專利名稱：分布式過程控制系統(tǒng)中的先行高頻噪聲補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領域：
本發(fā)明通常涉及分布式過程控制網(wǎng)絡，更準確的說，涉及減小分布式過程控制網(wǎng)絡中的高頻噪聲。
背景技術(shù)：
諸如化學、紙張和石油制造過程之類的大型連續(xù)制造過程，利用大量策略性定位的現(xiàn)場設備以監(jiān)控和控制制造過程中的關(guān)鍵過程參量。這些關(guān)鍵過程參量可使用例如流量計、速度傳感器、壓力變換器和熱電偶之類來測量或者監(jiān)控，或者可使用諸如閥門定位器、伺服馬達、發(fā)熱元件等類設備來操縱或控制。
過去，制造過程曾經(jīng)依賴人工控制系統(tǒng)，例如由操作員讀取壓力計并調(diào)節(jié)相關(guān)壓力閥，以監(jiān)控和控制關(guān)鍵過程參量。采用早期自控系統(tǒng)的制造過程包括本地氣動控制器、發(fā)送器和閥門定位器，以有效控制該過程中分立位置處的關(guān)鍵過程參量。最后，本地氣動控制系統(tǒng)被電-機械系統(tǒng)增強，該電-機械系統(tǒng)使用單一過程控制環(huán)提供本地過程參量的近似決定性控制電壓。圖1是對此類過程控制環(huán)一個簡化實例的示意性說明。該過程控制環(huán)10包括控制器12，其可以是諸如可編程邏輯控制器(PLC)之類執(zhí)行過程控制程序16的數(shù)字計算機，該過程控制程序16可以是軟件程序，或者諸如轉(zhuǎn)換器、電容器和感應器之類被設置為執(zhí)行過程控制程序的模擬元件的硬結(jié)線集合。該控制器12適于進行控制操作，以產(chǎn)生控制信號U，該控制信號U隨后被傳送給過程14。根據(jù)控制器12中所執(zhí)行的過程控制程序16，該控制信號U指令過程14執(zhí)行某些諸如開啟閥、調(diào)節(jié)氣缸沖程、改變溫度設定等功能。響應于控制信號U的過程的進行，由過程變量X來描述，其代表比如經(jīng)過閥的流速、氣缸的位移或化學容器中的溫度。該過程變量X由測量設備18測量，以生成過程變量輸出Y。該測量設備18隨后將過程變量輸出Y作為反饋信號傳送給控制器12。隨后，該控制器12將過程變量輸出Y與存儲的給定點(SP)進行比較，以確定誤差信號E。該控制器12隨后基于誤差信號E和給定點(SP)來執(zhí)行過程控制程序16，以產(chǎn)生修正的控制信號U，且此過程控制程序16可以是比例-積分(PI)、比例-積分-微商(PID)、模糊邏輯或者任何其他類型的控制技術(shù)。采用這種方式，該控制器驅(qū)動環(huán)10，以促使過程變量輸出Y與需要的給定點(SP)相等。
基于分布式控制網(wǎng)絡(DCN)的微處理器的擴散，已使過程控制工業(yè)從諸如上述控制系統(tǒng)那樣依賴本地控制的系統(tǒng)，遷為使用具有較低物理復雜性的控制設備而允許更廣泛總體過程控制的分布式系統(tǒng)。典型的DCN一般包括一或多個位于附近的用戶界面(UI)，比如個人計算機或工業(yè)觸摸屏計算機。用戶界面可適于存儲和執(zhí)行監(jiān)控程序，該監(jiān)控程序可被設計為從單一控制器收集數(shù)據(jù)以提供給用戶。典型地，用戶界面通過計算機網(wǎng)絡被連接到一或多個使用諸如以太網(wǎng)協(xié)議的開放式源通信協(xié)議的控制器。該控制器可適于存儲和執(zhí)行全局過程控制程序，該全局過程控制程序集成大量本地過程控制程序并且監(jiān)視其執(zhí)行，該本地過程控制程序包括分布在物理過程中的控制和監(jiān)控設備在內(nèi)。這些典型地被稱作現(xiàn)場設備的控制和監(jiān)控設備被連接到該控制器上，以允許諸如溫度、壓力和流速之類的關(guān)鍵過程參量被監(jiān)控和控制。該系統(tǒng)可進一步包括一或多個被認為是“靈敏設備”的現(xiàn)場設備，其能夠執(zhí)行諸如定標、報警產(chǎn)生等與控制器獨立或關(guān)聯(lián)的有限控制模式或其他操作。
