專利名稱：帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，特別是涉及一種帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
工業(yè)自動化控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是比例積分微分(通常簡稱為PID)調(diào)節(jié)器?？梢哉fPID調(diào)節(jié)器是整個控制系統(tǒng)中的核心，因此，提高PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)功能、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)速度以及穩(wěn)定性，是至關(guān)重要的?，F(xiàn)有技術(shù)中，多為單閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字調(diào)節(jié)器，這種數(shù)字調(diào)節(jié)器只能適用于簡單的單閉環(huán)工業(yè)控制系統(tǒng)中。它的功能比較少，精度較低、輸入信號少，運(yùn)行速度比較慢等。正因?yàn)樗嬖谏鲜龅牟蛔?，也就限制了它的?yīng)用與發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述單閉環(huán)調(diào)節(jié)器所存在的不足，提供一種帶控制系統(tǒng)的雙閉節(jié)數(shù)字調(diào)節(jié)器，將有較多的輸入和輸出信號，較快地運(yùn)算和較高的精度。
本發(fā)明的調(diào)節(jié)器所采取的技術(shù)方案是采用帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)。兩個閉環(huán)有機(jī)地聯(lián)接在一起，外閉環(huán)控制內(nèi)閉環(huán)。外閉環(huán)也叫低速閉環(huán)，內(nèi)閉環(huán)也叫高速閉環(huán)，即低速閉環(huán)控制高速閉環(huán)。內(nèi)外閉環(huán)均有電流信號，頻率信號和電壓信號的輸入與輸出。內(nèi)外閉環(huán)既可以聯(lián)合運(yùn)行，又可以分別獨(dú)立地運(yùn)行。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是1、功能多；有比較多的輸入與輸出信號。例如有直交流電流信號、直流電壓信號、頻率信號以致還有模擬信號輸出輸入，給定電壓有斜坡式、階躍式及其組合方式；2、響應(yīng)速度快；能夠滿足實(shí)時調(diào)節(jié)控制的要求。外閉環(huán)也稱低速閉環(huán)。外閉環(huán)的運(yùn)行速度是信號采樣處理一次為毫秒(ms)級。在外閉環(huán)對信號采樣處理一次時，內(nèi)閉環(huán)在外閉環(huán)的控制下，已對信號采樣處理20次。因此，內(nèi)閉環(huán)對快速啟動的電流能夠及時跟上，能夠快速實(shí)時地響應(yīng)。
3、本發(fā)明的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活、使用方便。
本發(fā)明調(diào)節(jié)器內(nèi)外閉環(huán)有機(jī)的組合，所輸出輸入的信號是單閉環(huán)調(diào)節(jié)器所做不到的。即使將兩個單閉環(huán)調(diào)節(jié)器簡單地組合在一起，也做不到一機(jī)多功能。同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不方便。本發(fā)明的調(diào)節(jié)器兩閉環(huán)有機(jī)的組合，結(jié)構(gòu)簡單，既可以雙閉環(huán)同時使用，又可以各自獨(dú)立的使用。
4、本發(fā)明的調(diào)節(jié)器可以直接輸入頻率信號，無需像在先技術(shù)中，先將頻率信號經(jīng)過復(fù)雜的電路處理后，才能輸入。這也使本發(fā)明調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)大大的簡化了。
5、本發(fā)明的調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)2‰以上。


圖1是本發(fā)明調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中運(yùn)算處理模塊14的主要構(gòu)成示意圖。
圖3是圖1中外閉環(huán)1內(nèi)第一信號輸入模塊12的主要構(gòu)成示意圖。
圖4是圖1中內(nèi)閉環(huán)2內(nèi)第二信號輸入模塊22的主要構(gòu)成示意圖。
圖5是圖1中信號輸出模塊15、24的主要構(gòu)成示意圖。
圖6是本發(fā)明調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是圖6結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明調(diào)節(jié)器的具體結(jié)構(gòu)。
