本申請是正規(guī)提交的申請，要求于2014年3月20日提交的題為“Reducing Controller Updates in a Control Loop”的美國臨時專利申請序列號61/968,159的優(yōu)先權，其全部公開內(nèi)容借以通過參考明確地并入本文中。本申請還是于2012年1月17日提交的題為“Compensating for Setpoint Changes in a Non-Periodically Updated Controller”的美國專利申請序列號13/351,802的部分繼續(xù)申請，其全部公開內(nèi)容借以通過參考明確地并入本文中。本申請還涉及于2007年9月6日提交的題為“Wireless Communication of Process Measurements”的美國專利申請序列號11/850,810，No.11/850,810是于2006年8月4日提交的題為“Process Control With Unreliable Communications”的美國專利申請序列號11/499,013且發(fā)布為美國專利No.7,620,460的部分繼續(xù)申請，No.7,620,460是于2005年10月25日提交的題為“Non-periodic Control Communications in Wireless and Other Process Control Systems”的美國專利申請序列號No.11/258,676且發(fā)布為美國專利No.7,587,252的部分繼續(xù)申請，其中每一個的全部公開內(nèi)容借以通過參考明確地并入本文中。

技術領域

本專利涉及在具有慢的、間歇的或非周期性的通信的控制回路中實施控制，具體而言，涉及控制例程，其以減少提供給受控設備的控制器更新的數(shù)量的方式在控制回路內(nèi)使用非周期性信號傳輸。

背景技術：

諸如分布式或可縮放式過程控制系統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)，如用于化學、石油或其他過程中的，典型地包括一個或多個過程控制器，經(jīng)由模擬、數(shù)字或組合的模擬/數(shù)字總線可通信地耦合到彼此、至少一個主機或操作員工作站及一個或多個現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場設備例如可以是閥門、閥門定位器、開關及變送器(如溫度、壓力、流速傳感器)，在過程內(nèi)執(zhí)行諸如打開或關閉閥門和測量過程參數(shù)的功能。過程控制器接收表示由現(xiàn)場設備做出的過程測量和/或與現(xiàn)場設備有關的其他信息的信號，并使用這個信息來實施控制例程以生成控制信號，將控制信號通過線路或總線發(fā)送到現(xiàn)場設備以控制過程的操作。來自現(xiàn)場設備和控制器的信息典型地可用于由操作員工作站執(zhí)行的一個或多個應用，以使得操作員能夠執(zhí)行相對于過程的任何所希望的功能，例如查看過程的當前狀態(tài)、修改過程的操作等。

一些過程控制系統(tǒng)，例如Emerson Process Management銷售的DeltaV^TM系統(tǒng)，使用位于控制器或不同的現(xiàn)場設備中的稱為模塊的功能塊或功能塊的組來執(zhí)行控制和/或監(jiān)控操作。在這些情況下，控制器或其他設備能夠包括并執(zhí)行一個或多個功能塊或模塊，其每一個都從其他功能塊接收輸入和/或?qū)⑤敵鎏峁┙o其他功能塊(在同一設備內(nèi)或在不同設備內(nèi))，并執(zhí)行一些過程操作，例如測量或檢測過程參數(shù)、監(jiān)控設備、控制設備或執(zhí)行控制操作，例如比例積分微分(PID)控制例程的實施。在過程控制系統(tǒng)中的不同功能塊和模塊通常被配置為彼此通信(例如通過總線)以形成一個或多個過程控制回路。

典型地對過程控制器編程以執(zhí)行不同算法、子例程或控制回路(它們都是控制例程)，用于為過程定義的或過程內(nèi)包含的多個不同回路的每一個，例如流量控制回路、溫度控制回路、壓力控制回路等。一般來說，每個這樣的控制回路都包括一個或多個輸入塊，如模擬量輸入(AI)功能塊，一個或多個控制塊，如比例積分微分(PID)或模糊邏輯控制功能塊，和輸出塊，如模擬量輸出(AO)功能塊。控制例程和實施這種例程的功能塊根據(jù)多個控制技術來配置，包括PID控制、模糊邏輯控制和基于模型的技術，例如Smith Predictor或Model Predictive Control(MPC)(模型預測控制)。

為了支持控制例程的執(zhí)行，典型的工業(yè)或加工廠具有集中控制室，可通信地與一個或多個過程控制器和過程I/O子系統(tǒng)連接，它們又連接到一個或多個現(xiàn)場設備。傳統(tǒng)上，模擬現(xiàn)場設備已經(jīng)由用于信號傳輸和電力供應的二線或四線電流回路連接到控制器。模擬現(xiàn)場設備，例如傳感器或?qū)⑿盘柊l(fā)送到控制器的變送器，調(diào)節(jié)通過電流回路的運行的電流，以使得電流與所感測的過程變量成正比。另一方面，在控制器的控制下執(zhí)行操作的模擬現(xiàn)場設備由通過回路的電流的大小來控制。許多數(shù)字或組合的模擬和數(shù)字現(xiàn)場設備通過數(shù)字通信網(wǎng)絡或組合的模擬和數(shù)字通信網(wǎng)絡接收或發(fā)射控制或測量信號。

隨著數(shù)據(jù)傳輸量的增加，過程控制系統(tǒng)設計的一個特別重要的方面包括在過程控制系統(tǒng)或加工廠內(nèi)現(xiàn)場設備可通信地耦合到彼此、控制器和其他系統(tǒng)或設備的方式。在一般情況下，使得現(xiàn)場設備能夠在過程控制系統(tǒng)內(nèi)運行的各種通信信道、鏈路和路徑通常統(tǒng)稱為輸入/輸出(I/O)通信網(wǎng)絡。

用于實施I/O通信網(wǎng)絡的通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和物理連接或路徑對于現(xiàn)場設備通信的魯棒性或完整性具有實質(zhì)性的影響，尤其是當網(wǎng)絡遭受到不良環(huán)境因素或苛刻條件時。這些因素和條件損害了在一個或多個現(xiàn)場設備、控制器等之間的通信的完整性。在控制器和現(xiàn)場設備之間的通信對于任何這種破壞尤其敏感，因為監(jiān)控應用程序或控制例程典型地需要過程變量對于例程的每一次迭代的周期性更新。受損的控制通信因此會導致控制系統(tǒng)的效率和/或盈利能力降低，對于設備的過度磨損或損壞，以及任何數(shù)量的潛在有害故障。

為了確保魯棒的通信，用于過程控制系統(tǒng)中的I/O通信網(wǎng)絡歷來是硬連線的。不幸的是，硬連線的網(wǎng)絡引入了許多復雜性、難題和限制。例如，硬連線的網(wǎng)絡的質(zhì)量會隨時間下降。此外，硬連線的I/O通信網(wǎng)絡通常在安裝上是昂貴的，特別是在I/O通信網(wǎng)絡與分布在大的區(qū)域上的大型工業(yè)工廠或設施相關聯(lián)的情況下，例如占用幾畝土地的煉油廠或化工廠。必要的長線路運行通常涉及相當大量的勞動力、材料和費用，并可能引入由于布線阻抗和電磁干擾而產(chǎn)生的信號退化。出于這些和其他原因，硬連線的I/O通信網(wǎng)絡通常難以重新配置、修改或更新。

最近的趨勢是使用無線I/O通信網(wǎng)絡來緩解一些與硬連線的I/O網(wǎng)絡有關的困難。例如，題為“Apparatus for Providing Redundant Wireless Access to Field Devices in a Distributed Control System”的美國專利申請公開No.2003/0043052，其全部公開內(nèi)容借以通過參考明確地并入本文中，公開了一種系統(tǒng)，利用無線通信來增加或補充硬連線的通信的使用。

但尤其由于可靠性問題，對于控制相關的傳輸?shù)臒o線通信的依賴傳統(tǒng)上受到限制。如上所述，現(xiàn)代監(jiān)控應用程序和過程控制應用程序依賴于在控制器與現(xiàn)場設備之間可靠的數(shù)據(jù)通信，以達到最佳的控制性能。此外，典型的控制器快速執(zhí)行控制算法以迅速糾正過程中不必要的偏差。不良的環(huán)境因素或其他不利條件會產(chǎn)生間歇性干擾，其阻礙或阻止支持監(jiān)控或控制算法的這種執(zhí)行所必需的快速或周期性的通信。幸運的是，在過去的十年中，無線網(wǎng)絡變得更為強大，使得在一些類型的過程控制系統(tǒng)中能夠可靠地使用無線通信。

但當在過程控制應用中使用無線通信時功耗仍然是復雜的因素。由于無線現(xiàn)場設備在物理上與I/O網(wǎng)絡斷開，現(xiàn)場設備典型地需要提供其自己的電源。因此，現(xiàn)場設備可以是電池供電、汲取太陽能發(fā)電或取得環(huán)境能量，如振動、熱、壓力等。對于這些設備，數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量可以構(gòu)成總能耗的相當大的部分。實際上，與在由現(xiàn)場設備執(zhí)行的其他重要的操作過程中相比，諸如為了感測或檢測被測量的過程變量所采取的步驟，在建立和維持無線通信連接過程中會消耗更多的功率。為了減少在無線過程控制系統(tǒng)中的功耗并因而延長電池壽命，建議了實施無線過程控制系統(tǒng)，在其中，諸如傳感器的現(xiàn)場設備以非周期性方式與控制器通信。在一個案例中，僅在檢測到過程變量中的顯著變化時，現(xiàn)場設備才與控制器通信或?qū)⑦^程變量測量發(fā)送到控制器，導致與控制器的非周期性通信。

為了處理非周期性過程變量測量更新而已經(jīng)開發(fā)的一種控制技術使用控制系統(tǒng)，其提供并維持對于由控制器在不頻繁的、非周期性測量更新之間產(chǎn)生的控制信號的預期過程響應的指示。預期過程響應可以由數(shù)學模型開發(fā)，其計算對于給定測量更新的控制信號的預期過程響應。這個技術的一個示例在題為“Non-Periodic Control Communications in Wireless and Other Process Control Systems”的美國專利No.7,587,252中被說明，其全部公開內(nèi)容借以通過參考明確地并入本文中。具體而言，該專利公開了一種控制系統(tǒng)，具有濾波器，其在接收到非周期性過程變量測量更新后，生成對于控制信號的預期過程響應的指示，并維持生成的預期過程響應的指示，直到下一個非周期性過程變量測量更新到達。作為另一個示例，題為“Process Control With Unreliable Communications”的美國專利No.7,620,460，其全部公開內(nèi)容借以通過參考明確地并入本文中，公開了一種系統(tǒng)，包括濾波器，其提供對于控制信號的預期響應的指示，但進一步修改該濾波器以并入自從最后一個非周期性測量更新后經(jīng)過的時間的測量，以生成更為準確的預期過程響應的指示。

但在過去五年中，現(xiàn)場儀器設備的制造商已經(jīng)引入了各種變送器。最初，這些變送器僅用于監(jiān)控過程。但根據(jù)上述技術的介紹，可以在閉環(huán)控制應用中使用無線測量?；趯o線變送器的廣泛接受，許多制造商都在開發(fā)和引入無線開/關和節(jié)流閥的過程中。

