h multipliziert wird, was die Einheitsumwandlung zwischen den Einheiten der Prozesszustandsvariablen X_j und dem gemessenen Prozessausgabenwert Z_j bereitstellt oder modelliert. Der Summierer 126 addiert anschließend den durch Block 124 erzeugten umgewandelten Prozesszustandsvariablenwert mit einem Wert V_j, der das Prozessmessungsrauschen (z.B. das aufgrund von Messungsfehlern oder Ungenauigkeiten zu dem Prozessvariablenwert hinzugefügte Rauschen) repräsentiert. Wenn gewünscht, kann das Messungsrauschen V_j mittelwertfreies weißes Rauschen mit Kovarianz R sein, das mit der Eingabe oder dem Prozessrauschen W_j unkorreliert ist. Die Ausgabe des Summierers 126 repräsentiert den Prozessausgabewert Z_j, der eine Schätzung des Werts der Prozesszustandsvariablen X_j einschließlich der Effekte des Prozessrauschens, der Prozessdynamik und Prozessverstärkung ist, und aufgrund von darin auftretendem Messungsrauschen Fehler aufweist. Wie in 2 veranschaulicht, erzeugt oder misst der Transmitter 106 den „rauschenden“ Prozessausgabewert Z_j natürlich und stellt diesen Wert an den Prädiktor 104 bereit.
Wie vorstehend vermerkt, erzeugt der Transmitter 106 typischerweise mehrere Male pro Betriebszyklus des Controllers 101 und/oder pro Betriebszyklus des Prädiktors 104 einen Prozessmessungsausgabewert Z_j, um es dem Prädiktor 104 zu ermöglichen, eine gültige und aktualisierte Schätzung X̂_j der tatsächlichen Prozesszustandsvariablen X_j basierend auf den Prozessausgabemessungen Z_j, die durch den Transmitter 106 an diesen bereitgestellt werden, zu erzeugen.
3 veranschaulicht ein neues Prozesssteuerungssystem 200 beinhaltend einen Prozesscontroller 201 (der derselbe Prozesscontroller wie der Prozesscontroller 101 von 2 sein kann), der einen Prozess 202 steuert. Wie in 3 veranschaulicht, beinhaltet der Prozesscontroller 201 einen Controlleralgorithmus, wie einen PID-Controlleralgorithmus 230, der zur Steuerung oder zum Antrieb des Prozesses 202 ein Steuerungssignal U_j erzeugt. In diesem Fall beinhaltet das Steuerungssystem 200 jedoch einen modifizierten Prädiktor 204 verbunden mit dem Controller 201 und mit einem Transmitter 206. Der modifizierte Prädiktor 204 empfängt eine Ausgabe des Transmitters 206, der in diesem Fall drahtlos an den modifizierten Prädiktor 204 über ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk (durch die gestrichelte Linie in 3 angegeben) bereitgestellt wird. Der modifizierte Prädiktor 204 wird betrieben, um einen geschätzten (Prädiktor- oder beobachteten) Wert der Prozesszustandsvariablen X̂_j basierend auf dem Steuerungssignal U_j und dem gemessenen Prozessausgabewert Z_j, wie durch den Transmitter 206 gemessen, bereitzustellen, und stellt die geschätzte Prozesszustandsvariable X̂_j an die Eingabe des PID-Controlleralgorithmus 230 zur Benutzung bei der Erzeugung des Steuerungssignals U_j bereit.
Die Ausgabe des drahtlosen Transmitters 206 (d.h. des Prozessmessungsausgabesignals Z_j) wird hier drahtlos über ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk an den modifizierten Prädiktor 204 bereitgestellt und kann als solches nicht-periodisch, intermittierend oder zu einer Rate bereitgestellt werden, die langsamer als die Ausführungszyklusrate des Controllers 201 oder die Ausführungszyklusrate des Prädiktors 204 ist. Demzufolge kann in diesem Fall ein neuer Wert der gemessenen Prozessausgabe Z_j bei dem Beginn jedes neuen Ausführungszyklus des Prädiktors 204 an der Eingabe des Prädiktors 204 nicht verfügbar sein und ist dort im Allgemeinen nicht verfügbar. Der modifizierte Prädiktor 204 wird nichtsdestoweniger dennoch auf die nachstehend beschriebenen Arten betrieben, um während jedem Controller-Ausführungszyklus eine neue Prozesszustandsvariablenschätzung X̂_j an die Eingabe des Controllers 201 oder die Steuerungsroutine 230 zu erzeugen.
Wie oben vermerkt, nahmen mit Prädiktoren, wie Kalman-Filtern, verbundene Beobachter-/Prädiktor-basierte Controlleralgorithmen, wie der PID-Algorithmus, in der Vergangenheit an, dass Prozessvariablenmessungen aktualisiert und sogar bei Beginn von jedem Controller-Ausführungszyklus genau waren. Diese Algorithmen nahmen auch an, dass die gemessene Prozessvariable (dieselbe Variable, die durch den Kalman-Filter geschätzt wird) nur nicht-mittelwertfreis Rauschen beinhaltet. Demzufolge kann die Benutzung eines anderen drahtlosen Transmitter-Mechanismus, der langsame oder intermittierende Prozessvariablenmesswerte an einen typischen Beobachter/Prädiktor bereitstellt, Probleme verursachen und zu mangelhafter Steuerungsleistung führen. Der modifiziert Prädiktor 204 wird jedoch auf die nachstehend beschriebenen Arten betrieben, um die mit dem Empfang von intermittierenden oder langsamen Prozessfeedbacksignalen am Controller oder an Beobachter/Prädiktor-Eingaben assoziierten Probleme zu minimieren oder abzuschwächen.
Ehe die Einzelheiten des modifizierten Prädiktors 204 von 3 beschrieben werden, ist es hilfreich, den typischen Betrieb einer bekannten Art von Prädiktor in der Form eines Kalman-Filters zu beschreiben, welcher im Allgemeinen ein Prädiktor ist, der Modellungenauigkeiten während dem Betrieb der Vorhersageeinheit korrigiert. 4 veranschaulicht ein typisches Prädiktor-basiertes Steuerungssystem 400 mit einem an einen Prozess 402 gekoppelten Controller 401, der einen Kalman-Filter 404 benutzt, der periodische Prozessfeedbacksignale von einem verdrahteten Transmitter 406 empfängt. Aus Gründen dieser Diskussion wird angenommen, dass der Prozess 402 auf dieselbe Art betrieben wird, wie dies für den Prozess 102 von 2 beschrieben wurde, und daher sind die in dem Prozess 402 von 4 beschriebenen Blocks auf die gleiche Art beziffert, wie die entsprechenden Blocks in dem Prozess 102 von 2.
Allgemein gesagt wird typischerweise ein Kalman-Filter zur Steuerung eines Prozesses benutzt, wenn der Prozess durch erhebliches Prozess- oder Messungsrauschen charakterisiert ist, da der Kalman-Filter zur Reduzierung der Auswirkung des Prozess- oder Messungsrauschens auf eine Steuerungsapplikation benutzt werden kann. Der Kalman-Filter erzeugt im Allgemeinen insbesondere eine geschätzte Prozessausgabe für die Steuerung, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, wobei:

: die a priori Schätzung des Prozesszustands (eine Ausgangs-Prozesszustandsvariablenschätzung);
X̂j: Schätzung des Prozesszustands; und
Ẑj: Schätzung der Ausgabe ist.

Ein Kalman-Filter beinhaltet und benutzt im Allgemeinen Sinne ein Modell des Prozesses ohne Prozess- oder Messungsrauschen zur Erzeugung eines geschätzten Prozessausgabewerts. Der Kalman-Filter beinhaltet auch eine Korrektureinheit, die den Unterschied zwischen der geschätzten Prozessausgabe und der gemessenen Prozessausgabe als einen Rest bestimmt, dem Stand der Technik auch bekannt als eine Innovation. Die Korrektureinheit des Kalman-Filters beinhaltet auch eine Kalman-Verstärkung, K_j, die eingestellt ist, um zu bestimmen, welcher Anteil des Rests in dem Kalman-Filtermodell dazu benutzt wird, um Ungenauigkeiten in den Prozessmodellvariablen a, b, oder h zu kompensieren und das Prozess- oder Messungsrauschen mit einzubeziehen.
Wie in 4 veranschaulicht, empfängt ein typischer Kalman-Filter 404 eine gemessene Prozessausgabe Z_j, wie von dem verdrahteten Transmitter oder Sensor 406 über fest verdrahtete oder regelmäßig eingeplante Kommunikationen gemessen, und erzeugt eine Schätzung der Prozesszustandsvariablen X̂_j als eine Ausgabe, die wiederum als eine Prozessvariableneingabe an den Controller 401 bereitgestellt wird (in 4 als ein PID-Controlleralgorithmus 430 veranschaulicht, der durch den Controller 401 durchgeführt wird.) Der Kalman-Filter 404 beinhaltet einen Verstärkungsblock 410, Summierer 412 und 414, einen Umwandlungsblock 416, einen weiteren Summierer 418, einen zwischen dem Summierer 418 und dem Summierer 414 gekoppelten Kalman-Verstärkungsblock 422 und eine dynamische Feedbackschleife 423, einschließlich einer Verzögerungseinheit 424 und einem Verstärkungsblock 426. Die Blöcke 410, 412, 424 und 426 bilden im Wesentlichen ein Prozessmodell, das die Ausgangs-Prozesszustandsvariablenschätzung ${\hat{X}}_{j}^{-}$
erzeugt, die Blöcke 416, 418 und 422 bilden eine Korrektureinheit, die ein Korrektursignal an der Ausgabe des Verstärkungsblocks 422 erzeugen, und der Block 414 bildet einen Kombinierer, der die Ausgangs-Prozesszustandsvariablenschätzung ${\hat{X}}_{j}^{-}$
mit dem Korrektursignal zur Bildung der Prozesszustandsvariablenschätzung X̂_j kombiniert. Demzufolge, wird der Kalman-Filter 404 zur Erzeugung eines geschätzten Nicht-Rauschwerts für die Prozesszustandsvariable X̂_j konfiguriert (was eine Schätzung der Prozesszustandsvariablen X_j innerhalb des Prozesses 402 ist), basierend auf einer Prozessverstärkung b, einer dynamischen Reaktionsverstärkung a und einer Kalman-Filterverstärkung K_j, sowie den aktuellen Werten des Steuerungssignals U_j und dem gemessenen Prozessausgabesignal Z_j.