圖1所示為本發(fā)明調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。如圖所示，包含外閉環(huán)1和內(nèi)閉環(huán)2。外閉環(huán)1中含有第一標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊11、第一信號輸入模塊12、第一比較器13、運(yùn)算處理模塊14和第一信號輸出模塊15。其中第一標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊11和第一信號輸入模塊12的輸出端均聯(lián)接到第一比較器13上，第一比較器13置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)。第一信號輸出模塊15與運(yùn)算處理模塊14的輸出端相聯(lián)。
內(nèi)閉環(huán)2中含有第二標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊21、第二信號輸入模塊22、第二比較器23、第二信號輸出模塊24。所說的第二標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊21和第二信號輸入模塊22的輸出端均聯(lián)接到第二比較器23上。第二比較器23也置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)。第二信號輸出模塊24與運(yùn)算處理模塊14的輸出端相聯(lián)。
所說的第一標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊11給定的信號有斜坡電壓Ui-t、階躍電壓Ui及其斜坡與階躍電壓的組合。
所說的第二標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊21給定的信號有斜坡電壓Ui-t、階躍電壓Ui、斜坡和階躍電壓的組合以及交流電流信號。如在本實(shí)施例中給定的交流電流信號為4～20mA。
從圖1的結(jié)構(gòu)中看出，內(nèi)閉環(huán)2與外閉環(huán)1共同擁有一個置于外閉環(huán)1內(nèi)的運(yùn)算處理模塊14。充分地顯示出外閉環(huán)1對內(nèi)閉環(huán)2的控制。
圖2所示的是圖1中運(yùn)算處理模塊14的主要構(gòu)成。如圖1所示，運(yùn)算處理模塊14主要含有帶給定編程電壓電路U2和提供時鐘頻率的晶振芯片Y1的微處理器U1(簡稱CPU)。微處理器U1還帶有多接口的接口端子。本實(shí)施例中選用高速微處理器U1為PIC16F877。
圖3所示的是外閉環(huán)1中第一信號輸入模塊12的主要構(gòu)成。如圖1所示，第一信號輸入模塊12主要含有直流電流輸入電路1201、頻率信號輸入電路1202和直流電壓輸入電路1203。
所說的直流電流輸入電路1201是信號由接入端子J5輸入經(jīng)過跟隨U9A進(jìn)行整形放大后進(jìn)入置于微處理器U1內(nèi)的第一比較器13中。
所說的頻率信號輸入電路1202是頻率信號從接入端子J7進(jìn)入，經(jīng)過光耦合隔離芯片U6的隔離，經(jīng)過U9C的整形放大后，再經(jīng)過頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路U13將頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后，再經(jīng)過濾波器U10A的濾波、跟隨U10C的整形后，進(jìn)入置于運(yùn)算處理模塊14的第一比較器13中。
所說的直流電壓輸入電路1203為電壓信號由接入端子J16輸入，經(jīng)過跟隨U12A整形放大后，進(jìn)入置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)的第一比較器13中。
圖4所示的是圖1中內(nèi)閉環(huán)2內(nèi)的第二信號輸入模塊22的構(gòu)成。如圖2所示，第二信號輸入模塊22含有直流電流輸入電路2201，頻率信號輸入電路2202，直流電壓輸入電路2203和交流電流輸入電路2204。
所說的直流電流輸入電路2201，如圖4所示，電流信號由接入端子J6輸入經(jīng)過跟隨U9B整形放大后，進(jìn)入置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)的第二比較器23中。
所說的頻率信號輸入電路2202，如圖4所示，頻率信號由接入端子J8進(jìn)入，經(jīng)過光耦合隔離芯片U5的隔離和U9D的整形放大后，再由頻率—電壓(F-V)轉(zhuǎn)換電路U14將頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后經(jīng)濾波器U10B的濾波，跟隨U10D的整形后，進(jìn)入置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)的第二比較器23中。
所說的直流電壓輸入電路2203，如圖4所示，電壓信號由接入端子J19進(jìn)入，經(jīng)過跟隨U12B整形放大后，進(jìn)入置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)的第二比較器23中。
所說的交流電流輸入電路2204，如圖4所示，交流電流信號由接入端子J20輸入，經(jīng)過整流后，連續(xù)經(jīng)過兩個跟隨U12C和U12D整形放大后，進(jìn)入置于運(yùn)算處理模塊14內(nèi)的第二比較器23中。
