技术领域
[0001] 本
发明一般涉及电-气动控制系统，更具体地说，涉及用于电-气动控制系统的反馈控制方法和装置。
背景技术
[0002] 过程控制工厂或系统典型地包括众多
阀、
泵、
制动器、加热器，以及许多其它类型的公知的过程控制设备或操作器。在现代过程控制系统中，即使不是全部，也有大多数过程控制设备或操作器被装备以
电子监控设备(例如，
温度传感器、
压力传感器、
位置传感器等)以及电子控制设备(例如，可编程
控制器、模拟控制
电路等)，来协调过程控制设备或操作器的活动，以执行一或多个过程控制例行程序。
[0003] 出于安全、成本效率和可靠性的考虑，许多过程控制设备均使用公知的隔膜式或
活塞式气动执行机构来气动执行。典型地，气动执行机构或直接地或经过一或多种机械联动装置而被连接至过程控制设备。另外，气动执行机构典型地经过电-气动控制器被连接至总体过程控制系统。电-气动控制器通常被配置以接收一或多个控制
信号(例如，4-20毫安培(mA)、0-10伏特的直流电(VDC)、数字指令等)，并且将这些
控制信号转换成压力而向气动执行机构提供，从而促成过程控制设备的期望运行。举例来说，如果过程控制例行程序要求被气动执行地、常闭的冲程型阀传送较大体积的过程
流体，则施加于与阀相关的电-气动控制器的控制信号的幅度可以被加大(例如，在电-气动控制器被配置以接收4-20mA控制信号的情况下，幅度从10mA加大到15mA)。接着，由电-气动控制器向连接至阀的气动执行机构提供的输出压力，至少部分地增大，以将阀冲击至全开状态。
[0004] 除了用于指示被气动执行的装置(如之前的示例中所描述)的期望设定点的控制信号，电-气动控制器可被设置以接收来自被气动执行的装置的反馈信号。该反馈信号典型地涉及被气动执行的装置的运行响应。例如，在被气动执行的阀的情况下，反馈信号可对应于由
位置传感器测量的该阀的位置。在另一个示例中，连接至阀的气动执行机构的位置可以被测量以得到反馈信号。该反馈信号典型地与设定点或参考信号进行比较，来驱动电-气动控制器中的反馈控制回路，以确定向气动执行机构提供的压力，从而实现期望的运行。反馈控制通常优于单独的设定点控制(也被称为开环控制)，这是因为反馈信号允许电-气动控制器自动地抵消或补偿受控过程中的各种偏差。
[0005] 与许多现代的被气动执行的过程控制设备一起使用的电-气动控制器，经常使用相对复杂的数字控制电路来实现。举例来说，这些数字控制电路可以利用
微控制器或任何其它类型的处理器来实现，后者执行机器可读指令、代码、
固件、
软件等来控制与其相关的过程控制设备的运行。
[0006] 为了减少过程控制设备的响应时间，一或多个二次气动功率级可被连接于电-气动控制器与气动执行机构之间。举例来说，二次气动功率级可以包括容积
增压器(volume booster)和/或快速排气阀。容积
增压器可增大向气动执行机构供应或从该气动执行机构排放的空气的总量或速度，这使得该执行机构能够更快速地驱动(例如，冲击)与其相连的过程控制设备。因此，容积增压器可以增大该执行机构所能冲击阀的速度，从而使该阀能够更快地响应过程
波动。
[0007] 快速排气阀可被连接于电-气动控制器与气动执行机构之间，以增大从加压执行机构释放或排放空气的速度。典型地，快速排气阀将空气排到大气。通过增大空气释放的速度，快速排气阀使该执行机构能够快速地降低施加到过程控制设备的力。因此，快速排气阀可以被用来增大该执行机构所能将阀冲击至关闭或打开位置的速度。
[0008] 虽然二次气动功率级证明有益于降低被气动执行的装置的响应时间，但是它们还可以引入设备响应中所不希望的瞬态特性。举例来说，容积增压器可以引发阀沿着阀程方向过冲而越过所期望的稳态控制位置。为了对这种过冲进行补偿，那么容积增压器可引发阀沿着相反方向越过稳态控制位置而下冲。在另一个示例中，快速排气阀由于其高能力的
开关运行响应可引发所不希望的瞬态行为。此外，即使在快速排气阀周围插入旁路的情况下，针对快速排气阀的释放点(trip-point)也可能高度敏感并难于控制。诸如上文提到的所不希望的瞬变/控制状况典型地可以由如下原因引发，即被气动执行的装置响应用于该设备输入的控制信号中的偏差而引起延迟，该延迟可以被许多二次气动功率级的非线性运行特性所加剧。