DCN可被配置為包括任意數(shù)量的通過控制器與用戶界面交互的子網(wǎng)絡或者更小的網(wǎng)絡。每個子網(wǎng)絡的實際配置可基于例如所監(jiān)控和控制的過程參量，子網(wǎng)絡所使用的諸如HART、基礎FIELDBUS和PROFIBUS的通信協(xié)議，以及連接在子網(wǎng)絡上的單一設備的硬件要求而變化。配置有大量諸如Fieldbus設備的靈敏設備的子網(wǎng)絡如果被要求的話，其能夠像包含有主DCN的獨立過程控制網(wǎng)絡那樣工作。按此方式配置有子網(wǎng)絡的DCN要求來自控制器的較低頻率輸入，這反過來釋放了控制器中的計算資源，其隨后可被用于執(zhí)行其他功能或?qū)崿F(xiàn)更復雜的控制程序。
典型DCN中的通信通常是在控制器和現(xiàn)場設備間復用，以管理網(wǎng)絡帶寬有效性，并防止因所有設備試圖同時通信而引起控制器信息超負荷的可能性。典型地，通過為每個現(xiàn)場設備(或子網(wǎng)絡)分配一通信期限以管理通信，通信期限實質(zhì)上是控制器掃描周期中的一保留的時間間隔，在此期間控制器和該現(xiàn)場設備雙方間能傳送信息。此類型周期性通信確保了在任意給定的時間間隔內(nèi)，僅有一個現(xiàn)場設備與控制器通信，這反過來可防止控制器信息超負荷。盡管周期性通信在管理控制器資源和網(wǎng)絡帶寬方面有效，但控制器和單一現(xiàn)場設備之間不可避免的會產(chǎn)生通信延遲，這是由于往返于該現(xiàn)場設備的通信必須被延遲，以待在掃描周期中通信期限被分配給該設備。
由于所監(jiān)控和控制的過程參量的反應時間典型地要比掃描周期慢至數(shù)量級，故較之控制器的處理速度，使用該周期性通信環(huán)的過程控制系統(tǒng)經(jīng)常工作在相對低速的掃描周期上。使用較快的通信環(huán)通常價格昂貴，而且一般也不是必需的。然而，使用低速掃描周期的控制系統(tǒng)不能補償高頻過程變量，該高頻過程變量通常具有的持續(xù)時間，較測量設備和產(chǎn)生補償控制信號的控制器之間的往返通信時間要短。

發(fā)明內(nèi)容
一種分布式控制網(wǎng)絡中高頻過程變量或噪聲的補償方法和裝置，其包括能夠采集高頻過程參量數(shù)據(jù)的測量設備，使用該高頻參量數(shù)據(jù)建立過程參量中高頻噪聲模型的建模程序，以及使用所建立的模型修正控制信號以補償該過程參量中存在的高頻噪聲的補償程序。該測量設備可以較高的頻率測量過程變量，并傳送所測量數(shù)據(jù)的一個子集(例如低頻數(shù)據(jù))給標準控制器，該標準控制器以任何公知方式產(chǎn)生控制信號以控制被測量的過程參量。然而，該高頻過程參量數(shù)據(jù)可被直接傳送給建模程序，以使通信時間延遲降至最低，并管理網(wǎng)絡帶寬的使用。該建模程序分析該高頻數(shù)據(jù)并建立該過程變量中的高頻噪聲數(shù)學模型。所得到的數(shù)學模型隨后可供補償程序使用，以在控制信號被傳送之前改變控制器所產(chǎn)生的控制信號，或者可供受控設備使用。在一個實施例中，該補償程序或建模程序可使用該模型建立高頻噪聲的傳遞函數(shù)，并且在隨后可對該傳遞函數(shù)取倒數(shù)。所得到的取倒的高頻噪聲傳遞函數(shù)可在隨后與控制信號相乘，以生成修正的控制信號，該修正的控制信號補償被監(jiān)控的過程參量中的高頻噪聲。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的控制系統(tǒng)的示意性方框圖；圖2是包括提供高頻噪聲補償?shù)淖泳W(wǎng)絡在內(nèi)的分布式控制網(wǎng)絡的示意性方框圖；圖3是圖解高頻噪聲補償系統(tǒng)的一個實施例中數(shù)據(jù)流的示意性方框圖；圖4是圖解高頻噪聲補償系統(tǒng)的另一個實施例中數(shù)據(jù)流的示意性方框圖；以及圖5是圖解高頻噪聲補償系統(tǒng)的另一個實施例中數(shù)據(jù)流的示意性方框圖。
具體實施例方式
圖2圖解分布式控制網(wǎng)絡20(DCN)，其包括兩個通信連接到物理通信網(wǎng)絡24上的用戶界面(UI)22在內(nèi)，該物理通信網(wǎng)絡24可以是以太網(wǎng)或者任何其他需要的通信網(wǎng)絡。DCN 20進一步包括子網(wǎng)絡26和子網(wǎng)絡28，兩者中任何一個或者這兩者都可以使用諸如HART、PROFIBUS和基礎FIELDBUS協(xié)議之類的任何專有或開放式源通信協(xié)議。圖2中圖解的子網(wǎng)絡26包括控制器30，其可以是個人計算機、可編程邏輯控制器、孤立處理器等適于存儲和執(zhí)行過程控制程序并與UI 22通信的其他設備?？刂破?0通過本地物理網(wǎng)絡32被通信連接到一對輸入/輸出(I/O)設備34a和34b上，且本地物理網(wǎng)絡32可以是專有或者開放式源底板。I/O設備34a舉例來說比如與PROFIBUS協(xié)議相關(guān)的總線或者環(huán)結(jié)構(gòu)上的通信，而I/O設備34b舉例來說比如HART協(xié)議所要求的點到點地形上的通信。I/O設備34a和34b被描述為與眾多采用HART和PROFIBUS通信協(xié)議的現(xiàn)場設備36a-36f通信。如果被要求，I/O設備34a和34b能采用任何其他眾多公知的通信協(xié)議，以提供控制器30和連接在其上的現(xiàn)場設備36a-36f之間的通信?，F(xiàn)場設備36a-36f可包括但并非僅限于諸如溫度、壓力、流速之類的測量設備，或者諸如閥和定位器之類的工作用來控制過程參量的控制設備。
同樣，圖2中圖解的子網(wǎng)絡28包括控制器38，其通過物理網(wǎng)絡40連接到一對I/O設備42a和42b上。I/O設備42a被接合到多個現(xiàn)場設備44a-44c上，現(xiàn)場設備44a-44c可以是例如HART設備。I/O設備42b被現(xiàn)場總線環(huán)48連接到各種現(xiàn)場總線設備50-56上。當然，現(xiàn)場總線設備50-56能夠彼此獨立的工作，并與控制器直接通信(通過I/O設備42b)或者通過總線環(huán)48相互通信。例如，現(xiàn)場總線設備54和56是分別包括處理器58和60以及存儲器62和64在內(nèi)的靈敏設備?，F(xiàn)場總線設備54和56，能夠存儲諸如功能塊或控制模塊之類可以在處理器58和60上執(zhí)行的程序。存儲器62和64還可以被用來存儲數(shù)據(jù)，例如由靈敏設備54和56所采集的過程變量數(shù)據(jù)，或者由其他設備比如設備50或52通過現(xiàn)場總線環(huán)48所提供的其他數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場總線設備50-56以及子網(wǎng)絡26和28上的其他設備，可以按照預定或公知的方式，執(zhí)行諸如過程變量測量和控制操作之類通常在標準過程控制環(huán)中執(zhí)行的功能。例如，現(xiàn)場設備50可測量數(shù)據(jù)并以周期性的方式通過I/O設備42b將所測量的數(shù)據(jù)傳送給控制器38?？刂破?8可以使用所測量的數(shù)據(jù)實現(xiàn)公知的過程控制程序，并且通過環(huán)48將控制信號傳送給設備52，設備52可以是例如閥。
為在環(huán)內(nèi)進行高頻噪聲補償，靈敏設備中的一個，例如設備54，可以測量或以其他方式采集過程變量數(shù)據(jù)，該過程變量數(shù)據(jù)表示待在其上進行高頻噪聲補償?shù)倪^程變量。在這個實例中，執(zhí)行過程變量測量的間隔，快于控制器38所要求的執(zhí)行其標準控制程序的間隔?？偟膩碚f，過程變量測量，將以至少兩倍于擬在過程變量中被控制或補償?shù)脑肼曌罡哳l率的間隔執(zhí)行。將會理解，過程變量測量的精確間隔通常會取決于所執(zhí)行的用于模擬出現(xiàn)在過程變量中的高頻噪聲的建模類型，以及影響所執(zhí)行的用于降低高頻噪聲的補償?shù)钠渌蛩亍?br> 在該例中，設備54將進行過程變量測量并存儲測量值到其存儲器62中。所采集的過程變量測量值除包括控制器38所要求的過程變量的標準低頻測量值之外，還包括以較快間隔獲取的測量值，其指示存在于該過程中的高頻噪聲。因此，當所述的高頻噪聲補償使用設備54所測量的總體(也就是高頻)過程變量測量值時，以較慢間隔采集的過程變量測量值(也就是存儲在存儲器62中的所有過程變量測量值的一個子集)可被控制器38使用以執(zhí)行典型地過程控制。應著重注意，盡管在本簡化例中，設備54在為控制器38提供低頻測量值之外，還同時采集和存儲補償所需的高頻噪聲數(shù)據(jù)，但還可用多個設備以獲取這些不同的測量值。
