CN1072816C

CN1072816C - 带压力反馈,动态校正和诊断的阀定位器

Info

Publication number: CN1072816C
Application number: CN94193113.7A
Authority: CN
Inventors: 加里·A·伦兹; 格雷戈里·C·布朗; 乔治西·沃里奥
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2014-07-14
Also published as: EP0957418B1; JPH09502292A; US5573032A; EP0957418A2; EP0739503A1; JP3595554B2; DE69432029T2; SG44472A1; DE69427487T2; CA2166867A1; BR9407585A; US5549137A; WO1995006276A1; DE69432029D1; CA2166867C; DE69427487D1; US5558115A; CN1129480A; EP0739503B1; EP0957418A3

Abstract

在本发明中，一个阀定位器50接收一个来自主控制器62的设定点，并向一个阀致动器70提供一个控制压力，以便控制一个阀72。该定位器50中的一个检测电路102检测该阀72的位置和控制压力，而该定位器50中的一个控制电路94利用该检测的压力和位置来向产生该控制压力的气动部件100提供一个指令输出。

Description

带压力反馈、动态校正和诊断的阀定位器

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背景技术

本发明涉及一种用来控制一个影响过程变量的阀的阀定位器，更确切地说，涉及带有微处理器的这种阀定位器。

希望提高阀定位器工作的精度、动态性能和稳定性，并为了质量检查的要求向控制间提供一个实时诊断，从而可以预测维修和设备停工时间而不遭受应急停机或不必要的例行阀维修。

在过程控制行业里使用各种类型的阀定位器。一些定位器机械地连结于一个致动器而一些则在该定位器内包含致动器，致动器提供在物理上定位该阀的手段，并且可以是电气的、液压的或气动的。电气致动器有一个电流信号，该信号驱动使该阀定位的电动机。液压致动器有用来使该阀定位的充有油的装置。到目前为止在过程控制行业中最常用的是：一个气动致动器有一个活塞或一个弹簧与隔膜的组合。取决于应用场合和控制集成程度，定位器接收来自一个控制器的几种类型的输入，这些输入代表所需的阀位置。一种类型是一个具有4～20mA或10～50mA量值的电流输入，另一种是一个叠加在该电流信号上的数字信号，而第三种是一个诸如Fieldbus或Modbus^○之类的全数字输入。或者，该定位器可以接收一个代表所需的阀位置的3～15磅每平方英寸(PSI)的气动输入。取决于集成度及应用场合，定位器有不同类型的输出。一些定位器向一个电动机提供一个输出电流，而另一些有一个快速响应的液压输出。定位器输出的最常见类型是一个0～200PSI的气动输出。定位器，当该词用于此申请时，如果适用，包括所有这些现场安装的仪器(包括各种输入和输出)，以及它们用来使阀定位的各自装置。

在一个弹簧与隔膜致动器这一最常见的场合中，该隔膜随着由该定位器输出的压力而偏移，借此分别在一个控制阀杆或转动构件上施加一个力或力矩，以便改变该阀的位置。几乎所有的定位器都有一个机械的或一个电子的位置传感器以提供一个位置信号，而它们中的某些则把该位置信号反馈到该定位器的一个以微处理器为基础的控制部。无论用来输出力以使阀定位的是什么样的具体装置，带有基于微处理器的控制算法的定位器都是已知的。现有的定位器改善了环路动态响应，但有一个有限的带宽，以致它们的应用限于一些慢控制环路，如像控制一个容器中的液位或一个反应器中的温度一样的一个环路。

对理想的阀动态位置控制的一个障碍在于阀特性(在此申请中定义为流量与阀杆位置或角度之间的关系)偏离所发表的阀特性多达五个百分点。该不理想性代表了所有三个主要类型的控制阀的特性：线性、等百分数和快速开启。此外，转杆或滑杆阀可能表现出提供给阀的致动器力与穿过阀的流量之间的非线性关系，该关系对于原本线性的定位器而言，即使在有阀杆位置反馈时也难以控制。其实，作为流动在阀中引起的球/蝶形板上动态力矩的结果，转阀具有力矩对流量的非单调函数。阀件上的日常磨损也在控制环路中产生不理想性。实践中新装设的环路被“离调(de-tuned)”或故意地指定是不理想的控制常数，从而来补偿磨损，以便该环路在各种工况下保持稳定。综合这些静态和动态控制的精度，与阀有关的环路停机对工业生产来说是不希望的和昂贵的。

电力研究所估计，如果每个控制阀每年仅多工作一个星期，则电力利用率将节省4亿美元。大多数工厂都计划定期维修停机来监测并修理阀，更换磨损的填料和磨损的阀组件，以避免更昂贵且危险的紧急停机。监测阀的完整性的诊断系统是已知的，但一般配置成在脱离开过程的阀中来诊断问题。一个实时控制阀具有有限的诊断能力。

