專利名稱：自動間隙估計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
1本發(fā)明總的涉及控制系統(tǒng)中間隙的檢測和估計。特別的，本發(fā) 明涉及一種用于控制系統(tǒng)中間隙的自動估計的方法，該控制系統(tǒng)包括控制 器和將被控制的過程，其中所述控制器能夠采用 一個或多個控制器參數(shù)來 執(zhí)行對所述過程的積分控制，以相對于所述過程的過程輸出信號的設(shè)定點 值控制所述過程的所述過程輸出信號。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于間隙的這樣 的自動估計的相關(guān)設(shè)備、控制系統(tǒng)和計算機程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
2任意控制系統(tǒng)包括一個或多個可控構(gòu)件，通過其控制過程?？?制閥門可能是這樣的可控構(gòu)件的最普通的示例。如工業(yè)控制有關(guān)的任意人 員所熟知的，控制閥門遭受磨損。操作一段時間后，該磨損導(dǎo)致使控制性 能惡化的摩擦和間隙。因此，在過程控制中閥門已經(jīng)被認(rèn)為是環(huán)路級的問 題的主要源頭。
3具有高級靜態(tài)摩擦(靜摩擦)的閥門導(dǎo)致造成控制環(huán)路振蕩的 粘滑運動。隨著摩擦量的增大，定位器和閥門致動器中的聯(lián)接機構(gòu)中的間 隙也增加。該間隙給控制環(huán)路增加了時間延遲，其惡化了控制。由于過程 控制應(yīng)用中的控制環(huán)路經(jīng)常被耦合到周圍的控制環(huán)路，所以也存在由一個 環(huán)路中的間隙造成的擾動將被傳播到其它環(huán)路的風(fēng)險。
4當(dāng)靜摩擦或間隙變大，當(dāng)然該閥門將被修理或更換。但是這通 常在不中斷過程的情況下不能被完成。由此原因，以及其它經(jīng)濟原因，感 興趣于試圖保持該閥門運行盡可-能長的時間。假設(shè)靜摩擦或間隙的程度或 量對于所釆用的補償方法是已知的，則靜摩擦和間隙可采用有效的方法被 補償。
5即使由靜摩擦和間隙造成的問題是嚴(yán)重的，過程控制工廠中的 操作者也經(jīng)常不能發(fā)現(xiàn)它們。主要原因在于人員的減少已經(jīng)導(dǎo)致每個操作 者簡單地具有太多的控制環(huán)路要管理的情形。因此，在過去的十年中對于 自動性能監(jiān)控的程序的研究已經(jīng)非常活躍。在最近這些年中這樣的程序的工業(yè)應(yīng)用也已經(jīng)快速增加。關(guān)于靜摩擦，已知多種自動方法用于檢測具有 靜摩擦的控制環(huán)路。在另一方面，對于間隙，在現(xiàn)有技術(shù)中沒有有效的自 動檢測或估計程序是已知的。代替的，過程控制操作者已需要手動調(diào)查。 現(xiàn)在將簡要描述根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)這樣的手動調(diào)查的 一個示例。
6圖1示出具有間隙的控制環(huán)路的框圖，控制環(huán)路包括控制器C 和將被控制的過程戶?？刂破鰿接收設(shè)定點值信號力p和過程輸出信號y 作為輸入，且產(chǎn)生控制信號u作為輸出?？刂破鬏敵鰑不是直接地輸入到 過程P;更確切的，其經(jīng)過間隙，給出真實的過程輸入Ub。圖2圖示了間 隙的函數(shù)，由間隙造成的死區(qū)被標(biāo)記為d。當(dāng)控制信號u被反轉(zhuǎn)時，過程 輸入Ub保持恒定直到u已經(jīng)通過死區(qū)d。
7圖1的控制環(huán)路中的間隙的量能夠通過圖3所示的程序容易地 被手動地確定。在圖3中，上圖示出過程輸出信號y,下圖示出控制信號 u。實驗以相同方向的控制信號u的兩個步驟的變化開始。如果第一步驟 足夠大，間隙的影響不出現(xiàn)在第二步驟。隨后在相反的方向進(jìn)行第三步驟。 現(xiàn)在，在閥門移動之前，控制信號u必須通過整個間隙。如果最后兩個步
驟是相同的大小，間隙是d-Ay ，其中Aj;是第二和第三步驟之后的過程
輸出之間的差值(參看圖3),而Kp是靜態(tài)過程增益(也可以從圖3容易 的得到)。每當(dāng)控制系統(tǒng)操作者檢查控制環(huán)路時，可以采用該手動程序。
8但是，如已經(jīng)解釋的，在不同的工業(yè)領(lǐng)域中存在減少過程控制 工廠中的人員的發(fā)展趨勢。從而，控制環(huán)路的手動檢查之間的時間經(jīng)常長。 因此，在不同的工業(yè)領(lǐng)域中能夠自動地檢測和估計間隙的量(即無需人員 操作者任意投入)是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
9從上面可知，本發(fā)明的目的在于解決或至少減小上面討論的問 題。更具體的，本發(fā)明的實施例意于提供控制環(huán)路中間隙的量的自動檢測 和估計。而且目的在于使得這樣的自動間隙估計在存在的、實際的過程控 制應(yīng)用中易于實現(xiàn)。這樣，本發(fā)明人已經(jīng)意識到這樣的自動間隙估計應(yīng)該 基于來自控制系統(tǒng)的普通操作數(shù)據(jù)，即沒有必須由控制系統(tǒng)操作者提供的 參數(shù)或其它指導(dǎo)的形式的用戶輸入。
10總地，上述目的通過根據(jù)所附的獨立的權(quán)利要求的方法、設(shè)備、 控制系統(tǒng)和計算機程序產(chǎn)品來獲得。11本發(fā)明的第一方面是一種用于控制系統(tǒng)中間隙的自動估計的方 法，該控制系統(tǒng)包括控制器和將被控制的過程，其中所述控制器能夠使用 一個或多個控制器參數(shù)來執(zhí)行所述過程的積分控制，以相對于所述過程的
過程輸出信號的設(shè)定點值控制所述過程的過程輸出信號。該方法包括
12監(jiān)控所述過程輸出信號以確定反映時間間隔期間所述過程輸出
信號的設(shè)定點值和真實值之間的瞬間差異的值；和
13從所述所確定的值和所述一個或多個控制器參數(shù)來估計間隙。14本方法的實施例包括在所述時間間隔期間積分所述過程的控制
誤差并確定所述值為
'i+i
其中At = tw -"且e = ysp - y =[所述過程輸出信號的設(shè)定點值]-[所述過程輸出信號的真實值]。
15在本方法的實施例中，通過檢測所述過程輸出信號相對于其設(shè) 定點值的第一零交叉點來確定所述時間間隔的起始時間，且通過檢測所述 過程輸出信號相對于其設(shè)定點值的第二零交叉點來確定所述時間間隔的 纟冬止時間。
16有利地，間隙被估計為
- f) A、v
其中
i是由所述間隙造成的死區(qū)的估計，
K和Ti是所述控制器用于執(zhí)行所述過程的積分控制所采用的控制器 參數(shù)，
Af是所述時間間隔，
△ y是反映所述過程輸出信號的設(shè)定點值和真實值之間的瞬間差異的 所述值，和
Kp是所述過程的靜態(tài)過程增益。17
一個實施例包括設(shè)置Kp為預(yù)定常數(shù)，例如大體上等于1。18典型地，間隙是可控構(gòu)件造成的，諸如控制系統(tǒng)中的機械的、 磁的、電的、氣動的或液壓的閥門。在這樣的情況中，該方法可包括4全證 從所述控制器到所述可控構(gòu)件的控制信號以及所述過程輸出信號都是緩慢變化信號，其中所述估計間隙的步驟僅當(dāng)成功的驗證時執(zhí)行。
19更具體的，通過測試所述時間間隔與所述控制系統(tǒng)的閉環(huán)時間 常數(shù)相比是否長來執(zhí)行所述緩慢變化信號的驗證。
20在一個實施例中，通過使所述閉環(huán)時間常數(shù)接近所述一個或多
個控制器參數(shù)中的時間常數(shù)和檢查所述時間間隔是否超出由所述時間常 數(shù)與預(yù)定常數(shù)相乘計算的閾值來執(zhí)行所述測試。換句話說，在此實施例中，
通過檢查是否At ^ ^*&來執(zhí)行測試，其中N是考慮到實際實現(xiàn)適當(dāng)選 擇的正數(shù)。僅當(dāng)該測試成功時，確定或信任該間隙估計。在一個實施例中， N^f皮設(shè)置為5。
21有利的，該方法還包括防止負(fù)載擾動，即通過找出所述時間間 隔期間所述過程輸出信號的設(shè)定點值和真實值之間的最大絕對差，驗證所 述最大絕對差沒有超出閾值，其是反映所述過程輸出信號的設(shè)定點值和真 實值之間的瞬間差異的所述所確定的值的函數(shù)，和僅當(dāng)成功的驗證時執(zhí)行 所述估計間隙的步驟。
22通過所述所確定的值與預(yù)定常數(shù)相乘來計算所述閾值。因此， 在此實施例中，通過檢查是否最大絕對差 x ^ ,Ay來確保防止負(fù)載擾動，
其中M是考慮到實際實現(xiàn)而適當(dāng)選擇的正數(shù)，且僅當(dāng)該檢查成功時，確定 或信任該間隙估計。在一個實施例中，M被設(shè)置為2。
23本發(fā)明的第二方面是用于控制系統(tǒng)中間隙的自動估計的設(shè)備， 控制系統(tǒng)包括控制器和將被控制的過程，其中所述控制器能夠使用 一個或 多個控制器參數(shù)來執(zhí)行所述過程的積分控制，以相對于所述過程的過程輸 出信號的設(shè)定點值控制所述過程的過程輸出信號。該設(shè)備包括
24用于監(jiān)控所述過程輸出信號以確定反映時間間隔期間所述過程 輸出信號的設(shè)定點值和真實值之間的瞬間差異的值的裝置；和
25用于從所述所確定的值和所述一個或多個控制器參數(shù)來估計間 隙的菜置。 、--
26有利的，所述用于監(jiān)控的裝置和所述用于估計的裝置由所述控 制器的處理器來實現(xiàn)?？蛇x的，所述裝置可由處理器件(例如CPU (中央 處理器)或DSP (數(shù)字信號處理器))或任意其它電子的、可編程的和/或 邏輯的器件或任意合適的電子儀器中的器件的組合來實現(xiàn)，包括但是不限 于任意種類的計算機，或一個或多個集成電路。
27本發(fā)明的第三方面是具有控制器和將被控制的過程的控制系統(tǒng)，其中所述控制器能夠使用 一個或多個控制器參數(shù)來執(zhí)行所述過程的積 分控制，以相對于所述過程的過程輸出信號的設(shè)定點值控制所述過程的過
程輸出信號。該控制系統(tǒng)具有
28用于監(jiān)控所述過程輸出信號以確定反映時間間隔期間所述過程 輸出信號的設(shè)定點值和真實值之間的瞬間差異的值的裝置；和
29用于從所述所確定的值和所述一個或多個控制器參數(shù)來估計間 隙的裝置。
30本發(fā)明的第四方面是一種計算機程序產(chǎn)品，包括當(dāng)由處理器執(zhí) 行時適合于執(zhí)行根據(jù)第一方面的任意方法的步驟的程序代碼裝置。
31第二至第四方面總的具有與第一方面相同的目的和優(yōu)點，和相 同或直沖妄對應(yīng)的4爭4正。
32從下面詳細(xì)的公開、從所附的從屬權(quán)利要求和從附圖中將給出 本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點。
33總的，除非在此以其它方式清晰限定，權(quán)利要求中釆用的全部 術(shù)語將根據(jù)在本技術(shù)領(lǐng)域中它們的普通意義來解釋。除非以其它方式清晰 的陳述，對于所有提及的"一/該[元件、器件、部件、裝置、步驟等]"將 被開放地解釋為涉及所述元件、器件、部件、裝置、步驟等的至少一個例 子。除非清晰的陳述，此處公開的任意方法的步驟不是必須以所公開的確 切順序來執(zhí)行。