無論如何，代表過程變量的該總體測量數(shù)據(jù)被提供給建模程序，該建模程序利用這些高頻測量值來決定代表過程參量中高頻噪聲的模型?？杀挥糜诜治鲞^程變量數(shù)據(jù)的建模程序在本領域中是公知的，故此處不再詳述。然而，總的來說，這些程序可以一種或多種諸如白噪聲、線性噪聲或其他時變噪聲的不同類型噪聲的集合來模擬高頻噪聲。當然，任何類型的噪聲模型都可被使用，但是最好包括例如噪聲與預定補償模式的模式匹配、模式識別或其他噪聲建模程序。在一個實施例中，該模型可利用傅立葉分析確定誤差的高頻成分和噪聲分量的相位。例如，該模型可執(zhí)行過濾或者非過濾的快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)或其他任何等價方法，以給出描述噪聲循環(huán)行為的時變傅立葉系數(shù)連續(xù)流。使用統(tǒng)計線性擬合、自回歸獨立運動均值等簡單的連續(xù)等價，可在伸展的時間范圍上連續(xù)地確定一個趨勢?；狄部梢杂深愃频姆椒ù_定。
建模程序典型地位于測量設備中，但也可位于與測量設備54連接的其他設備中，其生成與噪聲模型相關(guān)的模型或模型系數(shù)。建模程序隨后傳遞該模型(或該模型的系數(shù))給進一步補償程序，該進一步補償程序使用該模型或模型系數(shù)對高頻噪聲進行補償。在一個實施例中，補償程序(或如要求時的建模程序)可以為該模型生成一個傳遞函數(shù)。在某些情況下，該傳遞函數(shù)可以是該模型自身。隨后，在控制器38生成的過程控制信號被提供給或用于受控設備之前，該傳遞函數(shù)被應用到該過程控制信號中。這樣的話，傳遞函數(shù)可以被取倒數(shù)并且與控制信號相乘。然而，當應用于受控設備以補償該過程中存在的高頻噪聲時，其他應用傳遞函數(shù)修正控制信號的方法可被采用以產(chǎn)生修正的控制信號。在一個實例中，被確定的補償循環(huán)信號可被緩慢的引入到執(zhí)行器或控制設備中，以此方式來緩慢的影響高頻誤差，使得補償信號的幅度和相位通過在線優(yōu)化方法被修正，以使剩余循環(huán)誤差降至最低。在另一個實例中，高頻誤差成分和補償信號可被連續(xù)確定和修正。當然，盡管以上敘述總體上描述了高頻噪聲補償操作，但應理解，不同程序可以位于該系統(tǒng)的不同設備中。
例如，圖3圖解了執(zhí)行上述所討論的要素的高頻噪聲補償系統(tǒng)的一個實施例的總體框圖。在這種情況下，測量設備68獲得經(jīng)歷高頻噪聲的過程變量的高頻測量值YHF和低頻測量值YLF?？刂破?8得到誤差信號E以產(chǎn)生控制信號U，該誤差信號E是計算得到的低頻測量值YLF和給定點SP間的差值。當然，在此處以及下述情況中，控制器38可以諸如通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡內(nèi)的有規(guī)律安排的通信之類的標準方式接收低頻測量值YLF。類似的，可利用任意需要的通信類型將控制信號U傳遞給受控設備或系統(tǒng)中任意其他設備。在一個特殊的實例中，通信設備可使用諸如傅立葉數(shù)據(jù)變換算法的數(shù)據(jù)壓縮算法對數(shù)據(jù)進行壓縮，并將數(shù)據(jù)以傅立葉正弦系數(shù)和余弦系數(shù)或其他類型系數(shù)而非原始數(shù)據(jù)序列的形式，傳遞給在接收設備、工作站、計算機等上進行的恢復。
如圖3所圖解的，建模程序66可與測量設備68相結(jié)合以產(chǎn)生單一的現(xiàn)場設備67，或者可替代的，可與通過例如現(xiàn)場總線網(wǎng)絡48通信連接到測量設備68上的其他設備相結(jié)合。建模程序66接收高頻測量值YHF并使用該測量值獲得高頻噪聲模型變換Z。由于典型地包含高頻噪聲測量值YHF在內(nèi)的總體測量數(shù)據(jù)很大，故而通常優(yōu)選將建模程序66放置在與測量設備68所處相同的現(xiàn)場設備67中，以此為建模程序66提供數(shù)據(jù)立即訪問而無需通過現(xiàn)場總線環(huán)48發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，如果需要的話，建模程序66可放置在位于子網(wǎng)絡內(nèi)的不同設備中，例如設備54中，并通過現(xiàn)場總線環(huán)48接收數(shù)據(jù)。
