CN101095088A - 控制装置 - Google Patents

Abstract

一种具有多个在数据侧并联的控制组件(4，4′)的控制装置(1，1′)，所述控制组件在输出侧通过一个切换单元(6)与一个公共的信号输出端(8)相连接，在此控制装置中应能以特别简单和可靠的方式实现在各个控制组件之间的平滑切换。为此，按照本发明在切换单元(6)的数据侧前接多个分别对应于一个控制组件(4，4′)的微分电路(12)，并且后接一个积分电路(14)。

Description

控制装置

本发明涉及一种在数据侧具有多个并联的控制组件的控制装置，这些控制组件在输出侧通过一个切换单元与一个公共的信号输出端相连接。

在工业控制装置中例如出于冗余或安全考虑，或者为了提供多个可选的控制或调节过程，通常设置多个在数据侧并联的控制组件来提供一个控制信号。这些控制组件在输出侧通过一个切换单元与一个公共的信号输出端相连接，并且在切换单元上可有目的地选择用来提供输出信号的相应控制组件。按照处理过程，通常预先规定在相应工作状态下哪一个控制组件应被起动。在最简单的控制装置中通常具有至少两个由可选的控制组件预先规定的、有目的地选择的控制通道，其中例如可区分为两个工作方式“自动控制”和“人工控制”。在这种情况下可以选择自动控制，也可进行人工控制(也称为调节或开环控制)，通过有目的地从外部输入一个值来选择所要的通道。此外在一个控制装置中可存在大量可供选择的控制通道，它们例如可以按内部的处理过程或单独预定的工作参数进行区分。最后，在分别调节不同的过程变量的控制组件之间设置一个切换单元。

在不同工作方式之间切换时在这种控制装置中通过操作切换单元完成原来激活的控制组件与信号输出端在信号侧的分离，并同时完成供选择的控制组件与信号输出端在信号侧的连接。然而由于运行，这种切换不总是能保证要被断开的控制组件和新接上的控制组件在切换时刻有严格相同的输出信号，因为由于在控制组件中进行的处理可能存在的不一致性会出现小的接缝信号差别。这种信号差别甚至会相对较大，因为新接上的控制组件在切换时刻之前并不处在一个闭合的调节回路中，因而可能具有向制动位置走去的倾向。如果分配给这些控制组件不同的调节量，则出现信号偏差。如果在切换时出现控制组件间的信号偏差，输出信号在切换时存在一个所谓的信号跳变。从运行要求或稳定性角度看，这种信号跳变是特别不希望有的。

为了避免在不同控制组件间切换时出现这种信号跳变，实现所谓的“平滑切换”，它明显提高了控制装置总的调节可靠性，原理上可以采用隔离或均衡的概念。在隔离的情况下各个控制组件的输出不直接连接到输出通道，而是通过一个最小化元件或最大化元件转接到输出通道。在这种电路中切换总是平滑地进行。但这种概念的应用受到相当大的限制，因为最小化或最大化组件在信号输出端完全确定了切换调节量。按照任意所希望的既不是最小也不是最大的调节量，实现切换在此是不可能的。此外，隔离的概念在大多数控制技术的应用情况下太慢，因为“隔离”的控制组件必须走过一个“距离”，直至隔离可以进行。由于这个原因，在控制装置的工业应用中隔离的概念没有特别被推广。

也可以应用所谓的“均衡”，它使切换可以按照一个任意的、由所谓“切换逻辑”构成的准则进行。在这种电路中第一个控制组件的输出信号必要时可以作为附加的输入信号给到所选当前要接入的控制组件上。并在此控制组件中被考虑。然而在这种切换中所改换的所有控制组件的附加输入需要所有其它控制组件的输出信号。由于这个原因多个控制组件并联连接，从而这种概念具有特别高的复杂性，这会导致特别高的生产费用或设计费用。

此外在以模拟技术实现均衡概念时还有以下缺点：在切换过程中短时间给出一个“零信号”。因此在严格意义上这种切换至少在模拟技术应用中不是平滑的。

在以数字技术实现的应用中各个均衡电路是一个信号回路，它在数字技术中可能是实时的。然而这种信号回路在数字技术中是有缺点的，因为尤其是在设计时不仅要考虑电路的正确性，还要考虑均衡信号随时间的变化。在应用多个异步工作的处理器时这个问题变得更难解决。在复杂的控制系统中均衡概念的应用同样是受局限的。

因此本发明的目的在于给出一种上述类型的控制装置，用它可以特别简单和可靠地实现在各个控制组件之间的平滑切换。本发明目的还在于给出一种特别适用于这种控制装置工作的方法。

