可以使用多种控制机制来控制阀/执行器组件或者其他过程控制设备。 例如，阀控制器通常使用反馈控制的形式来控制阀/执行器组件。反馈控制 依赖于误差信号，而误差信号进一步基于期望的设定点信号与来自传感器的 反馈信号之间的差异，并且所述反馈信号提供阀/执行器组件的运转的指示。 阀控制器的输出为修正控制信号，其在过去是所述误差信号的气动信号成 分。
虽然仍普遍使用气动的驱动执行器，传统的控制设备也结合非气动元 件，这样气动信号通常由电子控制器、传感器或变换器(例如，数字阀控制 器)确定。更具体地说，电子控制器执行控制例行程序，该控制例行程序对 误差信号进行处理以生成控制信号，所述控制信号可以被转变成电流或者其 他模拟控制信号，而所述电流或者其他模拟控制信号可以进一步被反馈给电 -气动转变器，例如阀控制器中的电流-压力变换器，以产生气动信号。这些 控制信号，无论是模拟的还是数字的，在下文的特定例子中可以被称为驱动 信号。
在大多数情况下，从以下三种控制算法中的一种生成驱动信号：(i) 比例；(ii)比例和微分；和(iii)比例、微分和积分。比例(P)型控制算 法生成与误差信号直接成比例的驱动信号。比例和微分(PD)型控制算法 生成的驱动信号是以下两个信号之和：与误差信号成比例的信号；和与误差 信号的变化率成比例的信号。比例、微分和积分(PID)型控制算法生成的 控制信号是以下三个信号之和：与误差信号成比例的信号；与误差信号的变 化率成比例的信号；以及与误差信号的积分成比例的信号。
用于确定误差信号的反馈信号，可以直接或者间接地表示阀/执行器组 件的运转。例如，经过阀/执行器组件的流的一个指示涉及到位置传感器， 该位置传感器生成表示阀位置的信号。最后，阀/执行器组件设计通常包括 在位置传感器与阀之间的机械联动装置，以检测阀的位置。位置传感器接下 来被连接到所述机械联动装置，以生成阀位置信号。具有基于位置传感器的 反馈控制机制的系统通常依赖于位置控制。
具有气动驱动执行器的阀控制器，采用压力传感器作为位置控制的替 代。在这种情况下，压力传感器提供经过阀的流的指示，因为阀/执行器组 件的执行器具有弹簧，弹簧的压缩大体上与施加于其的压力成比例。这种控 制机制通常称为压力控制。
早先的过程控制器，尤其是那些在微型电子计算机之前的过程控制器， 通常依赖于压力控制而不是位置控制。当这些系统被现代化的时候，系统中 的特定部件被替换或者升级为包括有数字控制的方面。例如，阀的气动压力 控制可以被替换为数字控制器。为了避免过程的停机，如果不是整个工厂的 停机的话，新的数字阀控制器包括有压力控制，以简化替换和安装过程。这 样，可以替换早先的气动控制，而不必替换或者修改阀/执行器组件。其结 果是，对早先气动设备的替换以及相应的对新的数字控制器的安装，避免了 对阀的运转，更一般地说，是对整个过程的运转的扰乱和中断。这种替换和 安装过程被称为热转换(hot cutover)。
能够进行热转换安装的数字控制器的一个例子是由爱默生过程管理-费 希尔(Marshalltown，Iowa)制造的FIELDVUETM数字阀控制器型DVC5000 系列，特别是DVC5000f，固件版本9。DVC5000f包括压力传感器以及相关 的压力控制例行程序，以使得能够进行热转换。DVC5000f控制器还包括位 置传感器以及针对与位置控制兼容的安装来选择位置控制的能力。如上所 述，包括替换的许多安装不支持位置控制。在这些情况下，对阀与位置传感 器之间的机械联动装置的安装，需要对阀进行替换或者维护，而这大部分会 使过程陷于停机。其结果是，DVC5000f将首先与作为运转中的反馈机制的 压力控制安装在一起。当发生了过程或者工厂停机时，将针对位置控制来对 阀/致动器组件进行配置。这样，安装和使用DVC5000f控制器通常有两个 步骤，包括向数字压力控制进行热转换的初始步骤，以及一旦在停机期间安 装了所述联动装置或其他机构和/或阀部件时对位置控制的后续选择。为了 实现对位置控制的手动选择，由操作员可用的界面来提供选项，以改变控制 参数，并且因而从压力控制向位置控制进行切换。
在正常运转期间，通过位置反馈对阀进行控制优于其他反馈机制，而所 述其他反馈机制更加间接地表示阀的运转。不幸的是，仅仅使用位置反馈的 控制完全依靠于易于出故障的位置传感机制。在面对这样的故障事件或者其 他与位置传感器故障相关的意外事件时，过去的数字阀控制器没有提供阀的 连续运转。其结果是，并且作为反馈控制的特性的结果，尽管阀的其他方面 都处于健康状况，但是有故障的传感器还是会导致阀的不可操作。一旦被导 致不可操作，阀进一步地可能引起过程或工厂的意外的或者不必要的停机。

根据本发明的一个方面，一种用于过程控制设备的控制器，所述过程控 制设备具有第一和第二传感器，该第一和第二传感器生成表示过程控制设备 运转的对应反馈信息，所述控制器包括：第一伺服控制模块，其用于基于来 自所述第一传感器的反馈信息生成第一驱动信号，以根据第一控制模式控制 所述过程控制设备；以及第二伺服控制模块，其用于基于来自所述第二传感 器的反馈信息生成第二驱动信号，以根据第二控制模式控制所述过程控制设 备。所述控制器进一步包括反馈控制转换模块，其用于基于来自所述第一传 感器的反馈信息，将所述过程控制设备运转的控制从所述第一控制模式转换 到所述第二控制模式。
在一些实施例中，所述反馈控制转换模块包括故障检测模块，其能够检 测出：来自所述第一传感器的反馈信息不再足以表示所述过程控制设备的运 转。所述反馈控制转换模块能够响应用户命令，而发起将所述过程控制设备 的控制从所述第一控制模式转换到所述第二控制模式。