建模程序66使用高頻測量數(shù)據(jù)YHF生成模型Z，該模型Z可以是傳遞函數(shù)，或者是用于表示參量Y中詳細高頻噪聲的模型的參數(shù)集，或者是定義噪聲模型的任意其他數(shù)據(jù)。該模型Z在隨后被提供給取倒程序70(其可以是建模程序66的一部分)。該取倒程序70對函數(shù)Z取倒數(shù)得到取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)。當然，各種類型的數(shù)學取倒程序都可被使用，并且程序的組成將依賴于所得到模型的類型。取倒程序70可與建模程序66位于相同或者不同的設備中。如果位于不同的設備中，以規(guī)劃或者未規(guī)劃的方式通過諸如現(xiàn)場總線環(huán)48的通信網(wǎng)絡，模型Z(或者是定義模型Z的系數(shù)或參量)被提供給取倒程序70。
同樣，取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)或者表示其的數(shù)據(jù)可被發(fā)送給補償程序72，該補償程序72可與取倒程序70位于相同或者不同的設備中。如果位于不同的設備中，取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)或者表示其的數(shù)據(jù)由諸如現(xiàn)場總線環(huán)48的通信環(huán)以任何公知或者期望的方式提供。補償程序72使取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)乘以或者以其他方式施加到控制信號U以產(chǎn)生修正的控制信號U′。補償程序72可與受控設備74位于相同或不同的設備中。如果位于相同的設備中，補償程序72可接收控制信號U，應用補償并在隨后將修正的控制信號U′提供給受控設備74，或者更精確的說是給受控設備74中執(zhí)行的程序。如果補償程序72位于不同的設備中，例如不同的現(xiàn)場設備中，則補償程序72通過諸如現(xiàn)場總線環(huán)48的通信網(wǎng)絡將修正的控制信號U′傳輸給受控設備74。如果DCN 20利用現(xiàn)場總線協(xié)議，則補償程序72和控制器38之間的通信一般在該程序被規(guī)劃的通信間隔內(nèi)執(zhí)行，以確保補償結(jié)合到控制器38的每個控制信號U中。
當然，建模程序66、取倒程序70和補償程序72可位于相同或不同的設備中。建模程序66通常將位于測量設備68中以避免由過量數(shù)據(jù)而引起現(xiàn)場總線超負荷，而如有需求的話，取倒程序70和補償程序72能位于其他設備中，這是由于這些程序間的通信量典型地要少很多。在一個實施例中，建模程序66和取倒程序70位于測量設備68中，而補償程序位于受控設備74中。然而，舉例來說，取倒程序70和補償程序72能都位于不同的設備中，例如位于其他現(xiàn)場設備或者在控制器38自身中。在這個實例中，使用諸如上述的某些類型數(shù)據(jù)壓縮程序以壓縮待傳遞數(shù)據(jù)是有益的。
優(yōu)選地，建模程序66計算與低頻測量數(shù)據(jù)YLF的各階段相匹配的新模型，以使新的傳遞函數(shù)被更新并應用在控制器38所生成的每個控制信號U上。然而，如有需求，建模程序66能產(chǎn)生一個新的噪聲模型或者以較低頻率的速率更新噪聲模型，以使傳遞函數(shù)以較低頻率被更新。然而進一步，補償程序72可以比控制器提供控制信號U的速率更高的速率提供修正的控制信號U′。當傳遞函數(shù)Z為時變的時，或者當誤差和補償信號被連續(xù)確定和應用時，該方法通常有效。
圖4圖解了顯示不同的測量、建模和取倒部分位于不同位置的高頻補償系統(tǒng)的另一實施例。在該實施例中，如前所述的，控制器76生成誤差信號E，該誤差信號是低頻測量值YLF和給定點SP之間的差值。此外，控制器76結(jié)合補償程序77以產(chǎn)生修正的控制信號U′，該補償程序在圖3中由數(shù)字標識符72在先確定。修正的控制信號U′被傳送給受控設備78，受控設備78依照由控制器76執(zhí)行的控制程序，依次執(zhí)行過程80中的某些功能，例如調(diào)節(jié)混合物的溫度或者改變閥的位置以調(diào)節(jié)流速。
