JP7517774B2 - Velocity-based control in aperiodically updated controller, method for controlling a process, process controller - Google Patents
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Description
本特許は、非周期的制御または低速のフィードバックプロセス変数通信を使用する、プロセス制御システムにおける速度に基づく制御を提供するための方法及びシステムの補償に関し、より具体的には、プロセス動力学と比較して低速なレートでプロセス変数フィードバックを受信するときに、制御を実施するときのプロセスをロバストに制御するように構成されるデバイス及び方法に関する。 This patent relates to methods and system compensation for providing rate-based control in process control systems using non-periodic control or slow feedback process variable communication, and more specifically to devices and methods configured to robustly control a process when implementing control when receiving process variable feedback at a slow rate compared to the process dynamics.
化学、石油、または他のプロセスで使用されるような分散型または拡張可能なプロセス制御システムなどのプロセス制御システムは、典型的に、アナログバス、デジタルバス、またはアナログ及びデジタルを組み合わせたバスを介して、相互に、少なくとも1つのホストまたはオペレータワークステーションに、及び1つ以上のフィールドデバイスに通信可能に連結される、1つ以上のプロセスコントローラを含む。例えば、弁、弁ポジショナ、スイッチ、及び送信機(例えば、温度、圧力、及び流量センサ)であり得るフィールドデバイスは、弁を開くまたは閉じること、及びプロセスパラメータを測定することなどのプロセス内の機能を行う。プロセスコントローラは、フィールドデバイスによって作成されるプロセス測定値及び/またはフィールドデバイスに関する他の情報を示す信号を受信し、この情報を使用して、制御ルーチンを実施して制御信号を発生させ、該制御信号は、プロセスの動作を制御するために、バスを通じてフィールドデバイスに送信される。フィールドデバイス及びコントローラからの情報は、典型的に、オペレータワークステーションによって実行される1つ以上のアプリケーションが利用することができる。オペレータが、プロセスの現在の状態を確認すること、プロセスの動作を修正することなどの、プロセスに関する任意の所望の機能を行うことを可能にする。 A process control system, such as a distributed or scalable process control system such as those used in chemical, petroleum, or other processes, typically includes one or more process controllers communicatively coupled to each other, to at least one host or operator workstation, and to one or more field devices via an analog bus, a digital bus, or a combined analog and digital bus. The field devices, which may be, for example, valves, valve positioners, switches, and transmitters (e.g., temperature, pressure, and flow sensors), perform functions within the process, such as opening or closing valves and measuring process parameters. The process controller receives signals indicative of process measurements and/or other information made by the field devices and uses this information to implement control routines to generate control signals that are sent over the bus to the field devices to control the operation of the process. Information from the field devices and controllers can typically be utilized by one or more applications executed by the operator workstation, allowing an operator to perform any desired function with respect to the process, such as ascertaining the current state of the process, modifying the operation of the process, etc.
Emerson Process Managementによって販売されるDeltaV(登録商標)システムなどの、いくつかのプロセス制御システムは、コントローラまたは異なるフィールドデバイスに位置する、モジュールと称される機能ブロックまたは一群の機能ブロックを使用して、制御動作及び/または監視動作を行う。これらの事例において、コントローラまたは他のデバイスは、1つ以上の機能ブロックまたはモジュールを含み、かつ実行することができ、そのそれぞれが、他の機能ブロック(同じデバイス内または異なるデバイス内のいずれか)からの入力を受信し、及び/または他の機能ブロックに出力を提供し、プロセスパラメータの測定若しくは検出、デバイスの監視、デバイスの制御、または比例-積分-微分(PID)制御ルーチンの実施などの制御動作の実行などの、何らかのプロセス動作を行う。プロセス制御システム内の異なる機能ブロック及びモジュールは、全般的に、(例えば、バスを通じて)互いに通信して、1つ以上のプロセス制御ループを形成するように構成される。 Some process control systems, such as the DeltaV® system sold by Emerson Process Management, use function blocks or groups of function blocks, referred to as modules, located in a controller or in different field devices to perform control and/or monitoring operations. In these cases, the controller or other device may include and execute one or more function blocks or modules, each of which receives inputs from and/or provides outputs to other function blocks (either in the same device or in different devices) to perform some process operation, such as measuring or sensing a process parameter, monitoring a device, controlling a device, or performing a control operation, such as implementing a proportional-integral-derivative (PID) control routine. The different function blocks and modules in a process control system are generally configured to communicate with each other (e.g., over a bus) to form one or more process control loops.
プロセスコントローラは、典型的に、プロセスに関して定義されるか、または、フロー制御ループ、温度制御ループ、圧力制御ループなどのプロセス内に含まれる、多数の異なるループの各々に対して、異なるアルゴリズム、サブルーチン、または制御ループ(これらは全て制御ルーチンである)を実行するようにプログラムされる。全般的に言えば、そのような各制御ループは、アナログ入力(AI)機能ブロックなどの1つ以上の入力ブロック、比例-積分-微分(PID)またはファジー論理制御ブロックなどの単一出力の制御ブロック、及びアナログ出力(AO)機能ブロックなどの出力ブロックを含む。制御ルーチン、及びそのようなルーチンを実施する機能ブロックは、PID制御、ファジー論理制御、及びスミス予測器またはモデル予測制御(MPC)などのモデルベースの技法を含む多数の制御技法、に従って構成されている。 A process controller is typically programmed to execute a different algorithm, subroutine, or control loop (all of which are control routines) for each of a number of different loops defined for or contained within a process, such as flow control loops, temperature control loops, pressure control loops, etc. Generally speaking, each such control loop includes one or more input blocks, such as an analog input (AI) function block, a single-output control block, such as a proportional-integral-derivative (PID) or fuzzy logic control block, and an output block, such as an analog output (AO) function block. The control routines, and the function blocks that implement such routines, are configured according to a number of control techniques, including PID control, fuzzy logic control, and model-based techniques such as Smith Predictor or Model Predictive Control (MPC).
ルーチンの実行をサポートするために、典型的な工業プラントまたはプロセスプラントは、1つ以上のプロセスコントローラ及びプロセスI/Oサブシステムと通信可能に接続される集中制御室を有し、プロセスコントローラ及びプロセスI/Oサブシステムは、1つ以上のフィールドデバイスに接続される。伝統的に、アナログフィールドデバイスは、信号伝送及び電力供給の双方のための二線式または四線式の電流ループによってコントローラに接続されている。制御室に信号を伝送するアナログフィールドデバイス(例えば、センサまたは電送機)は、電流が検知プロセス変数に比例するように、電流ループを流れる電流を変調する。一方で、制御室の制御下でアクションを行うアナログフィールドデバイスは、ループを通る電流の大きさによって制御される。 To support the execution of routines, a typical industrial or process plant has a centralized control room communicatively connected to one or more process controllers and process I/O subsystems, which are in turn connected to one or more field devices. Traditionally, analog field devices are connected to the controller by a two-wire or four-wire current loop for both signal transmission and power delivery. Analog field devices (e.g., sensors or transmitters) that transmit signals to the control room modulate the current through the current loop so that the current is proportional to the sensed process variable. Meanwhile, analog field devices that perform actions under the control of the control room are controlled by the magnitude of the current through the loop.
データ転送量の増加に伴って、プロセス制御システム設計の1つの特に重要な態様は、フィールドデバイスが、プロセス制御システムまたはプロセスプラント内のコントローラに、及び他のシステムまたはデバイスに互いに通信可能に連結される様式を含む。全般に、フィールドデバイスがプロセス制御システム内で機能することを可能にする様々な通信チャネル、リンク、及び経路は、一般的に、集合的に入力/出力(I/O)通信ネットワークと称される。 With the increasing volume of data transfer, one particularly important aspect of process control system design involves the manner in which field devices are communicatively coupled to each other, to controllers within the process control system or process plant, and to other systems or devices. In general, the various communication channels, links, and pathways that enable the field devices to function within the process control system are commonly collectively referred to as an input/output (I/O) communication network.
I/O通信ネットワークを実施するために使用される通信ネットワークトポロジー及び物理的な接続または経路は、特にネットワークが有害な環境要因または厳しい条件を受けるときに、フィールドデバイス通信のロバスト性または健全性にかなりの影響を及ぼすことがあり得る。これらの要因及び条件は、1つ以上のフィールドデバイス、コントローラなどの間の通信の健全性を損ない得る。コントローラとフィールドデバイスとの間の通信は、監視アプリケーションまたは制御ルーチンが、典型的に、ルーチンの各繰り返しに対するプロセス変数の周期的な更新を必要とするので、任意のそのような途絶に特に敏感である。したがって、損なわれた制御通信は、プロセス制御システムの効率性及び/または利益性の低下、及び過剰な摩耗または装置に対する損傷、並びに任意の数の潜在的に有害な故障をもたらし得る。 The communication network topology and physical connections or paths used to implement an I/O communication network can significantly affect the robustness or health of field device communications, especially when the network is subject to adverse environmental factors or harsh conditions. These factors and conditions can impair the health of communications between one or more field devices, controllers, and the like. Communications between controllers and field devices are particularly sensitive to any such disruptions, since monitoring applications or control routines typically require periodic updates of process variables for each iteration of the routine. Thus, impaired control communications can result in reduced efficiency and/or profitability of the process control system, and excessive wear or damage to equipment, as well as any number of potentially harmful failures.
ロバストな通信を保証するために、プロセス制御システムで使用するI/O通信ネットワークは、歴史的にハードワイヤードである。残念なことに、ハードワイヤードネットワークは、数多くの複雑性、課題、及び制限を導入する。例えば、ハードワイヤードネットワークの品質は、時間とともに劣化し得る。更に、特に、I/O通信ネットワークが、例えば数エーカーの土地を費やす精油所または化学プラントといった広い面積にわたって分散される大規模な工業プラントまたは施設と関連付けられる場合に、ハードワイヤードI/O通信ネットワークは、典型的に、設置に費用がかかる。必要な長い配線取り付けは、典型的に、かなりの労働力、材料、及び費用を伴い、また、配線インピーダンス及び電磁妨害から生じる信号劣化を導入する場合がある。これらの及び他の理由により、ハードワイヤードI/O通信ネットワークは、全般的に、再構成、修正、または更新することが困難である。 To ensure robust communication, I/O communication networks used in process control systems have historically been hardwired. Unfortunately, hardwired networks introduce numerous complexities, challenges, and limitations. For example, the quality of hardwired networks can deteriorate over time. Furthermore, hardwired I/O communication networks are typically expensive to install, especially when the I/O communication networks are associated with large industrial plants or facilities that are distributed over a large area, such as refineries or chemical plants that consume many acres of land. The required long wiring installations typically involve significant labor, materials, and costs, and may introduce signal degradation resulting from wiring impedance and electromagnetic interference. For these and other reasons, hardwired I/O communication networks are generally difficult to reconfigure, modify, or update.
無線I/O通信ネットワークを使用して、ハードワイヤードI/O通信ネットワークと関連付けられる問題点のいくつかを軽減することが提案されてきた。例えば、その開示全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる、米国特許出願公開第2003/0043052号、名称「Apparatus for Providing Redundant Wireless Access to Field Devices in a
Distributed Control System」は、ハードワイヤード通信の使用を増やす、または補うために無線通信を利用するシステムを開示している。
The use of wireless I/O communication networks has been proposed to alleviate some of the problems associated with hardwired I/O communication networks. See, for example, U.S. Patent Application Publication No. 2003/0043052, entitled "Apparatus for Providing Redundant Wireless Access to Field Devices in a Field Communication System," the entire disclosure of which is expressly incorporated herein by reference.
"Distributed Control System" discloses a system that utilizes wireless communications to augment or supplement the use of hardwired communications.
制御関連の伝送のための無線通信に対する依存は、数ある中でも信頼性が懸念されるため、伝統的に制限される。上で説明されるように、最新の監視アプリケーション及びプロセス制御は、最適な制御レベルを達成するために、コントローラとフィールドデバイスとの間の信頼性のあるデータ通信に依存する。更に、典型的なコントローラは、そのプロセスにおいて望ましくない偏差を迅速に修正するために、高速で制御アルゴリズムを実行する。望ましくない環境要因または他の悪条件は、監視及び制御アルゴリズムのそのような実行をサポートするために必要な高速通信を妨害または阻止する間欠的干渉を生じさせる場合がある。幸運にも、無線ネットワークは、過去20年にわたってはるかにロバストになり、いくつかのタイプのプロセス制御システムにおいて無線通信の信頼性のある使用を可能にしてきた。 Reliance on wireless communications for control-related transmissions has traditionally been limited due to reliability concerns, among other things. As explained above, modern monitoring applications and process control rely on reliable data communication between controllers and field devices to achieve optimal levels of control. Furthermore, typical controllers execute control algorithms at high speeds to quickly correct undesirable deviations in the process. Undesirable environmental factors or other adverse conditions may create intermittent interference that disrupts or prevents the high speed communications necessary to support such execution of monitoring and control algorithms. Fortunately, wireless networks have become much more robust over the past two decades, enabling the reliable use of wireless communications in some types of process control systems.
しかし、電力消費は、依然として、プロセス制御アプリケーションで無線通信を使用するときの、複雑化要因である。無線フィールドデバイスがI/Oネットワークから物理的に分離されるので、フィールドデバイスは、典型的に、それ自体の電力源を提供する必要がある。故に、フィールドデバイスは、バッテリ式とするか、太陽エネルギーを引き出すか、または振動、熱、圧力などの環境エネルギーを取り出すことができる。これらのデバイスにとって、データ伝送のために消費されるエネルギーは、総エネルギー消費のかなりの部分を占める場合がある。実際に、測定されているプロセス変数を検知または検出するためになされるステップなどのフィールドデバイスによって行われる他の重要な動作中よりも、無線通信接続を確立し、維持するプロセス中のほうが、より多くの電力を消費する場合がある。無線プロセス制御システムの電力消費を低減させ、したがって、バッテリ寿命を延ばすために、センサなどのフィールドデバイスが非周期的な、低速の、または間欠的な様式でコントローラと通信する無線プロセス制御システムを実施することが提案されてきた。1つの事例において、フィールドデバイスは、プロセス変数のかなりの変化が検出され、コントローラと非周期的通信につながるときにだけ、コントローラと通信、またはコントローラに対してプロセス変数の測定値を送信することができる。 However, power consumption remains a complicating factor when using wireless communication in process control applications. Because wireless field devices are physically separated from the I/O network, the field devices typically need to provide their own power source. Thus, field devices can be battery powered, draw solar energy, or harvest environmental energy such as vibration, heat, pressure, etc. For these devices, the energy consumed for data transmission can be a significant portion of the total energy consumption. In fact, more power may be consumed during the process of establishing and maintaining a wireless communication connection than during other critical operations performed by the field device, such as steps taken to sense or detect the process variable being measured. To reduce the power consumption of wireless process control systems and thus extend battery life, it has been proposed to implement wireless process control systems in which field devices, such as sensors, communicate with a controller in a non-periodic, slow, or intermittent manner. In one instance, the field device may communicate with or transmit measurements of a process variable to a controller only when a significant change in the process variable is detected, leading to a non-periodic communication with the controller.
非周期的プロセス変数測定値更新を取り扱うために開発された1つの制御技法は、低頻度なまたは非周期的な測定値更新の間にコントローラによって生成される制御信号に対して予想されるプロセス応答の指示を提供し、維持する制御システムを使用する。予想されるプロセス応答は、所与の測定値更新のための制御信号に対して予想されるプロセス応答を算出する数学的モデルによって開発することができる。この技法の一例は、その開示全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる、米国特許第7,587,252号、名称「Non-Periodic Control Communications in
Wireless and Other Process Control Systems」で説明されている。具体的には、この特許は、非周期的プロセス変数測定値更新を受信すると、制御信号に対して予想されるプロセス応答の指示を生成し、次の非周期的プロセス変数測定値更新の到着まで、予想されるプロセス応答の生成された指示を維持するフィルタを有する、制御システムを開示している。別の例として、その開示全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる、米国特許第7,620,460号、名称「Process Control With Unreliable Communications」は、制御信号に対して予想される応答の指示を提供するが、最後の非周期的測定値更新以来経過した時間の測定値を組み込んで、予想されるプロセス応答のより正確な指示を生成するために、フィルタを更に修正するフィルタを含む、システムを開示する。
One control technique developed to handle non-periodic process variable measurement updates uses a control system that provides and maintains an indication of the expected process response to control signals generated by the controller during infrequent or non-periodic measurement updates. The expected process response can be developed by a mathematical model that calculates the expected process response to the control signal for a given measurement update. An example of this technique is described in U.S. Pat. No. 7,587,252, entitled "Non-Periodic Control Communications in Control Systems," the entire disclosure of which is expressly incorporated herein by reference.
A control system that generates an indication of an expected process response to a control signal upon receiving a non-periodic process variable measurement update and has a filter that maintains the generated indication of the expected process response until the arrival of the next non-periodic process variable measurement update. As another example, U.S. Pat. No. 7,620,460, entitled "Process Control With Unreliable Communications," the disclosure of which is expressly incorporated herein by reference in its entirety, discloses a system that provides an indication of an expected response to a control signal but includes a filter that further modifies the filter to incorporate a measurement of the time that has elapsed since the last non-periodic measurement update to generate a more accurate indication of the expected process response.
しかしながら、多くの制御アプリケーションにおいて、プロセス制御システムは、プロセス動作中に、設定点変化を受信する場合がある。全般的に、周期的に更新される制御システム(例えば、ハードワイヤード制御通信システム)の実行中に、設定点が変化したときに、設定点と測定されたプロセス変数との間のエラーに対する比例アクションを行うように設計されるコントローラは、新しい定常状態値に向かってプロセス変数を駆動するために、コントローラ出力を直ちに変化させる。しかしながら、上述の双方の例において説明されるように動作する、低頻度で非周期的な測定値更新を受信する無線制御システムにおいて、各新しい測定値更新によって反映される、測定されたプロセス応答は、最後の測定値更新を受信した後しばらくして行われる設定点変化によって生じる出力の変化に加えて、最後の測定値更新のために取り込まれるコントローラ出力において行われる変化を反映する。この事例において、(米国特許第7,620,460号で説明されるように)コントローラ出力、及び最後の測定値更新以来の時間に基づいてコントローラのリセット成分を算出することは、最後の測定値更新の後に行われる変化を過剰に補償する場合がある。したがって、設定点変化に対するプロセス応答は、最後の測定値更新の後に設定点変化がいつ行われたかに基づいて、異なる場合がある。結果として、このシステムは、コントローラが設定点の変化後に制御信号を発生させるときに、以前に発生させた(及び現在古くなった)予想される応答の指示に依存し続けるので、設定点変化に対して迅速に、またはロバストに応答しない。この問題を解決するために、その開示全体が参照により明示的に組み込まれる、米国特許出願公開第2013/0184837号、名称「Compensating for Setpoint Changes in a Non-Periodically Updated Controller」は、いかなる新しいプロセス変数測定値も受信しない時間中に、制御された変数の動作を追跡するために、コントローラ内のフィードバックループにおいて連続的に更新されるフィルタを使用し、また、コントローラで新しいプロセス変数測定値を受信したときに、このコントローラの出力を使用するが、別様には、プロセス変数の測定値を受信して制御信号を発生させた最も近時からのフィルタの出力を使用する、システムを開示している。このシステムにおいて、発生させた制御信号は、プロセス変数の測定値を受信する時間の間にプロセス変数の設定点が変化したときに、より良好に応答し、より良好に動作する。 However, in many control applications, the process control system may receive set point changes during process operation. Generally, during the execution of a periodically updated control system (e.g., a hardwired control communication system), when the set point changes, a controller designed to take proportional action to the error between the set point and the measured process variable will immediately change the controller output to drive the process variable towards a new steady state value. However, in a wireless control system receiving infrequent, non-periodic measurement updates operating as described in both examples above, the measured process response reflected by each new measurement update will reflect the change made in the controller output captured for the last measurement update in addition to the change in the output caused by a set point change made some time after the last measurement update was received. In this case, calculating the reset component of the controller based on the controller output and the time since the last measurement update (as described in U.S. Pat. No. 7,620,460) may overcompensate for the changes made since the last measurement update. Thus, the process response to a set point change may differ based on when the set point change was made after the last measurement update. As a result, this system does not respond quickly or robustly to setpoint changes because when the controller generates a control signal after a setpoint change, it continues to rely on a previously generated (and now outdated) indication of the expected response. To solve this problem, U.S. Patent Application Publication No. 2013/0184837, entitled "Compensating for Setpoint Changes in a Non-Periodically Updated Controller," the entire disclosure of which is expressly incorporated by reference, discloses a system that uses a continuously updated filter in a feedback loop within a controller to track the behavior of a controlled variable during times when no new process variable measurements are received, and uses the output of the controller when a new process variable measurement is received at the controller, but otherwise uses the output of the filter from the most recent time that a process variable measurement was received to generate a control signal. In this system, the generated control signal responds better and performs better when the set point of the process variable changes between the times that the process variable measurements are received.
更に、バッテリ駆動の送信機を無線制御システムにおいて使用するときには、長時間のバッテリ寿命を維持するようにシステムをセットアップすることが望ましい。例えば、現在の送信機及びバッテリ技術を使用して3~5年のバッテリ寿命を得るためには、全般的に、8秒以上の通信更新レートを使用することが必要である。しかしながら、プロセスの制御を維持するために、プロセスの応答時間と関連付けられるレートの少なくとも4倍の時間(すなわち、プロセス応答時間の逆数)であるレートで受信するプロセスフィードバック測定値をそれでも有することが重要であるので、そのような低速の更新レートを使用することは、30秒以上のプロセス応答時間を有するプロセスに対するPID(比例-積分-微分)に基づく無線制御の使用を制限する。 Furthermore, when using battery-powered transmitters in a wireless control system, it is desirable to set up the system to maintain long battery life. For example, to obtain a 3-5 year battery life using current transmitter and battery technology, it is generally necessary to use a communication update rate of 8 seconds or faster. However, using such slow update rates limits the use of PID (Proportional-Integral-Derivative) based wireless control for processes with process response times of 30 seconds or longer, since in order to maintain control of the process, it is still important to have process feedback measurements received at a rate that is at least 4 times the rate associated with the process response time (i.e., the inverse of the process response time).
なお更に、移動するべき最終的な位置を示す、弁または他の被制御要素に提供される位置出力、例えば4~20maの信号またはデジタル信号を生成することを使用するものを含む、無線制御に対処するために使用することができる、様々なタイプのPIDアルゴリズムが存在する。しかしながら、例えばある特定の時間量にわたって移動可能な要素に通電することによって、弁または他の被制御要素をある特定の方向にある特定の量だけ移動させるように指示する、速度に基づく制御信号を提供する、他のPIDアルゴリズムも存在する。そのような速度に基づく制御信号は、一般に、電気モーターとともに使用され、また、(特定の期間にわたって移動させるために移動可能な要素に通電しなければならない、弁の時間量を示すように変調されるパルス幅を有する)パルス信号の形態で制御信号を提供する。速度に基づくコントローラは、移動可能な要素によって取得される実際の位置を示す信号ではなく、位置信号の変化を生成する傾向がある。したがって、速度に基づく制御アルゴリズムは、増分(増加/減少)出力をアクチュエータに提供するために使用される傾向があり、よって、位置フィードバックを提供することができないアクチュエータを制御する際に使用することができる。 Still further, there are various types of PID algorithms that can be used to address wireless control, including those that use to generate a position output, e.g., a 4-20 ma signal or a digital signal, that is provided to a valve or other controlled element that indicates the final position to which it should move. However, there are also other PID algorithms that provide a velocity-based control signal that instructs a valve or other controlled element to move a certain amount in a certain direction, e.g., by energizing a movable element for a certain amount of time. Such velocity-based control signals are commonly used with electric motors and provide the control signal in the form of a pulse signal (with the pulse width modulated to indicate the amount of time the valve must be energized to move the movable element for a certain period of time). Velocity-based controllers tend to generate a change in position signal rather than a signal that is indicative of the actual position attained by the movable element. Thus, velocity-based control algorithms tend to be used to provide incremental (increase/decrease) outputs to actuators, and thus can be used in controlling actuators that cannot provide position feedback.
制御技法は、制御されたプロセス変数の測定値がプロセスコントローラへのフィードバックとして提供されるレートに関して高速な動力学を有する、プロセスまたは制御ループのロバストな制御を可能にする。具体的には、本制御技法は、位置または速度の形態のPIDアルゴリズムを使用して、プロセスを制御することができ、プロセス変数の測定値またはフィードバック信号が、プロセス応答時間に等しいか、更にはそれよりも長い時間間隔でコントローラに提供される。具体的には、本制御技法は、フィードバック時間間隔よりも2~4倍短い応答時間を有するプロセスにおいて、ロバストな制御を提供するために使用することができる。そのような状況は、例えば、プロセス変数のフィードバック測定値が、無線で、間欠的に、またはプロセスの応答時間よりも短いか、応答時間に近いか、若しくは応答時間よりも長い時間間隔でコントローラに提供される無線制御を使用するときに起こり得る。 The control technique allows for robust control of a process or control loop that has fast dynamics with respect to the rate at which measurements of the controlled process variable are provided as feedback to a process controller. Specifically, the control technique can control a process using a PID algorithm in the form of a position or velocity, with measurements or feedback signals of the process variable provided to the controller at time intervals equal to or even longer than the process response time. Specifically, the control technique can be used to provide robust control in processes that have response times 2-4 times shorter than the feedback time interval. Such situations can arise, for example, when using wireless control where feedback measurements of the process variable are provided to the controller wirelessly, intermittently, or at time intervals shorter than, close to, or longer than the response time of the process.
開示される速度PID制御ルーチンは、アクチュエータが増分入力を必要とし、かついかなる位置フィードバックもコントローラに利用できないときに無線測定値を使用して制御を行うために、位置または増分入力を必要とするアクチュエータにインターフェースするときに有線測定値によって制御を行うために、及び従来の設置物並びに無線測定値が制御に使用される新しい設置物に対処するために、などの、数多くの異なる状況において使用することができる。更に、速度の形態のPIDアルゴリズムの調整は、プロセスゲイン及び動力学に基づいて行うことができ、また、無線通信レートから独立している。なお更に、速度の形態のPID制御ルーチンは、通信の喪失時に最後の出力位置を自動的に保持し、通信が再確立されたときにバンプレスな復旧を提供する。 The disclosed velocity PID control routine can be used in many different situations, such as for control using wireless measurements when an actuator requires incremental input and no position feedback is available to the controller, for control by wired measurements when interfacing to actuators that require position or incremental input, and for addressing legacy installations as well as new installations where wireless measurements are used for control. Furthermore, adjustments of the velocity form PID algorithm can be made based on process gains and dynamics and are independent of wireless communication rates. Still further, the velocity form PID control routine automatically retains the last output position upon loss of communication and provides a bumpless recovery when communication is re-established.
1つの事例において、新しい制御技法を実施するコントローラは、全般的に、異なる構造を含み該構造では、差分、比例、積分、及び微分制御信号成分を発生させ、それらを使用して、差分または移動に基づく制御信号を生成し、該信号は、次いで、被制御デバイス、例えば弁に送信されて、被制御デバイスの動作、したがってプロセスを制御する。この差分または速度に基づく制御形態は、低速なプロセス変数のフィードバック測定値の存在下で、標準的なPID制御よりも良好に動作する制御信号を発生させる。具体的には、この制御技法を使用するコントローラは、各コントローラの繰り返し中に、以前の比例制御信号成分と新しく算出された比例制御信号成分との間の差分を表す、差分の比例値を発生させ、この差分の比例値は、コントローラからの各新しい制御信号の基準として使用される。しかしながら、コントローラで新しいプロセス変数測定値信号が利用することができるときに、様々な他の制御信号成分、例えば微分制御信号成分及び/または積分制御信号成分を、差分の比例制御信号成分に加えること、または該成分と組み合わせることができる。これらの2つの制御信号成分はまた、新しく算出された値と以前に算出された値との間の差分に基づくこともできる。具体的には、新しい微分成分は、コントローラ繰り返し中に算出することができ、その時点で、プロセス変数測定値の新しく受信した値をコントローラで利用することができる。同様に、新しい積分成分は、連続的に更新されるフィルタを使用して発生させることができ、該フィルタは、コントローラの各制御ルーチンの繰り返しに対するプロセスの予想される応答の新しい指示を発生させる。しかしながら、連続的に更新されるフィルタの出力は、プロセス変数測定値の新しい値を受信したときにだけ、新しい積分要素を発生させるために使用される。それ以外のときには、積分制御信号成分は、ゼロに設定される。 In one case, a controller implementing the new control technique generally includes a different structure that generates differential, proportional, integral, and derivative control signal components and uses them to generate a differential or displacement-based control signal that is then sent to a controlled device, such as a valve, to control the operation of the controlled device and therefore the process. This differential or velocity-based form of control generates a control signal that performs better than standard PID control in the presence of feedback measurements of slow process variables. Specifically, a controller using this control technique generates a differential proportional value during each controller iteration that represents the difference between the previous proportional control signal component and the newly calculated proportional control signal component, and this differential proportional value is used as the basis for each new control signal from the controller. However, when new process variable measurement signals are available to the controller, various other control signal components, such as a differential control signal component and/or an integral control signal component, can be added to or combined with the differential proportional control signal component. These two control signal components can also be based on the difference between the newly calculated value and the previously calculated value. Specifically, a new differential component may be calculated during a controller iteration, at which point a newly received value of the process variable measurement is made available to the controller. Similarly, a new integral component may be generated using a continuously updated filter, which generates a new indication of the expected response of the process to each control routine iteration of the controller. However, the output of the continuously updated filter is used to generate a new integral element only when a new value of the process variable measurement is received. At all other times, the integral control signal component is set to zero.
本明細書で開示される速度に基づくPID制御技法は、差分の形態を使用して、(プロセス変数のフィードバック信号がコントローラの入力に存在する時間の間であっても)設定点変化に迅速に適合する制御信号を生成するが、それでも、制御されているプロセスの応答時間の逆数よりも遅い(例えば、それよりも2~4倍も遅い)、応答時間の逆数に近い、または応答時間の逆数よりも速いレートで受信されるフィードバック信号を含む、低速に受信される(例えば、間欠的な)フィードバック信号の存在下で、ロバストで安定した制御を提供する。 The rate-based PID control techniques disclosed herein use a differential form to generate a control signal that rapidly adapts to set point changes (even during the time that the process variable feedback signal is present at the controller input), yet still provide robust and stable control in the presence of slowly received (e.g., intermittent) feedback signals, including feedback signals received at a rate slower than (e.g., 2-4 times slower than), close to, or faster than the inverse of the response time of the process being controlled.
制御技法は、プロセス測定値フィードバック信号が低速または間欠的に受信されるプロセスループにおいて制御を行うために使用することができ、特に、プロセス測定値フィードバック信号を、プロセス応答時間の逆数などの、制御されているプロセス動力学と関連付けられるレートよりも遅い、レートと同程度の、レートよりも僅かに速いレートで受信するときに有用である。このコントローラは、例えば、低速な及び/または非周期的様式で、特に、制御されているプロセス動力学のプロセス応答レート(すなわち、制御されているプロセス変数に対するプロセス応答時間の逆数)未満である、プロセス応答レートと同程度である、または別様にはプロセス応答レートに類似するレートで、プロセス測定値信号をフィードバック信号として受信するコントローラにおいて使用することができる。1つの事例において、制御技法は、比例寄与信号を微分寄与信号及び積分寄与信号のうちの1つ以上と組み合わせることによって、弁などのプロセスデバイスを制御する際に使用するための制御信号を生成する。速度に基づくPIDアルゴリズムが使用される1つの事例において、コントローラは、設定点と、直前に受信したプロセス変数測定値のフィードバック信号との間の差分から、比例寄与値を生成する。この誤差信号は、次いで、ゲイン信号を乗じて、コントローラの最後の実行サイクル以来のこの信号の変化を決定する差分ユニットに提供される。更に、微分ユニットは、誤差信号を受信し、基本的にはコントローラで最後の測定信号を受信して以来の誤差信号を経時的に微分して、誤差信号に対する微分算出を行うことができる。微分モジュールまたは算出の出力はまた、変化検出ユニットまたは差分ユニットにも提供され、微分算出の現在の出力と、制御信号の算出に使用される以前の値との間の差分を決定する。同様に、積分算出ユニットが、制御信号の差分を比例ユニット及び微分ユニットによる生成物として受信し、積分する(例えば、合計する)。加算器の出力は、加算器の出力をフィルタ処理して積分寄与信号を生成するために、フィルタに提供される。しかしながら、この積分寄与は、加算器に提供され、新しいフィードバック値がコントローラに提供されたときにだけ、この寄与と制御信号の出力とを合計する。すなわち、積分寄与は、全てのコントローラ繰り返しに対してゼロに設定されるが、コントローラで新しいフィードバック信号を利用することができるものは除く。 The control technique can be used to provide control in process loops in which process measurement feedback signals are received slowly or intermittently, and is particularly useful when the process measurement feedback signals are received at a rate slower than, comparable to, or slightly faster than a rate associated with the process dynamics being controlled, such as the inverse of the process response time. The controller can be used, for example, in controllers that receive process measurement signals as feedback signals in a slow and/or non-periodic manner, particularly at a rate that is less than, comparable to, or otherwise similar to the process response rate of the process dynamics being controlled (i.e., the inverse of the process response time to the process variable being controlled). In one case, the control technique generates a control signal for use in controlling a process device, such as a valve, by combining a proportional contribution signal with one or more of a differential contribution signal and an integral contribution signal. In one case in which a speed-based PID algorithm is used, the controller generates a proportional contribution value from the difference between the set point and the most recently received feedback signal of the process variable measurement. This error signal is then provided to a differential unit which multiplies it by a gain signal to determine the change in this signal since the last execution cycle of the controller. Additionally, a differential unit may receive the error signal and essentially differentiate the error signal over time since the last measurement signal was received at the controller to perform a differential calculation on the error signal. The output of the differential module or calculation is also provided to a change detection unit or differential unit to determine the difference between the current output of the differential calculation and the previous value used to calculate the control signal. Similarly, an integral calculation unit receives and integrates (e.g., sums) the difference in the control signal as a product of the proportional and differential units. The output of the summer is provided to a filter to filter the output of the summer to generate an integral contribution signal. However, this integral contribution is provided to the summer which sums it with the output of the control signal only when a new feedback value is provided to the controller. That is, the integral contribution is set to zero for all controller iterations except those where a new feedback signal is available at the controller.
全般的に言えば、コントローラ内の積分寄与ユニットの連続的に更新されるフィルタは、フィールドデバイスからプロセス変数測定値更新を低速または非周期的に受信するにもかかわらず、コントローラの各制御ルーチン繰り返し中に、予想されるプロセス応答(フィードバック寄与とも呼ばれる)の指示を発生させる。連続的に更新されるフィルタは、部分的には、各制御ルーチン繰り返し中に、予想される応答の指示を発生させるために、最後の制御ルーチン繰り返し及び制御ルーチン実行期間からの以前に発生させた予想される応答の指示を使用する。加えて、コントローラ内の積分出力スイッチは、連続的に更新されるフィルタの出力を、最新の測定値の指示に基づく積分(リセットとしても知られる)寄与などのフィードバック寄与として、制御信号に提供する。全般的に言えば、積分出力スイッチは、新しい測定値信号を利用することができないコントローラの各繰り返し中の、制御信号に対する積分またはリセット寄与として、速度の形態のPIDコントローラにおいて、最後の測定値更新をコントローラによって受信した時間に連続的に更新されるフィルタによって発生させられるような予想されるプロセス応答、またはゼロ値を提供する。新しい測定値更新を利用することができるときに、積分出力スイッチは、(新しい測定値更新の指示に基づいて)連続的に更新されるフィルタによって発生させた、予想されるプロセス応答の新しい指示にクランプし、制御信号の積分寄与として、新しい予想されるプロセス応答を提供する。その結果、コントローラは、連続的に更新されるフィルタを使用して、各コントローラ繰り返し中に、プロセスの新しい予想される応答を決定し、各新しい予想されるプロセス応答は、コントローラで新しい測定値を利用することができるときにだけ制御信号の積分またはリセット成分が変化する場合であっても、測定値更新の間の時間に行われたものであり、また、制御信号の展開中にコントローラ出力に影響を及ぼす、設定点変化またはフィードフォワード変化の影響を反映する。 Generally speaking, the continuously updated filter of the integral contribution unit in the controller generates an indication of the expected process response (also called feedback contribution) during each control routine iteration of the controller, despite the slow or non-periodic receipt of process variable measurement updates from the field device. The continuously updated filter uses, in part, a previously generated indication of the expected response from the last control routine iteration and control routine execution period to generate an indication of the expected response during each control routine iteration. In addition, the integral output switch in the controller provides the output of the continuously updated filter as a feedback contribution, such as an integral (also known as reset) contribution based on the latest measurement indication, to the control signal. Generally speaking, the integral output switch provides the expected process response, as generated by the continuously updated filter at the time the last measurement update was received by the controller in the form of a speed PID controller, or a zero value, as an integral or reset contribution to the control signal during each iteration of the controller where no new measurement signal is available. When a new measurement update is available, the integral output switch clamps to the new indication of the expected process response generated by the continuously updated filter (based on the indication of the new measurement update) and provides the new expected process response as the integral contribution of the control signal. As a result, the controller uses the continuously updated filter to determine a new expected response of the process during each controller iteration, and each new expected process response reflects the effects of set point or feedforward changes that have been made in the time between measurement updates and that affect the controller output during the evolution of the control signal, even though the integral or reset component of the control signal changes only when a new measurement update is available to the controller.
図1には、説明される制御方法を実施するために使用することができる、プロセス制御システム10が例示される。プロセス制御システム10は、データヒストリアン12に、及び1つ以上のホストワークステーションまたはコンピュータ13(任意のタイプのパーソナルコンピュータ、ワークステーションなどとすることができる)に接続することができ、各々が、表示画面14を有する、プロセスコントローラ11を含む。コントローラ11はまた、入力/出力(I/O)カード26及び28を介して、フィールドデバイス15~22にも接続される。データヒストリアン12は、データを記憶するための任意の所望のタイプのメモリ、及び任意の所望のまたは既知のソフトウェア、ハードウェア、またはファームウェアを有する、任意の所望のタイプのデータ収集ユニットとすることができる。図1において、コントローラ11は、ハードワイヤード通信ネットワーク及び通信スキームを使用して、フィールドデバイス15~22に通信可能に接続される。 1 illustrates a process control system 10 that can be used to implement the described control method. The process control system 10 includes a process controller 11 that can be connected to a data historian 12 and to one or more host workstations or computers 13 (which can be any type of personal computer, workstation, etc.), each having a display screen 14. The controller 11 is also connected to field devices 15-22 via input/output (I/O) cards 26 and 28. The data historian 12 can be any desired type of data collection unit having any desired type of memory for storing data, and any desired or known software, hardware, or firmware. In FIG. 1, the controller 11 is communicatively connected to the field devices 15-22 using a hardwired communication network and communication scheme.
全般的に、フィールドデバイス15~22は、センサ、弁、送信機、位置決め器などの任意のタイプのデバイスとすることができ、一方で、I/Oカード26及び28は、任意の所望の通信またはコントローラプロトコルに準拠する任意のタイプのI/Oデバイスとすることができる。コントローラ11は、メモリ24に記憶される1つ以上のプロセス制御ルーチン(または任意のモジュール、ブロック、またはそのサブルーチン)を実施または監督する、プロセッサ23を含む。全般的に言えば、コントローラ11は、任意の所望の様式でプロセスを制御するために、デバイス15~22、ホストコンピュータ13、及びデータヒストリアン12と通信する。更に、コントローラ11は、一般に機能ブロックと称されるものを使用して、制御ストラテジまたはスキームを実施し、各機能ブロックは、プロセス制御システム10内でプロセス制御ループを実施するために、(リンクと呼ばれる通信を介して)他の機能ブロックとともに動作する、制御ルーチン全体のオブジェクトまたは他の部分(例えば、サブルーチン)である。機能ブロックは、典型的に、プロセス制御システム10内でいくつかの物理的機能を行うために、送信機、センサ、若しくは他のプロセスパラメータ測定デバイスと関連付けられるような入力機能、PID、ファジー論理制御などを行う制御ルーチンと関連付けられるような制御機能、または弁などのいくつかのデバイスの動作を制御する出力機能、のうちの1つを行う。当然、ハイブリッド及び他のタイプの機能ブロックが存在し、本明細書で利用することができる。機能ブロックは、下で説明されるように、コントローラ11または他のデバイスに記憶し、それによって実行することができる。 Generally, the field devices 15-22 can be any type of device, such as sensors, valves, transmitters, positioners, etc., while the I/O cards 26 and 28 can be any type of I/O device conforming to any desired communication or controller protocol. The controller 11 includes a processor 23 that implements or oversees one or more process control routines (or any modules, blocks, or subroutines thereof) stored in memory 24. Generally speaking, the controller 11 communicates with the devices 15-22, the host computer 13, and the data historian 12 to control the process in any desired manner. Furthermore, the controller 11 implements control strategies or schemes using what are generally referred to as function blocks, each of which is an object or other portion (e.g., a subroutine) of an overall control routine that operates with other function blocks (through communications called links) to implement a process control loop within the process control system 10. A function block typically performs one of the following functions to perform some physical function within the process control system 10: an input function, such as associated with a transmitter, sensor, or other process parameter measurement device, a control function, such as associated with a control routine performing PID, fuzzy logic control, etc., or an output function to control the operation of some device, such as a valve. Of course, hybrid and other types of function blocks exist and can be utilized herein. Function blocks can be stored in and executed by the controller 11 or other devices, as described below.
図1の分解ブロック30で例示されるように、コントローラ11は、制御ルーチン32及び34として例示される、いくつかの単一ループ制御ルーチンを含むことができ、また、所望であれば、制御ループ36として例示される、1つ以上のアドバンスト制御ループを実施することができる。各制御ループは、典型的に、制御モジュールと称される。単一ループ制御ルーチン32及び34は、弁などのプロセス制御デバイス、温度及び圧力送信機などの測定デバイス、またはプロセス制御システム10内の任意の他のデバイスと関連付けることができる、適切なアナログ入力(AI)及びアナログ出力(AO)機能ブロックにそれぞれ接続される単一入力/単一出力ファジー論理制御ブロック及び単一入力/単一出力PID制御ブロックを使用して、単一ループ制御を行うように例示される。アドバンスト制御ループ36は、1つ以上のAI機能ブロックに通信可能に接続される入力及び1つ以上のAO機能ブロックに通信可能に接続される出力を有する、アドバンスト制御ブロック38を含むように例示されるが、アドバンスト制御ブロック38の入力及び出力は、他のタイプの入力を受信し、他のタイプの制御出力を提供するために、任意の他の所望される機能ブロックまたは制御要素に接続することができる。アドバンスト制御ブロック38は、任意のタイプの多重入力、多重出力制御スキームを実施することができ、また、モデル予測制御(MPC)ブロック、ニューラルネットワークモデリングまたは制御ブロック、多変数ファジー論理制御ブロック、リアルタイムオプティマイザブロックなどを構成するか、または含むことができる。アドバンスト制御ブロック38を含む、図1に例示される機能ブロックは、スタンドアロンのコントローラ11によって実行することができ、または代替的に、ワークステーション13のうちの1つまたはフィールドデバイス19~22のうちの1つなどの、プロセス制御システムの任意の他の処理デバイスまたは制御要素の中に位置させて、実行することができることが理解されるであろう。一例として、フィールドデバイス21及び22は、それぞれ、送信機及び弁とすることができ、また、制御ルーチンを実施するための制御要素を実行することができ、よって、1つ以上の機能ブロックなどの、制御ルーチンの一部を実施するための処理構成要素及び他の構成要素を含むことができる。より具体的には、図1に例示されるように、フィールドデバイス21は、アナログ入力ブロックと関連付けられる論理及びデータを記憶するためのメモリ39Aを有することができ、一方で、フィールドデバイス22は、アナログ出力(AO)ブロックと通信しているPIDまたは他の制御ブロックと関連付けられる論理及びデータを記憶するためのメモリ39Bを有するアクチュエータを含むことができる。 As illustrated in decomposition block 30 of FIG. 1, controller 11 may include several single-loop control routines, illustrated as control routines 32 and 34, and may also implement one or more advanced control loops, illustrated as control loop 36, if desired. Each control loop is typically referred to as a control module. Single-loop control routines 32 and 34 are illustrated to provide single-loop control using single-input/single-output fuzzy logic control blocks and single-input/single-output PID control blocks, respectively, connected to appropriate analog input (AI) and analog output (AO) function blocks that may be associated with process control devices such as valves, measurement devices such as temperature and pressure transmitters, or any other devices within process control system 10. Although the advanced control loop 36 is illustrated as including an advanced control block 38 having inputs communicatively connected to one or more AI function blocks and outputs communicatively connected to one or more AO function blocks, the inputs and outputs of the advanced control block 38 may be connected to any other desired function blocks or control elements to receive other types of inputs and provide other types of control outputs. The advanced control block 38 may implement any type of multiple-input, multiple-output control scheme and may constitute or include a model predictive control (MPC) block, a neural network modeling or control block, a multivariable fuzzy logic control block, a real-time optimizer block, etc. It will be understood that the function blocks illustrated in FIG. 1, including the advanced control block 38, may be executed by a stand-alone controller 11 or, alternatively, may be located and executed within any other processing device or control element of a process control system, such as one of the workstations 13 or one of the field devices 19-22. As an example, field devices 21 and 22 may be a transmitter and a valve, respectively, and may execute control elements for implementing control routines, and thus may include processing components and other components for implementing portions of the control routines, such as one or more function blocks. More specifically, as illustrated in FIG. 1, field device 21 may have a memory 39A for storing logic and data associated with an analog input block, while field device 22 may include an actuator having a memory 39B for storing logic and data associated with a PID or other control block in communication with an analog output (AO) block.
