过程控制系统中改进的卡尔曼滤波器技术方案

一种控制技术，该控制技术允许在基于卡尔曼滤波器的控制方案中使用接收的过程变量值，而无需改变控制算法，该控制技术包括控制器如PID控制器和卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波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反馈。该卡尔曼滤波器被配置为在每个控制器执行循环期间从间歇性的或缓慢的过程反馈信号产生过程变量值的估计，同时将新过程变量估计提供给控制器，以使得控制器能够产生用于控制过程的控制信号。卡尔曼滤波器还被配置为针对在过程中可能出现的具有非零均值的过程噪声补偿过程变量估计。卡尔曼滤波器可以应用该补偿来连续地并且间歇性地接收过程变量值。

【技术实现步骤摘要】
过程控制系统中改进的卡尔曼滤波器相关申请的交叉引用本申请涉及2013年3月1日递交的、标题为“UseofPredictorsinProcessControlSystemswithWirelessorIntermittentProcessMeasurements”的美国专利申请号13/782,478，通过参考的方式将其明确并入本文。
本文大体涉及过程监视和控制系统并且更具体地涉及具有使用卡尔曼滤波器的控制器的过程控制系统中的连续的、无线和/或间歇性控制通信的传输和处理。
技术介绍
过程控制系统如诸如用于化学、石油或其他过程中的分布式或可升级过程控制系统一般包括经由模拟的、数字的或模拟/数字组合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一个或多个现场设备的一个或多个过程控制器。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)的现场设备执行过程中的功能如打开或关闭阀并且测量过程参数。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气体信息，并且时域该信息来实现控制例程以生成控制信号，基于总线将该控制信号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或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(例如基于总线)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大量不同的环路(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(其可以是所有控制例程)。整体而言，每个该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史密斯预测器或模型预测控制(MPC)的大量控制技术配置了控制例程和用于实现该例程的功能块。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化控制器或室，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。模拟现场设备通常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)调制经过电流环路行进的电流，因而电流与感测的过程变量成比例。另一方面，用于在控制室的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并且接收模拟信号，但是还将数字载波信号叠加到电流环路信号上，以允许与智能现场仪器的双向现场通信。通常被称为现场总线协议的另一个协议是全数字协议，其实际上定义了两个子协议，一个子协议以高达31.25千比特每秒的速率支持数据传递同时发动耦接到网络的现场设备，并且另一个子协议以高达2.5兆比特每秒的速率支持数据传递而不提供电力给任何现场设备。利用这些类型的通信协议，可以具有全数字属性的智能现场设备支持旧控制系统不提供的大量维护模式和增强功能。随着数据传递的数量增加，过程控制系统设计的一个特别重要方面涉及用于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。特别是当网络受到不利环境因素或严酷条件时，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。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图像对于任意该中断特别敏感，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的更新。受危及的控制通信因此可能导致控制系统效率和/或收益率的降低以及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。硬线连接的网络的质量可能例如随时间降级。此外，硬线连接的I/O通信网络一般而言，具体而言在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中，安装昂贵。必不可少的长的配线延伸一般涉及相当大数量的劳力、材料和花销并且可能带来源自配线阻抗和电磁干扰的信号降级。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.9,519,012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迅速得到推动。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事物，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的可靠数据通信，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，汲取太阳能或者窃取周围能源如振动、热、压力等等。但是，对于这些类型的设备，当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卡尔曼滤波器单元，所述卡尔曼滤波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，所述卡尔曼滤波器单元包括：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卡尔曼滤波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根据残差产生纠错信号的纠错单元，其中，所述纠错单元包括第一组合器、开关单元和增益单元，以及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另一个过程变量估计值的第二组合器，其中，在所述卡尔曼滤波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以及在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环期间，所述开关单元操作以将所述残差的新值提供给所述增益单元以产生所述纠错信号，其中，通过在所述第一组合器处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组合来确定所述残差的所述新值；其中，在所述卡尔曼滤波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之后的预先确定数量的执行循环之后的执行循环期间，所述开关单元操作以将所述残差的存储值提供给所述增益单元以产生所述纠错信号，其中，所述残差的所述存储值是在所述预先确定数量的执行循环中的一个执行循环期间确定的；并且其中，所述控制单元的所述过程变量输入端被耦接为基于所述另一个过程变量估计值来接收所述过程变量估计值。...

