CN100365528C - 带控制系统的双闭环数字调节器 - Google Patents

Abstract

一种带控制系统的双闭环数字调节器，含有带控制系统的内外两闭环。外闭环控制内闭环。两个闭环既可以同时运行，又可以分别独立地运行。内外闭环均有电流信号、电压信号和频率信号的输入与输出。具有功能多、响应速度快、能够满足实时调节控制的要求。结构简单，操作灵活，使用方便，可靠性好，抗干扰能力强，调节精度高的显著优点。调节精度可达2‰以上。

Description

带控制系统的双闭环数字调节器

技术领域

本发明涉及一种闭环数字调节器，特别是涉及一种带控制系统的双闭环数字调节器。

背景技术

工业自动化控制中的关键环节是比例积分微分(通常简称为PID)调节器。可以说PID调节器是整个控制系统中的核心，因此，提高PID调节器的调节功能、调节精度、调节速度以及稳定性，是至关重要的。现有技术中，多为单闭环结构的数字调节器，这种数字调节器只能适用于简单的单闭环工业控制系统中。它的功能比较少，精度较低、输入信号少，运行速度比较慢等。正因为它存在上述的不足，也就限制了它的应用与发展。

发明内容

本发明为了克服上述单闭环调节器所存在的不足，提供一种带控制系统的双闭节数字调节器，将有较多的输入和输出信号，较快地运算和较高的精度。

本发明的调节器所采取的技术方案是：采用带控制系统的双闭环。两个闭环有机地联接在一起，外闭环控制内闭环。外闭环也叫低速闭环，内闭环也叫高速闭环，即低速闭环控制高速闭环。内外闭环均有电流信号，频率信号和电压信号的输入与输出。内外闭环既可以联合运行，又可以分别独立地运行。

本发明的显著优点是：

1、功能多；有比较多的输入与输出信号。例如有直交流电流信号、直流电压信号、频率信号以致还有模拟信号输出输入，给定电压有斜坡式、阶跃式及其组合方式；

2、响应速度快；能够满足实时调节控制的要求。外闭环也称低速闭环。外闭环的运行速度是信号采样处理一次为毫秒(ms)级。在外闭环对信号采样处理一次时，内闭环在外闭环的控制下，已对信号采样处理20次。因此，内闭环对快速启动的电流能够及时跟上，能够快速实时地响应。

3、本发明的调节器结构简单、操作灵活、使用方便。

本发明调节器内外闭环有机的组合，所输出输入的信号是单闭环调节器所做不到的。即使将两个单闭环调节器简单地组合在一起，也做不到一机多功能。同时结构复杂，操作不方便。本发明的调节器两闭环有机的组合，结构简单，既可以双闭环同时使用，又可以各自独立的使用。

4、本发明的调节器可以直接输入频率信号，无需像在先技术中，先将频率信号经过复杂的电路处理后，才能输入。这也使本发明调节器结构大大的简化了。

5、本发明的调节器调节精度高，可靠性好，抗干扰能力强，调节精度可达2‰以上。

附图说明

图1是本发明调节器的结构示意图。

图2是图1中运算处理模块14的主要构成示意图。

图3是图1中外闭环1内第一信号输入模块12的主要构成示意图。

图4是图1中内闭环2内第二信号输入模块22的主要构成示意图。

图5是图1中信号输出模块15、24的主要构成示意图。

图6是本发明调节器的控制系统的结构示意图。

图7是图6结构的控制系统的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明调节器的具体结构。

图1所示为本发明调节器的结构。如图所示，包含外闭环1和内闭环2。外闭环1中含有第一标准信号给定模块11、第一信号输入模块12、第一比较器13、运算处理模块14和第一信号输出模块15。其中第一标准信号给定模块11和第一信号输入模块12的输出端均联接到第一比较器13上，第一比较器13置于运算处理模块14内。第一信号输出模块15与运算处理模块14的输出端相联。

内闭环2中含有第二标准信号给定模块21、第二信号输入模块22、第二比较器23、第二信号输出模块24。所说的第二标准信号给定模块21和第二信号输入模块22的输出端均联接到第二比较器23上。第二比较器23也置于运算处理模块14内。第二信号输出模块24与运算处理模块14的输出端相联。

所说的第一标准信号给定模块11给定的信号有斜坡电压U_i-t、阶跃电压U_i及其斜坡与阶跃电压的组合。

所说的第二标准信号给定模块21给定的信号有斜坡电压U_i-t、阶跃电压U_i、斜坡和阶跃电压的组合以及交流电流信号。如在本实施例中给定的交流电流信号为4～20mA。

从图1的结构中看出，内闭环2与外闭环1共同拥有一个置于外闭环1内的运算处理模块14。充分地显示出外闭环1对内闭环2的控制。

图2所示的是图1中运算处理模块14的主要构成。如图1所示，运算处理模块14主要含有带给定编程电压电路U₂和提供时钟频率的晶振芯片Y₁的微处理器U₁(简称CPU)。微处理器U₁还带有多接口的接口端子。本实施例中选用高速微处理器U₁为PIC16F877。

图3所示的是外闭环1中第一信号输入模块12的主要构成。如图1所示，第一信号输入模块12主要含有直流电流输入电路1201、频率信号输入电路1202和直流电压输入电路1203。

所说的直流电流输入电路1201是信号由接入端子J₅输入经过跟随U_9A进行整形放大后进入置于微处理器U₁内的第一比较器13中。

所说的频率信号输入电路1202是频率信号从接入端子J₇进入，经过光耦合隔离芯片U₆的隔离，经过U_9C的整形放大后，再经过频率-电压转换电路U₁₃将频率信号转换成电压信号后，再经过滤波器U_10A的滤波、跟随U_10C的整形后，进入置于运算处理模块14的第一比较器13中。

所说的直流电压输入电路1203为电压信号由接入端子J₁₆输入，经过跟随U_12A整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第一比较器13中。

图4所示的是图1中内闭环2内的第二信号输入模块22的构成。如图2所示，第二信号输入模块22含有直流电流输入电路2201，频率信号输入电路2202，直流电压输入电路2203和交流电流输入电路2204。

所说的直流电流输入电路2201，如图4所示，电流信号由接入端子J₆输入经过跟随U_9B整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。

所说的频率信号输入电路2202，如图4所示，频率信号由接入端子J₈进入，经过光耦合隔离芯片U₅的隔离和U_9D的整形放大后，再由频率-电压(F-V)转换电路U₁₄将频率信号转换成电压信号，然后经滤波器U_10B的滤波，跟随U_10D的整形后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。

所说的直流电压输入电路2203，如图4所示，电压信号由接入端子J₁₉进入，经过跟随U_12B整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。

所说的交流电流输入电路2204，如图4所示，交流电流信号由接入端子J₂₀输入，经过整流后，连续经过两个跟随U_12C和U_12D整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。

上述图3和图4所示的第一信号输入模块12和第二信号输入模块22中，含有的频率信号输入电路1202和2202中都含有频率-电压(F-V)转换电路U₁₃和U₁₄。正因为在频率信号输入电路中都含有频率-电压转换电路使频率信号变成电压信号，才能使频率信号直接输入。调节器能直接对频率信号进行调节和控制。免去了在先技术中，要输入频率信号时，需要经过较复杂的处理电路处理后才能输入。这也是本发明调节器结构简单的一大显著优点。

图5所示的是图1中结构相同的第一信号输出模块15和第二信号输出模块24的构成。它们均含有通讯电路1501，数模转换电路1502，报警线路1503和显示接口1504。

所说的通讯电路1501如图5所示，含有通信芯片U₃，带光耦合器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负责接收和发送信号。本实施例中，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起隔离电信干扰和信号放大的作用。

所说的数模转换电路1502如图5所示，含有电压和电流信号两路输出电路：一路是由运算处理模块14输出的信号经过数模转换芯片U₁₅的数模转换后，经过跟随U_11A和U_11B的整形放大后，由接口端子J₉输出电压信号；另一路是由运算处理模块14输出的信号经过数模转换芯片U₁₅的数模转换后，再经过电压-电流(V-I)转换电路将电压信号转换成电流信号，由接口端子U₁₀输出电流信号。由数模转换电路1502输出的是电流电压的模拟信号。本实施例中，由接口端子J₉输出的电压信号为0～5V。由接口端子J₁₀输出的电流信号为4～20mA。