上述有关控制装置的任务按照本发明是这样完成的：在此控制装置中在切换单元的数据侧前接多个分别对应于给一个控制组件的微分电路，并后接一个积分电路。

控制装置的设计使得各个控制组件的输出首先按照时间微分，然后被切换，再在时间上积分，以提供输出信号。本发明由以下考虑出发：为了特别简单地实现平滑切换，应避免一个用于消除信号跳变的、在各个控制组件间的持续交叉均衡。控制组件的输出信号应如此给出，代替可能具有独立偏差或跳变的原有输出信号，采用一个对所有并联控制组件共用的系统。为此，由控制组件提供的输出信号首先对时间微分，得到时间导数，它们应基于对所有控制通道共用的系统有可比较的关系。基于这个原有信号的时间导数可完成切换，并且在切换后通过形成时间上的积分重新形成原来的输出信号。这里微分和接着的积分的主要作用是使输出信号在切换时不存在跳变，因为切换的不是信号本身，而是其导数。在各个控制通道或调节量之间的偏差在这种切换中无论什么情况下都可能导致输出信号时间导数的不连续，然而不会形成真正意义上的信号的不连续。

在设计控制装置时可以给每个控制组件分配一个独立且分开的微分电路，然而具有优点的是，一个或每个微分电路被集成在它所属的控制组件中。这样，包括分配给它的微分电路在内的控制组件能够以模块构造的方式作为分立元件被使用，并且在需要时直接与后接切换单元连接。

对于已广泛应用的PI控制器(比例积分控制器)作为控制组件的情况，具有优点的是，一个配备有微分电路的控制组件一方面包括一个具有比例电路的比例支路，另一方面包括一个具有微分电路的微分支路，它们在输出侧与一个共用的相加电路相连接。在这种构造下在控制组件中形成控制信号的一个比例部分和一个微分部分的和。在跟在切换之后的信号积分中形成一个具有一个积分部分(由先前包含的比例部分形成)和一个比例部分(由先前求得的微分部分形成)的信号作为输出信号，从而得到一个PI控制器输出信号的常规性能。

上述有关方法的任务如此完成：代表一个控制组件的输出信号特征的时间导数的微分信号作为输入信号被送到切换单元，在切换单元输出侧通过时间积分产生控制装置的输出信号。

具有优点的是，这里微分信号由一个控制组件的输出信号的时间导数产生。在另外一个具有优点的方案中，特别是为了模拟一个PI控制器，此微分信号通过相加一个由控制信号的时间导数形成的第一信号部分和一个正比于控制信号的第二信号部分而形成。

本发明带来的优点主要在于，通过控制信号对时间微分和接着的时间上积分最终产生一个基本不改变的输出信号，其中微分和积分互补。通过连接在时间微分和时间积分之间的切换，可靠地避免了切换时的信号跳变，因为切换的不是信号本身，而是其导数。从而用特别简单的方法且不增加控制组件的电路复杂性的条件下实现了事实上平滑的控制组件间切换。基于这种相对简单的概念，不再存在诸如在所用控制组件类型或切换准则方面的局限性。特别是不要求控制组件具有均衡功能。此外在原理上更快的控制结构中不要求电路中有信号回路，其中任意的线性、非线性和/或自适应控制器都可作为控制组件被使用。

下面借助附图详细说明本发明的实施例。附图中：

图1示出一个控制装置，

图2a，2b分别简要示出一个控制组件，以及

图3示出控制装置的另一实施方式。

在所有这些图中相同部件具有相同的附图标记。

图1所示控制装置1具有多通道结构，其中多个控制通道2在数据侧并联，控制装置1包括多个控制组件4，它们在数据侧并联并在输出侧通过一个切换单元6与一个公共的信号输出端8相连接。这里切换单元6由一个切换逻辑电路10控制。由于其多通道结构，此控制装置特别适用于这样的工业应用，其中根据需要和/或根据工作方式有选择地分别激活一个控制组件4。其中例如控制组件4中的一个可以手动控制(也称调节或“开环控制”)方式用于外部的人工干预，而其它的控制组件4用于自动控制过程，必要时它们可以按照相互不同的过程模式或类似方式进行设计。

控制装置1是为了特别高的工作可靠性和稳定性设计的。这里特别考虑以下情况：由于其内在性能或由于不同的调节量和控制功能或由于不处于干预状态下的控制器具有“偏离”的倾向这一事实，控制组件4在其输出端可能产生或多或少相互不同的输出信号。因此在直接切换各个控制通道2或控制器时在信号输出端8上产生或多或少的信号跳变。为了消除这种不希望有的信号跳变，它例如会导致在控制回路中产生不希望有的或不容许存在的振动，实现所谓平滑切换的控制装置1应设计成在切换时没有这种信号跳变。为了以特别简单的手段实现这一要求，在控制装置1中每个控制通道2分别具有一个微分电路12，它被分配给相应的控制组件4，并且在数据侧连接在控制组件与切换单元6之间。此外切换单元6在数据侧后接一个积分电路14。