但必需解決多個技術難題以便能夠使用在閉環(huán)控制中這種無線閥門。具體而言，典型地，在無線閥門僅有有限量的功率可用，預計大部分這些可用功率是在目標閥門位置做出改變時所必需的，例如響應于接收到控制信號而將閥門驅(qū)動到其目標位置。但典型的控制技術試圖將許多控制信號發(fā)送到受控的設備，以便確保魯棒的控制性能。但由這些技術實施的大量基于控制器的移動會迅速用光在受控設備的電池資源。因此如果可能的話，希望減少例如響應于設定點、過程干擾等中的變化而在閉環(huán)控制過程中做出的閥門移動的數(shù)量。

此外，在許多情況下，控制系統(tǒng)操作不能與網(wǎng)關通信同步，網(wǎng)關通信是在控制器與無線閥門或設置在無線通信網(wǎng)絡中的其他致動器之間提供通信所必須發(fā)生的。例如，如網(wǎng)關的無線網(wǎng)關的當前設計可以在對將閥門位置的變化傳送到閥門致動器的請求后不立即動作，因而閥門或致動器可以在該控制信號在控制器生成后相當長的時間接收控制信號。此外，控制器可以在由控制器已經(jīng)發(fā)送閥門位置中的變化后更長的時間才從閥門或致動器接收確認。因而，在此情況下，目標閥門位置(例如控制信號)和閥門響應的無線通信在控制回路中引入了相當大的變量延遲，這個延遲影響PID控制，使得受控變量的魯棒控制更為困難。

技術實現(xiàn)要素：

例如可以用于PID控制回路中的一種控制技術顯著地減少了從控制器(例如PID控制器)到無線閥門或加工廠內(nèi)的其他控制元件的通信數(shù)量，同時仍提供了受控過程變量的魯棒控制。因而，無線閥門或其他控制元件可以使用較少的功率，因為閥門必須對于目標閥門位置中更少的變化做出反應，同時仍提供了可接受的魯棒控制。此外，在控制器經(jīng)由進入無線網(wǎng)絡的網(wǎng)關可通信地連接到受控設備的工廠中使用這個控制技術會減少網(wǎng)關通信負荷，因為這個技術可以導致更少的到無線閥門或其他受控元件的通信。這個控制技術可以結(jié)合其他間歇的或非周期性的控制方法使用，因而可以在控制回路中使用無線變送器和無線閥門(或其他無線控制元件)之一或二者來執(zhí)行控制。此外，這個技術可以用于在有線或其他周期性控制系統(tǒng)中執(zhí)行控制以減少不必要的或無效的閥門移動，例如典型地在有噪聲控制系統(tǒng)中經(jīng)受到的閥門位置擺動，例如在包括噪聲的反饋測量中的或者在噪聲導致相對隨機的過程干擾中的。

另外，新的控制信號命令可以用于經(jīng)由無線或其他間歇的非周期性或異步通信網(wǎng)絡發(fā)送控制信號，以便有助于本文所述的控制技術的控制性能。新的控制器信號可以包括目標值和實施目標值的時間。這個命令信號或其他信號允許在控制器更為準確地計算隱含的閥門位置，因而可以用于在過程控制回路通信(例如在過程控制器與諸如閥門的受控設備之間)中受到顯著通信延遲的系統(tǒng)中執(zhí)行更佳的或更魯棒的控制。

一般來說，實施新的非周期性通信技術的控制回路可以包括在實施控制例程(例如PID控制例程)的控制器與諸如閥門或閥門致動器的受控設備之間的無線的、緩慢的、非周期性的或非同步的通信連接或路徑。鏈路可以使用無線或有線通信基礎設施來實施。在此情況下，控制技術使用設置在控制器和受控設備之間的非周期性通信塊，其中，通信塊操作以通過減少發(fā)送到受控設備的控制信號的數(shù)量而使得在受控設備的目標位置中做出的變化的數(shù)量最少。

具體而言，為了使得由閥門致動器消耗的功率最小，控制器的計算的PID輸出僅在滿足由非周期性通信塊確定的特定標準時才可以傳送到無線閥門。由于典型地調(diào)度控制器執(zhí)行以比將目標值傳送到無線受控設備的最小期間快得多地產(chǎn)生控制信號，這些標準的應用會減少發(fā)送到受控設備的控制器信號的數(shù)量，從而減少由受控設備實施的控制器移動。但標準在通信塊內(nèi)的應用仍操作以確保在控制信號數(shù)量減少和控制信號到受控設備的通信延遲的情況下實現(xiàn)適當?shù)目刂菩阅?。作為示例，非周期性通信塊可以操作以如下方式將新的目標位置傳送到受控設備(經(jīng)由無線、間歇的、非同步的或非周期性通信路徑)。首先，非周期性通信塊將僅在自從到無線受控設備的最后通信以后的時間等于或大于通信的被配置期間，且已經(jīng)接收了受控設備對發(fā)送到受控設備的目標位置的最后變化的確認的通信時才發(fā)送控制信號。當滿足這些條件時，于是當在計算的控制器輸出與傳送到受控設備的最后目標值之間的差的絕對值超過被配置的死區(qū)(閾值)和/或當自從到受控設備的最后通信以后的時間超過被配置的缺省報告時間的任意一個或二者時，非周期性通信塊將傳送新的或更新的控制信號。

傳送到無線受控設備的目標位置通常是諸如PID控制器的控制器的計算輸出。但可任選地，當確定自從最后傳送的目標以后控制器輸出中的變化的絕對值超過被配置的最大變化值時，目標位置的變化量可以受限于最后傳送的值加上或減去最大變化值。

當由在無線受控設備與控制器之間的通信引入最小延遲時，于是由無線受控設備(例如致動器/閥門)傳送到控制器的閥門位置形式的反饋信號可以在控制器正反饋網(wǎng)絡中用于產(chǎn)生例如PID控制信號的復位貢獻。但如果與無線受控設備的通信丟失或沒有以周期性方式更新，那么由無線閥門傳送的受控設備的最后目標位置(例如閥門致動器工作以達到的目標位置)的反饋可以用于確定控制器操作的復位貢獻。為了幫助控制系統(tǒng)的反饋回路確定閥門位置，以便用于計算復位貢獻，控制系統(tǒng)(或無線網(wǎng)關)可以提供控制信號，其指定控制值(例如閥門應移動到的位置)和閥門應做出這個移動的時間。這個控制信號對于控制信號為了到達受控設備所花費的時間相當大的情形(例如由于無線網(wǎng)關或其他緩慢或非同步的通信鏈路所引起的)是有用的。在控制信號中指定的時間可以指定絕對時間或例如從控制信號的時間戳的偏移時間。如果偏移時間被配置為大于控制信號為了從控制器到達受控設備所花費的時間，那么受控設備就接收控制信號并在指定時間實施變化。在此情況下，控制器可以假定控制信號被受控設備接收并在指定時間實施，因此可以在該時間在控制器的反饋回路中更新閥門位置，無需從受控設備接收指示實施了控制器移動的反饋信號。這個操作可以導致PID控制器中更好的控制性能。

附圖說明

圖1是典型的周期性更新的硬連線的過程控制系統(tǒng)的方框圖。

圖2是例示了對用于示例性周期性更新的硬連線的過程控制系統(tǒng)的過程輸入的過程輸出響應的曲線圖。

圖3是例示了示例性過程控制系統(tǒng)的方框圖，具有控制器，其以非周期性或無線方式經(jīng)由無線網(wǎng)關設備將控制信號傳送到受控設備，和/或經(jīng)由無線網(wǎng)絡接收非周期性、非同步的或顯著延遲的反饋信號。

圖4是示例性控制器的方框圖，其使用設置在控制器與受控設備之間的非周期性控制信號通信模塊執(zhí)行控制，在其中，在控制器與受控設備之間的通信通過無線通信網(wǎng)絡進行，其中，通信模塊操作以減少發(fā)送到受控設備的控制器信號的數(shù)量。

圖5是過程控制系統(tǒng)的方框圖，其實施非周期性控制通信技術以減少經(jīng)由無線或其他間歇的、緩慢的或非同步的通信網(wǎng)絡發(fā)送到受控設備的控制器信號的數(shù)量，并且還經(jīng)由無線、緩慢的或間歇的通信路徑接收反饋信號。

圖6是過程控制系統(tǒng)的方框圖，其實施非周期性控制通信技術以減少在使用有線或同步通信的通信網(wǎng)絡中發(fā)送到受控設備的控制器信號的數(shù)量。

圖7是例示了使用寫請求和寫響應信號來實現(xiàn)圖4-6的非周期性控制通信的過程的方框圖。

圖8例示了用于使用本文所述的控制通信技術實現(xiàn)從控制器到受控設備的控制信號的通信的信號集合的時序圖，包括指定應用控制移動的時間的控制信號。

圖9和10例示了與使用本文所述的控制通信技術實施的兩個過程控制仿真相關的多個參數(shù)的曲線圖，和在使用典型的有線或周期性控制通信的類似控制系統(tǒng)中的那些相同參數(shù)的曲線圖。

具體實施方式

控制技術使得控制器能夠以非周期性、無線的、緩慢的、顯著延遲的或其他非同步方式將控制信號傳送或發(fā)送到過程的受控設備，例如閥門致動器，以減少由致動器實現(xiàn)的致動器移動的數(shù)量，同時仍提供魯棒的控制性能。因而，控制技術實施以減少受控設備的功耗的方式驅(qū)動致動器或其他受控設備的控制方法，減少受控設備的頻繁變化，其導致經(jīng)常出現(xiàn)在受到顯著噪聲或過程干擾的控制回路中的“擺動”現(xiàn)象，并減少用于實施控制回路的無線網(wǎng)絡內(nèi)通信設備中的通信負荷，例如無線網(wǎng)關設備中的。

具體而言，控制回路中的控制通信塊操作，基于多個配置因素，例如通信死區(qū)、控制信號變化閾值和通信期間，以非周期性方式發(fā)送由控制器生成的新產(chǎn)生的控制信號。此外，為了在延遲控制信號存在的情況下調(diào)節(jié)設備的控制，控制器中連續(xù)更新的濾波器基于受控設備的實際或隱含位置，在控制器的每一個控制例程迭代期間生成預期過程響應的指示(也稱為反饋貢獻)。這個反饋貢獻在控制器中用于在生成控制信號的控制器與接收并基于控制信號而動作的受控設備之間存在顯著延遲的情況下確保適當?shù)目刂?。在一些情況下，連續(xù)更新的濾波器可以部分地使用來自最后的控制例程迭代和控制例程執(zhí)行期間的以前生成的預期響應的指示，以在每一個控制例程迭代期間生成預期響應的指示。

