CN1192813A

CN1192813A - 具有自动调节的现场基地过程控制系统

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Publication number: CN1192813A
Application number: CN96196254.2A
Authority: CN
Inventors: 邹何洪; 克尔·P·赫斯特朗; 介·奥里尔; 科·L·海斯
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1995-08-15
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1998-09-09
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: US5691896A; CN1173240C; EP1122625B1; EP0845118B1; JPH11510932A; EP0845118A2; WO1997007444A3; DE69634311D1; JP3756521B2; CA2227545A1; BR9610301A; DE69617022T2; EP1122625A1; DE69617022D1; WO1997007444A2; DE69634311T2

Abstract

一个过程控制系统(100)基于一个设置值(Y_EST)和一个测量过程变量(y(t))通过一个控制输出信号(u(t))控制一过程(110)。该过程控制系统(100)包括一个具有一设置值输入、一过程变量输入和一控制输出的控制电路。该控制电路在控制输出端产生控制输出信号(u(t))作为在设置值输入端接收的设置值(Y_SET)和在过程变量输入端接收的测量过程变量(y(t))的函数。一个自调节电路(106)激励这个过程(110),基于在测量过程变量(y(t))中的上升截止时间,上升变化率,下降截止时间和下降变化率估算一个过程模型并且基于该控制模型对该过程(110)调节控制函数。自调节电路(106)获得坚韧的结果,但是计算简单以致该电路可以用硬件或软件以低功率和低存储器应用方式实现现场安装控制单元。

Description

具有自动调节的现场基地过程控制系统

发明技术领域

本发明涉及到一种低复杂性和能用于低功率低存储应用的坚韧自调节的工业过程控制器，如一现场安装控制单元。

现场安装控制单元包括各种各样器件，如变送器，执行装置，转变器，开关和独立控制器。现场安装控制单元用在过程控制系统中去控制过程、测量过程变量和产生表示例如过程变量的输出用于与过程控制环路中央控制器或现场控制部件(例如阀门)通信。环路包括双线，三线和四线过程控制环。其它环路也可使用，例如光和无线电频率控制环。

现场安装控制单元是安装在电流和电压被特别限制以提供内部安全的场所。该单元经常沿环路被供电。一个分开的转换器检测每个控制过程变量并提供该检测变量给变送器用于传送到中央控制器。控制器可以安装在中央控制室或在现场与转换器输出结合产生合适的输出信号。控制输出信号典型地沿一分开的控制环传送到远程执行装置，如阀门，这些执行装置根据控制输出信号控制该过程。在某些应用中，控制器为过程控制设备选择最恰当的指令集。

在一种应用中，变送器本身包括一种将控制输出信号直接提供给远程器件的控制功能，从而旁路中央控制器。控制功能还可以设置在其他现场控制部件中，例如阀门。这类控制单元被称为“灵敏”现场安装控制单元并且在公开的瓦里沃(Warrior)等的专利号为5333114的美国专利中较详细地描述，可以作为参考。

由在变送器中或中央控制室中由控制器执行的控制算法和方程是特别适应用于其中使用控制器的过程。有几个基本的算法，包括比例(P)，比例积分(PI)比例-微分(PD)和比例-积分-微分(PID)控制算法对于理想型的PID控制算法，控制算法的性能取决于控制参数，如分别对应为比例增益、积分时间和微分时间的K_P，T_I和T_D。在一些应用中，K_P是用比例带宽参数PB替换，它是K_P的函数。其它的PID算法也存在，如并联和串联方程。这些算法有类似于理想型参数的响应参数。这些控制参数基于基础的过程摸型被调节去优化地操作该过程。

在调节控制参数中最重要的任务之一是确定初始过程模型和估算相应模型参数。一个自调节过程的摸型，如温度，流量或压力控制过程，能经常由一个一阶脉冲截止时间方程确定。一个非自调节过程的模型，如液面控制过程，能由一个积分方程确定。相应的模型参数是由分配这过程和观测过程变量中的响应来估算的。

一旦过程摸型参数被确定有几种调节方法适合于调节控制参数。在“齐格勒一尼科尔斯”(Ziegler-Nichols)开环调节方法中，控制变量y(+)是手动地或自动地控制到一稳定状态Yss且一阶跃函数被应用到控制信号u(+)。然后由观测过程变量中的响应估算出过程模型参数。过程模型参数估算通常对稳定状态值Yss是灵敏的。如果在启动阶跃函数前没有理想的建立稳态Yss，那么要获得期望的环路响应是很难的。

在修改的Ziegler-Nichols的频域(闭环)方法中，一个中继反馈信号被加到稳定状态控制信号u(t)＝Us并且在两个值之间反复以限制在估算的频域参数(最终周期T_U和增益K_U)过程变量中周期振荡。然后根据基于经验数学公式生成控制参数，频率参数T_U和K_U的估算也是对Yss敏感的。此外，负载和阀门摩擦都使调节困难并可能导致少于优化调节环路。为了坚韧和重复调节的目的，在施加扰动到过程之前经常需要有予调节阶段以具有一稳态Yss。该预调节的需要增加了算法的复杂性和调节时间。如果不是不可能的话，这附加的复杂性使调节难以在具有限制功率、存储器和计算能力的应用中执行一种调节算法，例如在现场安装的控制变送器中。这些方法和其他调节方法都已在由Addison-Wesley(1989)出版的K.Astron和B.wittenmark的自适应控制中第8章中描述。

发明内容

本发明的过程控制系统包括一个具有过程变量输入端和控制输出端的控制器。控制器在控制输出端产生一个控制输出信号作为在过程变量输入端接收的测量的过程变量的函数。一个自调器连接到控制器。该自动调节器激励这过程，基于在测量过程变量中的上升截止时间、上升变化率、下降截止时间和下降变化率估算一个过程模型并且随后基于该过程模型调节对于该过程的控制器函数，自动调节器获得坚韧结果，而且计算简单以致这个电路能在低功率和低存储应用中实现，例如在变送器或现场安装的控制单元的阀门中。

自动调节器能构造成为自调节过程和非自调节过程调节控制函数。在一实施例中，自动调节器包括一个用于接收用户定义性能系数的性能输入。自动调节器基于过程模型和性能系数调节控制函数。该性能系数能够被选择以提主动的、恒定的和临界阻尼的性能。这自动调节器能用于为如P，PI，PD，PI D控制函数和各种其它类型的控制函数调节参数。

该过程控制系统还能包括一个触发器电路，该触发器电路随着一个接收的触发命令、实时时钟输出、或该过程的观测的函数触发自动调节器。

附图简介：

图1是根据本发明的一实施例的液面控制图。

图2是图1中所示一变送器的方框图，其中包括一个控制单元。

图3是本发明的一个过程控制系统图。

图4示出了本发明非自调节过程的自动调节阶段和闭环控制阶段的波形图。

图5示出了自调节过程中的自调节阶段的波形图。

图6是根据本发明的一个具有一控制单元的阀门的方框图。

实施例的详细描述

本发明是一个具有坚韧的自动调节特性的过程控制系统，其操作运算简单以致于该系统能够在一个过程控制系统中的一个低功率的现场安装的控制单元内实现。

图1是一个使用本发明的一过程控制系统的一实施例图。该过程控制系统包括主控制器10，变送器12，水箱14，输入阀门16和输出阀门18。主控制器10通过双线控制环20接到变送器12和输入阀门16。环路20可以包括一个4-20mA或者10-50mA的电流环，例如，环路允许主控制器10，变送器12和阀门16通过变化环路里的电流大小互相通信。在替代的其它实施例中，主控制器10，变送器12和阀门16中用变化的电压大小在环路上相互通信。同样地，主控制器10和变送器12以载波调制方式沿环路进行数字通信，如哈特(HART)协议。

也能采用其它的数字通信，包括一个由帧总线协会现在正采用的帧总线标准。换句话说，环路20传送如ED协议的基带调制数字信号。此外，主控制器10和变送器12可以通过单的或双光纤光学地或用无线电频率相互通信。光纤控制电路的实例如在美国的专利号是No.5258868的专利中所公开的，这里被作为参考。

主控制器10包括一个控制器22和一个给环路提供电源和控制的电源23。主控制器10可以安装在中央控制室或与变送器12一起安装在位于远距离的地方。主控制器10，变送器12和阀门16能以如在瓦里沃(Warrior)等的美国专利No.5,333,114中较详细地讨论的可变结构方式相互连接。

图1所示的实施例中，流过环路12的电流的大小表示一个控制输出u(t)，该输出是通过控制阀门16的位置控制水箱14的流入流量。变送器12最好包括能从主控器10接替环路20的操作和提取电流量的自控制功能去调节控制输出量u(t)。阀门18的位置控制水箱14的流出量。阀门18是由变送器26经双线过程控制环路28提供的阀门控制信号o(t)来调节的，其环路28是与环路20以级联的方式并联接到环路20(如图虚线所示)。这种并接的结构被称为多站结构。阀门的控制信号o(t)还可以由一分开的连接到变送器12或主控制器10的环路提供。

连接到水箱14的传感器24用作水箱液面的测量，液面高度的变化率dy(t)/dt是阀门16和阀门18的位置函数。控制输出量u(t)“直接作用”于过程变量y(t)，因为u(t)的一个增加引出y(t)的一个增加。信号o(t)对于过程变量y(t)有“反向作用”，因为o(t)的增加导致y(t)减少。传送器24可为任意适用的传感器，如象绝对或差分压力传感器，超声波或微波传送的。其它能够产生表示水箱液面高度的的传送器均可采用。图1表示的液面控制系统是一个非自调节过程的实例。本发明也能够用于自调节过程和其他非自调节过程。

