專利名稱:比例、微分、雙重積分脈沖調(diào)節(jié)器的制作方法
本發(fā)明涉及一種新型的脈沖寬度周期可調(diào)的單參數(shù)連續(xù)模擬控制自動(dòng)調(diào)節(jié)器，特別是一種用于含長(zhǎng)滯后，大慣性，非線性對(duì)象系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)器。本發(fā)明適合于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的組份含量，各種溫度、壓力、液位、流量及氣體滲碳中的氣氛含量的控制。
現(xiàn)有的調(diào)節(jié)器，國(guó)產(chǎn)的以DDZⅡ，DDZⅢ系列中的DTL為代表的調(diào)節(jié)器，國(guó)外的各種三參數(shù)(P、I、D)調(diào)節(jié)器，它們對(duì)長(zhǎng)滯后，大慣性，強(qiáng)非線性對(duì)象控制困難。自適應(yīng)調(diào)節(jié)器和用現(xiàn)代控制理論產(chǎn)生的新型控制方法對(duì)上述存在的問(wèn)題有較好的效果，但因建立模型和辯識(shí)復(fù)雜使其在生產(chǎn)中使用困難。
本發(fā)明的任務(wù)是由對(duì)物理過(guò)程的直接認(rèn)識(shí)，避開(kāi)數(shù)學(xué)模型和辨識(shí)，提供一種新型通用調(diào)節(jié)器，以其解決現(xiàn)有調(diào)節(jié)器存在的問(wèn)題，并使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試、操作簡(jiǎn)化。
以下將結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1是本發(fā)明的構(gòu)成方框圖。
圖2是本發(fā)明的比例環(huán)節(jié)電路原理圖。
圖3是本發(fā)明的微分環(huán)節(jié)電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的雙重積分電路原理圖。
圖5是本發(fā)明的雙重積分電路工作波形圖。
圖6是本發(fā)明的變換關(guān)系曲線圖。
圖7是本發(fā)明的雙重積分環(huán)節(jié)特性框圖。
圖8是本發(fā)明的可正負(fù)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)的電路原理圖。
圖9是本發(fā)明的可正負(fù)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)在正電壓關(guān)斷下的工作波形。
圖10是本發(fā)明一實(shí)施例的電路原理圖。
圖11是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖12是發(fā)明人用于生產(chǎn)得到的控制曲線。
參照?qǐng)D1，Ve是來(lái)自對(duì)象狀態(tài)的檢測(cè)訊號(hào)與給定值比較后放大了的差值。經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)傳遞后有V01＝-KVe <1>
其中-K是比例環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。
經(jīng)過(guò)微分環(huán)節(jié)傳遞后有Vi=- (1+TDS)/(1+TgS) V01(S) <2>
其中TD是微分時(shí)間常數(shù);Tg是慣性時(shí)間常數(shù)。
經(jīng)過(guò)雙重積分環(huán)節(jié)傳遞后有y(S)= (Q)/(TIS2) Vi(S) <3>
其中TI是積分時(shí)間常數(shù)，Q是階躍輸出的幅度。
可正負(fù)(電壓)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)，交流開(kāi)關(guān)僅改變Q的大小。調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)
其中A是調(diào)節(jié)器增益，且A= (KQTD)/(TI·Tg) <5>
調(diào)節(jié)器有位式、偏差調(diào)整、前饋控制三種工作狀態(tài)。在雙重積分環(huán)節(jié)調(diào)整強(qiáng)度參數(shù)n1、n2(通稱為n參數(shù))的作用下，它們構(gòu)成系統(tǒng)的最佳控制區(qū)間，并使對(duì)象處于最佳控制(最小值)之下，且廣義對(duì)象與調(diào)節(jié)器串聯(lián)后可視其為比例特性。