另外，在將過程測量反饋信號以間歇的、非周期性或延遲的方式提供給控制器時，僅在接收到新測量指示時，連續(xù)更新的濾波器的當前輸出可以用作反饋貢獻，例如控制器內(nèi)的積分(也稱為復位)和/或微分(也稱為比率)貢獻。一般來說，在此情況下，積分輸出開關維持在最后測量值更新作為對控制信號的積分或復位貢獻而由控制器接收時，由連續(xù)更新的濾波器生成的預期過程響應。當新測量值更新可用時，積分輸出開關箝位到由連續(xù)更新的濾波器生成的預期過程響應的新指示上(基于新測量值更新的指示)，并作為控制信號的積分或比率貢獻提供新的預期過程響應。結(jié)果，控制器使用連續(xù)更新的濾波器在每一個控制迭代期間確定新的過程的預期響應，其中，每一個新的預期過程響應反映在測量更新之間的時間做出的變化的影響，并因而影響控制信號的發(fā)展過程中的控制器輸出，即使僅當新的反饋值在控制器可用時，才改變由控制器產(chǎn)生的控制信號的積分或復位分量。

可以用于實施本文所述控制方法的圖1中所示的過程控制系統(tǒng)10包括過程控制器11，經(jīng)由通信線路或總線9連接到數(shù)據(jù)歷史記錄12和一個或多個主機工作站或計算機13(其可以是任何類型的個人計算機、工作站等)，每一個都具有顯示屏14。通信網(wǎng)絡9例如可以是以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡或任何其他有線或無線網(wǎng)絡?？刂破?1還經(jīng)由輸入/輸出(I/O)卡26和28連接到現(xiàn)場設備15-22，并示出為使用一個或多個硬連線的通信網(wǎng)絡和通信方案可通信地連接到現(xiàn)場設備15-22。數(shù)據(jù)歷史記錄12可以是任何希望類型的數(shù)據(jù)收集單元，具有用于存儲數(shù)據(jù)的任何希望類型的存儲器和任何希望類型的已知軟件、硬件或固件。

通常，現(xiàn)場設備15-22可以是任何類型的設備，如傳感器、閥門、變送器、定位器等，而I/O卡26和28可以是任何類型的I/O設備，符合任何所希望的通信或控制器協(xié)議?？刂破?1包括處理器23，其實施或監(jiān)視存儲在存儲器24中的一個或多個過程控制例程(或任何模塊、塊或其子例程)。一般來說，控制器11與設備15-22、主機計算機13和數(shù)據(jù)歷史記錄12通信，以任何所希望的方式控制過程。此外，控制器11使用通常被稱為功能塊的來實施控制策略或方案，其中，每一個功能模塊都是總控制例程的一個對象或其他部分(如，子例程)，其結(jié)合其他功能塊(經(jīng)由稱為鏈路的通信)操作以在過程控制系統(tǒng)10中實施過程控制回路。功能塊典型的執(zhí)行以下之一：輸入功能，例如與變送器、傳感器或其他過程參數(shù)測量設備相關的；控制功能，例如與執(zhí)行PID、模糊邏輯等控制的控制例程相關的；或輸出功能，其控制一些設備的操作，例如致動器或閥門，以執(zhí)行過程控制系統(tǒng)10中的一些物理功能。當然，混合和其他類型的功能塊存在并可以在此使用。如下所述，功能塊可以存儲在控制器11或其他設備中并由控制器11或其他設備執(zhí)行。

如圖1的分解塊30所示的，控制器11可以包括多個單葫蘆控制例程，示出為控制例程32和34，如果希望的話，可以實施一個或多個高級控制回路，示出為控制回路36。每一個這種控制回路通常稱為控制模塊。單回路控制例程32和34示出為執(zhí)行單回路控制，使用單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊，分別連接到適當?shù)哪M量輸入(AI)和模擬量輸出(AO)功能塊，它們可以與諸如閥門的過程控制設備、諸如溫度和壓力變送器或傳感器的測量設備、或過程控制系統(tǒng)10中的任何其他設備相關聯(lián)。高級控制回路36示出為包括高級控制塊38，具有可通信地連接到一個或多個AI功能塊的輸入和可通信地連接到一個或多個AO功能塊的輸出，盡管高級控制塊38的輸入和輸出可以連接到任何其他所希望的功能塊或控制元件以接收其他類型的輸入，并提供其他類型的控制輸出。高級控制塊38可以實施任何類型的多輸入多輸出控制方案，可以構(gòu)成或包括模型預測控制(MPC)塊、神經(jīng)網(wǎng)絡建?；蚩刂茐K、多變量模糊邏輯控制塊、實時優(yōu)化器塊等。會理解，包括高級控制塊38的圖1中所示的功能塊可以由獨立控制器11執(zhí)行，或者可替換地，可以位于過程控制系統(tǒng)的任何其他處理設備或控制元件中并由其執(zhí)行，例如工作站13之一或現(xiàn)場設備19-22之一。示例性地，現(xiàn)場設備21和22可以分別是變送器和閥門，可以執(zhí)行控制元件，用于實施控制例程，因而可以包括處理和其他組件，用于執(zhí)行部分控制例程，例如一個或多個功能塊。具體而言，現(xiàn)場設備21可以具有存儲器39A，用于存儲與模擬輸入塊相關的邏輯和數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場設備22可以包括致動器，具有存儲器39B，用于存儲與和模擬量輸出(AO)塊通信的PID或其他控制塊相關的邏輯和數(shù)據(jù)，如圖1所示的。

圖2的曲線圖總體上例示了基于控制回路32、34和36的一個或多個(和/或位于現(xiàn)場設備21和22或其他設備中的包含功能塊的任何控制回路)的實施，響應于過程控制系統(tǒng)的過程輸入產(chǎn)生的過程輸出。所實施的控制例程通常在多個控制器迭代上以周期性方式執(zhí)行，具有圖2中由粗箭頭40沿時間軸所示的控制例程執(zhí)行的時間。在常規(guī)情況下，每一個控制例程迭代40受到由例如變送器或其他現(xiàn)場設備提供的以粗箭頭42所示的更新的過程測量支持。如圖2所示，典型的存在多個周期性過程測量42，由在每一個周期性控制例程執(zhí)行時間40之間的控制例程做出并接收。為了避免與將測量值與控制執(zhí)行同步相關聯(lián)的限制，許多已知的過程控制系統(tǒng)(或控制回路)都設計為以2-10倍的因子過采樣過程變量測量。這種過采樣有助于確保過程變量測量當前在每一個控制例程執(zhí)行或迭代期間在控制方案中使用。此外，為了使得控制變化最小，常規(guī)設計方案指定基于反饋的控制應比過程響應時間快4-10倍地執(zhí)行。再另外地，在常規(guī)設計方案中，為了確保最佳控制性能，在每一個控制器執(zhí)行期間中在控制器的輸出端產(chǎn)生的控制信號發(fā)送到受控設備，受控設備基于受控設備操作而動作或?qū)崿F(xiàn)受控設備操作。過程響應時間在圖2的曲線圖的過程輸出響應曲線43中示出為在過程輸入中的階躍變化44的實施后(在圖2的下方線45中顯示)與過程時間常數(shù)(τ)相關的時間(例如，過程變量變化的63％)加上過程延遲或停歇時間(T_D)。在任何情況下，為了滿足這些常規(guī)設計方案要求，過程測量值更新(由圖2的箭頭42所示的)以比控制例程執(zhí)行速率(由圖2的箭頭40所示的)快得多的速率采樣并提供給控制器，控制例程執(zhí)行速率又比過程響應時間快得多或高得多。

但在一些控制系統(tǒng)配置中，例如在控制器以無線方式發(fā)送控制信號或從一個或多個現(xiàn)場設備接收過程變量測量的控制系統(tǒng)配置中，不可能以確保控制器的每一個輸出都以同步方式或者在控制信號的發(fā)送與該信號在受控設備的接收之間僅具有最小時間延遲地到達受控設備的方式來將控制信號發(fā)送到受控設備。此外，從這些類型的系統(tǒng)中的過程獲得頻繁且周期性的測量樣本可能是不切實際的，甚至是不可能的。具體而言，在這些情況下，控制器僅能夠接收非周期性過程變量測量，和/或在非周期性或甚至周期性過程變量測量之間的時間可以大于控制例程執(zhí)行速率(由圖2的箭頭40所示的)。

圖3示出了示例性的部分無線過程控制系統(tǒng)10，其可以展示上述的問題，因而不能使用相對于圖2所述的典型的控制技術執(zhí)行可接受的或所希望的控制。但本文相對于圖4-10所述的新的控制技術可以在圖3的工廠配置中實施，以使得受控設備的控制移動最少的方式執(zhí)行控制，同時在存在控制器與受控設備之間的過程控制信號和/或傳感器或變送器與控制器之間的過程變量測量的非周期性、無線的和/或顯著延遲的通信的情況下執(zhí)行控制。具體而言，圖3的控制系統(tǒng)10在本質(zhì)上類似于圖1的控制系統(tǒng)10，，相似的元件具有相同的編號。但圖3的控制系統(tǒng)10包括多個現(xiàn)場設備60-70，其在諸如通信網(wǎng)絡的無線網(wǎng)絡72中無線可通信地耦合到彼此，并經(jīng)由網(wǎng)關設備73耦合到控制器11。如圖3所示，網(wǎng)絡72中無線連接的現(xiàn)場設備連接到或包括天線75，天線75彼此協(xié)作并與天線76協(xié)作(它耦合到網(wǎng)關設備73)以在網(wǎng)絡72中進行無線通信。在一個情況下，示出為設備61-64的一些現(xiàn)場設備經(jīng)由硬連線線路連接到無線網(wǎng)關或轉(zhuǎn)換設備76，其在無線網(wǎng)絡72中執(zhí)行用于這些設備的通信。當然，無線網(wǎng)絡72中的其他設備可以是無線設備，可以每一個都具有其自己的無線通信模塊，用于在無線網(wǎng)絡72中執(zhí)行無線通信。此外，現(xiàn)場設備60-70可以是任何類型的現(xiàn)場設備，例如包括變送器/致動器(例如閥門致動器)、閥門等。

會理解，圖3的變送器60-64和66-69中的每一個都可以將表示各自的過程變量(例如流量、壓力、溫度或液位信號)的信號經(jīng)由無線通信網(wǎng)絡72、網(wǎng)關設備73和網(wǎng)絡9傳送到控制器11，以便在控制器11中實施的一個或多個控制回路或例程中使用。稱為受控設備的其他無線設備，例如圖3中所示的閥門或閥門致動器65和70，可以從控制器11無線地或者部分無線地(例如經(jīng)由網(wǎng)絡9、網(wǎng)關73和無線網(wǎng)絡72)接收過程控制信號。此外，這些設備可以被配置為經(jīng)由無線網(wǎng)絡72將其他信號(例如表示例如設備的當前位置或狀態(tài)的任何其他過程參數(shù)的信號、確認信號等)傳送到控制器11和/或工廠10中的其他設備。一般來說，如圖3所示，控制器11包括通信棧80，其在處理器23上執(zhí)行以處理輸入的信號，模塊或例程82，其在在處理器23上執(zhí)行以檢測輸入的信號何時包括測量更新或檢測來自控制回路內(nèi)或與控制回路相關的設備的其他信號，將一個或多個控制模塊84，其在處理器23上執(zhí)行以基于測量更新執(zhí)行控制。檢測例程82可以生成標志或其他信號，以表示經(jīng)由通信棧80提供的數(shù)據(jù)包括新的過程變量測量或其他類型的更新。新的數(shù)據(jù)和更新標志隨后可以提供給一個或多個控制模塊84(其可以是功能塊)，控制模塊84隨后由控制器11以預定周期性執(zhí)行速率執(zhí)行，如以下進一步詳述的?？商鎿Q地，或者另外地，新的數(shù)據(jù)和更新標志可以提供給在控制器11或者控制系統(tǒng)10中的其他位置中執(zhí)行的一個或多個監(jiān)控模塊或應用程序。

