专利名称：用于电－气动控制回路的超前－滞后输入滤波器结构的制作方法
技术领域：
本文通常涉及用在逻辑过程中或控制回路中的伺服控制器领域，而更具体地，涉及增强电-气动控制回路或其他逻辑过程以改进控制阀和气动执行器附件的性能。
背景技术：
电-气动控制系统越来越多地应用于诸如阀执行器和活塞执行器之类的过程控制设备，以便更好或更优地控制加工厂中的流体。某些这种电-气动控制系统包括用于控制阀和活塞执行器的一个或更多附件，例如，体积增压器(volume booster)和快速排气阀(QEV)。体积增压器通常连接到阀的气动执行器，提高空气供给到气动执行器的速率，或提高空气从气动执行器中排放的速率。这种加速的空气运动增大了执行器的冲击速度，从而提高了执行器将阀塞朝向其打开或关闭位置冲击的速度，因而使得阀能够更迅速地响应过程波动。类似于体积增压器，QEV增加了执行器将阀朝向打开或关闭位置冲击的速度。
当前，体积增压器以这样一种方式与气动执行器结合使用，即，使得执行器响应于非常小的定点或控制信号变化而进行非常缓慢的移动。具体地，某些体积增压器被设计为具有内置的死区，以便防止体积增压器响应于小幅变化的控制信号而变为激活。虽然某些体积增压器在较低幅信号范围具有小死区，但是这些体积增压器仍响应于小幅信号变化而非常缓慢地移动，却变得仅响应于较大幅输入信号而快速移动。
图1是增加了超前-滞后输入滤波器的电-气动控制系统的框图；图2是由诸如图1中示意性显示的电-气动控制系统的用户界面例程所生成的示例性屏幕显示，其图示了相对于时间绘制的行程定点，和当连接超前-滞后输入滤波器时相对于时间绘制的超前-滞后滤波器响应；图3是由诸如图1中示意性显示的电-气动控制系统的用户界面例程所生成的示例性屏幕显示，其图示了相对于时间绘制的行程定点，和当未连接超前-滞后输入滤波器时相对于时间绘制的超前-滞后滤波器响应；图4是菜单的示例性屏幕显示，该菜单使用户能够为控制回路的超前-滞后滤波器选择激励源，并能够在数据输入域可用时在其中输入值；图5是图示了所执行的操作以及所显示的信息的流程图，其中所显示的信息为在电-气动控制系统的用户界面中的各种输入的结果；图6是图示了响应于具体滤波器类型选择的用户界面的各种输入控件的状态的流程图；和图7是菜单的示例性屏幕显示，该菜单使用户能够在各种仪器控制设置中进行选择，包括选择设置“远程调谐”。
具体实施例方式
通常而言，超前-滞后输入滤波器被置于结合了一个或更多诸如体积增压器或QEV之类的阀附件的定位器反馈回路之前，用以克服当接收低幅变化控制或定点信号时所述附件所经受的缓慢动态。此外，用户界面使操作员或其他控制人员能够查看和改变超前-滞后输入滤波器的工作特性，从而向控制回路提供若干个所希望的响应特性中的任何响应特性。通过操控超前-滞后输入滤波器的超前-滞后比率，可控制诸如阀杆的位移或行程之类的过程参数，具体来说可精细调谐这些控制参数。
图1图示了控制回路40，例如电-气动控制回路或其他逻辑过程，该控制回路40具有连接到其输入端的超前-滞后滤波器20。具体地，基准控制信号，例如由过程控制器或用户界面所生成的4～20毫安(mA)的定点信号或者控制信号，被施加于工作在所述基准信号(可为定点或其他控制信号)下的超前-滞后输入滤波器20的输入端，从而将经滤波的输出50(也称为行程定点信号)提供到与电-气动控制回路40相关联的加法器30。如图1中所示，加法器30将阀行程与行程定点信号50进行比较以生成误差信号，该误差信号被提供到施加增益K的放大器或增益单元90(称为前向路径增益单元)。前向路径增益单元90的输出提供到另一个加法器94，加法器94在前向路径增益单元90的输出上加上(在这种情况下，为减去)由增益单元95生成的速度反馈增益和由增益单元105生成的小回路(minor loop)反馈增益。加法器94的输出110提供给电流压力(I/P)变换器80，I/P变换器80生成并提供气动或压力信号给气动替续器85。如图1中所示，替续器位置的测量值100提供到增益单元105，用于生成小回路反馈增益。
替续器85的气动输出提供到体积增压器或QEV 65。该气动信号用于控制与阀60关联的执行器55的阀执行器。如图1中所示，所测量的阀塞阀行程，或与阀塞关联的阀杆的位置，提供到加法器30，以便与行程定点信号进行比较，并提供到速度反馈增益单元95以生成速度反馈增益。使用至少一个传感器(未示出)来检测所测量的阀塞阀行程或阀杆的位置。
通常而言，超前-滞后输入滤波器20的传递函数和操作，可通过用户界面107来配置。具体地，通过调整超前-滞后滤波器20的各个参数，技术人员可远程调整行程定点信号50，以驱动气动执行器55和控制阀60，或驱动由电-气动控制回路40控制的其他设备。用户界面107能够从远离或紧临控制回路40的位置处对电-气动控制回路40进行远程监测、控制或与其通信。
在操作过程中，超前-滞后滤波器20通常将在所接收的基准信号10中的任何阶跃变化的开始处提供幅度大但持续时间短的尖峰，这使得阀60以较小的阶跃移动。此外，在滤波器响应中提供快速衰减率(相当于小的滞后时间)以减轻较大阶跃的过调量。
虽然分布式控制系统(DCS)通常以1赫兹(Hz)量级或更慢的频率进行更新，不过定位器(处于控制回路40中)能够以100Hz或更快的频率更新。其结果是，由与所述定位器串联的超前-滞后滤波器20所提供的响应时间，能够在100微秒(ms)的量级，其比DCS的控制动态独自能够提供的响应时间快得多。
此外，超前-滞后滤波器20能够提供防止将阀60的阀塞过驱动到阀座中或上行程止动件中的固有保护。具体地，由于可在滤波器20中实施算法或控制例程或将算法或控制例程作为滤波器20的一部分，以削去邻近阀座或行程止动件的阀响应，所以可防止超前-滞后滤波器20将阀60的阀塞弹离阀座或上行程止动件。
进一步地，如将根据图2和图3所理解的，可使用用户界面107轻松调整超前-滞后滤波器20的工作特性，该用户界面107可以存储于计算机中并以可操作方式连接到控制回路40和一个或更多显示屏幕。由于许多使用具有复杂附件结构的大执行器的过程通常需要复杂和高度定制的控制算法以控制过程回路，因此，操作员通常难以通过在控制例程中增加动态而修改过程控制器。作为替代，操作员通常更愿意在阀级别上影响或改变动态。超前-滞后滤波器20能够在阀级别或回路级别进行修改以改变过程动态，这为操作员提供了此种控制。
如图1中所示，超前-滞后输入滤波器20优选结合用户界面107来实现，用户界面107例如具有用户友好的实时图形的计算机程序。以可操作方式与用户界面107通信的一个或更多例程和一个或更多处理器、超前-滞后输入滤波器20和控制回路40中的一个或更多设备或组件，可用于实现本文中公开的功能和特征。
用户界面107优选实现为与图形用户界面(GUI)进行通信，以便于用户与由用户界面107和超前-滞后输入滤波器20提供的各种性能进行交互。所述GUI可包括使用任何适合的编程语言和技术而实现的一个或更多软件例程。进一步地，所述构成GUI的软件例程可在单独的处理站或诸如工作站、控制器之类的单元中进行存储和处理，例如，在过程控制工厂中的控制室中或在对于一个或若干个地理上远离过程控制工厂的中心控制室设施中，进行存储或处理，或者，可替代地，所述GUI的软件例程可使用以可通信方式彼此连接的多个处理单元以分布式进行存储和执行。
优选地，但并非必须地，所述GUI可使用熟知的图形化的基于视窗的结构和外观，其中，多个相互链接的图形化视图或页面包括一个或更多下拉菜单，使用户以想要的方式浏览这些页面，从而查看和/或检索特定类型的信息。在此所描述的用户界面107的特征和/或性能可通过GUI的一个或更多相应的页面、视图或显示来展现、访问和调用等。另外，构成所述GUI的各种显示可按照逻辑方式相互链接，以便于用户迅速而直观地浏览所述显示，以检索特定类型的信息或者访问和/或调用用户界面107和超前-滞后输入滤波器20的特定性能。
这种GUI的示例通常在如图2中所示的显示120中展现。如图2所示，显示120图形化示出了滤波器输出或行程定点信号50和采用诸如从执行器反馈信号70或替续器位置反馈信号100所采集的数据的位置反馈。反馈信号70、100响应于其相关的过程参数的变化而成比例地变化，在这种情况下所述过程参数为执行器55或替续器85的位置，因此，图形化示出的反馈信号70、100中的变化提供了阀杆位置的实际变化的准确指示。这种实时图形允许对控制阀60进行远程调谐并提供可量化的结果。此外，由于通过用户界面107对控制阀回路进行远程调谐，避免了对单个控制阀进行物理维护访问，因而显著减少了维护费用。
具有一个或更多计算机终端、用于访问用户界面107的控制室，可设置于在地理上紧临待被控制的阀或回路处。可替换地，也可以使用卫星通信、电话线路、同轴线缆、以太网、光纤电缆连接、局域网、互联网或其他长距离通信技术，以提供在地理上远离的位置上对用户界面107的远程访问。可设置中心控制设施，在该设施中有一个或更多计算机终端用于访问与具有超前-滞后滤波器70的阀或回路相关联的用户界面107，而所述阀或回路位于远离所述中心控制设施的多个地点中。如将在下文中更详细的说明，用户界面107提供的线使得操作员或技术人员可在为超前-滞后输入滤波器20的各种用户可调参数选择了特定设置时预测或查看滤波器响应。
虽然当信号或数据通过一种通信技术或各种通信技术的组合进行传输时，尤其是进行长距离传输时，存在固有延迟，但是如果延迟的程度已知或能够进行计算或确定，则能够采用用户界面107以某种方式来调整这种延迟。例如，用户界面107可向用户或操作员提供对于超前-滞后输入滤波器20的用户可调参数进行具体调整设置的执行选项，用户或操作员已经预先使用用户界面107的预测的响应性能对所述用户可调参数进行了绘制，这将在下文中进行更详细的论述。如果新的调整设置将在用户或操作员所选的时间被应用于远处的阀或回路，则用户界面107可以将所述延迟计入时序的计算中，从而将实际信号发送给特定阀或回路的超前-滞后输入滤波器20。例如，如果用户或操作员想要将新的调整设置在10秒内执行，且已知或计算出0.5秒的延迟，则在9.5秒内将实际信号发送到超前-滞后输入滤波器20。这假定用户或操作员实时接收和显示涉及已增加了超前-滞后输入滤波器20的实际控制阀或回路的滤波器输出和行程反馈数据。
如果使用用于控制与控制阀相关联的参数的计算机软件程序，例如从爱默生过程管理公司的费舍尔控制分部可获得的AMS ValveLink软件程序，则用户界面107可设置为实时显示来自已采用了超前-滞后输入滤波器20的控制阀或其他设备的滤波器输出和行程反馈数据。还可以显示另外的数据，例如，所述设备的基准信号。例如，如图2中图形130所示，用户界面107可在GUI上绘制实时的行程定点(“Tvl Set Pt”)和行程反馈数据(“Tvl”)，它们相对于时间以百分比(％)显示，从而使操作员能够容易地查看控制阀对基准信号变化的响应。
使用低幅的超前-滞后滤波器20而实现的改进的控制，能够通过将图2中所示图形化显示120中所示的线130与图3中显示的图形140中所示的线135进行比较而实现，其中，线130反映连接有超前-滞后滤波器20时所采集的行程定点50和行程反馈70的实时数据，线135反映于时间标记0:02:12之后关闭或断开连接超前-滞后滤波器20时所采集的数据，其中，该线的水平轴上显示的时间以小时、分和秒为单位。在此，能够看出的是，如果没有超前-滞后滤波器20，则由于行程定点(基准)信号的简单阶跃变化而导致阀60的响应恶化并且缓慢。诸如图2和图3中所示的实时图形，如果给定了与阀动态相关的灵敏性和复杂性，则即使在低幅下，也特别有利于调谐超前-滞后输入滤波器20。
再次参看图2，为了易于操作，与超前-滞后输入滤波器20相关的调谐系数，可以使用滤波器响应线150而展现在用户界面例程的显示120中。此外，相关于超前-滞后滤波器20的调谐系数(以及传递函数)，可以使用在图2中显示为滑块210、220和230的图形表示的一个或更多虚拟的界面控件200来改变。控制操作员或技术人员可使用例如计算机输入设备(未示出)来操控滑块210、220和230，从而改变超前-滞后输入滤波器20的传递函数或动态，其中所述计算机输入设备可为轨迹球、键盘、触摸屏监视器、语音激活装置或者手写板。当然，这些所列的计算机输入设备仅用于示例，也可以使用其他输入设备来操控滑块210、220和230。而且，可替代地，虚拟界面控制器200可通过例如刻度盘(未示出)或其他图形来进行图形化呈现。此外，如图2中所示，在滑块210、220和230的左方区域205、207和209，可以将由滑块210、220和230所选择的滤波器系数或比率以数字形式进行显示，而显示在显示120的指定区域212中示出的按钮214和216，可用于应用当前设置或者重新设置超前-滞后滤波器20的当前设置。
滞后时间滤波器系数205的有效值包括0.00(其导致对所述滤波器旁路)，和0.10-10.00秒范围内的值。优选地，滞后时间滤波器系数205的范围，以对数刻度显示在显示120的线130上，其中大多数滞后时间滤波器系数在0.10-2.00秒范围内选择。
在打开方向207上的超前时间与滞后时间的比率和在关闭方向209上的超前时间与滞后时间的比率的有效值，在0.0-2.0的范围内，其在显示120上以线性刻度显示。
如图2所示，滑块210调整确定了滤波器响应衰减率的滞后时间。滞后时间越长，则超前-滞后输入滤波器20将其输出返回基准信号10就越慢。图2的滑块220调整在打开方向上的超前时间与滞后时间的比率。图2的滑块230调整在关闭方向上的超前时间与滞后时间的比率。这种比率确定超前-滞后输入滤波器20的初始响应。如上所示，超前-滞后滤波器20通常设置为在行程定点50处提供幅度大但持续时间短的尖峰，其允许阀60以较小的阶跃移动。快速的衰减率(相当于小的滞后时间)也减轻了较大阶跃的过调量，这是因为，阀60倾向于回转，从而使滤波器响应在阀60接近定点之前就完全衰减。
此外，滤波器响应图形150(图2)为操作员或技术人员提供这样一种能力，即，当为不同的用户可调参数(例如滞后时间和滞后时间与超前时间的比率)选择了具体的设置时，能够预测或查看滤波器响应。图2的滤波器响应图形150图示了将参数变化应用于超前-滞后滤波器20之前对于单位阶跃变化所预测的超前-滞后滤波器20响应，从而使得操作员或技术人员能够在对控制系统的动态进行实际调整之前查看预测的滤波器响应的图形化表示。这样，存在操作员可操控的虚拟的超前-滞后比率，以生成将被控制或调谐的过程参数的预测的响应，所述预测的响应被显示在相关于用户界面107的显示上。图3中类似的滤波器响应图形155显示了当超前-滞后输入滤波器20关闭或断开连接时的响应。
此外，操作员可使用图2中用户界面显示120中区域228中的选择按钮来设置将被关闭或断开连接的超前-滞后滤波器20，以仅调整所述响应中的滞后成分、调整或选择滤波器响应的滞后和超前/滞后比率，或者使能非对称的超前/滞后比率，即，存在非零的滞后时间系数，而且在打开方向上的超前时间与滞后时间的比率的系数不同于在关闭方向上的超前时间与滞后时间的比率。当滞后时间系数为零而且存在非零的但相同的超前时间与滞后时间比率系数时，超前-滞后动态为对称的。
通过将显示于线130、150中的采集到的和预测出的数据存储在以可操作方式连接到计算机的缓存器或可读存储器中，可以为方便操作员或技术人员而将线130、150进行暂停、倒回、和重放，或者用于未来的质量控制、高效率、以及优化的目的、教学的目的、遵守制度的目的或其他目的。
可使用诸如上述所列出的适合的计算机输入设备来操控控制机构，以控制在滤波器响应图形150中描述的预测出的响应与真实应用的设置之间的等待时间段或延迟，从而实现对于控制系统动态的实际调整，所述控制机构例如显示于用户界面107的显示120顶部以图形化示出的按钮310、315、320和滑块330。如果操作员确定，通过操控一个或更多虚拟界面控件200来对调谐系数所进行的特定调整或一系列调整的预测响应并非所期望的结果，则操作员能够操控图示按钮310、315、320或滑块330，以增大所述等待时间段，并重新调整所述调谐系数，直到在滤波器响应图形150中显示出所期望的结果，从而防止了不希望的结果出现在实际的真实控制系统中。
技术员或操作员可以选择显示120上的其他图示按钮335、340、345、350、355和360，来执行其他操作，例如打印。
用户界面允许通过外部(例如通过DCS)或者“内部”来实现用于调谐阀60的激励，所述“内部”是指通过诸如ValveLink的被配置为将数字阶跃命令发送到定位器的计算机软件程序。使用外部激励时，用户操控4～20毫安输入信号，而阀相应地进行响应。此外，超前滞后滤波器20可以直接在诸如阀定位器的设备中实现，或者在连接到诸如控制器的设备的分布式控制系统中实现。通常而言，超前滞后滤波器20可实现为存储于计算机可读存储器中并由处理器执行的数字控制程序或例程，不过也可实现为模拟滤波器。
可以为用户界面107提供选项屏幕，其允许用户容易地选择外部激励或内部激励。当选择外部激励时，操作员对于可调界面控件的调整，改变了与超前滞后滤波器相关的至少一个调谐系数，从而引起对基准控制信号的修改。当选择内部激励时，可调界面控件被至少部分地禁用，从而使得禁用的界面控件不再改变与超前滞后滤波器相关的调谐系数。作为替代地，超前滞后滤波器的调谐系数响应于控制器而被修改，所述控制器包括适合于引起对于基准控制信号进行预定修改的编程。
例如，如图4中所示，提供一种菜单，用户可从中选择“外部激励”或者可被理解为是内部激励的“ValveLink激励(方波)”。选择内部激励选项使得用户能够将数值输入到数据输入域“标称定点(％)”、“阶跃长度(％)”、和“阶跃保持时间(秒)”。当选择“外部激励”时，则这些数据输入域被禁用。当选择内部激励选项时，所述程序可被配置为自动在数据输入域中填入初始默认值，例如，如下所示数据输入域默认值标称定点50％阶跃长度15％阶跃保持时间8秒图5是图解表示了经过执行并显示在用户界面上的结果的流程图，所述结果取决于选择外部激励还是内部激励。优选地，在初始化控制阀运转之前，显示警报消息或其他警告，以提醒用户，在选择外部激励的情况下，阀将跟踪定点，而在选择内部激励的情况下，内部激励将导致阀移动。如果选择内部激励，则优选地，在初始化阶跃序列之前，定点值以每秒10％的速率斜向上升到所输入的标称定点值。
图6是图解表示了响应特定滤波器类型选择时用户界面的不同输入控件的状态的流程图。例如，当选择非对称超前滞后滤波器类型时，用户界面被配置为使能对滞后时间进行操控的用户界面控件。用户界面还被配置为使能对打开的超前滞后比率和关闭的超前滞后比率进行操控的用户界面控件。相反地，如果选择对称的或简单的超前滞后滤波器，则在用户界面的数据输入域中向打开的超前/滞后比率提供来自数据库的初始值，用户界面被配置为使能对滞后时间和打开的超前/滞后比率进行操控的用户界面控件，但禁用对关闭的超前/滞后比率进行设置的用户界面控件。
更进一步地，如上所示，可以向滤波器20提供超前滞后滤波器动态的自动重置，以防止滤波器20在截止件之上或之下被无意地激活。具体地，超前滞后滤波器20可在某些情况下具有不希望有的能力，而将阀60的阀塞弹离座或弹离行程止动件。这是一个特别困难的问题，因为定位器通常具有内置的行程截止件，当定点接近0％或100％时，所述行程截止件使I/P变换器80完全饱和。对于费舍尔(Fisher)DVC6000数字阀控制器而言，通过使用0.5～99.5％的默认值来建立行程截止件，避免了在阀的高或低的范围内使用超前滞后滤波器的相关问题，这意味着，如果基准信号或定点低于0.5％或高于99.5％，则将伺服控制器旁路，而I/P变换器80要么以全供给饱和要么被排放到大气中，这取决于所需的饱和状态。其结果是，在正常扼流操作期间，超前滞后输入滤波器20不应该启动截止件。
下面提供的伪计算机编程代码示范了示例性的计算机程序代码实现，其可用于确保与超前滞后滤波器20相关的或者执行超前滞后输入滤波器20的控制器防止启动截止。在这种情况下，如果滤波器20的输出超出截止值附近的预定限度，例如在0.5％或99.5％，当然也可以使用其他值，则超前滞后输入滤波器20被旁路并且其动态被重置。
//------------------------------//Begin lead-lag filter//------------------------------//---Prefilter stage---If((r＞＝filter_limit_high)||(r＜＝filter_limit_low)||(lag_time＝＝0.0)){x＝r；//bypass filter when in or near cutoffs}else//---Filter stage---
{x＝a*(r_old-x_old)+x_old+b*(r-r_old)；//check filter output to make sure we do not bump into cutoffsIf(x＞＝filter_limit_high)x＝filter_limit_high；else if(x＜＝filter_limit_low)x＝filter_limit_low；}//---Postfilter stage---x_old＝x；//update old valuesr_old＝r；//------------------------------//End lead-lag filter//------------------------------在一个实施例中，超前滞后输入滤波器20可通过四个执行状态或阶段而实现，包括预滤波阶段，滤波阶段，后滤波阶段，和初始条件阶段。在预滤波阶段中，滤波器20检查以确定基准信号10是否高于预定的上限，是否低于预定的下限，或滤波器20是否已经全部关闭。当基准信号10高于预定上限或低于预定下限时(或者通过用户界面将滤波器20完全关闭或断开时)，超前滞后输入滤波器20旁路对基准信号的处理，而代之以将基准信号10直接提供到伺服回路的输入端30。如上所示，优选地，预定的上限和下限被设置为使得超前滞后输入滤波器20的输出将不会启动截止，或在执行器中发生硬性制动。
下面的伪计算机编程代码示范了一种方式，其中，与超前滞后输入滤波器20相关的控制器可被编程为将滤波器的上限和下限设置为所期望的阈值水平Filter_limit_high＝min((ivp_cutoff_high-high_cutoff_deadband)，(100％-high_cutoff_deadband))
Filter_limit_low＝max((ivp_cutoff_low-low_cutoff_deadband)，(0％+low_cutoff_deadband))这些限度可在固件中计算，并且可以在每当输入特性、低行程截止或高行程截止值发生变化时进行计算。另外，由于截止处理算法处于特征器的下游，因此，这些限度通过反转特征(将x，y的数据矢量反转)，使得特征化之后的限度低于截止阈值。
在滤波阶段，超前-滞后输入滤波器20工作为标准的离散时间滤波器。通常而言，超前-滞后输入滤波器20可以被表示为具有两个系数“a”和“b”。系数“a”为关于滞后成分的系数，系数“b”为关于超前时间与滞后时间的比率的系数，其可公式表示为τlead/τlag。为防止超前滞后输入滤波器20激活截止或发生硬性行程制动，优选地，滤波器20的输出被重置为在预滤波阶段中所使用的相同的上值和下值。在滤波阶段或状态中，滤波器20以任何已知的或期望的方式将滤波器系数(比率)应用于基准信号，从而为伺服回路创建滤波后的输入信号。
在后滤波阶段中，基于来自用户界面或者来自伺服回路的新的输入，更新以前的用于滤波器计算的值。最后，在初始条件阶段，超前-滞后输入滤波器20的初始条件被设置为现有的输入基准值，所述初始条件阶段发生在例如当设备启动时。当然，为了向气动中的非线性提供反转动态，可以针对控制阀60的打开方向和关闭方向独立地调整滤波器系数。
在优选实施例中，超前-滞后输入滤波器20的结果，即，超前-滞后输入滤波器20在定点或阀输入信号上的影响，由下面的公式给定(τ1s+1)/(τ2s+1)通过调整τ1和τ2的值，可改变所述比率，从而实现纯滞后、纯超前、或超前和滞后的某种组合。当应用于控制阀时，该结果比率与超前-滞后滤波器将提供的过调量的量相关。这样，在不同的阀性能的场景下，操作员可使用用户界面107来调整所述比率以实现所期望的改变。例如，如果期望超前-滞后输入滤波器20产生纯滞后，则将τ1s设置为零而产生一结果1/(τ2s+1)。在控制回路中，当超前-滞后输入滤波器20产生纯滞后时，误差倾向于零。其结果是，带有超前-滞后滤波器20的控制阀杆的位置，或其他受控过程变量，将向行程定点50蠕变。
如果希望超前-滞后输入滤波器20产生纯超前，则将τ2s设置为零而产生一结果(τ1s+1)/1。在控制回路中，这样将通过在误差出现之前将其校正而提供了期望的控制。当进行绘图时，用户界面107的操作员将看到与受控元件相关的正相位。
只要超前滞后比率大于1.0，则初始超前响应将占优。如果超前/滞后比率为2.0，则存在2.0的初始超前响应；其结果是，在误差通过控制电路传播之前就实质性地减少了控制阀杆或阀轴的位置的任何校正，并且随后逐渐将控制阀杆的位置或其他受控过程变量移向行程定点50。如果超前/滞后比率小于1.0，则滞后校正将占优。
通过识别由不同可能的超前-滞后比率所导致的不同阀性能场景中的性能变化，操作员可以容易而熟练地精确调谐过程参数和校正误差，并可容易地优化控制阀性能。
应该认识到，受益于超前-滞后滤波器20的使用，可以有利地提供另外的部件。例如，可提供前馈部件，其适于响应于包括基准信号10、基准信号10的速度和基准信号10的加速度的数据。
优选地通过一个或更多菜单屏幕而访问用户界面107的显示120，所述菜单屏幕例如为，标题为“装置安装”的下拉菜单屏幕，如图7所示。所述菜单屏幕优选地提供足够的指示，从而通知用户控制阀回路可以被远程调谐。例如，图5中的菜单选项读出为“远程调谐”。当进行选择时，用户可选择“增强稳定化/优化超前-滞后滤波器”。
超前-滞后输入滤波器20可由任何数量的不同类型的伺服回路来实现。这样，虽然超前-滞后输入滤波器20在图1中图示为被用于一种类型的电-气动控制系统中，该电-气动控制系统包括用于设置控制阀上杆或轴的位置的高增益闭环伺服控制器，不过，所述超前-滞后滤波器也可用于其他的控制系统或控制回路中。例如，在结合了球阀的另一应用中，与某定点相关的超前-滞后滤波器为有效的，其中执行器与塞之间的轴扭振在流控制中引起了死区。可通过暂时地将执行器过驱动并允许球移向所期望的位置来克服轴扭振。由于这是一种开环技术，其响应并不理想，但可获得的响应显著优于没有超前-滞后滤波器的情况。
更进一步地，存在各种可用的技术来改进性能，其比仅通过闭回路补偿来实现更快地将伺服器驱动到定点，而不改变闭回路动态。为反馈控制器增加在定点上的超前-滞后滤波器就是一种这样的技术，而其他技术包括为控制器增加定点速度前馈元件。所述超前-滞后滤波器也可以用于这些情况中。
为反馈控制器增加超前-滞后输入滤波器的技术，尤其适用于使用了用于增加执行器冲击速度的附件的应用，所述附件诸如体积增压器和QEV。为了补偿在低幅度变化时的缓慢动态，可使用超前-滞后滤波器来暂时将定点过驱动一小段时间，从而即使在较低幅度时，例如在由低死区导致的那种使传统的体积增压器装置不能有效激活时的幅度的情况下，也连接体积增压器。
虽然超前滞后滤波器20可按照所期望的方式来实现，包括以软件、硬件或固件方式实现，但是当以软件方式实现时，在此讨论的软件例程可存储于诸如磁盘、光盘或其他存储介质的任意计算机可读存储器中，或存储于计算机或处理器的RAM或ROM中，所述处理器例如可为专用集成电路(ASIC)、标准的多用途CPU或其他硬连线设备等。同样地，软件可通过任何已知的或所期望的传输方法被分发给用户或过程控制系统，例如，通过计算机可读盘或其他便携式计算机存储机构，或通过诸如电话线路、互联网之类的通信通道(其被视作与通过便携式存储介质来提供这种软件的方式是相同的或者可替换的)。
虽然在此已经描述了某些实施例，但是所公开的本发明的权利要求并不限于这些具体的实施例。
权利要求
1.一种用于对控制回路的过程参数进行控制的方法，包括在输入端向控制回路提供基准控制信号；提供与该控制信号通信的超前-滞后滤波器；提供以可操作方式与该超前-滞后滤波器通信的用户界面，所述用户界面有助于对由该超前-滞后滤波器产生的超前-滞后比率进行远程操控；和操作该用户界面以便远程操控该超前-滞后滤波器的超前-滞后比率，从而改变待被控制的过程参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述操作该用户界面的步骤包括通过对在与该用户界面相关的显示上提供的至少一个虚拟界面控件进行操控，来调整与该超前-滞后滤波器相关的至少一个调谐系数。
3.如权利要求2所述的方法，还显示与所述待被控制的过程参数相关的数据。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述数据显示在与该用户界面相关的显示上。
5.如权利要求1所述的方法，还操控虚拟超前-滞后比率以产生所述待被控制的过程参数的预测响应，并在与该用户界面相关的显示上显示该预测响应。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述基准控制信号为4～20毫安控制信号。
7.一种用于调谐控制回路的过程参数的系统，包括超前-滞后输入滤波器，其与到该控制回路的输入端通信；控制器，其将基准控制信号施加到该超前-滞后输入滤波器的输入端；以可操作方式与该超前-滞后滤波器通信的用户界面，所述用户界面包括至少一个可调界面控件，其中对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整，改变与该超前-滞后滤波器相关的至少一个调谐系数。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述用户界面进一步包括一显示，该显示用于监控受到对所述至少一个调谐系数的改变影响的过程参数。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制回路包括至少一个随所述过程参数的变化而改变的反馈信号。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述用户界面包括一显示，所述至少一个反馈信号的改变图形化显示在该显示上。
11.如权利要求7所述的系统，其中所述用户界面进一步包括一显示，该显示用于监控所述过程参数响应于对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整的预测响应。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述用户界面具有至少一个控制机构，该控制机构用于控制所述过程参数对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整的预测响应与将对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整应用到该超前-滞后滤波器以影响所述过程参数的实际响应之间的延迟期。
13.如权利要求7所述的系统，其中所述用户界面设置在远离该超前-滞后输入滤波器的位置上。
14.一种用于调谐控制阀的响应的系统，包括控制回路，其包括阀控制器、电流-压力转换器、控制阀和以可操作方式与该控制阀的阀塞通信的阀执行器；超前-滞后滤波器，其与到该控制回路的输入端通信；和过程控制器，其将基准控制信号提供给该超前-滞后滤波器的输入端。
15.如权利要求14所述的系统，进一步包括以可操作方式与该超前-滞后滤波器通信的用户界面，所述用户界面包括至少一个可调界面控件，其中对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整，改变与该超前-滞后滤波器相关的至少一个调谐系数。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述用户界面位于远离该超前-滞后滤波器的位置上。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述用户界面通过电话线路、卫星传输、同轴电缆、以太网、光纤电缆和互联网中的至少一种与该超前-滞后滤波器通信。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述用户界面进一步包括一显示，该显示用于监控该控制阀的阀塞位置响应于对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整的预测响应。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述用户界面具有至少一个控制机构，该控制机构用于控制该控制阀的阀塞位置对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整的预测响应与将对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整应用到该超前-滞后滤波器以影响该控制阀的阀塞位置的实际响应之间的延迟期。
20.如权利要求14所述的系统，其中所述超前-滞后输入滤波器与一控制器通信，所述控制器包括一程序，该程序适于在该阀塞接近该控制阀的阀座和/或行程止动件时，使该超前-滞后输入滤波器限制该控制阀的以可操作方式连接到该阀塞的阀杆的移动。
21.一种用于在控制阀伺服控制回路中调谐控制阀的阀塞位置的系统，包括控制阀伺服控制回路，包括输入端，与该输入端通信的第一加法器，与该第一加法器通信的放大器，与该放大器通信的第二加法器，与该放大器通信的控制阀执行级，该控制阀执行级至少包括电流-压力转换器和与该电流-压力转换器通信的气动替续器，该控制阀执行级进一步包括以气动方式与该电流-压力转换器通信的快速排气阀和/或体积增压器，和执行器，其与该控制阀执行级通信并以可操作方式连接到该控制阀，该控制阀，其具有以可操作方式连接到阀塞的阀杆；超前-滞后滤波器，其连接到该过程控制回路的输入端；和基准控制信号，其施加到该超前-滞后输入滤波器的输入端，该超前-滞后滤波器有选择地修改该基准控制信号以提供该超前-滞后输入滤波器的滤波输出。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述超前-滞后输入滤波器的滤波输出提供给所述第一加法器，所述第一加法器将对应于所述阀杆位置的值与对应于所述超前-滞后输入滤波器的滤波输出的值进行比较，并产生提供给所述放大器的误差信号。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述控制阀伺服控制回路进一步包括第一增益单元和第二增益单元，并且其中所述放大器施加增益到所述第二加法器，所述第二加法器将由所述第一增益单元生成的速度反馈增益和由所述第二增益单元生成的小回路反馈增益与所述放大器施加的增益进行比较，并且所述第二加法器将对应于由所述第二加法器执行的比较的值提供到所述电流-压力转换器。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述电流-压力转换器提供气动信号给所述气动替续器。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述气动替续器提供气动输出给体积增压器和/或快速排气阀，并提供给所述执行器。
26.如权利要求21所述的系统，其中对应于所述阀杆位置的信号被传递给所述第一加法器。
27.如权利要求21所述的系统，进一步包括以可操作方式与所述超前-滞后滤波器通信的用户界面，所述用户界面包括至少一个可调界面控件，其中对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整，改变与该超前-滞后滤波器相关的至少一个调谐系数。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述用户界面位于远离所述超前-滞后滤波器的位置上。
29.如权利要求27所述的系统，其中所述用户界面通过电话线路、卫星传输、同轴电缆、以太网、光纤电缆和互联网中的至少一种与所述超前-滞后滤波器通信。
30.如权利要求27所述的系统，其中所述用户界面进一步包括一显示，该显示用于监控该控制阀的阀塞位置响应于对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整的预测响应。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述用户界面具有至少一个控制机构，该控制机构用于控制该控制阀的阀塞位置对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整的预测响应与将对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整应用到该超前-滞后滤波器以影响该控制阀的阀塞位置的实际响应之间的延迟期。
32.如权利要求21所述的系统，其中所述超前-滞后输入滤波器与一控制器通信，所述控制器包括一程序，该程序适于在与该阀杆相关的阀塞接近该控制阀的阀座和/或行程止动件时，使该超前-滞后输入滤波器限制该阀杆移动。
33.如权利要求21所述的系统，其中所述超前-滞后输入滤波器既与一控制器通信又与一用户界面通信，所述控制器包括一程序，该程序适于引起对所述基准控制信号进行预定修改，所述用户界面以可操作方式与该超前-滞后滤波器通信，所述用户界面包括至少一个可调界面控件，其中对所述至少一个可调界面控件中各个界面控件的调整，改变与所述超前-滞后滤波器相关的至少一个调谐系数，以修改所述基准控制信号。
34.如权利要求33所述的系统，并且其中所述用户界面进一步具有控制机构，所述控制机构以可操作方式在所述控制器与所述用户界面之间进行选择，作为引起所述超前-滞后滤波器修改所述基准控制信号的激励。
35.一种用于对控制回路的参数调整进行最优调谐的方法，包括提供与控制回路的输入端通信的超前-滞后输入滤波器；将基准控制信号提供给该超前-滞后输入滤波器的输入端；提供以可操作方式与该超前-滞后输入滤波器通信的用户界面和/或控制器；和操作该用户界面或控制器，以指示该超前-滞后输入滤波器在将该控制信号应用到该控制回路的输入端之前修改该基准控制信号。
36.如权利要求35所述的方法，并且既提供以可操作方式与该超前-滞后输入滤波器通信的用户界面又提供以可操作方式与该超前-滞后输入滤波器通信的控制器，并从该用户界面和该控制器中选择。
37.如权利要求36所述的方法，其中一旦选择所述控制器，就至少部分地禁用该用户界面。
38.一种用于实现对逻辑过程的过程参数进行调整的系统，包括逻辑过程，其中具有至少一个可调参数；超前-滞后输入滤波器，其与该逻辑过程通信；以可操作方式与该超前-滞后输入滤波器通信的用户界面，该用户界面与处理器、显示器、输入设备和适于在该显示上显示至少一个可调控件的图形化表示的例程通信，该例程进一步适于响应于对该输入设备的操控来显示所述至少一个可调控件的图形化表示的改变，并且该处理器适于指示该超前-滞后输入滤波器的对应于对该输入设备的操控的输出变化，并且其中该超前-滞后滤波器的输出变化改变该逻辑过程中的所述至少一个可调过程参数。
39.如权利要求38所述的方法，其中所述逻辑过程包括至少一个用于检测所述至少一个过程参数的特性的传感器，并且所述例程进一步适于显示所述过程参数的所检测特性的图形化表示和所述至少一个可调过程参数就所检测特性的改变的效果的图形化表示。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述例程进一步适于延迟指示该超前-滞后输入滤波器的对应于对该输入设备的操控的输出变化。
41.如权利要求39所述的方法，其中所述例程进一步适于响应于对该输入设备的操控，在指示该超前-滞后输入滤波器的对应于对该输入设备的操控的输出变化之前，显示所述至少一个可调过程参数就所检测特性的改变的预期效果的图形化表示。
42.如权利要求38所述的方法，其中所述逻辑过程是控制回路，该控制回路包括具有阀塞的控制阀，并且所述可调过程参数是所述阀塞的位置。
全文摘要
诸如电－气动控制回路或其他逻辑过程的控制回路(40)，具有连接到其输入端的超前－滞后滤波器(20)，诸如由过程控制器或用户界面生成的4～20毫安定点信号或控制信号之类的基准控制信号(10)，施加到工作在所述基准信号(可为定点或其他控制信号)下的超前－滞后滤波器(20)的输入端，以提供滤波输出(50)(也称为行程定点信号)给与电－气动控制回路(40)相关的加法器(30)，加法器(30)将阀行程与行程定点信号(50)进行比较以生成误差信号，该误差信号提供到施加增益K的放大器或增益单元(90)(称为前向路径增益单元)。前向路径增益单元90的输出提供给另一加法器(94)，加法器(94)在前向路径增益单元(90)的输出中加上(在这种情况下为减去)由增益单元(95)生成的速度反馈增益和由增益单元(105)生成的小回路反馈增益。
文档编号G05D7/06GK1989465SQ200580025123
公开日2007年6月27日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年10月20日
发明者肯尼思·W·杰安克, 安妮特·L·拉特维森 申请人:费希尔控制产品国际有限公司