用于致动器的方法和控制器与流程

本发明涉及致动器，特别是气动和液压致动器的控制。

背景技术：

致动器经常用作引入运动或控制运动的机构。它由能量源(通常是电流、液压流体压力或气动流体压力)操作，并且将那种能量转换成目标机制的运动，诸如转换成控制阀的关闭元件的移动。

控制阀一般用于不同管道和过程中的液体或气体流的连续控制。在加工工业中，诸如石油和天然气、采矿、纸浆和造纸以及化学工业，安装在工厂管道系统中的不同种类的控制阀在过程中控制材料流。材料流可以包含任何流体材料，诸如流体、溶液、液体、气体和蒸汽。控制阀的操作涉及将其可移动或关闭部分(例如塞子、球或盘)相对于阀的静止座定位。控制阀通常与致动器连接，致动器的目的是将阀门的关闭元件准确地定位在由控制信号指示的位置。致动器将阀门的关闭元件移动到完全打开和完全关闭位置之间的期望位置。例如，致动器可以是气动或液压缸-活塞设备。致动器本身通常由阀门定位器(也称为阀门控制器)控制，用于根据来自过程的控制信号控制控制阀的关闭元件的位置并因此控制过程中的材料流。位置传感器(诸如电位计)将表示实际阀位置的信号馈送到定位器。以这种方式，致动器可以沿着其行程与控制信号成比例地定位。因此，定位器作为反馈控制器操作。

提供更好的控制阀性能的新型设备之一是所谓“智能”定位器或数字阀门控制器。智能定位器的一个示例是由metso公司制造的nelesndx阀门控制器。智能定位器是基于微处理器的电子定位器，具有内部逻辑功能，其可从数字编程中获益，以获得改进的定位性能。智能定位器的优点是它可以被编程为使用位置控制算法来实现更好的动态响应。另外，智能定位器可以使用诸如hart、foundationfieldbus等双向通信协议来与过程控制系统通信。

通常，位置传感器集成到阀门定位器或控制器，阀门定位器或控制器必须附连到致动器和阀门。但是，还存在这样的布置，其中单独的位置传感器附连到致动器或阀门，并且位置测量被传送到远程安装的定位器。

在这两种情况下，阀门位置反馈的失效(诸如在位置传感器中)都可能使反馈控制和阀门不起作用。美国专利no.us7,222,016公开了一种布置，其中提供辅助压力反馈控制器以备份主位置反馈控制器。在与位置反馈控制相关联的故障的情况下，具有压力反馈的辅助控制器被用于确保控制阀的连续操作。将控制从主控制器转移到辅助控制器的开关可以被手动操作，或者它可以自动地对位置传感器失效做出反应。这种方案的缺点是必须配置并调谐附加的辅助(压力反馈)控制器。

技术实现要素：

在所附独立权利要求中叙述了本发明的各方面。在从属权利要求中公开了本发明的实施例。

本发明的一方面是一种控制过程设备(processdevice)的气动或液压致动器的方法，包括：

以模拟的反馈模式控制过程设备的气动或液压致动器，其中测量致动器压力，通过模拟模型从测得的致动器压力导出致动器或过程设备的模拟的位置，以及基于设定点位置和模拟的位置控制致动器或过程设备的位置。

在实施例中，该方法还包括以测得的反馈模式控制过程设备的气动或液压致动器，其中从位置传感器获得致动器或过程设备的测得的位置，以及基于设定点位置和测得的位置控制致动器或过程设备的位置。

本发明的一方面是一种控制过程设备的气动或液压致动器的方法，包括以测得的反馈模式控制过程设备的气动或液压致动器，其中从位置传感器获得致动器或过程设备的测得的位置，并且基于设定点位置和测得的位置来控制致动器或过程设备的位置，其中

测量致动器压力，

通过模拟模型从测得的致动器压力导出致动器或过程设备的模拟的位置，以及

当模拟的与测得的位置值之间的误差超过预定的限制时，检测到位置测量的失效。

在实施例中，模拟模型是动态模拟模型，其对作为致动器压力的函数的位置的时变行为进行建模。

在实施例中，模拟模型考虑作为致动器压力的函数的位置变化的时间常数。

在实施例中，模拟模型包括非线性部分和线性动态元素，非线性部分提供作为致动器压力的函数的模拟的稳态位置值，线性动态元素由时间常数表征，该时间常数确定模拟的位置反馈的速度。

在实施例中，该方法还包括当位置传感器中存在失效时，控制致动器或过程设备在模拟的反馈模式下的位置。

在实施例中，该方法还包括主要以测得的反馈模式控制致动器，并且响应于接收测得的位置的失效而以模拟的反馈模式控制致动器。

在实施例中，该方法还包括向用户指示使用测得的反馈模式或模拟的反馈模式和/或接收致动器的测得的位置的失效。

在实施例中，该方法还包括在致动器控制的配置期间自动确定模拟模型的参数，所述确定优选地包括在致动器的测试行程期间针对每个测得的致动器压力通过位置传感器测量致动器的位置。

在实施例中，该方法还包括以模拟的反馈模式控制不具有位置传感器的致动器。

在实施例中，该方法还包括在致动器控制的配置期间手动确定模拟模型的参数，所述确定优选地包括在致动器的测试行程期间针对每个测得的致动器压力的致动器的位置的视觉检查。

本发明的一方面是一种用于控制过程设备的气动或液压致动器的控制器，包括

位置反馈信号输入端，用于接收表示致动器或过程设备的位置的位置传感器信号，

致动器压力输出端，

用于获得致动器压力测量的装置，

控制单元，具有至少第一控制模式和第二控制模式，其中处于第一控制模式的控制单元被布置成基于设定点位置和接收到的位置传感器信号控制致动器，并且其中处于第二控制模式的控制单元被布置成基于致动器或过程设备的设定点位置和模拟的位置来控制致动器，该模拟的位置是通过模拟模型从测得的致动器压力导出的。

本发明的一方面是一种用于控制过程设备的气动或液压致动器的控制器，包括

位置反馈信号输入端，用于接收表示致动器或过程设备的位置的测得的位置传感器信号，

致动器压力输出端，

用于获得致动器压力测量的装置，

控制单元，被布置成取决于设定点位置和测得的位置来控制致动器，

控制单元被布置成通过模拟模型从测得的致动器压力导出致动器或过程设备的模拟的位置，以及

控制单元被配置为当模拟的与测得的位置值之间的误差超过预定限制时检测到位置测量中的失效。

在实施例中，过程设备是阀门，特别是控制阀。

本发明的一个方面是被配置为实现所述控制方法的控制器。

本发明的一个方面是根据本发明任何实施例的控制器在控制没有位置传感器的致动器和过程设备中的用途。

本发明的一个方面是根据本发明任何实施例控制的过程设备，特别是控制阀。

附图说明

在下文中，将参考附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，其中

图1示出了示例性过程自动化系统的示意性框架图；

图2a示出了示例性控制阀组件的示意性框架图；

图2b示出了示例性反馈控制回路的示意性框架图；

图3示出了用于弹簧复位致动器的致动器行程模型的示例；

图4示出了可以对安装的阀门定位器执行的示例性建模规程；

图5示出了根据本发明实施例的示例性阀门定位器或控制器的示意性框架图；以及

图6示出了根据本发明示例性实施例的模拟反馈控制环的示意性框架图。

具体实施方式

图1示出了示例性过程自动化系统的示意性框架图，其中本发明的原理可以应用于阀门定位器。控制系统块5一般表示自动化系统中的任何和所有(一个或多个)控制室计算机/程序和(一个或多个)过程控制计算机/程序以及数据库，它们可以由工厂lan4互连。控制系统有各种体系架构。例如，控制系统可以是直接数字控制(ddc)系统或分布式控制系统(dcs)，两者都是本领域众所周知的。应当认识到的是，自动化系统的类型或体系架构与本发明无关。