図2のグラフは、全般的に、制御ループ32、34、及び36(並びに/またはフィールドデバイス21及び22若しくは他のデバイスの中に存在する機能ブロックを組み込んでいる任意の制御ループ)のうちの1つ以上の実施に基づいて、プロセス制御システムのプロセス入力に応答して展開される、プロセス出力を例示する。実施されている制御ルーチンは、全般的に、図2において太い矢印40による時間軸に沿って示されている制御ルーチンの実行回数によって、多数のコントローラ繰り返しを通じて、周期的様式で実行する。従来の事例において、各制御ルーチン繰り返し40は、例えば送信機または他のフィールドデバイスによって提供される、細い矢印42によって示される更新されたプロセス測定値によってサポートされる。図2に例示されるように、典型的には、周期的制御ルーチン実行時間40の各々の間に制御ルーチンによってなされ、受信される、複数の周期的プロセス測定値42が存在する。測定値と制御の実行との同期化と関連付けられる制限を回避するために、多くの既知のプロセス制御システム(または制御ループ)は、プロセス可変測定値を2~10倍の係数でオーバーサンプリングするように設計される。そのようなオーバーサンプリングは、各制御ルーチンの実行または繰り返しの間に制御スキームにおいて使用するためのプロセス変数測定値が最新であることを確実にすることを補助する。また、制御の変動を最小にするために、従来の設計では、フィードバックに基づく制御が、プロセス応答時間よりも4~10倍速く実行されるべきであること、及び新しいプロセス変数測定値を各コントローラ繰り返し時に利用することができることが定められている。プロセス応答時間は、プロセス時定数(τ)(例えば、プロセス変数の変化の63%)に、プロセス入力のステップ変化44の実施後のプロセス遅延またはむだ時間(TD)(図2の下側の線45で示される)を加えたものと関連付けられる時間であるように、図2のグラフのプロセス出力応答曲線43に表される。いずれにしても、これらの従来の設計要件を満たすために、プロセス測定値更新(図2の矢印42によって示される)は、制御ルーチン実行レート(図2の矢印40によって示される)よりもはるかに速い、よって、プロセス応答時間よりもはるかに速いか、または高いレートでサンプリングされ、コントローラに提供される。 The graph of Figure 2 generally illustrates process outputs that are developed in response to process inputs of a process control system based on the implementation of one or more of control loops 32, 34, and 36 (and/or any control loops incorporating function blocks present in field devices 21 and 22 or other devices). The implemented control routines generally execute in a periodic manner through a number of controller iterations with the number of control routine executions shown along the time axis by thick arrow 40 in Figure 2. In the conventional case, each control routine iteration 40 is supported by updated process measurements shown by thin arrow 42, for example provided by a transmitter or other field device. As illustrated in Figure 2, there are typically multiple periodic process measurements 42 made and received by the control routine during each periodic control routine execution time 40. To avoid limitations associated with synchronizing measurements and control execution, many known process control systems (or control loops) are designed to oversample process variable measurements by a factor of 2 to 10 times. Such oversampling helps ensure that process variable measurements for use in the control scheme are current during each control routine execution or iteration. Also, to minimize control drift, conventional designs dictate that feedback-based control should execute 4-10 times faster than the process response time, and that new process variable measurements are available at each controller iteration. The process response time is represented in the process output response curve 43 of the graph in FIG. 2 as being the time associated with the process time constant (τ) (e.g., 63% of the change in the process variable) plus the process delay or dead time (T D ) (shown by the lower line 45 in FIG. 2 ) following the implementation of a step change 44 in the process input. In any event, to meet these conventional design requirements, the process measurement updates (shown by arrow 42 in FIG. 2 ) are sampled and provided to the controller at a rate that is much faster than the control routine execution rate (shown by arrow 40 in FIG. 2 ), and thus much faster or higher than the process response time.
しかしながら、プロセスから高頻度で周期的な測定値のサンプルを取得することは、例えば、コントローラが1つ以上のフィールドデバイスから測定値を無線で受信するプロセス制御環境においてコントローラが動作しているときには、実用的でなく、または不可能な場合さえある。具体的には、これらの事例において、コントローラは、(無線センサ/送信機のバッテリ寿命を節約するために)低速なプロセス変数測定値または非周期的プロセス変数測定値を受信することだけしかできない場合がある。更に、これらの事例において、非周期的、更には周期的プロセス変数測定値の間の時間は、制御ルーチン実行レート(図2の矢印40によって示される)よりも長くなる場合がある。図3は、プロセス制御データの低速な及び/または非周期的無線通信、またはコントローラ11でのプロセス変数測定値の使用を実施することができる、例示的な無線プロセス制御システム10を描写する。 However, obtaining frequent periodic measurement samples from a process may not be practical or even possible, for example, when a controller is operating in a process control environment where the controller wirelessly receives measurements from one or more field devices. Specifically, in these cases, the controller may only be able to receive slow or non-periodic process variable measurements (to conserve battery life of the wireless sensor/transmitter). Furthermore, in these cases, the time between non-periodic or even periodic process variable measurements may be longer than the control routine execution rate (indicated by arrow 40 in FIG. 2). FIG. 3 depicts an exemplary wireless process control system 10 capable of implementing slow and/or non-periodic wireless communication of process control data or use of process variable measurements in the controller 11.
図3の制御システム10は、図1の制御システム10に本質的に類似し、同じ要素には同じ番号が付される。しかしながら、図3の制御システム10は、コントローラ11に、及び潜在的に互いに無線で通信可能に連結される、多数のフィールドデバイス60~64及び71を含む。図3に例示されるように、無線で接続されるフィールドデバイス60は、アンテナ65に接続され、アンテナ74と無線で通信するように協働し、次に該アンテナが無線I/Oデバイス68に連結される。更に、フィールドデバイス61~64は、有線-無線変換ユニット66に接続され、次に該ユニットがアンテナ67に次第に接続される。フィールドデバイス61~64は、アンテナ67を通して、更なる無線I/Oデバイス70に接続されるアンテナ73と無線で通信する。同じく図3に例示されるように、フィールドデバイス71は、アンテナ73及び74のうちの一方または双方と通信するアンテナ72を含み、それによって、I/Oデバイス68及び/または70と通信する。次にI/Oデバイス68及び70は、有線バックプレーン接続(図3に図示せず)を介して、コントローラ11に通信可能に接続される。この事例において、フィールドデバイス15~22は、I/Oデバイス26及び28を介して、コントローラ11にハードワイヤードされたままである。 3 is essentially similar to the control system 10 of FIG. 1, with like elements numbered the same. However, the control system 10 of FIG. 3 includes a number of field devices 60-64 and 71 wirelessly communicatively coupled to the controller 11 and potentially to each other. As illustrated in FIG. 3, the wirelessly connected field device 60 is connected to an antenna 65 and cooperates to wirelessly communicate with an antenna 74, which is in turn coupled to a wireless I/O device 68. Further, the field devices 61-64 are connected to a wired-to-wireless conversion unit 66, which is in turn connected to an antenna 67. The field devices 61-64 communicate wirelessly through the antenna 67 with an antenna 73, which is connected to a further wireless I/O device 70. Also illustrated in FIG. 3, the field device 71 includes an antenna 72 that communicates with one or both of the antennas 73 and 74, thereby communicating with the I/O devices 68 and/or 70. I/O devices 68 and 70 are then communicatively connected to controller 11 via a wired backplane connection (not shown in FIG. 3). In this case, field devices 15-22 remain hardwired to controller 11 via I/O devices 26 and 28.
図3のプロセス制御システム10は、下で説明されるように、全般的に、送信機60~64またはフィールドデバイス71などの他の制御要素によって測定され、感知され、または計算されるデータの無線伝送を使用する。図3の制御システム10において、新しいプロセス変数測定値または他の信号値は、特定の条件が満たされたときなどに、低速または非周期を基準にデバイス60~64及び71によってコントローラ11に伝送されるものとみなされる。例えば、新しいプロセス変数測定値は、デバイスによってコントローラ11に送信された最後のプロセス変数測定値に対してプロセス変数値が所定の量だけ変化したときに、コントローラ11に送信することができる。これらの信号はまた、周期的に送信することもできるが、有線プロセス制御信号などの典型的なプロセス制御システムの場合は、はるかに遅いレートであることが普通である。例えば、低速の周期的フィードバックレートは、コントローラ実行レート(コントローラが、制御信号を作成する際に使用するための新しい制御信号を発生させるレート)よりも低くすることができ、また、本明細書で説明される制御技法を使用して、制御されているプロセス動力学の応答レートよりも2~4倍低いレートなどの、プロセス応答レートまたは応答時間よりも低い、それと同程度の、またはそれに類似するレートとすることができる。ここでは、プロセス応答レートは、プロセス応答時間の逆数である。当然、周期的または非周期的様式でプロセス変数測定値をいつ送信するのかを決定する他の方法を、同様にまたは代わりに実施することができる。 The process control system 10 of FIG. 3 generally uses wireless transmission of data measured, sensed, or calculated by the transmitters 60-64 or other control elements such as the field device 71, as described below. In the control system 10 of FIG. 3, new process variable measurements or other signal values are considered to be transmitted by the devices 60-64 and 71 to the controller 11 on a slow or non-periodic basis, such as when certain conditions are met. For example, new process variable measurements can be transmitted to the controller 11 when the process variable value has changed by a predetermined amount relative to the last process variable measurement transmitted to the controller 11 by the device. These signals can also be transmitted periodically, but typically at a much slower rate for typical process control systems such as wired process control signals. For example, the slow periodic feedback rate can be lower than the controller execution rate (the rate at which the controller generates new control signals for use in creating the control signals) and can be at a rate lower than, on the same level as, or similar to the process response rate or response time, such as a rate 2-4 times lower than the response rate of the process dynamics being controlled using the control techniques described herein. Here, the process response rate is the inverse of the process response time. Of course, other methods of determining when to transmit process variable measurements in a periodic or aperiodic manner may also or alternatively be implemented.
理解されるように、図3の送信機60~64は、1つ以上の制御ループ若しくは制御ルーチンで使用するために、または監視ルーチンで使用するために、それぞれのプロセス変数(例えば、流量、圧力、温度、またはレベル信号)を示す信号をコントローラ11に伝送することができる。フィールドデバイス71などの他の無線デバイスは、プロセス制御信号を無線で受信することができ、及び/または任意の他のプロセスパラメータを示す他の信号を伝送するように構成することができる。全般的に言えば、図3に例示されるように、コントローラ11は、入来信号を処理するプロセッサ上で実行する通信スタック80と、入来信号が測定値更新を含むときに検出するためにプロセッサ上で実行するモジュールまたはルーチン82と、測定値更新に基づいて制御を行うためにプロセッサ上で実行する1つ以上の制御モジュール84とを含む。検出ルーチン82は、通信スタック80を介して提供されるデータが新しいプロセス変数測定値または他のタイプの更新を含むことを示すために、フラグまたは他の信号を発生させることができる。次いで、下で更に詳細に説明されるように、新しいデータ及び更新フラグは、(機能ブロックとすることができる)制御モジュール84のうちの1つ以上に提供することができ、次いで、該制御モジュールが、所定の周期的実行レートでコントローラ11によって実行される。代替として、または加えて、新しいデータ及び更新フラグは、コントローラ11でまたは制御システム10の他の部分で実行される1つ以上の監視モジュールまたはアプリケーションに提供することができる。 As will be appreciated, the transmitters 60-64 of FIG. 3 can transmit signals indicative of the respective process variables (e.g., flow, pressure, temperature, or level signals) to the controller 11 for use in one or more control loops or control routines, or for use in monitoring routines. Other wireless devices, such as the field device 71, can wirelessly receive process control signals and/or can be configured to transmit other signals indicative of any other process parameters. Generally speaking, as illustrated in FIG. 3, the controller 11 includes a communications stack 80 running on a processor that processes incoming signals, a module or routine 82 running on the processor to detect when the incoming signal includes a measurement update, and one or more control modules 84 running on the processor to perform control based on the measurement update. The detection routine 82 can generate a flag or other signal to indicate that the data provided via the communications stack 80 includes a new process variable measurement or other type of update. The new data and update flags can then be provided to one or more of the control modules 84 (which can be function blocks), which are then executed by the controller 11 at a predetermined periodic execution rate, as will be described in more detail below. Alternatively, or in addition, the new data and update flags can be provided to one or more monitoring modules or applications executing in the controller 11 or in other parts of the control system 10.
図3の無線(または他の)送信機は、全般的に、結果として低速または周期的になり、フィールドデバイス60~64及び71とコントローラ11との間の不規則な、または別様には頻度の低いデータ伝送を含む。しかしながら、上で述べられるように、フィールドデバイス15~22からコントローラ11への測定値の通信は、因習的に、コントローラの実行レートよりもはるかに速いレートで、またはプロセスの動的レートよりも少なくともはるかに速いレートで、すなわち、(制御されているプロセスの現象について)プロセス応答時間の逆数で、周期的な様式で行われるように構築されている。その結果、コントローラ11の制御ルーチンは、全般的に、コントローラ11のフィードバックループで使用されるプロセス変数測定値の周期的更新のために設計される。 3 generally results in slow or periodic, irregular or otherwise infrequent data transmission between the field devices 60-64 and 71 and the controller 11. However, as noted above, communication of measurements from the field devices 15-22 to the controller 11 is traditionally structured to occur in a periodic fashion at a rate much faster than the controller's execution rate, or at least much faster than the dynamic rate of the process, i.e., the inverse of the process response time (for the process phenomenon being controlled). As a result, the control routines of the controller 11 are generally designed for periodic updates of process variable measurements used in the feedback loops of the controller 11.
例えばフィールドデバイスのうちのいくつかとコントローラ11との間の無線通信によって導入される、低速な、非周期的な、または別様には利用できない測定値更新(及び他の利用できない通信伝送)に適応するために、コントローラ11の制御及び監視ルーチン(複数可)は、下で説明されるように、非周期的または非周期的または間欠的更新を含む低速を使用するときに、特に、これらの更新がコントローラ11の実行レートよりも低い頻度で起こるときに、更には、そのような更新をプロセス応答レート(例えば、制御されているプロセス変数のプロセス応答時間の逆数)に類似するレート(例えば、2~4倍低いまたは同程度のレート等)で受信するときに、プロセス制御システム10が適切に機能することを可能にするように再構築または修正することができる。図4~図10には、低速な及び/または非周期的制御に関連する通信を使用して動作するように構成される、例示的な制御スキームが更に詳細に例示される。例えば、図4Aは、プロセス101に連結される位置タイプのプロセスコントローラ100を概略的に例示する。コントローラ100(図1及び図3のコントローラ11、または、例えば図3の無線フィールドデバイスのうちの1つなどのフィールドデバイスの制御要素とすることができる)によって実施される制御スキームは、全般的に、図3に関連して例示され、説明される通信スタック80の機能性と、更新検出モジュール82と、制御モジュール84のうちの1つ以上とを含み、また、制御デバイスの移動可能な要素が移動するべき位置を示す制御信号を生成する。 To accommodate slow, non-periodic, or otherwise unavailable measurement updates (and other unavailable communication transmissions), such as those introduced by wireless communication between some of the field devices and the controller 11, the control and monitoring routine(s) of the controller 11 can be restructured or modified to enable the process control system 10 to function properly when using slow, including non-periodic, or intermittent updates, as described below, particularly when these updates occur less frequently than the execution rate of the controller 11, and further when receiving such updates at a rate similar (e.g., 2-4 times slower or the same rate, etc.) to the process response rate (e.g., the inverse of the process response time of the process variable being controlled). FIGS. 4-10 illustrate in further detail an exemplary control scheme configured to operate using slow and/or non-periodic control-related communications. For example, FIG. 4A generally illustrates a position-type process controller 100 coupled to a process 101. The control scheme implemented by the controller 100 (which may be the controller 11 of FIGS. 1 and 3 or a control element of a field device, such as one of the wireless field devices of FIG. 3) generally includes the functionality of the communications stack 80 illustrated and described in connection with FIG. 3, an update detection module 82, and one or more of a control module 84, and generates control signals indicative of the position to which a movable element of the control device should move.
図4Aの例示的なシステムにおいて、コントローラ100は、例えばワークステーション13(図1及び図3)のうちの1つから、またはプロセス制御システム10内の、若しくは該プロセス制御システムと通信している任意の他のソースから設定点信号を受信し、コントローラ100の出力からプロセス101に提供される1つ以上の制御信号105を発生させるように動作する。制御信号105を受信する他に、プロセス101は、矢印104によって概略的に示される、測定された、または測定されていない外乱を受ける場合がある。プロセス制御アプリケーションのタイプに応じて、設定点信号は、ユーザ、調整ルーチンなどによるなどして、プロセス101の制御中の任意のときに変化させることができる。当然、プロセス制御信号105は、弁と関連付けられるアクチュエータを制御することができ、またはプロセス101の動作の応答に影響を及ぼすように任意の他のフィールドデバイスを制御することができる。プロセス制御信号105の変化に対するプロセス101の応答は、送信機、センサ、または他のフィールドデバイス106によって測定または検知され、例えば、図3に例示される送信機60~64のうちの任意の1つに対応することができる。送信機106とコントローラ100との間の通信リンクは、無線接続を含むことができ、破線を使用して図4Aに例示される。 In the exemplary system of FIG. 4A, the controller 100 operates to receive a setpoint signal, for example from one of the workstations 13 (FIGS. 1 and 3), or from any other source within or in communication with the process control system 10, and generate one or more control signals 105 that are provided to the process 101 from an output of the controller 100. In addition to receiving the control signal 105, the process 101 may be subject to measured or unmeasured disturbances, as shown diagrammatically by arrows 104. Depending on the type of process control application, the setpoint signal may be changed at any time during the control of the process 101, such as by a user, a tuning routine, or the like. Of course, the process control signal 105 may control an actuator associated with a valve, or any other field device to affect the response of the operation of the process 101. The response of the process 101 to the change in the process control signal 105 is measured or sensed by a transmitter, sensor, or other field device 106, which may correspond, for example, to any one of the transmitters 60-64 illustrated in FIG. 3. The communication link between the transmitter 106 and the controller 100 may include a wireless connection and is illustrated in FIG. 4A using dashed lines.
簡単な実施形態において、コントローラ100は、PID制御ルーチンの1つの形態である、PI制御ルーチンなどの、単一入力、単一出力の閉ループ制御ルーチンを実施することができる。故に、コントローラ100は、通信スタック80を含むいくつかの標準PIコントローラ要素と、加算ブロック108、比例ゲイン要素110、更なる加算ブロック112、及び高低リミッタ114を含む制御信号生成部とを含む。制御ルーチン100はまた、フィルタ116と、選択ブロック118を含む積分出力スイッチとを含む、直接フィードバック経路も含む。フィルタ116は、高低リミッタ114の出力に連結され、スイッチのブロック118は、フィルタ116の出力に連結され、コントローラ100によって発生させている制御信号の積分またはリセット寄与または成分を加算ブロック112に提供する。 In a simple embodiment, the controller 100 can implement a single-input, single-output closed-loop control routine, such as a PI control routine, which is a form of a PID control routine. Thus, the controller 100 includes several standard PI controller elements, including a communication stack 80, and a control signal generator, including a summing block 108, a proportional gain element 110, a further summing block 112, and a high and low limiter 114. The control routine 100 also includes a direct feedback path, including a filter 116 and an integral output switch, including a selection block 118. The filter 116 is coupled to the output of the high and low limiter 114, and the block of switches 118 is coupled to the output of the filter 116 to provide the summing block 112 with an integral or reset contribution or component of the control signal being generated by the controller 100.
コントローラ100の動作中に、加算ブロック108は、誤差信号を生成するために、設定点信号と、コントローラ100内の通信スタック80から提供される直前に受信したプロセス変数測定値とを比較する。比例ゲイン要素110は、制御信号の比例寄与または成分を生成するために、例えば、誤差信号に比例ゲイン値Kpを乗じることによって、誤差信号に対して動作する。次いで、加算ブロック112は、本質的に制限されない制御信号を生成するために、ゲイン要素110の出力(すなわち、比例寄与)と、積分若しくはリセット寄与、またはフィードバック経路によって生成される制御信号の成分とを組み合わせる。次いで、リミッタブロック114は、プロセス101を制御するために送信される制御信号105を生成するために、加算ブロック112の出力に対して高低制限を行う。 During operation of the controller 100, summing block 108 compares the set point signal with the most recently received process variable measurement provided from the communications stack 80 within the controller 100 to generate an error signal. Proportional gain element 110 operates on the error signal, for example by multiplying the error signal by a proportional gain value Kp , to generate a proportional contribution or component of the control signal. Summing block 112 then combines the output of gain element 110 (i.e., the proportional contribution) with the integral or reset contribution, or component of the control signal generated by the feedback path, to generate an essentially unlimited control signal. Limiter block 114 then performs high and low limiting on the output of summing block 112 to generate the control signal 105 that is sent to control the process 101.
重要なことに、コントローラ100のフィードバック経路内のフィルタ116及びブロックまたはスイッチ118は、制御信号の積分またはリセット寄与成分を生成するために、以下の様式で動作する。リミッタ114の出力を受信するように連結されるフィルタ116は、リミッタ114の出力値及び制御アルゴリズム100の実行期間または時間に基づいて、制御信号105に対する予想されるプロセス応答の指示を生成する。フィルタ116は、この予想されるプロセス応答信号をスイッチまたはブロック118に提供する。スイッチまたはブロック118は、新しいプロセス変数測定値を受信したときには常に、スイッチまたはブロック118の出力でフィルタ116の出力をサンプリング及びクランプし、通信スタック80で次のプロセス変数出力を受信するまで、この値を維持する。したがって、スイッチ118の出力は、最後の測定値更新でサンプリングしたフィルタ116の出力のままである。 Importantly, the filter 116 and the block or switch 118 in the feedback path of the controller 100 operate in the following manner to generate an integral or reset contribution to the control signal. The filter 116, coupled to receive the output of the limiter 114, generates an indication of the expected process response to the control signal 105 based on the output value of the limiter 114 and the duration or time of execution of the control algorithm 100. The filter 116 provides this expected process response signal to the switch or block 118. The switch or block 118 samples and clamps the output of the filter 116 at the output of the switch or block 118 whenever a new process variable measurement is received, and maintains this value until the next process variable output is received at the communication stack 80. Thus, the output of the switch 118 remains the output of the filter 116 sampled at the last measurement update.
