专利名称：用于控制可变孔流量计的阀位置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及流体流量计量和流体控制系统；更具体而言涉及改进流量控制回路和系统的响应时间；更具体而言涉及改进对流量设定点变化的控制响应，以及对控制回路的工作条件(回路压力)变化的控制响应。
背景技术：
在流量控制系统中，阀可以由智能控制器或其它基于CPU的设备(如个人计算机)控制。该控制器设备典型地执行某些形式的PID(比例、积分、微分)算法来进行流量控制。作为控制回路的输入，流量计常常提供流速。控制器连续监测流速，并将其与期望流速(如设定点)比较。实际流速与设定点之间的差值通称为误差项。由控制器生成来驱动阀的信号依赖于该误差项和算法所使用的PID项。小的误差项要求控制所述阀的信号的小变化，而大的误差项要求控制所述阀的信号的较大变化。
控制器设备的期望的结果是保持流量控制回路对于流量设定点的改变和回路工作条件的改变均正确操作。控制算法中的PID项设置为收敛于新的设定点值，或尽可能快地对控制回路条件的变化进行补偿。他们也设置为保持控制回路稳定(例如，避免回路振荡)。PID项的这两个功能典型地是相反的，由于PID算法的响应越快，该回路的稳定性越小。然而，由于该控制回路必须稳定地确保生产过程持续地正确和安全地操作，典型地牺牲控制回路速度来换取回路的稳定性。
对于不同类型的控制回路，该PID项的具体值是不同的。例如流量控制回路，其是相当快的，需要与通常较慢的温度控制回路不同的PID控制项。每种类型的控制回路会将该项优化以保持循环稳定，并且尽可能小地偏离控制设定点。控制回路从设定点或优化控制值偏离的流量时间越长，用户需要等待开始生产过程的时间越长，或更差的情况，用户生产出的次品越多。例如，用户可能在生产过程中正在使用或生产非常昂贵的化学物质，所以当该回路没有处于正确的设定点时，必须丢掉生产出的化学物质。因此需要控制回路尽可能快地响应设定点的改变或响应回路工作条件的改变。
在典型的流量控制回路中，该流量计和控制阀是独立的设备。该流量计可以使用几种不同的技术中的一种来进行流量测量。典型的设备包括超声，压差，旋涡，桨轮和其它技术。该控制阀可以使用几个不同技术中的一个。示例包括闸阀，隔膜阀，节流阀，球阀，蝶形阀，或其它类型的阀。在传统的加工厂中，该控制器设备位于已知为过程控制系统的独立的设备中。该过程控制系统包括一个具有读取流量计的输入和至驱动阀的输出的大型计算机，该输入和输出典型地是4-20mA的电流信号，但也可以是电压信号或数字通信信号。该过程控制系统可以控制加工厂中的各种压力、温度和流量控制回路。其包括PID项以进行每个回路的控制功能。每个控制回路理论上具有存储在过程控制系统中的、自身唯一的PID项。
无论采用了何种技术，控制阀具有一个开口，其可以变化以增大和减小通过该开口的流量。液体流过该阀的速度依赖于该开口的尺寸和该阀的入口和出口压力。因此，如果该阀的上游或下游的压力发生了改变，该控制器必须调整该阀开口，以维持通过该阀的恒定的流速。调节流量回路工作条件的这些类型的变化以保持流速恒定是该PID算法的功能。
在通常的流量控制回路中，例如，如图1所示，该控制器设备不“知道”控制阀的工作条件。更具体地说，一般地该设备不监控该阀孔的入口压力、出口压力或孔口的大小。其简单地监控该流量计，比较产生的流量计值与该设定点，并通过PID算法操作该阀。其结果是搜索或寻找将该误差项变为0的阀位置。PID算法中的这种搜索或寻找特性使得其速度不快。图2a和图2b示出了示意性的PID控制回路分别对大和小的设定点变化的响应，而图2c和图2d示出了PID控制回路分别对大和小的回路状况变化的响应。
为了克服PID控制回路的一些缺陷，可以测量、由数学模型确定或由其它方式确定该回路对设定点变化的响应。新设定点值于是通过一个新的模型，该模型使用该预定回路响应信息，以将该控制回路的响应优化到该新的设定值。然而在流量控制回路中使用该方法的缺陷是该回路对不同的入口和出口压力和阀的开口尺寸具有不同的响应。因此仅可对一组给定的工作条件实现优化。另外，该设定点建模方案不能改进对回路工作条件改变的控制回路响应。
