專利名稱：用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及現(xiàn)場(chǎng)總線(FOUNDATION Filedbus，簡(jiǎn)稱FF)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，屬于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線柔性功能塊(Flexible Function Block)中的一種。
背景技術(shù)：
功能塊是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線最具特色的技術(shù)之一。功能塊是一個(gè)以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為核心的軟件邏輯處理單位，完成一個(gè)獨(dú)立而完整的控制功能。FF的控制系統(tǒng)在邏輯上可以視為由若干個(gè)功能塊組成。構(gòu)成控制系統(tǒng)的功能塊可以是在同一個(gè)設(shè)備中，也可以分散在多個(gè)設(shè)備中，由組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)后，協(xié)作完成控制算法。一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中可以包含多個(gè)功能塊，這些功能塊可以是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation)定義的標(biāo)準(zhǔn)的功能塊，也可以是開發(fā)商根據(jù)特定的控制要求定義的柔性功能塊。
功能塊可分為輸入功能塊(例如模擬量輸入功能塊AI)，控制(計(jì)算)功能塊(例如控制功能塊PID)和輸出功能塊(例如模擬量輸出功能塊AO)三種。輸入功能塊所在的設(shè)備與傳感器相連，輸出功能塊所在的設(shè)備與執(zhí)行器相連，控制功能塊可以存在于任何設(shè)備中。在典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，在每一個(gè)控制周期內(nèi)，輸入功能塊通過(guò)傳感器檢測(cè)當(dāng)前的被控物理量，進(jìn)行濾波和線性化之后，將采樣值傳送給控制功能塊。控制功能塊計(jì)算出控制量，通過(guò)輸出功能塊將控制量發(fā)送到執(zhí)行器完成控制。
在現(xiàn)有技術(shù)中，完成每一個(gè)控制周期，控制系統(tǒng)都至少需要通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次通信。頻繁的總線通信，必然占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，影響了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性，尤其是在以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線載波偵聽(tīng)/沖突回避的通信機(jī)制下，這一問(wèn)題更加突出。另一方面，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，難以快速檢測(cè)傳感器或(和)執(zhí)行器出現(xiàn)的故障；即使檢測(cè)出傳感器出現(xiàn)了故障，控制系統(tǒng)將進(jìn)入安全狀態(tài)，停止對(duì)被控對(duì)象的控制。這必然對(duì)生產(chǎn)造成損失，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服由于頻繁通信和傳感器或(和)執(zhí)行器故障所造成的控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定和安全隱患，本發(fā)明提供一種基于預(yù)測(cè)的解決方案，即一種用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，它根據(jù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)、控制量和采樣值對(duì)被控物理量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而減少總線網(wǎng)絡(luò)的通信量，而且對(duì)控制系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括兩個(gè)設(shè)備，其中設(shè)備1中包含一個(gè)模擬量輸入功能塊，與傳感器相連；設(shè)備2中包含控制功能塊、模擬量輸出功能塊，所述模擬量輸出功能塊與執(zhí)行器相連；在設(shè)備1中，增加一個(gè)預(yù)測(cè)控制功能塊和一個(gè)控制功能塊，其中控制功能塊的參數(shù)與設(shè)備2中控制功能塊的參數(shù)完全一樣，預(yù)測(cè)功能塊中功能塊的角色標(biāo)記設(shè)置為傳感器一側(cè)；在設(shè)備2中增設(shè)一個(gè)與設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊完全相同的預(yù)測(cè)功能塊，并將其功能塊的角色標(biāo)記設(shè)置為執(zhí)行器一側(cè)；使用通用的組態(tài)軟件配置設(shè)備1和設(shè)備2中各個(gè)功能塊之間參數(shù)的連接如下在設(shè)備1中，模擬量輸入功能塊的輸出參數(shù)與預(yù)測(cè)功能塊的輸入?yún)?shù)采樣值相連，控制功能塊的輸出參數(shù)與預(yù)測(cè)功能塊的輸入?yún)?shù)控制量相連，預(yù)測(cè)功能塊的輸出參數(shù)同時(shí)與設(shè)備1中控制功能塊的輸入?yún)?shù)和設(shè)備2中預(yù)測(cè)功能塊的輸入?yún)?shù)采樣值相連；在設(shè)備2中，控制功能塊的輸出參數(shù)同時(shí)與預(yù)測(cè)功能塊的輸入?yún)?shù)控制量和模擬量輸出功能塊的輸出參數(shù)相連，預(yù)測(cè)功能塊的輸出參數(shù)與控制功能塊的輸入?yún)?shù)相連，預(yù)測(cè)功能塊的輸入?yún)?shù)采樣值與設(shè)備中預(yù)測(cè)功能塊的輸出參數(shù)相連；其中通過(guò)通用的組態(tài)軟件，配置設(shè)備1中功能塊的調(diào)度，首先是模擬量輸入功能塊執(zhí)行，然后由預(yù)測(cè)功能塊決定是否需要通過(guò)總線向設(shè)備2發(fā)送由模擬量輸入功能塊傳送來(lái)的采樣值，是否需要發(fā)送報(bào)警，最后是控制功能塊執(zhí)行；其中配置設(shè)備2中功能塊的調(diào)度，通過(guò)是否接收到從設(shè)備1中預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值來(lái)決定控制功能塊執(zhí)行，計(jì)算出本控制周期的控制量的依據(jù)，并將控制量同時(shí)發(fā)送給模擬量輸出功能塊，同時(shí)發(fā)送到和設(shè)備2中的預(yù)測(cè)功能塊；最后是模擬量輸出功能塊執(zhí)行，將設(shè)備2控制功能塊發(fā)送來(lái)的控制量進(jìn)行量程變換后轉(zhuǎn)換發(fā)送到執(zhí)行器，施加于被控對(duì)象之上；其中在傳感器一側(cè)設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊執(zhí)行流程如下預(yù)測(cè)功能塊首先計(jì)算預(yù)測(cè)值，并計(jì)算此預(yù)測(cè)值與模擬量輸入功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值之間偏差的絕對(duì)值，并參考最大允許誤差來(lái)判斷預(yù)測(cè)值的精度是否達(dá)到要求如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值小于最大允許誤差，用預