Die Verstärkungseinheit 410 multipliziert insbesondere das Steuerungssignal U_j (von dem Controller 401) mit einer Schätzung der Prozessverstärkung b, und dieser Wert wird in dem Summierer 412 zu einer (durch die Feedbackschleife 423 erzeugten) dynamischen Reaktion hinzugefügt, um einen a priori geschätzten Wert der Prozesszustandsvariablen zu erzeugen, angegeben als Variable ${\hat{X}}_{j}^{-}$
Die dynamische an der Eingabe des Summierers 412 bereitgestellte Verstärkungsreaktion wird durch die Feedbackschleife 423 erzeugt, in der die geschätzte Prozesszustandsvariable X̂_j durch eine Abtast- oder Controller-Ausführungszeit in der Verzögerungseinheit 424 verzögert wird, und die verzögerte Version der Prozesszustandsvariablen X̂_j-1 wird mit der dynamischen Prozessreaktionsverstärkung a multipliziert. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die Prozessverstärkung b und die dynamische Prozessreaktionsverstärkung a typischerweise als Konstanten modelliert werden, jedoch (periodisch oder anderweitig) basierend auf dem tatsächlichen Betrieb des Prozesses 402 aktualisiert werden können. Die a priori Prozesszustandsvariablenschätzung ${\hat{X}}_{j}^{-}$
wird in jedem Fall anschließend an den Summierer 414 bereitgestellt, der diesen variablen Wert zu einem Korrektursignal addiert, das die Rausch- und Modellungenauigkeiten in dem Prozessmodell korrigiert, um die Prozesszustandsvariablenschätzung X̂_j (auch als der beobachtete Prozesszustandsvariablenwert bezeichnet) zu erzeugen. In diesem Fall erzeugen die Blocks 416, 418 und 422 das Korrektursignal.
Zur Erzeugung des Korrektursignals an der Eingabe des Summierers 414 wird die a priori geschätzte Prozesszustandsvariable ${\hat{X}}_{j}^{-}$
in der Umwandlungseinheit 416 durch Multiplikation mit dem Wert h umgewandelt, was die Einheitsumwandlung zwischen den Einheiten der Prozesszustandsvariablen ${\hat{X}}_{j}^{-}$
und der gemessenen Prozessausgabe Z_j bereitstellt oder modelliert, um das zu erzeugen, was nach wie vor als die Ausgangs-Prozesszustandsvariablenschätzung in der Form des geschätzten Ausgabewerts Ẑ_j angesehen wird. Anschließend subtrahiert (berechnet den Unterschied zwischen) der Summierer 418 den geschätzten Wert der gemessenen Prozessausgabe Ẑ_j von dem tatsächlich gemessenen Wert der Prozessausgabe Z_j, um an der Leitung 440 einen Rest zu erzeugen. Der Rest wird anschließend im Block 422 mit der Kalman-Filter-Verstärkung K_j zur Erzeugung des Korrektursignals zum Korrigieren des Rauschens in dem Prozess (z.B. das Prozessmessungsrauschen und das Prozessrauschen) multipliziert, sowie um Modellungenauigkeiten, wie Ungenauigkeiten in den Verstärkungen a, b und h, zu korrigieren. Die geschätzte Prozesszustandsvariable X̂_j wird letztlich als die Eingabe an den Controller 401 zur Benutzung bei der Steuerung des Prozesses 402 bereitgestellt. Die Kalman-Verstärkung K_j und andere Variablen des Kalman-Filters 404 werden typischerweise einmal erzeugt oder während jedem Ausführungszyklus regeneriert, um die ordnungsgemäße Steuerung zu bestimmen und den Beobachter 404 dazu zu justieren, genauer zu sein.
Die Kalman-Verstärkung K_j kann insbesondere als eine Konstante angenommen werden, wenn der Prozess rauschfrei ist und die Werte von a, b, und h genau bekannt sind. Wie jedoch bekannt ist, kann ein optimaler linearer Schätzwert durch dynamisches Berechnen der Kalman-Verstärkung K_j auf eine rekursive Art und Weise während jedem Ausführungszyklus des Kalman-Filters auf die nachstehende Art und Weise erreicht werden. Zuerst kann eine Ausgangsvermutung oder -schätzung der vorherigen Werte aufgestellt werden als:

X̂_j-1 = a posteriori Zustandsschätzung
P_j-1 = a posteriori Zustandskovarianz

Anschließend können die nachstehenden Berechnungen in einem Prädiktorschritt vorgenommen werden, um die aktuellen Werte der a priori Schätzung der Prozesszustandsvariablen ${\hat{X}}_{j}^{-}$
X_j und die a priori Schätzung der Prozessrauschkovarianz $P_{j}^{-}$
zu bestimmen als: ${\hat{X}}_{j}^{-} = a {\hat{X}}_{j - 1} + b U_{j}$
$P_{j}^{-} = a^{2} P_{j - 1} + Q$
Anschließend können die nachstehenden Berechnungen in einem Schätzungsschritt vorgenommen werden, um einen neuen Wert für die Kalman-Verstärkung, die Prozesszustandsvariablenschätzung X̂_j, die Zustandskovarianz P_j und den geschätzten gemessenen Prozessausgabewert Z_j zu bestimmen: $K_{j} = \frac{h P_{j}^{-}}{h^{2} P_{j}^{-} + R}$
${\hat{X}}_{j} = {\hat{X}}_{j}^{-} + K_{j} (Z - h {\hat{X}}_{j}^{-})$
$P_{j} = P_{j}^{-} (1 - h K_{j})$
${\hat{Z}}_{j} = h X_{j}^{-}$
wobei:

K_j die Kalman-Verstärkung ist;
R die Kovarianz des Messungsrauschens (Vj) ist; und
Q die Kovarianz des Prozessrauschens (Wj) ist.

Dem Fachmann ist daher ersichtlich, dass der Kalman-Filter 404 von 4 versucht, den tatsächlichen Wert der Prozesszustandsvariablen X_j zu schätzen, wobei das Prozessrauschen und Messungsrauschen mit einbezogen wird, das zum Beispiel durch den Transmitter oder Sensor 406 hinzugefügt wird, und diese Schätzung der Prozesszustandsvariablen X̂_j an den Controller 401 als eine Eingabe bereitgestellt wird. Die Benutzung des Kalman-Filters 404 stellt letztlich eine bessere oder zutreffendere Schätzung der tatsächlichen Prozesszustandsvariablen X_j an der Controllereingabe zur Benutzung bei der Steuerung des Prozesses 402 bereit, im Gegensatz zu der Benutzung des gemessenen oder erfassten Werts der Prozessausgabe Z_j, wie durch den Transmitter 406 gemessen.
Der Kalman-Filter von 4 arbeitet gut, wenn das Prozessrauschen als mittelwertfrei angenommen wird. Wenn der Mittelwert des Prozessrauschens jedoch nicht null (0) ist, dann besteht für Werte der Kalman-Verstärkung K_j, die weniger als 1/h sind, ein Offset zwischen der Messung und der Schätzung des Zustands. Daher werden für viele praktische Applikationen eines Kalman-Filters Modifikationen in dem Kalman-Filter benötigt, um das nicht-mittelwertfreie Rauschen mit einzubeziehen.
5 veranschaulicht ein Kalman-Filter-basiertes Steuerungssystem 500 mit einem Controller 501, der zur Steuerung eines Prozesses 502 benutzt wird, und ein Kalman-Filter 504, der modifiziert ist, um nicht-mittelwertfreies Prozessrauschen einzubeziehen. Der Kalman-Filter 504 von 5 ist im Wesentlichen derselbe wie der von 4 (und daher sind ähnliche Elemente gleich beziffert), mit der Ausnahme, dass ein Verstärkungsblock 522, ein Filterblock 524 und ein Summierer 526 hinzugefügt wurden. Die Blöcke 522 und 524 bilden eine Kompensationseinheit, die ein Kompensationssignal an der Ausgabe von Filterblock 524 erzeugt, und der Block 526 bildet einen Kombinierer, der die Prozesszustandsvariablenschätzung X̂_j mit dem Kompensationssignal zur Bildung einer kompensierten Prozesszustandsvariablenschätzung X̃_j. kombiniert. Der Kalman-Filter 504 wird demzufolge konfiguriert, um das durch das nicht-mittelwertfreie Prozessrauschen verursachte Offset zu eliminieren, um einen Offset-freien geschätzten Nicht-Rauschwert der Prozesszustandsvariablen zu erzeugen.