フィルタ116によって生成されるような、加算器108の出力の変化に対する予想されるプロセス応答は、下でより詳細に説明されるように、一次モデルを使用して近似することができる。しかしながら、より全般的には、予想されるプロセス応答は、プロセス101の任意の適切なモデルを使用して生成することができ、コントローラ100のフィードバック経路に組み込まれるモデルに、または制御信号に対する積分若しくはリセット寄与を決定することと関連付けられるフィルタまたはモデルに限定されない。例えば、予想されるプロセス応答を提供するためにモデルを利用するコントローラは、制御ルーチン100がPID制御スキームを実行するように、微分寄与を組み込むことができる。例示的なタイプの微分寄与を組み込むいくつかの実施例は、図6~図8に関連して下で説明される。 The expected process response to a change in the output of summer 108, as produced by filter 116, can be approximated using a first-order model, as described in more detail below. More generally, however, the expected process response can be generated using any suitable model of process 101 and is not limited to a model incorporated into the feedback path of controller 100 or to a filter or model associated with determining an integral or reset contribution to the control signal. For example, a controller utilizing a model to provide an expected process response can incorporate a derivative contribution such that control routine 100 implements a PID control scheme. Some examples incorporating exemplary types of derivative contributions are described below in connection with FIGS. 6-8.
図4Aのフィルタ116の動作をより詳細に論じる前に、積分またはリセット寄与を決定するために、従来のPIコントローラを、ポジティブフィードバックネットワークを使用して実行することができることに留意することが有用である。数学的に、従来のPIを実施するための伝達関数は、制約されない制御に対する、すなわち出力が制限されない場合の標準的な式に等しいことを示すことが分かる。特に:
図4Aに示されるように、コントローラ100内でポジティブフィードバック経路を使用する1つの利点は、コントローラ出力が、高くまたは低く、すなわちリミッタ114によって制限されるときに、リセット寄与をワインドアップすることが自動的に防止されることである。
Before discussing the operation of filter 116 of FIG. 4A in more detail, it is useful to note that a conventional PI controller can be implemented using a positive feedback network to determine the integral or reset contribution. Mathematically, it can be seen that the transfer function for a conventional PI implementation is equivalent to the standard equation for unconstrained control, i.e., when the output is not limited. In particular:
One advantage of using a positive feedback path in the controller 100, as shown in FIG. 4A, is that the controller output is automatically prevented from winding up the reset contribution when it is high or low, i.e., limited by limiter 114.
いずれにしても、下で説明される制御技法は、コントローラがプロセス変数の非周期的更新を受信したときに、リセットまたは積分寄与を決定するためのポジティブフィードバック経路を使用することを可能にするが、それでも、新しいプロセス変数測定値の受信の間に起こる設定点変化またはフィードフォワード変化が生じた場合に、ロバストなコントローラ応答を可能にする。具体的には、ロバストな設定点変化をコントローラの動作に提供するために、フィルタ116は、フィルタのこの出力が加算ブロック112に提供されたかどうかにかかわらず、コントローラ100のそれぞれまたは全ての実行の間、予想されるプロセス応答の新しい指示または値を算出するように構成される。その結果、コントローラ100が通信スタック80からの新しいプロセス測定値更新を受信した直後に発生させたフィルタ116の出力だけが、加算器112において積分またはリセット寄与として使用される場合であっても、コントローラルーチンの各実行サイクル中に、フィルタ116の出力が新しく再生される。 In any event, the control technique described below allows the controller to use a positive feedback path to determine the reset or integral contribution when it receives a non-periodic update of the process variable, yet still allows for a robust controller response in the event of set point or feedforward changes occurring between receipt of new process variable measurements. Specifically, to provide robust set point changes to the controller operation, the filter 116 is configured to calculate a new indication or value of the expected process response during each or every execution of the controller 100, regardless of whether this output of the filter is provided to the summing block 112. As a result, the output of the filter 116 is newly regenerated during each execution cycle of the controller routine, even if only the output of the filter 116 generated immediately after the controller 100 receives a new process measurement update from the communication stack 80 is used as the integral or reset contribution in the summing block 112.
具体的には、フィルタ116によって生成されるような予想される応答の新しい指示は、現在のコントローラ出力(すなわち、リミッタ114の後の制御信号)、最後の(すなわち、直前の)コントローラの実行サイクル中に生成されるフィルタ116によって生成される予想される応答の指示、及びコントローラの実行期間から、各コントローラ実行サイクル中に算出される。その結果、各コントローラ実行サイクル中に新しいプロセス応答の推定を生成するために実行されるので、フィルタ116は、連続的に更新されるように本明細書で説明される。各コントローラ実行サイクル中に新しい予想されるプロセス応答またはフィルタを生成するために、連続的に更新されるフィルタ116によって実施することができる、例示的な式が下に記載される。
Specifically, a new indication of expected response as produced by filter 116 is calculated during each controller execution cycle from the current controller output (i.e., the control signal after limiter 114), the indication of expected response produced by filter 116 during the last (i.e., immediately preceding) controller execution cycle, and the duration of the controller execution. As a result, filter 116 is described herein as being continuously updated as it executes to generate a new estimate of the process response during each controller execution cycle. Exemplary equations that may be implemented by the continuously updated filter 116 to generate a new expected process response or filter during each controller execution cycle are set forth below.
ここで、新しいフィルタ出力FNは、直前のフィルタ出力FN-1(すなわち、現在のフィルタ出力値)に、現在のコントローラ出力値ON-1と現在のフィルタ出力値FN-1との間の差分にリセット時間TReset及びコントローラの実行期間ΔTに依存する係数を乗じたものを加えて決定される減衰成分を加えて、繰り返し決定されることに気が付くであろう。この様式で連続的に更新するフィルタを使用することで、制御ルーチン100は、新しいプロセス変数測定値を受信したときに積分制御信号入力を算出したときに、予想されるプロセス応答をより良好に決定することができ、それによって、設定点の変化に対して、または2つのプロセス変数測定値の受信の間に起こる他のフィードフォワード外乱に対してより敏感になる。より具体的には、設定点の変化(新しいプロセス測定値の受信を伴わない)が、加算器108の出力での誤差信号の変化を直ちにもたらし、これは、制御信号の比例寄与成分を変化させ、したがって、制御信号を変化させることに気が付くであろう。その結果、フィルタ116は、変化した制御信号に対するプロセスの新しい予想される応答を直ちに生成し始め、したがって、コントローラ100が新しいプロセス測定値を受信する前にその出力を更新する。次いで、コントローラ100が新しいプロセス測定値を受信し、フィルタ出力のサンプルが、制御信号の積分またはリセット寄与成分として使用されるように、スイッチ118によって加算器112の入力にクランプされたときに、フィルタ116は、少なくともある程度は、設定点の変化に対するプロセス101の応答に反応した、またはそれを組み込んだ、予想されるプロセス応答を繰り返している。 It will now be noted that the new filter output F N is iteratively determined by adding a damping component determined by adding the difference between the current controller output value O N-1 and the current filter output value F N-1 multiplied by a coefficient that depends on the reset time T Reset and the execution period ΔT of the controller. By using a filter that is continuously updated in this manner, the control routine 100 is able to better determine the expected process response when it calculates the integral control signal input upon receiving a new process variable measurement, thereby being more sensitive to changes in the set point or other feedforward disturbances that occur between the receipt of two process variable measurements. More specifically, it will be noted that a change in the set point (without the receipt of a new process measurement) immediately results in a change in the error signal at the output of the summer 108, which changes the proportional contribution of the control signal and therefore changes the control signal. As a result, the filter 116 immediately begins to generate a new expected response of the process to the changed control signal, and therefore updates its output, before the controller 100 receives a new process measurement. Then, when the controller 100 receives a new process measurement and a sample of the filter output is clamped by switch 118 to the input of summer 112 for use as an integral or reset contribution to the control signal, the filter 116 is repeating, at least to some extent, the expected process response that reacts to or incorporates the response of the process 101 to the set point change.
過去において、米国特許第7,587,252号及び第7,620,460号で説明されるシステムでのように、非周期的に更新されるコントローラのフィードバック経路において使用されるリセット寄与フィルタは、新しいプロセス変数測定値を使用することができたときに、予想される応答の新しい指示だけを算出した。その結果、リセット寄与フィルタは、設定点変化またはフィードフォワード外乱が任意の測定値更新から完全に独立していたので、プロセス変数測定値の受信の間に起こった設定点変化またはフィードフォワード外乱を補償しなかった。例えば、設定点変化またはフィードフォワード外乱が2つの測定値更新の間に起こった場合は、予想される応答の新しい指示の算出が最後の測定値更新以来の時間及び現在のコントローラ出力105に基づいていたので、コントローラの予想されるプロセス応答が歪められる可能性があった。その結果、フィルタ116は、コントローラでの2つのプロセス変数測定値の受信の間に起こった設定点変化(または他のフィードフォワード外乱)から生じた、プロセス(または制御信号)の時間変化を補償し始めることができなかった。 In the past, reset contribution filters used in the feedback path of non-periodically updated controllers, such as in the systems described in U.S. Patents 7,587,252 and 7,620,460, only calculated a new indication of expected response when a new process variable measurement was available. As a result, the reset contribution filter did not compensate for setpoint changes or feedforward disturbances that occurred between receipt of a process variable measurement, because the setpoint changes or feedforward disturbances were completely independent of any measurement updates. For example, if a setpoint change or feedforward disturbance occurred between two measurement updates, the expected process response of the controller could be distorted because the calculation of a new indication of expected response was based on the time since the last measurement update and the current controller output 105. As a result, the filter 116 could not begin to compensate for time changes in the process (or control signal) that resulted from a setpoint change (or other feedforward disturbance) that occurred between receipt of two process variable measurements at the controller.
しかしながら、理解されるように、図4Aの制御ルーチン100は、非周期的測定値の算出に基づくことによって、予想されるプロセス応答を提供し、一方で、加えて、設定点の変化(またはコントローラ100へのフィードフォワード入力として使用される任意の測定された外乱)によって引き起こされる変化を補償するために、2つの測定値の受信の間の予想される応答を決定する。したがって、上で説明される制御技法は、予想されるプロセス応答に影響を及ぼし得る設定点変化、測定される外乱に対するフィードフォワードアクションなどに適応することができ、したがって、よりロバストな制御応答を提供する。 However, as will be appreciated, the control routine 100 of FIG. 4A provides an expected process response by basing the calculation of non-periodic measurements on the expected response between receipt of two measurements to compensate for changes caused by set point changes (or any measured disturbances used as feedforward inputs to the controller 100). Thus, the control technique described above can accommodate set point changes, feedforward actions to measured disturbances, etc. that may affect the expected process response, thus providing a more robust control response.
理解されるように、図4Aに例示される制御技法は、制御ブロックまたはルーチン100の各実行について連続的に更新されるフィルタ116(例えば、リセット寄与フィルタ)を介して、予想される応答の指示を算出する。ここで、コントローラ100は、制御ブロックの各実行について、予想される応答の新しい指示を算出するように、連続的に更新されるフィルタ116を構成する。しかしながら、フィルタ116の出力を加算ブロック112への入力として使用するべきであるかどうかを判定するために、通信スタック80及び、いくつかの実施例において、更新検出モジュール82(図3)は、新しいプロセス変数測定値を受信したときに、積分出力スイッチ118の新しい値フラグを発生させるために、送信機106からの入来データを処理する。この新しい値フラグは、加算器112の入力に対するこのコントローラ繰り返しについてフィルタ出力値をサンプリングし、クランプすることをスイッチ118に通知する。 As can be seen, the control technique illustrated in FIG. 4A calculates an indication of the expected response via a continuously updated filter 116 (e.g., a reset contribution filter) for each execution of the control block or routine 100. Here, the controller 100 configures the continuously updated filter 116 to calculate a new indication of the expected response for each execution of the control block. However, to determine whether the output of the filter 116 should be used as an input to the summing block 112, the communication stack 80 and, in some embodiments, the update detection module 82 (FIG. 3) process the incoming data from the transmitter 106 to generate a new value flag for the integral output switch 118 when a new process variable measurement is received. This new value flag informs the switch 118 to sample and clamp the filter output value for this controller iteration to the input of the summer 112.
新しい値フラグが通信されるかどうかにかかわらず、連続的に更新されるフィルタ116は、制御ルーチンの各繰り返しについて、予想される応答の指示を算出し続ける。予想される応答のこの新しい指示は、制御ブロックの各実行について、積分出力スイッチ118に搬送される。新しい値フラグの存在に応じて、積分出力スイッチ118は、連続的に更新されるフィルタ116からの予想される応答の新しい指示を加算ブロック112に通過させることを可能にすることと、制御ブロックの最後の実行中に加算ブロック112に以前に送達された信号を維持することとの間で切り替える。より具体的には、新しい値フラグが通信されるときに、積分出力スイッチ118は、連続的に更新されるフィルタ116からの予想される応答の直前に算出された指示を、加算ブロック112に渡すことを可能にする。その逆に、新しい値フラグが存在しない場合、積分出力スイッチ118は、最後の制御ブロック繰り返しからの予想される応答の指示を加算ブロック112に再送信する。換言すれば、積分出力スイッチ118は、新しい値フラグがスタック80から通信される度に、予想される応答の新しい指示にクランプするが、新しい値フラグが存在しない場合は、いかなる予想される応答の新しく算出された指示も加算ブロック112に到達させないようにする。 Whether or not a new value flag is communicated, the continuously updated filter 116 continues to calculate an indication of the expected response for each iteration of the control routine. This new indication of the expected response is conveyed to the integral output switch 118 for each execution of the control block. Depending on the presence of the new value flag, the integral output switch 118 switches between allowing the new indication of the expected response from the continuously updated filter 116 to pass to the summing block 112 and maintaining the signal previously delivered to the summing block 112 during the last execution of the control block. More specifically, when a new value flag is communicated, the integral output switch 118 allows the last calculated indication of the expected response from the continuously updated filter 116 to pass to the summing block 112. Conversely, if the new value flag is not present, the integral output switch 118 retransmits the indication of the expected response from the last control block iteration to the summing block 112. In other words, the integral output switch 118 clamps to a new indication of the expected response each time a new value flag is communicated from the stack 80, but does not allow any newly calculated indication of the expected response to reach the summing block 112 if the new value flag is not present.
この制御技法は、新しい測定値が通信されるかどうかにかかわらず、連続的に更新されるフィルタ116が、予想されるプロセス応答をモデル化し続けることを可能にする。制御出力が設定点変化または測定された外乱に基づくフィードフォワードアクションの結果として変化する場合、新しい値フラグの存在にかかわりなく、連続的に更新されるフィルタ116は、各制御ルーチン繰り返しにおいて、予想される応答の新しい指示を算出することによって、予想されるプロセス応答を正しく反映する。しかしながら、予想される応答の新しい指示(すなわち、リセット寄与または積分成分)は、新しい値フラグが(積分出力スイッチ118を介して)通信されたときに、コントローラの算出にだけ組み込まれる。 This control technique allows the continuously updated filter 116 to continue to model the expected process response regardless of whether new measurements are communicated. If the control output changes as a result of a set point change or a feedforward action based on a measured disturbance, the continuously updated filter 116 correctly reflects the expected process response by calculating a new indication of the expected response at each control routine iteration, regardless of the presence of the new value flag. However, the new indication of the expected response (i.e., the reset contribution or integral component) is only incorporated into the controller calculations when the new value flag is communicated (via the integral output switch 118).
図4Bに例示されるグラフ200は、コントローラ100がいくつかの設定点変化に応答したときに、プロセス出力信号202を定常状態値まで駆動する際の、図4Aのコントローラ100のシミュレーションされた動作を描写する。図4Bでは、プロセス制御システムの無線動作中の、プロセス出力信号202(太線で例示される)が、設定値信号204(細線で示される)と比較して示される。グラフ200の下部の時間軸に沿って矢印によって示されるように、設定点変化が起こったときに、コントローラ102は、プロセス出力を駆動する制御信号を生成することによって、新しい設定値(すなわち、定常状態値)に反応するように応答する。例えば、図4Bに例示されるように、設定点変化は、時間T1で起こるが、これは、設定値信号204の大きさがより高い値からより低い値まで大幅に変化することから明らかである。それに応じて、コントローラ102は、時間T1と時間T2との間で出力信号202が呈するような滑らかな過渡曲線において、新しい定常状態に対する設定点または設定点値と関連付けられるプロセス変数を駆動する。同様に、図4Bにおいて、第2の設定点変化は、時間T2で起こるが、これは、設定値信号204の大きさがより低い値からより高い値まで大幅に変化することから明らかである。それに応じて、コントローラ102は、時間T2とT3との間で出力信号202によって示されるような滑らかな過渡曲線において、新しい定常状態に対する設定点または設定点値と関連付けられるプロセス変数を制御する。その結果、図4Bから分かるように、上で説明される制御ルーチンを実施するコントローラ100は、ロバストな様式で、非周期的無線制御システムにおける設定点変化の補償を可能にする。フィードフォワード外乱は、制御アクション動作において測定され、含めることができるので、上で説明される制御ルーチンを実施するコントローラ100はまた、非周期的無線制御システムにおける制御出力のフィードフォワード変化の補償も可能にすることができる。 The graph 200 illustrated in Figure 4B depicts the simulated operation of the controller 100 of Figure 4A in driving the process output signal 202 to a steady state value as the controller 100 responds to several set point changes. In Figure 4B, the process output signal 202 (illustrated by a thick line) is shown compared to the set point signal 204 (illustrated by a thin line) during wireless operation of the process control system. As indicated by the arrows along the time axis at the bottom of the graph 200, when a set point change occurs, the controller 102 responds to react to the new set point (i.e., the steady state value) by generating a control signal that drives the process output. For example, as illustrated in Figure 4B, a set point change occurs at time T1 , which is evident from a significant change in the magnitude of the set point signal 204 from a higher value to a lower value. In response, the controller 102 drives the process variable associated with the set point or set point value for the new steady state in a smooth transient curve as shown by the output signal 202 between times T1 and T2 . Similarly, in FIG. 4B, a second set point change occurs at time T2 , which is evident from the large change in magnitude of the set point signal 204 from a lower value to a higher value. In response, the controller 102 controls the process variable associated with the set point or set point value for the new steady state in a smooth transient curve as shown by the output signal 202 between times T2 and T3 . As a result, as can be seen in FIG. 4B, the controller 100 implementing the control routine described above enables compensation of set point changes in a non-periodic wireless control system in a robust manner. Because feedforward disturbances can be measured and included in the control action operation, the controller 100 implementing the control routine described above can also enable compensation of feedforward changes in the control output in a non-periodic wireless control system.
図4Aの簡単なPIコントローラ構成は、フィルタ116の出力を制御信号に対するリセット寄与として直接使用し、この事例において、閉ループ制御ルーチンのリセット寄与(例えば、上で提示される、連続的に更新されるフィルタの式)は、プロセスが定常状態動作を呈するかどうかを判定する際に、プロセス応答の正確な表現を提供することができることに留意されたい。しかしながら、むだ時間が支配的なプロセスなどの他のプロセスは、予想されるプロセス応答をモデル化するために、追加的な構成要素を図4Aのコントローラに組み込むことを必要とする場合がある。一次モデルによって十分に表されるプロセスに関しては、全般的に、PI(またはPID)コントローラのリセット時間を決定するために、プロセス時定数を使用することができる。より具体的には、リセット時間がプロセス時定数に等しく設定された場合、リセット寄与は、全般的に、経時的に制御ルーチン100が予想されるプロセス応答を反映するように、比例寄与を無効にする。図4Aに例示される実施例において、リセット寄与は、プロセス時定数と同じ時定数を有するフィルタを有するポジティブフィードバックネットワークによって達成することができる。他のモデルを使用することができるが、ポジティブフィードバックネットワーク、フィルタ、またはモデルは、既知または近似のプロセス時定数を有するプロセスの予想される応答を決定するための好都合な機構を提供する。PID制御を必要とするプロセスの場合、PID出力に対する、レートとしても知られる微分寄与は、新しい測定値を受信したときにだけ再計算し、更新することもできる。そのような事例において、微分算出は、最後の新しい測定以来の経過時間を使用することができる。プロセス測定値の非周期的受信を使用してより複雑なプロセスを制御するために他のコントローラ成分を使用することができるが、設定点変化に応答してロバストな制御を提供するために図4Aのフィルタリング技法を使用することができる、コントローラのいくつかの実施例が、図5~図8と併せて下で説明される。 Note that the simple PI controller configuration of FIG. 4A directly uses the output of the filter 116 as the reset contribution to the control signal, and in this case the reset contribution of the closed loop control routine (e.g., the continuously updated filter equation presented above) can provide an accurate representation of the process response in determining whether the process exhibits steady state operation. However, other processes, such as processes dominated by dead time, may require incorporating additional components into the controller of FIG. 4A to model the expected process response. For processes that are adequately represented by a first-order model, the process time constant can generally be used to determine the reset time of the PI (or PID) controller. More specifically, if the reset time is set equal to the process time constant, the reset contribution generally overrides the proportional contribution so that the control routine 100 reflects the expected process response over time. In the example illustrated in FIG. 4A, the reset contribution can be achieved by a positive feedback network with a filter having a time constant the same as the process time constant. Although other models can be used, the positive feedback network, filter, or model provides a convenient mechanism for determining the expected response of a process with a known or approximated process time constant. For processes requiring PID control, the derivative contribution, also known as rate, to the PID output may be recalculated and updated only when a new measurement is received. In such cases, the derivative calculation may use the elapsed time since the last new measurement. Although other controller components can be used to control more complex processes using non-periodic receipt of process measurements, several examples of controllers that can use the filtering technique of FIG. 4A to provide robust control in response to set point changes are described below in conjunction with FIGS. 5-8.