所述反馈控制转换模块可以包括存储器，其维护来自所述第一传感器的反 馈信息的记录。接下来，所述反馈控制转换模块能够提取表示最近从所述第一 传感器接收到的无损数据的反馈信息的一部分。所述第二伺服控制模块可以包 括积分控制器部件，其具有一输出信号，该输出信号被基于表示无损数据的反 馈信息的所述部分调节，以最小化在将所述过程控制设备的控制从所述第一模 式转换到所述第二模式期间过程控制设备的不连续移动。
在一些情况下，在准备将所述过程控制设备的反馈控制从所述第一模式 转换到所述第二模式时，所述反馈控制转换模块和所述第二伺服控制模块基 于所述第一驱动信号调节所述第二驱动信号。所述第二驱动信号可被调节， 以便在反馈控制转换时所述第一和第二驱动信号相等。所述第二伺服控制模 块可以包括积分控制器部件，其输出信号可被调节，以便在准备反馈控制转 换时所述第二控制信号等于控制信号。所述积分控制器部件可以包括一累加 器，并且在准备反馈控制转换时所述累加器被重置，从而调节所述第二驱动 信号。作为替换地或者作为补充地，所述第二伺服控制模块可以基于所述控 制信号连续地计算一调节因子，以在所述反馈控制转换模块的引导下将被用 来调节所述第二驱动信号。
根据本发明的另一方面，一种控制过程控制设备的方法，该方法包括以 下步骤：生成第一驱动信号，以根据第一伺服控制模式控制所述过程控制设 备；生成第二驱动信号，以根据第二伺服控制模式控制所述过程控制设备； 以及根据所述第一伺服控制模式以及从所述第一驱动信号为所述过程控制 设备生成控制信号。该方法进一步包括：响应所述控制信号，接收表示所述 过程控制设备运转的反馈信号；以及基于所述反馈信号，在所述过程控制设 备运转期间将所述过程控制设备的控制转换到所述第二伺服控制模式，以便 所述控制信号将由所述第二驱动信号生成。
在一些实施例中，所述控制转换步骤包括：检测所述过程控制设备运转 中的故障。所述故障检测步骤可以包括：分析所述反馈信号，以判断所述过 程控制设备的与所述第一伺服控制模式相关的传感器是否有故障。所述反馈 分析步骤、所述故障检测步骤以及所述控制转换步骤可以是自治进行的。
所述第一和第二伺服控制模式可以分别响应所述过程控制设备的位置 和压力传感器。在这种或者其他情况下，该方法进一步包括以下步骤：维护 所述反馈信号的数据记录，以便所述控制转换步骤包括从表示来自所述传感 器的无损数据(例如来自所述位置传感器的位置数据)的数据记录中提取信 息。
在一些情况下，所述第二驱动信号生成步骤包括：基于所述反馈信号初 始化所述第二驱动信号。所述第二驱动信号初始化步骤包括：基于所述反馈 信号为所述第一驱动信号计算过渡取值。所述第二驱动信号初始化步骤包 括：基于所述第一驱动信号的过渡取值，调节与所述第二伺服控制模式相关 的积分控制器的输出。所述积分控制器调节步骤包括：设置所述第二驱动信 号等于所述第一驱动信号。
作为替换地或者作为补充地，所公开的方法可以进一步包括以下步骤： 接收表示过程控制设备运转的第二反馈信号。所述控制转换步骤包括：基于 所述第一次提到的反馈信号生成所述控制信号的过渡电平，并且所述第二驱 动信号生成步骤包括：基于所述第二反馈信号和所述控制信号的过渡电平， 计算所述第二驱动信号的初始电平。所述初始电平计算步骤包括：从所述第 二反馈信号计算比例和微分控制器取值，并且所述初始电平计算步骤包括： 基于所述控制信号的过渡电平相对于所述比例和微分控制器取值之和的差 异，重置与所述第二伺服控制模式相关的积分控制器的累加器输出。
根据本发明的再一个方面，公开了一种用于控制过程控制设备的方法， 所述过程控制设备具有第一和第二传感器，该第一和第二传感器生成表示所 述过程控制设备运转的相应反馈信息。基于来自所述第一传感器的反馈信息 生成第一驱动信号，并且将所述第一驱动信号提供给所述过程控制设备，以 控制所述过程控制设备的运转。通过基于所述第一驱动信号初始地生成第二 驱动信号，将所述过程控制设备的控制转换到基于所述第二传感器的第二驱 动信号。
附图说明
为了更加完整地理解所公开的控制器和方法，应该对下列具体描述和附 图进行参照，在附图中：
图1是根据本发明实施例的连接到阀/执行器组件以控制阀/执行器组件 的控制器的结构图；
图2是根据本发明实施例的由图1中控制器所执行的反馈控制例行程序 的流程图；
图3是根据本发明实施例的图1中控制器的一对伺服控制模块的结构 图，其具有执行反馈控制转换例行程序以进行平滑控制转换的能力；
图4是根据本发明实施例的反馈控制转换例行程序的流程图，该例行程 序一般地由图1中控制器执行，更具体地说，由图3中一对伺服控制模块执 行；
图5是根据本发明另一实施例的由图1中控制器执行的反馈控制转换例 行程序的一部分的流程图；
虽然所公开的控制器和方法可以有不同形式的实施例，不过在附图中示 出了(并且下文中将描述)本发明的具体实施例。而且应该理解，这些公开 意图作为示例性的，而并不意图将本发明限制在此处描述和示意的具体实施 例。

所公开的控制器和方法一般地涉及针对诸如阀的过程控制设备的反馈 控制机制。虽然结合气动促动的阀详细描述了所公开的控制器和方法，但是 所公开的控制器和方法适合用于或者实施于以其他方式促动的阀，以及除了 阀以外的过程控制设备。相应地，可以结合过程控制网络中的任何设备使用 或者实施所公开的控制器和方法，而且所公开的控制器和方法尤其适合用于 具有两个或者更多可用作控制的可能的反馈机制的设备。虽然也可能结合两 个相同或者相似类型的反馈控制来使用所公开的控制器和方法，但是此处描 述的示范性实施例在两种不同控制机制之间转换反馈控制的场合中呈现了 控制器和方法。相应地，例如，可以在呈现基于两个同类型传感器(例如， 主位置传感器和备份或者次位置传感器)的反馈控制的情况下使用所公开的 控制器和方法。