图2是本发明的第一实施例的变送器12的方框图。变送器12是一个“灵敏”变送器，它具有计算能力，例如象微处理器所执行的。变送器12包括一个坚固的防爆的外壳34用于现场安装，输入端子36，输出端子38，输入-输出电路40，解调器42，数/模(D/A)转换器44，调制器46，微处理器48，模/数(A/D)转换器50，过程变量传感器52，时钟电路54和存贮器56。时钟电路54联接到微处理器48使微处理器按顺序操作。

输入端子36与主控制器10(如图1所示出)相接，而输出端38与阀门16(也在图1中示出)相接。输入-输出电路40接于输入端36和输出端38之间。电路40包括输入滤波电路70，电压调节器72，以串联方式相互在环路20中相连接的电流变换器74和电流变换器76。输入-输出电路40在输入端36从环路20接收过程信号并且在输出端38提供控制输出信号u(t)作为过程信号的函数。输入-输出电路40中的电压调节器72从环路20接入电源并且为变送器12的所有各种元件提供一个稳定的电压。

用于产生控制输出u(t)的过程信号包括所期望的过程状态设定值表示、由过程产生的过程变量、用于运行微处理器48的命令和全部或部分指令集、用于控制微处理器48的相关术语和主控制器10所要求的各种状态。输入滤波电路70接收过程信号并将该信号传至解调器42。解调器42解调来自电流环路的调制的过程信号并且给微处理器48提供相应的数字信息。如果需要，该信息可以存贮在存贮器56中。

微处理器还接收来自过程变量传感器52的过程信号。传感器52测得过程变量y(t)，如图1所示的液面高度，并将该变量提供给为微处理器48数字化该测量的A/D变换器50。然后测量过程变量可以存入存储器56用作分析或者沿环路20传送回主控器10。微处理器48通过调制这个信息到环路20上的调制器46和电流变换器76传送数字信息给主控制器10。在替代的一实施例中，传感器52和A/D变换器50是处于变送器12的外面。在这个实施例中，由传感器52测得的过程变量与来自不同传感器的其它过程变量一起沿着环路20与微处理器48联通。

电流变换器74通过调节流过环路20的电流的大小来调节控制输出u(t)。微处理器48基于控制算法或存储在存储器56中的软件程序经过D/A变换器44控制电流变换器74而作为所测过程变量y(t)，存储的控制参量和自主控制器10接收的指令的一个函数。例如，主控制10可以提供一个设定值Y_SET或其它的命令给微处理器48，这将指示该微处理器去调节控制输出u(t)以使控制变量y(t)接近设置值Y_SET。

根据本发明，存储器56还包括一种自动调节算法或软件程序，该软件调节由控制算法所有的控制参数与控制过程相匹配。自动调节算法使微处理器48在整个时间内调节控制输出u(t)并且观测过程变量y(t)的响应。从这个响应中，微处理器48可为过程估算模型参数并且用这模型参数去计算期望的控制参数。

这种通信方法以及参看图2讨论的变送器的连接仅仅是做为例子提供的。其它的结构也能够采用，例如在美国专利No.5333114中所描述的那些。

自动调节

图3是本发明的一实施例中自动调节和由微处理器48执行的控制功能的图解，控制系统100包括一个求和节点102，PID控制器104，调节电路106，开关节点108和过程模块110。对于一个“直接作用”控制输出，一个过程变量设置值Y_SET提供给求和节点102的一个正的输入而测量的过程变量y(t)是提供给求和节点102的一个负的输入。对于一个“反相作用”的控制输出(图中没有显示出)Y_SET给求和节点102提供一个负的输入而y(t)给求和节点102提供一个正的输入。求和节点102的输出形成一个表示设置值Y_SET和测得过程变量y(t)之间差值的误差信号e(t)。误差信号e(t)输入到PID控制器104。PID控制器104包括一个比例增益模块112，一个积分模块114和一个微分模块116。在替代的实施例中(未示出)，被测过程变量y(t)直接提供给微分模块116，与经过求和节点102提供的正相反。模块112，114和116的输出提供给求和节点118正的输入。在闭环控制中，求和节点118的输出提供输出u(t)到控制过程110。PID控制器104的基本功能由方程式1定义

式中K_p，T_I和T_d是决定PID控制器104特性的可调节控制参数。这些个控制参数是可以根据本发明调节或者修改使之在过程控制中的予处理阶段或者任意点上与过程处理模块110的特性相匹配。

调节电路106包括调节控制电路122，激励电路124，过程模型估算电路126和控制参数规则电路128。调节控制电路122连接激励电路124，过程模型估算电路126和控制参数规则电路128去控制调节电路106的整体功能。激励电路124提供一个随时间变化的开环激励信号经由开关节点108到过程模块110。该激励信号在开环自动调节阶段用作控制输出信号。开关节点108可以是一个实际的开关，或者也可以是来自一个算法或软件程序到下一级的变换控制。然后模型估算电路126观察在测量的过程变量y(t)中的响应并产生过程模块110的控制模型，下面将会给出更详细的描述。这个模型提供给控制参数规则电路128用于以选定的一组调节规则为基准为PID控制器104调节控制参数。然后该过程模型和调节控制参数被存入储器56中(图2)并且通过过程控制环路36提供给主控制器10去优化该过程控制的监控或级联控制。本过程模型可提供给其他的级联器件用于附加的调节过程。