以下、図5を参照すると、上で説明されるように、制御技法に従って構成される、代替のコントローラ(または制御要素)120は、図4Aに例示されるコントローラ100に多くの点で類似する。その結果、双方のコントローラに共通な要素は、同じ参照番号で識別される。しかしながら、コントローラ120は、追加的な要素を制御ルーチンに組み込み、該ルーチンは、測定値の伝送の間の予想されるプロセス応答を決定する。この事例において、プロセス101は、相当な量のむだ時間を有することを特徴とすることができ、その結果、むだ時間ユニットまたはブロック122が、むだ時間補正のためのコントローラモデルに含まれる。むだ時間ユニット122の組み込みは、全般的に、プロセス応答のより正確な表現に到達するのを補助する。より具体的には、むだ時間ユニット122は、任意の所望の様式で実施することができ、スミス予測手段または他の既知の制御ルーチンに共通な方法を含むか、または利用することができる。しかしながら、この状況において、連続的に更新されるフィルタ116及びスイッチモジュール118は、設定点変化に応答してロバストな制御を提供するために、図4Aのコントローラ100に関して上で説明されるものと同じ様式で動作する。 5, an alternative controller (or control element) 120, configured according to the control technique as described above, is similar in many respects to the controller 100 illustrated in FIG. 4A. As a result, elements common to both controllers are identified with the same reference numbers. However, the controller 120 incorporates additional elements into a control routine that determines the expected process response during the transmission of measurements. In this case, the process 101 can be characterized as having a significant amount of dead time, and as a result, a dead time unit or block 122 is included in the controller model for dead time correction. The incorporation of the dead time unit 122 generally helps to arrive at a more accurate representation of the process response. More specifically, the dead time unit 122 can be implemented in any desired manner and can include or utilize methods common to Smith predictors or other known control routines. However, in this situation, the continuously updated filter 116 and switch module 118 operate in the same manner as described above with respect to the controller 100 of FIG. 4A to provide robust control in response to set point changes.
図6は、別の代替のコントローラ(または制御要素)130を描写するが、微分またはレート寄与成分がコントローラ130に組み込まれる点で、図4Aにおいて上で説明されるコントローラ100と異なる。微分寄与を組み込むことによって、コントローラ130によって実施される制御ルーチンは、いくつかの事例において、比例-積分-微分(PID)制御スキームが実施されるように、追加的なフィードバック機構を含む。 FIG. 6 depicts another alternative controller (or control element) 130, which differs from the controller 100 described above in FIG. 4A in that a derivative or rate contribution component is incorporated into the controller 130. By incorporating a derivative contribution, the control routine implemented by the controller 130 includes an additional feedback mechanism, such that in some cases a proportional-integral-derivative (PID) control scheme is implemented.
図6の制御ルーチンまたは技法は、図4Aの積分寄与と関連して上で説明される様式に類似する様式で構成される微分寄与を含み、プロセス測定値の非周期的な、または別様には利用できない更新に適応する。微分寄与は、最後の測定値更新以来の経過時間に基づいて再構成することができる。この様式で、微分寄与(及び結果として生じる出力信号)のスパイクが回避される。より具体的には、図6の微分寄与は、比例及び積分寄与専用の要素と並行に加算ブロック108から誤差信号を受信する、微分ブロック132によって決定される。他のPID構成(例えば、シリアル構成)も利用することができるが、比例、積分、及び微分寄与は、図6に示されるように、加算ブロック134において組み合わせられる。 The control routine or technique of FIG. 6 includes a derivative contribution configured in a manner similar to that described above in connection with the integral contribution of FIG. 4A to accommodate non-periodic or otherwise unavailable updates of the process measurement. The derivative contribution can be reconfigured based on the time elapsed since the last measurement update. In this manner, spikes in the derivative contribution (and the resulting output signal) are avoided. More specifically, the derivative contribution of FIG. 6 is determined by a derivative block 132, which receives an error signal from summing block 108 in parallel with elements dedicated to the proportional and integral contributions. The proportional, integral, and derivative contributions are combined in summing block 134 as shown in FIG. 6, although other PID configurations (e.g., serial configurations) can also be utilized.
信頼できない伝送及び、より全般的には、測定値更新の利用不能に適応するために、微分寄与は、通信スタック80からの新しい値フラグによって示されるように、測定値更新を受信するまで、最後に決定された値に維持される。この技法は、制御ルーチンが、制御ルーチンの通常の、または確立された実行レートに従って周期的実行を続けることを可能にする。更新された測定値を受信すると、図6に例示されるように、微分ブロック132は、以下の式に従って微分寄与を決定することができる。
To accommodate unreliable transmissions and, more generally, unavailability of measurement updates, the derivative contribution is maintained at the last determined value until a measurement update is received, as indicated by a new value flag from the communications stack 80. This technique allows the control routine to continue periodic execution according to the control routine's normal or established execution rate. Upon receiving an updated measurement, as illustrated in FIG. 6, the derivative block 132 may determine the derivative contribution according to the following equation:
微分寄与を決定するためのこの技法によって、プロセス変数(すなわち、制御入力)に対する測定値更新を、出力スパイクを生成することなく、1つ以上の実行期間の間にわたって喪失することができる。通信が再確立されたときに、微分寄与式の項(eN-eN-1)は、微分寄与の標準的な算出において発生させた値と同じ値を発生させることができる。しかしながら、標準的なPID技法の場合、微分寄与を決定する際の除数は、実行期間である。対照的に、本制御技法は、2つの成功裏に受信した測定値の間の経過時間を利用する。実行期間よりも長い経過時間を使用することで、制御技法は、標準PID技法よりも小さい微分寄与を生成し、また、スパイキングが低減される。 This technique for determining the derivative contribution allows measurement updates to the process variable (i.e., the control input) to be lost for one or more execution periods without producing output spikes. When communication is re-established, the term (e N -e N-1 ) in the derivative contribution equation can produce the same value as it would in a standard calculation of the derivative contribution. However, for standard PID techniques, the divisor in determining the derivative contribution is the execution period. In contrast, the present control technique utilizes the elapsed time between two successfully received measurements. By using an elapsed time that is longer than the execution period, the control technique produces a smaller derivative contribution than the standard PID technique and also reduces spiking.
経過時間の決定を容易にするために、通信スタック80は、図6に示されるように、上で説明される新しい値フラグを微分ブロック132に提供することができる。代替の実施例は、その値に基づいて、新しい測定値または更新の検出を含むこと、または関与させることができる。また、プロセス測定値を、比例または微分成分の算出において誤差の代わりに使用することができる。より全般的には、通信スタック80は、プロセス101内の任意のフィールドデバイス、コントローラの外部のプロセス制御要素などを含む、プロセス101との通信インターフェースを実施するために、任意のソフトウェア、ハードウェア、またはファームウェア(またはそれらの任意の組み合わせ)を含むこと、または関与させることができる。しかしながら、図6のコントローラ130において、連続的に更新されるフィルタ116及びスイッチモジュール118は、設定点変化に応答してロバストな制御を提供するために、図4Aのコントローラ100に関して上で説明されるものと同じように動作する。 To facilitate the determination of the elapsed time, the communication stack 80 can provide the new value flag described above to the derivative block 132 as shown in FIG. 6. Alternative embodiments can include or involve detection of new measurements or updates based on the value. Also, the process measurement can be used in place of the error in the calculation of the proportional or derivative components. More generally, the communication stack 80 can include or involve any software, hardware, or firmware (or any combination thereof) to implement a communication interface with the process 101, including any field devices within the process 101, process control elements external to the controller, etc. However, in the controller 130 of FIG. 6, the continuously updated filter 116 and switch module 118 operate in the same manner as described above with respect to the controller 100 of FIG. 4A to provide robust control in response to set point changes.
図3、図4A、及び図5~図6に関連して説明される、コントローラによって制御されるアクチュエータまたは他の下流の要素は、特に、コントローラまたは制御要素と下流のアクチュエータまたは他の要素との間にいかなる通信もない期間の後に、それでも、突然の変化を伴う制御信号を受信する場合がある。結果として生じる制御アクションは、いくつかの事例において、プラントの動作に影響を与えるのに十分突然である場合があり、そのような突然の変化は、不適切なレベルの不安定性につながる場合がある。 Actuators or other downstream elements controlled by the controllers described in connection with Figures 3, 4A, and 5-6 may nevertheless receive control signals with abrupt changes, particularly after a period of time without any communication between the controller or control element and the downstream actuators or other elements. The resulting control action may in some cases be abrupt enough to affect plant operation, and such abrupt changes may lead to inappropriate levels of instability.
コントローラと下流の要素との間の通信の喪失による突然の制御変化の可能性は、制御信号に対するフィードバック寄与(複数可)を決定するときに、最後の実行期間中に、コントローラ出力の代わりに実際の下流のデータを組み込むことによって対処することができる。全般的に言えば、そのような実際の下流のデータは、制御信号に対する応答のフィードバック指示を提供し、したがって、制御信号を受信する下流の要素(例えば、プロセス制御モジュール)またはデバイス(例えば、アクチュエータ)によって測定または算出することができる。そのようなデータは、最後の実行からのコントローラ出力などの、制御信号に対する暗黙の応答の代わりに提供される。図4A及び図5~図6に示されるように、連続的に更新されるフィルタ116は、下流の応答の暗黙の指示として制御信号105を受信する。そのような暗黙のデータの使用は、アクチュエータなどの下流の要素が制御信号の通信を受信したことを効果的に想定し、したがって、制御信号に適切に応答している。実際のフィードバックデータもまた、制御されているプロセス変数の測定値などの他の応答指示と異なる。 The possibility of sudden control changes due to loss of communication between the controller and downstream elements can be addressed by incorporating actual downstream data instead of the controller output during the last run when determining the feedback contribution(s) to the control signal. Generally speaking, such actual downstream data provides a feedback indication of the response to the control signal and thus can be measured or calculated by the downstream element (e.g., process control module) or device (e.g., actuator) receiving the control signal. Such data is provided in lieu of an implicit response to the control signal, such as the controller output from the last run. As shown in FIG. 4A and FIG. 5-FIG. 6, the continuously updated filter 116 receives the control signal 105 as an implicit indication of the downstream response. The use of such implicit data effectively assumes that the downstream element, such as the actuator, has received the communication of the control signal and is therefore responding appropriately to the control signal. Actual feedback data is also distinct from other response indications, such as measurements of the process variable being controlled.
図7は、制御信号に応答する下流のデバイスまたは要素からのアクチュエータ位置データを受信する、例示的なコントローラ140を描写する。下流のデバイスまたは要素は、しばしば、アクチュエータに対応して、アクチュエータ位置の測定値を提供する。より全般的には、下流のデバイスまたは要素は、PID制御ブロック、制御セレクタ、スプリッタ、または制御信号によって制御される任意の他のデバイス若しくは要素に対応するか、またはそれを含むことができる。示される例示的な事例において、アクチュエータ位置データは、制御信号に対する応答の指示として提供される。したがって、アクチュエータ位置データは、プロセス変数の測定値更新の欠如にもかかわらず、制御ルーチンの連続的な実行期間中に、コントローラ140によって利用される。この目的のために、連続的に更新されるフィルタ116は、入来フィードバックデータに対するインターフェースを確立する通信スタック146を介して、アクチュエータ位置データを受信することができる。この例示的な事例において、フィードバックデータは、制御信号に対する応答の2つの指示、アクチュエータ位置、及びプロセス変数を含む。 7 depicts an exemplary controller 140 receiving actuator position data from a downstream device or element responsive to a control signal. The downstream device or element often corresponds to an actuator and provides a measurement of the actuator position. More generally, the downstream device or element may correspond to or include a PID control block, a control selector, a splitter, or any other device or element controlled by the control signal. In the exemplary case shown, the actuator position data is provided as an indication of the response to the control signal. Thus, the actuator position data is utilized by the controller 140 during continuous execution of the control routine despite the lack of measurement updates of the process variable. To this end, the continuously updated filter 116 can receive the actuator position data via a communication stack 146 that establishes an interface to the incoming feedback data. In this exemplary case, the feedback data includes two indications of the response to the control signal, the actuator position, and the process variable.
前の実施例と同様に、連続的に更新されるフィルタ116は、プロセス変数に対する測定値更新の欠如に関与する状況に適応するように構成される。連続的に更新されるフィルタ116は、新しい測定値フラグを受信した後に発生させたフィルタ出力だけが加算器112で使用されるという事実にもかかわらず、そのような欠如の間、その出力を同様に再算出する。しかしながら、測定値更新を受信すると、連続的に更新されるフィルタ116は、その出力を修正するために、もはや制御信号のフィードバックに依存しない。むしろ、アクチュエータからの実際の応答データは、以下に示されるように利用される。
As with the previous embodiment, the continuously updated filter 116 is configured to adapt to situations involving a lack of a measurement update for the process variable. The continuously updated filter 116 similarly recalculates its output during such a lack, despite the fact that only the filter output generated after receiving a new measurement update is used by the summer 112. However, upon receiving a measurement update, the continuously updated filter 116 no longer relies on feedback of the control signal to modify its output. Rather, actual response data from the actuator is utilized as shown below.
制御信号に対する応答の実際の指示の使用は、周期的通信の期間中、及びPID制御要素から下流の要素、例えばアクチュエータへの非周期的通信の期間または通信喪失の後の双方で、制御技法の正確さを向上させるのを補助することができる。しかしながら、実際の応答指示の伝送は、典型的に、異なるデバイスにおいて実施される場合に、フィールドデバイスとコントローラとの間に追加的な通信を必要とする。そのような通信は、上で説明されるように、無線とすることができ、したがって、信頼できない伝送または電力制限の影響を受けやすくなる場合がある。他の理由もまた、フィードバックデータの利用不能につながる場合がある。 The use of actual indications of response to control signals can help improve the accuracy of the control technique both during periods of periodic communication and during periods of non-periodic communication from the PID control element to downstream elements, such as actuators, or after communication loss. However, transmission of actual response indications typically requires additional communication between the field device and the controller when implemented in different devices. Such communication may be wireless, as described above, and therefore may be susceptible to unreliable transmission or power limitations. Other reasons may also lead to unavailability of feedback data.
下で説明されるように、本明細書で論じられる制御技法はまた、そのような応答指示が周期的またはタイムリーな様式で通信されない状況に対処することもできる。すなわち、本制御技法の適用は、プロセス変数の測定値更新の欠如に限定する必要はない。むしろ、本制御技法は、アクチュエータの位置または下流の制御要素の出力などの他の応答指示の欠如に関与する状況に対処するように、好都合に利用することができる。なお更に、本制御技法は、コントローラ(または制御要素)から、フィールドデバイス(例えば、アクチュエータ)または別の制御要素(例えば、カスケード型PID制御、スプリッタなど)などの下流の要素への伝送の喪失、遅延、または他の利用不能に関与する状況に対処するために利用することができる。 As explained below, the control techniques discussed herein can also address situations where such response indications are not communicated in a periodic or timely manner. That is, application of the control techniques need not be limited to a lack of measurement updates of a process variable. Rather, the control techniques can be advantageously utilized to address situations involving a lack of other response indications, such as the position of an actuator or the output of a downstream control element. Still further, the control techniques can be utilized to address situations involving a loss, delay, or other unavailability of transmission from a controller (or control element) to a downstream element, such as a field device (e.g., an actuator) or another control element (e.g., a cascaded PID control, splitter, etc.).
コントローラ若しくは制御要素への追加的なデータ(すなわち、応答指示または下流の要素のフィードバック)の、またはコントローラ若しくは制御要素からの追加データ(すなわち、制御信号)の、無線または他の信頼できない伝送は、通信の問題及び/または課題に対する追加的な可能性を提供する。上で説明されるように、下流の要素(例えば、アクチュエータ)からのフィードバックは、積分寄与(または他の制御パラメータ若しくは寄与)を決定する際に関与させることができる。この実施例において、制御ルーチンは、上で説明される実施例においてフィードバックされる単一プロセス変数ではなく、2つのフィードバック信号に依存する。更に、制御信号が下流の要素に今まで到達していない場合、プロセスは、制御スキームの恩恵を受けない。これらの信号のうちのいずれか1つの伝送は、遅延するか、または喪失する場合があり、したがって、本明細書で説明される技法は、どちらの可能性にも対処する。 Wireless or other unreliable transmission of additional data (i.e., response indications or feedback of downstream elements) to or from the controller or control element (i.e., control signals) provides additional potential for communication problems and/or challenges. As described above, feedback from downstream elements (e.g., actuators) can be involved in determining the integral contribution (or other control parameters or contributions). In this embodiment, the control routine relies on two feedback signals rather than the single process variable that is fed back in the embodiment described above. Furthermore, if the control signal has not yet reached the downstream element, the process will not benefit from the control scheme. The transmission of any one of these signals may be delayed or lost, and thus the techniques described herein address both possibilities.
フィルタまたは他の制御計算に関与する応答指示の欠如は、更新を受信するまで、予想される応答(または他の制御信号成分)の指示を維持することによって対処することができる。 A lack of response indication involving a filter or other control calculation can be addressed by maintaining an indication of the expected response (or other control signal component) until an update is received.
制御信号が下流の要素に到達しないときに、下流の要素からの応答指示(すなわち、フィードバック)は、変化しない。そのような事例において、値の変化の欠如は、値の変化を受信するまで、予想される応答(または他の制御信号成分)の指示を同様に維持するために、コントローラ(または制御要素)の論理をトリガーすることができる。 When the control signal does not reach the downstream element, the response indication (i.e., feedback) from the downstream element does not change. In such cases, the lack of a change in value can trigger logic in the controller (or control element) to similarly maintain an indication of the expected response (or other control signal component) until a change in value is received.
本制御技法はまた、実際のフィードバックデータが所望されないか、または利用できない状況でも実施することができる。前者の事例は、制御信号に対する暗黙の応答を使用するといった簡単さが有益である状況において好都合である場合がある。例えば、実際のフィードバックデータの通信は、問題を含むか、または非実用的である場合がある。後者の事例は、上で説明されるように、位置測定値データを提供するように構成されないアクチュエータまたは他のデバイスが関与する場合がある。より古いデバイスは、そのような性能を有しない場合がある。 The present control techniques can also be implemented in situations where actual feedback data is not desired or available. The former case may be advantageous in situations where the simplicity of using an implicit response to a control signal is beneficial. For example, communication of actual feedback data may be problematic or impractical. The latter case may involve actuators or other devices that are not configured to provide position measurement data, as described above. Older devices may not have such capabilities.
そのようなデバイスに適応するために、暗黙または実際のいずれかの応答指示を本制御技法が使用することを可能にするように、スイッチまたは他のデバイスを提供することができる。図8に例示されるように、コントローラ150は、スイッチ152に連結され、よって、暗黙及び実際の応答指示の双方を受信する。この事例において、制御スキームの実施が応答指示のタイプを知ることに依存しないので、コントローラ150は、上で説明されるコントローラのうちのいずれかと同一とすることができる。スイッチ152は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせで実施することができる。スイッチ152の制御は、コントローラ150及び任意の制御ルーチンの実施とは無関係とすることができる。代替的にまたは追加的に、コントローラ150は、スイッチ152を構成するために、制御信号を提供することができる。更に、スイッチ152は、コントローラ自体の一部として実施することができ、また、いくつかの事例では、通信スタックの一部またはコントローラの他の部分として統合することができる。 To accommodate such devices, a switch or other device can be provided to allow the control technique to use either implicit or actual response indications. As illustrated in FIG. 8, the controller 150 is coupled to the switch 152 and thus receives both implicit and actual response indications. In this case, the controller 150 can be the same as any of the controllers described above, since the implementation of the control scheme does not depend on knowing the type of response indication. The switch 152 can be implemented in software, hardware, firmware, or any combination thereof. The control of the switch 152 can be independent of the implementation of the controller 150 and any control routines. Alternatively or additionally, the controller 150 can provide control signals to configure the switch 152. Furthermore, the switch 152 can be implemented as part of the controller itself, and in some cases can be integrated as part of the communication stack or other parts of the controller.
制御方法、システム、及び技法の実践は、いずれか1つの特定の無線アーキテクチャまたは通信プロトコルに限定されない。適切な例示的なアーキテクチャ及び通信サポートスキームは、2005年6月17日に出願された米国特許出願第11/156,215号、名称「Wireless Architecture and Support for
Process Control Systems」で説明されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。実際に、制御ルーチンに対する修正は、制御ルーチンが周期的な方法で実施されるが、各制御繰り返しに対するプロセス変数測定値を伴わない、任意の状況に十分適している。他の例示的な状況としては、サンプリングされた値が、例えばアナライザによって、または実験室サンプルを介して、不規則に提供されるか、または滅多に提供されない場合が挙げられる。
Practice of the control methods, systems, and techniques is not limited to any one particular wireless architecture or communication protocol. A suitable exemplary architecture and communication support scheme is described in U.S. patent application Ser. No. 11/156,215, filed Jun. 17, 2005, entitled "Wireless Architecture and Support for Wireless Communications Protocols," which is incorporated herein by reference in its entirety.
The modifications to the control routines are described in "Process Control Systems," vol. 13, No. 1, pp. 1111-1125, 2003, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety. Indeed, the modifications to the control routines are well suited to any situation in which the control routines are performed in a periodic manner but without process variable measurements for each control iteration. Other exemplary situations include those in which sampled values are provided irregularly or infrequently, for example by an analyzer or via laboratory samples.
本制御技法の履行は、単一入力、単一出力のPID制御ルーチン(PI及びPDルーチンを含む)とともに使用することに限定されず、むしろ、多数の異なる多重入力及び/または多重出力制御スキーム、並びにカスケード型制御スキームに適用することができる。より全般的には、本制御技法はまた、1つ以上のプロセス変数、1つ以上のプロセス入力、またはモデル予測制御(MPC)などの他の制御信号に関与する、任意の閉ループモデルに基づく制御ルーチンの状況に適用することもできる。 Implementation of the present control technique is not limited to use with single-input, single-output PID control routines (including PI and PD routines), but rather can be applied to many different multiple-input and/or multiple-output control schemes, as well as cascaded control schemes. More generally, the present control technique can also be applied in the context of any closed-loop model-based control routine involving one or more process variables, one or more process inputs, or other control signals, such as model predictive control (MPC).