因而，如上所述，圖3的過程控制系統(tǒng)10通常使用控制信號和由變送器60-64和66-69或諸如現(xiàn)場設備65和70的其他控制元件測量的、感測的或計算的數(shù)據(jù)的無線傳輸來執(zhí)行控制。示例性地，在圖3的過程控制系統(tǒng)10中，從控制器11到諸如閥門65或70之一的受控設備的新的控制信號經(jīng)由網(wǎng)關設備73和無線網(wǎng)絡72傳送到該設備。此外，在一些情況下，用于控制器11的反饋計算的新的過程變量測量或其他信號值可以經(jīng)由無線網(wǎng)絡72由設備60-64和66-69在非周期性、間歇的或緩慢的基礎上傳送到控制器11，例如僅在滿足特定條件時。例如，當過程變量值相對于由設備發(fā)送到控制器11的最后的過程變量測量值改變預定量時，新的過程變量測量值可以發(fā)送到控制器11。當然，也可以實施或替換確定何時以非周期性方式發(fā)送過程變量測量值的其他方式。

在任何情況下，在控制器11(其執(zhí)行控制計算)與接收控制信號的受控設備(例如閥門或致動器設備)之間的，和在傳感器(其測量受控過程變量)與控制器11(其在控制計算的反饋回路中使用傳感器信號)之間的通信路徑內(nèi)存在無線通信網(wǎng)絡72和/或使用網(wǎng)關設備73可以使得控制回路中的通信在通信過程中異步、非周期的和/或受到顯著延遲。例如，進入網(wǎng)絡中的典型的無線網(wǎng)關可以將控制通信延遲3-6秒，在使用這些網(wǎng)絡時使得高速同步控制困難。這種延遲還可以在將信號從無線通信網(wǎng)絡內(nèi)的傳感器或變送器設備傳送到該網(wǎng)絡外的控制器時出現(xiàn)。

因而，在控制器11與圖3的無線網(wǎng)絡內(nèi)的設備之間存在無線通信通常導致異步的、顯著延遲的和/或非周期性的通信，其又產(chǎn)生在控制器11與現(xiàn)場設備60-64和66-69之間不規(guī)律的或不太頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和/或反之亦然。但如上提及的，控制信號到有線現(xiàn)場設備15-22的傳送和測量值從有線現(xiàn)場設備15-22的傳送傳統(tǒng)上構(gòu)造為以周期性方式執(zhí)行，從而又支持控制器11中控制例程的周期性執(zhí)行。結(jié)果，控制器11中典型的控制例程通常設計用于在控制器11的反饋回路中使用的過程變量測量值的周期性更新。

為了適應例如由設置在控制器11與至少一些現(xiàn)場設備之間的無線通信硬件引入的控制回路內(nèi)的非周期性或顯著延遲的控制和測量信號，控制器11的控制和監(jiān)控例程可以如下所述地重構(gòu)或修改以使得過程控制系統(tǒng)10能夠在使用非周期性或其他間歇的或顯著延遲的通信信號時，尤其是在這些信號傳輸與控制器11的執(zhí)行速率(例如周期性執(zhí)行速率)相比不太頻繁地出現(xiàn)時適當?shù)剡\行。

在圖4中更詳細地例示了被配置為使用非周期性控制相關的通信操作的示例性控制方案或控制系統(tǒng)400，圖4示意性地例示了耦合以控制過程101的過程控制器100。具體而言，控制器100經(jīng)由無線通信鏈路103(圖4中以虛線示出)耦合到過程101的無線致動器102。在此情況下，致動器102是受控設備，例如可以是用于閥門的致動器，閥門控制過程101中的流體流量。由控制器100(其可以是圖1和3的控制器11或者例如圖3的一個無線現(xiàn)場設備的現(xiàn)場設備的控制元件等)實施的控制方案通常包括結(jié)合圖3所示和所述的通信棧80、更新檢測模塊82和一個或多個控制模塊84的功能。

在圖4的示例性系統(tǒng)中，控制器100例如從工作站13之一(圖1和3)或者從過程控制系統(tǒng)10中的或與過程控制系統(tǒng)10通信的任何其他源接收設定點信號，并操作以生成一個或多個控制信號105(或控制器移動)，其從控制器100的輸出端經(jīng)由無線通信鏈路103提供給無線致動器102。除了接收控制信號105以外，過程101(或可以在過程101中的致動器102)可能受到測量的或不可測量的干擾。取決于過程控制應用的類型，設定點信號可以在過程101的控制過程中的任何時間改變，例如由用戶、調(diào)節(jié)例程等。當然，過程控制信號可以控制與閥門或任何其他類型的可移動控制元件相關的致動器，或者可以控制任何其他現(xiàn)場設備以在過程101的操作中引起變化。過程101對過程控制信號105中的變化的響應由例如可以是對應于圖3中所示的變送器60-64或66-69中任何一個的變送器、傳感器或其他現(xiàn)場設備106測量或感測。在變送器106與控制器100之間的通信鏈路在圖4中示出為硬連線的通信鏈路，其將同步、周期性或即時的反饋信號提供給控制器100，但也可以是以很小的或無延遲地提供反饋信號的任何其他類型的通信鏈路。

在簡單的實施例中，控制器100可以實施單/輸入、單/輸出閉環(huán)控制例程，例如PID控制例程，它是一種形式的PID型控制例程。本文使用的PID型控制例程包括任意的比例(P)、積分(I)、微分(D)、比例-積分(PI)、比例-微分(PD)、積分-微分(ID)或比例-積分-微分(PID)控制例程。因此，控制器100包括幾個標準PID控制器元件，包括控制信號生成單元，具有求和塊108，求和塊108產(chǎn)生在設定點與測量的過程比例之間的誤差信號，比例增益元件110、另一個求和塊112和高低限制器114。控制例程100還包括包含濾波器116的直接反饋路徑。在此情況下，濾波器116可以耦合到高低限制器114的輸出端，或者如圖4所示的，可以耦合到致動器102，以接收隱含的致動器位置信號，用于計算由過程控制器100產(chǎn)生的控制信號的復位(或其他)控制分量。一般來說，濾波器116的輸出端連接到求和器112，求和器112將由濾波器116產(chǎn)生的復位(積分)分量加到由增益單元110產(chǎn)生的比例分量。另外，如圖4所示的，控制器100可以包括微分分量計算塊132，其與專門用于計算比例和積分貢獻的元件并行地從求和塊108接收誤差信號。在此，求和器134將控制信號的微分分量加到求和器112的輸出，以產(chǎn)生PID控制信號，具有比例、微分和積分分量。當然，如果希望的話，求和器112和134可以合并為單個單元。此外，將比例、積分和微分貢獻示出為在求和塊112和134合并以產(chǎn)生未受限的控制信號，盡管可以使用其他PID結(jié)構(gòu)(例如串行結(jié)構(gòu))。

具體而言，在控制器100的操作過程中，求和塊108將設定點信號與從變送器106提供的最近接收的過程變量測量值相比較以產(chǎn)生誤差信號。比例增益元件110例如通過將誤差信號乘以比例增益值K_p而在誤差信號上運算以產(chǎn)生控制信號的比例貢獻或分量。求和塊112隨后將增益元件110的輸出(即比例貢獻)與由反饋路徑，具體而言，由濾波器116，產(chǎn)生的控制信號的積分或復位貢獻或分量合并。求和器134增加由塊132產(chǎn)生的微分分量以產(chǎn)生未受限的控制信號。限制器塊114隨后在求和器134的輸出上執(zhí)行高低限制以產(chǎn)生控制信號105，用于控制過程101，具體而言，控制致動器102。

此外，如圖4所示的，耦合濾波器116以經(jīng)由無線通信鏈路(其可以是與用于將控制信號傳送到致動器102的鏈路103相同的鏈路)從致動器102接收隱含的位置。濾波器106以如下詳述的方式使用這個隱含的位置值來確定控制信號105的復位(積分)分量。一般來說，當由于在控制器110與無線閥門或致動器102之間的通信引入最小延遲時，由無線致動器/閥門102傳送回控制器110的閥門位置反饋(即隱含的位置值)可以用于正反饋網(wǎng)絡中(即濾波器116中)，以產(chǎn)生PID控制器100的復位貢獻。在此，如果與無線閥門102的通信丟失或沒有以周期性方式更新，那么由無線閥門或致動器102傳送的最后的目標閥門位置的反饋(即最后知道的致動器102工作以達到的目標位置)可以用作隱含的位置，將它輸入到連續(xù)更新濾波器116中。

重要的是，如圖4所示的，由控制器100實施的控制例程還包括控制通信塊135，其可以用于使得當使用無線閥門或在控制信號到受控設備的傳輸中引起顯著延遲的一些其他通信網(wǎng)絡來實施控制時，在由致動器102使用的或提供給致動器102的目標位置中做出的變化的數(shù)量最少。具體而言，為了使得發(fā)送到致動器102控制信號的數(shù)量最少，從而使得閥門致動器102消耗功率最小，塊135僅在滿足特定準則時，才將計算的控制器輸出或控制信號105(以周期性方式由控制例程產(chǎn)生的)傳送到無線致動器102。在一般意義上，這些準則的使用使得發(fā)送到致動器102的控制信號變化的數(shù)量減少或最少，同時仍能執(zhí)行過程魯棒控制。

一般來說，典型地調(diào)度PID控制器100以比使用塊135將致動器102的目標值傳送到無線致動器102的最大速率快得多的速率執(zhí)行。具體而言，塊135僅在自從發(fā)送到無線致動器102所最后通信以后的時間等于或大于配置的通信期間，且致動器對目標位置的最后變化的確認的通信已經(jīng)在塊135接收到時，才將控制信號105的新值的發(fā)送到致動器102。如果希望的話，配置的通信期間可以小于或等于實施與受控設備的通信的通信塊135的執(zhí)行速率，以使得通信塊135的操作或執(zhí)行是配置的通信期間已經(jīng)過去(即自從將在前控制信號發(fā)送到受控設備后經(jīng)過的時間大于最小時間閾值)的隱含確定。在任何情況下，如果滿足這些條件，那么塊135就在滿足兩個另外的信號傳輸準則的任意一個或二者時，將新的目標位置(即新的或更新的控制信號105)傳送到致動器102。具體而言，如果在新計算的控制信號與傳送到致動器102的最后控制信號之間的差的絕對值超過配置的死區(qū)值(即閾值)和/或如果自從到致動器102的最后通信以后的時間超過配置的缺省報告時間，那么控制通信塊135就將新計算的控制信號105傳送到致動器102。如果不滿足這些條件，那么控制通信塊135就不將新計算的控制信號105發(fā)送到致動器102。