(yù)測(cè)值代替采樣值，并將被替換的采樣值(即預(yù)測(cè)值)發(fā)送到控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值大于最大允許誤差，需要重新計(jì)算預(yù)測(cè)修正量，然后將采樣值通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)備2中的預(yù)測(cè)功能塊中，再根據(jù)報(bào)警閾值判斷傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)是否正常如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值小于報(bào)警閾值，將采樣值發(fā)送到控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值大于報(bào)警閾值，發(fā)送報(bào)警提醒現(xiàn)場(chǎng)工程師檢修，然后將采樣值發(fā)送到控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程；其中在執(zhí)行器一側(cè)設(shè)備2中的預(yù)測(cè)功能塊執(zhí)行流程如下預(yù)測(cè)功能塊首先計(jì)算預(yù)測(cè)值，然后判斷是否接收到從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值，如果沒(méi)有接收到從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值，將預(yù)測(cè)值發(fā)送到設(shè)備2中的控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程；如果接收到從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值，重新計(jì)算預(yù)測(cè)修正量，然后計(jì)算預(yù)測(cè)值與從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值之間偏差的絕對(duì)值，并參考報(bào)警閾值來(lái)判斷傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)是否正常如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值小于報(bào)警閾值，將從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值發(fā)送到控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值大于報(bào)警閾值，需要根據(jù)信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)的值來(lái)決定此后的執(zhí)行過(guò)程如果信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)大于0，將信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)減1，然后將預(yù)測(cè)值發(fā)送到設(shè)備2中的控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程；如果信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)等于0，將從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊發(fā)送來(lái)的采樣值發(fā)送到設(shè)備2中的控制功能塊中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行過(guò)程。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.減輕總線網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)被控物理量的預(yù)測(cè)，減少總線網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)，從而提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性，尤其是在以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線載波偵聽(tīng)/沖突回避的通信機(jī)制下，這一優(yōu)點(diǎn)更是明顯。
2.合理利用設(shè)備資源。本發(fā)明通過(guò)兩個(gè)設(shè)備中的預(yù)測(cè)控制功能塊對(duì)同一被控物理量進(jìn)行預(yù)測(cè)的冗余計(jì)算來(lái)減輕通信負(fù)擔(dān)，不但不會(huì)影響設(shè)備正常工作，而且合理有效的利用了分散在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備中的空閑資源和計(jì)算能力。
3.提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本發(fā)明通過(guò)比較預(yù)測(cè)值和采樣值之間的偏差是否超出最大允許誤差MAX_ERR所規(guī)定的范圍來(lái)判斷控制系統(tǒng)的傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)，起到第二傳感器的作用，從而提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，避免發(fā)生危險(xiǎn)。
4.減少因傳感器故障造成的損失。本發(fā)明可以在控制系統(tǒng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，在信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)所規(guī)定的控制周期內(nèi)使用預(yù)測(cè)值繼續(xù)進(jìn)行控制，從而減少因?yàn)榭刂仆ｎD對(duì)生產(chǎn)造成的損失，為工程師檢修系統(tǒng)爭(zhēng)取時(shí)間。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖3為圖2中控制原理4為本發(fā)明實(shí)際采樣值與預(yù)測(cè)值的關(guān)系圖。
圖5為圖2中預(yù)測(cè)功能塊結(jié)構(gòu)圖。
圖6為本發(fā)明在設(shè)備1中預(yù)測(cè)功能塊的執(zhí)行流程圖。
圖7為本發(fā)明在設(shè)備2中預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行流程圖。
圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例控制效果圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中典型的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由模擬量輸入功能塊(Analog Input，簡(jiǎn)稱AI)、模擬量輸出功能塊(Analog Output，簡(jiǎn)稱AO)和控制功能塊(Proportional Integral Derivative，簡(jiǎn)稱PID)三種功能塊組成。在每一個(gè)控制周期內(nèi)，模擬量輸入功能塊AI通過(guò)傳感器檢測(cè)當(dāng)前的被控物理量，進(jìn)行濾波和線性化之后，將采樣值發(fā)送給控制功能塊PID?？刂乒δ軌KPID計(jì)算出控制量，通過(guò)模擬量輸出功能塊AO將控制量發(fā)送到執(zhí)行器完成控制。在一個(gè)設(shè)備中除了可以具有控制功能塊之外，還可以具有輸入功能塊或者輸出功能塊，但是不能同時(shí)具有輸入功能塊和輸出功能塊。因此，完成每一個(gè)控制周期，都至少需要通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次通信，頻繁的總線通信，必然占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，影響了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性，尤其是在以太網(wǎng)載波偵聽(tīng)/沖突回避的通信機(jī)制下，這一問(wèn)題更加突出。另一方面，如果系統(tǒng)中的傳感器或(和)執(zhí)行器出現(xiàn)故障而未被系統(tǒng)檢測(cè)出，必然對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，甚至造成危險(xiǎn)情況。退一步說(shuō)，即使已經(jīng)檢測(cè)出傳感器出現(xiàn)故障，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)將進(jìn)入安全狀態(tài)，停止對(duì)被控對(duì)象的控制，同樣也要給生產(chǎn)造成損失。