一般地说，此处描述的控制器和方法用在为过程控制设备转换反馈控制 的场合中。所公开的控制器和方法还特别地用于确保(i)如果发生与反馈 控制机制相关的故障时过程控制设备的连续运转，以及(ii)在每个这样的 反馈控制转换期间过程控制设备的平滑运转。在这个意义上，可以以一种平 滑、连续和/或无中断的方式执行这种控制传输，可以避免过程控制设备正 在其中运转的过程的停机或者其他中断。虽然所公开的控制器和方法被设计 为在面对失灵或者其他故障时支持这样的连续运转，但是对所述控制器和方 法的使用并不限于任何针对反馈控制转换的特定场合或环境。事实上，在有 些实施例中，可以由操作员全部地或者部分地自由决定来发起并控制反馈控 制转换。
根据所公开的控制器和方法对反馈控制的转换以反馈信息为根据，产生 所述反馈信息的是当前反馈控制方案所使用的传感器，即在转换控制之前试 图传送阀运转指示的传感器。也就是说，控制转换依赖于由当前反馈控制方 案利用的传感器所生成的反馈信息。例如，可以在分析或者其他确定反馈信 息不再充分地表示阀运转时，触发反馈控制的转换。在这种情况下，在基于 错误的反馈信息将阀导向不正确的位置或者状态之前，保证了反馈控制的转 换。由所公开的控制器和方法实现的其他类型的转换一般包括，使用反馈信 息来确保后续或者目标反馈控制方案最初将阀所放置的点，接近或者等于在 先或者初始反馈控制方案将阀所留置的点。最后，目标反馈控制方案被调节 为平滑阀的运转，而不管其相关的独立运行的传感器是否已经导致生成了在 控制转换时明显地或者突然地移动阀的误差信号(以及驱动信号)。作为替 换，如果当前控制方案被怀疑为基于错误的反馈信息而进行运转，如同在故 障传感器的场合中那样，那么控制转换可以包括这样的目标反馈控制方案， 其被调节为将阀设置在与已知有效的最后反馈信息(对比最近反馈信息，其 对应于初始反馈控制方案所停止的位置)相关的点。并且如果第一转换的确 由故障传感器或者其他失灵设备引发，那么所述控制器和方法一般可被用来 确保，在所述故障传感器或者其他设备被替换或者修理以后，进行返回初始 反馈控制方案的平滑的第二转换。
参照图1，在10处一般表示能够在多个反馈控制机制之间实现反馈控 制转换的示例性控制器。在有些情况下，控制器10是数字阀控制器，其具 有嵌入式软件或者代码从而为阀12实现多个反馈控制方案。如同以下将要 进一步解释的那样，控制器10可以包括多个伺服控制模块，用于执行两个 或者更多反馈控制例行程序，从而对阀12进行控制。通过数字的基于微处 理器的计算机，可以实现控制器10及其每一个伺服控制模块，这些计算机 被配置为用于执行与反馈控制方案和例行程序相关的软件或者代码。在该例 子中，通过分别由位置传感器1 8和压力传感器20生成的反馈信号，位置控 制伺服模块14和压力控制伺服模块16接收表示阀12运转的反馈信息。位 置传感器18提供直接表示阀12的位置或者阀行程的反馈信息，而由于促动 阀移动的方式，压力传感器20提供间接表示阀12的位置的反馈信息。
位置和压力控制伺服模块14和16还接收表示阀12的设定点的数据， 在图1中显示为通过线路21向阀10输入的信号。应该注意到的是，控制器 10包括任何输入/输入硬件(未示出)以及，更一般地说，包括任何合适的 功能性，来解释通过线路21所提供的数据、或者是由位置传感器18、压力 传感器20以及任何其他连接到控制器10的设备所提供的信号。这样的硬件 或者功能性对于本领域技术人员来说是公知的，并且在此不进行详细描述， 还应该注意到，控制器10还能够进行任何可应用的转换，例如在为数字处 理做准备中进行模拟到数字的转换。
由于阀12的特性与所公开控制器和方法的实践之间并没有密切关系， 所以不对阀12的运转进行详细的描述。实际上，阀12可以是通过反馈受到 控制的任何过程控制设备，并且特别是那些可以由两个或者更多的传感器独 立地估计其运转的设备。在当前情况下由位置传感器18和压力传感器20， 对阀12或者其他设备所做的这样的独立估计，使得可以进行两种独立的控 制方案。一般地说，两种或者更多的控制方案不需要表现出不同类型的控制 方案，而是可以两个或者更多同类型传感器的形式来包括一定程度的冗余。
不管控制方案的特性如何，在任意时间点上的阀12的运转依赖于用于 驱动执行器22的控制方案中的一种方案的执行。为了在控制转换之间保存 能量，控制器10可以将在任意时间点的执行限制为一种控制方案(即，负 责驱动执行器22的方案)，但是，更一般地，为了例如避免控制转换期间 的延迟，可以并发地执行任意数目的控制方案。执行器22进一步提供机械 力来改变阀12的位置或状态。阀12和执行器22构成阀/执行器组件，其具 有将阀12连接到执行器22的机械连接器24。一般而言，机械连接器24和 执行器22的其他部件将输入力转变为移动阀12所需的机械力。位置传感器 18可以与诸如机械连接器24的执行器部件通信，或者与阀/执行器组件的其 他任何部件通信，以得到阀12的位置。例如，位置传感器18在结构上可以 通过机械联动装置26(如图1中虚线所示)被联结到阀/致动器组件，不过 也可以采用本领域技术人员已知的其他任何通信模式(例如，光通信)。