図9は、本明細書で説明される原理を使用するが、速度に基づくコントローラの形態でコントローラ300を有するように構成される、更なる例示的な制御システムを例示する。図9の例示的なシステムにおいて、コントローラ300は、例えばワークステーション13(図1及び図3)のうちの1つから、またはプロセス制御システム内の、若しくは該プロセス制御システムと通信している任意の他のソースから設定点信号を受信し、コントローラ300の出力からプロセス301に提供される、1つ以上の制御信号305を発生させるように動作する。制御信号305を受信する他に、プロセス301は、図4において矢印304によって概略的に示される、測定された、または測定されていない外乱を受ける場合がある。プロセス制御アプリケーションのタイプに応じて、設定点信号は、ユーザ、調整ルーチンなどによるなどして、プロセス301の制御中の任意のときに変化させることができる。当然、プロセス制御信号305は、弁と関連付けられるアクチュエータを制御することができ、またはプロセス301の動作の応答に影響を及ぼすように任意の他のフィールドデバイスを制御することができる。プロセス制御信号305の変化に対するプロセス301の応答は、送信機、センサ、または他のフィールドデバイス306によって測定または検知され、例えば、図3に例示される送信機60~64のうちの任意の1つに対応することができる。送信機306とコントローラ300との間の通信リンクは、無線接続を含むことができ、破線を使用して図9に例示される。しかしながら、このリンクはまた、有線通信リンクまたは他のタイプの通信リンクとすることもできる。議論の目的で、送信機306は、低速または間欠的な更新レートで、制御されるプロセス変数(すなわち、被制御変数)または制御されたプロセス変数と相関されるプロキシ変数を測定しているものとみなされる。この低速の更新レートは、周期的または非周期的とすることができ、また、制御されたプロセス変数と関連付けられるプロセス動力学のプロセス応答レートと同程度の大きさであるとみなされる。したがって、プロセス変数測定値は、プロセスの応答時間よりも長い時間間隔あたり一度、プロセス応答時間に類似する時間間隔あたり一度、またはプロセス応答時間よりも僅かに短い時間間隔あたり一度提供される。したがって、いくつかの事例において、この更新レートは、プロセス応答レートの1/2~1/4(プロセス応答時間の逆数)とすることができる。 9 illustrates a further exemplary control system using the principles described herein, but configured with a controller 300 in the form of a speed-based controller. In the exemplary system of FIG. 9, the controller 300 operates to receive a setpoint signal, for example from one of the workstations 13 (FIGS. 1 and 3), or from any other source within or in communication with the process control system, and generate one or more control signals 305 that are provided to the process 301 from an output of the controller 300. In addition to receiving the control signals 305, the process 301 may be subject to measured or unmeasured disturbances, as shown diagrammatically in FIG. 4 by arrows 304. Depending on the type of process control application, the setpoint signal may be changed at any time during the control of the process 301, such as by a user, a tuning routine, or the like. Of course, the process control signals 305 may control actuators associated with valves or any other field devices to affect the response of the operation of the process 301. The response of the process 301 to changes in the process control signal 305 is measured or sensed by a transmitter, sensor, or other field device 306, which may correspond, for example, to any one of the transmitters 60-64 illustrated in FIG. 3. The communication link between the transmitter 306 and the controller 300 may include a wireless connection and is illustrated in FIG. 9 using a dashed line. However, the link may also be a wired communication link or other type of communication link. For purposes of discussion, the transmitter 306 is considered to be measuring the controlled process variable (i.e., the controlled variable) or a proxy variable correlated with the controlled process variable at a slow or intermittent update rate. This slow update rate may be periodic or aperiodic, and is considered to be on the same order of magnitude as the process response rate of the process dynamics associated with the controlled process variable. Thus, process variable measurements are provided once per time interval longer than the response time of the process, once per time interval similar to the process response time, or once per time interval slightly shorter than the process response time. Therefore, in some cases, this update rate can be 1/2 to 1/4 of the process response rate (the inverse of the process response time).
図9に例示される簡単な実施形態において、コントローラ300は、PI制御ルーチンなどの単一入力、単一出力の閉ループ制御ルーチンを実施することができ、これは、PID制御ルーチンの1つの形態である。故に、コントローラ300は、通信スタック380を含むいくつかの標準PIコントローラ要素と、加算ブロック308、比例ゲイン要素310、及び更なる加算ブロック312を含む制御信号生成部とを含む。制御ルーチン300はまた、フィルタ316と、選択ブロック318を含む積分出力スイッチとを含む、直接積分フィードバック経路も含む。しかしながら、この事例において、図9のPIコントローラは、制御信号の比例及び積分成分に関する位置及び差分の制御算出を行うように構成される。したがって、コントローラ300はまた、比例成分算出経路に配置される差分ブロック320、積分成分算出経路に配置される加算器322、及び制御信号305を生成するために差分的に算出された制御成分をそこへの入力で使用するブロック324も含む。全般的に言えば、ブロック324は、コントローラ300内で発生させたときに、位置(速度)制御信号の変化をスケーリングするか、または別様には、この信号を、制御デバイスに送信されるアナログまたはデジタル信号に変換して、制御デバイスが、特定の期間にわたってある方向または別の方向にある特定の量だけ移動するように指示する。このブロック324は、例えば、パルス幅変調信号、パルス信号、ターンオン時間を示すデジタル信号、または位置の変化の大きさを示す任意の他の信号を、経時的に制御デバイスに送信することができる。 In a simple embodiment illustrated in FIG. 9, the controller 300 can implement a single-input, single-output closed-loop control routine, such as a PI control routine, which is one form of a PID control routine. Thus, the controller 300 includes some standard PI controller elements, including a communication stack 380, and a control signal generator, including a summing block 308, a proportional gain element 310, and a further summing block 312. The control routine 300 also includes a direct integral feedback path, including a filter 316 and an integral output switch, including a selection block 318. However, in this case, the PI controller of FIG. 9 is configured to perform position and differential control calculations for the proportional and integral components of the control signal. Thus, the controller 300 also includes a difference block 320, which is located in the proportional component calculation path, an adder 322, which is located in the integral component calculation path, and a block 324, which uses the differentially calculated control component at its input to generate the control signal 305. Generally speaking, block 324 scales or otherwise converts the change in position (velocity) control signal, as generated within controller 300, into an analog or digital signal that is sent to the control device to instruct the control device to move a certain amount in one direction or another over a certain period of time. This block 324 may send, for example, a pulse width modulated signal, a pulse signal, a digital signal indicating turn-on time, or any other signal to the control device indicating the magnitude of the change in position over time.
図9に例示されるように、積分フィルタ316は、加算器322の出力に連結され、次にこの出力が加算器312の出力を受信するように連結され、一方で、スイッチのブロック318は、フィルタ316の出力に連結され、コントローラ300によって発生させている制御信号の積分またはリセット寄与または成分を加算ブロック312に提供する。 As illustrated in FIG. 9, an integral filter 316 is coupled to the output of the summer 322, which in turn is coupled to receive the output of the summer 312, while a block of switches 318 is coupled to the output of the filter 316 and provides the integral or reset contribution or component of the control signal generated by the controller 300 to the summing block 312.
コントローラ300の各繰り返しまたは動作中に、加算ブロック308は、誤差信号(e)を生成するために、設定点信号と、コントローラ300内で通信スタック380から提供される直前に受信したプロセス変数測定値とを比較する。比例ゲイン要素またはブロック310は、速度制御信号の比例寄与または成分を生成するために、例えば、誤差信号eに比例ゲイン値Kpを乗じることによって、誤差信号eに対して動作する。差分ブロック320は、次いで、(最後または直前のコントローラ繰り返し中生成される)ゲインブロック310の現在の出力とゲインブロック310の直前の値との間の差分を決定することによって、最後のコントローラ繰り返し以来の比例ゲイン値の変化を決定する。次いで、加算ブロック312は、出力ブロック324に提供される速度制御信号326を生成するために、変化ユニット320の出力(すなわち、速度に基づく比例寄与)と、積分フィードバック経路によって生成される制御信号の積分またはリセット寄与または成分とを組み合わせる。 During each iteration or operation of the controller 300, summing block 308 compares the set point signal with the most recently received process variable measurement provided within the controller 300 from the communications stack 380 to generate an error signal (e). A proportional gain element or block 310 operates on the error signal e, for example by multiplying it by a proportional gain value Kp , to generate a proportional contribution or component of the speed control signal. A difference block 320 then determines the change in the proportional gain value since the last controller iteration by determining the difference between the current output of the gain block 310 (generated during the last or previous controller iteration) and the previous value of the gain block 310. The summing block 312 then combines the output of the change unit 320 (i.e., the proportional contribution based on speed) with the integral or reset contribution or component of the control signal generated by the integral feedback path to generate a speed control signal 326, which is provided to an output block 324.
しかしながら、重要なことに、コントローラ300の積分フィードバック経路内の加算器322、フィルタ316、及びブロックまたはスイッチ318は、制御信号の積分またはリセット寄与成分を生成するために、以下の様式で動作する。ここで、加算器322は、各コントローラ繰り返し中に、加算器312の出力(すなわち、移動可能な制御要素の位置の変化を表す、速度に基づく制御信号)を受信するように連結され、また、その値と、(コントローラ300の最後の繰り返し中に発生させた)加算器322の以前の出力Sとを合計して、それによって、実際には、ある特定の期間にわたる出力信号の変化の変化を積分または合計する。加算器322の新しい出力Sは、積分フィルタ316に提供され、該積分フィルタは、図9においてRで示される、制御信号305に対する予想されるプロセス応答の指示を生成する。フィルタ316は、この予想されるプロセス応答信号Rをスイッチまたはブロック318に提供する。しかしながら、図9に示されるように、スイッチまたはブロック318は、新しいプロセス変数測定値を受信したときには常に、スイッチまたはブロック318の出力でフィルタ316の出力をサンプリングし、クランプするが、別様には、いかなる新しいプロセス変数測定値も利用できない制御繰り返し中の積分制御寄与として、ゼロ(0.0)値を加算器312に提供する。したがって、各コントローラ繰り返し中に新しい制御信号を発生させるために積分制御寄与として提供される、スイッチ318の出力は、コントローラ300によって使用するために新しいプロセス変数測定値を利用することができるコントローラ繰り返し中にだけ、フィルタ316の出力であり、別様にはゼロ(0.0)である。通信スタック380によって生成された新しい値フラグが設定される度に(新しいプロセス変数測定値がコントローラ300で利用することができることを示す)、加算器322は、出力をゼロに設定し、新しい期間にわたる加算を開始する。したがって、実際には、加算器322は、プロセス変数測定値変更の間の各コントローラ繰り返しにわたって、制御出力信号の変化を合計し、(コントローラ繰り返し中に)コントローラ300で新しいプロセス変数測定値更新を受信した後には常にリセットする。 Importantly, however, the adder 322, filter 316, and block or switch 318 in the integral feedback path of the controller 300 operate in the following manner to generate an integral or reset contribution to the control signal: Here, the adder 322 is coupled to receive the output of the adder 312 (i.e., the velocity-based control signal representing the change in position of the movable control element) during each controller iteration, and sums that value with the previous output S of the adder 322 (generated during the last iteration of the controller 300), thereby, in effect, integrating or summing the change in the output signal over a certain period of time. The new output S of the adder 322 is provided to the integral filter 316, which generates an indication of the expected process response to the control signal 305, shown as R in FIG. 9. The filter 316 provides this expected process response signal R to the switch or block 318. However, as shown in FIG. 9, the switch or block 318 samples and clamps the output of the filter 316 at the output of the switch or block 318 whenever a new process variable measurement is received, but otherwise provides a zero (0.0) value to the adder 312 as the integral control contribution during control iterations in which no new process variable measurements are available. Thus, the output of the switch 318 provided as the integral control contribution to generate a new control signal during each controller iteration is the output of the filter 316, otherwise zero (0.0), only during controller iterations in which new process variable measurements are available for use by the controller 300. Each time the new value flag generated by the communication stack 380 is set (indicating that a new process variable measurement is available to the controller 300), the adder 322 sets its output to zero and begins summing over a new period. Thus, in effect, the adder 322 sums the change in the control output signal over each controller iteration between process variable measurement changes, and resets after any new process variable measurement update is received by the controller 300 (during a controller iteration).
フィルタ316によって生成されるような、制御信号の変化に対する予想されるプロセス応答は、下でより詳細に説明されるように、一次モデルを使用して近似することができる。しかしながら、より全般的には、予想されるプロセス応答は、プロセス301の任意の適切なモデルを使用して生成することができ、コントローラ300のフィードバック経路に組み込まれるモデルに、または制御信号に対する積分若しくはリセット寄与を決定することと関連付けられるフィルタまたはモデルに限定されない。例えば、予想されるプロセス応答を提供するためにモデルを利用するコントローラは、制御ルーチン300がPID制御スキームを実行するように、微分寄与を組み込むことができる。例示的な微分寄与を組み込む一実施例は、図10に関連して下で説明される。 The expected process response to a change in the control signal, as produced by the filter 316, may be approximated using a first-order model, as described in more detail below. More generally, however, the expected process response may be generated using any suitable model of the process 301 and is not limited to a model incorporated into the feedback path of the controller 300 or to a filter or model associated with determining an integral or reset contribution to the control signal. For example, a controller utilizing a model to provide an expected process response may incorporate a derivative contribution such that the control routine 300 implements a PID control scheme. One example of incorporating an exemplary derivative contribution is described below in connection with FIG. 10.
いずれにしても、下で説明される制御技法は、コントローラ300がプロセス変数の低速または非周期的更新を受信したときに、リセットまたは積分寄与を決定するためのポジティブフィードバック経路を使用することを可能にするが、それでも、新しいプロセス変数測定値の受信の間に起こる設定点変化またはフィードフォワードの変化が生じた場合に、ロバストなコントローラ応答を可能にする。具体的には、フィルタ316は、フィルタ316のこの出力が制御信号の積分成分として加算ブロック312に提供されたかどうかにかかわらず、コントローラ300のそれぞれまたは全ての実行の間、予想されるプロセス応答の新しい指示または値を算出するように構成される。その結果、コントローラ300が通信スタック380からの新しいプロセス測定値更新を受信した直後に(またはその実行サイクル中に)生成されたフィルタ316の出力だけが、加算器312の積分またはリセット寄与として使用される場合であっても、コントローラルーチンの各実行サイクル中に、フィルタ316の出力が新しく再生される。 In any event, the control technique described below allows the controller 300 to use a positive feedback path for determining the reset or integral contribution when it receives slow or non-periodic updates of the process variable, yet still allows for a robust controller response in the event of setpoint or feedforward changes occurring between receipt of new process variable measurements. Specifically, the filter 316 is configured to calculate a new indication or value of the expected process response during each or every execution of the controller 300, regardless of whether this output of the filter 316 is provided to the summing block 312 as an integral component of the control signal. As a result, the output of the filter 316 is newly regenerated during each execution cycle of the controller routine, even if only the output of the filter 316 generated immediately after (or during) the controller 300 receives a new process measurement update from the communication stack 380 is used as the integral or reset contribution of the summer 312.
具体的には、フィルタ316によって生成されるような予想される応答Rの新しい指示は、現在の加算器出力S(すなわち、最後のプロセス変数測定値更新以来の、加算器312によって出力された制御信号の合計した変化)、最後の(すなわち、直前の)コントローラ実行サイクル中に生成されるフィルタ316によって生成される予想される応答の指示、及びコントローラの実行期間から、各コントローラ実行サイクル中に算出される。その結果、各コントローラ実行サイクル中に新しいプロセス応答の推定を生成するために実行されるので、フィルタ316は、連続的に更新されるように本明細書で説明される。各コントローラ実行サイクル中に新しい予想されるプロセス応答またはフィルタを生成するために、連続的に更新されるフィルタ316によって実施することができる、例示的な式が下に記載される。
ここで、新しいフィルタ出力RNは、直前のフィルタ出力RN-1(すなわち、現在のフィルタ出力値)に、加算器322からの現在のコントローラ出力値の合計した変化SN-1と現在のフィルタ出力値RN-1との間の差分にリセット時間TReset及びコントローラの実行期間ΔTに依存する係数を乗じたものを加えて決定される減衰成分を加えて、繰り返し決定されることに気が付くであろう。この様式で連続的に更新するフィルタを使用することで、制御ルーチン300は、新しいプロセス変数測定値を受信したときに積分制御信号入力を算出したときに、予想されるプロセス応答をより良好に決定することができ、それによって、設定点の変化に対して、または2つのプロセス変数測定値の受信の間に起こる他のフィードフォワード外乱に対してより敏感になる。しかしながら、この積分経路の算出は、制御システムが、低速に受信した、または間欠的プロセス変数のフィードバック測定値の存在下でワインドアップすることを防止する。より具体的には、設定点の変化(新しいプロセス測定値の受信を伴わない)が、加算器308の出力での誤差信号の変化を直ちにもたらし、これは、速度制御信号326の比例寄与成分を変化させ、したがって、制御信号305を変化させることに気が付くであろう。その結果、加算器322は、その量だけその出力Sを増加させ、次いで、フィルタ316は、変化した制御信号に対するプロセスの新しい予想される応答を直ちに生成し始め、したがって、コントローラ300が新しいプロセス測定値を受信する前に出力を更新する。次いで、コントローラ100が新しいプロセス測定値を受信し、フィルタ出力のサンプルが制御信号の積分またはリセット寄与成分として使用されるように、スイッチ318によって加算器312の入力にクランプされたときに、フィルタ316は、少なくともある程度は、以前に送信した制御信号305に基づいて、設定点の変化に対するプロセス301の応答に反応した、またはそれを組み込んだ、予想されるプロセス応答を繰り返している。しかしながら、加算器308によって生成される誤差信号eが、プロセス変数測定値をコントローラ300で受信する時間の間の、プロセス変数の変化を反映することを可能にするために、この積分値は、新しい測定値を受信したときに、制御信号326に加えられるだけである。プロセス変数測定値を受信する時間の間のコントローラ繰り返しにおいて、加算器312に提供される積分要素は、ゼロに設定される。この技法は、制御システム300が、ワインドアップすることを防止するか、または補助する。実際には、フィルタ316によって生成される積分要素は、その後のプロセス変数フィードバックを受信する時間(コントローラ繰り返し)の間のプロセス応答を推定し、そして、実際のプロセス変数応答が予想される通りであった場合に、コントローラ300で新しいプロセス変数測定値を受信したときに、積分成分は、比例経路において生成される値をゼロに設定する。プロセスの予想される応答が、この時間中の実際のプロセス応答とは異なる場合、積分成分は、アクチュエータを移動させるように制御信号326を変化させ、それによって、アクチュエータの位置を修正する。 It will be noted that the new filter output R N is iteratively determined by adding a damping component determined by adding the difference between the summed change S N-1 in the current controller output value from summer 322 and the current filter output value R N-1 multiplied by a coefficient that depends on the reset time T Reset and the controller execution period ΔT. By using a filter that is continuously updated in this manner, the control routine 300 is able to better determine the expected process response when calculating the integral control signal input upon receiving a new process variable measurement, thereby being more sensitive to set point changes or other feedforward disturbances that occur between the receipt of two process variable measurements. However, this calculation of the integral path prevents the control system from winding up in the presence of slowly received or intermittent process variable feedback measurements. More specifically, it will be noted that a change in the set point (without receipt of a new process measurement) immediately results in a change in the error signal at the output of summer 308, which changes the proportional contribution of the speed control signal 326 and therefore the control signal 305. As a result, summer 322 increases its output S by that amount and filter 316 then immediately begins to generate a new expected response of the process to the changed control signal, thus updating the output before the controller 300 receives a new process measurement. Then, when the controller 100 receives a new process measurement and a sample of the filter output is clamped by switch 318 to the input of summer 312 for use as the integral or reset contribution of the control signal, filter 316 is repeating, at least in part, the expected process response that reacted to or incorporated the response of the process 301 to the set point change, based on the previously transmitted control signal 305. However, to allow the error signal e generated by summer 308 to reflect changes in the process variable during the time that the process variable measurement is received at the controller 300, this integral value is only added to the control signal 326 when a new measurement is received. In controller iterations during the time that the process variable measurement is received, the integral element provided to summer 312 is set to zero. This technique prevents or helps the control system 300 from winding up. In effect, the integral element generated by filter 316 estimates the process response during the time that the subsequent process variable feedback is received (controller iteration), and if the actual process variable response was as expected, then when a new process variable measurement is received at the controller 300, the integral component sets the value generated in the proportional path to zero. If the expected response of the process differs from the actual process response during this time, the integral component changes the control signal 326 to move the actuator, thereby correcting the actuator position.
過去において、米国特許第7,587,252号及び第7,620,460号で説明されるシステムでのように、非周期的に更新されるコントローラのフィードバック経路において使用されるリセット寄与フィルタは、新しいプロセス変数測定値を使用することができたときに、予想される応答の新しい指示だけを算出した。その結果、リセット寄与フィルタは、設定点変化またはフィードフォワード外乱が任意の測定値更新から完全に独立していたので、プロセス変数測定値の受信の間に起こった設定点変化またはフィードフォワード外乱を補償しなかった。例えば、設定点変化またはフィードフォワード外乱が2つの測定値更新の間に起こった場合は、予想される応答の新しい指示の算出が最後の測定値更新以来の時間及び現在のコントローラ出力305に基づいていたので、コントローラの予想されるプロセス応答が歪められる可能性があった。その結果、フィルタ316は、コントローラでの2つのプロセス変数測定値の受信の間に起こった設定点変化(または他のフィードフォワード外乱)から生じた、プロセス(または制御信号)の時間変化を補償し始めることができなかった。 In the past, reset contribution filters used in the feedback path of non-periodically updated controllers, such as in the systems described in U.S. Patents 7,587,252 and 7,620,460, only calculated a new indication of expected response when a new process variable measurement was available. As a result, the reset contribution filter did not compensate for setpoint changes or feedforward disturbances that occurred between receipt of a process variable measurement, because the setpoint changes or feedforward disturbances were completely independent of any measurement updates. For example, if a setpoint change or feedforward disturbance occurred between two measurement updates, the expected process response of the controller could be distorted because the calculation of a new indication of expected response was based on the time since the last measurement update and the current controller output 305. As a result, the filter 316 could not begin to compensate for time changes in the process (or control signal) that resulted from a setpoint change (or other feedforward disturbance) that occurred between receipt of two process variable measurements at the controller.
しかしながら、理解されるように、図9の制御ルーチン300は、低速のまたは非周期的測定値に対して行われている算出に基づくことによって、予想されるプロセス応答を提供し、一方で、加えて、設定点の変化(またはコントローラ300に対するフィードフォワード入力として使用される任意の測定された外乱)によって引き起こされる変化を補償するために、2つの測定値の受信の間の予想される応答を決定する。したがって、上で説明される制御技法は、予想されるプロセス応答に影響を及ぼし得る設定点変化、測定される外乱に対するフィードフォワードアクションなどに適応することができ、したがって、よりロバストな制御応答を提供する。更に、この制御技法は、コントローラにおけるワインドアップを回避するので、プロセス変数測定値のフィードバックレートがプロセス応答時間の逆数に等しい、更にはそれよりも低いときに(すなわち、コントローラで受信しているフィードバック測定値の間の時間が、プロセス応答時間よりも長いときに)、効果的に動作することができる。 However, as will be appreciated, the control routine 300 of FIG. 9 provides a predicted process response by basing the calculations made on slow or non-periodic measurements, while in addition determining a predicted response between receipt of two measurements to compensate for changes caused by set point changes (or any measured disturbances used as feedforward inputs to the controller 300). Thus, the control technique described above can accommodate set point changes, feedforward actions on measured disturbances, etc. that may affect the predicted process response, thus providing a more robust control response. Furthermore, since this control technique avoids windup in the controller, it can operate effectively when the feedback rate of the process variable measurements is equal to or even lower than the inverse of the process response time (i.e., when the time between feedback measurements being received at the controller is longer than the process response time).