一个定位器、控制阀和致动器被组装并正确地配置以便在一个称为实验设定(bench-setting)的费力的过程中得以装设。在实验设定期间，操作者手动地设定阀的最大移动位置(称为行程位置)、最小移动位置(称为零)、限位止挡和刚度参数。该过程是反复的，因为这些设定不是彼此独立的。

于是，需要一种易于在实验设定时配置的以微处理器为基础的阀定位器，它具有提高了的带宽、改善了的动态定位精度，还具有实时诊断以提供阀和致动器的完整性信息。

发明内容

在本发明中，一个阀定位器向一个机械上连结于一个阀的阀致动器，作为一个代表阀位置的信号、一个从控制器收到的所需位置设定点和所检测的控制压力的时间导数的函数来提供一个控制压力。该定位器包括连接于电流环路的用来接收该设定点的接收装置，用来检测该阀位置和该控制压力的检测装置，以及变换装置，该变换装置用来把气动空气的供应作为从该定位器中的控制电路收到的一个指令输出的函数转换成该控制压力。在本发明的另一实施例中，一个阀定位器有一个带位置反馈的控制电路，包括一个用来检测与阀性能有关的一组状态变量的检测电路。该定位器包括一个诊断电路，它用来存储该阀的一个特性并作为所存储的阀特性和所选择的诸状态变量之一的函数提供一个输出。所存储的阀特性的例子有位置对流量、力矩对位置和力矩对流量曲线。在本发明的另一实施例中，该定位器包括一个实验设定控制电路，该电路使该控制压力在一个初始控制压力与一个最终控制压力之间并在其返回该初始压力时做斜坡变化，同时采样具体控制压力及其相应位置，以便提供一个表示对一个致动器弹簧的正确弹簧预载力的输出。在本发明的另一实施例中，一个阀定位器有一个带位置反馈的控制电路，该控制电路向一个变换器电路提供一个指令输出，该变换器电路作为该指令输出的函数提供一个控制压力。该定位器包括一个用来检测与阀性能有关的一组状态变量的检测电路。该定位器包括一个校正电路，该校正电路存储一个受诸物理参数之一影响的阀特性，并作为所检测的物理参数和所存储的阀特性的函数来动态补偿该指令的输出。