图5中U₁₁的子件未用，U_11C、U_11D的输入端接地，主要是抗干扰。

图6所示的是本发明调节器的控制系统的结构。如图6所示，本发明调节器的控制系统含有控制系统初始化模块011，分别与控制系统初始化模块011相联的控制显示模块012和运算模式判断模块013，与运算模式判断模块013的输出端相联的控制信号输入模块014，与控制信号输入模块014的输出端相联的控制运算模块015，与控制运算模块015的输出端相联的控制输出模块016。

图7所示的是图6结构的调节器控制系统的流程。

调节器的启动首先是开启控制系统，如图7中系统入口，然后进入控制系统初始化模块011，并在控制显示模块012中有显示。如果已有通讯信号，则可以马上进入运算模式判断模块013中；如果没有，需要进行键盘输入处理和比例积分微分参数设定，而后进入运算模式判断模块013选定运算模式-是双闭环运行？还是双闭环各自独立运行？选定运行模式后，进入控制信号输入模块014，对内闭环2内的信号输入模块22或对外闭环1内的信号输入模块12或同时对其两者发出指令，令其输入信号；信号输入后，控制运算模块015开始启动，它驱动置于外闭环1内的含有微处理器的运算处理模块14进行运算，进行具体的比例积分微分运算；运算结果进入控制输出模块015，令其信号输出模块15、24启动后，输出所需要的信号。

综述图6和图7所描述的控制系统，更加说明了本发明的调节器，内外双闭环有机组合的特征，说明了上述本发明调节器显著的优点。

Claims (8)

1.一种带控制系统的双闭环数字调节器，含有闭环，闭环内含有信号输入模块，标准信号给定模块和信号输出模块，其特征在于所述的闭环包含外闭环和内闭环，内闭环与外闭环共同拥有一个置放在外闭环内的置有控制系统的运算处理模块，外闭环控制内闭环；

所述的外闭环内包含上述的运算处理模块，置于运算处理模块上的第一比较器，输出端分别连接到第一比较器上的第一信号输入模块和第一标准信号给定模块，与运算处理模块输出端相连接的第一信号输出模块；

所述的内闭环内包含置于上述的运算处理模块上的第二比较器，输出端分别连接到第二比较器上的第二信号输入模块和第二标准信号给定模块，与上述的运算处理模块输出端相连接的第二信号输出模块；

所述的置放在运算处理模块内的控制系统含有控制系统初始化模块(011)，分别与控制系统初始化模块(011)相联的控制显示模块(012)和运算模式判断模块(013)，与运算模式判断模块(013)输出端相联的控制信号输入模块(014)，与控制信号输入模块(014)输出端相联的控制运算模块(015)，与控制运算模块(015)输出端相联的控制输出模块(016)。

2.根据权利要求1所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的运算处理模块(14)主要含有带给定编程电压(U₂)和晶振芯片(Y₁)的微处理器(U₁)。

3.根据权利要求1所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的置于外闭环(1)内的第一信号输入模块(12)含有直流电流输入电路(1201)，频率信号输入电路(1202)和直流电压输入电路(1203)。

4.根据权利要求1所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的置于内闭环(2)内的第二信号输入模块(22)含有直流电流输入电路(2201)，频率信号输入电路(2202)，直流电压输入电路(2203)和交流电流输入电路(2204)。

5.根据权利要求3或4所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的第一信号输入模块(12)内的频率信号输入电路(1202)中和第二信号输入模块(22)内的频率信号输入电路(2202)中均含有频率一电压转换电路(U₁₃、U₁₄)。

6.根据权利要求1所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的置于外闭环(1)内的第一标准信号给定模块(11)给定的信号有斜坡电压、阶跃电压及其斜坡与阶跃电压的组合。

7.根据权利要求1所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的置于内闭环(2)内的第二标准信号给定模块(21)给定的信号有斜坡电压、阶跃电压、斜坡与阶跃电压的组合以及交流电流信号。

8.根据权利要求1所述的带控制系统的双闭环数字调节器，其特征在于所说的置于外闭环(1)内的第一信号输出模块(15)和置于内闭环(2)内的第二信号输出模块(24)均含有通讯电路(1501)，数模转换电路(1502)，报警线路(1503)和显示接口(1504)。

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