專利名稱：用于對過程控制設(shè)備轉(zhuǎn)換反饋控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及過程控制設(shè)備，更具體地說，涉及一種用于控制包含有多個反饋控制機制的過程控制設(shè)備的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
可以使用多種控制機制來控制閥/執(zhí)行器組件或者其他過程控制設(shè)備。例如，閥控制器通常使用反饋控制的形式來控制閥/執(zhí)行器組件。反饋控制依賴于誤差信號，而誤差信號進(jìn)一步基于期望的設(shè)定點信號與來自傳感器的反饋信號之間的差異，并且所述反饋信號提供閥/執(zhí)行器組件的運轉(zhuǎn)的指示。閥控制器的輸出為修正控制信號，其在過去是所述誤差信號的氣動信號成分。
雖然仍普遍使用氣動的驅(qū)動執(zhí)行器，傳統(tǒng)的控制設(shè)備也結(jié)合非氣動元件，這樣氣動信號通常由電子控制器、傳感器或變換器(例如，數(shù)字閥控制器)確定。更具體地說，電子控制器執(zhí)行控制例行程序，該控制例行程序?qū)φ`差信號進(jìn)行處理以生成控制信號，所述控制信號可以被轉(zhuǎn)變成電流或者其他模擬控制信號，而所述電流或者其他模擬控制信號可以進(jìn)一步被反饋給電-氣動轉(zhuǎn)變器，例如閥控制器中的電流-壓力變換器，以產(chǎn)生氣動信號。這些控制信號，無論是模擬的還是數(shù)字的，在下文的特定例子中可以被稱為驅(qū)動信號。
在大多數(shù)情況下，從以下三種控制算法中的一種生成驅(qū)動信號(i)比例；(ii)比例和微分；和(iii)比例、微分和積分。比例(P)型控制算法生成與誤差信號直接成比例的驅(qū)動信號。比例和微分(PD)型控制算法生成的驅(qū)動信號是以下兩個信號之和與誤差信號成比例的信號；和與誤差信號的變化率成比例的信號。比例、微分和積分(PID)型控制算法生成的控制信號是以下三個信號之和與誤差信號成比例的信號；與誤差信號的變化率成比例的信號；以及與誤差信號的積分成比例的信號。
用于確定誤差信號的反饋信號，可以直接或者間接地表示閥/執(zhí)行器組件的運轉(zhuǎn)。例如，經(jīng)過閥/執(zhí)行器組件的流的一個指示涉及到位置傳感器，該位置傳感器生成表示閥位置的信號。最后，閥/執(zhí)行器組件設(shè)計通常包括在位置傳感器與閥之間的機械聯(lián)動裝置，以檢測閥的位置。位置傳感器接下來被連接到所述機械聯(lián)動裝置，以生成閥位置信號。具有基于位置傳感器的反饋控制機制的系統(tǒng)通常依賴于位置控制。
具有氣動驅(qū)動執(zhí)行器的閥控制器，采用壓力傳感器作為位置控制的替代。在這種情況下，壓力傳感器提供經(jīng)過閥的流的指示，因為閥/執(zhí)行器組件的執(zhí)行器具有彈簧，彈簧的壓縮大體上與施加于其的壓力成比例。這種控制機制通常稱為壓力控制。
早先的過程控制器，尤其是那些在微型電子計算機之前的過程控制器，通常依賴于壓力控制而不是位置控制。當(dāng)這些系統(tǒng)被現(xiàn)代化的時候，系統(tǒng)中的特定部件被替換或者升級為包括有數(shù)字控制的方面。例如，閥的氣動壓力控制可以被替換為數(shù)字控制器。為了避免過程的停機，如果不是整個工廠的停機的話，新的數(shù)字閥控制器包括有壓力控制，以簡化替換和安裝過程。這樣，可以替換早先的氣動控制，而不必替換或者修改閥/執(zhí)行器組件。其結(jié)果是，對早先氣動設(shè)備的替換以及相應(yīng)的對新的數(shù)字控制器的安裝，避免了對閥的運轉(zhuǎn)，更一般地說，是對整個過程的運轉(zhuǎn)的擾亂和中斷。這種替換和安裝過程被稱為熱轉(zhuǎn)換(hot cutover)。
能夠進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換安裝的數(shù)字控制器的一個例子是由愛默生過程管理-費希爾(Marshalltown，Iowa)制造的FIELDVUETM數(shù)字閥控制器型DVC5000系列，特別是DVC5000f，固件版本9。DVC5000f包括壓力傳感器以及相關(guān)的壓力控制例行程序，以使得能夠進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換。DVC5000f控制器還包括位置傳感器以及針對與位置控制兼容的安裝來選擇位置控制的能力。如上所述，包括替換的許多安裝不支持位置控制。在這些情況下，對閥與位置傳感器之間的機械聯(lián)動裝置的安裝，需要對閥進(jìn)行替換或者維護(hù)，而這大部分會使過程陷于停機。其結(jié)果是，DVC5000f將首先與作為運轉(zhuǎn)中的反饋機制的壓力控制安裝在一起。當(dāng)發(fā)生了過程或者工廠停機時，將針對位置控制來對閥/致動器組件進(jìn)行配置。這樣，安裝和使用DVC5000f控制器通常有兩個步驟，包括向數(shù)字壓力控制進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換的初始步驟，以及一旦在停機期間安裝了所述聯(lián)動裝置或其他機構(gòu)和/或閥部件時對位置控制的后續(xù)選擇。為了實現(xiàn)對位置控制的手動選擇，由操作員可用的界面來提供選項，以改變控制參數(shù)，并且因而從壓力控制向位置控制進(jìn)行切換。
在正常運轉(zhuǎn)期間，通過位置反饋對閥進(jìn)行控制優(yōu)于其他反饋機制，而所述其他反饋機制更加間接地表示閥的運轉(zhuǎn)。不幸的是，僅僅使用位置反饋的控制完全依靠于易于出故障的位置傳感機制。在面對這樣的故障事件或者其他與位置傳感器故障相關(guān)的意外事件時，過去的數(shù)字閥控制器沒有提供閥的連續(xù)運轉(zhuǎn)。其結(jié)果是，并且作為反饋控制的特性的結(jié)果，盡管閥的其他方面都處于健康狀況，但是有故障的傳感器還是會導(dǎo)致閥的不可操作。一旦被導(dǎo)致不可操作，閥進(jìn)一步地可能引起過程或工廠的意外的或者不必要的停機。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用于過程控制設(shè)備的控制器，所述過程控制設(shè)備具有第一和第二傳感器，該第一和第二傳感器生成表示過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的對應(yīng)反饋信息，所述控制器包括第一伺服控制模塊，其用于基于來自所述第一傳感器的反饋信息生成第一驅(qū)動信號，以根據(jù)第一控制模式控制所述過程控制設(shè)備；以及第二伺服控制模塊，其用于基于來自所述第二傳感器的反饋信息生成第二驅(qū)動信號，以根據(jù)第二控制模式控制所述過程控制設(shè)備。所述控制器進(jìn)一步包括反饋控制轉(zhuǎn)換模塊，其用于基于來自所述第一傳感器的反饋信息，將所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的控制從所述第一控制模式轉(zhuǎn)換到所述第二控制模式。
在一些實施例中，所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊包括故障檢測模塊，其能夠檢測出來自所述第一傳感器的反饋信息不再足以表示所述過程控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)。所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊能夠響應(yīng)用戶命令，而發(fā)起將所述過程控制設(shè)備的控制從所述第一控制模式轉(zhuǎn)換到所述第二控制模式。
所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊可以包括存儲器，其維護(hù)來自所述第一傳感器的反饋信息的記錄。接下來，所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊能夠提取表示最近從所述第一傳感器接收到的無損數(shù)據(jù)的反饋信息的一部分。所述第二伺服控制模塊可以包括積分控制器部件，其具有一輸出信號，該輸出信號被基于表示無損數(shù)據(jù)的反饋信息的所述部分調(diào)節(jié)，以最小化在將所述過程控制設(shè)備的控制從所述第一模式轉(zhuǎn)換到所述第二模式期間過程控制設(shè)備的不連續(xù)移動。