如圖2所示，本發(fā)明包括兩個(gè)設(shè)備，其中設(shè)備1中包含一個(gè)模擬量輸入功能塊AI，與傳感器相連；設(shè)備2中包含控制功能塊PID、模擬量輸出功能塊AO，所述模擬量輸出功能塊AO與執(zhí)行器相連；在設(shè)備1中，增加一個(gè)預(yù)測(cè)功能塊PC和一個(gè)控制功能塊PID，其中控制功能塊PID的參數(shù)與設(shè)備2中控制功能塊PID的參數(shù)完全一樣，預(yù)測(cè)功能塊PC中功能塊的角色標(biāo)記設(shè)置為傳感器一側(cè)；在設(shè)備2中增設(shè)一個(gè)與設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC完全相同的預(yù)測(cè)功能塊PC，并將其功能塊的角色標(biāo)記設(shè)置為執(zhí)行器一側(cè)；通過(guò)通用的組態(tài)軟件，配置設(shè)備1中功能塊的調(diào)度過(guò)程如下首先是模擬量輸入功能塊AI執(zhí)行，將通過(guò)傳感器得到本周期的采樣值SAMPLE發(fā)送到預(yù)測(cè)功能塊PC；然后是預(yù)測(cè)功能塊PC執(zhí)行，根據(jù)傳遞函數(shù)描述G1、以往的控制量和以往的采樣值計(jì)算出預(yù)測(cè)值，并與模擬量輸入功能塊AI發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE進(jìn)行比較，決定本控制周期采用預(yù)測(cè)值還是采樣值SAMPLE進(jìn)行控制，是否需要通過(guò)總線向設(shè)備2發(fā)送采樣值SAMPLE，是否需要發(fā)送報(bào)警；最后是控制功能塊PID執(zhí)行，計(jì)算出本控制周期的控制量CONTROL，并將此控制量CONTROL發(fā)送到預(yù)測(cè)功能塊PC，用于計(jì)算下一控制周期的預(yù)測(cè)值；配置設(shè)備2中功能塊的調(diào)度過(guò)程如下首先是預(yù)測(cè)功能塊PC執(zhí)行，根據(jù)傳遞函數(shù)描述G1、以往的控制量和以往的采樣值計(jì)算出預(yù)測(cè)值，并通過(guò)是否接收到從設(shè)備1中預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE來(lái)決定本控制周期采用預(yù)測(cè)值還是采樣值SAMPLE進(jìn)行控制；然后是控制功能塊PID執(zhí)行，計(jì)算出本控制周期的控制量CONTROL，發(fā)送給模擬量輸出功能塊AO，同時(shí)此控制量CONTROL還要發(fā)送到設(shè)備2中的預(yù)測(cè)功能塊PC，用于計(jì)算下一控制周期的預(yù)測(cè)值；最后是模擬量輸出功能塊AO執(zhí)行，將控制功能塊PID發(fā)送來(lái)的控制量CONTROL進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換發(fā)送到執(zhí)行器，施加于被控對(duì)象之上。
如圖3所示，使用通用的組態(tài)軟件配置設(shè)備1和設(shè)備2中各個(gè)功能塊之間參數(shù)的連接如下在設(shè)備1中，模擬量輸入功能塊AI的輸出參數(shù)OUT與預(yù)測(cè)功能塊PC的輸入?yún)?shù)采樣值SAMPLE相連，控制功能塊PID的輸出參數(shù)OUT與預(yù)測(cè)功能塊PC的輸入?yún)?shù)控制量CONTROL相連，預(yù)測(cè)功能塊PC的輸出參數(shù)OUT同時(shí)與設(shè)備1中控制功能塊PID的輸入?yún)?shù)IN和設(shè)備2中預(yù)測(cè)功能塊PC的輸入?yún)?shù)采樣值SAMPLE相連；在設(shè)備2中，控制功能塊PID的輸出參數(shù)OUT同時(shí)與預(yù)測(cè)功能塊PC的輸入?yún)?shù)控制量CONTROL和模擬量輸出功能塊AO的輸出參數(shù)OUT相連，預(yù)測(cè)功能塊PC的輸出參數(shù)OUT與控制功能塊PID的輸入?yún)?shù)IN相連，預(yù)測(cè)功能塊PC的輸入?yún)?shù)采樣值SAMPLE與設(shè)備1中預(yù)測(cè)功能塊PC的輸出參數(shù)OUT相連。
如圖4所示，工程師對(duì)被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1與實(shí)際被控對(duì)象傳遞函數(shù)G之間是存在一定差距的，預(yù)測(cè)功能塊PC預(yù)測(cè)值的精度很大程度上取決于對(duì)被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1的準(zhǔn)確性。如果對(duì)被控對(duì)象的辨識(shí)不精確，即實(shí)際被控對(duì)象傳遞函數(shù)G與被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1存在較大的偏差，則相同的控制量CONTROL作用于這兩個(gè)模型上，所產(chǎn)生的采樣值和預(yù)測(cè)值必然是不同的，也就是說(shuō)無(wú)論采用何種預(yù)測(cè)算法，得到的預(yù)測(cè)值都將與實(shí)際采樣值存在較大的偏差。因此，為了得到精確的預(yù)測(cè)值，對(duì)被控對(duì)象傳遞函數(shù)G的準(zhǔn)確描述是至關(guān)重要的。但是，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工程師而言，對(duì)被控對(duì)象的精確辨識(shí)比較困難。此外，被控對(duì)象受到控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，其模型也會(huì)出現(xiàn)漂移。因此需要采用一定的修正算法來(lái)提高預(yù)測(cè)值的精度。