调节电路106还包括一个触发电路134，一个调节报警电路136和一个实时时钟138，它们可以分别或给合一体地联接到调整控制电路122。触发电路134触发调节控制电路122用以基于由触发器输入140报警电路136或实时时钟电路138提供的触发信号执行本发明自动调节功能。触发器输入140是由微处理器48响应由主控制器10通过过程控制环路36所提供的命令所提供的。这些命令可依据用户需要或者主控制器10的要求而启动。换句话说，实时时钟138可以根据所选定的时间周期触发自动调整功能，例如每半小时一个周期。在替代的实施例中，实时时钟138可与主控制器10结为一体，并沿过程控制环路36提供触发信号到触发输入140。

调节警报电路136经由触发输出142触发自动调整功能。在闭环控制阶段，调节控制电路122观察e(t)，u(t)和Y(t)并且被动地经由电路126和128计算新的控制参数。调节报警电路136将该新计算量与原先存贮的过程控制参数相比较。如果二个计算量之间的差大于一特定的范围，调节报警电路136经由触发电路134触发自动调整功能，或者经由报警输出144通知用户或主控制器10。调节报警电路136还用过程模块通过适合模型方程(如下讨论)的y(t)和u(t)的电流值来被动较准过程模型估值以看模型是否正确。假如该模型不正确，电路136触发自动调节功能或者在输出144上发出报警。电路136还可在过程模块里设置值变化或一主要干扰之后监视e(t)和y(t)，而且假设没给出所要求的性能(例如临界阻尼)发出一个报警。例如，误差信号e(t)的平方的积分或者误差的绝对值积分可以与存贮器56中贮存的门限值相比较。假如该误差积分超过这门限值，电路136发出报警。此外电路136在调节阶段监视y(t)。假如y(t)不响应或不正确响应，电路136在输出144产生一调节失败报警。用户便可采取行动来纠正自动调节功能，如改变U_MIN，U_MAX设定数值或改变下面所述的一性能系数α。

图4是控制输出u(t)和过程变量y(t)的波形图解。自动调整阶段一旦启动，调节控制电路122就对e(t)信号进行监视以判断Y(t)究竟是高于还是低于Y_SET。假如e(t)是负的，y(t)就是高于Y_SET，控制环路被开关节点108打开而激励电路124迫使u(t)在时间t0点输出一个用户设定的最小控制输出值U_MIN以使y(t)趋向Y_EST。而后调节控制电路122监视e(t)，一旦e(t)低于所设定的误差电平的门限，激励电路124就在时间t_R点给过程模块110施加一个用户设定的最大控制输出值U_max以致y(t)开始增加。在时间t_MAX，y(t)增加最大。在时间t_F，最小控制输出值U_MIN再次加到过程处理器110使得y(t)开始减小。在时间t_MAX，y(t)最大减小。在时间t_A，自动调节阶段结束而过程控制系统100成为一闭合PID控制环，该环调节u(t)使得过程变量达到设置值y(+)＝Y_SET.

假如e(t)信号的符号在时间t₀为正，那么激励波形u(t)(如图4所示)将被简单倒置。激励电路124将输出u(t)＝U_MAX使得y(t)上升趋向Y_SET，那么u(t)＝U_MIN致使y(t)下降然后u(t)＝Umax致使y(t)再次上升。

在自动调节阶段，由于控制输出u(t)随时间的变化，故调节电路106具有用重复的和坚韧结果准确地估计全部系统参数的能力以使PID控制器104提供所期望的性能。根据本发明调节电路106可以设置成用于为非自调节和自调节过程中估算过程模型参数。

非自调节过程

图1所示的液面过程控制器是非自调节过程控制的一个例子。非自调节过程控制是只要控制信号u(t)不等于一个稳定状态值Uss，在该过程控制中所测得的过程变量y(t)将持续增加或减小的一个过程(即，在液面过程控制中输入和输出流量是不等的)。图1所示的液面过程控制器的液面平衡方程如下所示：

方程2假设阀门16和阀门18是线性的并且忽略排出压力对阀门的作用。L是本系统的截止时间，而m₁和m₂是相对于流入和流出水箱14的水流量除以水箱14的面积而得的常数。