在一些情況下，在準(zhǔn)備將所述過程控制設(shè)備的反饋控制從所述第一模式轉(zhuǎn)換到所述第二模式時，所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊和所述第二伺服控制模塊基于所述第一驅(qū)動信號調(diào)節(jié)所述第二驅(qū)動信號。所述第二驅(qū)動信號可被調(diào)節(jié)，以便在反饋控制轉(zhuǎn)換時所述第一和第二驅(qū)動信號相等。所述第二伺服控制模塊可以包括積分控制器部件，其輸出信號可被調(diào)節(jié)，以便在準(zhǔn)備反饋控制轉(zhuǎn)換時所述第二控制信號等于控制信號。所述積分控制器部件可以包括一累加器，并且在準(zhǔn)備反饋控制轉(zhuǎn)換時所述累加器被重置，從而調(diào)節(jié)所述第二驅(qū)動信號。作為替換地或者作為補充地，所述第二伺服控制模塊可以基于所述控制信號連續(xù)地計算一調(diào)節(jié)因子，以在所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊的引導(dǎo)下將被用來調(diào)節(jié)所述第二驅(qū)動信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種控制過程控制設(shè)備的方法，該方法包括以下步驟生成第一驅(qū)動信號，以根據(jù)第一伺服控制模式控制所述過程控制設(shè)備；生成第二驅(qū)動信號，以根據(jù)第二伺服控制模式控制所述過程控制設(shè)備；以及根據(jù)所述第一伺服控制模式以及從所述第一驅(qū)動信號為所述過程控制設(shè)備生成控制信號。該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)所述控制信號，接收表示所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的反饋信號；以及基于所述反饋信號，在所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)期間將所述過程控制設(shè)備的控制轉(zhuǎn)換到所述第二伺服控制模式，以便所述控制信號將由所述第二驅(qū)動信號生成。
在一些實施例中，所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括檢測所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)中的故障。所述故障檢測步驟可以包括分析所述反饋信號，以判斷所述過程控制設(shè)備的與所述第一伺服控制模式相關(guān)的傳感器是否有故障。所述反饋分析步驟、所述故障檢測步驟以及所述控制轉(zhuǎn)換步驟可以是自治進(jìn)行的。
所述第一和第二伺服控制模式可以分別響應(yīng)所述過程控制設(shè)備的位置和壓力傳感器。在這種或者其他情況下，該方法進(jìn)一步包括以下步驟維護(hù)所述反饋信號的數(shù)據(jù)記錄，以便所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括從表示來自所述傳感器的無損數(shù)據(jù)(例如來自所述位置傳感器的位置數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)記錄中提取信息。
在一些情況下，所述第二驅(qū)動信號生成步驟包括基于所述反饋信號初始化所述第二驅(qū)動信號。所述第二驅(qū)動信號初始化步驟包括基于所述反饋信號為所述第一驅(qū)動信號計算過渡取值。所述第二驅(qū)動信號初始化步驟包括基于所述第一驅(qū)動信號的過渡取值，調(diào)節(jié)與所述第二伺服控制模式相關(guān)的積分控制器的輸出。所述積分控制器調(diào)節(jié)步驟包括設(shè)置所述第二驅(qū)動信號等于所述第一驅(qū)動信號。
作為替換地或者作為補充地，所公開的方法可以進(jìn)一步包括以下步驟接收表示過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的第二反饋信號。所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括基于所述第一次提到的反饋信號生成所述控制信號的過渡電平，并且所述第二驅(qū)動信號生成步驟包括基于所述第二反饋信號和所述控制信號的過渡電平，計算所述第二驅(qū)動信號的初始電平。所述初始電平計算步驟包括從所述第二反饋信號計算比例和微分控制器取值，并且所述初始電平計算步驟包括基于所述控制信號的過渡電平相對于所述比例和微分控制器取值之和的差異，重置與所述第二伺服控制模式相關(guān)的積分控制器的累加器輸出。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，公開了一種用于控制過程控制設(shè)備的方法，所述過程控制設(shè)備具有第一和第二傳感器，該第一和第二傳感器生成表示所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的相應(yīng)反饋信息?；趤碜运龅谝粋鞲衅鞯姆答佇畔⑸傻谝或?qū)動信號，并且將所述第一驅(qū)動信號提供給所述過程控制設(shè)備，以控制所述過程控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)。通過基于所述第一驅(qū)動信號初始地生成第二驅(qū)動信號，將所述過程控制設(shè)備的控制轉(zhuǎn)換到基于所述第二傳感器的第二驅(qū)動信號。


為了更加完整地理解所公開的控制器和方法，應(yīng)該對下列具體描述和附圖進(jìn)行參照，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的連接到閥/執(zhí)行器組件以控制閥/執(zhí)行器組件的控制器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的由圖1中控制器所執(zhí)行的反饋控制例行程序的流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中控制器的一對伺服控制模塊的結(jié)構(gòu)圖，其具有執(zhí)行反饋控制轉(zhuǎn)換例行程序以進(jìn)行平滑控制轉(zhuǎn)換的能力；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的反饋控制轉(zhuǎn)換例行程序的流程圖，該例行程序一般地由圖1中控制器執(zhí)行，更具體地說，由圖3中一對伺服控制模塊執(zhí)行；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的由圖1中控制器執(zhí)行的反饋控制轉(zhuǎn)換例行程序的一部分的流程圖；雖然所公開的控制器和方法可以有不同形式的實施例，不過在附圖中示出了(并且下文中將描述)本發(fā)明的具體實施例。而且應(yīng)該理解，這些公開意圖作為示例性的，而并不意圖將本發(fā)明限制在此處描述和示意的具體實施例。
具體實施例方式
所公開的控制器和方法一般地涉及針對諸如閥的過程控制設(shè)備的反饋控制機制。雖然結(jié)合氣動促動的閥詳細(xì)描述了所公開的控制器和方法，但是所公開的控制器和方法適合用于或者實施于以其他方式促動的閥，以及除了閥以外的過程控制設(shè)備。相應(yīng)地，可以結(jié)合過程控制網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備使用或者實施所公開的控制器和方法，而且所公開的控制器和方法尤其適合用于具有兩個或者更多可用作控制的可能的反饋機制的設(shè)備。雖然也可能結(jié)合兩個相同或者相似類型的反饋控制來使用所公開的控制器和方法，但是此處描述的示范性實施例在兩種不同控制機制之間轉(zhuǎn)換反饋控制的場合中呈現(xiàn)了控制器和方法。相應(yīng)地，例如，可以在呈現(xiàn)基于兩個同類型傳感器(例如，主位置傳感器和備份或者次位置傳感器)的反饋控制的情況下使用所公開的控制器和方法。
一般地說，此處描述的控制器和方法用在為過程控制設(shè)備轉(zhuǎn)換反饋控制的場合中。所公開的控制器和方法還特別地用于確保(i)如果發(fā)生與反饋控制機制相關(guān)的故障時過程控制設(shè)備的連續(xù)運轉(zhuǎn)，以及(ii)在每個這樣的反饋控制轉(zhuǎn)換期間過程控制設(shè)備的平滑運轉(zhuǎn)。在這個意義上，可以以一種平滑、連續(xù)和/或無中斷的方式執(zhí)行這種控制傳輸，可以避免過程控制設(shè)備正在其中運轉(zhuǎn)的過程的停機或者其他中斷。雖然所公開的控制器和方法被設(shè)計為在面對失靈或者其他故障時支持這樣的連續(xù)運轉(zhuǎn)，但是對所述控制器和方法的使用并不限于任何針對反饋控制轉(zhuǎn)換的特定場合或環(huán)境。事實上，在有些實施例中，可以由操作員全部地或者部分地自由決定來發(fā)起并控制反饋控制轉(zhuǎn)換。