Zur Erzeugung des Kompensationssignals an der Eingabe des Summierers 526, wird der berechnete Rest vom Summierer 418 zuerst im Verstärkungsblock 522 mit eins minus der Kalman-Verstärkung K_j multipliziert und anschließend zum Filterblock 524 geleitet. Der Filterblock 524 kann zum Beispiel jede Art von Filter erster Ordnung sein, wie ein Tiefpassfilter mit einer Zeitkonstanten, die ungefähr gleich der Prozessreaktionszeit ist (z.B. die Prozesszeitkonstante plus jede Prozess-Totzeit). Der Filterblock 524 schätzt das nicht-mittelwertfreie Prozessrauschen und stellt das erforderliche Kompensationssignal zur Eliminierung des durch das nicht-mittelwertfreie Prozessrauschen verursachten Offsets als eine Ausgabe bereit. Das generierte Kompensationssignal wird anschließend mit der geschätzten Prozesszustandsvariablen X̂_j kombiniert, um das in dem X̂_j Wert inhärente Rausch-Offset zu entfernen, das basierend auf der gemessenen Prozessausgabe Z_j berechnet wurde, welche die Wirkungen des nicht-mittelwertfreien Rauschens beinhaltet. Der Kalman-Filter 504 von 5 bezieht auf diese Weise jedes nicht-mittelwertfreie Prozessrauschen innerhalb des Prozesses 502 ein, um an den Controller 501 eine genauere Prozesszustandsvariablenschätzung bereitzustellen. Wenn das Prozessrauschen im Prozess 502 mittelwertfrei ist, dann ist das Kompensationssignal an der Ausgabe des Filterblocks 524 natürlich null oder ungefähr null.
Die Kalman-Filter 404 von 4 und 504 von 5 setzen jedoch weiterhin voraus, dass ein neuer gemessener Ausgabewert Z_j verfügbar ist und durch den Transmitter 406 während jedem Ausführungszyklus des Kalman-Filters 404 bereitgestellt wird, um es dem Kalman-Filter 404 oder 504 zu ermöglichen, bei Beginn jedes Steuerungs-Ausführungszyklus eine neue Prozessvariablenschätzung X̂_j an den Controller 401 oder eine kompensierte Prozesszustandsschätzung X̂_j an den Controller 501 bereitzustellen. Bei der Benutzung eines drahtlosen Transmitters oder anderen Systems, in dem die gemessenen Signale nicht an den Kalman-Filter zu derselben oder einer größeren Rate als die Ausführungsrate des Controllers 401 oder 501 gesendet werden, ist die wie in den 4 und 5 veranschaulichte Benutzung des Kalman-Filters nicht möglich, weil neue Abtastwerte nicht an jedem Ausführungszyklus verfügbar sind.
6 veranschaulicht ein modifiziertes Prädiktor-basiertes Prozesssteuerungssystem 600, wie das allgemein in 3 veranschaulichte, in dem ein Prozesscontroller 601 einen Prozess 602 steuert, der derselbe wie der Prozess 402 von 4 sein kann. In diesem Fall wird der modifizierte Prädiktor 204 von 3 in 6 als ein modifizierter Kalman-Filter 604 veranschaulicht. Der Kalman-Filter 604 ist dem Kalman-Filter 404 von 4 ähnlich, mit der Ausnahme, dass er angepasst ist, um den Empfang intermittierender, langsamer oder nicht-periodischer Prozessmessungen abzufertigen, die im Prozess 602 vorgenommen wurden, oder Prozessmessungen, die anderweitig zu einer Rate eintreffen, die wesentlich langsamer oder geringer als die Ausführungszyklusrate des Kalman-Filters 604 oder des Controllers 601 ist. In diesem Fall beinhaltet der Kalman-Filter 604 von 6 die in 4 veranschaulichten Basiselemente (in der dieselben Elemente dieselben Bezugszeichen beinhalten) und ist daher im Allgemeinen zur Benutzung für Prozesse angepasst, bei denen keine erhebliche Prozess-Totzeit oder Prozessreaktionsverzögerung vorliegt.
Wie in 6 gekennzeichnet, beinhaltet der modifizierte Kalman-Filter 604 jedoch eine Eingabe-Schnittstelle 660, die die durch einen drahtlosen Transmitter 606 gesendeten (der derselbe drahtlose Transmitter 206 von 3 sein kann) Prozessmessungsausgabesignale Z_j annimmt oder empfängt. Der Empfang des Steuerungssignals am Kalman-Filter 604 kann auch über diese Schnittstelle erreicht werden. Hier wird angenommen, dass der drahtlose Transmitter 606 Prozessmessungssignale intermittierend, nicht-periodisch und/oder zu einer Rate sendet, die langsamer als die Ausführungsrate des Kalman-Filters 604 ist. Der Transmitter 606 könnte zum Beispiel ein Prozessmessungssignal nur zu den Zeiten senden, an denen das Prozessmessungssignal einen voreingestellten Umfang des zuletzt gesendeten Prozessmessungssignals ändert, oder könnte ein Prozessmessungssignal zu einer periodischen Rate senden, die geringer als die Ausführungsrate des Kalman-Filters 604 oder des Controllers 601 ist, oder zum Beispiel nach jeder/m anderen intermittierenden Rate oder Plan. Allgemein gesagt, führen der Kalman-Filter 604 und der PID-Controller 601 in diesem Fall auf einer periodischen Basis zu einer schnelleren oder einer sehr viel schnelleren Rate als die Rate aus, zu der die Messungsaktualisierung durch den Kalman-Filter 604 von dem Transmitter 606 empfangen wird.
Um diese Situation mit einzubeziehen, beinhaltet der modifizierte Kalman-Filter 604 eine Schaltereinheit 662, die ein von dem Summierer 418 erzeugtes Restsignal empfängt, und dieses Signal an einen Kalman-Verstärkungsblock 622 bereitstellt. Die Schaltereinheit 662 wird insbesondere während dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessmessungsausgabesignals an der Schnittstelle 660 verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessmessungsausgabesignals verfügbar ist, betrieben zur Bereitstellung eines neuen Werts des Rests an den Kalman-Verstärkungsblock 622. Dieser neue Wert des Rests wird im Kombinierer 418 basierend auf der a priori Prozesszustandsvariablenschätzung ${\hat{X}}_{j}^{-}$
und eines empfangenen Werts des Prozessmessungsausgabesignals an der Schnittstelle 660 bestimmt. Als solcher entspricht der empfangene Wert des Prozessmessungsausgabesignals während dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessmessungsausgabesignals verfügbar ist, dem neu empfangenen Wert des Prozessmessungsausgabesignals. Auf der anderen Seite wird die Schaltereinheit 662 während Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessmessungsausgabesignals an der Schnittstelle 660 verfügbar ist, zur Bereitstellung eines gespeicherten Rests an den Kalman-Verstärkungsblock 622 betrieben. Allgemein gesagt, kann der gespeicherte Wert des Rests im Kombinierer 418 während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt und in der Schaltereinheit 662 gespeichert werden. Der Zweck der Benutzung der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen besteht in der Ermöglichung der Prozesszustandsvariablen ${\hat{X}}_{j}^{-}$
mit Bezug zu dem neu empfangenen Prozessmessungsausgabesignal vollständig aktualisiert werden zu können, um dadurch einen genaueren Wert des gespeicherten Rests zu bestimmen. Der Kalman-Filter 604 benutzt daher während Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen, an denen ein neuer Wert des Prozessmessungsausgabesignals verfügbar ist, den gespeicherten Wert des Rests in der Schaltereinheit 662 zur Erzeugung des Korrektursignals, das zur Erzeugung der an den Controller 601 zu sendenden Prozessvariablenschätzung X̂_j benutzt wird.
Der Kalman-Verstärkungsblock 622 ist weiterhin während dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Prozessmessungsausgabewert Z_j an die Schnittstelle 660 übertragen, an dieser empfangen oder anderweitig verfügbar ist, und während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Prozessmessungsausgabewert Z_j verfügbar ist, konfiguriert zur Berechnung eines neuen Werts für die Kalman-Verstärkung K_j zur Benutzung in dem Kalman-Verstärkungsblock 622. Der Kalman-Verstärkungsblock 622 ist jedoch während der Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Prozessmessungsausgabewert Z_j verfügbar ist, konfiguriert zur Benutzung eines gespeicherten Werts der Kalman-Verstärkung K_j, wo der gespeicherte Wert der Kalman-Verstärkung K_j während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen berechnet wird. Der PID-Steuerungsalgorithmus 630 des Controllers 601 funktioniert zusätzlich dennoch unter Benutzung eines neu vorhergesagten Werts der Prozessvariablenmessung, weil die Kovarianzwerte R, die bei der Berechnung der Kalman-Verstärkungswerte benutzt wurden, nur unter der Benutzung der Messwerte berechnet wurden, die übertragen worden sind.