当控制输出u(t)处于稳定状态Uss，则截止时间作用消失，

当y(t)处于最大增长时(参看图4)，u(t)=U_MAX，则

类似地，当y(t)处于最大递减时(参看图4)，u(t)=U_MIN，则

方程4除以方程5，可得如下数学关系：

过程变量y(t)的上升截止时间L_R和下降截止时间L_F(参看图4)表示如下：

L_{R} = t_{MAX} - t_{R} - \frac{y (t_{MAX}) - y_{MIN}}{R_{R}}

式中，y(t_MAX)是在当Y(t)的时间导数达到正向最大时的时间t_MAX时的过程变量相关似地y(t__MAX)是在y(t)的时间导致达到负向最大时的时间t-_MAx。Y_MIN项是在时间T_R和t_F之间y(t)的最小值，而Y_MAX项是在t_F至t_A时间段之间y(t)的最大值。通过方程4-5和7-8，过程模型估计电路126计算L_R、L_F，R_R和R_F。

从方程4-5和6-8，可以估算过程模型参数U_EST(稳定状态估值Uss)，m₁和L如下：

U_{EST} = \frac{R_{R} U_{MIN} + R_{F} U_{MAX}}{R_{R} + R_{F}}

L＝max(L_R，L_F)

为允许结果PID功能对最坏的情况补偿，整个系统截止时间L由方程11估算作为LR和LF的最大值。按照方程9-11，过程控制模型估算电路126估算过程模型参数U_EST，m₁和L。方程式9-11能容易地通过交换U_MAX和U_MIN修改去估算系统是反相作用的一过程。这些过程模型参数按照选定的规则提供给调节控制参量Kp、T_I和T_D的控制参量规则电路128，下面会更详细讨论。

未滤波的过程变量y(t)可能是噪声太大而不能产生重复调节参数。尽管有几种适宜的方法处理一个噪声过程变量，本发明最好采用一个低通滤波器130(还可以称为动态滤波器或用户衰减滤波器)接到过程控制110的输出。用低通滤波器130，过程模型估算电路126通过运用方程9-11提供坚韧的模型估算参数U_EST，m₁和L。

在替代的实施例中，方程组4-5和7-8用如下方程组置换以便改进降低噪音并得到更可靠的结果，在整个采样周期T内，过程变量中的变化R_R的上升率可定义为：

R_{R 1} = ml (U_{MAX} - U_{SS}), where R_{R 1} = \frac{dy (t)}{dt} att = t_{MAX}

R_{RN} = ml (U_{MAX} - U_{SS}), where R_{RN} = \frac{dy (t)}{dt} att = t_{MAX} + (N - 1) T

因为方程12中所有的R_R′对应于同样的控制信号U_MAX，所以这些R_R′可以根据如下数学描述求平均为更好的R_R近似值，以使在估算常数ml中最小均方误差减到最小：

相类似地，下列方程用于下降方向：

这上升和下降截止时间L_R和L_F由方程组7-8估算。

控制参数规则电路128根据选定的一组规则为PID控制器104调节控制参数。虽然根据本发明可采用任意合适的规则组，但电路128最好包含有内部的基本模型控制(IMC)调节规则。用方程组9-11，用很低复杂性计算就能估算出过程模型参数。用IMC调节规则可推出与PID控制器相符的控制参数：T_T＝2τ+L

T_{D} = \frac{τL + L^{2} / 4}{2 τ + L}

式中K_P，T_I和T_D分别是PID控制器104的比例增益，积分时间和微分时间，而τ是一个期望的闭合环路响应时间常数。对于P，P_I和P_D控制器的控制参数与在方程15和16中参数有细微的差别，这差别可以在积分模型控制，PLD控制器设计中找到，25，ind.Eng.chem.Process Des.Dev.252-65(1986)。根据本发明，时间常数τ定义为性能参数α的函数，这里

τ＝αL 方程18

性能系数α最好设置在1/2和3之间以复盖期望的性能等级。例如：α＝1产生临界阻尼闭环响应。一个较小的α产生活跃的较快的响应，而较大的α产生稳定的较慢的响应。将方程21代入方程18-20，相应的PID调节控制系数变成：

K_{P} = \frac{4}{m_{l} T_{I}}

T_T＝(2α+1)L

因此PID调节控制参数K_p，T_I和T_D能由控制参数规则电路128用低运算复性方法来计算。性能系数α经由输入132和控制电路122提供给电路128。在图2所示的实施例中，性能系数α由主控制器10作为一个调制到环路20上的数字值提供给微处理器48。

在替代的实施例中，过程模型估算电路126与控制参数规则电路128结合在一起而控制参数作为L_R、L_F、R_R和R_F的函数直接计算。过程模型参数方程并入控制参数方程致使过程模型参数不需分开计算。

在上述讨论中，过程控制假设是线性的。对于非线性的过程控制，如一个具有非线性阀门特性和阀门上水头压力影响的过程，在正常闭合环路控制中在时序t_A的结合点，实际稳定状态的阀门位置能够用方程式10和15中的估算值U_EST来代替而获得一个更可靠的性能。

自调节过程

过程模型估算电路126(如图3中所示)还能设计构成用于估算一个如热交换器温度，流量和压力控制过程这样的自调节过程的过程模型参数。大多数自调节过程能够由下面一阶脉冲截止时间方程来建立数学模型：

式中过程模型参数L，TC和Ks分别地表示过程的截止时间，时间常数和过程静态增益。

过程模型参数通过应用图5所示的开环控制图形u(t)来估算。如在非自调节过程中那样，本发明的自动调节电路将过程模型参数分别以上升方向和下降方向来建立最坏使用性能模型。

当u(t)＝U_MAX，且y(t)为增长(dy(t)/dt＞0)并假设截止时间L已经过去时，认为上升方向，从时间t_MAX到时间t_F，可得如下方程：T_RR_R1+y₁＝K_RU_MAXT_RR_R2+y₂＝K_RU_MAX 方程23…T_RR_RN+y_B＝K_RU_MAX

式中T_R和K_R是在上升方向时间常数和稳定过程增益而N是y(t)在上升方向的抽样数目。R_RN是在t_MAX后在第n个抽样处的y(t)的变化率，可定义为：

式中T的抽样周期，上面方程的矩阵形式如下：这个方程能够在用方程式25左手边的矩阵的伪转置矩阵最小化最小均方误差的同时解出以估算T_R和K_P。这能够用方程26修改上面的方程做到：

其结果为：

从方程27可导出如下估算：同样的方法可以推导出如用在非自调节过程中的上升系统截止时间LR：

式中R_R1是y(t)在采样数目n＝1时的上升变化率。

在下降方向，u(t)＝U_MIN而y(t)在减少(dy(t)＜0)。用类似的方程来估算下降方向的时间常数T_F，静态增益K_F和截止时间L_F，如下所示：

L_{F} = t_{- MAX} - t_{F} - \frac{y (t_{- MAX}) - y_{MAX}}{R_{F 1}}

式中RF1是y(t)在采样n＝1时的下降变化率。

在操作中，从时间tR至tF，过程模型估算电路126(图3)根据方程32估算LR，并统计方程28中的变量∑R_Rn，∑R_Rn ²，∑y_n和∑y_nR_Rn。从时间t_F到t_A，电路126根据方程34估算L_F并统计方程33中的变量∑R_Fn，∑R² _Fn、∑y_n和∑y_nR_Fn。

典型的过程在上升方向和下降方向行为不同。例如，在温度控制应用中，因为过程中吸热和放热反应而过程会显示这种行为。不论上升方向或下降方向情形中任意选择过程模型参数有时会导致非期望的闭环控制执行。本发明的过程模型估算电路获得得更坚韧的PID控制执行。首先，采用强的低通滤波器防止噪声以免破坏微分信号dy(t)/dt。其次，过程模型参数通过电路126按下列方程估算：K_S＝max(K_R，K_F)T_C＝min(T_R，T_F) 方程32-34L＝max(L_R，L_F)

一旦用于一阶脉冲截止时间过程方程的过程模型参数被估算得出，P，I和D控制参数可作为n个存在的调节规则的函数来调节。例如，已找出下列的内部模型控制(IMC)调节规则，用于给出较好的PID控制性能：

K_{P} = \frac{{2 T}_{C} + L}{K_{S} (2 τ + L)}

T_{D} = \frac{T_{C} L}{{2 T}_{C} + L}

式中KP，TI和TD分别为比例增益，积分时间和求导时间。正如非自调节过程一样，闭环时间常数λ定义为性能系数α的函数，即

τ＝αL 方程38如上讨论，性能系数α最好是分布在1/2和3之间。方程34保证最大闭环时间常数τ。对于给定性能系数α方程32和33保证最小可能比例增益Kp。

本发明的自动调节电路还可在一个阀门控制单元中执行。图6类似于图2是一个阀门控制单元160的方框图，设单元包括输入滤波电路162，电压稳压器164，可调电流变换器166，电流转换器168，解调器170，A/D变换器172，调制器174，微处理器176，存贮器178，时钟电路180，D/A变换器182和执行装置184。电路162，稳压器164和电流转换器168以串联的方式与过程控制环路186相接用于接收来自环路所测的过程变量y(t)和调制的数字数据，如设置值Y_SET。

解调器170解调数据并提供该数据给微处理器176进行分析。稳压器164从环路上接收电力并提供一稳定电压给阀门控制单元160的部件供电。电流转换器168测量环路186上的模拟电流值y(t)，由A/D变换器172变换这模拟值y(t)到数字数据给微处理器176。微处理器176采用经过变换器166由调制器174调制的电流沿环路186传送该数据，比如按HART协议。存储在存储器178中的自调节算法，控制算法，过程模型和调节参数用于设定微处理器176经过D/A变换器182做为测量过程变量y(t)和设置Y_SET的函数去控制执行装置184。

本发明的自调节电路具有若干已有调节技术不具备的优点。该自调节电路仅仅用简单的计算就产生精确的模型参数。这种简单计算得自调节电路以低功率和低存贮应用方式实现，例如在现场安装的控制单元中。一个4-20mA的电流环(在信号范围减少后)提供功率给单元中全部电子元器件仅仅几个毫安。这限制了器件的复杂性和存贮空间。例如：一个典型的变送器中存贮器会受限于8-64K字节。

本发明的自调节电路不需要多的用户交互。不象齐格勒-尼科尔斯(Zie91er-Nichols′)开环测试，本发明的自调节电路不需要用户在开环测试运行前建立一个稳定状态而还有能力去确定该稳定条件。用户通过提供初始变量(如所期望U_MAX和U_min电平)建立调节过程。选择期望的性能参数α然后初始化自调节过程。

本发明的自调节电路可以用手动操作或自动操作实现，还可以在系统初始化时刻或任何其他用户想要调节环路的时候工作在测试阶段。对于自动操作，自调节电路能够引导过程变量接近设置值并且不用人为的干涉自动地开启调节运行。对于手动操作，用户引导过程变量接近设置值然后通过主控制器10初始化调节。

本发明的自调节电路产生过程的引导干扰。不象基于调节的闭环中继控制或其他频率域技术，本发明可以限制在一个指定范围内操作。例如，有些用户可能建议u(t)干扰只能是满刻度的10％和75％。自自调节电路是简单的，用户界面友好的，可重复的和坚韧的。它可以用来调节控制参数为P，PI，PD，PID和其他类型的控制器如象模糊逻辑控制器。合适的模糊逻辑控制器由J.Quin在“自调节模糊逻辑控制”一文中描述，发表在马里兰巴尔的摩(Baltmore Maryland)，1994年ACC年会文集中，在此被作为参考。

尽管本发明参照提出较佳的实施例已经描述，在技术上熟练的人们将认识到在形式和细节上可做的变化是没有脱离本发明的精神与范围的。调节电路可以通过编程计算机计算存在存贮器里的算法和软件程序实现，例如用微处理器。在替代的实施例中，电路通过数字或模拟硬件实现。调节电路可以安装于变送器中，阀门中或主控制器10中。主控制器10可以安装于中央控制室内，远距离安装在靠近变送器或阀门在委托域内用于联接变送器的手持配置器内。调节电路可以在不同的计算阶段估算模型参数和调节控制参数或者将过程模型参数方程合并到控制参数方程内以致于只有一个计算步骤。根据本发明还可以采用其他的配置。

Claims

1、一个过程控制装置用于通过作为所测过程变量的函数的控制输出信号去控制一个过程，其特征在于它包括：

具有控制变量输入和输出的控制装置，其中该控制装置对应于从过程变量输入端接收的测量过程变量和基于控制功能参数，在控制输出产生控制输出端信号；和

调节装置，它包括：

用于产生一个在整个时间上有上升和下降的激励信号的具有一个激励输出耦合到控制输出的激励装置；

估算装置，其对应激励信号计算被测过程变量中一个上升截止时间L_R，一个下降截止时间L_F，一个上升变化率R_R和一个下降变化率R_F以及用于估算一个以L_R，L_F，R_R和R_F为基础的过程模型；和

连到估算装置用于以过程模型为基础计算控制功能参数的参数计算装置。

2、根据权利要求1所述的过程控制装置，其特征在于估算装置包括用于根据以下数学表达式：

R_{R} = \frac{Σ_{n = 1}^{N} R_{Rn}}{N}

R_{F} = \frac{Σ_{n = 1}^{N} R_{Fn}}{N}

计算R_R和R_F的装置，式中N是在上升和下降方向上被测过程变量的采样的所选编号而R_Rn和R_Fn是在第n次采样时所测过程变量的上升和下降变化率。

3、根据权利要求1所述的过程控制装置，其特征在于估算装置包括：

用于从一选定的最小值U_MIN到一选定的最大值U_MAX增大激励输出信号和用于减少激励信号从U_MAX到U_MIN的装置；以及

用于根据数学表达式：

L_{R} = t_{MAX} - t_{R} - \frac{y (t_{MAX}) - y_{MIN}}{R_{R}}

L_{f} = t_{- MAX} - t_{F} - \frac{y (t_{- \max}) - y_{MAX}}{{- R}_{F}}

式中t_MAX和t__MAX分别是所测过程变量最大地增加和减小的时间。t_R和t_F分别是U_MAX和U_MIN中到激励输出的时间，y(t_MAX)和y(t__MAX)分别是测量过程变量在时间t_MAX和t__MAX时的值，y_NIN是在t_R和t_F之间最小的被测过程变量，而y_MAX是在t_F和t_A之间的最大被测过程变量，这里t_A是脱离U_MIN的时间。