上述圖3和圖4所示的第一信號輸入模塊12和第二信號輸入模塊22中，含有的頻率信號輸入電路1202和2202中都含有頻率—電壓(F-V)轉(zhuǎn)換電路U13和U14。正因?yàn)樵陬l率信號輸入電路中都含有頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路使頻率信號變成電壓信號，才能使頻率信號直接輸入。調(diào)節(jié)器能直接對頻率信號進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。免去了在先技術(shù)中，要輸入頻率信號時，需要經(jīng)過較復(fù)雜的處理電路處理后才能輸入。這也是本發(fā)明調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單的一大顯著優(yōu)點(diǎn)。
圖5所示的是圖1中結(jié)構(gòu)相同的第一信號輸出模塊15和第二信號輸出模塊24的構(gòu)成。它們均含有通訊電路1501，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路1502，報警線路1503和顯示接口1504。
所說的通訊電路1501如圖5所示，含有通信芯片U3，帶光耦合器U4的通信芯片J1，高速光耦合芯片U7和U8。其中通信芯片U3和J1負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信號。本實(shí)施例中，通信芯片U3采用MAX232芯片，J1采用T1483(或485)芯片。其中高速光耦合芯片U7和U8起隔離電信干擾和信號放大的作用。
所說的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路1502如圖5所示，含有電壓和電流信號兩路輸出電路一路是由運(yùn)算處理模塊14輸出的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U15的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過跟隨U11A和U11B的整形放大后，由接口端子J9輸出電壓信號；另一路是由運(yùn)算處理模塊14輸出的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U15的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過電壓—電流(V-I)轉(zhuǎn)換電路將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，由接口端子U10輸出電流信號。由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路1502輸出的是電流電壓的模擬信號。本實(shí)施例中，由接口端子J9輸出的電壓信號為0～5V。由接口端子J10輸出的電流信號為4～20mA。
圖5中U11的子件未用，U11C、U11D的輸入端接地，主要是抗干擾。
圖6所示的是本發(fā)明調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，本發(fā)明調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)含有控制系統(tǒng)初始化模塊011，分別與控制系統(tǒng)初始化模塊011相聯(lián)的控制顯示模塊012和運(yùn)算模式判斷模塊013，與運(yùn)算模式判斷模塊013的輸出端相聯(lián)的控制信號輸入模塊014，與控制信號輸入模塊014的輸出端相聯(lián)的控制運(yùn)算模塊015，與控制運(yùn)算模塊015的輸出端相聯(lián)的控制輸出模塊016。
圖7所示的是圖6結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的流程。
調(diào)節(jié)器的啟動首先是開啟控制系統(tǒng)，如圖7中系統(tǒng)入口，然后進(jìn)入控制系統(tǒng)初始化模塊011，并在控制顯示模塊012中有顯示。如果已有通訊信號，則可以馬上進(jìn)入運(yùn)算模式判斷模塊013中；如果沒有，需要進(jìn)行鍵盤輸入處理和比例積分微分參數(shù)設(shè)定，而后進(jìn)入運(yùn)算模式判斷模塊013選定運(yùn)算模式—是雙閉環(huán)運(yùn)行？還是雙閉環(huán)各自獨(dú)立運(yùn)行？選定運(yùn)行模式后，進(jìn)入控制信號輸入模塊014，對內(nèi)閉環(huán)2內(nèi)的信號輸入模塊22或?qū)ν忾]環(huán)1內(nèi)的信號輸入模塊12或同時對其兩者發(fā)出指令，令其輸入信號；信號輸入后，控制運(yùn)算模塊015開始啟動，它驅(qū)動置于外閉環(huán)1內(nèi)的含有微處理器的運(yùn)算處理模塊14進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)行具體的比例積分微分運(yùn)算；運(yùn)算結(jié)果進(jìn)入控制輸出模塊015，令其信號輸出模塊15、24啟動后，輸出所需要的信號。