在该示范性实施例中，执行器22包括弹簧偏置部件(未示出)，通过 在图1中与其他气动线路一起由虚线所示的气动线路28，将气动力施加到 弹簧偏置部件上。由空气控制设备30供给线路28中的空气或其他流体，所 述空气控制设备30可以包括电流-压力变换器和其他气动控制的常用部件， 例如继电器或者其他用于将通过线路32提供的空气供给进行压力放大的部 件。
可以根据执行器22的有效弹簧常数，来移动气动力所遵照的执行器22 的弹簧偏置部件。该移动可进一步基于机械连接器24和其他任意中间部件 而与阀12的位置相关联。结果是，线路28中流体的压力可以用来得到经过 阀的流的指示，虽然是间接的。由于阀位置的这种表示的间接特性，由压力 传感器20生成的数据可能不像由诸如测量位置的方法的其他传感方法所提 供的数据那样准确。这样，压力传感器20和相关的压力控制伺服模块16可 以作为次要(或者非首要)角色来供控制器10使用，例如，作为对一种或 者更多反馈控制方案的备份(或者后备)。
位置传感器18和压力传感器20分别沿着线路36和38向控制器10返 回反馈信号。这两个反馈信号建立起两个反馈控制机制，即用于正常运转的 首要机制和用于运转的备份或者后备模式的次要机制。一般地，具有最高的 精度或者优先权的反馈信号，在当前情况下即线路36上来自位置传感器18 的信号，可以确定何种反馈控制机制作为首要机制。在当前情况下，首要反 馈控制机制包括由位置控制伺服模块14来执行位置控制例行程序。只要例 如位置传感器18和位置控制方案正常运转(例如，在位置传感器18的规范 之内，和/或以别的方式提供阀位置的准确指示)，这样的执行就可以继续。 如果位置传感器18不再提供阀位置的准确指示，或者位置控制方案被怀疑 为由于其他任何原因而运转不正常，则控制器10能够切换到次要控制机制， 即由压力控制伺服模块16所执行的压力控制例行程序。以这种方式，控制 器10维护阀运转，并且从而避免阀12正在其中运转的过程或工厂停机。
每个反馈信号都被提供给转换和故障检测模块40，以检测传感器故障 或者其他反馈控制失灵。如图1所示，转换和故障检测模块40可以包括一 存储器，其用于存储每个反馈信号的过去取值，以及表示所述两个反馈控制 方案的其他数据或者信息，如同下面将要进一步解释的那样。转换和故障检 测模块40生成可以在检测到故障或者失灵时切换控制器的控制选择开关42 的控制信号。这样，例如，基于位置控制方案是否持续有效运转而进行自治 决策，来从位置控制方案即首要控制方案切换到压力控制方案。基于分析与 位置控制方案相关的反馈信号(即由位置传感器18生成的信号)、由位置 控制方案生成的驱动信号(其进一步基于所述反馈信号)，或者其他任何表 示阀控制方案为了响应反馈信号而进行的运转的信息或者数据，转换和故障 检测模块40引导控制转换。例如，转换和故障检测模块40能够检测到位置 传感器18离线，或者由于故障的联结而提供规范之外的信号。
控制选择开关42不必是诸如继电器的物理开关，也可以由控制器10中 的软件或者固件实现。结果是，控制信号可以采取适合于所述开关的多种形 式中的任意一种(例如，数字、模拟等等)。在任何情况下，控制选择开关 42选择由反馈控制方案所产生的驱动信号中的一个，在当前情况下，控制 信号由位置控制伺服模块14和压力控制伺服模块16产生。控制选择开关 42所选择的驱动信号接下来被作为数字、模拟或者其他电控制信号传送到 空气控制设备30。
根据图1中的实施例，线路44将位置控制伺服模块14连接到压力控制 伺服模块16。线路44表示两个反馈控制方案之间的通信链路，并且因此可 以表示从一个正在执行的反馈控制例行程序到另一个的数据传送。线路44 可以因此由软件或者固件实现，并且不必在控制器中构成物理硬连线。如同 下面进一步解释的那样，多个控制方案之间的这种通信使得可以进行控制的 平滑转换。更具体地说，目标反馈控制方案的初始实现可以基于驱动信号、 反馈信号、或者由在先或者初始控制方案产生的或者与在先或者初始控制方 案相关的其他信号，来实行从一个方案到另一个方案的平滑反馈控制转换。 这样的控制转换的需要不必缘起于故障或者失灵，如同以上连同转换和故障 检测模块40所讨论的那样。例如，这样的控制转换可以由操作员自由决定， 但是仍然保持对确保平滑控制切换的需求。在与故障或者失灵相关的问题已 经被处理后，从次要控制方案回到首要控制方案的反馈控制转换可以结合所 述自由决定的控制转换发生。将控制转换回首要控制方案的决策，或者更一 般地说，任何其他的反馈控制转换，可以由用户或者操作员通过如图1所示 的向控制器10提供输入信号的用户选择线路46来触发或者引导。可以通过 提供参数选择能力的用户接口来实现用户选择线路46及其承载的输入信 号，如同本领域技术人员所公知的那样。
线路48和50分别给出了转换和故障检测模块40与位置控制伺服模块 14以及与压力控制伺服模块16之间的通信链路。这样的通信可以包括传送 命令来发起执行反馈控制例行程序。这样的通信还可以是双向的，以支持实 行反馈控制的平滑转换。这样，在两个控制方案之间的通信就不必是通过线 路44直接进行，而可以作为替换地通过线路48和50以及转换和故障检测 模块40来间接地完成。
图2示出了由本发明实施例的控制器10(图1)执行的反馈控制例行程 序。反馈控制例行程序可以形成嵌入代码的一部分，所述嵌入代码存储在控 制器10的一或多个存储器上，以便由控制器10的微处理器执行。这样的嵌 入代码，以及由其实现的反馈控制例行程序的步骤，可以与位置控制伺服模 块14(图1)、压力控制伺服模块16(图1)以及转换和故障检测模块40 (图1)中的一或者多个相关。控制器10的运转，以及由此图2中例行程 序的执行，可以是自治的或者，作为替换或者作为补充地，由操作员控制发 起或者终止。无论哪种情况，一旦被发起，所述例行程序形成提供对阀/执 行器组件进行自治控制的运转循环。所述运转循环还提供基于用户的控制， 包括在任何时间重新发起或者终止例行程序执行的权力。