如圖5所示，預(yù)測(cè)功能塊PC的結(jié)構(gòu)包含以下內(nèi)容SAMPLE參數(shù)接收實(shí)際采樣值；CONTROL參數(shù)接收由控制功能塊PID傳送來(lái)的上一周期控制量；這個(gè)控制量CONTROL作用在被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1上，就可以得到預(yù)測(cè)值。預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE進(jìn)行比較，如果它們之間的偏差超過(guò)報(bào)警閾值MAX_DEV，則認(rèn)為當(dāng)前傳感器或(和)執(zhí)行器工作狀態(tài)不正常，預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)出報(bào)警。MAX_ERR是預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值SAMPLE之間的最大允許誤差。當(dāng)預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值SAMPLE之間偏差絕對(duì)值超過(guò)最大允許誤差MAX_ERR時(shí)，將這個(gè)差值保存到一個(gè)固定長(zhǎng)度(例如5)的數(shù)組中，并覆蓋掉該數(shù)組中時(shí)間最早的數(shù)據(jù)；在下一個(gè)執(zhí)行周期中，取這個(gè)數(shù)組中數(shù)據(jù)的平均值作為修正量，與直接計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值相加作為最終的預(yù)測(cè)結(jié)果；這樣做的目的是手動(dòng)補(bǔ)償同一控制量CONTROL作用在模型被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1與模型實(shí)際被控對(duì)象傳遞函數(shù)G上所得到的輸出之間的偏差，從而提高預(yù)測(cè)精度；預(yù)測(cè)功能塊PC采用這個(gè)簡(jiǎn)單的方法，不僅有效的提高了預(yù)測(cè)精度，而且功能塊的執(zhí)行時(shí)間也得到了很好的控制，使得在控制系統(tǒng)中加入預(yù)測(cè)功能塊PC并不會(huì)給設(shè)備造成太大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而也不會(huì)影響控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
如圖6所示，在傳感器一側(cè)設(shè)備(即設(shè)備1)中的預(yù)測(cè)功能塊PC執(zhí)行流程如下預(yù)測(cè)功能塊PC首先計(jì)算預(yù)測(cè)值，預(yù)測(cè)值是根據(jù)傳遞函數(shù)描述G1、以往控制量和以往采樣值計(jì)算得到，再加上預(yù)測(cè)修正量以提高預(yù)測(cè)值的精度；然后計(jì)算此預(yù)測(cè)值與模擬量輸入功能塊AI發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR，并參考最大允許誤差MAX_ERR來(lái)判斷預(yù)測(cè)值的精度是否達(dá)到要求如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值ERROR小于最大允許誤差MAX_ERR，說(shuō)明預(yù)測(cè)值的精度滿足要求，用預(yù)測(cè)值代替采樣值SAMPLE，并將被替換的采樣值SAMPLE(即預(yù)測(cè)值)發(fā)送到控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程，在這種情況下不需要通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采樣值SAMPLE；如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR大于最大允許誤差MAX_ERR，說(shuō)明預(yù)測(cè)值的精度不能滿足要求，不能代替采樣值SAMPLE，需要重新計(jì)算預(yù)測(cè)修正量，以提高下一次預(yù)測(cè)的精度，然后將采樣值SAMPLE通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)備2中的預(yù)測(cè)功能塊PC中，在這種情況下需要通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采樣值SAMPLE；接下來(lái)根據(jù)報(bào)警閾值MAX_DEV判斷傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)是否正常如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR小于報(bào)警閾值MAX_DEV，說(shuō)明傳感器和執(zhí)行器工作正常，不需要發(fā)送報(bào)警，將采樣值SAMPLE發(fā)送到控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR大于報(bào)警閾值MAX_DEV，說(shuō)明傳感器或(和)執(zhí)行器工作不正常，需要發(fā)送報(bào)警提醒現(xiàn)場(chǎng)工程師檢修，然后將采樣值SAMPLE發(fā)送到控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程。
如圖7所示，在執(zhí)行器一側(cè)設(shè)備(即設(shè)備2)中的預(yù)測(cè)功能塊PC執(zhí)行過(guò)程如下預(yù)測(cè)功能塊PC首先計(jì)算預(yù)測(cè)值，預(yù)測(cè)值是根據(jù)傳遞函數(shù)描述G1、以往控制量和以往采樣值計(jì)算得到，再加上預(yù)測(cè)修正量以提高預(yù)測(cè)值的精度；然后判斷是否接收到從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE，如果沒(méi)有接收到從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE，說(shuō)明預(yù)測(cè)值的精度滿足要求，將預(yù)測(cè)值發(fā)送到設(shè)備2中的控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程；如果接收到從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE，說(shuō)明預(yù)測(cè)值的精度不能滿足要求，需要重新計(jì)算預(yù)測(cè)修正量，以提高下一次預(yù)測(cè)的精度，然后計(jì)算預(yù)測(cè)值與從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR，并參考報(bào)警閾值MAX_ERR來(lái)判斷傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)是否正常如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR小于報(bào)警閾值MAX_DEV，說(shuō)明傳感器和執(zhí)行器工作正常，將從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE發(fā)送到控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差的絕對(duì)值ERROR大于報(bào)警閾值MAX_DEV，需要根據(jù)信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)的值來(lái)決定此后的執(zhí)行過(guò)程如果信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)大于0，說(shuō)明在信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)所規(guī)定的控制周期內(nèi)使用預(yù)測(cè)值進(jìn)行控制，將信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)減1，然后將預(yù)測(cè)值發(fā)送到設(shè)備2中的控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程；如果信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)等于0，說(shuō)明不信任預(yù)測(cè)值或者已經(jīng)達(dá)到了信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)所規(guī)定的控制周期，將從設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE發(fā)送到設(shè)備2中的控制功能塊PID中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行過(guò)程。
預(yù)測(cè)功能塊PC中包含以下參數(shù)——被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1；——控制量CONTROL；——采樣值SAMPLE；——預(yù)測(cè)值；——最大允許誤差MAX_ERR，預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值SAMPLE之間的偏差在此范圍之內(nèi)，就認(rèn)為預(yù)測(cè)值有足夠的精度，可以代替采樣值SAMPLE；——報(bào)警閾值MAX_DEV，當(dāng)預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值SAMPLE之間的偏差超出此范圍，就認(rèn)為傳感器或執(zhí)行器出現(xiàn)故障，需要發(fā)送報(bào)警；——信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)，在此時(shí)間內(nèi)可以使用預(yù)測(cè)值進(jìn)行控制；——預(yù)測(cè)修正量，對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正，提高預(yù)測(cè)精度；——功能塊的角色標(biāo)記，控制當(dāng)前預(yù)測(cè)功能塊PC的執(zhí)行方式；其中所述預(yù)測(cè)值是根據(jù)被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1、以往采樣值和以往控制量計(jì)算得到；最大允許誤差和報(bào)警閾值MAX_DEV均采用的是絕對(duì)值，大小可由現(xiàn)場(chǎng)工程師設(shè)定；預(yù)測(cè)修正量是根據(jù)以往預(yù)測(cè)值計(jì)算得到；信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)可由現(xiàn)場(chǎng)工程師設(shè)定，數(shù)值是控制周期的倍數(shù)；功能塊的角色標(biāo)記在控制系統(tǒng)組態(tài)時(shí)由現(xiàn)場(chǎng)工程師設(shè)定；所述被控對(duì)象傳遞函數(shù)的描述是一系列內(nèi)含參數(shù)，這些參數(shù)刻畫了被控對(duì)象的特性，其數(shù)值由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)具體的被控對(duì)象設(shè)定。在過(guò)程控制中，大部分被控對(duì)象都是一階或可以近似為一階的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，只有少量的二階振蕩環(huán)節(jié)，這些被控對(duì)象傳遞函數(shù)的一般形式為G(s)=KT1s2+T2s+T3,]]>只需要放大倍數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T1、T2和T3這四個(gè)參數(shù)就可以描述這一形式的傳遞函數(shù)。對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)而言，其傳遞函數(shù)的形式為G(s)=KTs+1,]]>描述這一類的傳遞函數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)工程師設(shè)置K和T2兩個(gè)參數(shù)，而將T1設(shè)置為0，T3設(shè)置為1；對(duì)于一階積分環(huán)節(jié)而言，其傳遞函數(shù)的形式為G(s)=KTs,]]>描述這一類的傳遞函數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)工程師設(shè)置K和T2兩個(gè)參數(shù)，而將T1和T3設(shè)置為0；對(duì)于二階振蕩環(huán)節(jié)而言，其傳遞函數(shù)的形式為G(s)=KT1s2+T2s+T3,]]>描述這一類的傳遞函數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)工程師設(shè)置K、T1、T2和T3四個(gè)參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)工程師通過(guò)這四個(gè)參數(shù)所描述的傳遞函數(shù)，與實(shí)際被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可能存在偏差，為敘述方便，將工程師所設(shè)定的被控對(duì)象傳遞函數(shù)的描述記為G1，實(shí)際被控對(duì)象的傳遞函數(shù)記為G。相同的控制量CONTROL作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)的描述G1上，就得到預(yù)測(cè)值，作用于實(shí)際被控對(duì)象的傳遞函數(shù)G上，就得到采樣值SAMPLE；所述控制量CONTROL是一個(gè)輸入?yún)?shù)，接收由控制功能塊PID計(jì)算得到的控制量。此控制量是上一控制周期對(duì)被控對(duì)象的控制量，經(jīng)過(guò)模擬量輸出功能塊AO進(jìn)行量程變換之后，通過(guò)執(zhí)行器施加于被控對(duì)象之上?？刂屏緾ONTROL是計(jì)算預(yù)測(cè)值的必要條件之一，控制量CONTROL作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)的描述G1上，就得到預(yù)測(cè)值。對(duì)于一階系統(tǒng)而言，計(jì)算本控制周期的預(yù)測(cè)值需要前一控制周期的控制量；對(duì)于二階系統(tǒng)而言，計(jì)算本控制周期的預(yù)測(cè)值需要前兩個(gè)控制周期的控制量，因此需要將前面第二控制周期的控制量保存起來(lái)；所述采樣值SAMPLE是一個(gè)輸入?yún)?shù)，接收由模擬量輸入功能塊AI傳遞來(lái)的上一控制周期對(duì)被控物理量的實(shí)際采樣值。根據(jù)實(shí)際采樣值SAMPLE與計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值之間的偏差，并參考最大允許誤差MAX_ERR所設(shè)定的數(shù)值，來(lái)決定本控制周期之內(nèi)用采樣值SAMPLE還是預(yù)測(cè)值進(jìn)行控制。如果實(shí)際采樣值SAMPLE與預(yù)測(cè)值之間的偏差在最大允許誤差MAX_ERR范圍之內(nèi)，則采樣值SAMPLE被預(yù)測(cè)值所代替。采樣值SAMPLE是計(jì)算預(yù)測(cè)值的必要條件之一，對(duì)于一階系統(tǒng)而言，計(jì)算本控制周期的預(yù)測(cè)值需要前一控制周期的采樣值；對(duì)于二階系統(tǒng)而言，計(jì)算本控制周期的預(yù)測(cè)值需要前兩個(gè)控制周期的采樣值，因此需要將前面第二控制周期的采樣值保存起來(lái)；所述預(yù)測(cè)值是一個(gè)內(nèi)含參數(shù)，根據(jù)被控對(duì)象傳遞函數(shù)的描述、控制量CONTROL和采樣值SAMPLE計(jì)算得到。預(yù)測(cè)值的計(jì)算方法是考慮零階保持器，對(duì)被控對(duì)象傳遞函數(shù)的描述G1進(jìn)行Z變換，并轉(zhuǎn)換為差分方程。