參照?qǐng)D2，此為比例環(huán)節(jié)(簡(jiǎn)稱P)。A01、A02是兩個(gè)失調(diào)電壓極性相反的普通運(yùn)放。令A(yù)01輸入端接地，調(diào)R04，A05使其輸出為零即可。這里A01擔(dān)任訊號(hào)傳遞中的放大作用，A02起補(bǔ)償穩(wěn)零作用，整個(gè)電路相當(dāng)一個(gè)反相放大器，放大倍數(shù)K = - (R03+W1)/(R01) <6>
參照?qǐng)D3，此為微分環(huán)節(jié)(簡(jiǎn)稱D)。T1、T2組成晶體管互補(bǔ)輸入電路，T3、T4組成電容C1電流放大電路。A03是普通運(yùn)放，用作混合器。取R21＝R22·R20≈ (R22)/10 ·W2≈3R22·R11≥10R12，R16≥20R12·R15≥10K當(dāng)ua＞ub時(shí)，T1導(dǎo)通;當(dāng)ua＜ub時(shí)，T2導(dǎo)通。T1、T2根據(jù)V01的變化改變C1電流的方向和大小及速率。電流經(jīng)T3、T4放大在R16上形成微分輸出ud，V01與ud混合后由A03傳出。
這里ud= (K1TdS)/(1+TgS) V01(S) <7>
其中K1= (R16)/(R12) = (R16)/(R14) ，Tg＝R15·C1，Td＝R11·C1＝R13C1，令TD=K1(R22)/(R20+W2) Td+Tg則Vi=- (1+TD·S)/(1+Yg·S) V01(S) <8>
參照?qǐng)D4，A1、A2為積分器，A3、A4為極性檢出器，T5、T6是電子開(kāi)關(guān)，它們構(gòu)成雙重積分環(huán)節(jié)，它有四種工作狀態(tài)。
其一是靜態(tài)，此時(shí)A1、A2輸入懸空，電路保證使y1≈-E，y2≈-E，y3≈+E，y4≈-EA2輸入被封鎖，保證外訊號(hào)加入時(shí)A1先積分，并使A1、A2輸出都由-E開(kāi)始，這就解決了大時(shí)間常數(shù)積分器的爬行或校零問(wèn)題。
其二是動(dòng)態(tài)，即小偏差下，此時(shí)雙重積分電路的工作波形如圖5示，τ、τ1是它輸出的一個(gè)脈沖周期。A2的積分變換時(shí)間T2是τ的主部，T2＝t2-t10A1的積分變換時(shí)間T1是τ1的主部。T1＝t5-t4它們的次部。T11＝t3-t2，T1＝t4-t3，都是對(duì)基準(zhǔn)的積分。
令Vi＝VI為不變直流訊號(hào)，則
可見(jiàn)V1↑→T2↑，VI↓→T2↓;
VI＝0，T2＝n2TI;
VI= (E)/(n2) ，T2→∞。
VI↑→T1↓，VI↓→T1↑;
VI＝0，T1＝n1TI;
VI= (E)/(n1) ，T1→∞。
上述變換關(guān)系曲線示于圖6。把A1、A2這種變換關(guān)系合成為一個(gè)脈沖周期的兩個(gè)部分，就構(gòu)成了具有調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)強(qiáng)度可調(diào)的雙重積分環(huán)節(jié)。
對(duì)正作用系統(tǒng)，令T2為開(kāi)關(guān)的開(kāi)時(shí)間，T1為開(kāi)關(guān)的關(guān)時(shí)間，則VI↑→T2↑→T1↓平均供給增大使VI↓對(duì)負(fù)作用系統(tǒng)，令T2為關(guān)時(shí)間，T1為開(kāi)時(shí)間，則VI↓→T2↓→T1↑平均供給增大，使VI↑調(diào)W3、W4就改變了n1、n2，也就改變了調(diào)節(jié)強(qiáng)度n參數(shù)。當(dāng)n1、n2以某種規(guī)律自動(dòng)調(diào)整時(shí)，調(diào)節(jié)器就成為自適應(yīng)調(diào)節(jié)器;當(dāng)n1、n2取適當(dāng)值時(shí)，對(duì)象在n1、n2所包圍的區(qū)間內(nèi)就處于最佳控制狀態(tài)。
對(duì)輸入的連續(xù)積分是由A2在t1～t3和A1在t4～t5的積分共同組成的。當(dāng)A2對(duì)Vi積分決定供給時(shí)間T2時(shí)，A1同時(shí)對(duì)Vi觀測(cè)記憶;當(dāng)這種記憶用于決定供給時(shí)(t2～t3)，A2對(duì)Vi進(jìn)行觀測(cè)記憶。t4～t5是供給的停止時(shí)間，也是決定再供給起始的時(shí)間。在一個(gè)脈沖周期中，雙重積分環(huán)節(jié)采用邊供給邊觀察對(duì)象變化和停止供給等對(duì)象響應(yīng)(由 (dV01)/(dt) 預(yù)測(cè))的工作方式，這就使對(duì)象僅呈比例特性。