綜述圖6和圖7所描述的控制系統(tǒng)，更加說明了本發(fā)明的調(diào)節(jié)器，內(nèi)外雙閉環(huán)有機(jī)組合的特征，說明了上述本發(fā)明調(diào)節(jié)器顯著的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，含有閉環(huán)，閉環(huán)內(nèi)含有信號輸入模塊，標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊，運(yùn)算處理模塊和信號輸出模塊，其特征在于含有帶控制系統(tǒng)的內(nèi)外雙閉環(huán)，外閉環(huán)控制內(nèi)閉環(huán)；外閉環(huán)內(nèi)的第一信號輸入模塊和第一標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊的輸出端聯(lián)接到置于外閉環(huán)內(nèi)的運(yùn)算處理模塊中的第一比較器上；內(nèi)閉環(huán)內(nèi)的第二信號輸入模塊和第二標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊的輸出端聯(lián)接到置于外閉環(huán)內(nèi)的運(yùn)算處理模塊中的第二比較器上；運(yùn)算處理模塊的輸出端分別聯(lián)接到置于外閉環(huán)內(nèi)的第一信號輸出模塊和置于內(nèi)閉環(huán)內(nèi)的第二信號輸出模塊上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的運(yùn)算處理模塊(14)主要含有帶給定編程電壓(U2)和晶振芯片(Y1)的微處理器(U1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的置于外閉環(huán)(1)內(nèi)的第一信號輸入模塊(12)含有直流電流輸入電路(1201)，頻率信號輸入電路(1202)和直流電壓輸入電路(1203)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的置于內(nèi)閉環(huán)(2)內(nèi)的第二信號輸入模塊(22)含有直流電流輸入電路(2201)，頻率信號輸入電路(2202)，直流電壓輸入電路(2203)和交流電流輸入電路(2204)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的第一信號輸入模塊(12)內(nèi)的頻率信號輸入電路(1202)中和第二信號輸入模塊(22)內(nèi)的頻率信號輸入電路(2202)中均含有頻率一電壓轉(zhuǎn)換電路(U13、U14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的置于外閉環(huán)(1)內(nèi)的第一標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊(11)給定的信號有斜坡電壓、階躍電壓及其斜坡與階躍電壓的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的置于內(nèi)閉環(huán)(2)內(nèi)的第二標(biāo)準(zhǔn)信號給定模塊(21)給定的信號有斜坡電壓、階躍電壓、斜坡與階躍電壓的組合以及交流電流信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的置于外閉環(huán)(1)內(nèi)的第一信號輸出模塊(15)和置于內(nèi)閉環(huán)(2)內(nèi)的第二信號輸出模塊(24)均含有通訊電路(1501)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路(1502)，報警線路(1503)和顯示接口(1504)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，其特征在于所說的控制系統(tǒng)含有控制系統(tǒng)初始化模塊(011)，分別與控制系統(tǒng)初始化模塊(011)相聯(lián)的控制顯示模塊(012)和運(yùn)算模式判斷模塊(013)，與運(yùn)算模式判斷模塊(013)輸出端相聯(lián)的控制信號輸入模塊(014)，與控制信號輸入模塊(014)輸出端相聯(lián)的控制運(yùn)算模塊(015)，與控制運(yùn)算模塊(015)輸出端相聯(lián)的控制輸出模塊(016)。
全文摘要
一種帶控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)器，含有帶控制系統(tǒng)的內(nèi)外兩閉環(huán)。外閉環(huán)控制內(nèi)閉環(huán)。兩個閉環(huán)既可以同時運(yùn)行，又可以分別獨(dú)立地運(yùn)行。內(nèi)外閉環(huán)均有電流信號、電壓信號和頻率信號的輸入與輸出。具有功能多、響應(yīng)速度快、能夠滿足實(shí)時調(diào)節(jié)控制的要求。結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，使用方便，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)精度高的顯著優(yōu)點(diǎn)。調(diào)節(jié)精度可達(dá)2‰以上。
文檔編號G05B11/42GK1564090SQ20041001759
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者張菊標(biāo) 申請人:上海聚友電氣科技發(fā)展有限公司