4、根据权利要求1所述的过程控制装置，其特征在于该过程模型包括一个过程截止时间值L和该估算装置估算作为L_R和L_K的最大值的L。

5、根据权利要求1所述的过程控制装置，其特征在于激励装置包括：

用于从一选定的最小值U_MIN到一选定的最大值U_MAX增大激励信号和用于减少激励信号从U_MAX至U_MIN的装置。

6、根据权利要求5所述过程控制装置，其特征在于该装置被构成为控制一个非自调节过程，其中过程模型参数包括一个常数m，且估算装置包含用于根据下面数学表达式估算m₁的装置，

m_{1} = \frac{R_{R} + R_{F}}{U_{MAX} - U_{MIN}}

7、根据权利要求5所述的过程控制装置，其特征在于该装置被构成是为控制一个非自调节过程，其中过程模型参数包括控制输出信号的一估算稳定状态值U_EST和估算装置包括根据下面数学表达式估算U_EST的装置，

U_{RST} = \frac{R_{R} U_{MIN} + R_{F} U_{MAX}}{R_{R} + R_{F}}

8、根据权利要求5所述的过程控制装置，其特征在于该装置被构成是为控制一个自调节过程，其中过程控制模型参数包括一个时间常数T_C，一个稳态过程增益K_S，和一个过程截止时间L且其中估算装置包括：

用于根据下面的数学表达式计算一个上升时间常数T_R，一个上升稳态过程增益K_R，一个下降时间常数T_F和一个下降稳态增益K_F的装置，

[\begin{matrix} T_{R} \\ K_{R} \end{matrix}] = \frac{1}{U_{MAX} (NΣ R_{Rn}^{2} - {(Σ R_{Rn})}^{2})} [\begin{matrix} - {NU}_{MAX} Σ y_{n} R_{Rn} + U_{MAX} (Σ R_{Rn}) (Σ y_{n}) \\ (- Σ R_{Rn}) (Σ R_{Rn} y_{n}) + (Σ R_{Rn}^{2}) (Σ y_{n}) \end{matrix}]

[\begin{matrix} T_{F} \\ K_{F} \end{matrix}] = \frac{1}{U_{MIN} (NΣ R_{Fn}^{2} - {(Σ R_{Fn})}^{2})} [\begin{matrix} - {NU}_{MIN} Σ y_{n} R_{Fn} + U_{MIN} (Σ R_{Fn}) (Σ y_{n}) \\ (- Σ R_{Fn}) (Σ R_{Fn} y_{n}) + (Σ R_{Fn}^{2}) (Σ y_{n}) \end{matrix}]

式中N是在上升和下降方向上被测过程变量的一个采样编号，n的范围从1到N，R_Rn是在第n次采样时所测过程变量的上升变化率，y_n是第n次采样时所测过程变量而R_Fn是在第n次采样时所测过程变量的下降变化率；和

用于估算作为T_R和T_F的最小值的T_C以及估算作为K_R和K_S的最大值K_S的装置。

9、根据权利要求8所述的控制过程装置，其特征在于估算装置还包括：

用于计算一个上升过程截止时间L_R和一个下降过程截止时间L_K的装置，该计算是按照下面的数学表达式：

L_{R} = t_{MAX} - t_{R} - \frac{y (t_{MAX}) - y_{MIN}}{R_{R 1}}

L_{F} = t_{- MAX} - t_{F} - \frac{y (t_{- MAX}) - y_{MAX}}{R_{F 1}}

式中t_MAX和t__MAX分别是在所测过程变量最大地增加和减少时的时间，t_R和t_F分别是U_MAX和U_MIN加到激励输出的时间，y(t_MAX)和y(t-_MAX)分别是测量过程变量在时间t_MAX和t-_MAX时的值，y_MIN是在时间t_R和t_F之间最小被测过程变量，y_MAX是在t_F和t_A之间最大被测过程变量，在这儿t_A是U_MIN被除去的时间，而R_R1和R_F分别是采样n＝1时，被测过程变量的上升和下降变化率；和

用于估算作为一个L_R和L_F的最大值L的装置。

10、一个灵敏的给过程控制环供电并且用于基于测量的过程变量通过控制输出信号控制一个过程的现场安装控制单元，其特征在于它包括：

适合于连接到该过程控制环路并且用于从过程控制环上接收电能的输入-输出装置；

微处理器装置其连接到该输入-输出装置，并包括；

有一个过程变量输入和一个控制输出的控制装置，其中该控制装置对应于在过程变量输入所接收的被测过程变量和基于控制功能参数在控制输出端产生控制输出信号；和

基于所测过程变量用于对该过程调节控制功能参数的连接到控制装置的调节装置；和

用于存储控制功能参数连接到微处理器装置的一个存储器。

11、一种为过程控制系统确定调节参数的方法，该过程控制系统通过以作为所测过程变量函数的一控制输出信号和一设置值去控制一个过程，其特征在于该方法包括：在整个时间内改变控制信号，以使被测过程变量上升和下降；

在所测过程变量中确定一个上升截止时间L_R；在所测过程变量中确定一个上升变化率R_R；在所测过程变量中确定一个下降截止时间L_F；在所测过程变量中确定一个下降变化率R_F；和基于L_R，L_F，R_R和R_F，调节该过程控制系统的功能。