雙重積分原理不同于雙積分原理中要求積分時(shí)間必為干擾訊號(hào)周期的整數(shù)倍，而且它對(duì)直流脈動(dòng)干擾也有抑制作用。
其三是前饋狀態(tài)，即偏差為零。參照?qǐng)D6，設(shè)n1＝10，n2＝5為某自調(diào)系統(tǒng)的最佳控制區(qū)間。當(dāng)Vi＝0時(shí)，T20＝5TI為供給時(shí)間，T10＝10TI為停給時(shí)間。設(shè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)供出的階躍量為Q，對(duì)象在前饋量q下將一直保持偏差為零。此時(shí)就有q=
Q= (Q)/(T20+T10) <11>
其四為位式狀態(tài)，即大偏差下。仍以上述區(qū)間為例，當(dāng)Vi＞2時(shí)，T2→∞，供給開(kāi)關(guān)一直打開(kāi);當(dāng)Vi＜-1時(shí)，T1→∞，開(kāi)關(guān)一直關(guān)，這就是正作用系統(tǒng)的位式控制狀態(tài)。
雙重積分環(huán)節(jié)特性可用框圖簡(jiǎn)化為圖7，其傳遞函數(shù)為G3(S)= (Q)/(TI) · 1/(S2)參照?qǐng)D8，可正負(fù)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)，這是一個(gè)普通反相放大器加C5正反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的正弦振蕩器，其特點(diǎn)是當(dāng)a端輸入+E，b端輸入-E時(shí)，X0＝0;當(dāng)a端輸入-E，b端輸入+E時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，X0＝ΦSinωt，Φ ≈E3]]>，ω在數(shù)千周以上。
圖9是b端懸空，a端加控制訊號(hào)時(shí)的工作波形，對(duì)應(yīng)τ時(shí)刻的脈沖列完全可滿足可控硅交流開(kāi)關(guān)的觸發(fā)要求。
圖10是發(fā)明人作出的一個(gè)調(diào)節(jié)器原理圖，曾在化學(xué)熱處理井式爐控制爐氣中CO2%含量進(jìn)行工件滲碳控制的系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。
參照?qǐng)D10，A001、A002運(yùn)放組成比較放大環(huán)節(jié);R61、R62、W5和2DW7C穩(wěn)壓管組成mv給定環(huán)節(jié);B2、R54和一只二極管組成脈沖列輸出環(huán)節(jié);可控硅3CT5A和四只2CZ1A二極管組成交流開(kāi)關(guān)。
圖11是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，它的廣義對(duì)象為慣性加長(zhǎng)滯后和非線性特性。系統(tǒng)的工作過(guò)程是，根據(jù)工件滲碳工藝要求，給定CO2%含量要求值Vg(W5上mv訊號(hào))，同時(shí)使?fàn)t罐恒溫(如920℃)并滴入常量甲醇(如每分鐘120滴)和可調(diào)量煤油。CO2紅外氣體分析儀對(duì)爐氣進(jìn)行連續(xù)分析，把CO2%含量變換成直流mv訊號(hào)Vf傳入記錄儀和比較環(huán)節(jié)。因此，送入調(diào)節(jié)器的偏差訊號(hào)Ve＝K(Vf-Vg)。K是A001、A002放大倍數(shù)之積。Ve經(jīng)R71到偏差指示儀表進(jìn)行顯示，經(jīng)R72送入調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)進(jìn)行再次放大。
這是個(gè)正作用系統(tǒng)。當(dāng)CO2%含量大于給定值，Vf-Vg＝Va＞0時(shí)，調(diào)節(jié)器通過(guò)交流開(kāi)關(guān)使電磁閥一直打開(kāi)，煤油一直滴入爐中，經(jīng)裂解和化學(xué)反應(yīng)使CO2%含量減小。當(dāng)Vf-Vg＝Vb＜0時(shí)，調(diào)節(jié)器使電磁閥一直關(guān)閉，煤油一直不滴，爐子內(nèi)各氣體間的化學(xué)反應(yīng)，工件吸碳及排放氣使CO2%含量增高，這就是位式控制功能。
當(dāng)Vb＜(Vf-Vg)＜Va時(shí)，電磁閥根據(jù)調(diào)節(jié)器指令進(jìn)行脈沖動(dòng)作，不斷改變平均滴量。當(dāng)Vf＝Vg時(shí)，電磁閥根據(jù)調(diào)節(jié)器指令給出一定的前饋量，以保持偏差恒為零。