因而，一般來說，由控制通信塊135實施的例程在每個配置的通信期間(其典型地設定為大于或等于控制器執(zhí)行期間)最多僅發(fā)送一次控制信號，且僅在控制器接收到發(fā)送到致動器的最后控制信號實際上已經(jīng)由致動器接收的確認時。這個初始條件集合確?？刂破靼l(fā)送控制信號不大于特定速率，且當在前控制信號可能還沒有由致動器接收時(由以前發(fā)送的控制信號的致動器確認來確定)不發(fā)送新的控制信號。此外，如果滿足這些條件(即自從將最后的控制信號發(fā)送到致動器102以后的時間大于配置的或預設的時間，且致動器102已經(jīng)確認接收到最后的控制信號)，那么僅在新的控制信號的量值與以前發(fā)送的控制信號的量值相差預定閾值是和/或在自從到致動器102的最后通信后的時間超過配置的缺省報告時間時，才發(fā)送新的控制信號。

通信塊135因而確保了僅在已經(jīng)證實已經(jīng)在致動器102接收到在前控制信號，且自從發(fā)送最后的控制信號(由配置的通信期間來確定)后已經(jīng)過去特定的最小時間量時，且僅在要發(fā)送的新的控制信號的量值與最近接收的控制信號的量值相差閾值量時，或者自從發(fā)送最后的控制信號后到當前時間的時間超過特定閾值時(即使在控制信號的量值中的差不等于或超過閾值)，才將新的控制信號發(fā)送到致動器102。這個操作總體上減少了發(fā)送到致動器102的控制信號的數(shù)量，從而減少了控制器所需的致動器移動的數(shù)量，但以在過程中實現(xiàn)了魯棒的控制的方式來進行。

此外，如果希望的話，由塊135作為部分控制信號傳送到無線致動器102的閥門目標位置通?？梢允强刂评痰挠嬎爿敵?即最近的控制信號105的值)。但可任選地，目標位置中變化的量值(即在發(fā)送到致動器102的連續(xù)控制信號通信之間控制信號中的變化的量值)可以限制為最后傳送的控制或目標值加上或減去最大變化值。因而，當在新的控制信號與最后傳送的控制信號之間控制信號中變化的絕對值超過配置的最大變化值時，新發(fā)送的控制信號(或目標值)會被限制為具有這個最大變化的信號值。以此方式，控制通信塊135可以限制在到致動器102的連續(xù)控制信號通信之間控制信號中的變化的量。在最后傳送的控制信號的反饋或確認受到顯著延遲時希望有這個限制操作，以防止控制信號中大的跳躍，其可以導致較差的控制性能。

該通信方法的優(yōu)點在于，當由無線致動器102提供給控制器100的最后傳送的控制值或目標位置的反饋或確認(即隱含的致動器位置)的傳送具有最小延遲時，這個值可以在正反饋網(wǎng)絡中(例如由濾波器116)用于計算PID復位分量。這個操作自動補償由到無線致動器102的通信引入的任何延遲或變化，因此無需PID調(diào)節(jié)中的變化來補償將目標位置傳送到閥門中的延遲。結(jié)果，PID控制器調(diào)節(jié)嚴格地按照過程增益和動態(tài)來建立，與由通信引入的延遲無關。

具體而言，使用上述的控制通信例程仍使得濾波器116能夠操作以提供過程的魯棒控制，而同時減少在控制器100與致動器102之間的通信的方式來產(chǎn)生控制信號的積分或復位貢獻分量。具體而言，耦合以接收隱含的致動器位置(從致動器102經(jīng)由例如無線通信路徑發(fā)送的)的濾波器116基于隱含的致動器位置和控制算法100的執(zhí)行期間或時間，產(chǎn)生對控制信號105的預期過程響應的指示。在此情況下，隱含的致動器位置可以是在致動器102接收的最近的控制信號(或者最近的控制信號的目標位置)，其中，控制信號指示致動器102要移動到的位置。在執(zhí)行時，如圖4所示的，濾波器116將預期過程響應信號提供給求和器112。如果希望的話，由濾波器116產(chǎn)生的對求和器108的輸出中的變化的預期過程響應可以使用一階模型來近似，如下詳述的。但更一般地，預期過程響應可以使用過程100的任何適當?shù)哪Ｐ彤a(chǎn)生，不限于與確定控制信號的積分或復位貢獻相關的過程模型。例如，利用過程模型來提供預期過程響應的控制器可以包含或不包含微分貢獻，使得控制例程100可以實施PID或PI控制方案。

在更詳細地論述圖4的濾波器的操作前，注意到可以使用正反饋網(wǎng)絡以確定積分或復位貢獻來實施傳統(tǒng)PI控制器是有用的。在數(shù)學上表明，傳統(tǒng)PI實施方式的傳遞函數(shù)等價于用于無約束控制，即輸出不受限制，的標準公式。具體而言：

其中，K_p＝比例增益

T_復位＝復位，秒

O(s)＝控制輸出

E(s)＝控制誤差

如圖4所示的，使用來自致動器102的正反饋路徑提供隱含的致動器位置的一個優(yōu)點是在控制器輸出受到高或低限制時，即由限制器114，自動防止復位貢獻結(jié)束。

在任何情況下，本文所述的控制技術都實現(xiàn)了在控制器接收過程變量的周期性或非周期性更新時使用正反饋路徑來確定復位貢獻，同時在出現(xiàn)在新的過程變量測量的接收之間的設定點變化或前饋變化的情況下，仍實現(xiàn)了魯棒的控制器響應，同時還限制了在過程控制回路的操作過程中致動器移動的數(shù)量。具體而言，為了提供魯棒的設定點變化操作，濾波器116被配置為在控制器100的每一個或每次執(zhí)行過程中計算預期過程響應的新指示或值。結(jié)果，濾波器116的輸出在控制器例程的每一個執(zhí)行周期過程中重新再生，即使到濾波器116的輸入(致動器102的隱含位置)可以不在這個周期性基礎上更新。

通常，在每一個控制執(zhí)行周期過程中依據(jù)隱含的致動器位置、在最后的(即在前緊挨著的)控制器執(zhí)行周期期間由濾波器116產(chǎn)生的預期過程響應的指示、和控制器執(zhí)行期間計算由濾波器116產(chǎn)生的預期過程響應的新指示。結(jié)果，濾波器116在本文說明為被連續(xù)更新，因為在每一個控制器執(zhí)行周期期間執(zhí)行它以產(chǎn)生新的過程響應估計。以下提出在每一個控制執(zhí)行周期期間可以由連續(xù)更新的濾波器116實施以產(chǎn)生新的預期過程響應或濾波器的示例性等式：

其中，F(xiàn)_N＝新的濾波器輸出

F_N-1＝濾波器輸出最后執(zhí)行

O_N-1＝隱含的致動器位置(例如由致動器接收的最后控制信號)

ΔT＝控制器執(zhí)行期間

在此，會注意到，將新的濾波器輸出F_N迭代地確定為最近的在前濾波器輸出F_N-1(即當前濾波器輸出值)加上衰減分量，所述衰減分量確定為在致動器接收的最近控制器輸出值(或目標位置)O_N-1(隱含的致動器值)與當前濾波器輸出值F_N-1之間的差乘以取決于復位時間T_復位與控制執(zhí)行期間ΔT的因子。

使用以此方式連續(xù)更新的濾波器，控制例程100在只要接收到新的過程變量測量就計算積分控制信號分量時，能夠更好地確定預期過程響應，從而對于設定點或出現(xiàn)在兩個過程比例測量的接收之間的其他前饋干擾中的變化更易于做出反應。具體而言，會注意到，設定點中的變化(沒有接收到新的過程測量值)會立即導致在求和器108的輸出端的誤差信號中的變化，這改變了控制信號的比例貢獻分量，從而改變了控制信號。結(jié)果，濾波器116會立即開始產(chǎn)生過程對改變的控制信號的新的預期響應，因而可以在控制器100接收響應于該改變而測量的新的過程測量值之前更新其輸出。隨后，當控制器100接收新的過程測量值，且濾波器輸出的樣本箝位到求和器112的輸入以用作控制信號的積分或復位貢獻分量時，濾波器116迭代到預期過程響應，其至少在一定程度上已經(jīng)對過程101對設定點中的改變的響應做出反應或已經(jīng)包含了過程101對設定點中的改變的響應。

因而，會理解，圖4中所示的控制技術借助連續(xù)更新的濾波器116(例如復位貢獻濾波器)計算對控制塊或例程100的每一個執(zhí)行的預期過程響應的指示。在圖4的實施例中，控制器100配置連續(xù)更新的濾波器116以計算對控制塊的每一個執(zhí)行的預期響應的指示。因而，連續(xù)更新的濾波器116基于隱含的致動器位置(例如在致動器102最近接收的控制信號)連續(xù)計算對控制例程的每一次迭代的預期響應的指示，預期響應的這個新指示在每一個執(zhí)行周期期間傳遞到求和塊112。

這個控制技術允許連續(xù)更新的濾波器116對預期過程響應連續(xù)建模，不管是否傳送了新的測量值，且無需確定當前控制器輸出是否將發(fā)送到致動器102。如果作為基于測量的干擾的設定點變化或前饋操作的結(jié)果，控制輸出改變，連續(xù)更新的濾波器116通過基于致動器102的隱含位置計算在每一次控制例程迭代的預期響應的新指示來正確反映預期過程響應。

應注意到，圖4的簡單PID控制器結(jié)構(gòu)將濾波器116的輸出直接用作對控制信號的復位貢獻，在此情況下，閉環(huán)控制例程的復位貢獻(例如以上提出的連續(xù)更新濾波器等式)在確定過程是否展現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)行為時可以提供過程響應的準確表示。但其他過程，例如停歇時間主導的過程，會需要在圖4的控制器中并入額外的分量，以便對預期過程響應建模。關于可以由一階模型很好地表示的過程，過程時間常數(shù)通?？梢杂糜跒镻I(或PID)控制器確定復位時間。具體而言，如果復位時間設定為等于過程時間常數(shù)，復位貢獻通常會抵消比例貢獻，以使得隨著時間過去，控制例程100反映預期過程響應。在圖4所示的示例中，復位貢獻可以由具有濾波器116的正反饋網(wǎng)絡借助與過程時間常數(shù)相同的時間常數(shù)來實現(xiàn)。盡管可以利用其他模型，但正反饋網(wǎng)絡、濾波器或模型提供了用于確定具有已知或近似的過程時間常數(shù)的過程的預期響應的便利機制。

圖5和6例示了控制系統(tǒng)的一些其他示例，其可以使用以上相對于圖4所述的通信控制或濾波技術來響應于設定點變化而提供魯棒的控制，同時還使得受控設備中的控制器移動最少。具體而言，在一些應用中，有線或無線變送器或傳感器及例如閥門的有線或無線受控設備的多個不同組合可以用于控制方案中。具體而言，希望實施上述的控制技術以使得包括無線變送器和有線閥門或致動器的控制回路中、包括有線變送器和無線閥門或致動器(例如圖4所示的)的控制回路中、包括無線變送器和無線閥門或致動器的控制回路中、和/或包括有線變送器和有線閥門或致動器的控制回路中的控制器移動最少。在此，會理解，本文所述示例中的無線通信路徑假定在控制器與致動器之間和/或在變送器(傳感器)與控制器之間引入緩慢、間歇的、非同步的、非周期性的和/或限制延遲的傳輸，本文所述的用于這些網(wǎng)絡的相同概念或控制技術可以應用于具有包括一個或多個這些特性的任何通信網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)，即使這些通信網(wǎng)絡或控制系統(tǒng)在本質(zhì)上不是無線的。