34參考所包含的附圖，現(xiàn)在將較詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施例，其
中
圖1是具有間隙的控制環(huán)路的框圖。 圖2圖示了圖1所示的控制環(huán)路中的間隙的函數(shù)。. -圖3圖示了手動間隙估計。
圖4圖示了間隙的描述函數(shù)的負(fù)倒函數(shù)。 圖5圖示了具有間隙的積分過程的控制。 圖6圖示了具有間隙的穩(wěn)定過程的控制。
圖7圖示了當(dāng)控制具有間隙的穩(wěn)定過程時發(fā)生的控制性能惡化。
圖8圖示了圖6中所示的圖的一部分。
圖9圖示了#4居一個實施例的自動間隙估計方法的流程圖。圖10圖示了用于圖9中所示的自動間隙估計方法的框架程序代碼。 圖11是作為本發(fā)明可應(yīng)用于其中的環(huán)境的示例的控制系統(tǒng)的示意性 圖示。
圖12-14是來自在圖11的環(huán)境中執(zhí)行的工業(yè)測試的圖。 圖15-17是圖示間隙補償?shù)挠绊懙膱D。
具體實施例方式
35現(xiàn)在將較詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施例。但是，在此之前，將給 出間隙的理論介紹。在所公開的實施例的自動間隙估計的描述之后，將簡 要地涉及某些工業(yè)測試。最后，將討論間隙補償，基于由于本發(fā)明而獲得 的所估計的間隙有利地執(zhí)行該間隙補償。
36對間隙的理論介紹
再次參考圖1和2中所示的控制環(huán)路和死區(qū)圖示。間隙的描述函數(shù) Yn是
37其中a是輸入幅值且d是在圖2中給出的間隙。在圖4中示出 該間隙的描述函數(shù)的負(fù)倒函數(shù)(實線)。圖4也示出了當(dāng)積分過程 Pl = e—。'2s/(s(l + 0.8s))(虛線)和穩(wěn)定過程P2 =1/(1 + 3)4)(點畫線)
分別被PID控制器控制時所獲得的2個環(huán)路傳遞函數(shù)的尼查斯特圖。
38從此圖中，可以得出結(jié)論，由具有積分器的控制器控制的積分
過程導(dǎo)致極限環(huán)。在另一方面，合理調(diào)整的穩(wěn)定過程將不給出極限環(huán)。
39由于d在其出現(xiàn)在(l)中的每一位置除以a,所以描述函數(shù)的
.形狀不依賴于d。這有個有趣結(jié)果。其意味著間隙的幅值d將影響振幅，
但是由于與尼奎斯特圖的相交發(fā)生在相同位置，振蕩周期將保持相同而與
間隙的幅值無關(guān)。
40在本文的全文中，假定圖1的控制器C是PID控制器。這是實 踐中最經(jīng)常的情況。但是，此處呈現(xiàn)的結(jié)果能夠相當(dāng)容易地對于具有積分 作用的其它控制器被修改。
41在下列示例中采用的PID控制器具有結(jié)構(gòu),HJT(—"(f) + ^丫 ("—&的)必一&，。 (2)
42其中u是控制器輸出，y^是設(shè)定點，yf是所濾波的過程輸出， 且控制器參數(shù)是增益K,積分時間Ti和微分時間Td。該控制器具有在比例 項和微分項都等于0的設(shè)定點權(quán)重。這在工業(yè)控制器中是普通的。該過程 輸出通過二階低通濾波器濾波
，="，， (3 )
43其中Y和Yf分別是過程輸出和所濾波的過程輸出的拉普拉斯 變換。二階濾波器被用于保證在控制器中的高頻滾降(roll off),且濾波器 時間常數(shù)是^V = &/5。如果釆用PI控制器，則建議采用濾波器時間常
數(shù)T產(chǎn)Ti/10。1 , ,一、 ，、" t 、 、曰；:、口 、 、 '口曰5
示例1 -具有間隙的積分過程的控制45傳遞函數(shù)為
的積分過程被具有參數(shù)
= 1.9 K = 2,4 = 0A7
的形式(2)的PID控制器控制。
46采用已知為MIGO的設(shè)計方法來獲得控制器參數(shù)。在控制環(huán)路 中引入5%^ = 0-05)的間隙。
47圖4示出了環(huán)路傳遞函數(shù)的尼套斯特圖和間隙的負(fù)倒描述函數(shù)。 該曲線相交，其表示極限環(huán)將發(fā)生。該描述函數(shù)分析預(yù)測了具有4.4%的 過程輸出信號的幅值和7.7s的振蕩周期的極限環(huán)。
48圖5示出了模擬結(jié)果，其中在t^0時產(chǎn)生設(shè)定點變化，且在t =100在過程輸入應(yīng)用負(fù)載擾動。如圖中所見，控制環(huán)路振蕩。過程輸出 的幅值是3.2%,且振蕩周期是5.7s。這非常接近于描述函數(shù)分析所預(yù)測 的。
示例2-具有間隙的穩(wěn)定過程的控制49傳遞函lt為(5)
的過程被具有參數(shù)
的形式(2)的PID控制器控制。
50采用MIGO設(shè)計方法來獲得控制器參數(shù)。在控制環(huán)路中引起5 % W = 0'05)的間隙。
51圖4示出了環(huán)路傳遞函數(shù)的尼查斯特圖和間隙的負(fù)倒描述函數(shù)。 該曲線不相交，其表示不發(fā)生極限環(huán)。
52圖6示出了模擬結(jié)果，其中在1 = 0時產(chǎn)生設(shè)定點變化，且在t =100在過程輸入應(yīng)用負(fù)載擾動。而且，具有1%的標(biāo)準(zhǔn)偏差的噪聲被添 加到過程輸出。該圖示出即使沒有如先前的示例的極限環(huán)，也存在由間隙 造成的控制的嚴(yán)重惡化。由于噪聲，該控制誤差將永不被解決。每當(dāng)過程 輸入的變化率被反轉(zhuǎn)，該控制信號必須通過死區(qū)。這意味著將存在過程輸 出的低頻擾動。
53描述函數(shù)分析和示例說明了當(dāng)間隙被引入控制環(huán)路時產(chǎn)生的控 制問題。積分過程被具有積分作用的控制器控制的控制環(huán)路將進(jìn)入極限環(huán) 振蕩。這些振蕩可以被本身已知的振蕩檢測程序檢測。
54除了極端地滯后占支配地位的過程，用于穩(wěn)定過程的控制環(huán)路 通常將不進(jìn)入極限環(huán)振蕩。但是，即使在這些情況下，控制性能仍惡化。 這在圖7中圖示。該圖示出當(dāng)由出現(xiàn)在如上面示例2所呈現(xiàn)的控制環(huán)路中 的間隙造成的負(fù)載擾動時，IAE ("絕對誤差積分")值(左圖)和峰值誤 差emax (右圖)如何增加。實線對應(yīng)于10%的負(fù)載變化，且虛線對應(yīng)于20 %的負(fù)載變化。即使e^x是非常噪聲敏感的，隨著間隙d的增加，IAE值 和emax都增加。該增加依賴于負(fù)載擾動的量值。該結(jié)果與先前.已知的是非 常一致的。 --
55間隙在控制環(huán)路中引入死區(qū)時間。此死區(qū)時間的長度依賴于數(shù) 個狀態(tài)和參數(shù)。僅當(dāng)控制信號作用被反轉(zhuǎn)時出現(xiàn)死區(qū)時間。死區(qū)時間是控 制信號通過死區(qū)所花費的時間。低積分增益K/Tj給出長的死區(qū)時間。如果 控制誤差大，則該死區(qū)時間變短。這意味著對于大的負(fù)載擾動的死區(qū)時間 比對于專交小者短。這解釋了圖7所示結(jié)果。
56由于振幅相當(dāng)小，具有間隙的穩(wěn)定環(huán)路通常不被振蕩檢測程序檢測出。
57現(xiàn)在將提出用于這些過程的新的自動檢測和估計程序。 自動間隙估計
58現(xiàn)在將描述根據(jù)一個實施例的自動間隙估計的方法。該方法僅 處理穩(wěn)定過程。如前所述，具有間隙的積分過程將導(dǎo)致振蕩控制環(huán)路，其 能夠被本領(lǐng)域已知的程序檢測。
59自動間隙估計方法一般操作在如圖1中所示的控制環(huán)路?？刂?器C是PID控制器(或具有積分作用的任意其它類型控制器)，其可操作 用于產(chǎn)生控制信號
; 力，其中
e二少印一少
60圖8示出了圖6中給出的模擬的一部分。過程輸出信號y已經(jīng)
通過濾波器(3)濾波。這意味著呈現(xiàn)在圖8中的過程輸出信號是進(jìn)入PID
算法的信號。該信號示出當(dāng)穩(wěn)定過程被具有積分作用的控制器控制時和當(dāng)
在控制環(huán)路中存在間隙時所獲得的典型的圖案。當(dāng)控制信號u偏移穿過由
間隙造成的死區(qū)時，該過程輸出信號y與設(shè)定點距離Ay。當(dāng)控制信號已經(jīng)
變化量A",該過程輸出信號朝設(shè)定點ysp移動。當(dāng)過程輸出信號y穿越設(shè)
定點時的時間點在圖8中被標(biāo)記在t = 40和t = 60。這些零交叉點之間的時 間是A亡=ti+〗一ti。
61控制信號的變化A"主要由控制器C的積分部分造成。這意味
<formula>formula see original document page 14</formula>參見圖8。
62如果信號變化慢，過程動態(tài)可被忽視，且過程輸出信號y和控 制信號u之間的關(guān)系主要由靜態(tài)過程增益Kp確定。更具體的，Kp是瞬態(tài) 之后y的變化和u的變化之間的關(guān)系，前者的變化由后者的變化造成。因此，該關(guān)系是
~ = ( 9 )
63其中A"^是間隙結(jié)束和閥門移動的A"的部分。這意味著 Aw = Aw,咖+ <i (10)
64從公式(7)到(10),獲得了用于估計間隙的下述等式 ,、 A' Av/ii'1 、
丄i: ~ H:Apy- (11)
65間隙估計量(11)假設(shè)信號變化慢。檢查這個的方便的方式是 查看相比于整個控制系統(tǒng)(包括控制器C和被控制的過程P)的閉環(huán)時間 常數(shù)A^是否長。由于整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)時間常數(shù)典型地未知，有利的應(yīng) 用Ti與閉環(huán)時間常數(shù)密切相關(guān)的事實，其中Tj是PID控制器C的控制器 參數(shù)的其中一個且因此是已知的。因此，所公開的實施例包括通過測試是 否At 2 5&來驗證控制信號u和過程輸出信號y都是緩慢變化的信號的步 驟。僅僅如果這個標(biāo)準(zhǔn)滿足時，才執(zhí)行估計。
66在線確定間隙所需的信息是控制器參數(shù)K和Ti,和靜態(tài)過程增 益Kp。而且，有必要以(8)測量Ay (即積分零交叉點之間的控制誤差e) 和這些零交叉點之間的時間"。
67由于過程增益Kp典型地未知，所以該增益被用于算法中的事 實需要一些考慮。在另一方面，估計J對Kp的估計中的誤差相當(dāng)不敏感。 為明白這點，
68由于假設(shè)At ^ 5&，所以括號中的第一項總是大于5。對于應(yīng) 用到不是延遲占支配地位(delay - dominated )的過程的良好調(diào)整的控制 器，乘積KKp通常大于0.5。這意味看(l2)中的第一項占支配地位且間 隙估計量(11)對于Kp的誤差不敏感-。由于工業(yè)控制器通常與歸一化信 號一起工作，Kp= 1方便地用作缺省值。
69噪聲不造成零交叉點是重要的。因此，過程輸出信號y不僅通 過二階濾波器(3)濾波，而且在該信號在估計程序中被處理之前應(yīng)用附 加的二階濾波器。在本文提出的示例中，該后一濾波器的時間常數(shù)是T/2。
70如此的在線程序應(yīng)該具有安全網(wǎng)。在公開的實施例中，由于負(fù) 載擾動可以惡化間隙估計，這樣的安全網(wǎng)的一個要素是防止負(fù)載擾動。為
為/
寫一
重M 一"了檢查過程輸出信號具有類似于圖8中的過程輸出信號的形式，僅當(dāng)
emax S 2Aj/時執(zhí)行估計，其中emax是間隔[ti,ti + ,]中的最大控制誤差的絕對值。