圖4進一步圖解測量設備68，該測量設備68位于過程82內(nèi)部，或者被通信連接到位于過程82內(nèi)部的設備上。本實施例中，測量設備68是能夠捕捉總體測量數(shù)據(jù)并將之存儲到其本地存儲器的靈敏設備。隨后測量設備68可執(zhí)行程序解析總體測量數(shù)據(jù)以得到低頻測量值YLF，該低頻測量值YLF作為反饋信號以任意公知方式被傳送到控制器76。測量設備68可壓縮高頻測量數(shù)據(jù)YHF以傳送給位于其他設備上的建模程序84，也可傳送未壓縮的數(shù)據(jù)。不管通信進程，信息被傳送給存儲有建模程序84的設備。利用從測量設備68接收的數(shù)據(jù)，建模程序84生成模型Z，該模型Z可以是傳遞函數(shù)或者任何公知的表示過程變量Y中的高頻噪聲的補償函數(shù)。隨后，模型Z被傳送給取倒程序70，該取倒程序70可位于與建模程序84所處相同的設備，或者不同的但通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡48通信連接到設備84上的設備。取倒程序70計算由建模程序(modeling routine)66提供的噪聲模型Z的取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)。隨后，所得到的取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)被傳送給位于控制器38內(nèi)的補償設備中，在補償設備中，其與誤差信號E相結(jié)合以產(chǎn)生修正的控制信號U′。
圖5圖解了高頻補償系統(tǒng)的另一實施例，該系統(tǒng)顯示不同測量、建模和取倒部分的不同位置。該圖解的實施例突出了利用靈敏設備的系統(tǒng)被配置以使處理效率、系統(tǒng)用途或其他需要參量達到最佳的眾多方法中的一個。本實施例中，模型Z由建模程序84計算得出并被提供給控制器86，該模型Z典型地是代表出現(xiàn)在過程80中的高頻噪聲的傳遞函數(shù)。在這種配置中，控制器86包括取倒程序70，該程序可用于計算取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)。隨后，取倒的傳遞函數(shù)(1/Z)和誤差信號E被用來產(chǎn)生修正的控制信號U′，該修正的控制信號U′被提供給承擔過程80中的高頻噪聲補償任務的現(xiàn)場設備。
在某些情況下，使用時間同步實現(xiàn)正確的誤差確定和補償是令人滿意的。舉例來說，無線時間同步系統(tǒng)能被用來以時間標記在時間上同步所有數(shù)據(jù)，無線時間同步系統(tǒng)諸如基于無線全球定位系統(tǒng)(GPS)的無線時間同步系統(tǒng)或者基于從科羅拉多(Colorado)的Bolder發(fā)送信號的全國時間標準系統(tǒng)的無線時間同步系統(tǒng)。在本例中，每臺設備都可具有諸如GPS接收機的無線或其他接收機，以接收同步時間信號并使用該時間信號更新內(nèi)部時鐘。隨后，該時鐘可被用來為設備所發(fā)送的每個數(shù)據(jù)信號打時間標記。以此方式，正確的時間延遲補償能被用于或者執(zhí)行于高頻模型中或者產(chǎn)生高頻補償信號的設備中，以解決數(shù)據(jù)從一臺設備傳送到另一臺設備中的時間延遲。
然而進一步，如果有需要，高頻噪聲補償系統(tǒng)可使用偽-隨機二進制序列信號確定傳輸延遲以及控制設備(例如執(zhí)行器)與在發(fā)射器和/或分析器或設備上所測量的變量之間的相位，該偽-隨機二進制序列信號舉例來說由諸如閥或控制器之類的智能控制設備產(chǎn)生。隨后，該時間延遲能被用于確定高頻噪聲和正確的補償信號。當然，該系統(tǒng)要求設備和程序中具有偽-隨機序列產(chǎn)生器和解碼器，它們將這些偽-隨機序列加載到從一設備傳送到另一設備的信號上或者將之從信號上去除。
當然，通過最初的或者連續(xù)地估計利益變量相對多個測量值和/或所包括的執(zhí)行器參數(shù)的總微商，并將加權(quán)擾動逆模型的輸入和執(zhí)行器信號相加，此處所述的技術(shù)可被延伸到多變量的情況(例如過程最優(yōu)化)。加權(quán)過程中用到的權(quán)重可通過計算相關(guān)局部微商值相對于總微商影響模型的比例來確定。
本發(fā)明已通過參考特定的實例進行了描述，這些實例僅被確定為描述性質(zhì)而非用于限制本發(fā)明，明顯的，本領域的普通技術(shù)人員可在不背離本發(fā)明精神和范圍的基礎上，對所公開的實施例進行變更、增添和刪減。
權(quán)利要求