在图1的示例中，包括过程阀1和定位器2以及致动器3的控制阀组件可以连接到过程以控制过程管道7中的物质的流动。可以在加工工业(例如石油和天然气、采矿、纸浆和造纸以及化学工业)中控制处理或过程管道的材料流。材料流可以包含任何流体材料，诸如流体、溶液、液体、气体和蒸汽。虽然图1中仅示出了一个受控过程阀组件，但是自动化系统可以包括任何数量的现场设备，诸如控制阀组件，常常是数百个控制阀。过程阀1的示例是metso公司的rotaryglobe控制阀。其中可以应用本发明的实施例的阀门定位器2的示例是由metso公司制造的ndx阀控制器。致动器3的示例是metso公司的quadra-powerx系列气动致动器。

存在各种替代方式在工厂区域中布置控制系统和现场设备(例如控制阀)之间的互连。在图1中，现场/过程总线6一般表示任何这种互连。传统上，现场设备通过双线双绞线环路连接到控制系统，每个设备通过单个双绞线连接到控制系统，提供4到20ma的模拟输入信号。最近，在控制系统中使用了新的解决方案，诸如高速可寻址远程传感器(hart)协议，其允许在双绞线环路中传输数字数据连同常规的4至20ma模拟信号。例如在出版物hartfieldcommunicationprotocol：anintroductionforusersandmanufacturers，hartcommunicationfoundation，1995中更详细地描述了hart协议。hart协议也已发展成工业标准。其它现场总线的示例包括foundationfieldbus和profibuspa。但是，应该理解的是，现场/过程总线3的类型或实现与本发明无关。现场/过程总线6可以基于上述任何一个替代方案，或者基于其任何组合，或者基于任何其它实现。

图2a图示了示例性控制阀组件的示意性框架图，其中气动致动器3在阀定位器或控制器2的控制下操作过程阀1。智能(smart)阀定位器(诸如定位器2)的操作可以基于微控制器(诸如微处理器(μp))。定位器或控制器2控制阀门1的位置。为此，定位器可以在过程/现场总线6(诸如4-20ma对和hart)上接收输入信号(例如设定点)，并且可以执行各种测量。

定位器2可以设有阀门或致动器位置h，其由附连到致动器3和/或阀门1的位置传感器12测量。可以提供位置传感器12以测量致动器或阀门的位置，并将表示实际阀门或致动器位置的位置信号h反馈回定位器2。例如，传感器12可以布置成测量致动器3的轴14的旋转或线性移动。例如，传感器12可以包括电位计(可调电阻器)，其电阻可以随致动器3或阀门1的位置h而变化。如果定位器2附连到致动器3，那么位置传感器12可以集成到定位器2中。在定位器2与致动器3和阀门1分开或远离的实现中，定位器2可以通过有线或无线连接11接收表示测量的致动器/阀门位置hmeas的信号。

定位器2还可以连接到以供应压力psupply供应空气的压缩空气供应源s，定位器2从那里布置成提供用于控制致动器3的致动器压力pactuator，以便定位阀门1。用于致动器的加压空气(即，气动致动器压力pactuator)可以在致动器压力端口c1处提供并通过致动器压力管线或管道10输送到气动致动器3。致动器3可以通过作用在连接到阀杆14的隔膜或活塞上的压力将气动致动器压力pactuator转换成阀杆14的旋转或线性运动。致动器3可以是或者单作用的或者双作用的。对于单作用设备，通过弹簧实现相反方向的移动，并且气动致动器压力p对弹簧起作用。当气动压力p使阀门关闭并且弹簧动作使阀门1打开时，致动器被称为直接作用。当气动压力p使阀门打开并且弹簧动作使阀门关闭时，致动器被称为反向动作。双作用致动器具有供应到隔膜或活塞两侧的加压空气。隔膜或活塞上的压差使阀杆14定位。在替代实现中，液压致动器可以类似于气动致动器用于阀门的定位，但是现在使用液压流体代替空气或气动流体。