发明内容
[0009] 在一示例
实施例中，一种电-气动控制系统，包括：电-气动控制器，包括控制单元、电-气动变换器和气动继电器；和二次气动功率级，其连接至该电-气动控制器，以从所述二次气动功率级向该电-气动控制器的控制单元提供第一反馈信号，其中所述二次气动功率级和所述电-气动控制器中的每一个被配置为连接至气动执行机构，其中所述电-气动控制器的所述控制单元被配置为从所述气动执行机构接收第二反馈信号，并且其中所述第二反馈信号与所述第一反馈信号分开。
[0010] 在另一示例实施例中，一种电-气动控制器，包括电-气动变换器；连接至该电-气动变换器的控制单元；气动继电器；该控制单元的第一输入，其中该第一输入被配置为从气动执行机构接收反馈信号；和该控制单元的第二输入，其中该第二输入被配置为从二次气动功率级接收反馈信号。
[0011] 在又一示例中，一种在电-气动控制系统中控制被气动执行的装置的方法，包括：通过电-气动控制器检测二次气动功率级的第一运行响应；通过所述电-气动控制器检测气动执行机构的第二运行响应；基于所述第一运行响应和所述第二运行响应，使用所述电-气动控制器控制所述被气动执行的装置的运行，其中所述电-气动控制器包括控制单元、电-气动变换器和气动继电器。
附图说明
[0012] 图1是已知电-气动控制系统的方
框图。
[0013] 图2是包括来自二次气动功率级的反馈信号的示例电-气动控制系统的方框图。
[0014] 图3是可与图2中系统一起使用的示例电-气动控制器的详细方框图。
[0015] 图4是图2中示例电-气动控制系统的详细的原理框图。
[0016] 图5示出可用于实现图2中控制单元的示例处理器系统。
具体实施方式
[0017] 已知，一或多个二次气动功率级(例如，容积增压器、快速排气阀等)可被用于降低被气动执行的装置的响应时间。不过，二次气动功率级也可以在该被气动执行的装置的运行响应中引发不希望的瞬变。将该被气动执行的装置所测量的运行响应作为输入而提供给电-气动控制器的反馈控制，不足以抵消或补偿这些瞬变，原因在于被气动执行的装置对其输入变化的响应存在固有延迟。此处描述的示例方法和设备涉及这些
缺陷的处理。
[0018] 回到图1，示出一种已知示例电-气动控制系统100。该电-气动控制系统100可以是执行工业加工应用程序、商业应用程序或任何其它所期望的应用程序的过程控制系统(未表示)的一部分。举例来说，系统100可以是加工石油、
天然气、化学制品等的工业过程控制系统的一部分。如图1所示，系统100包括电-气动控制器102，其通过连线或终端104接收电功率和控制信号。一般而言，电-气动控制器102接收一或多个控制信号，举例来说，诸如4-20mA信号、0-10VDC信号，和/或数字指令等。所述控制信号可以被电-气动控制器102用作设定点，以控制该气动控制器102的输出压力和/或过程控制设备106(其以阀为例进行描述)的运行状况(例如位置)。
[0019] 在一些示例中，电功率和控制信号可以共享连接至终端104的一或多条线路或电线。举例来说，在所述控制信号为4-20mA信号的情况下，该4-20mA控制信号也可向电-气动控制器102提供电功率。在其它示例中，所述控制信号可以为例如0-10VDC信号，并且分开的电功率电线或线路(例如，24VDC或120伏特交流电(VAC))可以被提供给电-气动控制器102。在其它情况下，所述电功率和/或控制信号可以共享带有数字数据信号的电线或线路。举例来说，在所述控制信号为4-20mA信号的情况下，数字数据通信协议，例如公知的高速可寻址远程传感器(HighwayAddressable Remote Transducer(HART))协议，可以被用来与电-气动控制器120通信。这种数字通信可以被连接至系统100的总体过程控制系统所使用，以从电-气动控制器102获得辨识信息、运行状态信息等。可选地或另外地，所述数字通信可以被用于控制或指令电-气动控制器102，以执行一或多个控制功能。
[0020] 终端104可以是