Die Schnittstelle 660 wird insbesondere weiterhin während des Betriebs betrieben zur Speicherung eines neu empfangenen Werts des erfassten oder gemessenen Prozessausgabesignals Z_j, wie dieses durch den Transmitter 606 erfasst und gesendet wurde. Die Schnittstelle 660 stellt den Wert dieses neu empfangenen und gespeicherten Prozessausgabesignals Z_j an die Eingabe des Summierers oder Kombinierers 418 zur Benutzung bei der Erzeugung des Rests an der Leitung 440 bereit. Die Schaltereinheit 662 wird darauf folgend dazu betrieben, den Rest an den Verstärkungsblock 622 bereitzustellen. Die Schnittstelle 660 stellt zum selben Zeitpunkt ein neues Werte-Flag ein, immer wenn die Schnittstelle 660 einen neuen Wert vom Transmitter 606 empfängt, und stellt dieses neue Werte-Flag sowohl an die Schaltereinheit 662 als auch den Verstärkungsblock 622 bereit. Wenn das neue Werte-Flag eingestellt ist, löscht die Schaltereinheit 662 alle zuvor gespeicherten Restwerte. Die Schaltereinheit 662 wird anschließend betrieben, um einen neu bestimmten Wert des Rests, wie zum Beispiel durch den Summierer 418 bestimmt, wenn ein neues Prozessausgabesignal Z_j an der Schnittstelle 660 empfangen wird, an den Kalman-Verstärkungsblock 622 bereitzustellen. Die Schaltereinheit 662 fährt mit der Bereitstellung eines neuen Werts des Rests an den Kalman-Verstärkungsblock 622 während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen fort. Am letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen geht die Schaltereinheit 662 dazu über, den während dieses letzten Ausführungszyklus berechneten Rest zu speichern. Die Schaltereinheit 662 wird daher während der Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen zur Bereitstellung des gespeicherten Restwerts an den Kalman-Verstärkungsblock 622 betrieben. Wenn ein neues Werte-Flag eingestellt ist, löscht der Kalman-Verstärkungsblock 622 gleichermaßen jeden zuvor gespeicherten Kalman-Verstärkungswert. Der Kalman-Verstärkungsblock 622 geht daher während dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessausgabesignals Z_j an der Schnittstelle 660 empfangen wurde, und für die vorbestimmte Reihe von Ausführungszyklen danach dazu über, eine neue Kalman-Verstärkung K_j zur Benutzung in dem Verstärkungsblock 622 zu berechnen. Der Kalman-Verstärkungsblock 622 fährt mit der Berechnung eines neuen Kalman-Verstärkungswerts zur Benutzung in dem Verstärkungsblock 622 während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen fort. An dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen, geht der Kalman-Verstärkungsblock 622 jedoch dazu über, die während dieses letzten Ausführungszyklus berechnete Kalman-Verstärkung K_j zu speichern. Der Kalman-Verstärkungsblock 622 wird demzufolge während der Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen dazu betrieben, die gespeicherte Kalman-Verstärkung K_j zu benutzen. Die Schaltereinheit 662 und der Kalman-Verstärkungsblock 622 werden infolgedessen während jedem Ausführungszyklus des Kalman-Filters 604 zur Generierung einer Schätzung des Rauschens betrieben, die anschließend an den Summierer 414 bereitgestellt und zur Erzeugung des geschätzten Prozesszustandsvariablenwerts X̃_j benutzt wird. Der Kalman-Filter 604 stellt auf diese Weise genaue Prozessvariablenschätzungen während oder zwischen den Zeiten bereit, zu denen neue Prozessvariablenmessungen am Kalman-Filter 604 empfangen werden. Die vorbestimmte Reihe von Ausführungszyklen beträgt, falls erwünscht, mindestens eins und möglicherweise mehr, wie zwei, drei etc. Dem Fachmann wird ersichtlich, dass der Zweck des Speicherns und Benutzens eines Rests, der nach einem oder mehreren oder am Ende von vorbestimmten Ausführungszyklen nach dem Empfang eines neuen Prozessvariablenmessungswerts berechnet wurde, darin besteht, es dem gespeicherten Rest zu ermöglichen, genauer zu sein, weil er auf einen Unterschied zwischen der zuletzt empfangenen Prozessvariablenmessung und einer Schätzung dieser Messung basiert wird, die unter Benutzung der zuletzt empfangenen Prozessvariablen selbst vorgenommen wird, anstatt auf eine Schätzung, die auf eine zuvor empfangene Prozessvariablenmessung basiert wird. Insbesondere erfordert es einen oder mehrere Ausführungszyklen des Kalman-Filters, damit die Prozesszustandsvariable ${\hat{X}}_{j}^{-}$
über den Feedbackpfad 423 unter Benutzung einer Prozessvariablenschätzung X̂_j berechnet werden kann, die von einem Rest berechnet wird, der unter Benutzung der neuen Prozessvariablenmessung bestimmt wurde.
Wenn das nicht-mittelwertfreie Prozessrauschen in dem Prozess 602 vorhanden ist, dann muss das Prozessmodell innerhalb des Kalman-Filters 604 modifiziert werden, um dieses Rauschen mit einzubeziehen. 7 veranschaulicht insbesondere ein Prozesssteuerungssystem 700, das einen Controller 701 beinhaltet, (der den Controllern 601, 501, 401, 301 und 201 ähnlich oder mit diesen identisch sein kann und einen Controlleralgorithmus 730 aufweist), gekoppelt mit einen Prozess 702, der nicht-mittelwertfreies Prozessrauschen beinhaltet. Das Steuerungssystem 700 beinhaltet einen Kalman-Filter 704, der wie oben in Bezug auf 6 beschrieben zum Empfangen von drahtlosen Prozessvariablenmessungen modifiziert wurde, die in einer nicht-periodischen, intermittierenden oder langsamen Art und Weise bereitgestellt werden. Wie ersichtlich, ist der Kalman-Filter 704 derselbe wie der Kalman-Filter 604 von 6 (und ähnliche Elemente sind mit gleichen Zahlen versehen), mit der Ausnahme, dass das der Kalman-Filter 704 einen Verstärkungsblock 722, einen Filterblock 724 und einen Summierer 726 beinhaltet, die dem Verstärkungsblock 522, dem Filterblock 524 und dem Summierer 526 von 5 ähnlich sind und zum selben Zweck betrieben werden. Daher berechnet der Kalman-Filter 704 in diesem Fall eine kompensierte Prozesszustandsvariable X̃_j, die keinen, durch das nicht-mittelwertfreie Prozessrauschen verursachten Offset beinhaltet. In diesem Fall benutzt der Filter 722 natürlich denselben Rest, wie der durch den Filter 622 benutzte, d.h. entweder einen neu berechneten Rest (während dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Prozessmessungswert empfangen wird und der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen danach) oder einen gespeicherten Wert (während der Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen, nach denen ein neuer Prozessvariablenmessungswert empfangen wurde).
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die modifizierten Kalman-Filter 604 und 704 von 6 und 7 die Benutzung von intermittierenden, nicht-periodischen oder langsam bereitgestellten Prozessvariablenmesswerten ermöglichen, die von einem Prozess über beispielsweise ein drahtloses Übertragungsnetzwerk bereitgestellt werden. Demzufolge ermöglichen diese Kalman-Filter 604 und 704 Kalman-Filter-basierte Steuerung in Prozesssituationen, in denen Prozessvariablenwerte gemessen werden oder an das Steuerungssystem auf eine nicht-periodische oder intermittierende Art oder zu einer Rate gesendet werden, die langsamer oder geringer als die Ausführungsrate des Kalman-Filters und des Controllers ist.
Bei der Benutzung eines Kalman-Filters, wie solcher der 6 und 7, ist es erwünscht oder manchmal erforderlich, dass die Modellparameter, wie die oben beschriebenen Parameter a, b und h, konfiguriert werden. In einem selbststeuernden Prozess können die Modellparameter zum Beispiel basierend auf der Kenntnis der Prozessverstärkung, der Prozesszeitkonstanten und der Prozess-Totzeit eingestellt werden. In einem Integrationsprozess können die Modellparameter basierend auf der Kenntnis der Prozess-Integrationsverstärkung und der Prozess-Totzeit eingestellt werden. Um das Bedürfnis für den Beobachter zur Einstellung dieser Parameter zu minimieren, könnte das in dem Kalman-Filter benutzte Modell basierend auf den Controller-Abstimmungsparametern und einigen Annahmen bezüglich der Abstimmung automatisch konfiguriert werden. Wenn der Steuerungsalgorithmus zum Beispiel ein PID-Algorithmus ist, dann könnten die Kalman-Filter-Modellparameter basierend auf der PID-Controller-Verstärkung, -Rücksetzung und -Rate eingestellt werden.
Wenn der Kalman-Filter bei drahtloser Steuerung benutzt wird, dann können die mit der Kalman-Verstärkung assoziierten Berechnungen vereinfacht werden, wenn der Rauschpegel konstant oder unerheblich ist. Wenn die Rausch-Kovarianz R, die mit dem Messungsrauschen assoziiert ist, zum Beispiel als Null angenommen wird, (0), dann ist die Kalman-Verstärkung eine Konstante und kann berechnet oder bestimmt werden als: $K = \frac{1}{h},unter der Annahme, dass R = 0$
8 wird bereitgestellt, um die Durchführung eines Steuerungssystems zu veranschaulichen, das den oben beschriebenen modifizierten Kalman-Filter benutzt, der intermittierende Prozessvariablenmessungen empfing, im Vergleich zu traditionell PIDbasierten Steuerungssystemen, die verdrahtete oder periodische Messungen empfangen. 8 zeigt insbesondere eine Grafik 800, die einen Computer-simulierten Betrieb eines Steuerungssystems veranschaulicht, wie das von 7 mit einem PID-Controller und einem modifizierten Kalman-Filter, der wie mit Bezug zu 6 und 7 beschrieben betrieben wird (bei der die Prozessvariablenmessungen an die Eingabe des Kalman-Filters zu einer geringeren Rate als die Ausführungsrate des Steuerungssystems bereitgestellt werden), im Vergleich zur PID-Steuerung, bei der die periodischen Prozessvariablenmessungen an die Eingabe des PID-Controllers zu einer Rate bereitgestellt werden, die größer oder gleich der Ausführungsrate des Steuerungssystems ist. In 8 gibt die Leitung 801 den Sollwert an, der an den Controller bereitgestellt wird, wohingegen die Leitung 802 den Wert einer ungemessenen Störung in dem gesteuerten Prozess angibt. Es wird ersichtlich, dass jede dieser Variablen zu unterschiedlichen Zeiten verändert wird, um die Reaktion und den Betrieb beider Arten von Steuerungssystemen auf jede dieser zwei Arten von Änderungen während des Probetriebs zu veranschaulichen.
Die Leitungen 810 und 811 von 8 veranschaulichen den jeweils simulierten Wert der gesteuerten Prozessvariablen (PV) durch das typische Steuerungssystem (PID-Controller mit periodischem Messungsfeedback) und dem modifizierten Steuerungssystem (PID-Controller mit modifiziertem Kalman-Filter, der nicht-periodisches, z.B. drahtloses, Messungsfeedback empfängt und nicht-mittelwertfreies Rauschen kompensiert). Die Leitungen 820 und 821 veranschaulichen gleichermaßen jeweils den simulierten Wert der Steuerungssignalausgabe durch den PID-Controller durch das typische Steuerungssystem (PID-Controller mit periodischem Messungsfeedback) und der Steuerungssignalausgabe durch den PID-Controller des modifizierten Steuerungssystems (PID-Controller mit modifiziertem Kalman-Filter, der nicht-periodisches, z.B. drahtloses, Messungsfeedback empfängt und nicht-mittelwertfreies Rauschen kompensiert). Diese Leitungen demonstrieren, wie ein modifizierter Kalman-Filter mit einem PID-Controller benutzt werden kann, um unter Benutzung einer drahtlosen Messung geschlossene Schleifensteuerung bereitzustellen, im Vergleich zu einem PID-Controller mit einem verdrahteten Transmitter.