理解されるように、図9に例示される制御技法は、制御ブロックまたはルーチン300の各実行について連続的に更新されるフィルタ316(例えば、リセット寄与フィルタ)を介して、予想される応答の指示を算出する。ここで、コントローラ300は、制御ブロックの各実行について予想される応答の新しい指示を算出するように、連続的に更新されるフィルタ316を構成する。しかしながら、フィルタ316の出力が、加算ブロック312への入力として使用されるべきである場合、通信スタック380及び、いくつかの実施例において、更新検出モジュール82(図3)は、新しいプロセス変数測定値を受信したときに、積分出力スイッチ318及び加算器326の新しい値フラグを生成するために、送信機306からの入来データを処理する。この新しい値フラグは、加算器312の入力に対するこのコントローラ繰り返しについてフィルタ出力値をサンプリングし、クランプすることをスイッチ318に通知する。別様には、スイッチ318は、積分寄与値としてゼロ(0.0)値を加算器312に提供する。 As can be seen, the control technique illustrated in FIG. 9 calculates an indication of the expected response via a continuously updated filter 316 (e.g., a reset contribution filter) for each execution of the control block or routine 300. Here, the controller 300 configures the continuously updated filter 316 to calculate a new indication of the expected response for each execution of the control block. However, if the output of the filter 316 is to be used as an input to the summing block 312, the communication stack 380 and, in some embodiments, the update detection module 82 (FIG. 3) process the incoming data from the transmitter 306 to generate a new value flag for the integral output switch 318 and the adder 326 when a new process variable measurement is received. This new value flag informs the switch 318 to sample and clamp the filter output value for this controller iteration to the input of the adder 312. Alternatively, the switch 318 provides a zero (0.0) value to the adder 312 as the integral contribution value.
新しい値フラグが通信されるかどうかにかかわらず、連続的に更新されるフィルタ316は、制御ルーチンの各繰り返しについて、予想される応答の指示を算出し続ける。予想される応答のこの新しい指示は、制御ブロックの各実行について、積分出力スイッチ318に搬送される。新しい値フラグの存在に応じて、積分出力スイッチ318は、連続的に更新されるフィルタ316からの予想される応答の新しい指示を加算ブロック312に通過させることを可能にすることと、または加算ブロック312への入力時にゼロ値を維持することとの間で切り替える。より具体的には、新しい値フラグが通信されるときに、積分出力スイッチ318は、連続的に更新されるフィルタ316からの予想される応答の直前にまたは現在算出された指示を、加算ブロック312に渡すことを可能にする。その逆に、新しい値フラグが存在しない場合、積分出力スイッチ318は、ゼロ値を加算器312に提供する。 Whether or not a new value flag is communicated, the continuously updated filter 316 continues to calculate an indication of the expected response for each iteration of the control routine. This new indication of the expected response is conveyed to the integral output switch 318 for each execution of the control block. Depending on the presence of the new value flag, the integral output switch 318 switches between allowing the new indication of the expected response from the continuously updated filter 316 to pass to the summing block 312 or maintaining a zero value at the input to the summing block 312. More specifically, when a new value flag is communicated, the integral output switch 318 allows the immediately preceding or currently calculated indication of the expected response from the continuously updated filter 316 to pass to the summing block 312. Conversely, when the new value flag is not present, the integral output switch 318 provides a zero value to the summing block 312.
コントローラ300で新しいプロセス変数測定値を受信し、加算器312で連続フィルタ316の出力Rを使用した後または使用するときに、最後の通信以来の時間は、ゼロ(0)に設定され、連続的なフィルタ出力Rは、ゼロに設定される。同様に、加算器322の出力は、ゼロ(0)に設定される。更に、これらの状況において、加算器312は、ブロック320が差分の算出を行う様式または順序に応じて、新しい制御信号326を発生させるために、ブロック320の出力から連続的なフィルタ出力Rを減算することができる。 After or upon receipt of a new process variable measurement in the controller 300 and use of the output R of the continuous filter 316 in the adder 312, the time since last communication is set to zero (0) and the continuous filter output R is set to zero. Similarly, the output of the adder 322 is set to zero (0). Additionally, in these circumstances, the adder 312 may subtract the continuous filter output R from the output of the block 320 to generate a new control signal 326, depending on the manner or order in which the block 320 performs the difference calculations.
この制御技法は、新しい測定値が通信されるかどうかにかかわらず、連続的に更新されるフィルタ316が、予想されるプロセス応答をモデル化し続けることを可能にする。制御出力が設定点変化または測定された外乱に基づくフィードフォワードアクションの結果として変化する場合、新しい値フラグの存在にかかわりなく、連続的に更新されるフィルタ316は、各制御ルーチン繰り返しにおいて、予想される応答の新しい指示を算出することによって、予想されるプロセス応答を反映する。しかしながら、予想される応答の新しい指示(すなわち、リセット寄与または積分成分)は、新しい値フラグが(積分出力スイッチ318を介して)通信されたときに、コントローラ出力信号の算出にだけ組み込まれ、これは、コントローラ300で低速に受信されたプロセス変数測定値に応答して、コントローラがワインドアップするのを防止するか、または減少させる。 This control technique allows the continuously updated filter 316 to continue to model the expected process response regardless of whether new measurements are communicated. If the control output changes as a result of a setpoint change or a feedforward action based on a measured disturbance, the continuously updated filter 316 reflects the expected process response by calculating a new indication of the expected response at each control routine iteration, regardless of the presence of the new value flag. However, the new indication of the expected response (i.e., the reset contribution or integral component) is only incorporated into the calculation of the controller output signal when the new value flag is communicated (via the integral output switch 318), which prevents or reduces the controller winding up in response to process variable measurements received slowly at the controller 300.
図9の簡単なPIコントローラ構成は、フィルタ316の出力を制御信号に対するリセット寄与として直接使用し、この事例において、閉ループ制御ルーチンのリセット寄与(例えば、上で提示される、連続的に更新されるフィルタの式)は、プロセスが定常状態動作を呈するかどうかを決定するプロセス応答の正確な表現を提供することができることに留意されたい。しかしながら、むだ時間が支配的なプロセスなどの他のプロセスは、予想されるプロセス応答をモデル化するために、むだ時間ユニットを積分算出経路に含むことによって、図5及び図6に例示されるように、追加的な構成要素を図9のコントローラに組み込むことを必要とする場合がある。一次モデルによって十分に表されるプロセスに関しては、全般的に、PI(またはPID)コントローラのリセット時間を決定するために、プロセス時定数を使用することができる。より具体的には、リセット時間がプロセス時定数に等しく設定された場合、リセット寄与は、全般的に、経時的に制御ルーチン300が予想されるプロセス応答を反映するように、比例寄与を無効にする。図9に例示される実施例において、リセット寄与は、プロセス時定数と同じ時定数を有するフィルタを有するポジティブフィードバックネットワークによって達成することができる。他のモデルを使用することができるが、ポジティブフィードバックネットワーク、フィルタ、またはモデルは、既知または近似のプロセス時定数を有するプロセスの予想される応答を決定するための好都合な機構を提供する。PID制御を必要とするプロセスの場合、PID出力に対する、レートとしても知られる微分寄与は、新しい測定値を受信したときにだけ再計算し、更新することもできる。そのような事例において、微分算出は、最後の新しい測定以来の経過時間を使用することができる。プロセス測定値の非周期的受信を使用してより複雑なプロセスを制御するために他のコントローラ成分を使用することができるが、設定点変化に応答してロバストな制御を提供するために図9のフィルタリング技法を使用することができる、コントローラの一実施例が、図10と併せて下で説明される。 Note that the simple PI controller configuration of FIG. 9 directly uses the output of the filter 316 as the reset contribution to the control signal, and in this case the reset contribution of the closed loop control routine (e.g., the continuously updated filter equation presented above) can provide an accurate representation of the process response that determines whether the process exhibits steady-state operation. However, other processes, such as processes dominated by dead time, may require incorporating additional components into the controller of FIG. 9 by including a dead time unit in the integral calculation path to model the expected process response, as illustrated in FIGS. 5 and 6. For processes that are adequately represented by a first-order model, the process time constant can generally be used to determine the reset time of the PI (or PID) controller. More specifically, if the reset time is set equal to the process time constant, the reset contribution generally overrides the proportional contribution so that the control routine 300 reflects the expected process response over time. In the embodiment illustrated in FIG. 9, the reset contribution can be achieved by a positive feedback network with a filter having a time constant the same as the process time constant. Although other models can be used, the positive feedback network, filter, or model provides a convenient mechanism for determining the expected response of a process with a known or approximated process time constant. For processes requiring PID control, the derivative contribution, also known as rate, to the PID output may also be recalculated and updated only when a new measurement is received. In such cases, the derivative calculation may use the elapsed time since the last new measurement. Although other controller components can be used to control more complex processes using non-periodic receipt of process measurements, one example of a controller that can use the filtering technique of FIG. 9 to provide robust control in response to set point changes is described below in conjunction with FIG. 10.
具体的には、図10は、代替のコントローラ(または制御要素)400を描写するが、微分またはレート寄与成分がコントローラ400に組み込まれる点で、図9において上で説明されるコントローラ300と異なる。微分寄与を組み込むことによって、コントローラ400によって実施される制御ルーチンは、いくつかの事例において、比例-積分-微分(PID)制御スキームが実施されるように、追加的なフィードバック機構を含む。 Specifically, FIG. 10 depicts an alternative controller (or control element) 400 that differs from the controller 300 described above in FIG. 9 in that a derivative or rate contribution component is incorporated into the controller 400. By incorporating a derivative contribution, the control routine implemented by the controller 400 includes an additional feedback mechanism, such that in some cases a proportional-integral-derivative (PID) control scheme is implemented.
図10の制御ルーチンまたは技法は、図7及び図8のシステムと関連して上で説明される様式に類似する様式で構成される微分寄与を含み、プロセス変数測定値の低速の、非周期的な、または別様には利用できない更新に適応する。微分寄与は、最後の測定値更新以来の経過時間に基づいて再構成することができる。この様式で、微分寄与(及び結果として生じる出力信号)のスパイクが回避される。より具体的には、図10のシステムにおける微分寄与は、微分ブロック432によって決定され、該微分ブロックは、比例及び積分寄与専用の要素と並列にゲインブロック310から(比例ゲインKpを乗じた)誤差信号を受信し、微分制御成分ODを生成するように動作し、該微分制御成分は、次いで変化ブロック433に提供される。変化ブロック433は、最後のコントローラ繰り返し以来の微分制御成分ODの変化を決定し、この変化を加算器434に提供し、該加算器は、この微分制御成分の変化を加算器312の出力に合計するか、または加えて、制御信号の変化を生成する。この事例において、積分寄与算出経路の加算器322は、加算器434の出力に接続される。しかしながら、図9にも例示される図10の構成要素は、図9に関して説明されるような様式で動作する。ここで、微分ブロック432は、(コントローラでプロセス変数測定値の新しい値を受信したことを示す)新しい値フラグをそこで受信するコントローラ繰り返し中にだけ、新しい微分成分ODを算出するようにだけ動作することが分かるであろう。この動作は、実際には、コントローラ400で新しいプロセス変数測定値を受信しない間の、またはそのときの全てのコントローラ繰り返しに対して、変化ブロック434の出力をゼロに保つ。 The control routine or technique of Figure 10 includes a derivative contribution configured in a manner similar to that described above in connection with the systems of Figures 7 and 8 to accommodate slow, non-periodic, or otherwise unavailable updates of the process variable measurement. The derivative contribution can be reconfigured based on the time elapsed since the last measurement update. In this manner, spikes in the derivative contribution (and the resulting output signal) are avoided. More specifically, the derivative contribution in the system of Figure 10 is determined by a derivative block 432, which receives the error signal (multiplied by the proportional gain Kp ) from the gain block 310 in parallel with elements dedicated to proportional and integral contributions, and operates to generate a derivative control component O D , which is then provided to a change block 433. The change block 433 determines the change in the derivative control component O D since the last controller iteration and provides this change to a summer 434 which sums or adds this change in the derivative control component to the output of the summer 312 to generate a change in the control signal. In this case, the summer 322 of the integral contribution calculation path is connected to the output of the summer 434. However, the components of FIG. 10 which are also illustrated in FIG. 9 operate in the manner described with respect to FIG. 9. Here, it will be seen that the derivative block 432 only operates to calculate a new derivative component O D only during a controller iteration in which it receives a new value flag (indicating that a new value of the process variable measurement has been received at the controller). This operation, in effect, keeps the output of the change block 434 at zero for all controller iterations during or when no new process variable measurements are received at the controller 400.
信頼できない伝送及び、より全般的には、測定値更新の利用不能に適応するために、微分寄与ODは、通信スタック380からの新しい値フラグによって示されるように、測定値更新を受信するまで、最後に決定された値に維持される。この技法は、制御ルーチンが、制御ルーチンの通常の、または確立された実行レートに従って周期的実行を続けることを可能にする。更新された測定値を受信すると、図10に例示されるように、微分ブロック432は、以下の式に従って微分寄与を決定することができる。
当然、所望であれば、微分成分算出ブロック432は、誤差信号を受信するために、加算器308の出力に直接接続することができ、微分ゲイン項KDは、比例ゲインKPを有する微分ゲインを組み込むように設定することができる。微分寄与を決定するためのこの技法によって、プロセス変数(すなわち、制御入力)に対する測定値更新を、出力スパイクを生成することなく、1つ以上の実行連続期間にわたって喪失する、または利用できないようにすることができ、これは、バンプレスな復旧を可能にする。通信が再確立されたときに、またはコントローラで新しいプロセス変数測定値を受信したときに、微分寄与式の項(eN-eN-1)は、微分寄与の標準的な算出において発生させた値と同じ値を発生させることができる。しかしながら、標準的なPID技法の場合、微分寄与を決定する際の除数は、実行期間である。対照的に、本制御技法は、2つの成功裏に受信した測定値の間の経過時間を利用する。実行期間よりも長い経過時間を使用することで、制御技法は、標準PID技法よりも小さい微分寄与を生成し、また、スパイキングが低減される。 Of course, if desired, the derivative component calculation block 432 can be connected directly to the output of the summer 308 to receive the error signal, and the derivative gain term KD can be set to incorporate the derivative gain with the proportional gain KP . This technique for determining the derivative contribution allows measurement updates for the process variable (i.e., the control input) to be lost or unavailable for one or more consecutive execution periods without producing output spikes, which allows for a bumpless recovery. When communication is re-established or a new process variable measurement is received at the controller, the derivative contribution equation term ( eN - eN-1 ) can generate the same value as it would in a standard calculation of the derivative contribution. However, for standard PID techniques, the divisor in determining the derivative contribution is the execution period. In contrast, the present control technique utilizes the elapsed time between two successfully received measurements. By using an elapsed time that is longer than the execution period, the control technique generates a smaller derivative contribution than the standard PID technique, and spiking is reduced.
経過時間の決定を容易にするために、通信スタック80は、図10に示されるように、上で説明される新しい値フラグを微分ブロック432に提供することができる。代替の実施例は、その値に基づいて、新しい測定値または更新の検出を含むこと、または関与させることができる。また、プロセス測定値を、比例または微分成分の算出において誤差の代わりに使用することができる。より全般的には、通信スタック380は、プロセス301内の任意のフィールドデバイス、コントローラの外部のプロセス制御要素などを含む、プロセス301との通信インターフェースを実施するために、任意のソフトウェア、ハードウェア、またはファームウェア(またはそれらの任意の組み合わせ)を含むこと、または関与させることができる。しかしながら、図10のコントローラ400において、連続的に更新されるフィルタ316及びスイッチモジュール318は、設定点変化に応答してロバストな制御を提供するために、図9のコントローラ300に関して上で説明されるものと同じように動作する。 To facilitate the determination of the elapsed time, the communication stack 80 can provide the new value flag described above to the derivative block 432 as shown in FIG. 10. Alternative embodiments can include or involve detection of new measurements or updates based on the value. Also, the process measurement can be used in place of the error in the calculation of the proportional or derivative components. More generally, the communication stack 380 can include or involve any software, hardware, or firmware (or any combination thereof) to implement a communication interface with the process 301, including any field devices within the process 301, process control elements external to the controller, etc. However, in the controller 400 of FIG. 10, the continuously updated filter 316 and switch module 318 operate in the same manner as described above with respect to the controller 300 of FIG. 9 to provide robust control in response to set point changes.
本明細書で説明される制御方法、システム、及び技法の実践は、任意の1つの特定の無線アーキテクチャまたは通信プロトコルに限定されない。適切な例示的なアーキテクチャ及び通信サポートスキームは、2005年6月17日に出願された米国特許出願第11/156,215号、名称「Wireless Architecture and Support for Process Control Systems」で説明されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。実際に、制御ルーチンに対する修正は、制御ルーチンが周期的な方法で実施されるが、各制御繰り返しに対するプロセス変数測定値を伴わない、任意の状況に十分適している。他の例示的な状況としては、サンプリングされた値が、例えばアナライザによって、または実験室サンプルを介して、不規則に提供されるか、または滅多に提供されない場合が挙げられる。 Practice of the control methods, systems, and techniques described herein is not limited to any one particular wireless architecture or communication protocol. A suitable exemplary architecture and communication support scheme is described in U.S. Patent Application No. 11/156,215, entitled "Wireless Architecture and Support for Process Control Systems," filed June 17, 2005, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Indeed, the modifications to the control routine are well suited to any situation in which the control routine is performed in a periodic manner but without process variable measurements for each control iteration. Other exemplary situations include those in which sampled values are provided irregularly or infrequently, for example by an analyzer or via laboratory samples.
本制御技法の履行は、単一入力、単一出力のPID制御ルーチン(PI及びPDルーチンを含む)とともに使用することに限定されず、むしろ、多数の異なる多重入力及び/または多重出力制御スキーム、並びにカスケード型制御スキームに適用することができる。より全般的には、本制御技法はまた、1つ以上のプロセス変数、1つ以上のプロセス入力、またはモデル予測制御(MPC)などの他の制御信号に関与する、任意の閉ループモデルに基づく制御ルーチンの状況に適用することもできる。 Implementation of the present control technique is not limited to use with single-input, single-output PID control routines (including PI and PD routines), but rather can be applied to many different multiple-input and/or multiple-output control schemes, as well as cascaded control schemes. More generally, the present control technique can also be applied in the context of any closed-loop model-based control routine involving one or more process variables, one or more process inputs, or other control signals, such as model predictive control (MPC).
図11~図14は、本明細書で説明される制御ルーチンのシミュレーションされた動作の(具体的には、図10の動作の)グラフィカルな描写を提供するものであり、プロセス応答時間が、制御されたプロセス変数測定値の更新の間の時間に類似するか、更にはそれよりも短い状況における本制御ルーチンの有効性を例示するために、標準的な速度の形態のPID制御アルゴリズムを使用した従来技術のコントローラと比較している。図11~図14のグラフは、オーバーライド制御などの他のタイプの制御を使用することができるが、一次制御だけを使用した、シミュレーションされた制御の実施例を例示する。全般的に言えば、図11A、図12A、図13A、及び図14Aのグラフの各々は、標準的な従来技術の速度に基づくPID制御アルゴリズムの動作を例示するものであり、該アルゴリズムは、新しいプロセス変数測定値を各コントローラ繰り返し中に利用することができる有線フィードバック構成(その動作は、グラフの左側に例示される)、及び無線構成(その動作は、グラフの右側に例示される)の双方を使用する。しかしながら、図11A及び図13Aは、プロセス変数測定値の間のフィードバックレートまたは時間が8秒で、プロセス応答時間が8秒である制御状況を例示し、一方で、図12A及び図14Aは、プロセス変数測定値の間のフィードバックレートまたは時間が8秒で、プロセス応答時間が3秒である、従来技術のコントローラの動作を例示する。同様に、図11及び図12は、設定点変化に応答するコントローラ動作を例示し、一方で、図13及び図14は、外乱変化に応答するこれらの同じコントローラの動作を例示する。比較するために、図11B、図12B、図13B、及び図14Bのグラフは、それぞれ、図11A、図12A、図13A、及び図14Aと同じプロセス制御状況における、本明細書で説明される速度に基づくPIDアルゴリズムの動作を例示する。 11-14 provide graphical depictions of the simulated operation of the control routine described herein (specifically, the operation of FIG. 10) compared to a prior art controller using a standard speed-form PID control algorithm to illustrate the effectiveness of the present control routine in situations where the process response time is similar to or even shorter than the time between updates of the controlled process variable measurements. The graphs of FIGS. 11-14 illustrate simulated control examples using only primary control, although other types of control, such as override control, can be used. Generally speaking, each of the graphs of FIGS. 11A, 12A, 13A, and 14A illustrate the operation of a standard prior art speed-based PID control algorithm using both a wired feedback configuration (the operation of which is illustrated on the left side of the graph) and a wireless configuration (the operation of which is illustrated on the right side of the graph) that can utilize new process variable measurements during each controller iteration. However, Figures 11A and 13A illustrate a control situation where the feedback rate or time between process variable measurements is 8 seconds and the process response time is 8 seconds, while Figures 12A and 14A illustrate the operation of a prior art controller where the feedback rate or time between process variable measurements is 8 seconds and the process response time is 3 seconds. Similarly, Figures 11 and 12 illustrate the controller operation in response to a set point change, while Figures 13 and 14 illustrate the operation of these same controllers in response to a disturbance change. For comparison, the graphs of Figures 11B, 12B, 13B, and 14B respectively illustrate the operation of the speed-based PID algorithm described herein in the same process control situation as Figures 11A, 12A, 13A, and 14A.