圖5例示了示例性控制系統(tǒng)500或控制回路，其包括無線變送器(及因此的無線反饋通信路徑)和無線閥門或致動器(及因此的無線控制信號通信路徑)。假定顯著的延遲、丟失信號、非周期性或異步通信可能由于這兩個無線通信路徑的任意一個而引入。圖5中所示的控制系統(tǒng)500本質(zhì)上類似于圖4的，除了圖5的控制器100包括額外的組件，需要其來解決在傳感器106與控制器100之間的反饋通信路徑中的潛在的通信的延遲或丟失，和/或異步或周期性通信的丟失。正如會見到的，這個路徑現(xiàn)在在圖5中以虛線表示，以指示這個通信路徑是無線的、非周期性的、異步的和/或展現(xiàn)出顯著延遲。

如圖5所示的，控制器100包括以上相對于圖4所示的標準PID控制器元件，包括控制信號生成單元，控制信號生成單元具有求和塊108、比例增益元件110、另一個求和塊112、微分計算塊132、再另一個求和塊134和高低限制器114?？刂评?00還包括包含濾波器116的反饋路徑，但在此情況下，另外還包括積分輸出開關，其包括選擇塊118，耦合到通信棧80和濾波器116。如圖5所示，濾波器166仍耦合以接收隱含的致動器位置，但現(xiàn)在將濾波器116的輸出提供給塊118，塊118又將由控制器100生成的積分或復位分量提供給求和塊112。

在控制器100的操作過程中，求和塊108將設定點信號與最近接收的過程變量測量值(從控制器100中的通信棧80提供的)相比較以產(chǎn)生誤差信號。比例增益元件110例如通過將誤差信號乘以比例增益值K_p而在誤差信號上運算

以產(chǎn)生控制信號的比例貢獻或分量。求和塊112隨后將增益元件110的輸出(即比例貢獻)與由反饋路徑(包括濾波器116和塊118)產(chǎn)生的控制信號的積分或復位貢獻或分量合并。微分分量塊132在求和器108的輸出(誤差信號)上運算以產(chǎn)生控制信號的微分分量，其由求和器134加到求和器112的輸出。限制器塊114隨后在求和器134的輸出上執(zhí)行高低限制以產(chǎn)生控制信號105，將其提供給控制通信塊135。塊135以如上相對于圖4所述的方式操作以確定新的控制信號105何時經(jīng)由無線鏈路103(其可能受到顯著延遲)發(fā)送到致動器102。

在此情況下，控制器110的反饋路徑中的濾波器116和塊或開關118操作以如下方式產(chǎn)生控制信號的積分或復位貢獻分量。耦合以接收限制器114的輸出的濾波器116基于隱含的致動器位置和控制算法100的執(zhí)行期間或時間產(chǎn)生對控制信號105的預期過程響應的指示。但在此情況下，濾波器166將這個預期過程響應信號提供給開關或塊118。只要在控制器100接收到新的過程變量測量值(由通信棧80確定的)，開關或塊118就在開關或塊118的輸出采樣并箝位濾波器116的輸出，并保持這個值，直到在通信棧80接收到下一個過程變量測量值。因而，開關118的輸出保持濾波器116的輸出，它是在控制器100接收最后的過程變量測量更新時產(chǎn)生的。

具體而言，圖5中所示的控制技術借助連續(xù)更新的濾波器116(例如復位貢獻濾波器)計算對控制塊或例程100的每一個執(zhí)行的預期響應的指示。但為了確定濾波器116的輸出是否應用作到求和塊112的輸入，通信棧80及在一些示例中，更新檢測模塊82(圖3)，處理來自變送器106的輸入數(shù)據(jù)，以在接收到新的過程變量測量值時，為積分輸出塊118生成新值標志。這個新值標志通知開關118為這個控制器迭代對濾波器116的輸出采樣并箝位，并將這個值提供給求和器112的輸入端。

不管是否傳送了新值標志，連續(xù)更新的濾波器116都連續(xù)計算對控制例程的每一次迭代的預期響應的指示。預期響應的這個新指示在控制塊的每一個執(zhí)行傳遞到積分輸出開關或塊118。取決于是否存在新值標志，積分輸出開關118在允許來自連續(xù)更新的濾波器116的預期響應的新指示通過以傳送到求和塊112與保持以前在控制塊的最后執(zhí)行過程中傳遞到求和塊112的信號之間切換。具體而言，當傳送新值標志時，積分輸出開關118允許來自連續(xù)更新的濾波器116的最近計算的預期影響的指示通過以傳送到求和塊112。相反，如果不存在新值標志，那么積分輸出開關118就將來自最后的控制塊迭代的預期響應的指示重新發(fā)送到求和塊112。以此方式，每一次從棧80傳送新值標志，積分輸出開關118就箝位到預期響應的新指示上，但如果不存在新值標志，就不允許由濾波器116產(chǎn)生的新計算的預期響應的指示到達求和塊112。

因而，會理解，使用塊118使得連續(xù)更新的濾波器116能夠?qū)︻A期過程響應連續(xù)建模，不管是否傳送了新的測量值。如果控制輸出作為基于測量的干擾的設定點變化或前饋操作的結(jié)果而改變，不管是否存在新值標志，連續(xù)更新的濾波器116都通過計算在每一個控制例程迭代的預期響應的新指示而正確反映預期過程響應。但預期響應的新指示(即復位貢獻或積分分量)只有在傳送了新值標志時(經(jīng)由積分輸出開關118)才包含在控制器計算中。

因而，一般來說，圖5的控制例程通過將其計算基于在通信棧80接收的非周期性、延遲的或異步的測量值，同時另外還確定在兩個測量值的接收之間的預期響應，以考慮由設定點中的變化或用作到控制器100的前饋輸入的任何測量的干擾引起的變化，來產(chǎn)生預期過程響應。因而，上述的控制技術能夠適應可能影響預期過程響應的設定點變化、測量的干擾上的前饋操作等，從而在存在與控制信號到致動器102的傳送和反饋或測量過程變量信號在控制器100的接收相關的通信延遲時，提供更魯棒的控制響應。

此外，如圖5所示，通信棧80將最近接收的反饋信號提供給求和器108，以便用于計算在求和器108的輸出的誤差信號。同樣如圖5所示，由通信棧80產(chǎn)生的新值標志還提供給微分計算單元132，并可以用于指示微分計算單元何時應重新計算或操作以產(chǎn)生微分控制分量。例如，可以基于自從最后測量更新后所經(jīng)過的時間來重構(gòu)微分貢獻塊132。以此方式，避免了在微分貢獻(及得到的輸出信號)中的尖峰信號。

具體而言，為了適應反饋通信路徑中不可靠的或延遲的傳輸，且更一般地，測量更新的不可利用，微分貢獻可以保持在最后確定的值，直到如由來自通信棧80的新值標志所示的接收到測量更新。這個技術允許控制例程按照控制例程的正?；蚪⒌膱?zhí)行速率繼續(xù)進行周期性執(zhí)行。在接收到更新的測量后，如圖5所示的，微分塊132可以根據(jù)以下等式確定微分貢獻

$O_D=K_D\·\frac{e_N-e_{N-1}}{\mathrm{\Δ}T}$

其中，e_N＝當前誤差

e_N-1＝最后的誤差

ΔT＝自從傳送新值后經(jīng)過的時間

O_D＝控制器微分項

K_D＝微分增益因子

借助用于確定微分貢獻的這個技術，用于過程變量(即控制輸入)的測量更新可以在一個或多個執(zhí)行期間值丟失，而不會產(chǎn)生輸出尖峰信號。當重建通信時，微分貢獻等式中的項(e_N-e_N-1)可以生成與在微分貢獻的標準計算值所生成的相同的值。但對于標準PID技術，在確定微分貢獻中的除數(shù)是執(zhí)行期間。相反，本文所述的控制技術利用在兩個連續(xù)接收的測量之間經(jīng)過的時間。借助經(jīng)過的時間大于執(zhí)行期間，控制技術產(chǎn)生比標準PID技術更小的微分貢獻和減小的尖峰信號。

為了有助于確定經(jīng)過的時間，通信棧80可以將上述的新值標志連同在兩個最近接收的值之間經(jīng)過的時間一起提供給微分塊132，如圖5所示。此外，可以使用過程測量來代替比例或微分分量的計算中的誤差。更一般地，通信棧80可以包括或包含任何軟件、硬件或固件(或其任意組合)以實施與包括過程101中的任何現(xiàn)場設備、控制器外的過程控制元件等的過程101的通信接口。

作為進一步的示例，圖6例示了過程控制系統(tǒng)600，其在本質(zhì)上類似于以上相對于圖4和5所述的那些，因為它實施如上所述的控制通信塊135，但在包括在控制器100與致動器102之間的和在變送器106與控制器100之間的有線通信路徑(或其他同步、周期性或無延遲的通信路徑)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中進行。在圖6的系統(tǒng)中，連續(xù)更新的濾波器116可以直接連接以接收隱含的致動器值，并可以連接以將其輸出直接提供給求和器112。此外，來自變送器106的過程變量測量可以直接連接到求和器108。在此，可以提供控制通信塊135以減少發(fā)送到致動器102的控制器更新(控制信號)的數(shù)量以減少致動器移動。因而，如圖6所示，控制通信塊135可以在有線的或無延遲的通信網(wǎng)絡中以上述的方式操作以減少在許多情形中見到的“擺動”現(xiàn)象，和/或減少致動器102的其他過多移動，即使在同步的、周期性的或無延遲的控制和反饋通信存在的情況下。在圖中未示出的另一個情況中，控制通信塊135可以用于在變送器或傳感器與控制器之間提供無線通信(及因而潛在的緩慢的、非同步的、延遲或非周期性的通信)，且在控制器與控制回路中的致動器之間提供有線的(或同步的、周期性的或無延遲的)通信的情形中。

另外，盡管將控制通信塊135示出為在控制器塊100中，但控制通信塊135(或與之相關的功能)可以在控制器輸出端與接收塊135產(chǎn)生的非周期性控制器輸出的受控設備之間的任何點實施。例如，塊135可以包含在控制回路中或者沿在計算了PID輸出之后且在致動器或其他受控設備接收該信號之前的控制信號路徑的任何點。例如，塊135的非周期性控制通信可以包含在PID控制器之后的輸出塊中、網(wǎng)關設備中、或者設置在控制器與受控的致動器之間的控制信號通信路徑中的任何其他設備中。如果希望的話，這個功能甚至可以在致動器自身中實施。