對(duì)于一階系統(tǒng)，差分方程的形式為Y(k)＝aU(k-1)+bY(k-1)，其中Y(k)是需要計(jì)算的本周期的預(yù)測(cè)值，U(k-1)是上一控制周期的控制量，Y(k-1)是上一控制周期的采樣值，常數(shù)a和b是根據(jù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)描述G1中的參數(shù)K、T1、T2和T3計(jì)算得到；對(duì)于二階系統(tǒng)，差分方程的形式為Y(k)＝a1U(k-1)+a2U(k-2)+b1Y(k-1)+b2Y(k-2)，其中Y(k)是需要計(jì)算的本周期的預(yù)測(cè)值，U(k-1)和U(k-2)分別是上一、二控制周期的控制量，Y(k-1)和Y(k-2)分別是上一、二控制周期的采樣值，常數(shù)a1、a2、b1和b2是根據(jù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)描述中的參數(shù)K、T1、T2和T3計(jì)算得到。通過(guò)差分方程計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值，與實(shí)際采樣值SAMPLE進(jìn)行比較，如果它們之間的偏差在最大允許誤差范圍之內(nèi)，則用預(yù)測(cè)值代替采樣值SAMPLE，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制并作為計(jì)算下一周期預(yù)測(cè)值的依據(jù)，而且不需要通過(guò)總線通信發(fā)送采樣值SAMPLE；如果它們之間偏差的絕對(duì)值大于最大允許誤差，則拋棄此預(yù)測(cè)值，使用采樣值SAMPLE進(jìn)行控制并計(jì)算下一周期預(yù)測(cè)值，而且需要通過(guò)總線通信發(fā)送采樣值SAMPLE。預(yù)測(cè)值還作為第二傳感器使用，工作原理是在正常的控制過(guò)程中，預(yù)測(cè)值和采樣值SAMPLE之間的偏差不會(huì)太大。當(dāng)控制系統(tǒng)的傳感器出現(xiàn)故障，無(wú)法采集到正確的采樣值SAMPLE，或者當(dāng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器出現(xiàn)故障，控制量CONTROL無(wú)法正確施加在被控對(duì)象之上時(shí)，預(yù)測(cè)值和采樣值SAMPLE會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。如果這個(gè)偏差的絕對(duì)值大于報(bào)警閾值MAX_DEV，則認(rèn)為控制系統(tǒng)的傳感器或(和)執(zhí)行器出現(xiàn)故障，需要發(fā)送報(bào)警，提醒工程師對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和安全性要求，如果是傳感器出現(xiàn)了故障而執(zhí)行器工作正常，還可以在信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)之內(nèi)繼續(xù)用預(yù)測(cè)值進(jìn)行控制，為檢修爭(zhēng)取時(shí)間，減少損失；所述最大允許誤差MAX_ERR是一個(gè)內(nèi)含參數(shù)，其數(shù)值是一個(gè)絕對(duì)值，由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)控制需要設(shè)定，作為判斷預(yù)測(cè)精度的標(biāo)準(zhǔn)。如果實(shí)際采樣值SAMPLE與預(yù)測(cè)值之間偏差的絕對(duì)值小于最大允許誤差MAX_ERR，則認(rèn)為預(yù)測(cè)值達(dá)到了所需要的精度，可以代替實(shí)際采樣值SAMPLE；如果實(shí)際采樣值SAMPLE與預(yù)測(cè)值之間偏差的絕對(duì)值大于最大允許誤差MAX_ERR，則認(rèn)為預(yù)測(cè)值沒(méi)有達(dá)到所需要的精度，需要用實(shí)際采樣值SAMPLE來(lái)完成控制和預(yù)測(cè)；所述報(bào)警閾值MAX_DEV是一個(gè)內(nèi)含參數(shù)，其數(shù)值是一個(gè)絕對(duì)值，由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)所需要的安全系數(shù)來(lái)設(shè)定，作為判斷當(dāng)前傳感器和執(zhí)行器工作狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。在控制系統(tǒng)正常的工作狀態(tài)下，實(shí)際采樣值SAMPLE與預(yù)測(cè)值之間的偏差不會(huì)超過(guò)報(bào)警閾值MAX_DEV。如果實(shí)際采樣值SAMPLE與預(yù)測(cè)值之間的偏差超過(guò)報(bào)警閾值MAX_DEV，則認(rèn)為傳感器或(和)執(zhí)行器工作狀態(tài)不正常，需要發(fā)送報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)工程師進(jìn)行檢修，避免造成更大損失和產(chǎn)生危險(xiǎn)；所述信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)是一個(gè)內(nèi)含參數(shù)，其數(shù)值是控制周期的倍數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)所需要的安全系數(shù)和預(yù)測(cè)值的精度來(lái)設(shè)定。當(dāng)實(shí)際采樣值SAMPLE與預(yù)測(cè)值之間偏差的絕對(duì)值大于報(bào)警閾值MAX_DEV，并檢測(cè)出傳感器工作狀態(tài)不正常時(shí)，為了減少因?yàn)榭刂仆ｎD而產(chǎn)生的損失，在信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)所規(guī)定的控制周期內(nèi)，控制系統(tǒng)采用預(yù)測(cè)值代替實(shí)際采樣值SAMPLE繼續(xù)進(jìn)行控制，為工程師對(duì)系統(tǒng)的檢修爭(zhēng)取時(shí)間。信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)是對(duì)預(yù)測(cè)值的信任程度的反映，其數(shù)值的大小很大程度上取決于預(yù)測(cè)值的精度；所述預(yù)測(cè)修正量是一個(gè)只讀參數(shù)，根據(jù)以往的預(yù)測(cè)值和采樣值計(jì)算得到。由于現(xiàn)場(chǎng)工程師所設(shè)定的被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1與實(shí)際被控對(duì)象傳遞函數(shù)G可能存在較大的誤差，使得相同控制量CONTROL作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)描述G1和實(shí)際被控對(duì)象的傳遞函數(shù)G之上分別得到的預(yù)測(cè)值和采樣值之間可能有較大的偏差，為了減少這一偏差，在計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值上增加一個(gè)修正量，使預(yù)測(cè)值更加接近采樣值SAMPLE。預(yù)測(cè)修正量的計(jì)算方法是當(dāng)預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值SAMPLE之間偏差絕對(duì)值超過(guò)最大允許誤差時(shí)，將這個(gè)差值保存到一個(gè)固定長(zhǎng)度(例如5)的數(shù)組中，并覆蓋掉該數(shù)組中時(shí)間最早的數(shù)據(jù)，取這個(gè)數(shù)組中數(shù)據(jù)的平均值作為預(yù)測(cè)修正量。預(yù)測(cè)修正量提高預(yù)測(cè)值的精度，減小預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間的偏差，從而減少總線網(wǎng)絡(luò)通信量，并提高第二傳感器的置信度，增加信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)；所述功能塊的角色標(biāo)記是一個(gè)內(nèi)含參數(shù)，指示當(dāng)前功能塊的執(zhí)行方式和在控制系統(tǒng)中所承擔(dān)的任務(wù)。預(yù)測(cè)功能塊PC在連接傳感器的設(shè)備中和在連接執(zhí)行器的設(shè)備中的執(zhí)行方式是不同的。在連接傳感器的設(shè)備中的預(yù)測(cè)功能塊PC在執(zhí)行過(guò)程中，計(jì)算出預(yù)測(cè)值，并與采樣值SAMPLE進(jìn)行比較。如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差絕對(duì)值小于最大允許誤差MAX_ERR，則用預(yù)測(cè)值代替采樣值SAMPLE，而且不需要通過(guò)總線發(fā)送采樣值SAMPLE；如果預(yù)測(cè)值與采樣值SAMPLE之間偏差絕對(duì)值大于最大允許誤差MAX_ERR，則需要通過(guò)總線發(fā)送采樣值SAMPLE，并且重新計(jì)算修正量。如果這個(gè)偏差大于報(bào)警閾值MAX_DEV，則認(rèn)為傳感器或(和)執(zhí)行器工作不正常，需要發(fā)送報(bào)警。在連接傳感器的設(shè)備中的預(yù)測(cè)功能塊PC在執(zhí)行過(guò)程中，計(jì)算出預(yù)測(cè)值，并判斷是否接收到來(lái)自在連接傳感器的設(shè)備中的預(yù)測(cè)功能塊PC發(fā)送來(lái)的采樣值SAMPLE。如果接收到采樣值SAMPLE，說(shuō)明當(dāng)前預(yù)測(cè)值不夠精確，拋棄當(dāng)前預(yù)測(cè)值，將采樣值SAMPLE發(fā)送到執(zhí)行器進(jìn)行控制，同時(shí)重新計(jì)算修正量；如果沒(méi)有接收到采樣值SAMPLE，說(shuō)明當(dāng)前預(yù)測(cè)值有足夠的精度，用預(yù)測(cè)值代替采樣值SAMPLE進(jìn)行控制。
補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果如圖8所示，實(shí)驗(yàn)條件條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下傳感器1采用的是熱電阻傳感器PT100，由設(shè)備1中的模擬量輸入功能塊AI對(duì)其進(jìn)行采樣得到采樣值SAMPLE；可控硅調(diào)壓模塊作為執(zhí)行器將設(shè)備2中模擬量輸出功能塊AO輸出的4～20mA電流控制量CONTROL轉(zhuǎn)變?yōu)?～200V直流電壓控制量，對(duì)燈泡3的亮度進(jìn)行控制，進(jìn)而控制燈箱2的溫度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得被控對(duì)象(本實(shí)施例為燈箱2的溫度)傳遞函數(shù)描述G1中的放大倍數(shù)K＝4.47，時(shí)間常數(shù)T2＝525秒。實(shí)驗(yàn)采用的控制周期為1秒，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1中可以看到，在最大允許誤差MAX_ERR為0.2℃(總控制量程40℃的千分之五)時(shí)，利用本發(fā)明預(yù)測(cè)功能塊PC可以節(jié)省四分之三以上的通訊量；即使最大允許誤差MAX_ERR為0.08℃(總控制量程40℃的千分之五)時(shí)，也可以節(jié)省三分之一以上的通訊量。因此，采用本發(fā)明預(yù)測(cè)功能塊PC來(lái)節(jié)省通訊量的效果是非常明顯的。
表1測(cè)試結(jié)果允許最大誤差控制周期數(shù)未發(fā)送次數(shù) 未發(fā)送次數(shù)百分比MAX ERR7608 0.2℃5889 77.4％7324 0.08℃ 2461 33.6％如圖9所示，在最大允許誤差MAX_ERR為0.2℃(總控制量程40℃的千分之五)的條件下，用OPC服務(wù)器繪制的利用本發(fā)明對(duì)圖8所示的燈箱溫度進(jìn)行控制的實(shí)際控制效果曲線。從控制效果曲線來(lái)看，本發(fā)明增加了預(yù)測(cè)功能塊PC，并不會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。從圖9中可以看到，即使在控制中使用了大量的預(yù)測(cè)值來(lái)進(jìn)行控制，仍然能達(dá)到非常滿意的控制效果。
本發(fā)明可以在基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線H1設(shè)備中使用，也可以在高速以太網(wǎng)(HSE)設(shè)備中使用。
權(quán)利要求
1.一種用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)設(shè)備，其中設(shè)備(1)中包含一個(gè)模擬量輸入功能塊(AI)，與傳感器相連；設(shè)備(2)中包含控制功能塊(PID)、模擬量輸出功能塊(AO)，所述模擬量輸出功能塊(AO)與執(zhí)行器相連；其特征在于在設(shè)備(1)中，增加一個(gè)預(yù)測(cè)控制功能塊(PC)和一個(gè)控制功能塊(PID)，其中控制功能塊(PID)的參數(shù)與設(shè)備(2)中控制功能塊(PID)的參數(shù)完全一樣，預(yù)測(cè)功能塊(PC)中功能塊的角色標(biāo)記設(shè)置為傳感器一側(cè)；在設(shè)備(2)中增設(shè)一個(gè)與設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)完全相同的預(yù)測(cè)功能塊(PC)，并將其功能塊的角色標(biāo)記設(shè)置為執(zhí)行器一側(cè)；使用通用的組態(tài)軟件配置設(shè)備(1)和設(shè)備(2)中各個(gè)功能塊之間參數(shù)的連接如下在設(shè)備(1)中，模擬量輸入功能塊(AI)的輸出參數(shù)(OUT)與預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸入?yún)?shù)采樣值(SAMPLE)相連，控制功能塊(PID)的輸出參數(shù)(OUT)與預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸入?yún)?shù)控制量(CONTROL)相連，預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸出參數(shù)(OUT)同時(shí)與設(shè)備(1)中控制功能塊(PID)的輸入?yún)?shù)(IN)和設(shè)備(2)中預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸入?yún)?shù)采樣值(SAMPLE)相連；在設(shè)備(2)中，控制功能塊(PID)的輸出參數(shù)(OUT)同時(shí)與預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸入?yún)?shù)控制量(CONTROL)和模擬量輸出功能塊(AO)的輸出參數(shù)(OUT)相連，預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸出參數(shù)(OUT)與控制功能塊(PID)的輸入?yún)?shù)(IN)相連，預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸入?yún)?shù)采樣值(SAMPLE)與設(shè)備(1)中預(yù)測(cè)功能塊(PC)的輸出參數(shù)(OUT)相連。
2.按照權(quán)利要求1所述用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，其特征在于其中通過(guò)通用的組態(tài)軟件，配置設(shè)備(1)中功能塊的調(diào)度，首先是模擬量輸入功能塊(AI)執(zhí)行，然后由預(yù)測(cè)功能塊決定是否需要通過(guò)總線向設(shè)備(2)發(fā)送由模擬量輸入功能塊(AI)傳送來(lái)的采樣值(SAMPLE)，是否需要發(fā)送報(bào)警，最后是控制功能塊(PID)執(zhí)行。
3.按照權(quán)利要求1所述用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，其特征在于其中配置設(shè)備(2)中功能塊的調(diào)度，通過(guò)是否接收到從設(shè)備(1)中預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)來(lái)決定控制功能塊(PID)執(zhí)行，計(jì)算出本控制周期的控制量(CONTROL)的依據(jù)，并將控制量(CONTROL)同時(shí)發(fā)送給模擬量輸出功能塊(AO)，同時(shí)發(fā)送到和設(shè)備(2)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)；最后是模擬量輸出功能塊(AO)執(zhí)行，將設(shè)備(2)控制功能塊(PID)發(fā)送來(lái)的控制量(CONTROL)進(jìn)行量程變換后轉(zhuǎn)換發(fā)送到執(zhí)行器，施加于被控對(duì)象之上。
4.按照權(quán)利要求1所述用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，其特征在于其中在傳感器一側(cè)設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)執(zhí)行流程如下預(yù)測(cè)功能塊(PC)首先計(jì)算預(yù)測(cè)值，并計(jì)算此預(yù)測(cè)值與模擬量輸入功能塊(AI)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)，并參考最大允許誤差(MAX_ERR)來(lái)判斷預(yù)測(cè)值的精度是否達(dá)到要求如果預(yù)測(cè)值與采樣值之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)小于最大允許誤差(MAX_ERR)，用預(yù)測(cè)值代替采樣值(SAMPLE)，并將被替換的采樣值(SAMPLE)(即預(yù)測(cè)值)發(fā)送到控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)大于最大允許誤差(MAX_ERR)，需要重新計(jì)算預(yù)測(cè)修正量，然后將采樣值(SAMPLE)通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)備(2)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)中，再根據(jù)報(bào)警閾值(MAX_DEV)判斷傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)是否正常如果預(yù)測(cè)值與采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)小于報(bào)警閾值(MAX_DEV)，將采樣值(SAMPLE)發(fā)送到控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)大于報(bào)警閾值(MAX_DEV)，發(fā)送報(bào)警提醒現(xiàn)場(chǎng)工程師檢修，然后將采樣值(SAMPLE)發(fā)送到控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程。
5.按照權(quán)利要求1所述用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，其特征在于其中在執(zhí)行器一側(cè)設(shè)備(2)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)執(zhí)行流程如下預(yù)測(cè)功能塊(PC)首先計(jì)算預(yù)測(cè)值，然后判斷是否接收到從設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)，如果沒(méi)有接收到從設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)，將預(yù)測(cè)值發(fā)送到設(shè)備(2)中的控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程；如果接收到從設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)，重新計(jì)算預(yù)測(cè)修正量，然后計(jì)算預(yù)測(cè)值與從設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)，并參考報(bào)警閾值(MAX_ERR)來(lái)判斷傳感器或(和)執(zhí)行器的工作狀態(tài)是否正常如果預(yù)測(cè)值與采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)小于報(bào)警閾值(MAX_DEV)，將從設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)發(fā)送到控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程；如果預(yù)測(cè)值與采樣值(SAMPLE)之間偏差的絕對(duì)值(ERROR)大于報(bào)警閾值(MAX_DEV)，需要根據(jù)信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)的值來(lái)決定此后的執(zhí)行過(guò)程如果信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)大于0，將信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)減1，然后將預(yù)測(cè)值發(fā)送到設(shè)備(2)中的控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程；如果信任預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)等于0，將從設(shè)備(1)中的預(yù)測(cè)功能塊(PC)發(fā)送來(lái)的采樣值(SAMPLE)發(fā)送到設(shè)備(2)中的控制功能塊(PID)中，結(jié)束預(yù)測(cè)功能塊(PC)的執(zhí)行過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的減少總線通信量的控制結(jié)構(gòu)，它包括兩個(gè)設(shè)備，其中設(shè)備1中包含一個(gè)模擬量輸入功能塊，與傳感器相連；設(shè)備2中包含控制功能塊、模擬量輸出功能塊，所述模擬量輸出功能塊與執(zhí)行器相連；在設(shè)備1中，增加一個(gè)預(yù)測(cè)控制功能塊和一個(gè)控制功能塊，其中控制功能塊的參數(shù)與設(shè)備2中控制功能塊的參數(shù)完全一樣；在設(shè)備2中增設(shè)一個(gè)與設(shè)備1中的預(yù)測(cè)功能塊完全相同的預(yù)測(cè)功能塊；使用通用的組態(tài)軟件配置設(shè)備1和設(shè)備2中各個(gè)功能塊之間參數(shù)連接。本發(fā)明能減少總線網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)，從而提高總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和確定性；并對(duì)錯(cuò)誤的采樣數(shù)據(jù)報(bào)警，起到第二傳感器的作用，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G05B13/02GK1549065SQ0313336
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者王天然, 于海斌, 王宏, 呂勇, 楊志家, 周侗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所