In diesem simulierten Test war der zum Vergleich benutzte Prozess ein Prozess erster Ordnung plus Totzeit-Prozess mit den nachstehenden Charakteristika:

Prozess Verstärkung = 1
Prozesszeitkonstante = 6 Sek.
Prozess-Totzeit = 2 Sek.

VERSTÄRKUNG = 1/Prozessverstärkung
RÜCKSETZUNG = Prozesszeitkonstante + Prozess-Totzeit

Aus einer näheren Untersuchung der Leitungen 810 und 811 und der Leitungen 820 und 821 wird ersichtlich, dass modifizierte Steuerungssysteme, die einen Kalman-Filter benutzen, sehr ähnlich zu einem PID-Steuerungssystem betrieben wurden, in dem periodische Prozessvariablenmessungen an den Controller zu einer Rate bereitgestellt werden, die größer oder gleich der Ausführungsrate des Steuerungssystems ist. Wie in der Grafik von 8 veranschaulicht, war die Steuerungsdurchführung sogar mit der eines PID-Controllers und einer verdrahteten Messung für sowohl die Sollwertänderungen als auch die großen ungemessenen Prozessstörungen vergleichbar. Als Teil eines Testmoduls wurden der integrierte absolute Fehler (IAE - integrated absolute error) der Steuerung mit drahtloser und der IAE zur Steuerung mit einer verdrahteten Messung berechnet als jeweils 361 und 336, wodurch fast identische oder sehr vergleichbare Steuerungsleistungen an dieser Messung bewiesen wurden.
9 veranschaulicht eine Art und Weise der Durchführung eines modifizierten Prädiktors und eines Controllers innerhalb eines Steuerungssystems 1000, wie dem Steuerungssystem von 1. Wie in 9 veranschaulicht, ist ein Controller 1001 zur Steuerung eines Prozesses 1002 verbunden, und ein modifizierter Prädiktor 1004 ist kommunikativ verbunden zwischen dem Controller 1001 und einem drahtlosen Transmitter 1006, der ein oder mehrere Prozessvariablen innerhalb des Prozesses 1002 misst. Der modifizierte Prädiktor 1004 kann jeder der oben beschriebenen modifizierten Prädiktoren sein, oder ein modifizierter Prädiktor, der basierend auf den vorliegend offenbarten Techniken konstruiert wurde. Wie in 9 veranschaulicht, ist der modifizierte Prädiktor 1004 als ein getrennter und eigenständiger Block konfiguriert und wird als solcher betrieben oder ausgeführt, wie ein getrennter Funktionsblock oder ein getrenntes Steuerungsmodul, das mit dem Steuerungssystem 1000 assoziiert ist. Wenn der Controller 1001 zum Beispiel als ein Funktionsblock oder Steuerungsmodul durchgeführt ist, dann könnte der modifizierte Prädiktor 1004 als ein getrennter Funktionsblock oder ein getrenntes Steuerungsmodul durchgeführt werden, der/das kommunikativ mit dem Controller-Funktionsblock oder -modul, wie in 9 veranschaulicht, gekoppelt ist. In diesem Fall kann ein Steuerungsblock 1030 des Controllers 1001 innerhalb eines vom Prädiktor 1004 getrennten Geräts gespeichert und ausgeführt werden (in welchem Fall für die Kommunikationen zwischen dem Prädiktor 1004 und dem Steuerungsblock 1030 des Controllers 1001 Gerät-zu-Gerät-Kommunikationen stattfinden können) oder kann innerhalb desselben Geräts wie der Prädiktor 1004 gespeichert und ausgeführt werden (in welchem Fall für die Kommunikationen zwischen dem Prädiktor 1004 und dem Steuerungsblock 1030 des Controllers 1001 Kommunikationen innerhalb des Geräts stattfinden können). In beiden Fällen sind diese zwei Blocks kommunikativ miteinander über ein/e/n Kommunikationsleitung, -pfad oder -netzwerk gekoppelt.
Der modifizierte Prädiktorblock 1004 kann in diesem Beispiel kommunikativ mit dem Steuerungsblock 1030 auf eine Art und Weise verbunden sein, dass der Block 1004 eine aktualisierte Prozessvariablenschätzung an den Controllerblock 1030 mindestens einmal pro Ausführungszyklus des Controllers 1001 bereitstellt. Der modifizierte Prädiktorblock 1004 könnte in jedem Fall an verschiedenen einen von dem Controller, der Feldgeräte, der E/A-Geräte etc. von 1 angeordnet sein, wohingegen der Controller 1001 in demselben oder anderen derartigen Geräten angeordnet sein kann.
10 zeigt ein Prozesssteuerungssystem 1100, in dem ein Controllerblock 1101 zur Steuerung eines Prozesses 1102 benutzt wird, und ein modifizierter Prädiktorblock 1104 drahtlose Übertragungssignale von einem drahtlosen Transmitter 1106 empfängt. Der modifizierte Prädiktorblock 1104 ist hier jedoch in demselben zusammengesetzten Block aber in einem getrennten Modul als der Controller-Algorithmusblock 1130 angeordnet. Der Controller-Algorithmusblock 1130 und der modifizierte Prädiktor 1104 sind daher in diesem Beispiel in demselben zusammengesetzten Modul (als ein zusammengesetzter Block 1140 angegeben) integriert und werden daher auf demselben Gerät im Prozesssteuerungsnetzwerk, wie dem Prozesssteuerungsnetzwerk 10 von 1, ausgeführt. Dieses Modul würde typischerweise in einem der Controller 11 ausgeführt werden, könnte jedoch jedes der anderen Geräte von 1 sein, einschließlich verdrahtete oder drahtlose Feldgeräte, E/A-Geräte etc. In diesem Fall kann die für den Controllerblock 1101 bereitgestellte Benutzerschnittstelle die vorhergesagte Messung zeigen, die durch den Prädiktor 1104 als die Prozessvariable PV - Messungseingabe in den Controllerblock 1101 erzeugt wurde. In den meisten Fällen würde der Betreiber des Werks jedoch mehr daran interessiert sein, den zuletzt kommunizierten Messwert anzusehen, wenn er auf den Steuerungsbetrieb Zugriff nimmt oder diesen ansieht. Damit der Messwert dem Betreiber als Steuerungsparameter angezeigt werden kann, könnte ein Controllerblock erzeugt werden, der die Controller- und modifizierten Prädiktorblocks enthält, wie zum Beispiel in 11 veranschaulicht.
11 veranschaulicht insbesondere ein Beispiel eines Steuerungsblocks 1201, in dem ein Prädiktorblock 1204 (in 11 als ein modifizierter Kalman-Filter angegeben) in demselben Block wie ein Controller-Algorithmusblock 1230 integriert ist. In diesem Fall beinhaltet der Steuerungsblock oder das -modul 1201 daher sowohl den Controlleralgorithmus-Funktionsblock 1230 als auch den modifizierten Kalman-Filterblock 1204. In diesem Fall wird der modifizierte Kalman-Filterblock 1204 als Teil des Steuerungsmoduls 1201 selbst behandelt und ist daher als Teil des Steuerungsblocks 1201 anschaubar (und weist zugängliche Parameter davon auf). In dieser Situation würde die Prozessmessungsausgabe Z dem Betreiber daher als Feedback-Prozessvariable (PV) - Eingabe an den Controller 1201 erscheinen.
Obwohl die vorliegend bereitgestellte Diskussion angenommen hat, dass für jede der verschiedenen Ausführungsformen der mit dem modifizierten Prädiktor gekoppelte Controller eine PID-Steuerungsroutine durchführt, wird diese Beschreibung nur aus Gründen der Übereinstimmung bereitgestellt. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass andere Arten von Steuerungsalgorithmen neben den traditionellen PID-Steuerungsalgorithmen (die jede Form von PID, wie P, PI, PD, PID etc. beinhalten) als der Controller in einem Steuerungsschema benutzt werden können, das einen wie vorliegend beschriebenen modifizierten Prädiktor benutzt. Es gibt natürlich viele andere Arten und Weisen, auf die der vorliegend beschriebene modifizierte Prädiktor durchgeführt werden kann, und dem Fachmann ist ersichtlich, dass modifizierte Prädiktoren zusammen mit (z.B. im selben Modul oder Gerät) oder getrennt von (z.B. in verschiedenen Modulen oder Geräten) als die Controller oder die Steuerungsblöcke oder Steuerungselemente, mit denen die modifizierten Prädiktoren verbunden sind, benutzt werden können. Die vorliegend beschriebenen Controller und die modifizierten Prädiktoren können gleichermaßen in Hardware, in auf einem Mehrzweckcomputer ausgeführten Softwareroutinen oder in Software- oder Firmwareroutinen durchgeführt werden, die auf einem zweckgebundenen Computer oder Prozessorgerät ausgeführt werden.