用于改进控制回路对设定点的响应的设定点建模方法的扩展使用前馈信号(及其控制器信号)以力求改进对设定点变化的响应。其通过对控制器和PID算法进行旁路来进行，并直接地影响驱动该控制阀的信号。然而，该方案有与上述优化方案相同的缺陷。更具体地说，该前馈信号独立于该阀的工作条件，并且该方法仅仅改进了对设定点改变的控制响应，而不能改进对回路工作条件变化的响应。
一种可用于克服对控制回路工作条件的扰动的PID响应中的缺陷的方法是一种包括前馈扰动校正方案的方法。如果控制回路具有一个已知类型的扰动发生，该方法是适当的，其中该扰动导致回路输出偏离期望输出一个较长时间。该方法涉及实际测量该扰动(其可以是温度或压力偏差)，并通过旁路该控制器和PID算法而将该偏差校正为直接影响该阀控制信号。该方法从校正该扰动的信号中去除了PID算法的时间响应。该方法在扰动已知，并且可以精确地和经济地测量该扰动，并且如果扰动的效果是已知的情况下工作得较好。
使用前馈扰动校正的一个缺陷是该前馈信号仅仅是一个校正信号。因此该信号必须与该PID算法一起正确地施加。换句话说，如果PID响应对于特定的回路是慢的，那么该前馈信号需要比快的控制回路施加更长时间。另外，该前馈信号仅仅校正一个测量到的回路扰动。如果发生了另一个没有监控到的扰动，或者在扰动的过程中设定点变化了，那么除了期望的之外，该前馈信号可以沿相反的方向驱动控制阀。
因此，现有技术需要一种流量设备，其可提高流量控制系统的变化了的设定点之间的响应时间，无论这种设定点的变化是设定点的有意变化和/或是基于流量扰动的变化。该系统优选地包括一向该近似设定点设置的快速运动，然后提供闭环控制以维持该设定点。本发明克服了现有技术的缺陷，并致力于解决这些需求。
发明内容
本发明总体上涉及流体流量计量和控制系统，更具体地说，涉及改进流量控制回路的响应时间；更具体地说，改进对流量设定点变化及其控制系统和回路的工作条件(回路压力)的变化的控制响应。本发明的一个方面涉及对通过一个可变孔的流体流进行计量的方法。采用本发明的优选的环境包括控制该可变孔内的节流元件的物理位置，由此改变该孔的横截面积。
在根据本发明的原理建立的一个实施例中，提供了一种用于计量流体流量的设备，其中该设备是具有可变孔的类型。该设备包括一个可变大小的孔，其由流体流管道和相对于该流体流管道可动以改变该孔尺寸的元件限定而成；一个压力传感器，其配置成确定该孔两侧的压差并生成压力信号；一个定位设备，配置为确定该元件相对于管道的位置，并生成位置信号；和处理器，其配置为使用该压力信号和该位置信号确定该流体的流率。
根据本发明原理的另一设备是用于测量和控制流体流量的设备。该设备包括具有可变孔的管道，该可变孔由一个适于和配置为与管道表面接合、以控制管道中的流体流量的可动元件限定；压力传感器，其配置为测量管道中的压力；一定位设备，配置为确定该可动元件相对于该管道表面的位置；和处理器，配置为基于可动元件的位置和测量到的压力计算排放系数，并计算通过该管道的流体流量。该处理器还配置为比较计算得到的流体流量与期望的流体流量，并调整该可变孔的位置以按照要求增大或减小流体流量。
本发明提供了直接操作以控制该可调节阀或孔的能力。或者，采用本发明原理的系统可以在直接模式和PID模式之间来回切换。当处于PID模式时，系统采用具有可变增益项的标准的PID算法，以优化给定硬件的性能。当控制器基于该设定点和该输入和输出压力而直接改变阀位置较为有利时，该系统切换到直接模式。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种控制系统用于控制通过该可变孔的流体的流量，其包括用于确定该孔两侧的压差并用于生成压力信号的传感器；用于确定可动节流元件的位置并用于生成位置信号传感器，该元件限定了该孔的至少一部分；控制器，用于监控压力信号和位置信号，该控制器具有第一PID控制算法和该可动节流件在该孔内直接移动的第二算法。
根据本发明的另一方面，提供了一种计量通过可变孔的流体流量的方法，该方法包括如下步骤控制位于该孔内的节流元件，以改变由该可变孔限定的横截面积；测量该可变孔两侧的压差；和当达到预定压差时，在第一控制算法和第二控制算法之间切换。
尽管就优选的实施例结构和这里使用的特定设备而描述本发明，但应当理解，本发明并不限于这里描述的结构和组件。同样，尽管在此描述特定类型的可变孔和压力传感器，也应当理解，该特定的孔和传感器并不是以限制性的方式给出的。而是，本发明的原理可延伸到需要进行流量控制的任何环境。在阅读了对本发明的更详细的描述之后，本发明的这些和其它变化会变得更清楚。
在随附的权利要求中特别地指出了本发明的特征和有益效果，该权利要求形成了本文的一部分。为了更好地理解本发明，然而，应当参考也形成为本文一部分的附图，并参照下文的描述，其中示出了和描述了本发明的优选实施方式。
通过参照附图描述了示例性的实施方式。其中图1是示出了现有技术中流量控制回路的元件的方框图；图2a是示出了对大设定点变化的代表性的PID响应的曲线图；图2b是示出了对小设定点变化的代表性的PID响应的曲线图；图2c是示出了对大控制回路条件变化的代表性的PID响应的曲线图；图2d是示出了对小控制回路条件变化的代表性的PID响应的曲线图；图3是根据本发明原理的流量设备的俯视立体图；图4是图3中示出的流量设备的俯视图；图5是图4中示出的流量设备的示例性配置沿横截面指示线5-5的截面图；图6是图5中示出的示例性流量设备沿横截面指示线6-6的横截面视图；图7是图5中示出的设备的孔和可动元件部分的放大视图；图8是图4中示出的示例性流量设备沿横截面指示线8-8的横截面视图；图9是图4中示出的示例性流量设备沿横截面指示线9-9的横截面视图，该示例性设备具有一个通向该孔的矩形入口；图10是图4中示出的示例性流量设备沿横截面指示线10-10的横截面视图；图11是图4中示出的示例性流量设备的替换实施例沿横截面指示线11-11的横截面视图；该示例性设备具有通向该孔的圆形入口；图12是根据本发明原理构建的实施例的各种元件的功能方块图；
图13是示出了本发明控制系统的原理的功能方块图；图14是编程步骤的逻辑流程图，可以采用图13中的控制器块225以在直接运动模式和PID控制模式之间切换；图15a是示出了使用直接模式时对大设定点的变化的代表性响应；图15b是示出了使用直接模式时对小设定点的变化的代表性响应；图15c是示出了使用直接模式时对大控制回路条件变化的代表性响应；图15d是示出了使用直接模式时对小控制回路条件变化的代表性响应。
具体实施例方式
本发明总体上涉及流体流量计和控制设备，更具体涉及用于控制流经可变尺寸孔流量设备的流量的可变尺寸孔流量设备和系统。可变尺寸孔可特别适于在差压流量计中使用，这里将参考数个附图对其描述，然而该应用仅仅是可应用本发明原理的多个应用中的示例。
为了更清楚地描述本发明，对流量控制系统的详细描述将推迟，首先描述本发明所应用的优选的环境可变孔设备。
流量设备示例在图3-11中示出了根据本发明的原理构建的用于控制和测量流体流量的流量设备10。该设备包括一个壳体12、一个可移动元件14、第一和第二压力传感器16、18、以及入口和出口管连接器22、20。管道30穿过壳体形成并且包括第一、第二和第三管段50、52、54。壳体还包括在横切管道30的方向上与管道30交叉的第一和第二传感器孔36、38、以及同样在横切管道30的方向上与管道30交叉的元件孔40。在此示例中，元件孔40和传感器孔36、38彼此平行而延伸，但是在其它实施方式中可彼此垂直而对齐。壳体12可分割成独立的部件或两半13、15(见图3)以便于在壳体内精确形成复杂特征，或者可一体形成为单一部件。