71這個安全網(wǎng)的其它要素不得不在工業(yè)領(lǐng)域測試期間被開發(fā)。
72這樣，根據(jù)此實施例的自動間隙估計方法包括下列步驟，其也 在圖9的流程圖中示出
73在第一步驟100,初始化必要的變量和計數(shù)器。隨后，在步驟 110監(jiān)控過程輸出信號y (如上所述被濾波的)的相對于設(shè)定值ysp的第一 零交叉點。 一旦已經(jīng)檢測到第一零交叉點，執(zhí)行進(jìn)行到步驟120,其中控 制誤差e被積分直到在步驟130已經(jīng)檢測到第二零交叉點。
74隨后，在步驟140,第一和第二零交叉點之間的時間間隔A/被
確定。在下面的步驟150中執(zhí)行對緩慢改變信號y， u的前述檢查。如果
測試失敗，則執(zhí)行結(jié)束；否則執(zhí)行進(jìn)行到步驟160，在該步驟中如在(8) 中解釋的計算~。
75步驟170是前面解釋的防止負(fù)載擾動步驟。如果認(rèn)為負(fù)載擾動 足夠小，即如果e冊x ^ 2Ay，在步驟iso中計算間隙估計^;否則執(zhí)行 結(jié)束。
76描述間隙估計量的框架代碼在圖10中給出。
77自動間隙估計方法的功能性可由在實際實現(xiàn)中可得到的任意合 適儀器執(zhí)行。例如，如之后參考工業(yè)測試和圖11所看到的，該功能性可 由實現(xiàn)PID控制器C(如由圖11中控制環(huán)路30的PID1控制器32實現(xiàn)的， PID1控制器具有可編程CPU33,其帶有能夠存儲程序代碼和工作數(shù)據(jù)的 相關(guān)的存儲器34。)的硬件儀器中的處理器或其它邏輯器件的適當(dāng)?shù)木幊?執(zhí)行。可選地，再次參看圖11,當(dāng)傳統(tǒng)計算機50 (諸如個人計算機、工 作站、膝上型計算機或手持計算機)適當(dāng)?shù)乇痪幊滩Ⅰ詈系奖豢刂频倪^程 P妁控制器-C (PID1控制器-32)時，自動間隙估計方法的功能性可由該傳 統(tǒng)計算機50執(zhí)行。
78自動間隙估計方法的結(jié)果，即間隙估計j,可以以任意合適的 方式呈現(xiàn)于控制系統(tǒng)操作者(參見圖11中52)，例如通過運行在計算機 50中的軟件的方式，和/或通過控制器C (圖11中的PID1控制器32)的 用戶接口的方式。如在實際實施中所期望的，該結(jié)果可以以不同的方式凈皮 采用。其可以用作所檢測的間隙的簡單指示(例如，當(dāng)S超過指示顯著間隙的閾值時)，或間隙存在的量的估計，或作為對服務(wù)/維護(hù)人員關(guān)于可控 構(gòu)件(例如圖11中的岡門38)需要服務(wù)、修理或更換的報警觸發(fā)器，或 作為到與間隙估計方法相關(guān)執(zhí)行的間隙補償方法的補償步驟的輸入數(shù)據(jù)。 對于關(guān)于間隙補償?shù)倪M(jìn)一 步信息參見本說明書的最后部分。
79因此，綜上得出，用于間隙估計的新的自動方法(在線程序) 已經(jīng)被呈現(xiàn)。其通過/>式(12)給出，且一些進(jìn)一步特征在圖9和10中 總結(jié)。該估計方法是自動的，相信其有利于其在過程控制工業(yè)被接受。該 估計方法可以以許多方式被采用。首先，其可以以類似于本身已知的振蕩 檢測程序的方式用作;險測程序。根據(jù)該方法，零交叉點之間的控制性能被 研究?？梢缘贸鼋Y(jié)論，如果間隙檢測率變高，則間隙存在于環(huán)路中。
80如果檢測出間隙，且如果所估計的間隙值是接近的，則也可以 得出關(guān)于間隙的量的結(jié)論。如果目的不僅是檢測間隙還要補償它，則這是 必要的。
81如果靜摩擦存在于控制環(huán)路中，則由估計方法所估計的間隙是 間隙和由靜摩擦造成的死區(qū)的總和。由于間隙補償器將不僅補償間隙還補 償靜摩擦，所以相信這是好的特征。
82在上面間隙估計量的推導(dǎo)中，假定將采用PID控制器。但是技
術(shù)人員對于具有積分作用的其它控制器修改該方法是容易的。 工業(yè)性測^式
83間隙估計方法已經(jīng)在造紙廠中的流量控制環(huán)5^上進(jìn)行測試。此 環(huán)境在圖11中被示意性的圖示，該圖上面已經(jīng)涉及。過程部分是管道12, 其中紙漿從回收紙漿塔10被傳送到罐60。 PID控制器(PID1) 32控制通 過閥門38的紙漿流量并因此形成一個控制環(huán)路30。過程輸出y是紙漿流 量，由流量檢測器(F) 36測量為在范圍0-900m3/h內(nèi)，且控制器輸出u 范圍是0-100%。
-84設(shè)定點-ysp是外部的且由下游的罐60處的液位控制器(PID2〕 給出。這意味著流量控制器42在級聯(lián)配置中形成從屬控制環(huán)路40。紙漿 流由包含在另一控制環(huán)路20中的且使用壓力檢測器26的壓力控制器 (PIDO ) 22控制的泵28驅(qū)動。
85流量控制器和壓力控制器互相作用。為了減少該互相作用，通 過在環(huán)路中引入具有20s的時間常數(shù)的低通濾波器，通常相當(dāng)快的流環(huán)路 的帶寬已經(jīng)減小。86執(zhí)行手動測試以檢查閥門中的間隙的量。在圖12中示出結(jié)果。 控制器輸出首先增加以確保間隔關(guān)閉。由于流量增加，當(dāng)控制信號處于最
終值11 = 39%時間隙被關(guān)閉。隨后控制器輸出反轉(zhuǎn)并以1°/。的步幅減小。最
初的步幅不會導(dǎo)致任意流量減小，指示控制信號位于死區(qū)內(nèi)。但是，由值
u =36%開始的步幅給出流量減小，表示在這個控制信號值附近間隙被關(guān) 閉。測試示出間隙大約為d = 3%。
87流量控制器是具有參數(shù)K-0.6和Ti二28s的PI控制器。在控 制器中采用的信號被歸一化到范圍[O,l]。靜態(tài)過程增益被估計為Kp=1.3。