In jeder der offengelegten Ausführungsformen können die modifizierten Prädiktoren oder die Geräte, in denen die modifizierten Prädiktoren einen Kommunikationsstapel zur Verarbeitung der eingehenden Prozessvariablenmessungssignale sowie ein Modul oder eine Routine zum Detektieren, wann ein eingehendes Signal eine Messungsaktualisierung bereitgestellt hat, umfassen. Die Detektionsroutine kann anschließend einen Flag oder ein anderes Signal erzeugen, um anzugeben, dass Daten, die über den Kommunikationsstapel bereitgestellt werden, eine neue Messung oder andere Art von Wert oder Aktualisierung beinhalten. Die neuen Daten und das Aktualisierungs-Flag können anschließend an ein oder mehrere Elemente der wie oben beschriebenen Prädiktoren bereitgestellt werden, um wie oben im Zusammenhang mit dem Betrieb des Beobachters und der Steuerungsroutinen diskutiert, durchgeführt zu werden. Alternativ oder zusätzlich können neue Daten und das Aktualisierungs-Flag an ein oder mehrere Überwachungsmodule oder -applikationen bereitgestellt werden, die zum Beispiel im Controller 11 von 1 oder anderswo im Steuerungssystem ausgeführt werden. Die Aktualisierungs-Detektionsfunktionaliät kann auch an dem Funktionsblocklevel durchgeführt und kann an eine oder mehrere Funktionsblöcke bereitgestellt werden, die mit einem Steuerungs- und/oder Beobachtermodul assoziiert sind. Andere drahtlose Geräte, wie das Feldgerät 71, können ähnliche Komponenten und Funktionalitäten zur Unterstützung des Empfangs und der Verarbeitung derartiger Signale durch zum Beispiel einen oder mehrere vorliegend angeordnete Funktionsblöcke (z.B. FB1 und FB2) beinhalten.
Die Kommunikationsstapel und die Aktualisierungsmodule können in einigen Fällen durch ein oder mehrere der E/A-Geräte 26, 28, 73 und 74 von 1 durchgeführt werden. Die Art und Weise, auf die die Aktualisierungsdetektionsmodule ihre Bestimmung vornehmen, kann Hardware, Software, Firmware oder jede Kombination davon einbeziehen und kann jede geeignete Routine zum Vergleichen von Werten der Prozessvariablen einbeziehen.
Die vorliegend beschriebenen Prozesssteuerungssysteme können im Zusammenhang mit Kommunikationsschemen verwendet werden, wie drahtlosen Kommunikationen, die Prozesssteuerungsdatenübertragungen einbeziehen, die auf einer Basis des Exception-Reporting (Meldung aufgrund von Ausnahmen) vorgenommen werden. Das Exception-Reporting der Prozessteuerungsdaten in einem drahtlosen Kommunikationskontext kann eine Reihe von Vorteilen bieten. Die Rate, zu der zum Beispiel der Strom im Feld durch die Transmitter oder anderen Feldgeräte verbraucht wird, kann verringert werden, wodurch Batteriestrom oder andere begrenzte Energieversorgung eingespart wird. Im Gegensatz zu dem Exception-Reporting der Vergangenheit unterstützen die offengelegten Techniken jedoch die Übertragung von Daten, die in einer auf einer periodischen Basis ausgeführten Prozesssteuerungsroutine verwendet werden. Trotz der Ermahnungen durch die Vergangenheit, die von der Ausführung der Prozesssteuerungsroutinen unter der Benutzung von Daten abschreckten, die auf einer Ereignis-ausgelösten Basis bereitgestellt wurden, ermöglicht die Praxis der offengelegten Techniken die periodische Ausführung der Prozesssteuerungsroutinen ohne nachteilige Opfer zulasten der Leistung. Die offengelegten Techniken unterstützen weiterhin die Bereitstellung von Daten an System-Überwachungsapplikationen auf einer Ereignis-ausgelösten Basis ohne gleichermaßen nachteilige Opfer zulasten der Leistung.
Obwohl sie gut geeignet und vorliegend zuweilen im Zusammenhang mit drahtlosen Kommunikationsschemen beschrieben wurden, ist die Praxis der offengelegten Techniken nicht auf ein/en bestimmtes/n Kommunikationsschema, -Kontext, oder - Protokoll, oder ein/e/n Prozesssteuerungsnetzwerk, -Architektur, -Controller oder -System, oder eine Überwachungsapplikation beschränkt. Die offengelegten Techniken können anstatt dessen in jeder Reihe oder Vielzahl an Kontexten angewendet werden, in denen Prozesssteuerungsdaten weniger häufig als die Steuerungsroutineausführungsperiode oder der Überwachungszyklus sowie aus jedem gewünschtem Grund übertragen werden. Derartige Kontexte können unerwünschte oder ungünstige Bedingungen darstellen, wodurch die Kommunikationen unzuverlässig oder intermittierend werden. Demzufolge wird die vorstehende Beschreibung mit dem Verständnis dargelegt, dass die Praxis der offengelegten Techniken nicht auf die insbesondere vorliegend beschriebenen Schemen mit geringem Energieverbrauch oder andere drahtlose Kommunikationsschemen beschränkt ist.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die oben beschriebenen Kommunikationstechniken für die drahtlosen (oder anderen) Transmitter von 1, 3, 6, 7, und 9-11 im Allgemeinen zu nicht-periodischen, unregelmäßigen oder anderweitig weniger häufigen Datenübertragungen führen, wenn die Kommunikation der Messwerte vom Feld an den Controller 11 traditionell zur Meldung auf eine periodische Art und Weise strukturiert wurde, um wiederum die periodische Ausführung der Steuerungsroutine(n) zu unterstützen. Mit anderen Worten, sind die Steuerungsroutinen im Allgemeinen zu periodischen Aktualisierungen der Messwerte konzipiert und sind auf diese angewiesen. Um die nicht-periodischen oder anderweitig nicht verfügbaren Messungsaktualisierungen (und andere nicht verfügbare Kommunikationsübertragungen) mit einzubeziehen , können der Prädiktor, die Steuerung und die Überwachungsroutine(n) wie oben beschrieben umstrukturiert oder modifiziert werden, um es dem Prozesssteuerungssystem 10 zu ermöglichen, sich auf nicht-periodische oder andere intermittierende Aktualisierungen zu verlassen, die weniger häufig als die Steuerungsausführungsperiode oder eine andere standardmäßige Periode stattfinden. Die offengelegten Techniken können auf diese Art und Weise in einigen Fällen im Allgemeinen trotz der periodischen Ausführung der Prozesssteuerungsroutinen eine Form des Exception-Reporting für die Prozessvariablenmessungen unterstützen. Die offengelegten Techniken können auch eine Form des Exception-Reporting vornehmen und unterstützen, das Übertragungen zwischen der Steuerungsroutine und den der Steuerungsroutine nachgeschalteten Geräten einbezieht, z.B. der Aktuatoren und anderen Geräten oder Elementen, die auf das durch die Steuerungsroutine erzeugte Steuerungssignal ansprechen.
Dem Fachmann ist natürlich ersichtlich, dass die Geräte in einigen Fällen mehrere verschiedene Messungen erfassen und überwachen können (d.h. Messungen von verschieden Signalen) und dass dieselben vorliegend beschriebenen Übertragungstechniken für jede dieser einen oder mehreren Messungen benutzt werden könnten. Darüber hinaus können die Geräte, die die Messungen erfassen, in einigen Fällen eine erweiterte Analyse (wie eine Fehlerdetektionsanalyse, Abstimmungsanalyse etc.) oder Messung der Daten durchführen, und dieselben vorliegend beschriebenen Kommunikationstechniken könnten dazu angewendet werden, um zu bestimmen, ob eine volle Analyse oder ein Einzelstatus gesendet oder gewartet wird, bis das nächste Abtastungsintervall ein Signal überträgt.
Die vorliegend beschriebenen Techniken können nach Maßgabe einiger Aspekte der Offenbarung in Kontexten angewendet werden, in denen eine Reihe verschiedener drahtloser (oder anderer) Kommunikationen zwischen dem Controller und den Feldgerät(n) oder anderen Elementen des Prozesssteuerungssystems unerwünschterweise verzögert oder verloren werden. Demzufolge wurden die vorstehenden Beispiele mit Bezug zu Kommunikationsproblemen zwischen dem Controller und einem Transmitter und zwischen einem Controller und einem Aktuator in dem Verständnis dargelegt, dass sie beispielhafter Natur sind. Die in die Kommunikationen einbezogenen Parameter sind darüber hinaus nicht auf Prozessvariablen begrenzt, die durch die Steuerungsroutine gesteuert werden. Die offengelegten Techniken können im Gegenteil im Zusammenhang mit Kommunikationen angewendet werden, die jeden Parameter einbeziehen, der gemessenen oder zurückgeführt oder anderweitig zur Benutzung durch die Steuerungsroutine oder eine Überwachungsroutine kommuniziert wird. Demzufolge werden die oben beschriebenen Reaktionsangaben (d.h. eine Prozessvariablenmessung und eine Aktuatorposition) in dem Verständnis dargelegt, dass sie beispielhafter Natur sind. Kommunikationsprobleme, die andere Daten einbeziehen, die eine Reaktion auf das Steuerungssignal anzeigen, können durch die offengelegten Techniken auch angesprochen werden. Demzufolge kann jede Kommunikation von Daten durch ein der Steuerungsroutine nachgeschaltetes Element (z.B. Feldgerät, eine andere Prozesssteuerungsroutine etc.) einbezogen werden.
Die Praxis der offengelegten Verfahren, Systeme und Techniken ist nicht auf eine bestimmte drahtlose Architektur oder ein bestimmtes Kommunikationsprotokoll beschränkt. Die offengelegten Modifikationen der Steuerungsroutinen sind sogar gut für jeden Kontext geeignet, in dem die Steuerungsroutine auf eine periodische Weise, jedoch ohne Prozessvariablenmessungsaktualisierungen für jede Steuerungsiteration durchgeführt wird. Andere beispielhafte Kontexte beinhalten Fälle, in denen ein abgetasteter Wert unregelmäßig oder seltener durch zum Beispiel einen Analysator oder über Laborabtastungen bereitgestellt wird.