【技术特征摘要】
2013.03.01 US 13/782,478;2013.08.09 US 13/963,3071.一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卡尔曼滤波器单元，所述卡尔曼滤波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，所述卡尔曼滤波器单元包括：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卡尔曼滤波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根据残差产生纠错信号的纠错单元，其中，所述纠错单元包括第一组合器、开关单元和增益单元，以及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另一个过程变量估计值的第二组合器，其中，在所述卡尔曼滤波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以及在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环期间，所述开关单元操作以将所述残差的新值提供给所述增益单元以产生所述纠错信号，其中，通过在所述第一组合器处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组合来确定所述残差的所述新值；其中，在所述卡尔曼滤波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之后的预先确定数量的执行循环之后的执行循环期间，所述开关单元操作以将所述残差的存储值提供给所述增益单元以产生所述纠错信号，其中，所述残差的所述存储值是在所述预先确定数量的执行循环中的一个执行循环期间确定的；并且其中，所述控制单元的所述过程变量输入端被耦接为基于所述另一个过程变量估计值来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，所述过程变量估计值是所述另一个过程变量估计值。3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述增益单元将所述残差的值乘以增益值以产生所述纠错信号；其中，在所述卡尔曼滤波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以及在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环期间，所述增益单元操作以确定在所述增益单元中使用的新增益值；并且其中，在所述卡尔曼滤波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之后的预先确定数量的执行循环之后的执行循环期间，所述增益单元操作以使用所存储的增益值，其中，所述所存储的增益值是在所述预先确定数量的执行循环中的一个执行循环期间确定的。4.如权利要求3所述的控制系统，其中，所述增益单元是用于确定所述增益单元中使用的卡尔曼增益值的卡尔曼增益单元。5.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述卡尔曼滤波器单元进一步包括：耦接为使用所述残差来产生补偿信号的补偿单元，其中，所述补偿单元包括用于将所述残差的值乘以另一个增益值的另一个增益单元以及用于接收与所述另一个增益值相乘的所述残差的值以产生所述补偿信号的滤波器单元，以及第三组合器，所述第三组合器耦接到所述第二组合器和所述补偿单元以将所述另一个过程变量估计值与所述补偿信号组合以产生所述过程变量估计值。6.如权利要求5所述的控制系统，其中，所述另一个增益单元是用于确定在所述另一个增益单元中使用的一减去卡尔曼增益值的值的卡尔曼增益单元。7.如权利要求5所述的控制系统，其中，所述滤波器单元是第一阶滤波器。8.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。9.一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卡尔曼滤波器例程，以产生过程变量估计值，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根据残差产生纠错信号，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组合以产生另一个过程变量估计值，并且基于所述另一个过程变量估计值产生所述过程变量估计值，其中，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以及在所述过程变量测量信号的新接收值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环期间，根据所述残差产生所述纠错信号包括使用所述残差的新值，其中，通过将所述初始过程变量估计值与所述过程变量测量信号的接收值组合来确定所述残差的新值；并且其中，在所述过程变量测量信号的新接收值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环之后的执行循环期间，根据所述残差产生所述纠错信号包括使用所述残差的存储值，其中，所述残差的所述存储值是在所述预先确定数量的执行循环中的一个执行循环期间确定的。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述过程变量估计值是所述另一个过程变量估计值。11.如权利要求9所述的方法，其中，根据所述残差产生所述纠错信号包括：在所述多个执行循环中的每个执行循环期间，确定增益值并且将所述残差的值乘以所述增益值以产生所述纠错信号；并且确定用于在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环期间以及在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环期间的新增益值；并且在所述过程变量测量信号的新值可用时的执行循环之后的预先确定数量的执行循环之后的执行循环期间，使用所存储的增益值。12.如权利要求11所述的方法，其中，确定所述增益值包括确定卡尔曼增益值。13.如权利要求9所述的方法，其中，实现所述卡尔曼滤波器例程进一步包括：在多个执行循环中的每个执行循环期间，确定补偿信号，并且在多个执行循环中的每个执行循环期间，通过将所述另一个过程变量估计值与所述补偿信号组合来产生所述过程变量估计值。14.如权利要求13所述的方法，其中，确定所述补偿信号包括：在多个执行循环中的每个执行循环期间，确定另一个增益值并且将所述残差的值乘以所述另一个增益值并且将与所述另一个增益值相乘的所述残差的值滤波以产生所述补偿信号。15.如权利要求14所述的方法，其中，确定所述另一个增益值包括确定一减去卡尔曼增益值的值。16.如权利要求14所述的方法，其中，将与所述另一个增益值相乘的所述残差的值滤波包括使用第一阶滤波。17.一种卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器操作以产生经补偿的过程变量估计值，所述卡尔曼滤波器包括：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接收过程变量测量信号，以及控制信号输入端，所述控制信号输入端接收控制信号；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·布莱文斯，M·J·尼克松，W·K·沃杰斯泽尼斯，
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