專利名稱：調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗儀的制作方法
本申請是分案申請，原申請?zhí)?3112791.6，原申請日2003年1月29日，原申請的發(fā)明名稱調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法及實驗儀技術(shù)領(lǐng)域本實發(fā)明涉及的是一種用于高?！翱刂苾x表及裝置”、“化工儀表及自動化”、“過程控制”等課程實驗教學(xué)的調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗儀。屬于電子儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，“控制儀表及裝置”、“化工儀表及自動化”、“過程控制”等課程中的調(diào)節(jié)器實驗方法大多是以調(diào)節(jié)器生產(chǎn)廠家的出廠校驗方法為蘭本制定的，該實驗中需使用的主要實驗儀器是校驗信號發(fā)生器，它的主要功能是輸出標(biāo)準(zhǔn)信號給調(diào)節(jié)器，并檢驗調(diào)節(jié)器在各種輸入、輸出信號下的指示精確度及比例P、積分I、微分D參數(shù)的精確度。使用該校驗信號發(fā)生器來配合調(diào)節(jié)器做實驗注重的是校驗調(diào)節(jié)器的各種開環(huán)性能指標(biāo)，并沒有從學(xué)生如何掌握調(diào)節(jié)器的使用方法、了解調(diào)節(jié)器的工作原理入手，使同學(xué)不能通過做實驗而達到了解調(diào)節(jié)器的動作原理、從而熟練使用調(diào)節(jié)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在的缺陷，提出一種可使同學(xué)通過做實驗而達到了解調(diào)節(jié)器的動作原理，并熟練使用調(diào)節(jié)器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法，是用一個設(shè)置在調(diào)節(jié)器的輸出端與調(diào)節(jié)器的測量輸入端間由電阻、電容組成的RC阻容電路，模擬一個具有一階慣性特性的底部設(shè)有出水口的水槽，調(diào)節(jié)器所加給RC阻容電路的電壓的大小，相當(dāng)于控制流入這個水槽的液體管道上調(diào)節(jié)閥的開度的大小，也就是控制了入槽液體流量的大小；電容上電壓的高低相當(dāng)于水槽里液位的高低；電容量的大小代表水槽容量的大??；電阻值的大小代表入槽管路阻力的大小；調(diào)節(jié)器根據(jù)電容上電壓與給定值之間的差值經(jīng)比較及比例P、積分I、微分D運算后輸出控制信號控制RC阻容電路的充電電壓的高低，使電容上的電壓接近調(diào)節(jié)器的給定值，并使其趨于平衡。
調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗，其結(jié)構(gòu)是差動輸入電路的輸出端接阻容濾波電路和第一個1-5V三位半數(shù)字電壓表的輸入端，將調(diào)節(jié)器送來的4-20mA閥位信號轉(zhuǎn)換為1-5V的電壓給阻容濾波電路和第一個1-5V三位半數(shù)字電壓表，阻容濾波電路時間常數(shù)約為100秒，阻容濾波電路的另一個輸入端接干擾發(fā)生電路的輸出端，阻容濾波電路的輸出端接阻抗變換及功率放大電路的輸入端，阻容濾波電路將差動輸入電路輸出及來自干擾發(fā)生電路的干擾通道的輸出信號相疊加后進行濾波處理，處理后給阻抗變換及功率放大電路，進行阻抗變換及功率放大后一方面輸送到第二個1-5V三位半數(shù)字電壓表用于指示輸出信號的大小即調(diào)節(jié)器的測量值，另一方面輸送到調(diào)節(jié)器的測量端，作為調(diào)節(jié)器的測量信號；干擾發(fā)生電路可發(fā)生0-10％的干擾信號，輸入給阻容濾波電路，同時給0-10V三位半數(shù)字電壓表，用于指示干擾值的大?。?-20mA電流信號發(fā)生器作調(diào)節(jié)器的外給定電流，一方面接4-20mA三位半數(shù)字電流表，另一方面接調(diào)節(jié)器的外給定輸入端。
