本发明专利技术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。
Method and device for controlling valve position of variable orifice flowmeter
The invention discloses a device for measuring flow of a fluid. The device includes a variable sized hole, by a fluid flow conduit and to change the hole is movable relative to the fluid flow conduit size limit element; pressure sensor, which is configured to determine the pressure differential across the orifice and generate a pressure signal; a positioning device configured to determine the components of the pipeline position relative to the, and generate a position signal, and a processor configured to use the pressure signal and the position signal to determine the fluid flow rate. The system can be directly controlled by the adjustable valve or orifice. Alternatively, the system can switch back and forth between direct mode and PID mode. When in PID mode, the system uses a standard PID algorithm with variable gain terms. When the controller changes the position of the valve directly based on the set point and input and output pressure, the system switches to direct mode.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术克服了现有技术的缺陷，并致力于解决这些需求。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。采用本专利技术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。在根据本专利技术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。根据本专利技术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，并调整该可变孔本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：瑞瓦泰克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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