在这个电路中，当控制装置1在每个控制通道2中工作时，由相应控制组件4给出的输出信号RA首先在相应的微分电路12中对时间微分并转换为一个微分信号D。微分信号D被给到切换单元6，在那里需要时可实现各控制通道2之间的切换。切换单元6从被选择激活的控制通道2在输出侧给出馈入此通道的微分信号D。此输出微分信号D接着在后接的积分电路14中在时间上积分。这个运算的结果作为输出信号A给到信号输出端8。在这种控制装置1的工作方式中相应控制组件4的输出信号RA的微分和后接的积分互补，使得控制装置1所产生的输出信号A通过这些运算基本上保持不变。但在切换单元6中的控制通道2之间的切换不是在控制组件4的原有输出信号RA上进行，而是通过其代表时间导数的微分信号D进行。这样，在控制组件4的输出信号RA中的偏差相互不起作用，并且在切换时输出信号A没有跳变。从而切换是严格意义上平滑的。

基于控制组件4的输出信号RA的时间导数切换和在切换后进行的时间积分的概念对于所用控制器的类型或切换准则是不受局限的。特别是不要求被切换的控制组件4必须具有均衡功能或类似功能。特别是已广泛应用的类型P(比例的)，I(积分)，PI，PD(比例，微分)，PID控制器或任意的线性、非线性或自适应控制器，它们具有特别小的工作和结构成本，这些控制器可以被平滑地切换，而不需要信号回路。在它们之间进行切换的这些控制器并不要求是相同类型的。它们甚至可能分别控制不同的处理量或控制量。例如一个控制器是电流控制器，而另一个控制器是电压控制器。

控制组件4可以是一个PI(比例，积分)控制器，它以示例方式并简要示出在图2a中。这里控制组件4包括一个比例通道20和一个在数据侧与比例通道并联的积分通道22，在此通道中连接有一个积分电路24。在输出侧，比例通道20和积分通道22与一个公共的相加电路26相连接，在其中产生这两个子信号的和。相加电路在输出侧后接一个微分电路12，它在输出侧(如切换点28所指示)与切换单元6相连接。对于切换单元6中相应的“激活”位置，如此形成的控制通道2与后接的积分电路14相连接。在图2a所示结构中，一个以传统的PI构造方式设计的控制组件4与一个基本分立的微分电路12相连接，以形成相应的控制通道2。

可以提供一个在控制技术性能上等效的系统，其中微分电路12被集成在它所从属的控制组件4中。这种PI控制器结构的一个实施例示于图2b中。这里具有微分电路12的控制组件4一方面包括一个具有比例电路30的比例支路32，另一方面包括一个具有微分电路12的微分支路34。比例支路32和微分支路34在输出侧与一个公共的相加电路36相连接。在此结构中代表控制组件4的输出信号RA的时间导数的特征的微分信号D通过相加一个由控制信号的时间导数构成的第一信号部分S1和一个正比于控制信号的第二信号部分S2而形成。输出的微分信号D相应于上述结构通过切换点28送到所表征的切换单元6，并且根据需要和工作方式继续给到后接的积分电路14。

一个由这种分别具有一个集成微分电路的控制组件4′构成的控制装置1′的实施例示于图3中。这里保留了以下概念：在控制通道或控制器之间的切换应该对原控制信号的导数进行，其中存在一个后续的时间积分，因此在此实施例中本身提供一个微分信号D作为输出信号的控制组件4′直接与切换单元6相连接。切换单元后接积分电路14，用于形成原输出信号A。

附图标记列表

1，1′  控制装置

2       控制通道

4，4′  控制组件

6       切换单元

8       信号输出端

10      切换逻辑电路

12      微分电路

14      积分电路

20      比例通道

22      积分通道

24      积分电路

26      相加电路

28      切换点

30      比例电路

32      比例支路

34      微分支路

36      相加电路

A       输出信号

D      微分信号

RA     输出信号

S1，S2 信号部分

Claims (6)

1.具有多个在数据侧相互并联的控制组件(4，4′)的控制装置(1，1′)，所述控制组件在输出侧通过一个切换单元(6)与一个公共的信号输出端(8)相连接，其中在所述切换单元(6)的数据侧前接多个分别对应于一个控制组件(4，4′)的微分电路(12)，并且后接一个积分电路(14)。

2.如权利要求1所述的控制装置(1，1′)，其中一个或每个微分电路(12)被集成在它所属的控制组件(4，4′)中。

3.如权利要求2所述的控制装置(1，1′)，其中至少一个具有一个微分电路(12)的控制组件(4，4′)一方面包括一个具有比例电路(30)的比例支路(32)，另一方面包括一个具有微分电路(12)的微分支路(34)，所述比例支路和微分支路在输出侧与一个公共的相加电路(26)相连接。

4.用于操作一个控制装置(1，1′)的方法，所述控制装置具有多个在数据侧相互并联的控制组件(4，4′)，所述控制组件在输出侧通过一个切换单元(6)与一个公共的信号输出端(8)相连接，其中代表一个控制组件(4，4′)的输出信号(A，RA)的时间导数的特征的微分信号(D)作为输入信号被送至切换单元(6)，由该微分信号在切换单元(6)的输出侧通过时间上的积分产生控制装置(1，1′)的输出信号(A)。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述微分信号(D)由控制组件(4，4′)的输出信号(RA)的时间导数而形成。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述微分信号(D)通过相加一个由控制信号的时间导数所形成的第一信号部分(S1)和一个正比于控制信号的第二信号部分(S2)而形成。

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