利用本文所述的非周期性控制通信塊135的關鍵在于使用基于隱含的閥門位置的正反饋網(wǎng)絡實施PID復位計算，隱含的閥門位置優(yōu)選地以最小延遲從致動器傳送到控制器。理論上，隱含的閥門位置(即閥門致動器接收并工作以達到的目標位置)的反饋可以由無線致動器響應于目標位置寫請求而傳送回無線網(wǎng)關。這個系統(tǒng)在圖7中示出。具體而言，如圖7所示，在操作過程中，控制通信塊135將包括新的控制目標的寫請求經(jīng)由如虛線200a所示的無線路徑(例如延遲或異步的通信鏈路)發(fā)送到無線致動器102。此后，當無線致動器102接收新的控制信號或目標時，無線致動器102以寫響應對塊135做出響應(經(jīng)由虛線200b所示的無線鏈路)，寫響應指示致動器102接收到控制信號。寫響應本質(zhì)上是控制信號的接收的確認。此外，(對寫請求的)寫響應可以反映接受的控制或目標值。在接收到寫響應后，塊135可以將隱含的致動器位置改變?yōu)橛稍趯懻埱笾邪l(fā)送的控制信號或者由在寫響應中指示的接受的目標值所指示的位置?？刂茐K135因而可以涉及將隱含的致動器位置發(fā)送到圖4-6的濾波器116，以用作隱含的致動器位置。當然，寫請求或?qū)戫憫问降拇_認可以使用在控制器與致動器之間的通信鏈路中的任何設備來實施，例如網(wǎng)關設備(例如圖3的網(wǎng)關73)。

在無線通信的一些實施方式中，在致動器102接收命令以改變目標位置與致動器響應傳送回并可由控制器(或塊135)獲得之間可以存在顯著的延遲。在此情況下，借助塊135的操作來限制控制器發(fā)送新的控制信號，直到從致動器接收到確認后。為了使得控制器100能夠自動補償在寫響應的無線通信中的這個顯著且可變的延遲，可以使用新的控制信號數(shù)據(jù)格式以支持使用諸如無線閥門致動器的無線致動器的控制。

具體而言，在將控制輸出值發(fā)送到無線致動器時可以將應用時間字段添加到控制信號中。這個字段可以指定將來輸出值何時應生效或應由致動器實施的時間。優(yōu)選地，應設定延遲時間以使得到致動器的輸出通信和到控制器的讀回通信都在這個將來時間前完成。換句話說，將來致動器要實施變化以實現(xiàn)到控制信號目標值的移動的時間優(yōu)選地是等于或大于預期延遲的時間，其中，預期延遲由塊135的新控制信號到致動器的傳送和/或從致動器到塊135或到控制器100的確認或?qū)戫憫膫魉椭换蚨咭氲酵ㄐ胖小５褂眠@個命令，可以基于傳送到致動器的目標位置和致動器應在新目標位置上采取動作時所指定的時間來精確地計算隱含的致動器位置。例如，如果在輸出中指定的時間始終是將來的固定秒數(shù)Y，那么可以簡單地通過將目標位置延遲Y秒而在控制器100、網(wǎng)關等中計算隱含的致動器(或閥門)位置。因而，計算的隱含的致動器位置會與用于致動器中的目標值匹配，只要在新命令中指定的延遲時間等于或長于將新目標位置傳送到致動器(有可能是從致動器接收對該目標的接收的確認)所需的時間。為了確保計算的隱含的致動器位置準確反映致動器中的目標位置，可以僅在接收到最后通信的確認時才將新輸出發(fā)給致動器。

因而，一般來說，新命令可以包含一個或多個新的目標值(S)和致動器或閥門應根據(jù)新請求而采取動作的的時間(S)。在此情況下，當閥門或致動器接收到新的請求時，它會等待，直到根據(jù)新目標值采取動作的預定時間。但當閥門或致動器接收到新的命令時，它立即努力發(fā)送響應，其包含確認和/或包含新的目標值(從而確認接收并產(chǎn)生新的隱含的致動器位置)，即使在閥門根據(jù)新的目標值采取動作前。這個命令減小或緩解了與塊135(或使用濾波器116的控制器)接收顯著延遲的隱含致動器位置值相關的問題，因而在這些環(huán)境中提供了更好的控制。實際上，為了使得這個通信延遲的影響最小，提出了當以無線閥門執(zhí)行控制時使用這個新的命令，用于控制器的反饋回路中的隱含的致動器位置基于目標值，所述目標值發(fā)送到閥門，被延遲了在命令中用于動作的時間與緩沖新目標值以便發(fā)送到閥門的時間之間的時間。用于控制器中的外部復位值因而在通信層中或在控制模塊中計算，可以作為“隱含的閥門位置”提供以便用作PID外部復位值(例如到濾波器116的輸入)。但在任一情況下，都希望等待以發(fā)出新的控制命令，直到從閥門接收的閥門或致動器已經(jīng)接收到發(fā)送到閥門的以前的命令的確認。

當然，用于這個命令中的時間值可以基于在塊135接受新的目標值的時間加上預配置的延遲時間。延遲時間例如可以由用戶、結(jié)構(gòu)工程師、制造商等設定，或者可以基于通信鏈路的統(tǒng)計特性(例如在特定時間期間中在通信鏈路內(nèi)測量或觀測的平均延遲、中值延遲、最大延遲，基于多個延遲測量的預期延遲的一個或多個標準偏差等)。

作為這個命令的操作的示例，圖8例示了在通信過程中涉及的多個信號的時序圖800，其中，處理AO輸出塊以產(chǎn)生具有新目標值的控制信號，新目標值傳送到閥門(或致動器)，隨后通過閥門或致動器作用。在圖8的示例中，線801表示由控制例程產(chǎn)生并作為到控制通信塊135的輸入而提供的控制信號。線802表示由控制通信塊135提供給致動器的目標輸出或輸出控制信號的生成。線804表示新目標值在致動器的接收，可以對應于回到控制器的目標值由致動器(閥門)接收的確認的發(fā)送。線806表示致動器或閥門響應于控制信號而操作的時序，例示了控制信號到達致動器的延遲時間大于它針對線802中目標值的變化所花費的時間。最后的線808表示由塊135接收的最后閥門回復。注意，由于以上解釋的操作，塊135不會發(fā)出新的控制信號或變化的控制信號，直到它接收寫響應，指示致動器(閥門)接收到在前控制信號，這是線808中的變化在時間上(幾乎在時間上)對應于新的控制信號從塊135發(fā)出的變化(由線802指示)。

在任何情況下，使用這個延遲時間作為部分控制信號使得控制器能夠與致動器實際根據(jù)控制信號動作以朝向新的目標值移動同時或幾乎同時地改變用于反饋計算(例如上述的濾波器116)中的隱含的致動器位置，即使在控制器與致動器之間存在顯著的通信延遲。這個操作使得控制反饋計算與閥門的實際操作更緊密地同步，從而提供了更好的或更魯棒的控制操作。

下表I提供了為實施這個延遲時間概念的無線位置監(jiān)視器定義的示例性WirelessHART自定義命令的定義。表I中示出的命令將輸出值或多個輸出值(在字節(jié)3和4中為字節(jié)0和1中識別的一個或多個參數(shù)定義的)寫到監(jiān)視器(例如致動器)，包括應用時間字段(在字節(jié)6-13中)。應用時間字段可以指示從一些指定的時間戳(例如與從塊135發(fā)送控制信號相關的時間戳)的偏移或延遲時間，由在過程控制通信網(wǎng)絡中的幾個不同設備上同步的系統(tǒng)時鐘確定的絕對時間，從系統(tǒng)時鐘的偏移時間等。此外，如果希望的話，新的命令可以發(fā)送多個控制信號以在不同偏移時間或在相同偏移時間同時或順序地應用。命令的數(shù)量例如可以在表I中所示的第二字節(jié)中提供。

表I

在任何情況下，為閥門或其他致動器控制使用這個數(shù)據(jù)格式導致或等價于具有零讀回或確認延遲，只要控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡具有用于這個命令的時間的共識或測量，在命令中指定的延遲時間大于寫請求和寫響應的單程或往返延遲。

執(zhí)行兩組測試以展示本文所述的控制和通信系統(tǒng)的功能。第一組測試假定最小響應(確認)延遲來進行，第二組測試包括顯著響應延遲來進行，顯著響應延遲使用如上所述的作為控制信號的部分的應用時間概念來減輕。本文所述的每一個測試都使用仿真的過程控制系統(tǒng)來執(zhí)行。

在使用最小響應延遲的測試組中，進行總共8個測試以展示使用到無線閥門的非周期性通信的PID控制是減少到閥門的通信的數(shù)量的有效手段。創(chuàng)建控制、通信和過程響應的仿真以允許將具有發(fā)送到無線閥門的非周期性控制通信的控制系統(tǒng)的性能與使用有線閥門的傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相比較。在這些測試中，在從控制器到閥門的通信中包括顯著的延遲，但以最小延遲接收閥門接收消息的確認。過程增益和動態(tài)及PID調(diào)節(jié)對于這8個測試相同，如下使用。

在這些測試的每一個中引入相同的設定點變化(10％)和不可測量的負載干擾變化(10％)。表II中總結(jié)了測試條件。

表II

表III中總結(jié)了這些測試的結(jié)果。

*與無線閥門一起使用的無線變送器

表III

使用提出的PID中的變化(即基于由無線閥門傳送的隱含的閥門位置的復位計算及使用到無線閥門的非周期性通信)，可以極大地減少到閥門的通信的數(shù)量，如表III中所示的。大多數(shù)情況下，控制性能仍是可接受的。在測試4過程中的響應在圖9的曲線圖900中示出，是在這些測試過程中典型見到的。具體而言，曲線圖900的第一組線表示設定點值901、使用無線閥門獲得的測量的受控變量902(具有本文所述的控制和通信過程)、和使用有線閥門獲得的測量的受控變量903(及典型的PID控制例程)。第二組線表示用于無線閥門的閥門移動或閥門位置910(使用本文所述的控制和通信過程)和用于有線閥門的閥門位置911(使用典型的PID控制例程)。底下的線915是出于仿真目的引入的不可測量的干擾。因而，曲線圖900表示響應于兩個設定點變化和過程中不可測量的干擾的用于測試4的使用本文所述的控制和通信過程的控制回路的比較性能。

此外，作為進一步的測試，修改上述一些測試中執(zhí)行的控制和通信仿真以利用新的控制信號數(shù)據(jù)格式，其允許在控制器與閥門之間的顯著通信延遲和閥門響應或確認的通信中的顯著延遲。使用在致動器與控制器之間的反饋路徑中包括顯著通信延遲的這個修改的仿真執(zhí)行測試9-12。與以前測試中使用相同的過程增益和動態(tài)及控制器調(diào)節(jié)用于這些額外的測試。

在測試9和10中，有線測量和無線閥門與有線測量和有線閥門相比較。在測試11和12中，無線測量和無線閥門與有線測量和有線閥門相比較。在這些測試過程中，將設定點和不可測量的干擾中相同的變化引入兩個控制回路中。在表IV中顯示了使得閥門移動、到閥門的通信延遲和閥門響應中的通信延遲最小的非周期性通信的設置。