所述例行程序可以开始于在块60中标识或者选择首要和次要反馈控制 方案。例如，可以在此时设置控制选择开关42(图1)，从而使得由控制器 10生成的控制信号首要从由位置控制伺服模块14(图1)所生成的驱动信 号得到。作为替换地，控制选择开关42已经被设置，并且已经依靠阀12的 特性及其相关部件预定或者建立了首要和次要反馈控制方案。一般而言，控 制方案的标识将由相关传感器的可用性确定，从而使得在图1的示范性实施 例中，首要控制方案为位置控制方案，而次要控制方案为压力控制方案。一 旦选择了首要控制方案，控制器10可以在块62进行初始化例行程序，其包 括重置控制器10的部件(例如，位置控制伺服模块14的PID控制器)，以 及确认与首要控制方案相关的传感器(例如，位置传感器26)在线并且还 是可操作的。应该注意，在此处，控制器10可以初始化并且开始执行(在 背景中)除了首要反馈控制例行程序之外的反馈控制例行程序。初始化例行 程序还可以包括对一或者多个传感器和/或阀/执行器组件进行校准的程序。 例如，自动校准程序可以使用现有的位置传感器校准数据来确定致动器/阀 组件的“工作台设置”。该程序提供完成开启和关闭阀12所需的压力范围。 该压力范围进一步可以为施加到执行器22上的压力建立或者设置压力控制 范围，将0-100％的期望阀位置反映为相应的所施加压力。
在控制器10进行初始化例行程序之后，在块64中执行当前反馈控制方 案。在图1的示范性实施例中，位置控制伺服模块14接收当前设定点和其 他输入，例如来自位置传感器18的反馈信息，然后处理这些数据以生成驱 动信号。下面进一步解释产生驱动信号的方式，但是一般来说可以使用标准 PID控制器技术和控制算法在块64中生成所述驱动信号。
还执行反馈控制误差检测步骤。在图1的示范性实施例中，误差检测步 骤可以由转换和故障检测模块40来执行。如图所示，例如，在图2的例行 程序中，控制进入到决策块66，判断是否发生传感器故障或者其他反馈控 制误差。传感器故障包括指示传感器已经离线的反馈信息。反馈信息还可以 作为替换地表示不可能的阀位置。反馈信息可以指示离线或者失灵传感器的 另一种方式是，通过传送传感器规范之外的数据。还可以采用本领域技术人 员现在或将来所知的检测传感器或者其他故障或者失灵的另一种方式。
在块66中执行误差检测步骤在图中示为位于在块64中生成驱动信号之 后，从而使得驱动信号(或者从反馈信号生成的其他信号或数据)可以作为 误差检测检查的一部分被分析。作为替换地，可以在生成驱动信号之前或者 同时执行块66。在这些情况下，误差检测步骤可以被首要地导向分析是否 发生传感器故障。在作为替换的实施例中，块64也可以包括在处理反馈信 息时估计反馈信息。例如，位置控制伺服模块14(图1)可以例行地检查来 判断位置传感器18是否工作于规范之外或者有其他故障。在一些实施例中， 控制器10可以持续地对位置传感器18(以及其他传感器)进行这样的估计。 相应地，应该注意的是，可以结合例行程序中其他块一起，和/或在例行程 序中的任何点，来执行块66，从而使得所公开控制方法的实践不限于图2 所示步骤的严格顺序。对于本领域技术人员来说，为了允许替代的(和/或 补充的)故障检测步骤而做的另外的修改是显而易见的。
一般来说，如果没有检测到反馈控制误差，由当前反馈控制方案(例如， 由位置控制伺服模块14)所生成的驱动信号在块68中被提供为控制信号来 控制阀/执行器组件。接下来，在允许执行伺服控制器例行程序的下一次重 复之前，一对决策块70和72检查控制器10的状态。在图2的示范性实施 例中，第一状态检查在块70中判断操作员是否选择了新的反馈控制方案， 而第二状态检查在块72中判断当前是否执行首要反馈控制方案。这些和其 他状态检查可以在例行程序的任意点以连续或者离散形式执行，并且在图2 中为了方便示意而在此点示出。如图2中示范性实施例所示，控制将环回到 块64以进行伺服控制例行程序的下一次重复，只要操作员没有决定要将控 制从首要控制方案(例如，位置控制)切换到次要控制方案(例如，压力控 制)。
图2所示例行程序的剩余部分被导向若干个不同的状况，在这些状况中 可以将反馈控制从一个反馈控制方案转换到另一个反馈控制方案。在一种状 况中，反馈控制转换可以连同传感器故障或者与反馈控制方案相关的其他误 差发生。例如，块66可以检测误差或者故障并且，结果是，使控制进入块 74，其进一步向操作员发送警告、报警或者其他消息来指示发生了误差或者 故障。接下来，块76判断操作员是否响应关于故障或者误差的警告、报警 或者其他消息而选择了新的反馈控制方案。这样，向次要反馈控制方案的转 换在控制器10(更具体地说，阀12)运转期间发生，并且基于与首要反馈 控制方案相关的或者连同其提供的反馈信息。在这种情况下，反馈信息表示 与首要反馈控制方案相关的问题或误差。尽管有这些问题，控制转换允许阀 12保持运转。更一般地说，如图结合块70所示，也执行块78来进行由操 作员发起的其他控制方案转换。
根据所公开控制器和方法的控制方案转换包括控制器10的自治动作。 例如，如果操作员没有响应在块74中生成的警告或报警，或者如果控制器 10的实施例没有包括警告或者报警功能，则在块80中发生自治转换。这样， 在有些实施例中，控制器10可以以一种方式被安装或者配置为，在发生与 首要控制方案相关的故障、误差或者问题时后退到次要控制方案。在任何情 况下，一旦对与首要控制方案相关的反馈信息的分析和/或处理导致检测到 故障、误差或者问题，则在块80中执行的转换操作将反馈控制转换到次要 控制方案
自治转换的另一个例子包括控制器具有从次要控制方案切换回首要控 制方案的实际的状况。这种状况可能出现在例如位置传感器18的问题已经 被处理(例如，修理位置传感器18和阀/执行器组件之间的联结)之后。更 具体地说，参照图2的示范性实施例，在发生与首要控制方案有关的故障或 者问题之后，作为块78和80中的一个的执行结果，反馈控制已经预先被切 换到次要控制方案(例如，压力控制)。然后执行对包括块64、66、68、 70以及72的循环的一次或者多次重复，从而使得压力伺服控制模块16(图 1)控制阀12。在对循环的每次执行中，块72确定控制器10不处于首要控 制方案中，则控制进入块82，其查询引发初始控制转换的问题是否已经被 修复或者处理。如果问题已经被修复，控制进入块84，其实行返回首要控 制方案的转换。在每个问题没有被修复的例子中，根据第二控制方案进行对 块64的伺服控制例行程序的再次执行。在作为替换的实施例中，块82和 84的顺序可以包括操作员超驰(operator-override)选项或者其他功能来将 控制器10的能力限制为在这些状况下实行转换。这样，所公开的控制器和 方法可以包括一例行程序，其允许操作员判断在首要控制方案的问题已经处 理之后，返回首要控制方案的转换是否以及在何时发生。
参照图3，所公开控制器和方法的实施例示出为支持在反馈控制方案之 间进行更一般地转换(即，不仅仅与故障或者失灵有关)，包括例如从次要 控制方案返回首要控制方案的转换。更具体地说，该实施例使得可以通过使 用在转换时施加于阀/执行器组件的控制信号(或驱动信号)来在反馈控制 方案之间进行平滑转换，所述转换进一步基于用于得到控制信号(或驱动信 号)的反馈信息。在图3的示范性实施例中，更加详细地示出了图1的位置 控制伺服模块14和压力控制伺服模块16，以包括用于向其他模块进行平滑 控制转换的部件和能力。
图2中示范性实施例的位置和压力控制伺服模块14和16均包括，一套 被导向基于相应的反馈控制信号和设定点来实现PID控制器，或者比例、积 分和微分反馈控制的部件。分别通过线路100和102提供用于位置和压力控 制伺服模块14和16的反馈信号，以使得可以使用加法器104与设定点进行 比较。加法器104，以及两个伺服控制模块14和16的本实施例所共有的其 他部件，为了便于描述起见，由相同的附图标记标识；并且应该理解，所公 开的控制器和方法的实践不限于由两个伺服控制模块14和16共享这些部件 的实施例。例如，根据一个实施例，对包括两个分立加法器(或者加法操作) 的这两个分立控制例行程序的执行可以连续和同时发生。为了这样的背景计 算操作而执行一个或多个例行程序的一部分或全部可以方便地为立即使用 提供取值，从而消除对任何过渡时期(transition period)的需要，并且避免 反馈信息意外丢失的可能以实现过渡。如此处所述，这样的连续计算操作不 需要进行包括在控制方案中的每个计算，而可以仅仅结合在控制转换期间所 必需的计算(例如，积分器调节计算)。作为替换地，其他实施例可以为了 保留能量而仅仅在控制转换之间执行单个例行程序，所述单个例行程序可以 调节以实现当前执行的反馈控制方案(即，位置控制，压力控制，等等)。
比较的结果，即误差信号，被提供给在106处一般指示出的比例控制器 和在108出一般地指示出的积分控制器。如同本领域技术人员所知的那样， 每个比例控制器106包括放大器110，其具有被设置或者调谐得适当的增益 以生成与误差信号成比例的信号。基于反馈信号和反馈控制方案其他方面的 特性差异，每个对应的伺服控制模块的增益可以不同。每个积分控制器108 包括放大器112，其具有对应的增益来为在114处一般地指示出的累加器准 备误差信号，所述累加器114将误差对时间进行积分。每个累加器114进一 步包括加法器116和延迟元件118，所述延迟元件118存储先前积分值并将 其返回给加法器116。比例和积分控制器106和108生成的信号和由在120 处一般地指示出的微分控制器生成的信号一起，被提供给加法器122来为伺 服控制模块产生对应的驱动信号。每个微分控制器120包括微分指示器124， 其生成将反馈信号关于时间进行微分的指标，并且放大器126具有如本领域 技术人员所知设置或者调节的增益。
根据图3所示的所公开控制器和方法的示范性实施例，每个积分控制器 108还包括允许重置积分值的开关126。作为转换反馈控制决策结果而产生 的信号可以控制所述开关126。开关126不必是物理或者电子开关，并且可 以提供对由累加器114生成的信号或者取值的访问或者修改能力。在图3中， 这样的访问被示为通过置于延迟118下游的开关126进行。作为替换地，开 关126可以访问延迟118上游的累加器114，或者以其他任何提供对累加器 114的内容进行修改的能力的方式。修改累加器114中的积分取值包括由重 置模块128响应来自两个伺服控制模块(即，与初始和目标控制方案相关的 伺服控制模块)的信号而进行的重置。更具体地说，基于当时提供给阀/执 行器组件的控制信号，重置模块128为积分控制器108或者累加器114计算 新的取值。控制信号进一步由为反馈控制而执行的伺服控制模块所生成的驱 动信号得出。这样，一个伺服控制模块(例如，压力控制伺服模块16)的 重置模块128基于当前伺服控制模块(例如，位置控制伺服模块14)的驱 动信号进行计算，而所述驱动信号进一步基于从与当前伺服控制模块相关的 对应传感器接收到的反馈信息。