根據(jù)所公開的控制器和方法對反饋控制的轉(zhuǎn)換以反饋信息為根據(jù)，產(chǎn)生所述反饋信息的是當(dāng)前反饋控制方案所使用的傳感器，即在轉(zhuǎn)換控制之前試圖傳送閥運轉(zhuǎn)指示的傳感器。也就是說，控制轉(zhuǎn)換依賴于由當(dāng)前反饋控制方案利用的傳感器所生成的反饋信息。例如，可以在分析或者其他確定反饋信息不再充分地表示閥運轉(zhuǎn)時，觸發(fā)反饋控制的轉(zhuǎn)換。在這種情況下，在基于錯誤的反饋信息將閥導(dǎo)向不正確的位置或者狀態(tài)之前，保證了反饋控制的轉(zhuǎn)換。由所公開的控制器和方法實現(xiàn)的其他類型的轉(zhuǎn)換一般包括，使用反饋信息來確保后續(xù)或者目標(biāo)反饋控制方案最初將閥所放置的點，接近或者等于在先或者初始反饋控制方案將閥所留置的點。最后，目標(biāo)反饋控制方案被調(diào)節(jié)為平滑閥的運轉(zhuǎn)，而不管其相關(guān)的獨立運行的傳感器是否已經(jīng)導(dǎo)致生成了在控制轉(zhuǎn)換時明顯地或者突然地移動閥的誤差信號(以及驅(qū)動信號)。作為替換，如果當(dāng)前控制方案被懷疑為基于錯誤的反饋信息而進(jìn)行運轉(zhuǎn)，如同在故障傳感器的場合中那樣，那么控制轉(zhuǎn)換可以包括這樣的目標(biāo)反饋控制方案，其被調(diào)節(jié)為將閥設(shè)置在與已知有效的最后反饋信息(對比最近反饋信息，其對應(yīng)于初始反饋控制方案所停止的位置)相關(guān)的點。并且如果第一轉(zhuǎn)換的確由故障傳感器或者其他失靈設(shè)備引發(fā)，那么所述控制器和方法一般可被用來確保，在所述故障傳感器或者其他設(shè)備被替換或者修理以后，進(jìn)行返回初始反饋控制方案的平滑的第二轉(zhuǎn)換。
參照圖1，在10處一般表示能夠在多個反饋控制機制之間實現(xiàn)反饋控制轉(zhuǎn)換的示例性控制器。在有些情況下，控制器10是數(shù)字閥控制器，其具有嵌入式軟件或者代碼從而為閥12實現(xiàn)多個反饋控制方案。如同以下將要進(jìn)一步解釋的那樣，控制器10可以包括多個伺服控制模塊，用于執(zhí)行兩個或者更多反饋控制例行程序，從而對閥12進(jìn)行控制。通過數(shù)字的基于微處理器的計算機，可以實現(xiàn)控制器10及其每一個伺服控制模塊，這些計算機被配置為用于執(zhí)行與反饋控制方案和例行程序相關(guān)的軟件或者代碼。在該例子中，通過分別由位置傳感器1 8和壓力傳感器20生成的反饋信號，位置控制伺服模塊14和壓力控制伺服模塊16接收表示閥12運轉(zhuǎn)的反饋信息。位置傳感器18提供直接表示閥12的位置或者閥行程的反饋信息，而由于促動閥移動的方式，壓力傳感器20提供間接表示閥12的位置的反饋信息。
位置和壓力控制伺服模塊14和16還接收表示閥12的設(shè)定點的數(shù)據(jù)，在圖1中顯示為通過線路21向閥10輸入的信號。應(yīng)該注意到的是，控制器10包括任何輸入/輸入硬件(未示出)以及，更一般地說，包括任何合適的功能性，來解釋通過線路21所提供的數(shù)據(jù)、或者是由位置傳感器18、壓力傳感器20以及任何其他連接到控制器10的設(shè)備所提供的信號。這樣的硬件或者功能性對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的，并且在此不進(jìn)行詳細(xì)描述，還應(yīng)該注意到，控制器10還能夠進(jìn)行任何可應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，例如在為數(shù)字處理做準(zhǔn)備中進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。
由于閥12的特性與所公開控制器和方法的實踐之間并沒有密切關(guān)系，所以不對閥12的運轉(zhuǎn)進(jìn)行詳細(xì)的描述。實際上，閥12可以是通過反饋受到控制的任何過程控制設(shè)備，并且特別是那些可以由兩個或者更多的傳感器獨立地估計其運轉(zhuǎn)的設(shè)備。在當(dāng)前情況下由位置傳感器18和壓力傳感器20，對閥12或者其他設(shè)備所做的這樣的獨立估計，使得可以進(jìn)行兩種獨立的控制方案。一般地說，兩種或者更多的控制方案不需要表現(xiàn)出不同類型的控制方案，而是可以兩個或者更多同類型傳感器的形式來包括一定程度的冗余。
不管控制方案的特性如何，在任意時間點上的閥12的運轉(zhuǎn)依賴于用于驅(qū)動執(zhí)行器22的控制方案中的一種方案的執(zhí)行。為了在控制轉(zhuǎn)換之間保存能量，控制器10可以將在任意時間點的執(zhí)行限制為一種控制方案(即，負(fù)責(zé)驅(qū)動執(zhí)行器22的方案)，但是，更一般地，為了例如避免控制轉(zhuǎn)換期間的延遲，可以并發(fā)地執(zhí)行任意數(shù)目的控制方案。執(zhí)行器22進(jìn)一步提供機械力來改變閥12的位置或狀態(tài)。閥12和執(zhí)行器22構(gòu)成閥/執(zhí)行器組件，其具有將閥12連接到執(zhí)行器22的機械連接器24。一般而言，機械連接器24和執(zhí)行器22的其他部件將輸入力轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿娱y12所需的機械力。位置傳感器18可以與諸如機械連接器24的執(zhí)行器部件通信，或者與閥/執(zhí)行器組件的其他任何部件通信，以得到閥12的位置。例如，位置傳感器18在結(jié)構(gòu)上可以通過機械聯(lián)動裝置26(如圖1中虛線所示)被聯(lián)結(jié)到閥/致動器組件，不過也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他任何通信模式(例如，光通信)。
在該示范性實施例中，執(zhí)行器22包括彈簧偏置部件(未示出)，通過在圖1中與其他氣動線路一起由虛線所示的氣動線路28，將氣動力施加到彈簧偏置部件上。由空氣控制設(shè)備30供給線路28中的空氣或其他流體，所述空氣控制設(shè)備30可以包括電流-壓力變換器和其他氣動控制的常用部件，例如繼電器或者其他用于將通過線路32提供的空氣供給進(jìn)行壓力放大的部件。
可以根據(jù)執(zhí)行器22的有效彈簧常數(shù)，來移動氣動力所遵照的執(zhí)行器22的彈簧偏置部件。該移動可進(jìn)一步基于機械連接器24和其他任意中間部件而與閥12的位置相關(guān)聯(lián)。結(jié)果是，線路28中流體的壓力可以用來得到經(jīng)過閥的流的指示，雖然是間接的。由于閥位置的這種表示的間接特性，由壓力傳感器20生成的數(shù)據(jù)可能不像由諸如測量位置的方法的其他傳感方法所提供的數(shù)據(jù)那樣準(zhǔn)確。這樣，壓力傳感器20和相關(guān)的壓力控制伺服模塊16可以作為次要(或者非首要)角色來供控制器10使用，例如，作為對一種或者更多反饋控制方案的備份(或者后備)。
位置傳感器18和壓力傳感器20分別沿著線路36和38向控制器10返回反饋信號。這兩個反饋信號建立起兩個反饋控制機制，即用于正常運轉(zhuǎn)的首要機制和用于運轉(zhuǎn)的備份或者后備模式的次要機制。一般地，具有最高的精度或者優(yōu)先權(quán)的反饋信號，在當(dāng)前情況下即線路36上來自位置傳感器18的信號，可以確定何種反饋控制機制作為首要機制。在當(dāng)前情況下，首要反饋控制機制包括由位置控制伺服模塊14來執(zhí)行位置控制例行程序。只要例如位置傳感器18和位置控制方案正常運轉(zhuǎn)(例如，在位置傳感器18的規(guī)范之內(nèi)，和/或以別的方式提供閥位置的準(zhǔn)確指示)，這樣的執(zhí)行就可以繼續(xù)。如果位置傳感器18不再提供閥位置的準(zhǔn)確指示，或者位置控制方案被懷疑為由于其他任何原因而運轉(zhuǎn)不正常，則控制器10能夠切換到次要控制機制，即由壓力控制伺服模塊16所執(zhí)行的壓力控制例行程序。以這種方式，控制器10維護(hù)閥運轉(zhuǎn)，并且從而避免閥12正在其中運轉(zhuǎn)的過程或工廠停機。
每個反饋信號都被提供給轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40，以檢測傳感器故障或者其他反饋控制失靈。如圖1所示，轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40可以包括一存儲器，其用于存儲每個反饋信號的過去取值，以及表示所述兩個反饋控制方案的其他數(shù)據(jù)或者信息，如同下面將要進(jìn)一步解釋的那樣。轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40生成可以在檢測到故障或者失靈時切換控制器的控制選擇開關(guān)42的控制信號。這樣，例如，基于位置控制方案是否持續(xù)有效運轉(zhuǎn)而進(jìn)行自治決策，來從位置控制方案即首要控制方案切換到壓力控制方案。基于分析與位置控制方案相關(guān)的反饋信號(即由位置傳感器18生成的信號)、由位置控制方案生成的驅(qū)動信號(其進(jìn)一步基于所述反饋信號)，或者其他任何表示閥控制方案為了響應(yīng)反饋信號而進(jìn)行的運轉(zhuǎn)的信息或者數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40引導(dǎo)控制轉(zhuǎn)換。例如，轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40能夠檢測到位置傳感器18離線，或者由于故障的聯(lián)結(jié)而提供規(guī)范之外的信號。