全般的に言えば、以下のパラメータは、図11~図14に描写されるシミュレーションされた制御動作において使用したものであり、これらの試験は、上で説明されるように、有線及び無線入力に対して、並びに設定点の変化及び測定されていない外乱に対して行った。試験で使用する制御及びプロセスのシミュレーションは、以下のようにセットアップした。
8秒のプロセス応答に対する試験
一次プロセス(同じゲイン及び動力学)
プロセスゲイン=1
プロセス時間定数=8秒
プロセスむだ時間=0秒
一次に対するPIDの調整(ラムダ係数1.0)
比例ゲイン=1
積分ゲイン=7.5繰り返し/分
3秒のプロセス応答に対する試験
一次プロセス(同じゲイン及び動力学)
プロセスゲイン=1
プロセス時間定数=3秒
プロセスむだ時間=0秒
一次に対するPIDの調整(ラムダ係数1.0)
比例ゲイン=1
積分ゲイン=20繰り返し/分
モジュール実行レート
全ての試験について0.5秒
無線通信更新レート
全ての試験について8秒周期
外乱入力
一次測定値にだけ影響
ゲイン=1
Generally speaking, the following parameters were used in the simulated control operations depicted in Figures 11-14, and these tests were conducted for wired and wireless inputs, as well as for set point changes and unmeasured disturbances, as described above. The simulation of the control and process used in the tests was set up as follows:
Test for 8 second process response First order process (same gain and dynamics)
Process Gain = 1
Process time constant = 8 seconds Process dead time = 0 seconds PID tuned to first order (lambda coefficient 1.0)
Proportional gain = 1
Integral gain = 7.5 repetitions/min Test for 3 second process response First order process (same gain and dynamics)
Process Gain = 1
Process time constant = 3 seconds Process dead time = 0 seconds PID tuned to first order (lambda coefficient 1.0)
Proportional gain = 1
Integral Gain = 20 iterations/min. Module Execution Rate 0.5 sec for all tests Wireless Communication Update Rate 8 sec period for all tests Disturbance Input Affects only primary measurements Gain = 1
図11A及び図13Aに例示されるように、従来技術の速度に基づくPID制御アルゴリズムは、プロセス応答時間がプロセス変数測定値の間の間隔に等しい(どちらも8秒に設定される)有線構成及び無線構成の双方において、設定点変化(図11A)に応答して、及び外乱変化(図13A)に対して、多少は満足に動作している。しかしながら、図11A及び図13Aのグラフの円で囲んだ部分によって示されるように、この制御技法は、無線制御中の応答中に、弁位置に大幅な変動を引き起こす。図11B及び図13Bに例示されるように、本明細書で説明される制御技法は、これらの状況(図11Bの設定点変化及び図13Bの外乱変化)においていくらか良好に動作し、有線構成の動作に非常に類似している。 As illustrated in Figures 11A and 13A, the prior art speed-based PID control algorithm performs somewhat satisfactorily in response to set point changes (Figure 11A) and disturbance changes (Figure 13A) in both wired and wireless configurations where the process response time is equal to the interval between process variable measurements (both set to 8 seconds). However, as shown by the circled portions of the graphs in Figures 11A and 13A, this control technique causes significant variations in valve position in response during wireless control. As illustrated in Figures 11B and 13B, the control technique described herein performs somewhat better in these situations (set point changes in Figure 11B and disturbance changes in Figure 13B) and is very similar to the behavior of the wired configuration.
しかしながら、図12A及び図14Aに例示されるように、従来技術の速度に基づくPIDコントローラは、プロセス応答時間が3秒で、プロセス変数更新レートが8秒であるときに、設定点変化及び外乱変化の双方に応答した無線制御中に、あまり十分に動作せず、実際に、不安定になる。しかしながら、図12B及び図14Bに例示されるように、現在の速度に基づく制御ルーチンは、それでも、これらの状況において非常に満足に動作し、プロセス変数測定の更新間隔時間が、プロセス応答時間よりも大きく(長く)、更には大幅に大きい(例えば、2~4倍)ときに、現在説明されている制御ルーチンの有効性を例示している。 However, as illustrated in Figures 12A and 14A, the prior art speed-based PID controller does not perform very well, and in fact becomes unstable, during wireless control in response to both set point changes and disturbance changes when the process response time is 3 seconds and the process variable update rate is 8 seconds. However, as illustrated in Figures 12B and 14B, the current speed-based control routine still performs very satisfactorily in these circumstances, illustrating the effectiveness of the presently described control routine when the update interval time of the process variable measurement is greater (longer) and even significantly greater (e.g., 2-4 times) than the process response time.
「フィールドデバイス」という用語は、本明細書において、いくつかのデバイスまたはデバイスの組み合わせ(すなわち、送信機/アクチュエータのハイブリッドなどの、複数の機能を提供するデバイス)、並びに制御システムにおいて機能を行う任意の他のデバイス(複数可)を含むように、広義に使用される。いずれにしても、フィールドデバイスは、例えば、入力デバイス(例えば、温度、圧力、流量などのプロセス制御パラメータを示すステータス、測定値、または他の信号を提供するセンサ及び機器などのデバイス)、並びにコントローラ及び/または弁、スイッチ、流れ制御デバイスなどの他のフィールドデバイスから受信したコマンドに応答してアクションを行う制御オペレータまたはアクチュエータを含むことができる。 The term "field device" is used broadly herein to include several devices or combinations of devices (i.e., devices that provide multiple functions, such as transmitter/actuator hybrids), as well as any other device(s) that perform a function in a control system. In any case, field devices may include, for example, input devices (e.g., devices such as sensors and instruments that provide status, measurements, or other signals indicative of process control parameters, such as temperature, pressure, flow rate, etc.), as well as control operators or actuators that perform actions in response to commands received from controllers and/or other field devices, such as valves, switches, flow control devices, etc.
本明細書で説明される任意の制御ルーチンまたはモジュールは、複数のデバイスにわたって分散した状態で実施または実行する、その一部を有することができることに留意されたい。その結果、制御ルーチンまたはモジュールは、所望に応じて、異なるコントローラ、フィールドデバイス(例えば、スマートフィールドデバイス)若しくは他のデバイス、または他の制御要素によって実施される一部分を有することができる。同様に、本明細書で説明される、プロセス制御システム内で実施される制御ルーチンまたはモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア等を含む任意の形式をとることができる。そのような機能性を提供することに関与する任意のデバイスまたは要素は、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれに関連付けられるハードウェアが、プロセス制御システム内のコントローラ、フィールドデバイスに配置されるか、または任意の他のデバイス(またはデバイスの集合体)に配置されるかにかかわらず、本明細書では、一般に、「制御要素」と称されることがある。制御モジュールは、例えば、任意のコンピュータ読み出し可能な媒体に記憶されるルーチン、ブロック、またはその任意の要素を含む、プロセス制御システムの任意の一部または一部分とすることができる。そのような制御モジュール、制御ルーチン、またはその任意の一部分(例えば、ブロック)は、本明細書で全般的に制御要素と称される、プロセス制御システムの任意の要素またはデバイスによって実施または実行することができる。モジュールとするか、またはサブルーチン、サブルーチンの一部(一連のコードなど)などの制御手順の任意の一部とすることができる制御ルーチンは、オブジェクト指向プログラミングを使用して、またはラダーロジック、シーケンシャル機能チャート、機能ブロック図を使用して、または任意の他のソフトウェアプログラム言語若しくは設計パラダイムを使用して、任意の所望のソフトウェアフォーマットで実施することができる。同様に、制御ルーチンは、例えば、1つ以上のEPROM、EEPROM、特定用途向け集積回路(ASIC)、または任意の他のハードウェア要素若しくはファームウェア要素にハードコードすることができる。なお更に、制御ルーチンは、グラフィカル設計ツール、または任意の他のタイプのソフトウェア/ハードウェア/ファームウェアプログラミング若しくは設計ツールを含む任意の設計ツールを使用して設計することができる。したがって、コントローラ11は、制御ストラテジまたは制御ルーチンを任意の所望の様式で実施するように構成することができる。 It should be noted that any control routine or module described herein may have portions thereof implemented or executed in a distributed manner across multiple devices. As a result, a control routine or module may have portions implemented by different controllers, field devices (e.g., smart field devices) or other devices, or other control elements, as desired. Similarly, a control routine or module implemented within a process control system as described herein may take any form, including software, firmware, hardware, etc. Any device or element involved in providing such functionality may be referred to herein generally as a "control element," regardless of whether the software, firmware, or hardware associated therewith is located in a controller, field device, or any other device (or collection of devices) within the process control system. A control module may be any part or portion of a process control system, including, for example, a routine, block, or any element thereof stored on any computer-readable medium. Such a control module, control routine, or any portion thereof (e.g., block) may be implemented or executed by any element or device of the process control system, generally referred to herein as a control element. The control routines, which may be modules or any part of a control procedure, such as a subroutine, a portion of a subroutine (such as a sequence of code), etc., may be implemented in any desired software format, using object-oriented programming, or using ladder logic, sequential function charts, function block diagrams, or any other software programming language or design paradigm. Similarly, the control routines may be hard-coded, for example, into one or more EPROMs, EEPROMs, application specific integrated circuits (ASICs), or any other hardware or firmware elements. Still further, the control routines may be designed using any design tool, including graphical design tools, or any other type of software/hardware/firmware programming or design tool. Thus, the controller 11 may be configured to implement the control strategies or control routines in any desired manner.
代替的にまたは追加的に、機能ブロックは、フィールドデバイス自体またはプロセス制御システムの他の制御要素に記憶し、それらによって実施することができるが、それは、システムがフィールドバスデバイスを利用する場合であり得る。制御システムの説明は、機能ブロック制御ストラテジを使用して本明細書で提供されるが、制御技法及びシステムはまた、ラダーロジック、シーケンシャル機能チャートなどの他の規則を使用しても、または任意の他の所望のプログラム言語またはパラダイムを使用しても、実施または設計することができる。 Alternatively or additionally, the function blocks may be stored in and implemented by the field devices themselves or other control elements of the process control system, which may be the case if the system utilizes fieldbus devices. Although the control system descriptions are provided herein using function block control strategies, the control techniques and systems may also be implemented or designed using other conventions, such as ladder logic, sequential function charts, or any other desired programming language or paradigm.
実施するときに、本明細書で説明されるソフトウェアのいずれかは、磁気ディスク、レーザーディスク、または他の記憶媒体、コンピュータ若しくはプロセッサのRAM若しくはROMなどの、任意のコンピュータ読み出し可能なメモリに記憶することができる。同様に、このソフトウェアは、例えば、コンピュータ読み出し可能なディスク若しくは他の可搬型コンピュータ記憶機構、または電話回線、インターネット、ワールドワイドウェブ、任意の他のローカルエリアネットワーク、若しくはワイドエリアネットワークなどの通信チャネルを含む、任意の既知の、または所望の配信方法を使用して、ユーザ、プロセスプラント、またはオペレータワークステーションに配信することができる(配信は、可搬型記憶媒体を介して、かかるソフトウェアを提供することと同じであるか、または互換性があると見なされる)。更に、このソフトウェアは、変調若しくは暗号化を伴わずに直接提供することができ、または通信チャネルを通じて送信される前に、任意の適切な変調搬送波及び/または暗号化技術を使用して、変調及び/または暗号化することができる。 In implementation, any of the software described herein can be stored in any computer-readable memory, such as a magnetic disk, laser disk, or other storage medium, the RAM or ROM of a computer or processor. Similarly, the software can be distributed to a user, process plant, or operator workstation using any known or desired distribution method, including, for example, a computer-readable disk or other portable computer storage mechanism, or a communication channel, such as a telephone line, the Internet, the World Wide Web, any other local area network, or a wide area network (wherein distribution is considered to be the same as or compatible with providing such software via a portable storage medium). Furthermore, the software can be provided directly without modulation or encryption, or can be modulated and/or encrypted using any suitable modulation carrier and/or encryption technique before being transmitted over a communication channel.
このように、本発明を例示することだけを意図し、限定することは意図せずに、本発明を具体的な実施例を参照しながら説明してきたが、当業者には、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、制御技法に変更、追加、または削除を行うことができることが明らかになるであろう。 Thus, the present invention has been described with reference to specific embodiments that are intended to be illustrative only and not limiting, but it will be apparent to one skilled in the art that modifications, additions, or deletions can be made to the control techniques without departing from the spirit and scope of the invention.
Claims (18)
前記プロセスコントローラは、
前記プロセスコントローラの前記多数のコントローラ繰り返しのレートよりも低いレートで、前記プロセス変数の新しい値を受信する、通信ユニットと、
前記プロセスコントローラの前記繰り返しの各々の間に比例制御信号値を発生させる、比例制御要素であって、
前記プロセス変数に対する設定点値と受信したプロセス変数の値との間の差分を決定する、第1の加算器、及び
前記第1の加算器に連結される比例ゲインユニット、を含む、比例制御要素と、
前記プロセスコントローラの前記繰り返しの各々の間に積分制御信号値を発生させる、積分制御要素であって、
前記プロセスコントローラの以前の繰り返し中に発生させた積分制御寄与の以前の値に基づいて、及び新しいプロセス変数の測定値を受信した最後の繰り返し以来の全ての以前の繰り返しに対する合計制御信号値に基づいて、前記プロセスコントローラの各繰り返し中に、前記積分制御寄与を決定する、連続的に更新される繰り返しフィルタ、
前記積分制御寄与を受信する前記連続的に更新される繰り返しフィルタに連結される、スイッチであって、(1)前記通信ユニットでの前記プロセス変数の新しい測定値の受信と関連付けられるプロセスコントローラ繰り返し中にだけ、前記積分制御信号値として、前記連続的に更新される繰り返しフィルタによって発生させた前記積分制御寄与を提供するように動作し、また、(2)前記通信ユニットで受信された前記プロセス変数の新しい値の受信と関連付けられないコントローラ繰り返し中に、前記積分制御信号値として前記積分制御寄与の以前の値又はゼロ値を提供する、スイッチ、及び
前記制御信号を生成するために、各プロセスコントローラ繰り返し中に、前記比例制御信号値及び前記積分制御信号値を合計する、第2の加算器、を含む積分制御要素とを備え、
前記積分制御要素が、前記連続的に更新される繰り返しフィルタに連結される第3の加算器を更に含み、前記第3の加算器が、以前のコントローラ繰り返しに対する前記制御信号を合計して前記合計制御信号値を生成し、前記第3の加算器が、前記合計制御信号値を前記連続的に更新される繰り返しフィルタへの入力として提供し、
前記第3の加算器が、前記通信ユニットで前記プロセス変数の新しい値を受信した時点で、前記合計制御信号値をリセットする、プロセスコントローラ。 a process controller generating a control signal for controlling a process variable during each of a number of controller iterations of the process controller;
The process controller includes:
a communications unit for receiving new values of the process variables at a rate that is less than a rate of the multiple controller iterations of the process controller;
a proportional control element that generates a proportional control signal value during each of the iterations of the process controller,
a proportional control element including: a first summer to determine a difference between a set point value for the process variable and a received value of the process variable; and a proportional gain unit coupled to the first summer;
an integral control element that generates an integral control signal value during each of the iterations of the process controller;
a continuously updated iterative filter that determines the integral control contribution during each iteration of the process controller based on a previous value of the integral control contribution generated during a previous iteration of the process controller and based on a total control signal value for all previous iterations since the last iteration in which a new process variable measurement was received ;
a switch coupled to the continuously updated repetitive filter that receives the integral control contribution, the switch being operative to (1) provide the integral control contribution generated by the continuously updated repetitive filter as the integral control signal value only during process controller iterations associated with receipt of a new measurement of the process variable at the communication unit, and (2) provide a previous value of the integral control contribution or a zero value as the integral control signal value during process controller iterations not associated with receipt of a new value of the process variable received at the communication unit ; and
and an integral control element including a second summer that sums the proportional control signal value and the integral control signal value during each process controller iteration to generate the control signal;
the integral control element further includes a third adder coupled to the continuously updated repetitive filter, the third adder summing the control signals for previous controller iterations to generate the total control signal value , the third adder providing the total control signal value as an input to the continuously updated repetitive filter;
The process controller, wherein the third adder resets the total control signal value upon receiving a new value of the process variable at the communication unit.
コンピュータ処理デバイスを介して、前記制御ルーチンの前記多数のコントローラ繰り返しのレートよりも低いレートで、制御されているプロセス変数の新しい値を受信することと、
コンピュータ処理デバイスを使用して、前記制御ルーチンの前記多数の繰り返しの各々の間に、制御信号を生成する際に使用するための、差分に基づく積分フィードバック寄与を発生させることであって、新しいプロセス変数値を受信した前記制御ルーチンの最後の繰り返し以来の前記制御ルーチンの全ての以前の繰り返しを合計して合計制御信号値を生成すること、前記合計制御信号値を連続的に更新される繰り返しフィルタに提供すること、及び前記制御ルーチンの先行する繰り返しの積分フィードバック寄与値及び前記合計制御信号値から、前記制御ルーチンの現在の繰り返しに対する現在の積分フィードバック寄与値を決定するために、前記多数の繰り返しの各々の間に、前記連続的に更新される繰り返しフィルタを使用することを含む、発生させることと、
新しいプロセス変数値を受信する各繰り返し中にだけ、前記制御ルーチンの前記現在の繰り返しに対する前記制御信号を発生させるために、(1)前記連続的に更新される繰り返しフィルタに連結されたスイッチにより決定された前記現在の積分フィードバック寄与値を使用し、かつ(2)プロセスから新しいプロセス変数値を受信しない繰り返し中に、前記制御信号を発生させるために、前記スイッチにより決定された前記現在の積分フィードバック寄与値又はゼロ値を使用しないことと、
前記プロセス変数を制御するために、前記制御信号を使用することと、を含み、
前記合計することが、以前のコントローラ繰り返しに対する前記制御信号を合計する加算器を使用して前記合計制御信号値を生成することを含み、前記加算器が、前記合計制御信号値を前記連続的に更新される繰り返しフィルタへの入力として提供し、
前記加算器が、前記プロセス変数の新しい値を受信した時点で、前記合計制御信号値をリセットする、
プロセス制御信号を発生させる方法。 1. A method for generating process control signals during each of multiple iterations of a control routine, comprising:
receiving, via a computing device, new values for a controlled process variable at a rate that is less than a rate of the multiple controller iterations of the control routine;
using a computer processing device to generate a difference-based integral feedback contribution for use in generating a control signal during each of the multiple iterations of the control routine, the difference-based integral feedback contribution including summing all previous iterations of the control routine since a last iteration of the control routine that received a new process variable value to generate a total control signal value , providing the total control signal value to a continuously updated iteration filter, and using the continuously updated iteration filter during each of the multiple iterations to determine a current integral feedback contribution value for a current iteration of the control routine from the integral feedback contribution values of prior iterations of the control routine and the total control signal value;
(1) using the current integral feedback contribution value determined by a switch coupled to the continuously updated iterative filter to generate the control signal for the current iteration of the control routine only during each iteration that receives a new process variable value, and (2) not using the current integral feedback contribution value determined by the switch or a zero value to generate the control signal during an iteration that does not receive a new process variable value from a process;
using the control signal to control the process variable;
said summing includes generating said total control signal value using an adder that sums said control signals for previous controller iterations, said adder providing said total control signal value as an input to said continuously updated iterative filter;
resetting the sum control signal value when the adder receives a new value of the process variable;
A method for generating a process control signal.
前記プロセスコントローラは、
前記プロセスコントローラの前記多数のコントローラ繰り返しのレートよりも低いレートで、前記プロセス変数の新しい値を受信する、通信ユニットと、
前記プロセスコントローラの前記繰り返しの各々の間に積分制御信号値を発生させる、積分制御要素であって、
前記プロセスコントローラの以前の繰り返し中に発生させた積分制御寄与の以前の値に基づいて、及び新しいプロセス変数の測定値を受信した最後の繰り返し以来の全ての以前の繰り返しに対する合計制御信号値に基づいて、前記プロセスコントローラの各繰り返し中に、前記積分制御寄与を決定する、連続的に更新される繰り返しフィルタ、
前記積分制御寄与を受信する前記連続的に更新される繰り返しフィルタに連結される、スイッチであって、(1)前記通信ユニットでの前記プロセス変数の新しい測定値の受信と関連付けられるプロセスコントローラ繰り返し中にだけ、前記積分制御信号値として、前記連続的に更新される繰り返しフィルタによって発生させた前記積分制御寄与を提供するように動作し、また、(2)前記通信ユニットでの前記プロセス変数の新しい値の受信と関連付けられないコントローラ繰り返し中に、前記積分制御信号値として前記積分制御寄与の以前の値又はゼロ値を提供する、スイッチ、及び、
前記コントローラ繰り返しの各々の間にプロセスを制御する際に使用するための制御信号を発生させるために、前記積分制御信号値を受信するように連結される、制御信号発生器、を含む積分制御要素と、を備え、
前記積分制御要素が、前記連続的に更新される繰り返しフィルタに連結される加算器をさらに含み、前記加算器が、合計制御信号値を生成するために、以前のコントローラ繰り返しに対する前記制御信号を合計し、前記加算器が、前記合計制御信号値を前記連続的に更新される繰り返しフィルタへの入力として提供し、
前記加算器が、前記通信ユニットで前記プロセス変数の新しい値を受信した時点で、前記合計制御信号値をリセットする、プロセスコントローラ。 a process controller generating a control signal for controlling a process variable during each of a number of controller iterations of the process controller;
The process controller includes:
a communications unit for receiving new values of the process variables at a rate that is less than a rate of the multiple controller iterations of the process controller;
an integral control element that generates an integral control signal value during each of the iterations of the process controller;
a continuously updated iterative filter that determines the integral control contribution during each iteration of the process controller based on a previous value of the integral control contribution generated during a previous iteration of the process controller and based on a total control signal value for all previous iterations since the last iteration in which a new process variable measurement was received ;
a switch coupled to the continuously updated repetitive filter that receives the integral control contribution, the switch (1) operative to provide the integral control contribution generated by the continuously updated repetitive filter as the integral control signal value only during process controller iterations associated with receipt of a new measurement of the process variable at the communication unit, and (2) providing a previous value or a zero value of the integral control contribution as the integral control signal value during process controller iterations not associated with receipt of a new value of the process variable at the communication unit; and
an integral control element including a control signal generator coupled to receive the integral control signal value to generate a control signal for use in controlling a process during each of the controller iterations;
the integral control element further includes an adder coupled to the continuously updated repetitive filter, the adder summing the control signals for previous controller iterations to generate a total control signal value, the adder providing the total control signal value as an input to the continuously updated repetitive filter;
The process controller, wherein the adder resets the total control signal value upon receiving a new value of the process variable at the communication unit.
前記プロセス変数に対する設定点値と受信した前記プロセス変数の値との間の差分を決定する、第1の加算器、及び
前記第1の加算器に連結される比例ゲインユニット、を含む、比例制御要素を更に備え、
前記制御信号発生器が、前記制御信号を生成するために、各プロセスコントローラ繰り返し中に、前記比例制御信号値及び前記積分制御信号値を合計する、第2の加算器を含む、請求項14に記載のプロセスコントローラ。 a proportional control element that generates a proportional control signal value during each of the iterations of the process controller,
a proportional control element including: a first summer to determine a difference between a setpoint value for the process variable and a received value of the process variable; and a proportional gain unit coupled to the first summer;
15. The process controller of claim 14, wherein the control signal generator includes a second summer that sums the proportional control signal value and the integral control signal value during each process controller iteration to generate the control signal.
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