88圖13示出了所做的大約4000s的記錄的結(jié)果。上圖示出外部 設(shè)定點(噪聲信號)和過程輸出(流量)。下圖示出控制信號。所估計的 間隙值在上圖中被指示。由于振蕩的設(shè)定點，所以環(huán)路是振蕩的。設(shè)定點 振蕩可能由間隙造成的流量改變產(chǎn)生。圖13示出在測試期間間隙被檢測5 次，間隙估計范圍從2.5%到3.1%。這些估計接近于在圖12中由手動測 試獲得的那些。
89設(shè)定點改變可擾動間隙估計量。如果測試emax《2A;;不存在，
在測試期間將獲得15個檢測，尤其是最后兩個主設(shè)定點變化將給出非常 大的間隙估計。
90為了消除由外部設(shè)定點造成的擾動，也執(zhí)行了具有固定內(nèi)部設(shè) 定點的實驗。圖14示出這樣的測試的結(jié)果。上圖示出恒定內(nèi)部設(shè)定點和 過程輸出(流量)。下圖示出控制信號。所估計的間隙值被指示在上圖中。
91比較圖13和圖14，明顯看出，由外部設(shè)定點造成的振蕩已經(jīng) 消失。圖14示出存在一些低頻擾動。它們可能由來自壓力控制環(huán)路的互 相作用造成。
92在實驗期間做了 3個間隙檢測，分別具有估計1.6%, 2.4%，和 2，4%。這些值稍微低于圖13中獲得的那些。.由于在先前示例中設(shè)定點改 變放大了間隙的影響，這是預(yù)期的。而且，所實施的模擬示例和方法的推 導(dǎo)已經(jīng)示出，間隙估計預(yù)期是保守的。
93總之，工業(yè)測試已經(jīng)示出，間隙估計方法也在具有困難的低頻 擾動的工業(yè)環(huán)境中起作用。為了獲得用于在不需要用戶干預(yù)的意義上是自 動的實際實現(xiàn)的穩(wěn)健方法，如技術(shù)人員所知的，必須增加安全網(wǎng)的附加要 素。
間隙補償94當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制閥門具有如此大間隙以致控制惡化時，當(dāng)然采取的 最好的行為是更換或修理該閥門。間隙的量通常隨時間增大的事實使得這 甚至更加重要。
95但是，更換或修理閥門通常意味著必須停止生產(chǎn)。為此原因， 和感興趣于盡可能長時間使用閥門的經(jīng)濟原因，感興趣于補償間隙。
96控制閥門通常不會自己移動或當(dāng)控制信號恒定時移動，除非致 動器不足夠大或定位器不穩(wěn)定。因此，相對于間隙的控制信號的位置由控 制信號和其歷史給出。這意味著間隙是可逆的非線性。
97補償間隙的一種方式是每當(dāng)控制作用被反轉(zhuǎn)時使得控制信號跳 過間隙。該補償被看作前饋補償
K =《fp"丑+ ( 13 )
98其中u是控制器輸出，UFB是反饋項，例如來自PID控制器(2)
的輸出，而UFF是補償間隙的項。
99理想的間隙補償是
- 5， }
2 \、*/ (14)
100在噪聲環(huán)境中該補償是不可實現(xiàn)的。可能的修改是在微分之
前濾波控制信號。其給出下列補償 3 、 /麵、
2 &、，貞乂 (15)
101其中Uf是被濾波的控制信號。注意補償器的增益是從真間隙d
到值5變化的，其中c^d?？刂菩盘柕臑V波將引入控制信號率的符號變化
的檢測的延遲。這意味著控制信號已經(jīng)開始通過間隙。因此，補償必須小 于理想情況中的。
102還存在其它的可能性來執(zhí)行間隙補償。在(15)中，控制信 號u已經(jīng)通過低通濾波器以減小在控制器中由過程輸出y引入的噪聲。在 控制器中，由于微分項，測量信號被饋送通過高通濾波器。這樣，噪聲水 平首先被放大，然后被低通濾波器減小。更直接的方式是前饋直接基于測 量信號。在本文中將采用的一種方法是
一魯 (i6)103其中控制誤差是e二ysp-yf且yf是由(3)給出的所濾波的過程輸出。當(dāng)控制誤差e變化符號時，控制器中的積分項的率也變化符號。 因此，前饋(16)可被看作僅考慮控制器的噪聲不敏感的積分部分且從補
償中排除噪聲敏感的比例和微分部分的方法。
104現(xiàn)在將對于來自本文的前面部分的2個示例說明間隙補償。 示例3 -用于積分過程的間隙補償
105考慮示例1中的控制問題。形式(15)的間隙補償器被加到 控制器中。產(chǎn)生所濾波的控制信號為
106這是具有相對高帶寬的濾波器。在另一方面，在此示例中過 程輸出是無噪聲的。由此，補償器的增益被選擇等于間隙，WS = d = 0,05, 因此，補償器與理想的補償器(14) 一致。
107在圖15中給出了模擬的結(jié)果。比較圖5和圖15,很明顯間隙 補償器在此無噪聲情況下給出了幾乎理想的補償。 示例4 -用于穩(wěn)定過程的間隙補償
108考慮示例2中的控制問題。形式(16)的間隙補償器被加到 控制器中。在此示例中，由于過程輸出被噪聲破壞，補償比前一示例中的 更復(fù)雜。
109圖16示出了當(dāng)采用具有5:d^0.05的補償器時的結(jié)果。從圖 中清楚的看出該補償器的增益太高且該補償器造成環(huán)路振蕩。減少補償器 增益到5 = 0.4給出在圖17中示出的結(jié)果。此補償器給出幾乎不受間隙影 響的過程輸出。在一定時期控制信號具有一些高頻偏移。這能夠通過調(diào)整 過程輸出的濾波來避免。在另一方面，由于間隙，這些改變不造成任意閥 門移動。
110圖7示岀了當(dāng)負(fù)載變化20 %時5 %的間隙給出大約.45 %的所 增加的IAE值。通過補償器，此增加被減小至大約15%。 結(jié)束語
111控制閥門中的間隙(和靜摩擦)是過程控制工廠中的環(huán)路水 平的主要問題。存在問題的兩個方面。首先，非線性惡化控制性能。但是，發(fā)現(xiàn)。
112用于靜摩擦檢測和用于靜摩擦補償?shù)某绦蛞呀?jīng)存在很多年，