1.一種用在分布式過程控制網(wǎng)絡中的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括基于至少一個過程變量的測量值以產(chǎn)生控制信號的控制器，所述過程變量測量值以第一頻率獲得；通信連接到該控制器的受控設備；通信連接到該控制器的測量設備，該測量設備適于以大于該第一頻率的第二頻率采集該過程變量的測量值，并且提供該過程變量在第一頻率的測量值給該控制器；存儲在存儲器中并且適于由處理器執(zhí)行的建模程序，該建模程序適于利用所述以第二頻率獲得的過程變量的測量值，以推導該過程變量中存在的高頻噪聲的噪聲模型；以及通信連接到該控制器和該建模程序的信號合成器，其根據(jù)該控制信號和該噪聲模型產(chǎn)生修正的控制信號，該信號合成器被進一步通信連接到該受控設備，以向該受控設備提供該修正的控制信號，從而降低該過程變量中存在的高頻噪聲。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該受控設備是靈敏執(zhí)行器。
3.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該建模程序適于推導出包括一或多個時變線性成分、時變循環(huán)成分以及時變白噪聲成分的噪聲模型。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該建模程序適于利用傅立葉分析以確定該高頻噪聲的估計。
5.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該存儲噪聲建模程序的存儲器位于除該控制器之外的設備中。
6.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該存儲噪聲建模程序的存儲器位于該受控設備中。
7.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該存儲噪聲建模程序的存儲器位于該測量設備中。
8.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該噪聲建模程序包括用于確定該過程變量中的高頻噪聲的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)程序，以及適于對該傳遞函數(shù)取倒數(shù)的取倒程序。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中該取倒程序位于該受控設備中。
10.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中該取倒程序位于除該控制器之外的設備中。
11.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中該取倒程序被集成在該控制器中。
12.如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其中該取倒程序?qū)υ撛肼暷Ｐ蛡鬟f函數(shù)取倒數(shù)，并且該信號合成器將所得到的取倒數(shù)的噪聲傳遞函數(shù)與該控制信號相乘。
13.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該控制器被通信連接到網(wǎng)絡上，并且適于傳輸該控制信號給通過子網(wǎng)絡被通信連接到該網(wǎng)絡上的受控設備。
14.如權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其中該測量設備被通信連接到該子網(wǎng)絡上。
15.如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其中該存儲噪聲建模程序的存儲器被集成在該測量設備中，并且該測量設備通過該子網(wǎng)絡被通信連接到該受控設備上。
16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中該信號合成器被集成在該受控設備中。
17.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該控制器、該受控設備以及該測量設備中的至少一個包括適于產(chǎn)生偽-隨機序列的偽-隨機序列產(chǎn)生器，并且其中該信號合成器利用該偽-隨機序列以產(chǎn)生該修正的控制信號。
18.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，進一步包括適于壓縮數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)壓縮器程序。
19.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該信號合成器連續(xù)地確定該修正的控制信號。