螺纹端子、绝缘置换连接器、抽头连线，或者其它任何类型或组合的适合电连接。当然，终端104可被替换或补充以一或多条无线通信链路。例如，电-气动控制器102可包括一或多个无线收发器单元(未表示)，以使电-气动控制器102能够与总体过程控制系统交换控制信息(设定点、运行状态信息等)。在一或多个无线收发器被电-气动控制器102使用的情况下，电功率可以通过例如本地或远程的电功率源的电线而被提供给电-气动控制器102。
[0021] 如图1中示例系统100所示，电-气动控制器102的输出压力通过二次气动功率级110被传送到气动执行机构108。该执行机构108还被连接至过程控制操作器或设备106。
虽然该过程控制操作器或设备106被示为阀，不过其它设备或操作器(例如，制动器)也可以代之使用。气动执行机构108可以被直接连接至设备106，或者可选地，可以通过联动机构等而被连接至设备106。例如，在过程控制设备106为冲程型阀的情况下，气动执行机构
108的
输出轴可被直接连接至设备106的控制轴。
[0022] 二次气动功率级110可以包括例如一或多个容积增压器和/或快速排气阀。在图1的示例系统100中，容积增压器可以被连接至电-气动控制器102的输出，从而在来自电-气动控制器102的压力输出被施加于气动执行机构108的输入之前就将其放大(即增大所述压力输出的容量和/或压力)。可选地或另外地，快速排气阀可被连接于电-气动控制器102和/或一或多个容积增压器的输出与气动执行机构108的输入之间。这种布置允许该快速排气阀将气动执行机构108中的压力排入到大气。本领域的普通技术人员将会认识到，二次气动功率级中的每个均具有一或多个容积增压器、快速排气阀等的许多种配置是可能的，且其优选配置取决于正在受控制的过程。
[0023] 在正常运行状况下，位置检测器或传感器(未表示)可被用来向电-气动控制器102提供位置反馈信号112。如果提供，该位置反馈信号112就可以被电-气动控制器102使用，以改变该电-气动控制器102的输出压力，从而精确控制过程控制操作器或设备106的位置(例如，阀被打开/关闭的比例)。所述位置传感器可以使用任何适合的传感器，例如
霍尔效应传感器、线性
电压位移
变压器和电位计等来实现。
[0024] 本领域的普通技术人员还将认识到，虽然图1所示的电-气动控制器102被示为具有用于单作用型执行机构(例如执行机构108)的单一输出压力，然而具有用于双作用应用场合的两个压力输出的气动控制器也可以被使用。举例来说，一种商用的双作用电-气动控制器为由爱荷华州Marshalltown市的费希尔控制产品国际有限公司(Fisher Controls International，Inc.)生产的DVC6000系列数字式阀控制器。
[0025] 为处理与图1中示例已知系统100相关的一些缺陷，用于实现此处所描述的方法和装置的示例电-气动控制系统200被表示在图2中。在图1和图2中，出现于这两幅图中的基本类似的方
块被标以相同的附图标记，并且为了简洁起见，下文中将不作重复描述。实际上，相应方块的全部描述可参见上文结合图1的相关描述。
[0026] 图2的电-气动控制系统200包括二次气动功率级204，其被适当地调整以输出表示二次气动功率级204的一或多个运行响应的一或多个反馈信号208。举例来说，感兴趣的运行响应可以与在二次气动功率级204的输出处的空气
质量流相关。该空气质量流可以在二次气动功率级204的输出处被测量，并且可用作一或多个反馈信号208。举例来说，对质量流性质具有已知压差的孔板(orifice plate)可以被插入二次气动功率级204和/或其中的一或多个元件的输出通路中。基于其已知的性质，压差可以横跨所述孔板被测量，并且被转换成相应的空气质量流测量。通过这种方式，在二次气动功率级204和/或其中的一或多个部件的输出处的空气质量流可以被确定，并且作为一或多个反馈信号208而被提供给电-气动控制器212。
[0027] 然而，在一些应用场合中，直接测量空气质量流是困难且不切实际的，因此，与空气质量流有关系的其它运行响应可以替代其被测量。举例来说，在二次气动功率级204包含容积增压器的情况下，反馈信号208可以对应于用来控制该容积增压器输出的
提升阀的测量位置。在这种配置中，该提升阀位置涉及到提升阀的帘面积(curtain area)，该面积在许多情况下与所述容积增压器输出处的空气质量流成比例。诸如霍
耳效应传感器的传感器可以被用来测量所述提升阀位置，并且可以处于二次气动功率级204的外部或者被合并到二次气动功率级204之中。在另一示例中，执行机构108是单动式执行机构，并且二次气动功率级204包括快速排气阀和/或一或多个容积增压器，在此示例中，反馈信号208可以对应于在二次气动功率级204的输出处测量到的压力的导数。在执行机构108是双动式执行机构的情况下，反馈信号208可对应于使用二次气动功率级204的至少两个输出所测量的压差的导数，而且所述二次气动功率级204的至少两个输出对应于双动式执行机构108的至少两个输入。不论何种情况，可以在例如以下几处进行压力测量，即在二次气动功率级204的一或多个输出处，二次气动功率级204的下游处，和/或执行机构108的一或多个输入处。测压孔可被用来例如测量压力，并且可以处于二次气动功率级204的外部或者被合并到二次气动功率级204之中。所测量的压力(或者压差)的导数可以基于一或多个反馈信号208而由电-气动控制器212来确定。
[0028] 反馈信号208通过连线或终端216被连接至经过适当
修改的电-气动控制器212。在示例系统200中，电-气动控制器212被配置以从各种源(例如，气动执行机构108和二次气动功率级204)接收多路反馈信号。电-气动控制器212还可以被配置，以基于这些多路反馈信号和附加控制或参考信号来改变其输出压力，从而精确地控制过程控制操作器或设备106的位置。
[0029] 图3是可与图2的系统200一起使用的电-气动控制器300(例如，作为电-气动控制器212)的示例的详细方框图。示例电-气动控制器300包括控制单元302、电-气动变换器304和气动继电器306。
[0030] 控制单元302从与其通信连接的总体过程控制系统接收一或多个控制信号308(例如，4-20mA控制信号)，并且向电-气动变换器304提供控制信号310，从而获得所需要的输出压力和/或可操作地连接至控制单元302的过程控制设备(例如，图2中设备
106)的期望控制位置。控制单元302可使用如下结构来实现，即使用基于处理器的系统(例如，下文结合图5描述的系统500)、分立式数字
逻辑电路、
专用集成电路、模拟电路、或上述结构的任意组合。在基于处理器的系统被用来实现控制单元302的情况下，控制单元302可以执行存储于控制单元302中的
存储器(未表示)上的机器可读指令、固件、软件等，以执行其控制功能。
[0031] 控制单元302还被配置以从过程控制系统中的一或多个设备接收反馈信号。示例控制单元302被配置以从执行机构(例如图2中执行机构108)接收反馈信号312，以及从二次气动功率级(例如图2中二次气动功率级204)接收一或多个反馈信号314。控制单元302利用控制信号308以及反馈信号312和314(还有下文讨论的反馈信号318)来确定控制信号310的适当值，该值被提供给电-气动变换器304。
[0032] 电-气动变换器304和气动继电器306通常为公知的结构。电-气动变换器304可以为
电流-压力类型的变换器，在这种情况下，控制信号310为电流，该电流可由控制单元302改变以获得过程控制设备106处所期望的状态(例如，位置)。可选地，电-气动变换器304可以为电压-压力类型的变换器，在这种情况下，控制信号310为电压，该电压可变化以控制过程控制设备106。气动继电器306将相对低容量(即，低流速)的压力输出316转换成相对高容量的输出，以用来控制执行机构。如图3所述，控制单元302可被配置以从气动继电器306接收输出压
力反馈信号318。然而，在一些应用场合中，直接测量来自气动继电器306的输出压力(或空气质量流)是困难和不切实际的，因此，反馈信号318可以对应于其它的相关运行响应的测量。举例来说，反馈信号318可以对应于气动继电器306的中继位置，该中继位置可由巨磁阻(GMR)传感器来测量并由模数(A/D)转换器来处理。反馈信号318可用作诊断信号，并且/或者被转换成例如压力(或空气质量流)的导数，以提供对电-气动控制器300输出的更精确的闭环控制。
[0033] 为了更好地理解图3的电-气动控制器300在图2的示例电-气动控制系统200中的运行，图4中示出可由电-气动控制器402实现的示例反馈控制系统400的详细的原理框图。类似于图2的示例系统200，电-气动控制系统400包括连接至气动执行机构406的过程控制设备404(例如，阀)。电-气动控制器402通过二次气动功率级408被连接至气动执行机构406。类似于图2中的二次气动功率级204，二次气动功率级408可以包括一或多个容积增压器、快速排气阀等。
[0034] 参考控制信号410(例如图3中一或多个控制信号308)被施加于电-气动控制器402的输入，以指示对过程控制设备404所期望的设定点。电-气动控制器402也被配置以分别从气动执行机构406和二次气动功率级408接收反馈信号412(例如反馈信号312)和反馈信号414(例如反馈信号314)。类似于图3中示例电-气动控制器300，电-气动控制器402包括将输入电控制信号转换成压力信号的电-气动变换器416(例如电-气动变换器304)。控制器402也包括继电器418(例如气动继电器306)，以将来自变换器416的相对低容量的输出压力转换成相对高容量的输出压力。
[0035] 电-气动控制器402的控制单元(例如图3中控制单元302，不过图4中未表示)被配置以实现下文所述的图4的示例反馈控制系统。参考控制输入410与执行机构反馈信号412相减，以得出误差信号，该误差信号被施加于前向通路的比例增益元件420(K)。执行机构反馈信号412还被施加于反馈微分增益元件422(Kxs)。因此，比例微分(PD)
负反馈控制可从执行机构反馈信号412得到。
[0036] 另外，来自继电器418的反馈信号424(例如图3中反馈信号318)被施加于副回路比例增益元件426(Kml)。二次气动功率级的反馈信号414被施加于另一个副回路比例增益元件428(Kml2)。最终，增益元件422、426和428的输出与增益元件420的输出相减，从而得到输入控制信号430(例如控制信号310)，且该输入控制信号430被施加于电-气动变换器416。本领域的普通技术人员将会理解，反馈增益元件420、422、426和428中的任一或所有元件可以将其
输入信号(例如压力信号)转换成适当类型的
输出信号(例如
电信号)。因此，与反馈增益元件420、422、426和428相关的数学单元，取决于向这些增益元件提供输入并且从这些增益元件接收输出的设备的特性。
[0037] 如之前提到的，过程控制设备(例如过程控制设备404)及其相应的执行机构(例如执行机构406)可以具有相对较慢的响应时间。结果，来自执行机构的反馈信号412且分别经过比例和微分增益元件420和422而得到的反馈控制，不足以抵消或弥补由二次气动功率级408引入的瞬态变化。不过，示例的电-气动控制器402可以通过来自二次气动功率级的反馈信号414且经过副回路比例增益元件428而得的负反馈控制，来补偿这些瞬变。而且，如果二次气动功率级的反馈信号414表示例如与二次气动功率级408相关的空气质量流，那么电-气动控制器402可以使用这种信息来响应过程控制设备404的状态变化，这种响应较之在表示设备404(或者相关执行机构406)状态的信号仅为反馈信号的可能情况下更为快速。因此，电-气动控制器402能够实现具有所期望特性的总体系统响应，所期望的特性举例来说，可以是具有所期望的收敛速度并且在所期望的过冲/下冲范围之内的响应。
[0038] 本领域的普通技术人员将会理解，图4中示例仅仅是可以由诸如示例电-气动控制器402的电-气动控制器来实现的反馈控制系统的一个示例。举例来说，电-气动控制器402可以被配置，以接收仅来自二次气动功率级408的反馈、来自二次气动功率级408的多个反馈信号和/或来自多个二次气动功率级408的反馈信号。另外，电-气动功率控制器402可以被配置以实现其它布置的反馈控制。举例来说，电-气动控制器402可以被配置，以基于一或多个控制和/或反馈信号来实现比例控制、微分控制、积分控制或以上控制的组合。当然，优选的配置取决于受控的过程。
[0039] 在许多过程控制应用场合中，所期望的系统响应为临界阻尼响应。临界阻尼系统具有一种阶跃响应，该阶跃响应可达到在所期望的收敛速度之内并具有最小量的过冲/下冲的所期望的设定点。在图4的示例系统400中，增益元件420、422、426和428可以被调整以实现气动执行机构406和/或过程控制设备404的临界阻尼响应。
[0040] 为实现所期望的(例如临界阻尼)运行响应，增益元件420、422、426和428中的任一或所有元件可以被配置为例如在反馈控制系统400的初始校验期间是可调的。本领域的普通技术人员将会理解，用于调整增益元件420、422、426和/或428数值的技术，取决于采用反馈控制系统400的特定过程控制应用场合的配置和/或特性。
[0041] 回到图2，本领域的普通技术人员将会理解，来自二次气动功率级204和/或其中部件的一或多个反馈信号208，可以向电-气动控制器212提供有用的诊断信息。举例来说，在图1的示例已知的控制系统100中，反馈信号112也可以被用来评价气动执行机构108的运行状况。然而，如图1中示例控制系统100所示，为二次气动功率级110提供诊断信息的信号不易于利用。在图2中示例控制系统200的情况下，一或多个反馈信号208可以以类似于反馈信号112的方式被使用，以提供与二次气动功率级204的运行状况相关的诊断信息，和/或对应于气动执行机构108的附加诊断信息。举例来说，如果反馈信号208之一对应于在容积增压器的输出处测量的压力，那么反馈信号208的值可以被用来确定该容积增压器是否在正常运行规格中起作用。这类信息可以被用来诊断控制系统200的存在问题和/或在潜在问题发生之前对其进行补救。
[0042] 图5示出可用于实现图3中控制单元302的示例处理器系统500。如图5所示，处理器系统500包括连接至互连总线或网络514的处理器512。处理器512可以是任何适合的处理器、处理单元、
微处理器或微控制器，举例来说，例如在 微控制器系列(例如，HC05、HC11或HC12)中的微控制器、基于 嵌入处理器核(例如ARM7或ARM9)的处理器等。虽然在图5中未表示，但是系统500可以为多处理器系统，并且可以包括一或多个附加处理器，这些附加处理器与处理器512相同或相似并且被连接至互连总线或网络514。
[0043] 图5中处理器512被连接到至
芯片组518，该芯片组518包括存储控制器520和输入/输出(I/O)控制器522。如所公知，芯片组通常提供可由一或多个处理器
访问或使用的I/O和存储管理功能、以及多个通用目的和/或专用目的寄存器、
定时器等。存储控制器520执行如下功能，该存储控制器520使一个处理器512(如果具有多个处理器，则使多个处理器)能够访问系统存储器524，该系统存储器524可以包括任何期望类型的非永久性存储器，举例来说，例如静态
随机存取存储器(SRAM)、
动态随机存取存储器(DRAM)等。I/O控制器522执行如下功能，该I/O控制器522使处理器512能够通过I/O总线530与外围输入/输出(I/O)设备526和528进行通信。I/O设备526和528可以是任何期望类型的I/O设备，举例来说，例如包含于本地
用户界面(LCU)中的
液晶显示(LCD)屏和多个按钮等。虽然存储控制器520和I/O控制器522在图5中被示为芯片组518中分开的功能块，但是这些功能块所执行的功能可以被集成于单一
半导体电路中，或者可以使用两个或更多分开集成电路来实现。
[0044] 作为在诸如图5设备的系统中来实现此处所描述的方法和/或装置的可选方案，此处所描述的方法和/或装置可选地被嵌入诸如处理器和/或ASIC(专用集成电路)的结构中。可选地，此处所描述的方法和/或装置可以使用分立式模拟和/或数字逻辑元件来实现。
[0045] 虽然在此已经对特定示例方法和装置进行描述，但是本发明所涵盖的范围并不局限于此。相反，本发明涵盖或者在字面上或者在等效物的教旨之下清楚地落入所附
权利要求范围中的所有方法和装置。