Die Praxis der offengelegten Techniken ist darüber hinaus nicht begrenzt auf die Benutzung mit Einzel-Eingabe-, Einzel-Ausgabe-PI oder PID-Steuerungsroutinen, sondern kann vielmehr auf eine Reihe von verschiedenen Mehrfach-Eingabe und/oder Mehrfach-Ausgabe-Steuerungsschemen und kaskadierten Steuerungsschemen angewendet werden, die Prädiktoren benutzen. Die offengelegten Techniken können allgemeiner auch im Kontext von Modell-basierten Steuerungsroutinen mit geschlossenen Steuerungsschleifen angewendet werden, die eine oder mehrere Prozessvariablen, eine oder mehrere Prozesseingaben oder andere Steuerungssignale, wie modellprädiktive Steuerung (MPC), einbeziehen.
Der Begriff „Feldgerät“ wird vorliegend in einem weiteren Sinne benutzt, um eine Reihe von Geräten oder Kombinationen von Geräten (d.h. Geräte, die mehrere Funktionen bereitstellen, wie ein Transmitter/Aktuator-Hybrid), sowie jedes andere Gerät/e beinhalten, das/die in einem Steuerungssystem eine Funktion durchführt/durchführen. Feldgeräte können in jedem Fall zum Beispiel Eingabegeräte (z.B. Geräte, wie Sensoren und Instrumente, die Status, Messungen oder andere Signale bereitstellen, die die Prozesssteuerungsparameter, wie zum Beispiel Temperatur, Druck, Flussrate etc. angeben), sowie Steuerungsbetreiber oder Aktuatoren, die in Reaktion auf von Controllern und/oder anderen Feldgeräten empfangene Befehle Handlungen durchführen, beinhalten.
Wenn sie durchgeführt werden, können jede/r der vorliegend beschriebenen Einheiten, Blocks, Module, Schalter, Kombinierer, Addierer, Verstärkungsblocks etc. als Software oder Firmware ausgeführt werden, die auf jedem Computer-lesbaren Speicher, wie einer Magnetplatte, einer Laserplatte oder einem anderen Speichermedium, in einer RAM oder ROM auf einem Computer oder Prozessor etc. gespeichert ist. Die spezifische Hardware, wie die vorliegend beschriebenen Ausführungsformen, kann daher unter der Benutzung der vorliegend beschrieben Techniken in Software auf einem Computerprozessor durchgeführt werden. Diese Software kann gleichermaßen an einen Benutzer, ein Prozesswerk oder eine Betreiber-Workstation unter Benutzung aller bekannten oder gewünschten Zustellungsverfahren zugestellt werden, einschließlich zum Beispiel auf einer Computer-lesbaren Diskette oder einem transportierbaren Computerspeichermechanismus oder über einen Kommunikationskanal, wie einer Telefonleitung, dem Internet, dem World Wide Web, jedem anderen lokalen Netzwerk oder Großraumnetzwerk etc.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den spezifischen Beispielen beschrieben wurde, die bezwecken, lediglich veranschaulichend zu sein und die Erfindung nicht zu beschränken, kann es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass Änderungen, Zusätze oder Streichungen an den offengelegten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Steuerungssystem (10) zum Benutzen bei der Steuerung eines Prozesses, das Steuerungssystem umfassend: eine Steuerungseinheit (11) einschließlich einer Prozessvariableneingabe und einer Steuerungsroutineeinheit, die mit der Prozessvariableneingabe kommunikativ gekoppelt sind, wobei die Steuerungsroutineeinheit ein Steuerungssignal erzeugt zur Benutzung beim Steuern des Prozesses basierend auf einem an der Prozessvariableneingabe empfangenen Prozessvariablenwert; eine Kalman-Filtereinheit, die mit der Steuereinheit (11) gekoppelt ist, wobei die Kalman-Filtereinheit einmal während jeder einer Reihe der Ausführungszyklen betrieben wird, um eine Prozessvariablenschätzung zu erzeugen, die Kalman-Filtereinheit beinhaltend: eine Steuerungssignaleingabe, gekoppelt zum Empfangen des durch die Steuerungsroutineeinheit erzeugten Steuerungssignals, eine Schnittstelle (660), einschließlich einer Prozessvariablen-Feedbackeingabe, die ein Prozessvariablenmessungssignal weniger häufig als einmal pro Ausführungszykluszeit der Kalman-Filtereinheit empfängt, ein Prozessmodell, gekoppelt zum Empfangen des Steuerungssignals an der Steuerungssignaleingabe zur Erzeugung einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung, eine Korrektureinheit, gekoppelt zur Benutzung des über die Prozessvariablen-Feedbackeingabe empfangenen Prozessvariablenmessungssignals zur Erzeugung eines Korrektursignals von einem Rest, wobei die Korrektureinheit einen ersten Kombinierer (418), eine Schaltereinheit (662) und eine Verstärkungseinheit (422) beinhaltet, und einen zweiten Kombinierer (414), gekoppelt mit dem Prozessmodell und mit der Korrektureinheit, um die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung zu kombinieren; wobei während dem Ausführungszyklus der Kalman-Filter-Einheit, an der ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Schaltereinheit (662) betrieben wird zur Bereitstellung eines neuen Werts des Rests an die Verstärkungseinheit (422), um das Korrektursignal zu erzeugen, wobei der neue Wert des Rests durch das Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem Wert des Prozessvariablenmessungssignals am ersten Kombinierer (418) bestimmt wird; wobei während Ausführungszyklen der Kalman-Filter-Einheit nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Schaltereinheit (662) betrieben wird zur Bereitstellung eines gespeicherten Werts des Rests an die Verstärkungseinheit (422) zur Erzeugung des Korrektursignals, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem einen der Ausführungszyklen der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird; und wobei die Prozessvariableneingabe der Steuerungseinheit (11) gekoppelt ist zum Empfangen der Prozessvariablenschätzung basierend auf der weiteren Prozessvariablenschätzung.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Prozessvariablenschätzung die weitere Prozessvariablenschätzung ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verstärkungseinheit (422) einen Wert des Rests mit einem Verstärkungswert multipliziert, um das Korrektursignal zu erzeugen; wobei, während dem Ausführungszyklus der Kalman-Filtereinheit, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Verstärkungseinheit betrieben wird, um einen neuen Verstärkungswert zur Benutzung in der Verstärkungseinheit zu bestimmen; und wobei, während der Ausführungszyklen der Kalman-Filtereinheit nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Verstärkungseinheit (422) betrieben wird, um einen gespeicherten Verstärkungswert zu benutzten, wobei der gespeicherte Verstärkungswert während einem der Ausführungszyklen der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungseinheit (422) eine Kalman-Verstärkungseinheit ist, die einen Kalman-Verstärkungswert zur Benutzung in der die Verstärkungseinheit (422) bestimmt.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalman-Filtereinheit weiterhin beinhaltet; eine Kompensationseinheit, gekoppelt zur Benutzung des Rests zur Erzeugung eines Kompensationssignals, wobei die Kompensationseinheit eine weitere Verstärkungseinheit (522) beinhaltet, die einen Wert des Rests mit einem weiteren Verstärkungswert multipliziert, und eine Filtereinheit (524), die den Wert des mit dem weiteren Verstärkungswert multiplizierten Rests zur Erzeugung des Kompensationssignals empfängt, und einen dritten Kombinierer (526), gekoppelt mit dem zweiten Kombinierer (414) und mit der Kompensationseinheit, um die weitere Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der Prozessvariablenschätzung zu kombinieren.
Steuerungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Verstärkungseinheit (522) eine Kalman-Verstärkungseinheit ist, die einen Wert von eins minus einem Kalman-Verstärkungswert zur Benutzung in der weiteren Verstärkungseinheit (522) bestimmt und/oder wobei die Filtereinheit (524) ein Filter erster Ordnung ist und/oder wobei die Steuerungsroutineeinheit einen proportional-integral-derivativen Steuerungsalgorithmus zur Erzeugung eines Steuerungssignals speichert und durchführt.
Verfahren der Steuerung eines Prozesses, umfassend: Durchführen, auf einem Computerprozessorgerät, einer Steuerungsroutine während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen, um ein Steuerungssignal zur Benutzung bei der Steuerung des Prozesses zu erzeugen; Empfangen, an einem Computerprozessorgerät, eines Prozessvariablenmessungssignals weniger häufig als die Ausführungszykluszeit; Durchführen, an einem Computerprozessorgerät, einer Kalman-Filterroutine während jeder der Reihe der Ausführungszyklen zur Erzeugung der Prozessvariablenschätzung, beinhaltend: Empfangen des durch die Steuerungsroutine während jeder der Reihe der Ausführungszyklen erzeugten Steuerungssignals, Erzeugen einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung unter Benutzung eines Prozessmodells, um die Reaktion des Prozesses basierend auf dem Steuerungssignal während jeder der Reihe der Ausführungszyklen zu modellieren, Erzeugen eines Korrektursignals von einem Rest während jeder der Reihe der Ausführungszyklen, Kombinieren, während jeder der Reihe der Ausführungszyklen, der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung, und Erzeugen einer Prozessvariablenschätzung basierend auf der weiteren Prozessvariablenschätzung, wobei, während dem Ausführungszyklus, an dem ein neu empfangener Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neu empfangener Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Erzeugung des Korrektursignals von dem Rest das Benutzen eines neuen Werts des Rests beinhaltet, wobei der neue Wert des Rests durch Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem empfangenen Wert des Prozessvariablenmessungssignals bestimmt wird, und wobei während Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neu empfangener Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, das Erzeugen des Korrektursignals von dem Rest das Benutzen eines gespeicherten Werts des Rests beinhaltet, wobei der gespeicherte Wert des Rests während einem der Ausführungszyklen der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Prozessvariablenschätzung die weitere Prozessvariablenschätzung ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Erzeugen des Korrektursignals von dem Rest das Bestimmen eines Verstärkungswerts und das Multiplizieren eines Werts des Rests mit dem Verstärkungswert zur Erzeugung des Korrektursignals während jedem einer Reihe von Ausführungszyklen und das Bestimmen eines neuen Verstärkungswerts zur Benutzung während dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, sowie während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, beinhaltet und das Benutzen eines gespeicherten Verstärkungswerts während der Ausführungszyklen nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Bestimmen des Verstärkungswerts das Bestimmen eines Kalman-Verstärkungswerts beinhalt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Durchführen der Kalman-Filterroutine weiterhin beinhaltet, das Bestimmen eines Kompensationssignals während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen, und das Erzeugen, während jeder der Reihe von Ausführungszyklen, der Prozessvariablenschätzung durch Kombinieren der weiteren Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen des Kompensationssignals das Bestimmen eines weiteren Verstärkungswerts und das Multiplizieren eines Werts des Rests mit dem weiteren Verstärkungswert und das Filtern des Werts des mit dem weiteren Verstärkungswert multiplizierten Rests zur Erzeugung des Kompensationssignals während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen des weiteren Verstärkungswerts das Bestimmen eines Werts von eins minus einem Kalman-Verstärkungswert beinhaltet und/oder wobei das Filtern des Werts des mit dem weiteren Verstärkungswert multiplizierten Rests das Benutzen einer Filterung erster Ordnung beinhaltet.