附图概述

图1是一个包含一种先有技术阀定位器的控制环路的控制流程图。

图2是一个根据本发明的阀定位器的方块图，该定位器连接于一个主控制器和一个机械连结于一个阀的致动器。

图3是一个根据本发明的阀定位器的方块图，该定位器连接于一个主控制器和一个机械连结于一个阀的致动器。

图4是针对快速开启阀、线性阀和等百分数阀的阀杆位置作为流量函数的曲线图。

图5A是针对蝶形阀的单位力矩作为角位置函数的曲线图；图5B是在管路中的该蝶形阀的平面图。

图6是一个根据本发明的阀定位器的方块图，该定位器连接于一个主控制器和一个机械连结于一个阀的致动器。

图7是作为阀座磨损函数的位置对流量的曲线图。

图8是作为阀座磨损函数的致动器力矩对角位移的曲线图。

图9是一个根据本发明的阀定位器的方块图，该定位器与一个手持通信器通信并连接于一个机械连结于一个阀的致动器。

优选实施方案的详细描述

定位器一般用于较慢的过程控制环路，例如液位和时间，以改变环路性能。典型的先有技术电气气动定位器的控制原理图示于图1中，其中一个内级联环路20包括一个用来产生在控制器设定点24与位置传感器反馈26之间差值的误差发生器22，一个电流至压力转换器28，一个连接于阀30的致动器和一个位置传感器32。一个总标号为34的外环路包括一个用来求出所需的设定点38与代表过程42的状态的测量值40之间差值的误差发生器36，和一个与级联环路20及过程42串联的控制器44。如果表示成级联环路20的定位器的带宽比外环路34的带宽至少大四倍，则图1中的所示的总系统通常是稳定的。对于难以调整的环路，该倍数应提高。先有技术环路被故意离调，或被不理想地调整，以便在很宽的工况范围内保证稳定性。此外，希望把超调(overshoot)减至最小。然而，对于典型欠阻尼系统中的带比例反馈的二阶系统而言，当带宽增加时超调加大。在根据本发明制成的图2所示的阀定位器50中，压力反馈信号52的导数提供了在不影响带宽情况下减小超调所需的速率反馈。换言之，在不减小定位器50的带宽的情况下减小了受过程环路中阻尼量良好控制的超调量，而不像图1中所示的环路。在图2中，总标号为60的过程环路包括一个布置在控制间中的主控制器62，该主控制器在一个双线电流环路上向阀定位器50发送一个所需的阀位置信号，但是也可以使用其他通信环路，如三线和四线电流环路。定位器50接收气动空气61的供应并作为来自主控制器62的所需设定点和两个变量：控制压力信号52的导数及所检测的位置信号68的函数，提供一个控制压力64。控制压力64向与线性阀杆控制阀72机械连接的致动器70提供有压空气，但转阀也适合于本发明。致动器70有一个隔膜71，该隔膜在有压控制压力空气推它时发生偏移，以致向下推动阀杆76。阀杆76固定于阀塞78，该阀塞78在它完全归座(seated)时阻止第一流道80与第二流道82之间的流动。阀72经法兰84连接于输送流量Q的管子86。变送器88测量流量Q并向主控制器62发出一代表该流量的信号。在定位器50之内，一个接收电路92接收一个来自主控制器62的4～20mA的信号，但也可以接收来自手持通信器的信号。电流的量值代表所需的阀位置，但是可以根据诸如HART^○之类的协议，或者采用诸如DE、BRAIN^○、Infinity或Modbus^○之类的数字协议在该电流上叠加包括传感器选择指令和数据在内的数字信息。对于关键的控制，位置信号68在一个微处理器内得到温度补偿。或者，主控制62用诸如Fieldbus之类的全数字协议与定位器50通信。此特征提供优于其他方案的附加灵活性和较小的接线复杂性，因为主控器不必识别对变量需求，请求过程变量并且接着向需要该变量的现场装置发送它。在变送器88与定位器50之间的这种直接的过程变量通信显著地减少了环路60中的延迟，使定位器50适合用于较快的控制环路，如一个控制流量的环路。

一个控制电路94提供作为来自电路92的所需设定点、位置信号68和压力信号52的函数的一个指令输出97。在电路94内的一个时间导数电路96为电路94内的控制算法提供一个速率反馈信号，或者换言之，一个压力信号52对时间的导数。最好用压力信号作为速率反馈信号，因为在本发明的其它实施例中它可用作一个诊断和/或动态误差校正信号，但是一个力或力矩信号也足够了。控制电路94最好通过在一个小功率CMOS微处理器或另一种给出改善的功率和带宽的相应技术中采用一种自适应控制算法来实现，该算法利用可得到的检测信号如压力、位置、力、填料(packing)和阀座磨损等来精细调整PID常数，并借此消除环路离调。功率消耗在本发明的所有实施例中均为所关心的事，因为定位器50全靠从主控制器62接收的在10～15VDC上的4-20mA(对于Fielbus为在9V上的9mA)来工作。因此，定位器中数字逻辑工作时所处的频率电容必须减至最低。即使除了电容和频率方面之外，定位器50减小功率的原因还在于，它包括一个电流至压力变换器和一个气动定位器，此二者均为4～20mA的仪器。因而，以前最大消耗40mA的阀控制现在只最大消耗20mA。一个变换器和气动回路100接收到一个0～200PSI的气源61并提供一个作为来自电路94的控制信号函数的控制压力64，方法是采用一个共线性(co-linear)磁性致动器和一个偏转射流先导级，像在属于本发明同一受让人所拥有的美国专利4,534,376中所公开的Rosemount’s电流至压力变换中的一样。检测装置102检测来自压力传感器54和机械位置传感器55的信号，把诸信号数字化并把两者提供给控制电路94。

除了减小超调而不影响无阻尼固有频率(从而不影响带宽)这一主要好处之外，速率反馈还有其他优点。致动器带有变化的内部负载体积，总标号为98，该体积具有很宽范围的气动柔度。与具有较小直径的小流量阀合用的那些致动器具有比与较大的控制阀合用的致动器更小的柔度。在先有技术定位器中，控制算法中的增益须经人工调整来适应变化的负载体积以保证稳定性。然而，本发明一开始调整成适应大致动器柔度，从而不需要针对小柔度再次调整，因为对于一个小致动器来说，速率反馈的量值必然较小。当定位器连接于具有小负载体积的致动器时，压力变化率很大，以致在瞬间使有效的定位器环路增益降低，以便防止过大的超调、跳动和极限环(limit cycling)。当定位器连接于具有大负载体积的致动器时，压力变化率很小，以致在暧间使有效的定位器环路增益保持高值。通过把压力速率反馈量与控制算法的比例增益和积分作用适当地平衡，就能适应一个很大范围的致动器负载体积，与此同时保持最小的超调并使带宽最小化。

在图3中，控制环路200控制着在管子202中的流量Q。变送器204检测该流量并在一对绞合线上向主控制器206发送一个信号。控制器206在另一对绞合线上向阀定位器210发送一个信号。定位器210经致动器216向阀214提供控制压力212。致动器216中的隔膜220随该控制压力偏移并向固定在位于流量Q中的阀塞224上的滑动杆222施加一个弹簧力，借此推动阀塞224以便进一步阻碍并减小流量Q。为了加大该流量，泄放该控制压力以便允许该弹簧力将阀塞224向上复位。

定位器210包括一个接收电路228，一个控制电路230，一个变换器电路和气动装置232，一个检测电路234及一个校正电路236。检测电路234连接于一个用来检测该控制压力的压力传感器238，一个连接于阀杆222以便检测阀位置的机械构件240，及一个适用于检测力或力矩的载荷传感器242。然而，力或力矩最好通过把压力传感器238的输出除以致动器隔膜面积来检测，以便降低与载荷传感器242有关的成本、功率消耗和复杂性。对于需要精细控制的用途，用来自隔膜与壳体之间的空气体积的控制气弹簧效应来修正所检测的力信号。对于本发明的所有实施例，一个具有连续输出但没有移动连接的非接触式位移传感器，如像LVDT(直线可变差动传感器)传感器、RVDT(旋转可变差动传感器)传感器及霍尔效应传感器，是最可取的。一个多路转换器电路246，作为从接收电路228接收的一个指令的函数，选择把哪个传感器的输入送入校正电路236。

接收电路228接收一个来自主控器206的4～20mA的信号，但也能接收来自一个手持通信器的信号。电路228按与电路92大体相同的方式工作。控制电路230接收一个来自电路228的代表所需阀位置的数字信号和一个代表阀位置的所检测的位置信号229，并作为在电路230中设定的相应PID常数的函数提供一个电气控制信号231。变换器和气动回路232接到一个0～200PSI的气源并采用标准的电流至压力转换技术，如在Rosemount电流至压力转换器3311中举例说明的那样，以便在定位器喷嘴处提供控制压力212。

校正电路236最好在一个小功率CMOS微处理器中实现并包括一个非易失性存储器250，用以存储阀214的一个特性。在第一模式中，阀214所特有的一般信息存储在存储器250中，例如它的全开位置和全闭位置、或者它的用于控制压力212的最高和最低可接受压力。前一组数据用来校正驱动过度或驱动不足的阀；后一组数据用来校正压力过高或压力过低。在第二模式中，针对阀214收集实验室试验的流量和力矩测量值并从主控制器206经接收电路228下载(download)到存储器250。或者，测得的特性可以存入一个非易失性存储器如EEPROM中然后装进定位器210里。借此按将要用于该过程的阀的特定非线性来调整(tailor)定位作用。在一种用于非常精密控制的第三工作模式中，流量和力矩特性一开始存入存储器250中，然后在阀工作的同时动态地更新。在此模式中，测得的特性下载到存储器250中，然后随着每个工作点的数据取样而逐点地更新。对于所有这些模式，校正电路236均把所储存的特性与来自检测装置234的实测物理参数相比较并相应地补偿指令输出231。在阀工作期间所存储的特性被动态地更新。

一个如此存储的特性是作为位置函数的通过阀214的流量。该流量由下式给出：

Q = C_{v} \sqrt{\frac{DP}{SG}}

式中Q是流量，Cv是阀系数，DP是跨过该阀的压差而SG是管中流体的比重。图4针对快速开启、线性和等百分数阀表示了三种类型的一般流量相对于位置的特性，分别标为A、B和C。一组曲线作为比重的函数存入存储器250。校正电路236接收一个来自变送器204的代表所检测流量的信号并把相应于检测流量的存储位置与所检测的位置相比较。校正电路采用运算放大器求和连结(summing junction)技术，针对实测位置与基于所检测流量的预测位置之间的偏差来补偿指令输出231。在此模式中如果请求并接收过程变量所需的时间与定位器气动装置的响应时间相比是长的，则该定位器的有效带宽可以减小。为了实现这一点，即加入明显的传送延时，例如600ms的延时，定位器带宽必须减小。然而，当采用一种通信协议时，例如采用有1ms的请求并检索时间的。Fieldbus时，则应保持12至20Hz的所需定位器带宽。

一个第二存储特性是阀214的力矩对位置特性。由于定位器本身是一个非线性装置，所以在力矩对位置曲线的非线性部分很难控制阀位置。对于某些转阀而言，力矩对位置不仅是非线性的而且是非单调的。图5A针对如图5B中所示的管子402中的转阀400，表示一对力矩对角位移特性。力矩作为开启阀的角位移的函数由曲线404表示，同时阀关闭特性由曲线406表示。由此特征所提供的精度对于绕一个中心工作点转动的控制阀来说特别有用，因为它们在分离的工作特征之间连续地切换并具有与它们的控制相关的特殊向题。在此模式中，校正电路236接收一个使阀运动一个单位距离(对于杆阀)或单位角度(对于转阀)所需要的力矩信号并把它与在当前所检测的位置或角度处所需的已存储的力相比较。校正电路236针对实测位置与根据所检测力的预测位置之间的偏差来补偿指令输出231。一个第三存储特性是阀214的测出的力矩对流量特性。在此模式中，校正电路236把由载荷传感器242报告的检测力矩与在所需流量Q时的存储力矩相比较，并针对差值补偿指令输出231。

随着时间的推移，阀的填料(标号244)变坏，而且阀座(标号246)开始泄漏，此二者改变了作为位置函数的阀流量。在此模式中，初始的流量对位置曲线如上所述存入存储器250，但被动态地更新。例如，当选定一个位置对流量曲线时，在每个新的工作位置处，由变送器204所报告的检测流量被存储，以代替该特性上的一个先前的工作点。使用标准的插值算法在更新曲线中大的不连续区间之间进行插值。由于随着时间来存储流量和相应的所检测的位置输出，从而建立起一条新的曲线，该曲线反映该定位器的动态流量对位置特性。这些特性曲线随时间的修改，使得与所存储的力矩特性的实时更新相互结合的动态校正对于精密的静态定位来说是重要的。虽然上例表示一个环路控制流量，但是对同一原理图的适当变动对于其它物理变量(例如温度、pH、上游和下游过程压力以及工作极限(位如限位开关)处的阀位置之类)的控制来说是显而易见的。

在图6中，包括一个变送器304、一个主控制器306、一个定位器310、一个致动器314和一个阀316在内的控制环路300，与按照图3讨论的大体上相同的方式控制管子302中的流量Q。定位器310包括一个接收电路330、一个发送电路358、一个控制电路332、一个变换器电路和气动装置334、一个检测电路336和一个诊断电路338。接收电路330按照与接收电路228大体上相同的方式进行通信。电路330向存储器354提供一个输出以便下载阀特性。并向多路转换器352提供另一个输出以便选定哪一个检测信号被选用于诊断电路338。控制电路332既接收代表阀位置的位置信号333，又接收来自电路330的所需的阀位置信号，以便作为在电路332中设定的PID常数的一个函数来提供电气指令输出335。变换器和气动回路334接到0～200PSI的气源并采用标准的电流至压力技术在定位器喷嘴处提供控制压力312。检测电路336连接于一个用来检测在定位器310上喷嘴出口处的控制压力312的压力传感器，一个连接于阀杆344以检测阀位置的机械构件342，一个用来检测力的载荷传感器346，一个用来检测气蚀和阀填料噪声的声学传感器348，以及一个用来检测来自管子302中有机化学品蒸气的挥发物的挥发散逸(fugitive emission)传感器350。也可以加设用于检测与阀性能有关的物理参数的其它传感器，如用来检测上游和下游温度、过程压力及检测极限开启和关闭位置的限位开关的传感器或向级联控制环路提供过程变量的传感器。一个多路转换器电路352，作为从电路330接收的一个指令的函数，选择把哪个传感器输入送入诊断电路338。一个发送电路358向主控制器306发送警报和诊断数据。

诊断电路338最好在一个CMOS小功率微处理器实现并包括一个非易失存储器电路354，用于存储与阀有关的物理参数。合适时，该特性的形式为一个可接受值的范围或代表最大极限的单个预期值。该预期值从主控制器306经一个双线环路308下载到存储装置354。主控制器306一般来说是一个位于控制间中的环路控制器，但也可以是一个以诸如HART^_或Fieldbus之类的通信协议进行通信的手持通信器。一个比较器356把希望的物理参数与所检测的物理参数相比较并向发送电路358提供一个诊断输出。该诊断输出可以是一个经电路358向主控制器306发送以便立即作用的警报或警告，像当阀314在关键控制环路中未正确定位时那样，但也可以是一个在一般的基础上或在轮询(polling)时可得到的向主控制器306发送的一个值，以便确定何时需要维修。在有计划维修中阀座磨损也很重要，因为它造成阀泄漏。例如，在快速开启阀或者在对阀位置的小的调整导致流量显著变化的那些阀中，阀座泄漏特别关键。图4上的曲线A表示快速开启阀的特性，该特性向上平移一个代表泄漏量的常数(见虚线曲线D)。在阀塞360完全归座于阀座360时，当流体在流道353a、b之间流动时出现阀座泄漏。一种确定泄漏的方法是存储一个与制造时完全归座的阀相对应的位置值，或者在上次维修时的归座位置值。随着阀座360磨损，阀塞356在逐渐降低的位置处归座。该诊断电路把阀归座时所检测的位置值与所存储归座位置值相比较。当差值超过一个所存储的极限时，向主控制器306发送一个阀座磨损值。另一种确定泄漏的方法是把最初的制造时阀316的阀特性与磨损已引起泄漏之后所收集的另一个阀特性相比较。在图7中，针对最初制造时或在上次维修时的阀316，将收集的位置对流量特性标为A。经过使用，虚线曲线B代表在以后时间所收集的同一特性。该特性被动态地收集并在阀所工作的每个位置逐点构成。X轴截距之间的差值代表泄漏，经电路358向主控制器306报告该泄漏。

