比例、微分、雙重積分脈衝調節器的製作方法

2023-06-02 10:56:01

專利名稱:比例、微分、雙重積分脈衝調節器的製作方法
本發明涉及一種新型的脈衝寬度周期可調的單參數連續模擬控制自動調節器，特別是一種用於含長滯後，大慣性，非線性對象系統的自動調節器。本發明適合於化學反應過程中的組份含量，各種溫度、壓力、液位、流量及氣體滲碳中的氣氛含量的控制。
現有的調節器，國產的以DDZⅡ，DDZⅢ系列中的DTL為代表的調節器，國外的各種三參數(P、I、D)調節器，它們對長滯後，大慣性，強非線性對象控制困難。自適應調節器和用現代控制理論產生的新型控制方法對上述存在的問題有較好的效果，但因建立模型和辯識複雜使其在生產中使用困難。
本發明的任務是由對物理過程的直接認識，避開數學模型和辨識，提供一種新型通用調節器，以其解決現有調節器存在的問題，並使系統的設計、分析、調試、操作簡化。
以下將結合附圖對發明作進一步的詳細描述。
圖1是本發明的構成方框圖。
圖2是本發明的比例環節電路原理圖。
圖3是本發明的微分環節電路原理圖。
圖4是本發明的雙重積分電路原理圖。
圖5是本發明的雙重積分電路工作波形圖。
圖6是本發明的變換關係曲線圖。
圖7是本發明的雙重積分環節特性框圖。
圖8是本發明的可正負關斷脈衝開關的電路原理圖。
圖9是本發明的可正負關斷脈衝開關在正電壓關斷下的工作波形。
圖10是本發明一實施例的電路原理圖。
圖11是本發明實施例的結構方框圖。
圖12是發明人用於生產得到的控制曲線。
參照圖1，Ve是來自對象狀態的檢測訊號與給定值比較後放大了的差值。經過比例環節傳遞後有V01＝-KVe 1
其中-K是比例環節的放大倍數。
經過微分環節傳遞後有Vi=- (1+TDS)/(1+TgS) V01(S) 2
其中TD是微分時間常數;Tg是慣性時間常數。
經過雙重積分環節傳遞後有y(S)= (Q)/(TIS2) Vi(S) 3
其中TI是積分時間常數，Q是階躍輸出的幅度。
可正負(電壓)關斷脈衝開關，交流開關僅改變Q的大小。調節器的傳遞函數
其中A是調節器增益，且A= (KQTD)/(TI·Tg) 5
調節器有位式、偏差調整、前饋控制三種工作狀態。在雙重積分環節調整強度參數n1、n2(通稱為n參數)的作用下，它們構成系統的最佳控制區間，並使對象處於最佳控制(最小值)之下，且廣義對象與調節器串聯後可視其為比例特性。
參照圖2，此為比例環節(簡稱P)。A01、A02是兩個失調電壓極性相反的普通運放。令A01輸入端接地，調R04，A05使其輸出為零即可。這裡A01擔任訊號傳遞中的放大作用，A02起補償穩零作用，整個電路相當一個反相放大器，放大倍數K = - (R03+W1)/(R01) 6
參照圖3，此為微分環節(簡稱D)。T1、T2組成電晶體互補輸入電路，T3、T4組成電容C1電流放大電路。A03是普通運放，用作混合器。取R21＝R22·R20≈ (R22)/10 ·W2≈3R22·R11≥10R12，R16≥20R12·R15≥10K當ua＞ub時，T1導通;當ua＜ub時，T2導通。T1、T2根據V01的變化改變C1電流的方向和大小及速率。電流經T3、T4放大在R16上形成微分輸出ud，V01與ud混合後由A03傳出。
這裡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
參照圖4，A1、A2為積分器，A3、A4為極性檢出器，T5、T6是電子開關，它們構成雙重積分環節，它有四種工作狀態。
其一是靜態，此時A1、A2輸入懸空，電路保證使y1≈-E，y2≈-E，y3≈+E，y4≈-EA2輸入被封鎖，保證外訊號加入時A1先積分，並使A1、A2輸出都由-E開始，這就解決了大時間常數積分器的爬行或校零問題。
其二是動態，即小偏差下，此時雙重積分電路的工作波形如圖5示，τ、τ1是它輸出的一個脈衝周期。A2的積分變換時間T2是τ的主部，T2＝t2-t10A1的積分變換時間T1是τ1的主部。T1＝t5-t4它們的次部。T11＝t3-t2，T1＝t4-t3，都是對基準的積分。
令Vi＝VI為不變直流訊號，則
可見V1↑→T2↑，VI↓→T2↓;
VI＝0，T2＝n2TI;
VI= (E)/(n2) ，T2→∞。
VI↑→T1↓，VI↓→T1↑;
VI＝0，T1＝n1TI;
VI= (E)/(n1) ，T1→∞。
上述變換關係曲線示於圖6。把A1、A2這種變換關係合成為一個脈衝周期的兩個部分，就構成了具有調節能力和調節強度可調的雙重積分環節。
對正作用系統，令T2為開關的開時間，T1為開關的關時間，則VI↑→T2↑→T1↓平均供給增大使VI↓對負作用系統，令T2為關時間，T1為開時間，則VI↓→T2↓→T1↑平均供給增大，使VI↑調W3、W4就改變了n1、n2，也就改變了調節強度n參數。當n1、n2以某種規律自動調整時，調節器就成為自適應調節器;當n1、n2取適當值時，對象在n1、n2所包圍的區間內就處於最佳控制狀態。
對輸入的連續積分是由A2在t1～t3和A1在t4～t5的積分共同組成的。當A2對Vi積分決定供給時間T2時，A1同時對Vi觀測記憶;當這種記憶用於決定供給時(t2～t3)，A2對Vi進行觀測記憶。t4～t5是供給的停止時間，也是決定再供給起始的時間。在一個脈衝周期中，雙重積分環節採用邊供給邊觀察對象變化和停止供給等對象響應(由 (dV01)/(dt) 預測)的工作方式，這就使對象僅呈比例特性。
雙重積分原理不同於雙積分原理中要求積分時間必為幹擾訊號周期的整數倍，而且它對直流脈動幹擾也有抑制作用。
其三是前饋狀態，即偏差為零。參照圖6，設n1＝10，n2＝5為某自調系統的最佳控制區間。當Vi＝0時，T20＝5TI為供給時間，T10＝10TI為停給時間。設開關打開供出的階躍量為Q，對象在前饋量q下將一直保持偏差為零。此時就有q=
Q= (Q)/(T20+T10) 11
其四為位式狀態，即大偏差下。仍以上述區間為例，當Vi＞2時，T2→∞，供給開關一直打開;當Vi＜-1時，T1→∞，開關一直關，這就是正作用系統的位式控制狀態。
雙重積分環節特性可用框圖簡化為圖7，其傳遞函數為G3(S)= (Q)/(TI) · 1/(S2)參照圖8，可正負關斷脈衝開關，這是一個普通反相放大器加C5正反饋環節構成的正弦振蕩器，其特點是當a端輸入+E，b端輸入-E時，X0＝0;當a端輸入-E，b端輸入+E時，開關打開，X0＝ΦSinωt，Φ ≈E3]]>，ω在數千周以上。
圖9是b端懸空，a端加控制訊號時的工作波形，對應τ時刻的脈衝列完全可滿足可控矽交流開關的觸發要求。
圖10是發明人作出的一個調節器原理圖，曾在化學熱處理井式爐控制爐氣中CO2%含量進行工件滲碳控制的系統中進行應用。
參照圖10，A001、A002運放組成比較放大環節;R61、R62、W5和2DW7C穩壓管組成mv給定環節;B2、R54和一隻二極體組成脈衝列輸出環節;可控矽3CT5A和四隻2CZ1A二極體組成交流開關。
圖11是該系統的結構方框圖，它的廣義對象為慣性加長滯後和非線性特性。系統的工作過程是，根據工件滲碳工藝要求，給定CO2%含量要求值Vg(W5上mv訊號)，同時使爐罐恆溫(如920℃)並滴入常量甲醇(如每分鐘120滴)和可調量煤油。CO2紅外氣體分析儀對爐氣進行連續分析，把CO2%含量變換成直流mv訊號Vf傳入記錄儀和比較環節。因此，送入調節器的偏差訊號Ve＝K(Vf-Vg)。K是A001、A002放大倍數之積。Ve經R71到偏差指示儀表進行顯示，經R72送入調節器的比例環節進行再次放大。
這是個正作用系統。當CO2%含量大於給定值，Vf-Vg＝Va＞0時，調節器通過交流開關使電磁閥一直打開，煤油一直滴入爐中，經裂解和化學反應使CO2%含量減小。當Vf-Vg＝Vb＜0時，調節器使電磁閥一直關閉，煤油一直不滴，爐子內各氣體間的化學反應，工件吸碳及排放氣使CO2%含量增高，這就是位式控制功能。
當Vb＜(Vf-Vg)＜Va時，電磁閥根據調節器指令進行脈衝動作，不斷改變平均滴量。當Vf＝Vg時，電磁閥根據調節器指令給出一定的前饋量，以保持偏差恆為零。
該系統原用調節器是比例積分脈衝調節器，它存在問題是調整期長(對75KW爐子，要60分鐘左右)，小偏差時系統常自激(電磁閥動作失控)，控制誤差大(在±3%左右)，調試操作複雜。用新調節器後，調整期縮短2/3，自激消除，控制誤差小(在±1%左右)，調試操作簡單。發明人已經就新系統使用過，圖12是實際生產控制曲線。
本發明從電路設計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現，並且儘量使用集成運放，使安裝、調試極簡單，容易集成化、模塊化。
權利要求
1.一個由比例、微分、雙重積分、可正負關斷脈衝開關組成的輸出為開關訊號的自動調節器，其特徵是a、所述調節器的模擬運算部分採用比例十微分十雙重積分的積木式各參數不相干開環結構；b、該雙重積分環節採用連續積分連續變換的自調原理，且調節強度n參數可調；c、該微分電路採用電晶體互補輸入的隱微分形式；d、所述的可正負關斷脈衝開關由一個反相器組成。
2.根據權利要求
1所述的調節器，其特徵是可不含微分環節。
3.根據權利要求
1、2所述的調節器，其特徵是組成自適應調節器，n參數自動可調。
4.根據權利要求
1、2或3所述的調節器，其特徵是含雙重積分電路和其工作原理。
5.根據權利要求
1所述的調節器，其特徵是其微分環節的電路模式可單獨用於求取變化率的場合。
6.根據權利要求
1所述的調節器，其特徵是可正負關斷脈衝開關電路模式和原理可單獨應用。
專利摘要
本發明公開了一種脈衝寬度周期可調的單參數連續模擬控制，可用於廣義對象為大慣性、長滯後和非線性的自控系統中的通用自動調節器。其特點是採用比例+微分+雙重積分的開環結構；邊觀測邊調節和供給-響應-再供給及前饋的工作方式，使對象處於最佳控制區間，以達到最小偏差控制。本發明從電路設計角度解決元件存在缺陷的影響，如噪聲、漂移、老化等，適合於化學反應過程中的組份，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G05B11/36GK85105657SQ85105657
公開日1987年1月14日 申請日期1985年7月17日
發明者周兆群 申請人:新疆機械研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan