用于控制双作用气动致动器的方法和装置与流程
本发明总体上涉及控制阀，更具体而言，涉及用于控制用于过程控制阀的双作用气动致动器的方法和装置。
背景技术：
许多工业过程使用控制阀来控制通过管道的流体的流动速率。这些控制阀由致动器打开和关闭，致动器的位置由定位器使用来自致动器位置传感器的反馈和过程设置进行设定。定位器和致动器组合的目标是响应于流过阀的过程流体产生的力而快速且精确地控制致动器位置并且使致动器位置的偏差最小化。
双作用气动致动器通过调节两个气动腔室中的压力来改变位置，其中压力推动连接到杆的活塞。转而，杆将活塞的运动转换为调节控制阀的开度以改变过程流体的流动。当来自过程流体流动的力移动致动器时，该过程可能受到不利影响，并且致动器部件上的附加磨损可能降低致动器的寿命。致动器的刚度呈现在能够快速控制致动器位置和限制阀中的抖动力对致动器位置的波动的影响之间的工程折衷。减少阀致动器的刚度的不希望的变化将改善过程控制系统的质量和耐用性。
技术实现要素：
本公开内容的方法和对应系统的实施方式可以鉴于对致动器的刚度设定的约束来控制双作用气动致动器的位置。所述系统可以通过增加两个气动腔室中的相对的(opposing)压力来增加刚度并且相反地通过减小两个压力来减小刚度。因此，通过控制到致动器腔室的两个气动信号，所公开的方法可以改变致动器的位置，同时增加或减小刚度。
所述系统可以被配置为测量两个腔室中的压力并使用测量值来计算刚度的数值指标。控制回路可以被配置为使用刚度的数字指标作为用于控制的输出中的一个输出，以及控制所述致动器的位置。
该用于控制致动器的方法可以包括：获得对致动器的刚度的数字指标的约束并获得针对致动器的位置的设定点；测量致动器的位置；计算致动器的刚度的数字指标；鉴于对致动器的刚度的数字指标的约束来计算控制信号以调节两个气动腔室中的压力，以便使致动器的位置的误差最小化，和/或响应于该控制信号来致动气动设备以调节致动器的气动腔室中的压力。
替代地，该方法可以通过以下方式来使用测量到的压力(不必计算刚度的指标)：获得针对致动器的位置的设定点；测量致动器的位置；测量致动器的两个气动腔室中的压力的传感器输出；将测量到的位置和测量到的压力用于计算控制信号以调节两个气动腔室中的压力以便使致动器的位置的误差最小化，和/或响应于该控制信号来致动气动设备以调节致动器的两个气动腔室中的压力。
不同的实施方式可以以不同方式定义对致动器的刚度的约束或对致动器的气动腔室中的压力的约束。一些实施方式可以通过以下方式来定义对腔室中的压力的约束：设定针对腔室中的一个腔室或每一个腔室的最小和/或最大压力值，设定针对腔室中的一个腔室或每一个腔室中的压力的目标压力(即，设定点)，或者将指标定义为两个腔室中的压力值的数学组合(诸如平均值)，并且向该指标给予相应的设定点或可接受的范围。一些实施方式可以将致动器的刚度的数字指标定义为两个腔室中的压力值的数学组合(诸如加权和)，或者在指标的定义和计算中包括位置测量值。这些实施方式可以将相应的约束定义为刚度的指标中的可接受的范围或者定义为刚度的指标中的设定点。
不同的实施方式可以以不同方式计算控制信号。在一些实施方式中，约束可以设定在给定腔室中的压力将增加还是减小，并且位置误差将设定增加或减小的相应幅值。替代地，多输入多输出(mimo)控制回路可以使用刚度的指标的误差或压力的误差以及位置的误差，来计算用于两个腔室中的每一个腔室的控制信号。这些计算可以包括计算致动器的位置的误差、致动器的速度、以及致动器的刚度的数字指标的误差(或腔室压力的误差)的加权和。
另外，不同的实施方式可以以不同方式将计算出的控制信号转换成由气动设备生成的气动信号。在一些实施方式中，控制信号的幅值可以设定由气动设备生成的流动速率或压力的幅值。在其它实施方式中，控制信号可以激活气动设备中的每一个气动设备，以在与对应的控制信号的幅度相一致的持续时间内提供恒定的流动速率。
附图说明
图1是被配置为控制双作用气动致动器的示例性定位系统的框图；
图2是用于鉴于对致动器的刚度的约束来控制致动器的示例性方法的流程图描述；
图3是用于通过将测量到的腔室压力结合到控制回路中来控制致动器的示例性方法的流程图；以及
图4是致动器控制回路的状态空间描述的图。
具体实施方式
图1示出了包括双作用致动器1和用于控制致动器1的定位器10的系统的实施方式。定位器10可以包括数字阀控制器(dvc)的高级功能，但是图1未示出该功能。致动器1具有由活塞4分开的上部气动腔室2和下部气动腔室3，活塞4被附接到与过程控制阀(pcv)连接的杆5。过程控制阀可以控制过程控制系统(诸如化学或其它过程控制工厂)内的流体流动。腔室2具有出口6a，其可以供应空气或另一种控制流体或者相反地从腔室2排放控制流体。类似地，腔室3具有出口6b，其可以供应或排放腔室3的控制流体。随着控制流体的量在致动器腔室2和/或3中的一个或两者中变化，活塞4和附接的杆5移动到新的位置。
双作用致动器1的实施方式还可以在腔室中的一个腔室中包含用于失效打开(fail-open)或失效关闭(fail-closed)动作的弹簧(未示出)。当例如腔室由于泄漏而减压时，弹簧将致动器置于致动器范围的一个限制。弹簧可以抵消两个腔室压力之间的平衡。
在一些实施方式中，替代的致动器中的机构可以通过齿条和小齿轮、止转棒轭或其它机构将活塞的线性运动转换成杆的旋转运动。这些实施方式可以包含多于一个活塞和多于两个腔室。
位置传感器11被配置为检测致动器1的位置。尽管在所示实施方式中，该位置指示杆5的线性位移，在使用替代的旋转式致动器的实施方式中，替代的传感器可以被配置为测量该替代的旋转式致动器的某个部分的角度位移。压力传感器14a和14b被配置为分别指示腔室2和3中的压力。压力传感器可以位于腔室的出口6a-b处。传感器还可以在通过气动管线流体连接到腔室2和3的位置处集成到定位器10的主体中。传感器11、14a和14b通信地耦合到处理单元16。
处理单元16被配置为检测位置和压力传感器11、14a和14b的输出。处理单元16通信地耦合到接口18。在一个实施方式中，处理单元16可以包括微处理器。在其它实施方式中，处理单元16可以包括现场可编程门阵列(fpga)或模拟电路。处理单元16被配置为将电控制信号输出到气动设备。处理单元16还可以被配置为计算其它信号，诸如关于定位器和致动器的诊断信息。
接口18可以包括有线和无线连接、用于通信和信号处理的电路、非暂时性存储器和人机接口。因此，处理单元16可以以各种方式获得用于控制致动器的设定点和约束。位置的设定点可以是动态变化的值，其由过程控制器使用预定的通信协议传送到接口18。对致动器的刚度的约束可以动态地改变或可以不动态地改变。在使用对刚度的预设定约束的实施方式中，处理单元16可以使用接口18来通过访问可以存储约束的非易失性存储器来获取刚度约束。
图1中所示的实施方式使用四个电流-压力(i/p)换能器20a-d来生成用于致动器的气动信号。换能器20a-d通信地耦合到处理单元16。可以在其中换能器中的每一个被配置用于在一个方向上致动流动的实施方式中使用四个换能器。i/p换能器20a和相应的气动放大器24a流体地连接到加压控制流体的供给，而i/p换能器20b和相应的气动放大器24b流体地连接到处于低压的排放口。供给和排放气动路径流体地合并在气动汇总部件27中并连接到上部腔室2的出口6a。类似地，i/p换能器20c和相应的气动放大器24c流体地连接到加压控制流体的供给，而i/p换能器20d和相应的气动放大器24d流体连接到处于低压的排放口。供给和排放气动路径流体地合并在气动汇总部件28中并连接到下部腔室3的出口6b。在一些实施方式中，单个气动设备可以合并多个气动功能。例如，同一设备可以包括气动放大器24a、24b以及气动汇总部件27。
在操作中，处理单元16向接口18通信以获得位置的设定点以及对致动器1的刚度的约束。处理单元16还读取传感器11、14a和/或14b，以获得致动器的位移和/或致动器1的腔室2和3中的压力。对于任何给定的实施方式而言，处理单元16可以根据定义对致动器刚度的数字指标的约束的方式来从收集的传感器数据计算致动器的刚度的数字指标。在一种实施方式中，对致动器的刚度的约束可以被定义为两个腔室2和3中的压力的平均值的可接受范围。在这种实施方式中，处理单元16计算由压力传感器14a-b测量的两个压力的平均值，并且将该平均值与约束进行比较。然后，处理单元16计算两个控制信号并传送信号以激活四个i/p换能器20a-d中的两个。
在给定时间，对于每一个气动腔室仅需要激活一个换能器，以便改变腔室中的压力。因此，由处理单元16计算出的两个控制信号是足够的，因为它们可以针对每一个新的控制动作激活四个换能器20a-d中的两个。i/p换能器20a和20b分别激活致动器1的上部气动腔室2的供给和排放。i/p换能器20c和20d分别激活致动器的下部气动腔室3的供给和排放。在一个实施方式中，正的控制信号可以激活20a和20c，而负的控制信号可以激活20b和20d。气动放大器24a-d放大换能器的流动速率。气动汇总部件27和28将流动连接到气动腔室2和3的出口。活动的i/p换能器20a导致控制流体流入腔室2。活动的i/p换能器20b导致控制流体流出腔室2。活动的i/p换能器20c导致控制流体流入腔室3。活动的i/p换能器20d导致控制流体流出腔室3。如果每一个i/p换能器被配置为控制双向流动，则另一个实施方式可以仅使用两个i/p换能器。
图2示出了用于鉴于刚度约束来控制双作用致动器1的位置的示例性方法100。方法100可以实现为软件或固件指令集合，并由图1中的系统或其它类似系统内的处理单元16执行。
在框101处，获得刚度约束。在一种实施方式中，刚度约束可以由定位器10的制造商进行预设定，而在另一种实施方式中，它可以由具有适当访问权限的任何操作员进行预设定。另外，操作员或工程师可以响应于在过程控制装备中检测到的过程要求或变化来改变刚度约束。可以通过预定的通信协议的方式将刚度约束的变化传送到接口18。可以根据对刚度的数值指标的约束来指定刚度约束，该指标取决于实施方式以预定方式进行计算。在一个实施方式中，该指标可以被指定为反映如由位置传感器11所测量的致动器位置的变化。在另一个实施方式中，可以根据由压力传感器14a-b测量的两个腔室2和3中的压力的组合(诸如加权和)来指定指标。此外，致动器的位置可以与压力进行组合以得到刚度的指标。在一些实施方式中，对刚度的指标的约束可以取决于可用的供给压力。
在框104处，处理单元16获得位置的设定点。设定点可以是由过程控制器传送到接口18的最新值或者其可以是由接口存储的值以响应操作员输入。在框108处，处理单元16从传感器11读取所测量的位置的当前值。在框112处，处理单元16计算刚度的数值指标。该计算对应于指定对刚度的约束的方式。在一个实施方式中，例如，刚度的数值指标可以被计算为两个腔室2和3中的压力的平均值，并且约束可以被指定为该平均值的可接受范围。在这种实施方式中，框112包括读取传感器14a和14b所测量到的压力，根据所测量到的压力计算平均值。另一种实施方式可以通过在两个腔室2和3中添加加权压力来计算刚度的数值指标，以便考虑致动器中的一些不对称性。这种不对称性可能是由于致动器中弹簧的存在，或者是由于活塞暴露于每一个腔室中的压力的面积的差异。对于通过其它方式计算刚度的数值指标的实施方式而言，仅需要读取对计算中涉及的量进行测量的传感器，但是还可以读取其它传感器。例如，处理单元16可以在没有控制信号的情况下收集关于致动器的位置的变化的统计数据，以便计算刚度的数值指标。
在框116处，处理单元16计算控制信号。处理单元16使用计算出的控制信号来在框120处激活i/p换能器。在图1所示的实施方式中，在给定时间仅需要激活两个换能器。可以计算两个控制信号，该两个控制信号控制上部腔室中的压力应当增加还是减小，控制下部腔室中的压力应当增加还是减小，以及控制应发生这些压力变化的速率。例如，用于上部腔室2的负控制信号可以指示上部腔室中的压力将降低并且导致对应的i/p换能器20b的激活。同时，用于下部腔室3的不同控制信号可以取正值或负值，以便分别增加或减小下部腔室中的压力。定位器10可以同时降低两个压力，以便减小致动器的刚度。然后，腔室中的压力变化的相对速率将设定致动器位置的变化的方向。
可以在不同的实施方式中以各种不同的方式计算框116处的控制信号。在一个简单的实施方式中，如果计算出的刚度指标相对于约束太高，则通过控制动作来减小腔室2和3中的压力，并且相反地，如果计算出的刚度指标相对于约束太低，则通过控制动作来增加两个腔室中的压力。在这种实施方式中，位置的变化通过两个压力被升高或降低的速率上的差异来设定。在另一个实施方式中，在101中获得的刚度约束是针对刚度的数字指标的设定点，并且控制信号由控制算法计算，该控制算法将该设定点视为对控制回路的另一输入，连同致动器位置。因为存在两个控制信号以及两个输入信号，所以该实施方式采用多输入多输出(mimo)控制。
图3示出了用于控制双作用致动器的位置的替代方法200，其中压力测量值直接用于控制信号的计算。在框201和204处，处理单元16分别获得对压力和致动器位置的约束。在一种可能的实施方式中，对压力的约束可以采取腔室2和/或3中的一个或两者中的最小压力的形式。在另一个实施方式中，对压力的约束可以包括腔室中的一个或两者中的最大压力。对压力的约束可以包括腔室中的一个或两者中的压力设定点。如果给出了两个腔室中的设定点，则可以允许控制算法稳定(settle)到两个腔室设定点中的一个，同时出于诊断目的而处理另一个腔室的伴随压力。替代地，控制算法可以使两个腔室的压力的均方误差最小化。此外，两个压力可以在数学上进行组合以创建单个指标，从而得到与计算刚度的数字指标类似的方法。
处理单元16在框208和212处分别获得致动器的位置和腔室中的压力的测量值。在框216处，处理单元16基于位置和压力测量值以及相关联的设定点或约束来计算控制信号。在一个示例中，如果图1的腔室2中的压力测量值接近最小值，则控制信号将增加腔室2中的压力，同时，如果位置设定点高于杆5的当前位置，则可能还增加腔室3中的压力。在框220处，类似于框120，控制信号经由i/p致动器20a-d转换成气动控制。
用于实现图2中的过程的mimo实施方式的控制回路可以以图4所示的状态空间形式表示。对于图3中的过程的mimo实施方式，一般形式也是相同的，其中压力设定点可以用于控制回路中。在图4中，设定点输入信号包含在输入向量r中。通过从r减去输出向量y来计算误差向量e。然后将误差向量乘以增益矩阵k，以获得向量u中的控制信号。积分块
控制信号可以被计算为位置和刚度指标中的误差的加权和。在该计算的另一个实施方式中，可以添加针对致动器的速度的因子，其也可以被解释为位置误差的变化率并且可以使用连续的位置测量值的差来计算。然后可以将所得到的控制信号写为：
其中ca是用于上部腔室的控制信号，cb是用于下部腔室的控制信号，kp，a和-kp，b是针对腔室的位置反馈增益，-kv，a、kv，b是速度反馈增益，-ks，a、-ks，b是针对刚度指标的反馈粒度(grain)，ex是位置的误差，
控制信号ca和cb可以以与误差的加权和不同的各种方式进行计算。例如，反馈增益可以取决于误差或其它过程参数而改变值。此外，在误差的计算中可以包括与提高到整数或非整数幂的误差成比例的项。
控制信号ca和cb对i/p换能器的影响取决于给定的实施方式。在一种实施方式中，可以使用模拟i/p换能器，并且控制信号可以设定进入或离开相应腔室的流动速率的大小，其中，流动速率幅值例如与控制信号成比例。在另一种实施方式中，特别适用于数字i/p换能器，对固定流动速率的持续时间进行控制。例如，如果ca为正，而cb为负但是其绝对值是ca的两倍，则图1中的i/p换能器20a和20d被激活，其中20d被激活达两倍的20a的持续时间。由此导致的腔室2中的控制流体的量的增加和腔室3中的控制流体的减少都有助于活塞4和杆5的向下运动。另外，如果腔室3中的控制流体量的减少大于腔室2中的增加，则致动器的刚度可降低。
与流动速率幅值相反，对流动速率持续时间的控制特别适用于一种控制方法的实现，其中在该控制方法中，控制动作以预定义的时间间隔进行更新。在其期间给定流动路径为有效的时间间隔的部分可以与对应的控制信号的幅值成比例，该幅值确定至相关联的i/p换能器的电脉冲的持续时间。
附加的考虑
仅为了清楚理解给出了前面的详细描述，并且不应当从中理解不必要的限制，因为修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。另外，在整个说明书中，多个实例可以实现被描述为单个实例的部件、操作或结构。虽然一个或多个方法的各个操作被示出和描述为单独的操作，但是可以同时执行各个操作中的一个或多个，或者可以以所示顺序的替代顺序执行各个操作中的一个或多个。在示例性配置中作为单独部件呈现的结构和功能可以实现为组合的结构或部件。类似地，作为单个部件呈现的结构和功能可以实现为单独的部件。这些和其它变化、修改、添加和改进落入本文主题的范围内。
在整个说明书中，描述为由处理单元16或其它类似设备(或其上执行的例程或指令)执行的动作通常是指处理器根据机器可读指令操纵或转换数据的动作或过程。机器可读指令可以存储在通信地耦合到处理器的存储器设备上并从其中获取。也就是说，本文描述的方法可以通过存储在非暂时性计算机可读介质上(即，在存储器设备上)的机器可执行指令集合来体现。当由相应设备(例如，服务器、移动设备等)的一个或多个处理器执行时，指令使得处理器执行所述方法。当指令、例程、模块、过程、服务、程序和/或应用在本文中被称为存储或保存在计算机可读存储器或计算机可读介质上时，词语“存储”和“保存”旨在排除暂时性信号。
除非另有明确说明，否则本文中使用诸如“处理”、“运算”、“计算”、“确定”、“识别”、“呈现”、“显示”等词语的讨论可以指在一个或多个存储器(例如，易失性存储器、非易失性存储器或其组合)、寄存器或接收、存储、发送或显示信息的其它机器部件内操纵或变换被表示为物理的(例如，电的、磁的或光的)量的数据的机器(例如，计算机)的动作或过程。
当以软件来实现时，本文所描述的应用、服务和引擎中的任何一个都可以存储在任何有形的、非暂时性计算机可读存储器中(诸如存储在磁盘、激光盘、固态存储器设备、分子存储器存储设备、或其它存储介质上)、存储在计算机或处理器的ram或rom中等。虽然本文公开的示例性系统被公开为包括在硬件上执行的软件和/或固件以及其它部件，但是应当注意的是，此类系统仅仅是说明性的并且不应被视为限制性的。例如，可以预期的是，这些硬件、软件和固件部件中的任何一个或全部可以专门以硬件、专门以软件、或以硬件和软件的任何组合来体现。因此，本领域普通技术人员将容易理解的是，所提供的示例不是实现此类系统的唯一方式。
因此，尽管已经参考特定示例来描述了本发明，这些实施例旨在是说明性的而非对本发明进行限制，但是对于本领域普通技术人员将显而易见的是，可以对所公开的实施例进行改变、添加或删除，而不脱离本发明的精神和范围。
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