20.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該信號合成器適于產(chǎn)生該修正的控制信號，以便使過程變量中的剩余循環(huán)誤差降至最低。
21.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，進一步包括同步時間源的源，該同步時間源位于該控制器、該受控設備以及該測量設備中的至少兩個中。
22.一種降低過程控制系統(tǒng)中高頻過程變化的方法，該方法包括以下步驟響應于至少一個以第一速率在第一設備中接收的過程變量，以產(chǎn)生控制信號；遠離該第一設備，以大于該第一速率的第二速率采集至少一個過程變量的測量值；遠離該第一設備，基于該以第二速率捕獲的至少一個過程變量的測量值確定噪聲模型；基于該控制信號和該噪聲模型產(chǎn)生修正的控制信號，并且利用該修正的控制信號以降低該過程變量中的高頻噪聲。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該確定噪聲模型的步驟，進一步包括計算代表該過程變量中存在的高頻噪聲的傳遞函數(shù)的步驟。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中該產(chǎn)生修正的控制信號的步驟，進一步包括計算該噪聲模型傳遞函數(shù)的倒數(shù)的步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該產(chǎn)生修正的控制信號的步驟，進一步包括將該控制信號與該噪聲模型傳遞函數(shù)的倒數(shù)相乘的步驟。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括產(chǎn)生偽-隨機序列并且利用該偽-隨機序列產(chǎn)生該修正的控制信號的步驟。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括在該過程控制系統(tǒng)中的兩個或多個設備之間傳送數(shù)據(jù)之前對該數(shù)據(jù)進行壓縮的步驟。
28.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該產(chǎn)生修正的控制信號的步驟包括連續(xù)地確定該修正的控制信號的步驟，以及進一步包括連續(xù)地將該修正的控制信號應用到受控設備的步驟。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該產(chǎn)生該修正的控制信號的步驟，包括確定該修正的控制信號以使過程變量中的剩余循環(huán)誤差降至最低的步驟。
30.如權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括使用位于該過程控制系統(tǒng)中的至少兩個設備中的時間源，時間同步該過程控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)的步驟。
31.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該確定步驟，包括利用傅立葉分析以確定該噪聲模型的步驟。
全文摘要
一種控制系統(tǒng)，包括能夠采集高頻過程參量數(shù)據(jù)的測量設備；利用該高頻參量數(shù)據(jù)導出該高頻噪聲模型的建模程序；以及利用該所導出的模型修正控制信號以補償該過程參量中存在的高頻噪聲的補償程序。該測量設備可以相對高的頻率測量過程變量，并且將所測數(shù)據(jù)的子集(例如低頻數(shù)據(jù))發(fā)送給產(chǎn)生控制信號的標準控制器，以任何公知方式對該被測量的過程參量進行控制。該建模程序分析該高頻數(shù)據(jù)，并且導出該過程變量中高頻噪聲的數(shù)學模型。所得到的數(shù)學模型隨后可被該補償程序使用，以改變該控制器產(chǎn)生的標準控制信號，這些是在該控制信號被傳遞給該受控設備或者被該受控的設備使用之前。
文檔編號G05B17/00GK1745351SQ03826035
公開日2006年3月8日 申請日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者馬里恩·A·凱斯 申請人:羅斯芒特分析公司