Kalman-Filter (504), der betrieben wird, um eine kompensierte Prozessvariablenschätzung zu erzeugen, der Kalman-Filter (504) umfassend: eine Schnittstelle (660), beinhaltend eine Prozessvariablen-Feedbackeingabe, die ein Prozessvariablenmessungssignal empfängt, und eine Steuerungssignaleingabe, die ein Steuerungssignal empfängt; ein Prozessmodell, gekoppelt zum Empfangen des Steuerungssignals an der Steuerungssignaleingabe zur Erzeugung einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung; eine Korrektureinheit, gekoppelt zur Benutzung eines über die Prozessvariablen-Feedbackeingabe zur Erzeugung eines Korrektursignals empfangenen Prozessvariablenmessungssignals, wobei die Korrektureinheit einen ersten Kombinierer (418) beinhaltet, der die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem empfangenen Prozessvariablenmessungssignal zur Bestimmung eines Rests kombiniert, und eine Verstärkungseinheit (422), die den Rest mit einem Verstärkungswert zur Erzeugung des Korrektursignals kombiniert; einen zweiten mit dem Prozessmodell und mit der Korrektureinheit gekoppelten Kombinierer (414), um die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung zu kombinieren; eine Kompensationseinheit, gekoppelt zur Benutzung des Rests zur Erzeugung eines Kompensationssignals, wobei die Kompensationseinheit eine weitere Verstärkungseinheit (522) beinhaltet, die den Rest mit einem weiteren Verstärkungswert kombiniert, und eine Filtereinheit (524), die den mit dem weiteren Verstärkungswert kombinierten Rest zur Erzeugung des Kompensationssignals empfängt; und einen dritten Kombinierer (526), gekoppelt mit dem zweiten Kombinierer (414) und mit der Kompensationseinheit, um die weitere Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der kompensierten Prozessvariablenschätzung zu kombinieren, wobei die Korrektureinheit weiterhin eine Schaltereinheit (662) beinhaltet; wobei während des Ausführungszyklus des Kalman-Filters (504), an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Schaltereinheit (662) betrieben wird, um einen neuen Wert des Rests an die Verstärkungseinheit (422) zur Erzeugung des Korrektursignals bereitzustellen, wobei der neue Wert des Rests durch Kombinieren der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem Wert des Prozessvariablenmessungssignals an dem ersten Kombinierer (418) der Korrektureinheit bestimmt wird; und wobei während Ausführungszyklen des Kalman-Filters (504) nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Schaltereinheit (662) betrieben wird, um einen gespeicherten Wert des Rests an die Verstärkungseinheit (422) zur Erzeugung des Korrektursignals bereitzustellen, wobei der gespeicherte Wert des Rests während einem der Ausführungszyklen der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
Kalman-Filter (504) nach Anspruch 14, wobei die Korrektureinheit eine Umwandlungseinheit (416) beinhaltet, die die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zur Anpassung der Einheiten des Prozessvariablenmessungssignals umwandelt, und wobei der erste Kombinierer (418) der Korrektureinheit das empfangene Prozessvariablenmessungssignal mit der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung durch Kombinieren des empfangenen Prozessvariablenmessungssignals mit der umgewandelten Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zur Bestimmung des Rests kombiniert.
Kalman-Filter (504) nach Anspruch 14, wobei die Verstärkungseinheit (422) einen Kalman-Verstärkungswert bestimmt und/oder wobei die weitere Verstärkungseinheit (522) einen Wert von eins minus einem Kalman-Verstärkungswert bestimmt und/oder wobei die Filtereinheit (524) ein Filter erster Ordnung ist.
Kalman-Filter (504) nach Anspruch 14, wobei der Kalman-Filter (504) zu einer Ausführungszyklusrate betrieben wird, um während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen die kompensierte Prozessvariablenschätzung zu erzeugen, und wobei die Schnittstelle (660) das Prozessvariablenmessungssignal zu einer Rate empfängt, die größer oder gleich der Ausführungszyklusrate ist.
Kalman-Filter (504) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Verstärkungseinheit (622) einen Wert des Rests mit dem Verstärkungswert zur Erzeugung eines Korrektursignals multipliziert; wobei während dem Ausführungszyklus des Kalman-Filters (504), an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Verstärkungseinheit (622) betrieben wird zur Bestimmung eines neuen Verstärkungswerts zur Benutzung in der Verstärkungseinheit (622); und wobei während der Ausführungszyklen des Kalman-Filters (504) nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Verstärkungseinheit (622) betrieben wird, um einen gespeicherten Verstärkungswert zu benutzen, wobei der gespeicherte Verstärkungswert während einem der Ausführungszyklen der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
Kalman-Filter (504), angepasst zur Ausführung auf einem Computerprozessor zur Erzeugung einer kompensierten Prozessvariablenschätzung, der Kalman-Filter (504) umfassend: eine Schnittstellenroutine, die in einem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und angepasst ist, um auf dem Prozessor auszuführen, um ein Prozessvariablenmessungssignal zu empfangen und um ein Steuerungssignal zu empfangen, das zur Steuerung eines Prozesses benutzt wird; eine Prozessmodellierungsroutine, die auf dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und angepasst ist, um auf dem Prozessor auszuführen, um das Steuerungssignal zur Erzeugung einer Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zu benutzen; eine Korrekturroutine, die auf dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und angepasst ist, um auf dem Prozessor auszuführen, um eine Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit einem empfangenen Prozessvariablenmessungssignal zu kombinieren, um einen Rest zu bestimmen und um den Rest mit einem Verstärkungswert zur Erzeugung eines Korrektursignals zu kombinieren; und eine Kombiniererroutine, die auf dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und angepasst ist, um auf dem Prozessor auszuführen, um die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem Korrektursignal zur Erzeugung einer weiteren Prozessvariablenschätzung zu kombinieren; eine Kompensationsroutine, die auf dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und angepasst ist, um auf dem Prozessor auszuführen, um den Rest mit einem weiteren Verstärkungswert zu kombinieren, und um den mit dem weiteren Verstärkungswert kombinierten Rest zur Erzeugung eines Kompensationssignals zu filtern; und eine weitere Kombiniererroutine, die auf dem nicht-transitorischen, Computer-lesbaren Medium gespeichert und angepasst ist, um auf dem Prozessor auszuführen, um die weitere Prozessvariablenschätzung mit dem Kompensationssignal zur Erzeugung der kompensierten Prozessvariablenschätzung zu kombinieren, wobei die Korrekturroutine weiterhin eine Umschaltroutine beinhaltet; wobei während dem Ausführungszyklus des Kalman-Filters (504), an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während einer vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Umschaltroutine zur Bereitstellung eines neuen Werts des mit dem Verstärkungswert zu kombinierenden Rests zur Erzeugung des Korrektursignals betrieben wird; und wobei während Ausführungszyklen des Kalman-Filters (504) nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Umschaltroutine zur Bereitstellung eines gespeicherten Werts des mit dem Verstärkungswert zu kombinierenden Rests zur Erzeugung des Korrektursignals betrieben wird, wobei der gespeicherte Wert des Rests während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.
Kalman-Filter (504) nach Anspruch 19, wobei die Korrekturroutine die Ausgangs-Prozessvariablenschätzung mit dem empfangenen Prozessvariablenmessungssignal zur Bestimmung des Rests kombiniert durch Umwandeln der Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zur Anpassung der Einheiten des Prozessvariablenmessungssignals und Kombinieren des empfangenen Prozessvariablenmessungssignals mit der umgewandelten Ausgangs-Prozessvariablenschätzung zur Bestimmung des Rests und/oder wobei der Kalman-Filter (504) zur Ausführung auf dem Prozessor zu einer Ausführungszyklusrate angepasst ist, um die kompensierte Prozessvariablenschätzung während jeder einer Reihe von Ausführungszyklen zu erzeugen, und wobei die Schnittstellenroutine das Prozessvariablenmessungssignal zu einer Rate empfängt, die größer oder gleich der Ausführungszyklusrate ist.
Kalman-Filter (504) nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Korrekturroutine einen Wert des Rests mit dem Verstärkungswert zur Erzeugung des Korrektursignals multipliziert; wobei während dem Ausführungszyklus des Kalman-Filters (504), an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, und während der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Korrekturroutine betrieben wird, um einen neuen Verstärkungswert zu bestimmen; und wobei während der Ausführungszyklen des Kalman-Filters (504) nach der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen, nach dem Ausführungszyklus, an dem ein neuer Wert des Prozessvariablenmessungssignals verfügbar ist, die Korrekturroutine betrieben wird zur Benutzung eines gespeicherten Verstärkungswerts, wobei der gespeicherte Verstärkungswert während dem letzten Ausführungszyklus der vorbestimmten Reihe von Ausführungszyklen bestimmt wird.