控制選擇開關(guān)42不必是諸如繼電器的物理開關(guān)，也可以由控制器10中的軟件或者固件實現(xiàn)。結(jié)果是，控制信號可以采取適合于所述開關(guān)的多種形式中的任意一種(例如，數(shù)字、模擬等等)。在任何情況下，控制選擇開關(guān)42選擇由反饋控制方案所產(chǎn)生的驅(qū)動信號中的一個，在當(dāng)前情況下，控制信號由位置控制伺服模塊14和壓力控制伺服模塊16產(chǎn)生。控制選擇開關(guān)42所選擇的驅(qū)動信號接下來被作為數(shù)字、模擬或者其他電控制信號傳送到空氣控制設(shè)備30。
根據(jù)圖1中的實施例，線路44將位置控制伺服模塊14連接到壓力控制伺服模塊16。線路44表示兩個反饋控制方案之間的通信鏈路，并且因此可以表示從一個正在執(zhí)行的反饋控制例行程序到另一個的數(shù)據(jù)傳送。線路44可以因此由軟件或者固件實現(xiàn)，并且不必在控制器中構(gòu)成物理硬連線。如同下面進(jìn)一步解釋的那樣，多個控制方案之間的這種通信使得可以進(jìn)行控制的平滑轉(zhuǎn)換。更具體地說，目標(biāo)反饋控制方案的初始實現(xiàn)可以基于驅(qū)動信號、反饋信號、或者由在先或者初始控制方案產(chǎn)生的或者與在先或者初始控制方案相關(guān)的其他信號，來實行從一個方案到另一個方案的平滑反饋控制轉(zhuǎn)換。這樣的控制轉(zhuǎn)換的需要不必緣起于故障或者失靈，如同以上連同轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40所討論的那樣。例如，這樣的控制轉(zhuǎn)換可以由操作員自由決定，但是仍然保持對確保平滑控制切換的需求。在與故障或者失靈相關(guān)的問題已經(jīng)被處理后，從次要控制方案回到首要控制方案的反饋控制轉(zhuǎn)換可以結(jié)合所述自由決定的控制轉(zhuǎn)換發(fā)生。將控制轉(zhuǎn)換回首要控制方案的決策，或者更一般地說，任何其他的反饋控制轉(zhuǎn)換，可以由用戶或者操作員通過如圖1所示的向控制器10提供輸入信號的用戶選擇線路46來觸發(fā)或者引導(dǎo)?？梢酝ㄟ^提供參數(shù)選擇能力的用戶接口來實現(xiàn)用戶選擇線路46及其承載的輸入信號，如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的那樣。
線路48和50分別給出了轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40與位置控制伺服模塊14以及與壓力控制伺服模塊16之間的通信鏈路。這樣的通信可以包括傳送命令來發(fā)起執(zhí)行反饋控制例行程序。這樣的通信還可以是雙向的，以支持實行反饋控制的平滑轉(zhuǎn)換。這樣，在兩個控制方案之間的通信就不必是通過線路44直接進(jìn)行，而可以作為替換地通過線路48和50以及轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40來間接地完成。
圖2示出了由本發(fā)明實施例的控制器10(圖1)執(zhí)行的反饋控制例行程序。反饋控制例行程序可以形成嵌入代碼的一部分，所述嵌入代碼存儲在控制器10的一或多個存儲器上，以便由控制器10的微處理器執(zhí)行。這樣的嵌入代碼，以及由其實現(xiàn)的反饋控制例行程序的步驟，可以與位置控制伺服模塊14(圖1)、壓力控制伺服模塊16(圖1)以及轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40(圖1)中的一或者多個相關(guān)?？刂破?0的運轉(zhuǎn)，以及由此圖2中例行程序的執(zhí)行，可以是自治的或者，作為替換或者作為補充地，由操作員控制發(fā)起或者終止。無論哪種情況，一旦被發(fā)起，所述例行程序形成提供對閥/執(zhí)行器組件進(jìn)行自治控制的運轉(zhuǎn)循環(huán)。所述運轉(zhuǎn)循環(huán)還提供基于用戶的控制，包括在任何時間重新發(fā)起或者終止例行程序執(zhí)行的權(quán)力。
所述例行程序可以開始于在塊60中標(biāo)識或者選擇首要和次要反饋控制方案。例如，可以在此時設(shè)置控制選擇開關(guān)42(圖1)，從而使得由控制器10生成的控制信號首要從由位置控制伺服模塊14(圖1)所生成的驅(qū)動信號得到。作為替換地，控制選擇開關(guān)42已經(jīng)被設(shè)置，并且已經(jīng)依靠閥12的特性及其相關(guān)部件預(yù)定或者建立了首要和次要反饋控制方案。一般而言，控制方案的標(biāo)識將由相關(guān)傳感器的可用性確定，從而使得在圖1的示范性實施例中，首要控制方案為位置控制方案，而次要控制方案為壓力控制方案。一旦選擇了首要控制方案，控制器10可以在塊62進(jìn)行初始化例行程序，其包括重置控制器10的部件(例如，位置控制伺服模塊14的PID控制器)，以及確認(rèn)與首要控制方案相關(guān)的傳感器(例如，位置傳感器26)在線并且還是可操作的。應(yīng)該注意，在此處，控制器10可以初始化并且開始執(zhí)行(在背景中)除了首要反饋控制例行程序之外的反饋控制例行程序。初始化例行程序還可以包括對一或者多個傳感器和/或閥/執(zhí)行器組件進(jìn)行校準(zhǔn)的程序。例如，自動校準(zhǔn)程序可以使用現(xiàn)有的位置傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來確定致動器/閥組件的“工作臺設(shè)置”。該程序提供完成開啟和關(guān)閉閥12所需的壓力范圍。該壓力范圍進(jìn)一步可以為施加到執(zhí)行器22上的壓力建立或者設(shè)置壓力控制范圍，將0-100％的期望閥位置反映為相應(yīng)的所施加壓力。
在控制器10進(jìn)行初始化例行程序之后，在塊64中執(zhí)行當(dāng)前反饋控制方案。在圖1的示范性實施例中，位置控制伺服模塊14接收當(dāng)前設(shè)定點和其他輸入，例如來自位置傳感器18的反饋信息，然后處理這些數(shù)據(jù)以生成驅(qū)動信號。下面進(jìn)一步解釋產(chǎn)生驅(qū)動信號的方式，但是一般來說可以使用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器技術(shù)和控制算法在塊64中生成所述驅(qū)動信號。
還執(zhí)行反饋控制誤差檢測步驟。在圖1的示范性實施例中，誤差檢測步驟可以由轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40來執(zhí)行。如圖所示，例如，在圖2的例行程序中，控制進(jìn)入到?jīng)Q策塊66，判斷是否發(fā)生傳感器故障或者其他反饋控制誤差。傳感器故障包括指示傳感器已經(jīng)離線的反饋信息。反饋信息還可以作為替換地表示不可能的閥位置。反饋信息可以指示離線或者失靈傳感器的另一種方式是，通過傳送傳感器規(guī)范之外的數(shù)據(jù)。還可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在或?qū)硭臋z測傳感器或者其他故障或者失靈的另一種方式。
在塊66中執(zhí)行誤差檢測步驟在圖中示為位于在塊64中生成驅(qū)動信號之后，從而使得驅(qū)動信號(或者從反饋信號生成的其他信號或數(shù)據(jù))可以作為誤差檢測檢查的一部分被分析。作為替換地，可以在生成驅(qū)動信號之前或者同時執(zhí)行塊66。在這些情況下，誤差檢測步驟可以被首要地導(dǎo)向分析是否發(fā)生傳感器故障。在作為替換的實施例中，塊64也可以包括在處理反饋信息時估計反饋信息。例如，位置控制伺服模塊14(圖1)可以例行地檢查來判斷位置傳感器18是否工作于規(guī)范之外或者有其他故障。在一些實施例中，控制器10可以持續(xù)地對位置傳感器18(以及其他傳感器)進(jìn)行這樣的估計。相應(yīng)地，應(yīng)該注意的是，可以結(jié)合例行程序中其他塊一起，和/或在例行程序中的任何點，來執(zhí)行塊66，從而使得所公開控制方法的實踐不限于圖2所示步驟的嚴(yán)格順序。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，為了允許替代的(和/或補充的)故障檢測步驟而做的另外的修改是顯而易見的。