与阀填料相关的失效的诊断对于正确的阀维修也是关键的。在此诊断模式中，一个值存入存储器354，代表填料必须重新压紧的累加距离。把该存储值与累加的位移距离(对于转阀是转动角度)相比较，以便在该累加的位移距离超过需要重新压紧的距离时，电路358向主控制器306发送诊断输出。填料和阀座磨蚀的另一个度量是使阀离座所需要的力随时间而减小。在图8中，曲线A代表最初制造时或在以前维修时致动器力矩对阀的角距离特性，而曲线B代表在以后日子里的同一特性。X轴截距中的差值代表使阀离座所需要的力的差值。当该差大于一个存储的极限时，向主控制器306发送该致动器力值。

确定阀配合件(即阀杆与笼式阀芯组件)何时被卡住对有计划维修也是关键的。在此模式中，选定力信号用于诊断电路338并与一个代表过量作用力的值相比较。当所检测的力信号超过所存储的力值时，通过电路358向主控制器306报告该力值。另一个所存储的特性涉及电磁阀，该阀或者全开或者关闭。它们在关键控制应用中是常见的，即它们把环路转换到一种安全状态。电磁阀在长期不使用之后容易不希望地卡住。在此模式中，控制电路332按比该过程响应速度更快的速度发出交变的开启和关闭位置指令，以便使电磁阀在需要时动作。当检测电路336中所检测的位置信号表明电磁铁未响应时，向主控制器306发出一个诊断消息。另一个所存储特性是在最初制造之后或上次阀保养期间测得的化学物质散逸的浓度水平。在此场合，诊断电路338接收来自散逸传感器350的输出并当有机化学品的浓度超过一个所存储的极限时，向主控制器306发送该浓度值。或者，向主控制器发送一个代表化学物质浓度的值。气蚀及阀杆和笼式阀芯组件(即阀配合件)的完整性也可以用本发明来诊断。当来自声学传感器348的频谱与一个代表管子302中的气蚀噪声或来自阀配合件的噪声的所存储频谱相吻合时，经电路358向主控制器306报告一个气蚀值或一个配合件磨损值。气蚀噪声在高于10MHz的频率下出现，而配合件振动出现于5～200Hz的范围内，因而在低频下很容易与其它管子噪声区分开。也可以诊断破损的致动器部件。在此模式中，一个破裂的致动器隔膜、一个断开的阀杆或受堵的气源压力在当指令输出335改变而所检测位置信号并不变化的情况下被识别。当在规定时间内指令输出335改变一个预定量而所检测的位置不变时，诊断电路338发出一个警报或警告。

对于频繁失效或修理起来很费时间的阀部件，例如定位器中的电子部件，温度变化历程也有助于有计划的预防性维修。在此模式中，诊断电路338在存储器354中记录不同类型的温度事件并经电路358向主控制器306提供此数据。例如，某些定位器部件当在100％的相对湿度和在150°F的温度下工作时具有1.9年的预测平均无故障时间(MTBF)。维修可以安排在从上次维修起经过1.9年的MTBF之前。只有存储器354的一小部分供此功能专用，因为数据是以计算出的特定时间间隔得以存储并装载(upload)的，从而只使用了存储器354的一部分。新存储的数据写在上次数据之上。定位器310还起到现场安装的数据记录器的作用。在此模式中，电路338在短时间内记录有关过程变量以便记录过程动态和定位器响应。所记录的信息经电路358向主控制器306装载，用于过程建模和过程失调相关(upset correlation)。由于过程和定位器动态处于相同的记录模式中，故精确建模是可能的。阀维修时的状态变量被记录下来以便装载和有计划维修。