該系統(tǒng)原用調(diào)節(jié)器是比例積分脈沖調(diào)節(jié)器，它存在問(wèn)題是調(diào)整期長(zhǎng)(對(duì)75KW爐子，要60分鐘左右)，小偏差時(shí)系統(tǒng)常自激(電磁閥動(dòng)作失控)，控制誤差大(在±3%左右)，調(diào)試操作復(fù)雜。用新調(diào)節(jié)器后，調(diào)整期縮短2/3，自激消除，控制誤差小(在±1%左右)，調(diào)試操作簡(jiǎn)單。發(fā)明人已經(jīng)就新系統(tǒng)使用過(guò)，圖12是實(shí)際生產(chǎn)控制曲線。
本發(fā)明從電路設(shè)計(jì)角度解決元件存在的缺陷，如噪聲、漂移、老化等，所以用一般通用元件就可實(shí)現(xiàn)，并且盡量使用集成運(yùn)放，使安裝、調(diào)試極簡(jiǎn)單，容易集成化、模塊化。
權(quán)利要求
1.一個(gè)由比例、微分、雙重積分、可正負(fù)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)組成的輸出為開(kāi)關(guān)訊號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)器，其特征是a、所述調(diào)節(jié)器的模擬運(yùn)算部分采用比例十微分十雙重積分的積木式各參數(shù)不相干開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)；b、該雙重積分環(huán)節(jié)采用連續(xù)積分連續(xù)變換的自調(diào)原理，且調(diào)節(jié)強(qiáng)度n參數(shù)可調(diào)；c、該微分電路采用晶體管互補(bǔ)輸入的隱微分形式；d、所述的可正負(fù)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)由一個(gè)反相器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的調(diào)節(jié)器，其特征是可不含微分環(huán)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1、2所述的調(diào)節(jié)器，其特征是組成自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，n參數(shù)自動(dòng)可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3所述的調(diào)節(jié)器，其特征是含雙重積分電路和其工作原理。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的調(diào)節(jié)器，其特征是其微分環(huán)節(jié)的電路模式可單獨(dú)用于求取變化率的場(chǎng)合。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的調(diào)節(jié)器，其特征是可正負(fù)關(guān)斷脈沖開(kāi)關(guān)電路模式和原理可單獨(dú)應(yīng)用。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脈沖寬度周期可調(diào)的單參數(shù)連續(xù)模擬控制，可用于廣義對(duì)象為大慣性、長(zhǎng)滯后和非線性的自控系統(tǒng)中的通用自動(dòng)調(diào)節(jié)器。其特點(diǎn)是采用比例+微分+雙重積分的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)；邊觀測(cè)邊調(diào)節(jié)和供給-響應(yīng)-再供給及前饋的工作方式，使對(duì)象處于最佳控制區(qū)間，以達(dá)到最小偏差控制。本發(fā)明從電路設(shè)計(jì)角度解決元件存在缺陷的影響，如噪聲、漂移、老化等，適合于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的組份，各種溫度、壓力、液位、流量及氣體滲碳中的氣氛含量的控制。
文檔編號(hào)G05B11/36GK85105657SQ85105657
公開(kāi)日1987年1月14日 申請(qǐng)日期1985年7月17日
發(fā)明者周兆群 申請(qǐng)人:新疆機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan