预测器在具有无线或间歇性过程测量的过程控制系统中的使用技术方案

本发明专利技术涉及预测器在具有无线或间歇性过程测量的过程控制系统中的使用。公开了一种控制技术，该控制技术允许在基于预测器的控制方案中使用缓慢或间歇性地接收的过程变量值，而无需改变控制算法，该控制技术包括控制器(如PID控制器)和预测器(如基于模型的预测器)，所述预测器被耦接为接收例如形式为来自过程的过程变量测量信号的间歇性反馈。该预测器可以是诸如卡尔曼滤波器的观察器或者可以是史密斯预测器，该预测器被配置为在每个控制器执行循环期间根据间歇性的或缓慢的过程反馈信号产生过程变量值的估计值，同时将新过程变量估计值提供给控制器，以使得控制器能够产生用于控制过程的控制信号。

【技术实现步骤摘要】
预测器在具有无线或间歇性过程测量的过程控制系统中的使用
本文概括而言涉及过程监视和控制系统并且更具体而言涉及在具有使用预测器(如卡尔曼滤波器和史密斯预测器)的控制器的过程控制系统中的无线和／或间歇性控制通信的传输和处理。
技术介绍
过程控制系统(如用于化学、石油或其他过程中的分布式或可扩展过程控制系统)一般包括经由模拟的、数字的或组合的模拟／数字总线而彼此可通信地耦接、可通信地耦接到操作员工作站以及可通信地耦接到一个或多个现场设备的一个或多个过程控制器。现场设备可以是例如阀、阀定位器、开关和发射器(例如温度、压力和流速传感器)，其执行过程中的功能，如打开或关闭阀以及测量过程参数。过程控制器接收用于指示由现场设备作出的过程测量的信号和／或与现场设备相关的其他信息，并且使用该信息来实现控制例程以生成控制信号，该控制信号通过总线被发送到现场设备以控制过程的操作。一般使得来自现场设备和控制器的信息可用于一个或多个由操作员工作站执行的应用，以使得操作员能够执行关于过程的任意希望的功能，如查看过程的当前状态，修改过程的操作等等。一些过程控制系统，如爱默生过程管理公司销售的DeltaVTM系统，使用位于控制器或不同现场设备中的被称为模块的功能块或功能块组来执行控制和／或监视操作。在这些情况中，控制器或其他设备能够包括并执行一个或多个功能块或模块，每个该功能块或模块从(在同一设备内部或在不同设备内部的)其他功能块接收输入并且／或者向其他功能块提供输出，并且执行一些过程操作，如测量或检测过程参数、监视设备、控制设备或执行控制操作，如比例积分微分(PID)控制例程的实现。过程控制系统内部的不同的功能块和模块通常被配置为(例如通过总线)彼此通信以形成一个或多个过程控制环路。过程控制器一般被编程为对针对过程定义的或者包括在过程中的多个不同的环路(如过程控制环路、温度控制环路、压力控制环路等等)中的每个环路执行不同的算法、子例程或控制环路(这些都是控制例程)。更一般性而言，每个这种控制环路包括一个或多个输入块，如模拟输入(AI)功能块、单输出控制块(如比例积分微分(PID)或模糊逻辑控制功能块)和输出块(如模拟输出(AO)功能块)。已经根据包括PID控制、模糊逻辑控制和基于模型的技术(如Smith预测器或模型预测控制(MPC))在内的多个控制技术配置了控制例程和实现这些例程的功能块。为了支持例程的执行，典型的工业和过程工厂具有与一个或多个过程控制器和过程I／O子系统可通信地连接的集中式控制器或室，该过程控制器和过程I／O子系统进而连接到一个或多个现场设备。通常，模拟现场设备已经被用于信号传输和电力供应的双线或四线电流环路连接到控制器。用于将信号发射到控制室的模拟现场设备(例如传感器或发射器)对经过电流环路行进的电流进行调整，使得该电流与感测的过程变量成比例。另一方面，在控制室的控制之下执行动作的模拟现场设备受到经过该环路的电流的幅度的控制。最近，现场设备被设计为进行操作以将数字数据叠加到用于发射模拟信号的电流环路上。例如，可寻址远程传感器高速通道(HART)协议使用环路电流幅度来发送和接收模拟信号，但是还将数字载波信号叠加到电流环路信号上，以使得能够与智能现场仪器进行双向现场通信。通常被称为现场总线协议的另一种协议是全数字协议，其实际上定义了两个子协议，一个子协议支持高达31.25千比特每秒速率的数据传递同时对耦接到网络的现场设备供电，另一个子协议支持高达2.5兆比特每秒速率的数据传递而不向现场设备提供任何电力。利用这些类型的通信协议，智能现场设备(其本质上可能是全数字的)支持旧控制系统不提供的多个维护模式和增强功能。随着数据传递的数量提高，过程控制系统设计的一个特别重要的方面涉及将现场设备可通信地耦接到彼此、到控制器以及到过程控制系统或过程工厂中的其他系统或设备的方式。大体上，用于使得现场设备能够在过程控制系统内部运作的各种通信信道、链路和路径通常被统称为输入／输出(I／O)通信网络。用于实现I／O通信网络的通信网络拓扑和物理连接或路径可能对于现场设备通信的健壮性或完整性具有实质性的影响，特别是当网络遭受不利环境因素或严酷条件时。这些因素和条件可能危及一个或多个现场设备、控制器等等之间的通信的完整性。控制器与现场设备之间的通信对于任意这种中断特别敏感，因为对于控制例程或环路的每次重复，监视应用或控制例程一般需要过程变量的周期性更新。受危及的控制通信因此可能导致过程控制系统效率和／或收益率的降低、对设备的过度的磨损或损坏，以及任意数量的潜在有害故障。为了确保健壮的通信，用于过程控制系统中的I／O通信网络历来是硬线连接的。不幸的是，硬线连接的网络带来大量的复杂性、挑战和限制。例如，硬线连接的网络的质量可能随时间降级。此外，硬线连接的I／O通信网络通常安装昂贵，尤其是在I／O通信网络与大型工业工厂或分布在大区域(例如占地数英亩的炼油厂或化工厂)上的设施相关的情况下。必需的长的配线延伸通常需要相当大数量的劳力、材料和花销并且可能带来由于配线阻抗和电磁干扰造成的信号降级。由于这些以及其他原因，硬线连接的I／O通信网络通常难以重配置、修改或更新。最近，无线I／O通信网络已经被引入过程控制环境以减轻与硬线连接的I／O网络相关的困难。例如，通过参考的方式整体明确并入本文的标题为“DistributedControlSystemforControllingMaterialFlowHavingWirelessTransceiverConnectedtoIndustrialProcessControlFieldDevicetoProvideRedundantWirelessAccess”的美国专利号No.7,519,012公开了利用控制器和现场设备之间的无线通信来例如加强或补充硬线连接的通信的使用。过程控制网络内部的设备之间(如控制器与现场设备之间)的无线通信的使用已经得到快速推动。响应于该趋势，已经建立了各种无线通信协议来支持过程工厂环境内部的无线通信，包括无线协议。然而，由于可靠性关注以及其他原因，与控制相关的传输的无线通信的完全可信赖性受到限制。如上所述，现代的过程控制监视和控制应用假设控制器与现场设备之间具有可靠的数据通信，以实现最佳控制水平。此外，典型的过程控制器以快速的速率执行控制算法以迅速纠正过程中的不希望的偏差，并且这些控制算法依赖于每个控制器执行循环期间的新的过程测量数据的可用性。不希望的环境因素或其他不利的条件可能引起间歇性的干扰，该干扰妨碍或阻止支持监视和控制算法的该执行所必要的快速通信。此外，对于过程控制环境中的无线通信的实现，功耗有时候是并发的因素。当从硬线连接的I／O网络断开连接时，现场设备可能需要提供它们自己的电源。因此，无线现场设备一般是电池供电的，汲取太阳能的或者窃取周围能源的如振动、热、压力等等。但是，对于这些类型的设备，在经由无线网络执行数据传输时消耗的能量可能构成总能量消耗的相当大的部分。事实上，在努力建立并且维持无线通信连接期间比在由现场设备执行的其他重要操作(如感测或检测正在被测量的过程变量)期间可能消耗更多功率。因此，当无线发射的测量值要用于闭环控制时，近来在过程控制工厂中引入无线发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制过程的控制系统，所述控制系统包括：控制单元，所述控制单元包括过程变量输入端和通信地耦接到所述过程变量输入端的控制例程单元，其中，所述控制例程单元基于在所述过程变量输入端处接收的过程变量值，生成用于控制所述过程的控制信号；耦接到所述控制单元的预测器单元，所述预测器单元在多个执行循环中的每个执行循环期间操作一次，以产生过程变量估计值，所述预测器单元包括：耦接为接收由所述控制例程单元产生的所述控制信号的控制信号输入端，包括过程变量反馈输入端的接口，所述过程变量反馈输入端以低于所述预测单元的每个执行循环时间一次的频率接收过程变量测量信号，耦接为在所述控制信号输入端处接收所述控制信号以产生初始过程变量估计值的过程模型，耦接为使用经由所述过程变量反馈输入端接收的所述过程变量测量信号来产生纠错信号的纠错单元，耦接到所述过程模型和所述纠错单元以将所述初始过程变量估计值与所述纠错信号组合以产生所述过程变量估计值的组合器，以及开关单元，所述开关单元在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，使得所述纠错单元使用所述过程变量测量信号的新值来产生所述纠错信号，并且在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使得所述纠错单元使用所述过程变量测量信号的先前接收值来产生所述纠错信号，其中，所述控制单元的所述过程变量输入端被耦接为接收所述过程变量估计值。...

【技术特征摘要】
2013.03.01 US 13/782,4781.一种用于控制过程的控制系统，所述控制系统包括：控制单元，所述控制单元包括过程变量输入端和通信地耦接到所述过程变量输入端的控制例程单元，其中，所述控制例程单元基于在所述过程变量输入端处接收的过程变量值，生成用于控制所述过程的控制信号；耦接到所述控制单元的预测器单元，所述预测器单元在多个执行循环中的每个执行循环期间操作一次，以产生过程变量估计值，所述预测器单元包括：耦接为接收由所述控制例程单元产生的所述控制信号的控制信号输入端，包括过程变量反馈输入端的接口，所述过程变量反馈输入端以低于所述预测器单元的每个执行循环时间一次的频率接收过程变量测量信号，耦接为在所述控制信号输入端处接收所述控制信号以产生初始过程变量估计值的过程模型，耦接为使用经由所述过程变量反馈输入端接收的所述过程变量测量信号来产生纠错信号的纠错单元，耦接到所述过程模型和所述纠错单元以将所述初始过程变量估计值与所述纠错信号组合以产生所述过程变量估计值的组合器，以及开关单元，所述开关单元在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，使得所述纠错单元使用所述过程变量测量信号的新值来产生所述纠错信号，并且在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使得所述纠错单元使用所述过程变量测量信号的先前接收值来产生所述纠错信号，其中，所述控制单元的所述过程变量输入端被耦接为接收所述过程变量估计值。2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述预测器单元是观察器。3.如权利要求2所述的控制系统，其中，所述观察器的纠错单元对所述过程模型中的过程模型错误进行纠错。4.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述预测器单元是卡尔曼滤波器。5.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述预测器单元是史密斯预测器。6.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述纠错单元包括另一个组合器，在每个执行循环期间所述另一个组合器将所述初始过程变量估计值与所述过程变量测量信号的值进行组合，以产生残差，并且其中，在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，所述开关单元进行操作以将所述过程变量测量信号的新值提供给所述另一个组合器以产生所述残差，并且其中，在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，所述开关单元进行操作以将所述过程变量测量信号的先前接收值提供给所述另一个组合器以产生所述残差。7.如权利要求6所述的控制系统，其中，所述纠错单元包括将所述残差乘以增益值以产生所述纠错信号的增益单元，其中，所述开关单元进行操作以在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，使得所述增益单元确定新增益值，并且在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使得所述增益单元使用先前计算的增益值。8.如权利要求7所述的控制系统，其中，所述增益单元是卡尔曼增益单元，所述卡尔曼增益单元确定用于所述增益单元的卡尔曼增益值。9.如权利要求6所述的控制系统，其中，所述预测器单元是卡尔曼滤波器。10.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述过程模型包括用于对具有死时间的过程进行建模以产生所述初始过程变量估计值的延迟单元。11.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述纠错单元包括另一个组合器，所述另一个组合器将另一个过程变量估计值与所述过程变量测量信号的值进行组合以产生残差，并且其中，在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值在所述另一个组合器处可用时的执行循环期间，所述开关单元进行操作以将所述残差的新值提供给所述组合器以产生所述残差，并且其中，在所述预测器单元的在所述过程变量测量信号的新值在所述另一个组合器处不可用时的执行循环期间，所述开关单元进行操作以将所述残差的先前计算的值提供给所述组合器以产生所述残差。12.如权利要求11所述的控制系统，其中，所述预测器单元包括对具有死时间的过程进行建模以产生所述另一个过程变量估计值的另一个过程模型，并且其中，所述过程模型是对不具有死时间的过程进行建模以产生所述初始过程变量估计值的过程模型。13.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制例程单元存储并且实现比例积分微分控制算法来产生所述控制信号。14.一种用于控制过程的方法，包括：在计算机处理器设备处，在多个执行循环中的每个执行循环期间实现控制例程，以基于过程变量估计值产生用于控制所述过程的控制信号；在计算机处理器设备处，以低于执行循环时间的频率接收过程变量测量信号；在计算机处理器设备处，在多个执行循环中的每个执行循环期间实现预测器例程，以产生所述过程变量估计值，包括：在多个执行循环中的每个执行循环期间接收由所述控制例程产生的所述控制信号；在多个执行循环中的每个执行循环期间，使用过程模型产生初始过程变量估计值，以基于所述控制信号建模所述过程的反应；在多个执行循环中的每个执行循环期间确定纠错信号，并且在多个执行循环中的每个执行循环期间将所述初始过程变量估计值与所述纠错信号进行组合以产生所述过程变量估计值，其中，在多个执行循环中的每个执行循环期间确定所述纠错信号包括：在所述过程变量测量信号的新接收值可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的新接收值来产生所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信号的新接收值不可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的先前接收的值来产生所述纠错信号。15.如权利要求14所述的方法，其中，实现所述预测器例程包括：通过在对所述过程模型中的过程模型错误进行纠错时产生所述过程变量估计值来实现观察器例程。16.如权利要求14所述的方法，其中，实现所述预测器例程包括：实现卡尔曼滤波器。17.如权利要求14所述的方法，其中，实现所述预测器例程包括：实现史密斯预测器。18.如权利要求14所述的方法，其中，确定所述纠错信号包括：在多个执行循环中的每个执行循环期间，将所述初始过程变量估计值与所述过程变量测量信号的值进行组合以产生残差，并且进一步包括：在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的新值以产生所述残差，以及在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的最近接收值以产生所述残差。19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：在多个执行循环中的每个执行循环期间将所述残差乘以增益值以产生所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，确定新增益值，并且在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使用先前计算的增益值。20.如权利要求19所述的方法，其中，确定所述增益值包括确定卡尔曼增益值。21.如权利要求18所述的方法，进一步包括：使用延迟单元来解决所述过程模型中的过程死时间。22.如权利要求14所述的方法，其中，确定所述纠错信号包括：在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，使用另一个过程模型来产生另一个过程变量估计值，并且将所述另一个过程变量估计值与所述过程变量测量信号的值进行组合以产生新残差作为所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使用先前计算的残差作为所述纠错信号。23.如权利要求22所述的方法，其中，使用所述另一个过程模型包括：使用用于对具有死时间的过程进行建模的过程模型作为所述另一个过程模型以产生所述另一个过程变量估计值，并且其中，产生所述初始过程变量估计值包括使用对不具有死时间的过程进行建模的过程模型。24.一种用于控制具有过程变量的过程的方法，所述方法包括：在计算机处理器设备处，接收经由无线通信网络传送的过程变量测量信号，以获得所述过程变量的更新；在多个执行循环中的每个执行循环期间，在所述处理器设备上周期性地实现过程变量预测器例程，以通过对在每个执行循环期间产生的初始过程变量估计值与纠错信号进行组合来生成所述过程变量的过程变量估计值，其中，所述纠错信号是通过以下方式在每个执行循环期间确定的：在所述过程变量测量信号的新接收值在所述预测器例程处可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的新接收值来产生所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信号的新接收值在所述预测器例程处不可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的先前接收值来产生所述纠错信号；将所述过程变量估计值提供给控制例程；并且在计算机处理器设备上周期性地实现所述控制例程，以基于所述过程变量估计值来生成用于所述过程的控制信号；其中，所述过程变量测量信号的接收以低于周期性执行循环的执行速率的速率非周期性发生，使得所述过程变量预测器例程利用所述过程变量的缓慢的或非周期性的更新来产生所述过程变量估计值。25.如权利要求24所述的方法，其中，实现所述过程变量预测器例程以生成所述过程变量估计值包括：在每个执行循环期间使用过程模型产生初始过程变量估计值，以基于所述控制信号建模所述过程的反应；在每个执行循环期间确定纠错信号，并且在每个执行循环期间将所述初始过程变量估计值与所述纠错信号进行组合以产生所述过程变量估计值，其中，在每个执行循环期间确定所述纠错信号包括：在所述过程变量测量信号的新接收值在所述预测器例程处可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的新接收值来产生所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信号的新接收值在所述预测器例程处不可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的先前接收值来产生所述纠错信号。26.如权利要求25所述的方法，其中，确定所述纠错信号包括：在每个执行循环期间，将所述初始过程变量估计值与所述过程变量测量信号的值进行组合以产生残差，并且进一步包括：在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的新值以产生所述残差，并且在所述过程变量测量信号的新值不可用时的执行循环期间，使用所述过程变量测量信号的最近接收值以产生所述残差。27.如权利要求26所述的方法，进一步包括：在每个执行循环期间将所述残差乘以增益值以产生所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信号的新值在所述预测器例程处可用时的执行循环期间，确定新增益值，并且在所述过程变量测量信号的新值在所述预测器例程处不可用时的执行循环期间，使用先前计算的增益值。28.如权利要求25所述的方法，其中，确定所述纠错信号包括：在所述过程变量测量信号的新值在所述预测器例程处可用时的执行循环期间，使用另一个过程模型来产生另一个过程变量估计值并且将所述另一个过程变量估计值与所述过程变量测量信号的值进行组合以产生新的残差作为所述纠错信号，并且，在所述过程变量测量信...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·布莱文斯，W·K·沃杰斯泽尼斯，M·J·尼克松，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US