可移动元件14包括一个基部42和一个接触元件44，并且位于元件孔40内，从而延伸到管30的第二管段52。接触元件44包括一个前缘46、一个锥形后缘48、以及一个平面的接触面49(见图7)，该接触面49构造成与第二管段52的平面(例如，下面讨论的并且示于图7的固定壁90)配合。可移动元件14能够沿着一个线性轴线在打开(缩回)位置和关闭(延伸)位置之间的位置范围内可移动地调节，其中可移动元件14的运动限制在线性轴线上。打开位置允许最大的流体流量经过管道30。随着可移动元件14朝向关闭位置移动，由于与流体接触导致经过管道30的流体流量减少。对于在元件孔40内的可移动元件14的调节可通过使用例如线性致动器、步进电机、液压或气压致动器、螺线管、伺服电机或者诸如带有指旋钮螺纹轴的手动设备等进行。可移动元件14的位置可通过例如霍耳效应传感器、磁致伸缩设备、线性可变差动变压器(LVDT)、光学编码器以及其它确定位置的技术来确定。
将元件14的移动限制为在元件孔40内的线性运动可简化对可移动元件14的定位。其它方法可基于相对于可移动元件的移动增量“导出”可移动元件14的位置。在一个示例方法中，可移动元件14可从一个参照位置——例如完全打开或完全关闭的位置——移动一定步数。可编写控制设备10的软件以将所移动的步数转换为所移动的距离。在这种构造中将不需要独立的位置测量设备，这可减少用于设备10的硬件数量并且降低复杂性。该方法的一个可能的缺点是，如果元件锁定在一个位置而处理器却认为该元件移动一些步数——此时元件实际上静止，那么就发生潜在的不准确的位置测量。与步进马达或线性马达一起使用的编码器、或者从相关的移动增量“导出”线性位置的其它设备可具有潜在的不精确等类似问题。
第二管段52包括一个入口部60、一个出口部62和一个位于该入口部60和出口部62之间的孔部64。入口部60在一端与传感器腔32流体连通，并且在邻接孔部64的第二端包括多个锥形面。类似地，出口部62在一端与传感器腔34流体连通，并且在邻接孔部64的第二端包括多个锥形面。
该设备的孔段的入口和出口部包括多个固定的侧壁，在本实施方式中这些侧壁确定了一个非圆形的截面。其它实施方式可包括具有圆形截面的孔段的入口和出口部(见在图11中的入口部160的示例截面)，该构造在一些情况下可以是优选的。示例的第一和第三部分60、62包括四个基本上呈方形的四个固定壁(见在图9中的入口部60的示例截面)。在本文件全文中，矩形定义为四壁的形状，而方形定义为四壁长度相同的矩形。矩形的壁基本上是平的或线性的，并且两个壁的交叉提供了大约90度的角度。在一些应用中，矩形的角由于制造限制可以是具有倒圆、倒角、削角等特征的稍微的锥形。此外，一个或多个壁的一部分可以略微地倾斜或斜切以产生密封点或者满足其它设计目标并且/或者解决制造限制问题。在包括线性和弯曲壁的组合的实施方式中(未示出)，这些壁的交叉点也可包括例如倒圆、倒角、削角等特征。最后，一个或多个壁的一部分可通过垫圈或密封件的暴露面形成。
在入口部60的侧壁内形成锥形70、72、74、76以在入口部60对接孔部64的位置减少截面积。锥形70、72、74、76在单一的轴向位置对齐，从而步调一致地减少部分60的截面积(见图5-7)。出口部62在相对的侧壁也包括一个带有锥形面78、80(见图6)的方形截面，从而在孔部64和出口部62之间的过渡位置减少出口部62的截面积。
孔部64包括三个固定壁90、92、94，其中固定壁90包括一个锥形后缘96和一个前缘98(见图7)。由此，孔部64的截面积以锥度向外两步延伸到部分62的较大的截面积，这两步对应两套锥形96、48和78、80。如图10的剖面视图所示，孔部64的截面积与图9中示出的入口部60的截面积相比较小。
移动元件44和孔部64的前缘46、98和后缘96、48分别提供了出入孔部64的恒定的流动特征。孔部64的截面尺寸由相对于孔部64的固定壁90、92、94的移动元件14的位置确定。孔部64没有传感器开口和死容积空间，以避免对流体流动的扰乱和潜在的处理材料或沉积物的积聚。
一个线性致动器(在图12中最清楚地示出为块106)被用来实现可移动元件14的移动。通过沿着单一线性轴线移动，可移动元件14线性地改变孔部64的截面尺寸，同时维持大体一致的形状以提供经过可移动元件的位置范围的相对一致流动特征的设定。孔部64的截面形状允许根据在可移动元件14的位置范围内的位置可重复地调节流体流量。在一个其中一致的形状是矩形的示例中，孔部64的截面的高度随着可移动元件14在打开和关闭位置之间移动而减少尺寸。维持矩形形状、或者至少为具有至少一个平面或线性侧壁的形状，减少了在流动特征上的变化——由此当确定针对每个孔的尺寸的流率时减少了错误。
使用时，流体首先通过管30的第一段50进入流量设备10(该示例将用于对本发明的各方面的描述的剩余部分)。经过管段50的流体具有与第一管段50的圆形截面相匹配的流动特征。流体然后进入打开的传感器腔32，在那里在流体流进入第二管段52的非圆形入口部60之前提供了一个过渡容积。流体然后通过刚好在孔部64之前形成在入口部60内的数个锥形减少了截面积。如上所述，由于孔部64的非常小的截面积以及由前缘46、98产生的壁状结构，在入口处向孔部64产生了较高的压力。孔部64的截面积依赖于在方向A的可移动元件14的位置。沿着方向A的每个位置对应着孔部64的不同截面积，用来确定经过流量设备10的体积流。
在流体从由孔部64和可移动部件14确定的孔出来后，流体流的截面积由于锥形78和80以及后缘48和96而增加。出口部62的截面积优选具有如同入口部60的截面(其在流量设备10的示例流动设备中是方形截面——在图9中看得最清楚)的小尺寸和形状。从出口部62出来的流体进入传感器腔34——在那里在流体流进入第三管段54之前提供了另外的过渡容积——并且采取了用于第三管段54的圆形截面的流动方式。
第一和第二压力传感器16、18位于孔部64的相对侧，从而能够在管道30的第二段52的入口侧和出口侧处的压差。第一和第二压力传感器16、18可靠近处理液安装以减少流体的死容积量，并且减少在第一和第二压力传感器16、18和管道30内的流体之间的结晶和颗粒积聚。在本发明的另一方面，可使用单一的压差传感器以与第一和第二传感器腔32、34通讯以确定压差。此外，在第一和第二传感器腔32、34的一个具有固定压力的应用中可仅需要一个单一压力传感器。例如，若第二传感器腔34处于孔的下游并且在大气压力下清空成一个开放的容器，下游的压力测量是不需要的，并且来自第一传感器16的压力测量值可单一地与大气压力一起使用来确定压差。类似地，若第一传感器腔32在孔部64的上游并且从压力紧紧地控制在一个固定值的加压容器中接收液体，上游压力是不需要的，并且来自第二传感器18的压力测量值可单一地与固定上游压力值一起使用以确定压差。
其它实施方式的例子可使用单一的压差传感器，该压差传感器从设备的孔部的入口和出口侧读取压力值，并且确定经过孔部的压差。这种和其它类型的传感器无需安装在传感器孔上，所使用的传感器孔也无需具有比管道的截面积更大。例如，传感器可配置成使用小的探针获取压力读数，其中该小探针需要与管道尺寸相比非常小的进入管道的开口，并且传感器可安装在设备外壳内或者邻接该设备外壳的一个不同位置。
然而，进一步的实施方式可不包括任何直接与设备相关联的传感器，而是可配置成使用由外部源提供的压力信号。这种来自外部源的压力读数可包括，例如来自位于设备的上游或下游的压力传感器的压力读数，或者表示用于在设备的上游或者下游的系统的已知静压状况的压力信号。由此，虽然该设备无需压力传感器，该设备优选配置成使用其目的是测量和控制流经设备的流体的压力信号。
表示越过孔的压差的压力信号可与孔的截面积、刚好在孔之前或之后的入口和出口部的截面积、以及流体的密度一起使用，用以确定体积流率。
本发明的一个优点是，当优选实施方式的设备在其中该设备用作流量计的环境中使用时，那么压力信号(ΔP)可在每种流率下通过变化孔的尺寸优化。例如，压力信号可通过改变孔的尺寸针对一给定流率而设定在最小值。此外，压力信号可通过改变孔的尺寸针对期望的流率或入口压力优化。当优选实施方式的设备用于其中这种设备用作流量控制器的环境中时，那么入口和出口压力固定，并且限定了单一孔口以获得期望的流率。
此外，虽然示出第二管段52的入口部60、出口部62和孔部64的截面是矩形，可以理解，该截面可以是不同形状的截面，例如，但不限于矩形、等腰三角形等。此外，第二管段52的不同部分可具有不同的形状和尺寸，并且可沿着第二管段52的每个部分具有变化的形状和尺寸。此外，虽然孔部64具有矩形截面，由可移动元件14的前缘46和后缘48以及固定壁90、92、94的前缘98和后缘96限定的孔部64的前部和后部可具有与图中所示的那些不同的尺寸、形状和取向。
功能性元件图3-11所示的流量设备10的优选实施方式的特征在图12中概略地示出为流量设备组件100的一部分。组件100包括一个微控制器102，该微控制器102控制多数其它组件并与这些组件通讯。组件100包括一个致动器驱动电路104、一个线性致动器106、一个位置传感器参照装置108、一个位置传感器110、以及一个与流量设备变尺寸孔相关的模拟至数字转换器(ADC)112、以及一个开关114、调节器116、开关调节器150、以及控制送往块106、108、110、112的电力的线性调节器118。微处理器102可以是任何合适的处理器或者控制器，例如由San Jose，CA的RENESAS制造的HD64F3062十六位微处理器。
组件100还包括一个压力传感器参照装置120、一个高压力传感器122、一个低压力传感器124、以及一个差分放大器126、128和一个ADC129，它们一起用来确定在流量设备内的压差。例如RAM 130、NVROM132和程序存储器134等不同的存储设备可由微处理器102使用以存储数据，例如在图14中给出的逻辑程序步(和/或下面讨论的PID方程)、指令、代码、算法等。
微处理器102可接收呈电流信号——具有例如4-20mA的量级并且利用ADC 136转换为数字信号——形式的输入，并且可通过UART 138和数字接口140直接与数字信号交流。微处理器102还可产生输出信号，该输出信号利用电压基准142、数字至模拟转换器(DAC)144和输出电路146转换成模拟信号，其中输出电路146产生例如4-20mA量级的信号。组件100可使用为组件100的各部件供电的、包括负调节器148和开关调节器150的电源。
温度输入152通过放大器154和ADC块156供给微处理器102。可设置电压隔离块158和160，以从输入和输出设备隔离微处理器102。
响应来自压力传感器块122和124的压力信号，微处理器102可确定改变可变孔的阀的物理位置。为此，微处理器102使用致动器驱动电路块104以接合线性致动器106。这又移动可变孔14(例如阀)。位置传感器110可在可变孔14的实际或暗指的位置上提供反馈。
微处理器102通过测量越过可变孔的压降计算流量。该可变孔用来基于流量计的压差的限制器，并且还可用作阀以控制流率。因此，为了之下流量控制，无需独立于流量计的阀。因此，图3-11中示出的部件、结合图12的基于微处理器的电子元件形成了一个完整的流量计/控制器。
由于图12示出的可变孔14当用于流量控制时还执行阀功能，阀孔的上游和下游的压力受到监控。位置传感器块110监控“活塞”元件14的位置，该元件14前后滑动以改变孔的尺寸。图12还示出一个温度传感器块152，其优选物理地驻留在下游压力传感器内。该温度传感器152安装成非常靠近压力传感器的隔膜，并且用来监控流经流量计/控制器的流体的温度。
控制方法和装置现在参见图3，其中示出系统200，用于控制闭环可变孔流量计的流速。该系统包括控制阀205，该控制阀可以用图12中的可变孔14实现。位置传感器块210判断控制阀块205的实际和/或暗指位置，以确定孔的大小和相应的流量特征。该位置传感器块可以用位置传感器10来实现。压力检测块215和220分别判断相对于控制阀块205下游和上游的压力。这样的压力检测块分别可以用压力传感器124和122实现。压力传感器215和220的输出以及位置信息被提供给控制器块225。控制器块225可以用微处理器102实现。流量设定点也被作为输入提供给控制器块225。流量计块230监测下游流量输出，并将该反馈提供给控制器块225。
仍然参考图13，在阀将工作的所有入口和出口压力下，以及所有的阀位置上，阀的流量特征为控制器块225所知。这些流量特征可以由阀的设计所知，和/或根据经验确定(例如，对每个阀进行测量，作为制造过程的一部分)。流体的温度和类型也为所述控制器块225所知。流体类型优选地为已知，因为随温度而变化的流体的粘性和密度会影响通过控制阀块205的流量。
下面两个公式表示通过阀块205的流量关系F＝f(T，ΔP，V) (公式1)其中F＝流量T＝温度ΔP＝压力差V＝阀位置V＝g(T，ΔP，F) (公式2)
其中V＝阀位置T＝温度ΔP＝压力差F＝流量为了执行通过阀块205的流量的正常计算，求解公式1。公式2由阀块205的设计所产生，或者通过在制造过程中标注通过每个阀的流量来产生，如上所述。当输入一个新的设定点或当流量回路条件变化时，导致期望流速F’与实际流速之间的差异。利用公式2来计算与该期望流速相关的一个新的阀位置，如下所示V′＝g(T，ΔP，F′)求解该公式后，控制器块225可以直接将阀块205的可变阀的位置移动至该新位置。这样与利用PID算法找到新位置相比，可以非常快速地移动到该新位置。
利用图13所示的系统200按照公式1和公式2进行控制的方法可以按照其它方式实现。一种优选的实现方式包括一个系统，其中控制器通过使用PID控制算法在正常操作条件下(如，小的回路变化)维持设定点。然而，当发生设定点的变化，或回路操作条件的变化时，PID算法被暂停，而求解公式2。于是控制器块225立即将阀移动到位置V’。在该移动之后，PID算法被复位，继续操作控制。
导致PID算法暂停和直接改变阀位置的设定点变化量或回路操作条件变化量可以由用户设置，或者可以是在制造控制器时输入的缺省值。
一种可以实现图13所示系统的方法是根本不使用PID算法，而是通过求解公式1，并对求解结果与设定点之间的差进行积分，并将其加到公式2的结果上。该积分值用于克服控制阀块205的位置的有限分辨率。如果不加积分，控制阀块205将仅仅被设置为最接近产生期望流速的位置。这样造成的不精确在有的场合可能无法接受。通过加积分，阀位置将以一种方式上下移动，以产生等于期望流速的平均流速。这与静态控制中PID算法执行的积分的功能基本相同。
在本例中，阀位置可能在控制阀块205的离散位置附近抖动。如果离散的实际物理位置不等于实际的期望位置，这类抖动可能是必要的。抖动型的动作据此通过一次或多次移动(“抖动”)来近似实际的期望位置。
当公式2中的函数g未知时，可以采用改进图13所示系统的回路响应的第二方法。在该情况下，采用数字方法来利用公式1中的函数f和T、ΔP、期望流速F’来计算V’。
使用牛顿方法(Newton’s Method)的一种优选实现方式如下1)在当前温度和差分压力下计算流速相对于阀位置的导数dF/dV=f(T,ΔP,V+x)-f(T,ΔP,V-x)2x]]>(公式3)其中x是相对于阀操作范围的一个小的阀位置变化。
2)计算期望的流速变化cF＝F′-f(T，ΔP，V)(公式4)3)计算新的阀位置V′=V+cFdF/dV]]>(公式5)如果dF/dV对不同的阀位置显著变化，则可以用刚刚计算得到的V’代替V，通过迭代的方式再重复上述步骤。可以一直这样做，直到算法收敛到期望的精确度。与典型的PID算法相比，迭代该算法若干次将产生显著改善的回路响应时间。
正如利用上述第一方法改进流量控制响应，该第二方法可以与PID算法结合使用，也可以单独与一个积分项使用，以产生等于流量设定点的平均流速。
图15a和15b示出采用上述第二方法时，产生的改进的对设定点变化的控制回路响应。图15a和15b可以与图2a和2b所示的PID响应图线比较。图15c和15d示出采用上述第二方法时，产生的改进的对回路操作条件变化的控制回路响应。图15c和15d可以与图2c和2d所示的对回路条件变化的PID响应图线比较。
操作中图14示出可以由控制器块225采用的，关于确定是采用直接模式还是PID运算模式的编程或逻辑流程步骤。该操作总体上表示为300，在块301开始。移动到块302，控制器块225判断设定点是否变化。如果答案为“否”，则控制器块225移动到块303，并计算必要的PID控制公式，以确定是否有必要对控制阀块205的位置进行任何改变。在进行任何这样的改变后，控制器块225返回块302。