为了在定位器中设定正确的弹簧预载力，进行一种实验设定操作。通常做法需要行程位置(即100％位置)、零位置、限位止挡和致动器弹簧刚度的最初设定，以便该阀针对它将控制的过程正确地配置。此过程是重复的和费时间的并且对先有技术定位器来说一般需要1至4个小时来完成，因为所检测的阀杆位置和所检测的控制压力是操作者无法获取的。在本发明中，实验设定操作比以前效率更高而且更准确。在图9中，一个定位器500按实验设定模式来工作，其中它连接于一个与致动器504机械相连的阀体502，但与该过程脱离。定位器500从手持式通信器508或者一个适当配置的PC接收实验设定指令并向该通信器508或该PC发送实验设定参数。一个连接于双线电缆522的接收电路520翻译来自通信器508的指令，并把它们向一个连接于实验设定控制电路526和发送电路528的公共总线524发送出去，以便把实验设定数据翻译成能向主控制器508通信的格式。控制电路526最好作为一个包括非易失存储器530的CMOS微处理器来实现，虽然它也能以模拟电路来实现。控制电路526向变换电路和气动部件542提供一个电气指令输出，变换器电路和气动部件542使用公知的I/P技术产生控制压力540。检测电路532经位置传感器536检测阀502中阀杆534的位置，而压力传感器538检测控制压力540。

实验设定操作的第一阶段在致动器504脱开的同时计算弹簧506的弹簧常数，以便消除摩擦的影响。当定位器500仅连接于阀502时，操作者经接收电路520向电路526发出一个实验设定指令。接着，操作者向主控制器508输入想要的初始控制压力P₀和最终控制压力P₁₀₀，以便经接收电路520用于控制电路526中。控制电路526指令气动装置542在压力P₀与P₁₀₀之间做斜坡变化，同时经发送电路528向主控制器508发出所检测的位置信号以便显示。控制电路526存储与压力P₀和P₁₀₀相对应的所检测的位置，并把它们存入存储器530。在电路526中按下式计算弹簧常数K_S:

K_{S} = \frac{(P_{S} - P_{R}) A_{E} - F_{S} - F_{D}}{y_{s} - y_{o}}

式中Y_S是在100％行程时的阀位置，Y₀在0％行程时的阀位置，A_E是隔膜的有效面积，P_S是在100％行程时的控制压力，而P_R是在0％行程时的控制压力。当需要精确控制时，还用一个空气弹簧常数来计算该弹簧常数。在把阀502连接于致动器504之后，测量摩擦力和弹簧506上的预载力。操作者输入与0％和100％位移相对应的阀杆位置(Y₀和Y₁₀₀)、在装置中的管线压力P_L、以及与在阀塞归座后应施加于阀502上的压力值有关的归座压力安全系数S_M。在电路526向气动装置542发出一个控制信号使定位器500从0％位移到100％位移再回到0％位移这一循环的同时，在不同位置所检测的控制压力存入存储器530:P_M是当阀杆即将克服摩擦力而运动之前的控制压力，P_R是阀杆刚刚运动之后的控制压力，P_D是当阀杆朝关闭位置运动时在25％位置跨度处的控制压力，P_U是当阀杆朝全开位置运动时在75％处的控制压力，而F_i是在0％位置上取样时弹簧上的预载力。通过把来自压力传感器538的输出除以致动器隔膜的有效面积A_E，力信号被以最高成本效益和最佳效率而被取样，但是力信号也可以从一个未画出的载荷传感器得到。电路526现在计算并存储由下式给出的静摩擦力F_S:

F_S-(P_M-P_R)A_E-F_D和阻碍阀杆运动的动摩擦力F_D:

F_{D} = (P_{D} - P_{U}) \frac{A_{E}}{2}

用先有技术定位器时，实验设定操作的最费时间且重复的部分是设定弹簧预载力，它是通过操作者对阀杆上的一个可改变弹簧506上的力的螺母544进行手动调整来设定的。然而，当连接于致动器和阀时，可以针对定位器推导出一个力平衡方程式并针对所需的位置求解。在电路526中计算的该方程式为：

y_{S} = \frac{F_{f} + F_{i} + P_{L} A_{V} - A_{A} (P_{0} - P_{100})}{K_{S}} + y_{0} - y_{100}

式中除A_A(致动器隔膜的有效面积)外前面均已定义。量Y_S是所需的阀杆位置，螺母544必须定位于此，以便在规定的控制压力和相应的阀杆位置时实现必要的预载力。在手动调整螺母544期间，所检测的位置信号经发送电路528向通信器508发送，显示成所需阀杆位移调整量的百分数。

虽然对照最佳实施例描述了本发明，本专业领域技术人员将会理解，可在形式和细节上做出改动而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1．一种用于过程控制系统的阀定位器，用以向一个机械上连结于一个阀的阀致动器提供一个控制压力，该定位器包括：