優(yōu)點，儀器結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定可靠，使調(diào)節(jié)器在閉環(huán)的狀態(tài)下做實驗(與實際應(yīng)用場合相近)，通過改變調(diào)節(jié)器的給定值、正反作用、比例P、積分I、微分D等參數(shù)來觀察模擬調(diào)節(jié)對象的輸出跟蹤給定值的情況，了解調(diào)節(jié)器克服干擾的過程，掌握調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間、微分時間等參數(shù)的整定方法，了解調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用原理，從而使同學(xué)能在較短時間內(nèi)熟練掌握調(diào)節(jié)器的使用方法、驗證調(diào)節(jié)器的原理，從而熟練使用調(diào)節(jié)器。


附圖1是本發(fā)明的電路方框圖附圖2是本發(fā)明的電路原理圖(實施例)，圖中的1’是差動輸入電路，2’是阻容濾波(一階慣性)電路，3’是干擾發(fā)生電路，4’是阻抗變換及功率放大電路，5’是4-20mA電流信號發(fā)生器，6’是第一個1-5V三位半數(shù)字電壓表(0-100.0％)，7’是0-10V三位半數(shù)字電壓表(0-10.00％)，8’是第在二個1-5V三位半數(shù)字電壓表(0-100.0％)，9’是0-20mA三位半數(shù)字電流表(0-19.99mA)，10’是電源電路，220V的交流電經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓得到各種所需電源電壓。
具體實施例方式
對照圖1，差動輸入電路1’，它由運算放大器U1和電阻R1～R5、電容C1組成，將調(diào)節(jié)器送來的4-20mA閥位信號轉(zhuǎn)換為1-5V的電壓，同時送第一個三位半數(shù)字電壓表6’指示；阻容濾波(一階慣性)電路2’，由電阻R6、電容C2組成，時間常數(shù)約為100秒，將差動輸入電路1’輸出及來自干擾發(fā)生電路3’的輸出信號相疊加后進行濾波處理；干擾發(fā)生電路3’由運算放大器U4和電阻R17～R20、電位器W1、電容C6、C7組成，可發(fā)生0-10％的干擾信號，用于觀察調(diào)節(jié)器的克服干擾能力，同時送三位半數(shù)字電壓表7’指示；阻抗變換及功率放大電路4’主要由運算放大器U2和晶體三極管Q1、電阻R9組成，將阻容濾波(一階慣性)電路2’輸出的信號進行阻抗變換及功率放大后輸出(送到調(diào)節(jié)器的“測量”端)，同時送第二個三位半數(shù)字電壓表8’指示；4-20mA電流信號發(fā)生器5’作調(diào)節(jié)器的外給定電流，送調(diào)節(jié)器的外給定輸入端，同時送三位半數(shù)字電流表9’指示；第一個1-5V三位半數(shù)字電壓表(0-100.0％)6’用于指示輸入信號的大小(調(diào)節(jié)器的閥位)；0-10V三位半數(shù)字電壓表(0-10.00％)7’用于指示干擾值的大?。坏诙€1-5V三位半數(shù)字電壓表(0-100.0％)8’用于指示輸出信號的大小(調(diào)節(jié)器的測量值)；0-20mA三位半數(shù)字電流表(0-19.99mA)9’用于指示外給定電流的大??；電源電路10，220V的交流電經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，提供電路中所需的各種電源電壓。
對照附圖2，調(diào)節(jié)器輸出的4-20mA閥位信號在R1(250Ω)上轉(zhuǎn)換為1-5V的電壓，經(jīng)由運算放大器U1(LM741)和電阻R2～R5(各為200KΩ)組成的1∶1差動放大器進行差動放大，送入由電阻R6(1MΩ)和電容C2(100μf)組成的時間常數(shù)約為100秒的阻容電路(即模擬水槽)；圖中由電位器W1(4.7KΩ)、電阻R17(1KΩ)、電容C6(47μf)、C7(0.22μf)、運算放大器U4(LM741)、電阻R19、R20(47KΩ)組成干擾發(fā)生電路，可發(fā)生0-10％的干擾信號，用于觀察調(diào)節(jié)器的克服干擾能力，它所產(chǎn)生的電壓與運算放大器U11輸出的電壓疊加后加在電容C2上。
因電容C2上的電壓內(nèi)阻較大，運算放大器U2(T081)與電阻R7(2KΩ)、二極管D1(1N4007)、三極管Q1(9013)、電阻R9(510Ω)構(gòu)成阻抗變換及功率放大電路，將電容C2上的電壓進行阻抗變換及功率放大后以1-5V的電壓輸出(送到調(diào)節(jié)器的“測量”端)。
由電位器W2(4.7KΩ)，電阻R10(4.7KΩ)、R11～R14(200KΩ)、R15(2KΩ)、R16(100Ω)、電容C4(0.22μf)、C5(0.1μf)、運算放大器U3(TL081)及晶體三極管Q2(9012)組成4-20mA恒流源電路，由電位器W2調(diào)整其值的大小，供調(diào)節(jié)器的外給定輸入用。
圖2中X1～X4(XC5135)是三位半數(shù)字電壓(電流)表，分別用于指示輸入、輸出、干擾信號及外給定電流的大小。
變壓器B1將220交流電源電壓降壓，分別得到9V、15V×2及27V交流電壓，二極管D2～D5(1N4007)、電容C8(4700μf)、C9～C10(0.1μf)、三端集成穩(wěn)壓器U7(LM7805CT)組成+5V電源電路，供三位半數(shù)字電壓表電路使用；二極管D6～D9(1N4007)、電容C11、C13(1000μf)、C12、C14～C16(0.1μf)、三端集成穩(wěn)壓器U5(LM7812CT)、U6(LM7912CT)組成±12V電源電路，供主電路使用；二極管D10～D13(1N4007)、電容C17(4700μf)、C18、C19(0.1μf)、三端集成穩(wěn)壓器U8(MC7824T)組成24V電源電路，供調(diào)節(jié)器使用。
電容C2電容器采用鉭電解電容。
用一個上述的RC阻容電路模擬一個具有一階慣性特性的水槽，所加給這個電路的電壓1-5V，相當(dāng)于控制流入這個水槽的液體管道上調(diào)節(jié)閥的開度0-100％，也就是控制了入槽液體流量的0-100％；電容上電壓1-5V相當(dāng)于水槽里液位的0-100％；電路時間常數(shù)的大小代表水槽容量的大??；隨著時間的推移，電容上的電壓成指數(shù)規(guī)律上升，經(jīng)過300-500秒近似達到與所加電壓。
權(quán)利要求
1.調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗儀，其特征是差動輸入電路(1’)的輸出端接阻容濾波電路(2’)和第一個1-5V三位半數(shù)字電壓表(6’)的輸入端，將調(diào)節(jié)器送來的4-20mA閥位信號轉(zhuǎn)換為1-5V的電壓給阻容濾波電路(2’)和第一個1-5V三位半數(shù)字電壓表(6’)，阻容濾波電路(2)時間常數(shù)約為100秒，阻容濾波電路(2’)的另一個輸入端接干擾發(fā)生電路(3’)的輸出端，阻容濾波電路(2’)的輸出端接阻抗變換及功率放大電路(4’)的輸入端，阻容濾波電路(2’)將差動輸入電路(1’)輸出及來自干擾發(fā)生電路(3’)的干擾通道的輸出信號相疊加后進行濾波處理，處理后給阻抗變換及功率放大電路(4’)，進行阻抗變換及功率放大后一方面輸送到第二個1-5V三位半數(shù)字電壓表(8’)用于指示輸出信號的大小即調(diào)節(jié)器的測量值，另一方面輸送到調(diào)節(jié)器的測量端，作為調(diào)節(jié)器的測量信號；干擾發(fā)生電路(3’)可發(fā)生0-10％的干擾信號，輸入給阻容濾波電路(2’)，同時給0-10V三位半數(shù)字電壓表(7’)，用于指示干擾值的大?。?-20mA電流信號發(fā)生器(5’)作調(diào)節(jié)器的外給定電流，一方面接4-20mA三位半數(shù)字電流表(9’)，另一方面接調(diào)節(jié)器的外給定輸入端。
全文摘要
本發(fā)明是調(diào)節(jié)器模擬閉環(huán)實驗儀器。其中的差動輸入電路的輸出端接阻容濾波電路和第一個1－5V三位半數(shù)字電壓表的輸入端，阻容濾波電路的另一個輸入端接干擾發(fā)生電路的輸出端，阻容濾波電路的輸出端接阻抗變換及功率放大電路的輸入端，進行阻抗變換及功率放大后分別輸送到第二個1－5V三位半數(shù)字電壓表、調(diào)節(jié)器的測量端；干擾發(fā)生電路發(fā)生的干擾信號，輸入給阻容濾波電路，給0－10V三位半數(shù)字電壓表；4－20mA電流信號發(fā)生器作調(diào)節(jié)器的外給定電流，分別接4－20mA三位半數(shù)字電流表、調(diào)節(jié)器的外給定輸入端。優(yōu)點，儀器結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定可靠，使用者可在較短時間內(nèi)熟練掌握調(diào)節(jié)器的使用方法、驗證調(diào)節(jié)器的原理，熟練使用調(diào)節(jié)器。
文檔編號G09B25/02GK1619602SQ2004100418
公開日2005年5月25日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月29日
發(fā)明者孫世榮 申請人:南京工業(yè)大學(xué)