定位器或控制器2可以基于预定的反馈控制方法基于反馈测得的位置hmeas和期望的目标位置，设定点hsp来控制阀门位置。在图2b中示意性地图示了反馈控制环路的示例。设定点hsp可以由从过程控制系统接收的控制信号来定义。例如，定位器或控制器2可以确定设定点hsp与由位置传感器12测得的位置hmeas之间的差异或误差。基于该误差或差异，定位器2然后可以改变气流或气动致动器压力pactuator，以将致动器3和/或阀门1定位到校正位置h，以使差异或误差减小到零。因此，可以说定位器是反馈控制器。由于设定点信号和位置反馈信号通常是电信号，并且定位器通常可以是用于实现反馈控制方法并提供电控制输出(例如误差信号)的电子单元(例如微控制器)，因此定位器2还可以包含用于电控制信号到对应先导压力的电-压力(i/p)转换的前置级，其可以控制功率输出级以改变连接到致动器3的致动器端口c1处的气流或气动致动器压力pactuator。因此可以说定位器2是气动或液压反馈控制器。

阀门位置反馈中(诸如在位置传感器12中)的失效可以使反馈控制和阀门1不起作用。另外，这种类型的控制器的应用是有限的，因为在实践中只有具有合适的托架(bracket)和位置反馈的过程设备(诸如控制阀)可以被控制。而且，线性测量范围受到限制，这进一步限制了这种类型的定位器或控制器的应用。

本发明的一方面是用于致动器位置控制的新控制策略。

本发明的一方面是当测得的位置不可接近或不可用时，用模拟的位置反馈代替测得的位置反馈。通过用模拟的位置代替反馈位置传感器值，可以使用普通的阀门定位器而无需位置传感器反馈。这开启了新的远程安装可能性、新的无限行程长度控制、容错阀门控制以及将阀门定位器用于阀门控制以外的其它目的的新机会。可以控制带或不带位置传感器的任何气动或液压驱动设备。对于容错阀门控制，只必须配置和调谐一个反馈控制器。

本发明的一方面是从由定位器或控制器2输出的测得的致动器压力pactuator导出模拟的致动器位置h。

本发明的一方面是一种模拟模型，其对作为致动器压力pactuator的函数的致动器行程(即，致动器3的位置h)进行建模。在示例性实施例中，致动器压力/位置特征曲线用于从致动器压力pactuator提供模拟的位置h。弹簧复位致动器(单作用、直动或反作用致动器)的致动器行程模型的示例在图3中示出。对于弹簧复位致动器，致动器行程模型通常可以与齿隙成线性关系。在该示例中，我们具有带参数的三参数模型：h0＝起始位置，hp＝(角度)系数，以及hg＝齿隙。示出了打开曲线(向上移动)和关闭曲线(向下移动)，其在整个行程中基本平行且线性。曲线的分离是由抵抗运动的摩擦产生的齿隙hg。在该示例中，模拟的致动器位置具有增加致动器压力pactuator的功能，其具有向上移动的曲线并且可以根据等式1导出：

＝0+ppg(1)

类似地，模拟的致动器位置具有减小致动器压力pactuator的功能，具有向下移动的曲线并且可以根据等式2导出：

＝0+pp+g(2)

致动器行程的线性模型，诸如通过等式(1)和(2)获得的具有齿隙的线性模型，基本上给出了位置的稳态值，其具有对致动器压力的函数。但是，在本发明的实施例中，模拟可以是动态的，其中也对系统的时变行为进行建模。模拟可以结合现实世界约束，诸如阀门齿隙或阀门速度，这意味着模拟模型变得非线性。阀门速度可以被定义为在控制参数改变时阀门和/或致动器达到稳态位置的速度。通常存在特征延迟或响应时间，即，例如，从致动器压力pactuator的特定值的测量时间到阀门或致动器的实际位置已经达到由等式(1)和(2)给出的对应稳态位置的时刻的时间常数t。因此，通过在位置模拟中考虑动态约束，可以实现更准确和稳定的位置控制。

在示例性实施例中，稳态位置h经受非线性处理，该非线性处理对作为致动器压力pactuator的函数的实际位置的时变行为进行建模。在实施例中，非线性处理由指数函数或者第一阶或第二阶滤波器执行。示例性非线性处理可以执行等式(3)，其中位置h从等式(1)和(2)的线性模型获得：

hsim(k)＝ahsim(k-1)+(1-a)h(k)(3)

其中，

a＝e^(-ts/t)(4)

ts＝采样时间

t＝时间常数

k＝索引，整数

可以取决于所讨论的应用以各种方式确定模拟模型，更具体而言，模拟模型的参数值。例如，在本发明的其中模拟的位置用于具有位置传感器的致动器的容错控制的实施例中，可以在正常配置期间确定模拟模型，并且当位置反馈可操作(例如，位置传感器正常操作)时控制器调谐。例如，对于测试行程，测量足够数量的致动器位置对h和致动器压力pactuator对，以确定模拟模型的参数h0、hp和hg。作为另一个示例，时间常数t可以通过配置测得的致动器压力和对应的稳态位置h之间的响应时间来确定。

在本发明的其中模拟的位置用于控制没有位置传感器的致动器的实施例中，定位器或控制器总是在开环中运行而无需测得的位置反馈。控制总是基于模拟的位置值。没有位置测量，可以例如在手动校准期间手动地、自动地或通过单独的识别实验获得模拟模型。在实施例中，可以通过从先前定位器安装的阀门特征评估参数值(例如，h0、hp和hg)来手动获得模拟模型。在实施例中，在手动校准期间自动获得模拟模型可以包括记录(register)在阀门端点(打开/关闭)处的致动器压力以识别参数h0和hp，并且设置参数hg的默认值。在实施例中，可以通过单独的识别实验获得模拟模型，该实验可以包括在打开和关闭方向上移动致动器、阀门或致动器位置的可视觉检查、测量致动器压力pactuator，以及记录足够数量的可视识别出的阀门或致动器位置h和测得的致动器压力pactuator对。

可以针对工厂中安装的阀门定位器执行的示例性建模规程在图4中示出。假设用户可以移动致动器3，例如，通过经由用户界面或其它方式修改致动器压力，并且可以在视觉上检查致动器或阀门位置h。用户界面可以被配置为引导或提示以预定顺序进行预设动作。参考图4，将找到模拟模型的示例性序列可以如下：

0.从环境压力开始(关闭的阀门)

1.要求用户稍微打开阀门

2.要求用户将阀门打开至50％

3.要求用户驱动到最大压力

4.要求用户稍微关闭阀门

5.要求用户关闭阀门至50％

在每个顺序步骤中记录一对可视识别出的致动器或阀门位置h和测得的致动器压力pactuator，并且针对模拟模型计算参数h0、hp和hg。

图5图示了示例性阀门定位器或控制器2的示意性框架图，该阀门定位器或控制器2被配置为当测得的位置不可接近或不可用时用模拟的位置反馈代替测得的位置反馈。在图5的示例中，阀门定位器或控制器2用于控制具有气动致动器3和过程阀1的控制阀组件，但是可替代地，可以控制具有或不具有位置传感器的任何气动或液压致动设备。在图2和5中，相同的标号指相同的结构和功能。为了避免重复，以下主要仅描述新的或不同的结构。

在图5的示例中，可以提供压力传感器22以测量致动器端口c1处或沿着致动器压力线10或致动器3处的致动器压力pactuator。来自压力传感器22的致动器压力pactuator的测得的值可以被馈送到定位器或控制器2的控制单元21，并且还被馈送到位置模拟单元23。位置模拟单元3可以使用位置模拟模型(例如，上述示例性模型之一)提供致动器或阀门的模拟的位置h。控制单元21可以表示定位器或控制器2的正常配置和功能。控制单元21的操作可以基于微控制器，诸如微处理器(μp)，并且它还可以包含用于将电控制信号转换成对应先导压力的电-压力(i/p)的前置级，该先导压力还可以控制动力输出级，以改变致动器压力端口c1处的致动器压力pactuator。

定位器2还可以具有位置反馈输入端，该位置反馈输入端被配置为接收位置反馈信号，该位置反馈信号表示由附连到致动器3和/或阀门1的位置传感器12测得的实际阀门或致动器位置hmeas。测得的位置信号hmeas可以被馈送到模式选择单元24的第一输入端，而来自位置模拟单元23的模拟的位置hsim可以被馈送到模式选择单元24的第二输入端。模式选择单元24可以选择测得的位置信号hmeas与模拟的位置hsim中的一个，作为由控制单元21使用的位置信号。选择单元24可以由控制单元21(例如，用模式控制信号)控制。

在该示例中，定位器或控制器2可以具有至少两种模式：测得的反馈模式和模拟的反馈模式。在测得的反馈模式下，定位器或控制器2可以使用测得的位置反馈hmeas来控制，例如如图2b中所示。模式选择单元24，例如响应于来自控制单元21的模式控制的第一状态，将第一输入端处测得的位置信号hmeas选择或连接到作为用于控制单元21的位置信号h。在测得的反馈模式下，控制单元21可以根据预定的反馈控制方法基于反馈测得的位置hmeas和期望的目标位置，设定点hsp来控制致动器或阀门位置。例如，控制单元21可以确定设定点与由位置传感器12测得的位置h之间的差异或误差。基于该误差或差异，控制单元21然后可以改变致动器压力以校正位置，使得误差减小到零。

在测得的反馈模式下，控制单元21可以监视测得的位置信号h的存在或质量。例如，控制单元21可以将测得的位置值与模拟的位置值进行比较，并且当模拟的位置值与测得的位置值之间的误差超过预定的限制时确定测得的位置值的损失或差质量。响应于测得的位置信号h的损失或差质量，控制单元21可以自动采用模拟的反馈模式。在模拟的反馈模式中下，定位器或控制器2可以使用模拟的位置反馈hsim来控制。模式选择单元24，例如响应于来自控制单元21的模式控制的第二状态，将第一输入端处模拟的位置信号hsim选择或连接到作为用于控制单元21的位置信号h。在模拟的反馈模式下，控制单元21可以根据预定的反馈控制方法基于“反馈”模拟的位置hsim和期望的目标位置，设定点hsp来控制致动器或阀门位置。例如，控制单元21可以确定设定点hsp与由位置模拟单元23提供的模拟的位置之间的差异或误差。基于该误差或差异，控制单元21然后可以改变致动器压力以校正位置，使得误差减小到零。

模拟的位置反馈产生新颖的位置反馈控制环路，其中控制模拟“操作参数”，阀门位置，其是主要受控变量并且具有外部设定点。图6中图示了根据本发明示例性实施例的模拟的反馈控制环路的示意性框架图。在模拟的反馈模式下不使用或不需要测量受控变量，即，位置。另外，致动器压力被用作“状态变量”，即，由控制器内部使用但不具有外部设定点的帮助变量。我们不模拟这个变量，但我们预期我们可以测量它。我们用其模拟的版本代替主控制变量的构思本身就是创新的甚至是激进的。在99％的控制应用中，测得的值用作受控变量，其余1％是某种比率或差异或从物理测量导出的其它值。在实践中，从未使用过虚拟/模拟的变量。

在实施例中，模拟的反馈模式和/或测得的反馈模式可以经由定位器或控制器2的用户界面可在本地由用户选择。

在实施例中，模拟的反馈模式和/或测得的反馈模式可以通过过程/现场总线6(诸如4-20ma对和hart)可远程由用户选择。

在实施例中，定位器或控制器2可以被配置为经由定位器或控制器2的用户界面向用户本地指示和/或通过过程/现场总线6向远程控制室指示测得的位置信号的缺失、位置传感器的失效和/或过渡到或使用模拟的反馈模式。

在实施例中，定位器或控制器2可以被配置为仅在模拟的反馈模式下操作，以控制不具有任何位置传感器的气动或液压致动的设备。在模拟的反馈模式下，就线性范围或旋转范围或其它任何形状的移动而言没有位置传感器限制。模拟的反馈模式下的控制实际上是开环控制，因此对于卡住的致动器不会发生控制的晃动。

对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明性构思可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。