连接于通信环路并用来接收一个代表所需阀位置的输入的接收装置；

用来提供代表过程的状态变量的检测装置，一个状态变量代表阀的位置而另一个代表控制压力；

接收一个压缩空气源和一个指令输出并用来作为该指令输出的函数来提供控制压力的变换装置；以及

连接于该检测装置和该接收装置的控制装置，用来作为所需的阀位置、所检测的位置以及所检测的压力的时间导致的函数来提供该指令输出；

其中检测压力的时间导数提供了降低的阀位置超调。

2．权利要求1的阀定位器，其中该变换装置包括带有一个共线性磁性致动器和一个偏移射流先导级的变换器气动装置。

3．权利要求1的阀定位器，其中该控制装置采用一种至少有一个PID常数的自适应控制算法，该PID常数作为所检测的状态变量的函数而改变。

4．权利要求1的阀定位器，其中对代表阀位置的该状态变量进行温度补偿。

5．权利要求4的阀定位器，其中该检测装置还包括一个用来检测力的传感器。

6．权利要求1的阀定位器，该定位器还包括连接于该检测装置的诊断装置，用以存储该阀的一个特性并作为所存储的阀特性和至少一个状态变量的函数提供一个诊断输出。

7．一种用于过程控制系统的阀定位器，用以向一个机械上连结于一个阀的阀致动器提供一个控制压力，该定位器包括：

连接于通信环路的并用来接收一个代表所需阀位置的输入的接收装置；

用来提供代表过程的状态变量的检测装置，一个状态变量代表阀的位置而另一个代表使阀运动所需要的力；

连接于该检测装置和该接收装置的控制装置，用来作为所需的阀位置、所检测的力的时间导数及所检测的位置的函数来提供该指令输出；

其中检测压力的时间导数提供了降低的阀位置超调。

8．一种用于过程控制系统的阀定位器，用以向一个机械上连结于一个阀的阀致动器提供一个控制压力，该定位器在一个通信环路上与一个主控制器通信，该定位器包括：

连接于该通信环路并用来接收一个代表所需阀位置的输入的接收装置；

用来检测影响该阀的一组物理参数的检测装置，这组所检测的物理参数包括该阀的位置；

连接于该检测装置和该接收装置的控制装置，用来作为所需的阀位置和所检测的阀位置的函数提供一个指令输出；

接收一个压缩空气源和该指令输出并用来作为该指令输出的函数提供控制压力的变换装置；以及

用来存储一个受诸物理参数之一影响的阀特性并用来接收该组所检测的物理参数中所选定的一个参数的校正装置，该校正装置作为该所检测的物理参数和该所存储的阀特性的函数来补偿该指令输出；

其中命令输出补偿考虑了阀的特定的非线性特性。

9．权利要求8的阀定位器，其中该接收装置适合于在环路上接收一个阀特性，而该所存储的阀特性是作为阀位置的函数穿过该阈的流量，而且其中该校正装置作为该所检测的流量和该所存储流量特性的函数来补偿该指令输出。

10．权利要求8的阀定位器，其中该检测装置包括一个用来检测使阀运动所需力的传感器，而该所存储的特性是作为位置函数的该阀的力特性，而且其中该校正装置作为该所检测的力和该所存储的力特性的函数来补偿该指令输出。

11．权利要求8的阀定位器，其中该所检测的位置值针对温度效应而进行补偿。

12．权利要求8的阀定位器，其中该组所检测的物理参数之一是该控制压力，而且其中此控制压力针对空气弹簧效应而进行补偿。

13．一种用于过程控制系统的阀定位器，用以向一个机械上连接于一个阀弹簧的致动器隔膜提供一个控制压力，该阀弹簧需要一个预载力以便该定位器在一个第一控制压力和一个第一对应阀杆位置，以及一个第二控制压力和一个第二对应阀杆位置之间驱动该阀杆，该定位器包括：

用来接收代表该第一和第二控制压力及其对应阀杆位置的通信的装置；

用来检测该阀位置和该控制压力的装置；

接收一个气源并用来作为一个指令输出的函数提供该控制压力的变换装置；

接收该所检测的位置和控制压力的实验设定装置，该实验设定装置提供一个与该第一和第二控制压力相对应的指令输出并在其间做斜坡变化，该装置存储在预定的阀杆位置时所检测的控制压力，该装置用来作为该所存储的控制压力、该第一和第二控制压力及其对应位置的函数来提供该预载力；以及

用来向一个主控制器发送该预载力的装置。

14．权利要求13的阀定位器，其中该实验设定装置根据下式计算一个弹簧常数：

K_{S} = \frac{(P_{S} - P_{R}) A_{E} - F_{S} - F_{D}}{Y_{S} - Y_{O}}

式中Y_S是在100％行程时的阀位置，Y₀是在0％行程时的阀位置，A_E是隔膜的有效面积，P_S是在100％行程时的控制压力而P_R是在0％行程时的控制压力，F_S是静摩擦力而F_d是动摩擦力。

15．权利要求14的阀定位器，其中该弹簧常数针对该致动器中的空气弹簧效应而进行补偿。