一般來說，如果沒有檢測到反饋控制誤差，由當(dāng)前反饋控制方案(例如，由位置控制伺服模塊14)所生成的驅(qū)動信號在塊68中被提供為控制信號來控制閥/執(zhí)行器組件。接下來，在允許執(zhí)行伺服控制器例行程序的下一次重復(fù)之前，一對決策塊70和72檢查控制器10的狀態(tài)。在圖2的示范性實施例中，第一狀態(tài)檢查在塊70中判斷操作員是否選擇了新的反饋控制方案，而第二狀態(tài)檢查在塊72中判斷當(dāng)前是否執(zhí)行首要反饋控制方案。這些和其他狀態(tài)檢查可以在例行程序的任意點以連續(xù)或者離散形式執(zhí)行，并且在圖2中為了方便示意而在此點示出。如圖2中示范性實施例所示，控制將環(huán)回到塊64以進(jìn)行伺服控制例行程序的下一次重復(fù)，只要操作員沒有決定要將控制從首要控制方案(例如，位置控制)切換到次要控制方案(例如，壓力控制)。
圖2所示例行程序的剩余部分被導(dǎo)向若干個不同的狀況，在這些狀況中可以將反饋控制從一個反饋控制方案轉(zhuǎn)換到另一個反饋控制方案。在一種狀況中，反饋控制轉(zhuǎn)換可以連同傳感器故障或者與反饋控制方案相關(guān)的其他誤差發(fā)生。例如，塊66可以檢測誤差或者故障并且，結(jié)果是，使控制進(jìn)入塊74，其進(jìn)一步向操作員發(fā)送警告、報警或者其他消息來指示發(fā)生了誤差或者故障。接下來，塊76判斷操作員是否響應(yīng)關(guān)于故障或者誤差的警告、報警或者其他消息而選擇了新的反饋控制方案。這樣，向次要反饋控制方案的轉(zhuǎn)換在控制器10(更具體地說，閥12)運轉(zhuǎn)期間發(fā)生，并且基于與首要反饋控制方案相關(guān)的或者連同其提供的反饋信息。在這種情況下，反饋信息表示與首要反饋控制方案相關(guān)的問題或誤差。盡管有這些問題，控制轉(zhuǎn)換允許閥12保持運轉(zhuǎn)。更一般地說，如圖結(jié)合塊70所示，也執(zhí)行塊78來進(jìn)行由操作員發(fā)起的其他控制方案轉(zhuǎn)換。
根據(jù)所公開控制器和方法的控制方案轉(zhuǎn)換包括控制器10的自治動作。例如，如果操作員沒有響應(yīng)在塊74中生成的警告或報警，或者如果控制器10的實施例沒有包括警告或者報警功能，則在塊80中發(fā)生自治轉(zhuǎn)換。這樣，在有些實施例中，控制器10可以以一種方式被安裝或者配置為，在發(fā)生與首要控制方案相關(guān)的故障、誤差或者問題時后退到次要控制方案。在任何情況下，一旦對與首要控制方案相關(guān)的反饋信息的分析和/或處理導(dǎo)致檢測到故障、誤差或者問題，則在塊80中執(zhí)行的轉(zhuǎn)換操作將反饋控制轉(zhuǎn)換到次要控制方案自治轉(zhuǎn)換的另一個例子包括控制器具有從次要控制方案切換回首要控制方案的實際的狀況。這種狀況可能出現(xiàn)在例如位置傳感器18的問題已經(jīng)被處理(例如，修理位置傳感器18和閥/執(zhí)行器組件之間的聯(lián)結(jié))之后。更具體地說，參照圖2的示范性實施例，在發(fā)生與首要控制方案有關(guān)的故障或者問題之后，作為塊78和80中的一個的執(zhí)行結(jié)果，反饋控制已經(jīng)預(yù)先被切換到次要控制方案(例如，壓力控制)。然后執(zhí)行對包括塊64、66、68、70以及72的循環(huán)的一次或者多次重復(fù)，從而使得壓力伺服控制模塊16(圖1)控制閥12。在對循環(huán)的每次執(zhí)行中，塊72確定控制器10不處于首要控制方案中，則控制進(jìn)入塊82，其查詢引發(fā)初始控制轉(zhuǎn)換的問題是否已經(jīng)被修復(fù)或者處理。如果問題已經(jīng)被修復(fù)，控制進(jìn)入塊84，其實行返回首要控制方案的轉(zhuǎn)換。在每個問題沒有被修復(fù)的例子中，根據(jù)第二控制方案進(jìn)行對塊64的伺服控制例行程序的再次執(zhí)行。在作為替換的實施例中，塊82和84的順序可以包括操作員超馳(operator-override)選項或者其他功能來將控制器10的能力限制為在這些狀況下實行轉(zhuǎn)換。這樣，所公開的控制器和方法可以包括一例行程序，其允許操作員判斷在首要控制方案的問題已經(jīng)處理之后，返回首要控制方案的轉(zhuǎn)換是否以及在何時發(fā)生。
參照圖3，所公開控制器和方法的實施例示出為支持在反饋控制方案之間進(jìn)行更一般地轉(zhuǎn)換(即，不僅僅與故障或者失靈有關(guān))，包括例如從次要控制方案返回首要控制方案的轉(zhuǎn)換。更具體地說，該實施例使得可以通過使用在轉(zhuǎn)換時施加于閥/執(zhí)行器組件的控制信號(或驅(qū)動信號)來在反饋控制方案之間進(jìn)行平滑轉(zhuǎn)換，所述轉(zhuǎn)換進(jìn)一步基于用于得到控制信號(或驅(qū)動信號)的反饋信息。在圖3的示范性實施例中，更加詳細(xì)地示出了圖1的位置控制伺服模塊14和壓力控制伺服模塊16，以包括用于向其他模塊進(jìn)行平滑控制轉(zhuǎn)換的部件和能力。
圖2中示范性實施例的位置和壓力控制伺服模塊14和16均包括，一套被導(dǎo)向基于相應(yīng)的反饋控制信號和設(shè)定點來實現(xiàn)PID控制器，或者比例、積分和微分反饋控制的部件。分別通過線路100和102提供用于位置和壓力控制伺服模塊14和16的反饋信號，以使得可以使用加法器104與設(shè)定點進(jìn)行比較。加法器104，以及兩個伺服控制模塊14和16的本實施例所共有的其他部件，為了便于描述起見，由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識；并且應(yīng)該理解，所公開的控制器和方法的實踐不限于由兩個伺服控制模塊14和16共享這些部件的實施例。例如，根據(jù)一個實施例，對包括兩個分立加法器(或者加法操作)的這兩個分立控制例行程序的執(zhí)行可以連續(xù)和同時發(fā)生。為了這樣的背景計算操作而執(zhí)行一個或多個例行程序的一部分或全部可以方便地為立即使用提供取值，從而消除對任何過渡時期(transition period)的需要，并且避免反饋信息意外丟失的可能以實現(xiàn)過渡。如此處所述，這樣的連續(xù)計算操作不需要進(jìn)行包括在控制方案中的每個計算，而可以僅僅結(jié)合在控制轉(zhuǎn)換期間所必需的計算(例如，積分器調(diào)節(jié)計算)。作為替換地，其他實施例可以為了保留能量而僅僅在控制轉(zhuǎn)換之間執(zhí)行單個例行程序，所述單個例行程序可以調(diào)節(jié)以實現(xiàn)當(dāng)前執(zhí)行的反饋控制方案(即，位置控制，壓力控制，等等)。
比較的結(jié)果，即誤差信號，被提供給在106處一般指示出的比例控制器和在108出一般地指示出的積分控制器。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，每個比例控制器106包括放大器110，其具有被設(shè)置或者調(diào)諧得適當(dāng)?shù)脑鲆嬉陨膳c誤差信號成比例的信號?；诜答佇盘柡头答伩刂品桨钙渌矫娴奶匦圆町?，每個對應(yīng)的伺服控制模塊的增益可以不同。每個積分控制器108包括放大器112，其具有對應(yīng)的增益來為在114處一般地指示出的累加器準(zhǔn)備誤差信號，所述累加器114將誤差對時間進(jìn)行積分。每個累加器114進(jìn)一步包括加法器116和延遲元件118，所述延遲元件118存儲先前積分值并將其返回給加法器116。比例和積分控制器106和108生成的信號和由在120處一般地指示出的微分控制器生成的信號一起，被提供給加法器122來為伺服控制模塊產(chǎn)生對應(yīng)的驅(qū)動信號。每個微分控制器120包括微分指示器124，其生成將反饋信號關(guān)于時間進(jìn)行微分的指標(biāo)，并且放大器126具有如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知設(shè)置或者調(diào)節(jié)的增益。
根據(jù)圖3所示的所公開控制器和方法的示范性實施例，每個積分控制器108還包括允許重置積分值的開關(guān)126。作為轉(zhuǎn)換反饋控制決策結(jié)果而產(chǎn)生的信號可以控制所述開關(guān)126。開關(guān)126不必是物理或者電子開關(guān)，并且可以提供對由累加器114生成的信號或者取值的訪問或者修改能力。在圖3中，這樣的訪問被示為通過置于延遲118下游的開關(guān)126進(jìn)行。作為替換地，開關(guān)126可以訪問延遲118上游的累加器114，或者以其他任何提供對累加器114的內(nèi)容進(jìn)行修改的能力的方式。修改累加器114中的積分取值包括由重置模塊128響應(yīng)來自兩個伺服控制模塊(即，與初始和目標(biāo)控制方案相關(guān)的伺服控制模塊)的信號而進(jìn)行的重置。更具體地說，基于當(dāng)時提供給閥/執(zhí)行器組件的控制信號，重置模塊128為積分控制器108或者累加器114計算新的取值?？刂菩盘栠M(jìn)一步由為反饋控制而執(zhí)行的伺服控制模塊所生成的驅(qū)動信號得出。這樣，一個伺服控制模塊(例如，壓力控制伺服模塊16)的重置模塊128基于當(dāng)前伺服控制模塊(例如，位置控制伺服模塊14)的驅(qū)動信號進(jìn)行計算，而所述驅(qū)動信號進(jìn)一步基于從與當(dāng)前伺服控制模塊相關(guān)的對應(yīng)傳感器接收到的反饋信息。
如圖3所示，每個重置模塊128還響應(yīng)其所在的伺服控制模塊(即，控制被轉(zhuǎn)換到的目標(biāo)伺服控制模塊以及，例如，針對壓力控制伺服模塊16的Pp和Dp)的比例和微分控制器輸出。以這種方式，每個重置模塊128可以執(zhí)行加法操作，其中從來自其他伺服控制模塊的控制或驅(qū)動信號中，減去目標(biāo)伺服控制模塊比例和微分控制器輸出的和(反之亦然)。結(jié)果差值構(gòu)成了由重置模塊128提供的重置取值，以調(diào)節(jié)積分控制器108中的積分電平。
作為上述重置操作的結(jié)果，由目標(biāo)伺服控制模塊生成的驅(qū)動信號被調(diào)節(jié)為等于或者接近由控制從其轉(zhuǎn)換的伺服控制模塊生成的驅(qū)動信號。在任一情況中，使得平滑控制切換變得可能。否則，當(dāng)控制被轉(zhuǎn)換時，閥12可能被導(dǎo)向以突然的、不連續(xù)的方式移動。也就是說，沒有上述調(diào)節(jié)，目標(biāo)伺服控制模塊的驅(qū)動信號可能不等于控制從其轉(zhuǎn)換的伺服控制模塊的驅(qū)動信號?；趯?yīng)傳感器中的運轉(zhuǎn)誤差、為每個對應(yīng)控制器設(shè)置的增益值或者有關(guān)反饋控制方案的其他運轉(zhuǎn)特性，這種不相等可能很大而且不可預(yù)測。
所公開控制器和方法的實踐不限于如圖3所示的控制器部件排列。換句話說，積分控制器108的輸出可以以多種方式被修改，以調(diào)節(jié)目標(biāo)伺服控制模塊的驅(qū)動信號。在一個實施例中(未在圖3中示出)，重置模塊128直接在位于加法器116下游的積分控制器108輸出上操作。以這種方式，由目標(biāo)伺服控制模塊生成的第一驅(qū)動信號可以被設(shè)置為等于其他伺服控制模塊的最后驅(qū)動信號。作為替換地，如圖3所示，重置模塊128調(diào)節(jié)從延遲118向加法器116提供的信號。在這種情況下，在重置模塊128已經(jīng)操作修改積分取值之后，提供給放大器112的誤差信號可以修改積分控制器輸出，從而使得由目標(biāo)伺服控制模塊生成的第一驅(qū)動信號接近，但不是必然等于，其他伺服控制模塊的最后驅(qū)動信號。在任一情況下，針對閥12和閥/執(zhí)行器組件的操作結(jié)果為在反饋控制方案的平滑切換，或者換句話說，無縫切換。
使用例如圖3的累加器重置128的無縫切換操作，可以連同操作員選擇的或者操作員發(fā)起的反饋控制轉(zhuǎn)換一起實現(xiàn)。操作員選擇的轉(zhuǎn)換的一個例子有關(guān)圖2的塊78。然而，基于控制進(jìn)入塊78的狀況，結(jié)合塊78所采取的步驟可以不同。更具體的說，圖4示出了當(dāng)操作員與任何誤差或者警報無關(guān)地發(fā)起控制轉(zhuǎn)換時，根據(jù)所公開的控制器和方法的一實施例所采取的步驟。在這種情況下，塊70使控制進(jìn)入塊78(如圖2所示)，并且為實行轉(zhuǎn)換而采取的步驟可以一般地順著上述結(jié)合圖3的描述進(jìn)行。另一方面，圖5示出了當(dāng)操作員響應(yīng)警報或者反饋控制誤差或者故障的其他指示而選擇反饋控制轉(zhuǎn)換時，根據(jù)所公開的控制器和方法的另一實施例所采取的步驟。
參照圖4，針對包括PID控制器的控制方案示出了一無縫轉(zhuǎn)換例行程序。圖4的例行程序可以連同所有轉(zhuǎn)換狀況使用，但是特別適合于在當(dāng)沒有遇到任何反饋控制誤差、故障或者問題時實現(xiàn)。也就是說，圖4的例行程序假設(shè)初始反饋控制方案(即，控制從其轉(zhuǎn)換的控制方案)正常運轉(zhuǎn)，并且與其相關(guān)的最新的反饋信息足以準(zhǔn)確地表示受控設(shè)備的運轉(zhuǎn)。則該例行程序依賴于該反饋信息以進(jìn)行過渡計算(transition calculation)，如同以上關(guān)于圖3描述的那樣。最后，無縫轉(zhuǎn)換例行程序開始于控制進(jìn)入塊140，在其中從目標(biāo)反饋控制方案接收到反饋信息。接下來在塊142中，基于包括生成自反饋信息和設(shè)定點的誤差信號的計算，針對目標(biāo)反饋控制方案確定初始控制器取值，例如比例和微分控制器取值(Pi，Di)。與目標(biāo)伺服控制方案相關(guān)的其他初始反饋控制計算，例如積分控制器計算，也同樣在此處發(fā)生，但是任何可能根據(jù)所公開控制器和方法而被重置的計算將被延遲直到重置操作之后。接下來在塊144中進(jìn)行重置操作，在該塊中，一般地說，基于初始伺服控制方案的反饋信息而將計算得到的或者存儲的目標(biāo)伺服控制方案取值初始化或者重置。在執(zhí)行次序的較早點(例如，連同圖2的塊64)，或者作為實現(xiàn)塊144的一部分，依賴該反饋信息來確定來自初始伺服控制方案的驅(qū)動信號的過渡取值(transition value)。接下來，考慮到驅(qū)動信號的過渡取值，塊144進(jìn)行計算來初始化目標(biāo)伺服控制方案。例如，可以基于對驅(qū)動信號的過渡值和在塊142中計算出的初始控制器取值的比較，來調(diào)節(jié)圖3的示范性實施例所示的目標(biāo)伺服控制方案的積分控制器108的積分取值(Ii)。
繼續(xù)參照圖4，目標(biāo)伺服控制方案現(xiàn)在準(zhǔn)備好采取反饋控制，并且隨著從初始控制器取值(例如，Pi、Di)和任何初始調(diào)節(jié)的控制器取值(例如，Ii)確定目標(biāo)控制方案的驅(qū)動信號，控制轉(zhuǎn)換在塊146發(fā)生。接下來在塊148中施加所述控制信號來為閥/執(zhí)行器組件生成控制信號。在圖2的示范性實施例中，控制進(jìn)入塊64以進(jìn)行與目標(biāo)反饋控制方案，現(xiàn)在作為當(dāng)前反饋控制方案，相關(guān)的反饋控制例行程序的下一次重復(fù)。
如圖4所示的無縫轉(zhuǎn)換例行程序還可以與非操作員發(fā)起的轉(zhuǎn)換一起執(zhí)行。例如，圖2的塊84給出了在問題得到處理之后控制從次要控制方案轉(zhuǎn)換回首要控制方案的狀況，從而允許首要控制方案正確運作。在識別出問題已經(jīng)得到處理時，可以自治地執(zhí)行塊84，并且因此執(zhí)行圖4的無縫切換例行程序。作為替換地，結(jié)合塊82，操作員判斷首要方案問題是否已經(jīng)得到處理，從而選擇性地確定是否以及何時實現(xiàn)塊84的控制轉(zhuǎn)換。
圖5示出了當(dāng)檢測到關(guān)于當(dāng)前反饋控制方案的問題、誤差或者故障時與反饋控制轉(zhuǎn)換相關(guān)的步驟。參考，例如，圖2中與反饋控制或者傳感器故障相關(guān)的控制轉(zhuǎn)換塊78和80。在這些狀況下，一般地說，尚未知道反饋信息或者其他與當(dāng)前反饋控制方案相關(guān)的信息是否可以被信賴，以準(zhǔn)確地反應(yīng)閥/執(zhí)行器組件的運轉(zhuǎn)。結(jié)果是，根據(jù)圖4所示例行程序的無縫轉(zhuǎn)換，沒有更多，可能并非所期望的。作為代替，在圖5的實施例中，避免了這樣的盲轉(zhuǎn)換。最后，塊150判斷無縫轉(zhuǎn)換是否可用和/或可以進(jìn)行。例如，如果警報表示傳感器故障或者失靈，用戶可選的選項可以使無縫切換失效。如果無縫切換不可以進(jìn)行或者以別的方式可用，控制進(jìn)入塊152，其實現(xiàn)反饋控制轉(zhuǎn)換到另一個控制方案，而不基于與當(dāng)前異常運作的控制方案相關(guān)的反饋信息調(diào)節(jié)任何控制器取值。
當(dāng)操作員使得可以在警報狀況的場合中進(jìn)行無縫轉(zhuǎn)換，或者如果無縫轉(zhuǎn)換一般地可用而無論是否存在警報狀況時，則導(dǎo)向圖5所示例行程序的剩余部分。一般地說，圖5的示范性實施例實現(xiàn)了即將被給定最佳數(shù)據(jù)的無縫轉(zhuǎn)換。最后，塊154訪問存儲在例如轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40(見圖1)的存儲器中的反饋信息記錄，以收集具有無損的或者以其他方式無誤的特性的最近反饋信息。作為該判斷的一部分，所公開的控制器和方法可以包括對那些評估了反饋信息何時變得不值得信任或者以其他方式有錯誤的反饋信息記錄的分析。作為替換地，控制器和方法可以引用與來自特定過去時間點的反饋信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)或者是預(yù)定的或者是由操作員選擇的。接下來，在給定了從存儲器恢復(fù)的反饋信息的塊156中計算針對當(dāng)前反饋控制方案的驅(qū)動信號。隨著得到計算出的驅(qū)動信號，無縫轉(zhuǎn)換操作在塊158中實現(xiàn)，并且可以順著有關(guān)圖4描述的例行程序的步驟。
所公開的控制器和方法的實踐不限于使用在諸如位置控制或者壓力控制的特定類型的反饋機制中。這樣，可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)下或者未來已知的多種傳感器中的任意一種來實現(xiàn)所公開的控制器和方法。在一電平處，可以由何種傳感器最適合特定的受控過程控制設(shè)備，來驅(qū)動對傳感器類型的選擇。所公開的控制器和方法的兼容性存在于，任何能夠提供反饋或者其他表示受控過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的信息的傳感器，并且無論信息表示過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的方式。所公開的控制器和方法的這樣廣泛的兼容性，支持在大量的過程和過程控制場合的實現(xiàn)。
雖然以上結(jié)合包括兩個不同控制方案的控制器和方法描述了實施例，但是所公開的控制器和方法的使用或者實踐不限于兩個方案的場合，也不限于依賴壓力和位置傳感器作為唯一的反饋控制裝置的場合。類似地，該控制器不必要是數(shù)字閥控制器，該方法也不限于結(jié)合閥或者其他氣動驅(qū)動的過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)。更恰當(dāng)?shù)卣f，所公開的控制器和方法的實踐可以結(jié)合任何過程控制設(shè)備而用于任何數(shù)目過程控制的場合，并且結(jié)合除了PID控制之外的不同反饋控制方案。應(yīng)該注意，與控制方案相關(guān)的伺服控制模塊不必要是相同的，并且可以被優(yōu)化為適合該控制方案。
轉(zhuǎn)換和故障檢測模塊40的存儲器可以構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的一部分，其為控制器10所執(zhí)行的任意數(shù)目的前述例行程序，或者為控制器10的任意數(shù)目的前述部件提供存儲器功能。存儲器可以集成于或者分立于控制器10的其他部件，也可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員可用的和公知的設(shè)備中的任意一個來提供。
雖然以上以分立模塊和塊描述和圖示了所公開控制器和方法的部件和方面，但是每個部件或者方面可以通過軟件、硬件和固件的任意組合執(zhí)行或者實現(xiàn)，既可以是分立的，也可以是與所公開控制器和方法的一個或者多個其他部件、模塊或者其他方面相結(jié)合。上述的每個例行程序都可以通過為通用計算機、為處理器或者其他計算機處理器的執(zhí)行而提供的指令來實現(xiàn)，并且可以被存儲于計算機可讀介質(zhì)(例如與處理器結(jié)合的存儲器)中，既可以是單獨地，也可以是與控制例行程序和方法的實現(xiàn)中所包括的任意其他硬件或者固件組合。
更一般地說，所公開的控制器和方法可以在硬件、軟件或者固件的任意組合中實現(xiàn)。一些實施例可以被實現(xiàn)為在可編程系統(tǒng)上執(zhí)行的計算機程序，所述可編程系統(tǒng)包括至少一個處理器或者處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)(包括易失和非易失存儲器和/或存儲元件)、至少一個輸入設(shè)備和至少一個輸出設(shè)備?？墒┘映绦虼a，以輸入數(shù)據(jù)來進(jìn)行此處描述的功能并且生成輸出信息。輸出信息可以以已知的形式被施加到一個或者多個輸出設(shè)備。處理系統(tǒng)可以包括任何具有處理器的系統(tǒng)，所述處理器例如數(shù)字信號處理器(DSP)、微控制器、專用集成電路(ASIC)或者微處理器。
可以在高級程序性或者面向?qū)ο蟮木幊陶Z言中實現(xiàn)這些程序來與處理系統(tǒng)通信。如果需要的話，還可以以匯編或者機器語言來實現(xiàn)這些程序。實際上，所公開的系統(tǒng)和方法的實踐不限于任何特定的編程語言。在任何情況下，該語言可以是編譯性或者解釋性語言。
所述程序可以被存儲在由通用或者專用可編程處理系統(tǒng)可讀的存儲介質(zhì)或者設(shè)備上(例如，軟盤驅(qū)動、只讀存儲器(ROM)、CD-ROM設(shè)備、閃存設(shè)備、數(shù)字通用盤(DVD)或者其他存儲設(shè)備)，從而在處理系統(tǒng)讀取存儲介質(zhì)或者設(shè)備以進(jìn)行此處描述的例行程序或步驟時，配置或者操作所述處理系統(tǒng)。所公開控制器和方法的實施例還可以被考慮為作為機器可讀存儲介質(zhì)實現(xiàn)，其被配置為用于處理系統(tǒng)，其中所述存儲介質(zhì)被配置為促使該處理系統(tǒng)以特定和預(yù)定的方式運轉(zhuǎn)以進(jìn)行此處描述的功能。
以上描述僅僅為了清楚和理解的目的而給出的，不應(yīng)該從中理解出任何不必要的限制，在本發(fā)明范圍內(nèi)的修改對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于過程控制設(shè)備的控制器，所述過程控制設(shè)備具有第一和第二傳感器，該第一和第二傳感器生成表示所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的相應(yīng)反饋信息，所述控制器包括第一伺服控制模塊，其用于基于來自所述第一傳感器的反饋信息生成第一驅(qū)動信號，以根據(jù)第一控制模式控制所述過程控制設(shè)備；第二伺服控制模塊，其用于基于來自所述第二傳感器的反饋信息生成第二驅(qū)動信號，以根據(jù)第二控制模式控制所述過程控制設(shè)備；和反饋控制轉(zhuǎn)換模塊，其用于基于來自所述第一傳感器的反饋信息，將所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的控制從所述第一控制模式轉(zhuǎn)換到所述第二控制模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊包括故障檢測模塊，其能夠檢測出來自所述第一傳感器的反饋信息不再足以表示所述過程控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊響應(yīng)用戶命令，而發(fā)起將所述過程控制設(shè)備的控制從所述第一控制模式轉(zhuǎn)換到所述第二控制模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述第一傳感器是位置傳感器，并且其中所述第二傳感器是壓力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊包括存儲器，其維護(hù)來自所述第一傳感器的反饋信息的記錄，并且其中所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊能夠提取表示最近從所述第一傳感器接收到的無損數(shù)據(jù)的反饋信息的一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制器，其中所述第二伺服控制模塊包括積分控制器部件，其具有一輸出信號，該輸出信號基于表示無損數(shù)據(jù)的反饋信息的所述部分而被調(diào)節(jié)，以最小化在將所述過程控制設(shè)備的控制從所述第一模式轉(zhuǎn)換到所述第二模式期間過程控制設(shè)備的不連續(xù)移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中在準(zhǔn)備將所述過程控制設(shè)備的反饋控制從所述第一模式轉(zhuǎn)換到所述第二模式時，所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊和所述第二伺服控制模塊基于所述第一驅(qū)動信號調(diào)節(jié)所述第二驅(qū)動信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述第二驅(qū)動信號可被調(diào)節(jié)，以便一旦進(jìn)行反饋控制轉(zhuǎn)換時所述第一和第二驅(qū)動信號相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制器，其中所述第二伺服控制模塊包括積分控制器部件，其輸出信號可被調(diào)節(jié)，以便在準(zhǔn)備反饋控制轉(zhuǎn)換時所述第二驅(qū)動信號等于控制信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其中所述積分控制器部件包括累加器，并且在準(zhǔn)備反饋控制轉(zhuǎn)換時所述累加器被重置，從而調(diào)節(jié)所述第二驅(qū)動信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述第二伺服控制模塊基于所述控制信號連續(xù)地計算一調(diào)節(jié)因子，以在所述反饋控制轉(zhuǎn)換模塊的引導(dǎo)下將被用來調(diào)節(jié)所述第二驅(qū)動信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中在從所述第一控制模式到所述第二控制模式的控制轉(zhuǎn)換中，所述第二伺服控制模塊最初根據(jù)所述第一驅(qū)動信號生成所述第二驅(qū)動信號。
13.一種控制過程控制設(shè)備的方法，該方法包括以下步驟生成第一驅(qū)動信號，以根據(jù)第一伺服控制模式控制所述過程控制設(shè)備；生成第二驅(qū)動信號，以根據(jù)第二伺服控制模式控制所述過程控制設(shè)備；根據(jù)所述第一伺服控制模式并且由所述第一驅(qū)動信號生成用于所述過程控制設(shè)備的控制信號；響應(yīng)所述控制信號，接收表示所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的反饋信號；以及基于所述反饋信號，在所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)期間將所述過程控制設(shè)備的控制轉(zhuǎn)換到所述第二伺服控制模式，以便所述控制信號將由所述第二驅(qū)動信號生成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括檢測所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)中的故障。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述故障檢測步驟包括分析所述反饋信號，以確定所述過程控制設(shè)備的與所述第一伺服控制模式相關(guān)的傳感器是否有故障。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述反饋分析步驟、所述故障檢測步驟以及所述控制轉(zhuǎn)換步驟是自治進(jìn)行的。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第一和第二伺服控制模式分別響應(yīng)所述過程控制設(shè)備的位置和壓力傳感器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟維護(hù)所述反饋信號的數(shù)據(jù)記錄，以便所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括從表示來自所述位置傳感器的無損位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄中提取信息。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第二驅(qū)動信號生成步驟包括基于表示來自所述位置傳感器的無損位置數(shù)據(jù)的信息，調(diào)節(jié)與所述第二伺服控制模式相關(guān)的積分控制器。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在所述控制轉(zhuǎn)換步驟發(fā)起前，不執(zhí)行所述第二驅(qū)動信號生成步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二驅(qū)動信號生成步驟包括基于所述反饋信號初始化所述第二驅(qū)動信號。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二驅(qū)動信號初始化步驟包括基于所述反饋信號為所述第一驅(qū)動信號計算過渡取值。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第二驅(qū)動信號初始化步驟包括基于所述第一驅(qū)動信號的過渡取值，調(diào)節(jié)與所述第二伺服控制模式相關(guān)的積分控制器的輸出。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述積分控制器調(diào)節(jié)步驟包括設(shè)置所述第二驅(qū)動信號等于所述第一驅(qū)動信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟接收表示所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的第二反饋信號。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括基于所述第一次提到的反饋信號生成所述控制信號的過渡電平，并且其中所述第二驅(qū)動信號生成步驟包括基于所述第二反饋信號和所述控制信號的過渡電平，計算所述第二驅(qū)動信號的初始電平。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述初始電平計算步驟包括從所述第二反饋信號計算比例和微分控制器取值，并且其中所述初始電平計算步驟包括基于所述控制信號的過渡電平相對于所述比例和微分控制器取值之和的差異，重置與所述第二伺服控制模式相關(guān)的積分控制器的累加器輸出。
28.一種用于控制過程控制設(shè)備的方法，所述過程控制設(shè)備具有第一和第二傳感器，該第一和第二傳感器生成表示所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的相應(yīng)反饋信息，該方法包括以下步驟基于來自所述第一傳感器的反饋信息生成第一驅(qū)動信號；將所述第一驅(qū)動信號提供給所述過程控制設(shè)備，以控制所述過程控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)；以及通過基于所述第一驅(qū)動信號初始地生成第二驅(qū)動信號，將所述過程控制設(shè)備的控制轉(zhuǎn)換到基于所述第二傳感器的第二驅(qū)動信號。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括基于對來自所述第一傳感器的反饋信息的分析，檢測所述第一傳感器是否有故障。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述控制轉(zhuǎn)換步驟包括調(diào)節(jié)用于生成所述第二驅(qū)動信號的積分控制器。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括采用來自所述第一傳感器的反饋信息的過去取值，而獲得用于所述控制轉(zhuǎn)換步驟的無損數(shù)據(jù)。
全文摘要
此處公開一種用于將過程控制設(shè)備的控制在第一和第二控制模式之間轉(zhuǎn)換的控制器和方法。所述控制器包括第一和第二伺服控制模塊，其分別基于來自第一和第二傳感器的反饋信息生成第一和第二驅(qū)動信號，以根據(jù)第一和第二控制模式對過程控制設(shè)備進(jìn)行控制。所述控制器還包括反饋控制轉(zhuǎn)換模塊，其基于來自所述第一傳感器的反饋信息將所述過程控制設(shè)備運轉(zhuǎn)的控制從所述第一模式轉(zhuǎn)換到所述第二模式。在有些實施例中，這樣的控制轉(zhuǎn)換包括一控制例行程序例行程序，其基于所述第一驅(qū)動信號初始地生成所述第二驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)所述控制模式之間的平滑的、無縫的轉(zhuǎn)換。
文檔編號G05B11/00GK1993660SQ200580026633
公開日2007年7月4日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者吉米·L·斯諾伯格, 斯蒂芬·G·斯?fàn)柌? 李多利·平格 申請人:費希爾控制產(chǎn)品國際有限公司