表IV

在表V中總結(jié)了相對于使用典型的PID控制的有線變送器和閥門的使用對無線閥門的修改的無線控制所取得的結(jié)果。

表V

測試結(jié)果例示了通過使用提出的新的輸出數(shù)據(jù)信號格式結(jié)合用于外部復位的計算的隱含的閥門位置，可以使得通信延遲的影響最小。對于使用無線閥門的設定點和負載干擾中的變化觀測到穩(wěn)定的控制。閥門目標中變化的數(shù)量減少了23倍。在測試10過程中的響應在圖10的曲線圖1000中示出，是在這些測試過程中典型見到的。曲線圖1000中的第一組線表示設定點值1001、使用無線閥門的測量的受控變量1002(具有本文所述的控制和通信過程)、和使用有線閥門的受控變量1003(及典型的PID控制例程)。第二組線表示用于無線閥門的閥門移動或閥門位置1010(具有本文所述的控制和通信過程)和用于有線閥門的閥門位置1011(使用典型的PID控制例程)。底下的線1015是不可測量的干擾。因而，曲線圖1000表示響應于兩個設定點變化和過程中不可測量的干擾的用于測試10的使用本文所述的控制和通信過程的控制回路的比較性能。

作為另一個實驗，在實驗室環(huán)境中使用WirelessHART模塊充當傳感器和致動器來仿真WirelessHART網(wǎng)絡。仿真過程在模塊內(nèi)部運行以關聯(lián)傳感器和致動器的值。由于使用了實際無線網(wǎng)絡，認為該實驗非常接近地表示了現(xiàn)實世界中的應用。

為了更好地理解該實驗，將說明具有WirelessHART網(wǎng)絡的DCS(分布式控制系統(tǒng))的相關組件和為了執(zhí)行實驗對其所做的修改。具體而言，測試DCS包括使用是輸入設備的全部WirelessHART設備的WirelessHART網(wǎng)絡。設備將數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)關，網(wǎng)關緩存數(shù)據(jù)并基于請求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主機。在所用的DCS系統(tǒng)中，與網(wǎng)關通話的組件稱為PIO。包括PID的控制模塊與PIO通話。只要網(wǎng)關不能發(fā)送所請求的響應，網(wǎng)關就以延遲響應(DR)狀態(tài)對來自PIO的任何其他請求立即響應。網(wǎng)關隨后將請求轉(zhuǎn)發(fā)到WirelessHART網(wǎng)絡內(nèi)的受控設備。因而，PIO必須反復詢問網(wǎng)關，反復得到DR，直到由網(wǎng)關接收到來自受控設備的響應，網(wǎng)關隨后無DR信號地進行回復。這個機制適用于到致動器的輸出寫。但可能會發(fā)生將來的WirelessHART標準會允許從PIO到設備的未確認請求，即下游發(fā)布。

在這個實驗中的PIO中實施類似于以上針對塊135所述的控制通信組件。另外，HART寫命令用于使用上述的應用時間概念將輸出寫到閥門。從而使用具有延遲的或應用時間組件的HART命令改變由無線閥門保持的目標閥門位置。如果在命令中指定的目標閥門位置是與發(fā)給網(wǎng)關的以前改變請求中所包含的不同的值，那么這個命令就被認為是新的請求。如果網(wǎng)關已經(jīng)在前接收到對最后請求的位置中的變化的無線閥門響應，那么網(wǎng)關就根據(jù)新的改變請求操作。否則，新的改變請求由網(wǎng)關緩沖。為了確保使用最近的PID輸出并以最小延遲傳送到閥門，由控制器(PIO塊)實施的非周期性通信設計為遵守以下條件：

(1)PID塊的執(zhí)行比網(wǎng)關將新的目標值傳送到閥門并接收響應所需的時間快得多。

(2)每一次PID執(zhí)行(每秒一次或更快)，改變請求命令就發(fā)送到PIO。但如果相同的命令(相同的目標值)發(fā)送到PIO，那么就返回相關閥門響應。在AO塊READ_BACK參數(shù)中反映相關目標值。

(3)如果AO塊READ_BACK參數(shù)的狀態(tài)改變?yōu)锽ad Communication Failure，那么相同的改變請求就繼續(xù)傳送到網(wǎng)關并被認為是新的命令。

在表VI中說明了例示了在該實驗中應用非周期性控制通信塊后的PID輸出中的變化的通信圖。

表VI

如表VI中所示，在步驟2，新的改變請求由控制器AO/Out塊和PIO發(fā)出以將目標值改變?yōu)?0。網(wǎng)關的即時響應以DR(延遲響應)信號來回復。一秒后，在步驟4，相同的改變請求再次發(fā)給網(wǎng)關。在步驟6，網(wǎng)關隨后將HART命令發(fā)給閥門(改變在閥門的閥門目標)，但沒有接收到回復(寫響應)，直到步驟9。但在步驟8，在原始控制命令中提供的到閥門的延遲時間后，在AO/READBACK值中反映改變請求，以在控制器的PID正反饋網(wǎng)絡中用作隱含的閥門位置。在步驟11(響應于在步驟10再次發(fā)出控制命令)，由閥門返回到網(wǎng)關(步驟9)的目標閥門位置返回到PIO。此后，PID輸出中新的改變在步驟12由PIO發(fā)出，全都如表VI中所示的。

作為假設，如果從網(wǎng)關到閥門的通信在步驟6后丟失，那么在一段時間后，閥門響應的丟失就會由網(wǎng)關檢測到，并響應于下一個控制器寫請求，會指示這個失敗。這個失敗隨后會由AO/READBACK狀態(tài)改變?yōu)锽ad Communications(無效通信)來指示。通信的檢測后的下一個控制器寫于是被視為新的寫請求。但AO/READBACK會繼續(xù)顯示Bad Com(無效通信)狀態(tài)，直到響應于重復的改變請求而從閥門接收到響應。

在一般意義上，以上針對使用無線閥門的控制所述的控制器或PID修改也可以應用于使用有線閥門的PID控制器中，以便通過減少目標閥門位置中的變化的頻率而使得閥門磨損最小。為了應對這種應用，非周期性通信功能可以包含到PID或IO功能塊中，隱含的閥門位置可以基于輸出到閥門的控制信號值。此外，用于確定計算的PID輸出是否應傳送到無線閥門的準則還可以包括或考慮計算的控制器輸出改變的速率。在一些情況下，這個特點會允許更快的不可測量的過程干擾的反應。再進一步地，作為本文所述的非周期性控制通信功能的部分，濾波可以在應用本文所述的控制通信準則前應用于計算的控制輸出。以確定是否應傳送新的控制值。類似地，顯示閥門位置中的變化的數(shù)量和總閥門行程的度量可以包含在控制系統(tǒng)中，例如在無線網(wǎng)關、無線閥門等中，以確定非周期性控制通信在減少目標閥門位置中變化的頻率中的有效性。

作為一個普遍的問題，本文所述的控制技術的實踐不限于與單輸入、單輸出PID控制例程(不可P、PI和PD例程)一起使用，而是可以應用于多個不同多輸入和/或多輸出控制方案中、級聯(lián)控制方案或其他控制方案中。更一般地，本文所述的控制技術還可以應用于任何閉環(huán)的基于模型的控制例程的環(huán)境中(例如模型預測控制例程)，涉及使用或生成一個或多個過程輸出變量，一個或多個過程輸入變量或其他控制信號。

本文在廣泛的意義上使用術語“現(xiàn)場設備”以包括多個設備或設備的組合(即，提供多個功能的設備，例如變送器/致動器混合)，以及執(zhí)行控制系統(tǒng)中的功能的任何其他設備。在任何情況下，現(xiàn)場設備例如都可以包括輸入設備(例如，諸如提供表示例如溫度、壓力、流速等的過程控制參數(shù)的狀態(tài)、測量或其他信號的傳感器和儀器的設備)，以及控制操作者或致動器，其響應于從控制器和/或諸如閥門、開關、流量控制設備等的其他現(xiàn)場設備接收的命令而執(zhí)行操作。

應注意，本文所述的任何控制例程或模塊可以具有以在多個設備上的分布式方式實施或執(zhí)行的部分。結(jié)果，控制例程或模塊可以具有由不同控制器、現(xiàn)場設備(例如智能現(xiàn)場設備)或其他設備或控制元件實施的部分，如果希望這樣的話。類似地，本文描述為在過程控制系統(tǒng)內(nèi)實施的任何控制例程或模塊可以采取任何形式，包括軟件、固件、硬件等。提供這種功能所涉及的任何設備或元件在本文通?？梢苑Q為“控制元件”，不管與之相關的軟件、固件或硬件是否設置在過程控制系統(tǒng)內(nèi)的控制器、現(xiàn)場設備或任何其他設備(或設備的集合)中?？刂颇K、例程或塊可以是過程控制系統(tǒng)的任何部件或部分，例如包括例程、塊或其任何元件，存儲在任何計算機可讀介質(zhì)上以便在處理器上執(zhí)行。這種控制模塊、控制例程或其任何部分(例如塊)可以由本文統(tǒng)稱為控制元件的過程控制系統(tǒng)的任何元件或設備來實施或執(zhí)行。控制例程可以是控制程序的模塊或任何部分，例如子例程、子例程的部分(例如代碼行)等，可以以任何所希望的軟件格式來實施，例如使用面向?qū)ο缶幊?、使用梯形邏輯、順序功能圖、功能方框圖，或使用任何其他軟件的編程語言或設計范式。類似地，控制例程可以硬編碼到例如一個或多個EPROM、EEPROM、專用集成電路(ASIC)或任何其他硬件或固件元件中。在進一步地，控制例程可以使用任何設計工具來設計，包括圖形設計工具或任何其他類型的軟件/硬件/固件編程或設計工具。因此，本文所述的控制器11可以被配置為以任何希望的方式實施控制策略或控制例程。

可替換地或另外地，功能塊可以存儲在現(xiàn)場設備自身中并由它們實施，或者在過程控制系統(tǒng)的其他控制元件中，它們可以是利用Fieldbus設備的系統(tǒng)的情況。盡管本文總體上使用功能塊控制策略來提供控制系統(tǒng)的說明，但該控制技術和系統(tǒng)也可以使用其他常規(guī)慣例來實施或設計，例如梯形邏輯、順序功能圖等，或者使用任何其他所希望的編程語言或范式。

在實施時，本文所述的任何軟件可以存儲在任何計算機可讀存儲器中，例如磁盤、激光盤、或其他儲存介質(zhì)、計算機或處理器的RAM或ROM、閃存等中。類似地，這個軟件可以使用任何已知的或所希望的交付方法交付給用戶、加工廠或操作員工作站，例如包括在計算機可讀盤或其他便攜式計算機儲存機制上或者通過通信信道，例如電話線、互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)、其他局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)等。而且，這個軟件可以無需調(diào)制或加密直接提供，或者可以在通過通信信道傳送前使用任何適合的調(diào)制載波和/或加密技術調(diào)制和/或加密。

因而，盡管參考特定示例說明了本發(fā)明。但其意圖僅是說明性的，并非對本發(fā)明的限制，對于本領域普通技術人員顯而易見的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本文所述的控制技術做出改變、添加或刪除。