如果在块302的答案为“是”，控制器块225移动到块304，以便以直接模式操作若干次循环。在块304，循环次数“i”设为0。在块305，进行直接模式计算，并执行对控制阀块205位置的必要改变。移到块306，“i”加1。如果答案是“否”，则控制器块225返回块305。接下来在块307，控制器块225判断“i”是否已经达到预定的循环次数“N”。该次数N用来迭代到正确的位置值。尽管理想地，通过一次孔移动即可达到对于给定流量设定点和差分压力的正确位置，但实践中一旦孔移动到新的物理位置/开度，差分压力也将变化。如果答案是“是”，则控制器块返回到块302。
也可以在块302判断控制阀块205两侧的差分压力是否发生变化。尽管实际的百分比基于用户要求和/或期望的性能，并且随系统类型、所采用的实际装备和组件而不同，但是目前可以预期，差分压力变化30％可以用作从PID控制改为直接控制的点。
尽管在本申请中描述了本发明的特定实施例，但本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于这样的应用和实施例或其中披露和描述的特定组件。本领域的技术人员可以理解，不同于此处描述的，其它体现本发明原理的组件和其它应用也包含在本发明的主旨和意图范围内。此处描述的方案只是作为包含和实践本发明原理的一个实施例的例子。其它的变化和替换完全在本领域技术人员的知识范围内，并将包含在所附权利要求的宽广范围内。
权利要求
1.一种控制系统，用于控制通过可变孔的流体流量，该控制系统包括a)用于确定该孔两侧的压差并用于生成压力信号的传感器；b)用于确定可动节流元件位置并用于生成位置信号的传感器，该元件限定该孔的至少一部分；并且c)用于监控该压力信号和该位置信号的控制器，该控制器具有PID控制的第一控制算法和直接移动该可动节流元件的第二控制算法。
2.如权利要求1所述的系统，其中该控制器基于是否已经达到预定的压差变化的判断结果来确定在PID控制和直接移动控制之间切换。
3.如权利要求1所述的系统，还包括该控制器使用的第一设定点。
4.如权利要求3所述的系统，还包括该控制器使用的第二设定点，其中当使用该第二设定点时，该控制器从PID控制改变到直接移动控制。
5.如权利要求4所述的系统，其中在预定循环次数之后该控制器返回到PID控制。
6.如权利要求5所述的系统，还包括由该控制器执行的积分，以在该可动节流元件被限制于一个不等于实际期望位置的离散位置时，近似该可动节流元件的实际期望位置。
7.如权利要求6所述的系统，其中该积分的形式为该可动节流元件在该实际期望位置附近抖动。
8.如权利要求7所述的系统，其中该第二设定点由用户手动输入。
9.如权利要求1所述的系统，还包括由该控制器使用的第一和第二设定点，其中该控制器基于已经达到了压差的预定改变的判断结果或当第二设定点要被使用时的其中之一，来确定在该PID控制和该直接移动控制之间的切换。
10.如权利要求1所述的系统，还包括一个测量流体温度并用于生成温度信号的传感器，其中该传感器监控该温度信号。
11.一种计量通过可变孔的流体流量的方法，该方法包括如下步骤控制位于孔内的节流元件，以改变由该可变孔限定的横截面积；测量该可变孔两侧的压差；及当到达预定的压差时，在第一控制算法和第二控制算法之间切换。
全文摘要
本发明公开了一种用于计量流体流量的设备。该设备包括一可变大小的孔，其由流体流动管道和相对于该流体流动管道可动以改变该孔的大小的元件限定；压力传感器，其配置为确定穿过该孔的压差并产生压力信号；定位设备，其配置为确定该元件相对于该管道的位置，并产生位置信号，和处理器，其配置为使用该压力信号和该位置信号确定该流体的流率。该系统可直接控制该可调节阀或孔。或者，该系统可在直接模式和PID模式之间来回切换。当处于PID模式时，该系统采用具有可变增益项的标准PID算法。当对该控制器来说，基于该设定点和输入及输出压力而直接改变该阀位置是有利的时候，系统切换到直接模式。
文档编号G05D7/06GK1908836SQ20061010590
公开日2007年2月7日 申请日期2006年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者格兰特·布雷德利·爱德华兹, 约翰·艾伦·基尔布, 代尔·艾伦·纽金特 申请人:瑞瓦泰克公司