20且今天它們^C用于許多工業(yè)工廠中。用于間隙的補償同樣簡單，但是已知 的程序很少用在過程控制工廠中。對此的主要原因在于不存在間隙檢測和 間隙在線估計方法。
113本文已經(jīng)呈現(xiàn)了用于控制環(huán)路中的間隙的^企測和估計的在線 方法。該方法在無需用戶提供信息的意義上是自動的。除了控制系統(tǒng)中的 信號外，需要的唯一的信息是控制器參數(shù)。通過模擬和工業(yè)領(lǐng)域測試，已
<formula>formula see original document page 21</formula>
114上面已經(jīng)主要參考幾個實施例描述了本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員容易理解，除了上面公開的一些，其它的實施例同樣可以在 如所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于控制系統(tǒng)中間隙的自動估計的方法，所述控制系統(tǒng)包括控制器(C)和將被控制的過程(P)，其中所述控制器能夠使用一個或多個控制器參數(shù)(K，Ti)來執(zhí)行所述過程的積分控制，以相對于所述過程的過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)控制所述過程的過程輸出信號(y)，所述方法特征在于監(jiān)控所述過程輸出信號(y)以確定反映時間間隔(Δt)期間的所述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異的值(Δy)；和從所述所確定的值(Δy)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K，Ti)來估計所述間隙。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述時間間隔(A,)期間積分所 述過程的控制誤差(e)并確定所述值(Ay)為其中At = t:+i -"且e = ysp - y =[所述過程輸出信號的設(shè)定點值]-[所述過程輸出信號的真實值]。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中通過檢測所述過程輸出信號(y)相對于其設(shè)定點值(ysp)的第一零 交叉點來確定所述時間間隔(Af)的起始時間(ti),且通過檢測所述過程輸出信號相對于其設(shè)定點值(ysp)的第二零交叉點 來確定所述時間間隔(A/)的終止時間(ti+1)。
4. 如前面任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述間隙被估計為 ^ M' i 、 ■J是由所述間隙造成的死區(qū)的估計，K和Tj是所述控制器用于執(zhí)行所述過程的積分控制所采用的控制器 參數(shù)，A/是所述時間間隔，厶y是反映所述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異的所述值，和Kp是所述過程的靜態(tài)過程增益。
5. 如前面任意權(quán)利要求所述的方法，包括設(shè)置Kp為預(yù)定常數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定常數(shù)大體上是1。
7. 如前面任意權(quán)利要求所述的方法，間隙由所述控制系統(tǒng)中的可控構(gòu) 件(38)造成，所述方法包括驗證從所述控制器(c; 32)到所述可控構(gòu) 件(38)的控制信號(u)以及所述過程輸出信號(y)都是緩慢變化的信 號，其中所述估計所述間隙的步驟僅當(dāng)成功^r證時執(zhí)行。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中通過測試所述時間間隔()與所 述控制系統(tǒng)的閉環(huán)時間常數(shù)相比是否長來執(zhí)行緩慢變化的信號(u, y)的 所述驗證。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中通過使所述閉環(huán)時間常數(shù)接近所述 一個或多個控制器參數(shù)(K, Tj)中的時間常數(shù)(Ti)和檢查所述時間間隔(Ar )是否超出由所述時間常數(shù)與預(yù)定常數(shù)(N)相乘計算的閾值來執(zhí)行 所述測試。
10. 如權(quán)利要求2和4所述的方法，進(jìn)一步包括通過下述步驟防止負(fù) 載擾動找出所述時間間隔(A/ )期間所述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp) 和真實值之間的最大絕對差(emax),驗證所述最大絕對差(emax)沒有超出閾值，其是反映所述過程輸出 信號(y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異的所述所確定的值 (Ay)的函數(shù)，和僅當(dāng)成功驗證時執(zhí)行所述估計所述間隙的步驟。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中通過所述所確定的值(Ay)與 預(yù)定常數(shù)(M)相乘來計算所述閾值。
12. —種用于控制系統(tǒng)-(30)中間隙的自動估計的設(shè)備，所述控制系 統(tǒng)包括控制器(C; 32)和將被控制的過程(P),其中所述控制器能夠使 用一個或多個控制器參數(shù)(K,Tj)來執(zhí)行所述過程的積分控制，以相對于 所述過程的過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)控制所述過程的所述過 程輸出信號(y)，所述設(shè)備特征在于用于監(jiān)控所述過程輸出信號(y)以確定反映時間間隔(A,)期間所述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異的值(△ y)的裝置(33， 50);和用于從所述所確定的值(Ay)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K, Tj) 來估計所述間隙的裝置(33, 50 )。
13. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述用于監(jiān)控的裝置和所述用于 估計的裝置由所述控制器(C; 32)的處理器(33)來實現(xiàn)。
14. 一種具有控制器(C; 32)和將被控制的過程(P)的控制系統(tǒng)， 其中所述控制器能夠使用一個或多個控制器參數(shù)(K,Ti)來執(zhí)行所述過程 的積分控制，以相對于所述過程的過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp) 控制所述過程的所述過程輸出信號(y)，所述控制系統(tǒng)特征在于用于監(jiān)控所述過程輸出信號(y)以確定反映時間間隔(")期間所 述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異的值(A y)的裝置(33， 50);和用于從所述所確定的值(Ay)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K,Tj) 來估計間隙的裝置(33, 50)。
15. —種計算機程序，包括當(dāng)由處理器(33; 50)執(zhí)行時適合于執(zhí)行 如權(quán)利要求1 - 11的任意項所述的步驟的程序代碼裝置。
16. —種用于控制系統(tǒng)中間隙的自動估計的方法，所述控制系統(tǒng)包括 控制器(C)和將被控制的過程(P),其中所述控制器能夠使用一個或多 個控制器參數(shù)(K,Ti)來執(zhí)行所述過程的積分控制，以相對于所述過程的 過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)控制所述過程的所述過程輸出信號(y),所述方法特征在于監(jiān)控所述過程輸出信號(y)以確定反映時間間隔(A/)期間所述過 程輸出信號-(-y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異妁值(Ay)， 其中所述時間間隔(Af )的起始時間U)通過檢測所述過程輸出信號(y) 相對于其設(shè)定點值(ysp)的第一零交叉點來確定，且所述時間間隔()的終止時間(ti+1)通過檢測所述過程輸出信號相對于其設(shè)定點值(ysp) 的第二零交叉點來確定；和從所述所確定的值(Ay)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K, T。來 估計所述間隙。
17. —種具有控制器(C; 32)和將被控制的過程(P)的控制系統(tǒng)， 其中所述控制器能夠使用一個或多個控制器參數(shù)(K，Ti)來執(zhí)行所述過程 的積分控制，以相對于所述過程的過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp) 控制所述過程的所述過程輸出信號(y),所述控制系統(tǒng)特征在于用于監(jiān)控所述過程輸出信號(y)以確定反映時間間隔(A/)期間所 述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(ysp)和真實值之間的瞬間差異的值(△ y)的裝置(33; 50),其中所述時間間隔(& )的起始時間(tj)通過檢 測所述過程輸出信號(y)相對于其設(shè)定點值(ysp)的第一零交叉點來確 定，且所述時間間隔(A/ )的終止時間(ti + 1)通過^f企測所述過程輸出信號 相對于其設(shè)定點值(ysp)的第二零交叉點來確定；和用于從所述所確定的值(Ay)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K,Ti) 來估計間隙的裝置(33; 50)。
18. 如權(quán)利要求17所述的控制系統(tǒng)，其中裝置(33; 50)布置有能夠 存儲程序代碼和工作數(shù)據(jù)的相關(guān)的存儲器(34),以從所述所確定的值(△ y)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K,Ti)來估計所述間隙。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于控制系統(tǒng)中間隙的自動估計的方法，所述控制系統(tǒng)包括控制器(C)和將被控制的過程(P)，其中所述控制器能夠使用一個或多個控制器參數(shù)(K，Ti)來執(zhí)行所述過程的積分控制，以相對于所述過程的過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(y_sp)控制所述過程的所述過程輸出信號(y)。該方法包括監(jiān)控所述過程輸出信號(y)以確定反映時間間隔(Δt)期間所述過程輸出信號(y)的設(shè)定點值(y_sp)和真實值之間的瞬間差異的值(Δy)；和從所述所確定的值(Δy)和所述一個或多個控制器參數(shù)(K，Ti)來估計間隙。
文檔編號G05B19/404GK101523314SQ200780036836
公開日2009年9月2日 申請日期2007年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月3日
發(fā)明者T·海格隆德 申請人:Abb(瑞典)股份公司