如图3所示，每个重置模块128还响应其所在的伺服控制模块(即，控 制被转换到的目标伺服控制模块以及，例如，针对压力控制伺服模块16的 Pp和Dp)的比例和微分控制器输出。以这种方式，每个重置模块128可以 执行加法操作，其中从来自其他伺服控制模块的控制或驱动信号中，减去目 标伺服控制模块比例和微分控制器输出的和(反之亦然)。结果差值构成了 由重置模块128提供的重置取值，以调节积分控制器108中的积分电平。
作为上述重置操作的结果，由目标伺服控制模块生成的驱动信号被调节 为等于或者接近由控制从其转换的伺服控制模块生成的驱动信号。在任一情 况中，使得平滑控制切换变得可能。否则，当控制被转换时，阀12可能被 导向以突然的、不连续的方式移动。也就是说，没有上述调节，目标伺服控 制模块的驱动信号可能不等于控制从其转换的伺服控制模块的驱动信号。基 于对应传感器中的运转误差、为每个对应控制器设置的增益值或者有关反馈 控制方案的其他运转特性，这种不相等可能很大而且不可预测。
所公开控制器和方法的实践不限于如图3所示的控制器部件排列。换句 话说，积分控制器108的输出可以以多种方式被修改，以调节目标伺服控制 模块的驱动信号。在一个实施例中(未在图3中示出)，重置模块128直接 在位于加法器116下游的积分控制器108输出上操作。以这种方式，由目标 伺服控制模块生成的第一驱动信号可以被设置为等于其他伺服控制模块的 最后驱动信号。作为替换地，如图3所示，重置模块128调节从延迟118向 加法器116提供的信号。在这种情况下，在重置模块128已经操作修改积分 取值之后，提供给放大器112的误差信号可以修改积分控制器输出，从而使 得由目标伺服控制模块生成的第一驱动信号接近，但不是必然等于，其他伺 服控制模块的最后驱动信号。在任一情况下，针对阀12和阀/执行器组件的 操作结果为在反馈控制方案的平滑切换，或者换句话说，无缝切换。
使用例如图3的累加器重置128的无缝切换操作，可以连同操作员选择 的或者操作员发起的反馈控制转换一起实现。操作员选择的转换的一个例子 有关图2的块78。然而，基于控制进入块78的状况，结合块78所采取的 步骤可以不同。更具体的说，图4示出了当操作员与任何误差或者警报无关 地发起控制转换时，根据所公开的控制器和方法的一实施例所采取的步骤。 在这种情况下，块70使控制进入块78(如图2所示)，并且为实行转换而 采取的步骤可以一般地顺着上述结合图3的描述进行。另一方面，图5示出 了当操作员响应警报或者反馈控制误差或者故障的其他指示而选择反馈控 制转换时，根据所公开的控制器和方法的另一实施例所采取的步骤。
参照图4，针对包括PID控制器的控制方案示出了一无缝转换例行程序。 图4的例行程序可以连同所有转换状况使用，但是特别适合于在当没有遇到 任何反馈控制误差、故障或者问题时实现。也就是说，图4的例行程序假设 初始反馈控制方案(即，控制从其转换的控制方案)正常运转，并且与其相 关的最新的反馈信息足以准确地表示受控设备的运转。则该例行程序依赖于 该反馈信息以进行过渡计算(transition calculation)，如同以上关于图3描 述的那样。最后，无缝转换例行程序开始于控制进入块140，在其中从目标 反馈控制方案接收到反馈信息。接下来在块142中，基于包括生成自反馈信 息和设定点的误差信号的计算，针对目标反馈控制方案确定初始控制器取 值，例如比例和微分控制器取值(Pi，Di)。与目标伺服控制方案相关的其 他初始反馈控制计算，例如积分控制器计算，也同样在此处发生，但是任何 可能根据所公开控制器和方法而被重置的计算将被延迟直到重置操作之后。 接下来在块144中进行重置操作，在该块中，一般地说，基于初始伺服控制 方案的反馈信息而将计算得到的或者存储的目标伺服控制方案取值初始化 或者重置。在执行次序的较早点(例如，连同图2的块64)，或者作为实 现块144的一部分，依赖该反馈信息来确定来自初始伺服控制方案的驱动信 号的过渡取值(transition value)。接下来，考虑到驱动信号的过渡取值， 块144进行计算来初始化目标伺服控制方案。例如，可以基于对驱动信号的 过渡值和在块142中计算出的初始控制器取值的比较，来调节图3的示范性 实施例所示的目标伺服控制方案的积分控制器108的积分取值(Ii)。
继续参照图4，目标伺服控制方案现在准备好采取反馈控制，并且随着 从初始控制器取值(例如，Pi、Di)和任何初始调节的控制器取值(例如， Ii)确定目标控制方案的驱动信号，控制转换在块146发生。接下来在块148 中施加所述控制信号来为阀/执行器组件生成控制信号。在图2的示范性实 施例中，控制进入块64以进行与目标反馈控制方案，现在作为当前反馈控 制方案，相关的反馈控制例行程序的下一次重复。
如图4所示的无缝转换例行程序还可以与非操作员发起的转换一起执 行。例如，图2的块84给出了在问题得到处理之后控制从次要控制方案转 换回首要控制方案的状况，从而允许首要控制方案正确运作。在识别出问题 已经得到处理时，可以自治地执行块84，并且因此执行图4的无缝切换例 行程序。作为替换地，结合块82，操作员判断首要方案问题是否已经得到 处理，从而选择性地确定是否以及何时实现块84的控制转换。
图5示出了当检测到关于当前反馈控制方案的问题、误差或者故障时与 反馈控制转换相关的步骤。参考，例如，图2中与反馈控制或者传感器故障 相关的控制转换块78和80。在这些状况下，一般地说，尚未知道反馈信息 或者其他与当前反馈控制方案相关的信息是否可以被信赖，以准确地反应阀 /执行器组件的运转。结果是，根据图4所示例行程序的无缝转换，没有更 多，可能并非所期望的。作为代替，在图5的实施例中，避免了这样的盲转 换。最后，块150判断无缝转换是否可用和/或可以进行。例如，如果警报 表示传感器故障或者失灵，用户可选的选项可以使无缝切换失效。如果无缝 切换不可以进行或者以别的方式可用，控制进入块152，其实现反馈控制转 换到另一个控制方案，而不基于与当前异常运作的控制方案相关的反馈信息 调节任何控制器取值。
当操作员使得可以在警报状况的场合中进行无缝转换，或者如果无缝转 换一般地可用而无论是否存在警报状况时，则导向图5所示例行程序的剩余 部分。一般地说，图5的示范性实施例实现了即将被给定最佳数据的无缝转 换。最后，块154访问存储在例如转换和故障检测模块40(见图1)的存储 器中的反馈信息记录，以收集具有无损的或者以其他方式无误的特性的最近 反馈信息。作为该判断的一部分，所公开的控制器和方法可以包括对那些评 估了反馈信息何时变得不值得信任或者以其他方式有错误的反馈信息记录 的分析。作为替换地，控制器和方法可以引用与来自特定过去时间点的反馈 信息相关的数据，这些数据或者是预定的或者是由操作员选择的。接下来， 在给定了从存储器恢复的反馈信息的块156中计算针对当前反馈控制方案 的驱动信号。随着得到计算出的驱动信号，无缝转换操作在块158中实现， 并且可以顺着有关图4描述的例行程序的步骤。
所公开的控制器和方法的实践不限于使用在诸如位置控制或者压力控 制的特定类型的反馈机制中。这样，可以由本领域技术人员当下或者未来已 知的多种传感器中的任意一种来实现所公开的控制器和方法。在一电平处， 可以由何种传感器最适合特定的受控过程控制设备，来驱动对传感器类型的 选择。所公开的控制器和方法的兼容性存在于，任何能够提供反馈或者其他 表示受控过程控制设备运转的信息的传感器，并且无论信息表示过程控制设 备运转的方式。所公开的控制器和方法的这样广泛的兼容性，支持在大量的 过程和过程控制场合的实现。
虽然以上结合包括两个不同控制方案的控制器和方法描述了实施例，但 是所公开的控制器和方法的使用或者实践不限于两个方案的场合，也不限于 依赖压力和位置传感器作为唯一的反馈控制装置的场合。类似地，该控制器 不必要是数字阀控制器，该方法也不限于结合阀或者其他气动驱动的过程控 制设备运转。更恰当地说，所公开的控制器和方法的实践可以结合任何过程 控制设备而用于任何数目过程控制的场合，并且结合除了PID控制之外的不 同反馈控制方案。应该注意，与控制方案相关的伺服控制模块不必要是相同 的，并且可以被优化为适合该控制方案。
转换和故障检测模块40的存储器可以构成数据存储设备的一部分，其 为控制器10所执行的任意数目的前述例行程序，或者为控制器10的任意数 目的前述部件提供存储器功能。存储器可以集成于或者分立于控制器10的 其他部件，也可以由本领域技术人员可用的和公知的设备中的任意一个来提 供。
虽然以上以分立模块和块描述和图示了所公开控制器和方法的部件和 方面，但是每个部件或者方面可以通过软件、硬件和固件的任意组合执行或 者实现，既可以是分立的，也可以是与所公开控制器和方法的一个或者多个 其他部件、模块或者其他方面相结合。上述的每个例行程序都可以通过为通 用计算机、为处理器或者其他计算机处理器的执行而提供的指令来实现，并 且可以被存储于计算机可读介质(例如与处理器结合的存储器)中，既可以 是单独地，也可以是与控制例行程序和方法的实现中所包括的任意其他硬件 或者固件组合。
更一般地说，所公开的控制器和方法可以在硬件、软件或者固件的任意 组合中实现。一些实施例可以被实现为在可编程系统上执行的计算机程序， 所述可编程系统包括至少一个处理器或者处理系统、数据存储系统(包括易 失和非易失存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备和至少一个输出设 备。可施加程序代码，以输入数据来进行此处描述的功能并且生成输出信息。 输出信息可以以已知的形式被施加到一个或者多个输出设备。处理系统可以 包括任何具有处理器的系统，所述处理器例如数字信号处理器(DSP)、微 控制器、专用集成电路(ASIC)或者微处理器。
可以在高级程序性或者面向对象的编程语言中实现这些程序来与处理 系统通信。如果需要的话，还可以以汇编或者机器语言来实现这些程序。实 际上，所公开的系统和方法的实践不限于任何特定的编程语言。在任何情况 下，该语言可以是编译性或者解释性语言。
所述程序可以被存储在由通用或者专用可编程处理系统可读的存储介 质或者设备上(例如，软盘驱动、只读存储器(ROM)、CD-ROM设备、 闪存设备、数字通用盘(DVD)或者其他存储设备)，从而在处理系统读取 存储介质或者设备以进行此处描述的例行程序或步骤时，配置或者操作所述 处理系统。所公开控制器和方法的实施例还可以被考虑为作为机器可读存储 介质实现，其被配置为用于处理系统，其中所述存储介质被配置为促使该处 理系统以特定和预定的方式运转以进行此处描述的功能。
以上描述仅仅为了清楚和理解的目的而给出的，不应该从中理解出任何 不必要的限制，在本发明范围内的修改对于本领域普通技术人员来说是显而 易见的。
相关申请
本申请要求于2004年8月4日递交的名称为“用于对过程控制设备转换反 馈控制的系统和方法”的美国临时申请序列号60/598,701的优先权，该申请所 公开的全部内容被合并于此以作为参考。