CN101226376A - 一种调节器及其控制输出平滑切换过渡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节器及其控制输出平滑切换过渡的方法，该调节器包括：A/D采样单元，用于获取外部控制信号和测量输入信号，并将其发送到数字信号处理单元；用于存储控制方式标志位数据和期望控制值的存储单元；数字信号处理单元，用于求出调节器控制信号，并发送到切换单元，根据存储控制方式标志位数据输出切换控制信号到切换单元；切换单元，接收外部控制设备输出的外部控制信号，用于根据切换控制信号选通调节器控制信号和外部控制信号中的一路，将选通的一路信号输出到被控设备，该方法实现了在模式切换时的控制信号输出分若干次平滑过渡。本发明可以实现冗余控制和偏置控制，且避免了信号切换时对后备控制设备的冲击。

Description

一种调节器及其控制输出平滑切换过渡的方法

技术领域

本发明涉及工业控制仪表领域，具体涉及一种调节器及其控制输出平滑切换过渡的方法。

背景技术

调节器做为一种控制设备(仪表)，可用于温度、流量、压力、液位等很多现场的过程控制，做为前端控制机构时只要某设备能接收调节器的输出信号，并根据信号产生指定动作，从而对被控对象产生预期的影响，则该设备均可做为调节器控制的设备。因此，调节器的作用是将调节器加在控制机构或仪表后面更好实现冗余控制，现场调节等功能。

冗余控制有多种控制机构或仪表同时控制，但只采用一个控制输出。当控制输出由当前切换到备用时需要切换硬件，目前调节器做为冗余控制仪表使用需要在仪表外部增加信号切换硬件，信号切换硬件在切换瞬间难以保证平滑过渡，会对后端设备造成冲击。

控制信号偏置可实现信号作用叠加，也可实现对调节器后端设备特性的匹配。如：某后端设备控制长期工作后其控制点发生偏移，对应控制信号也需要进行偏置处理。假设控制信号右1～5V变成3～7V，只需前端控制机构的偏置信号变成2V即可。而要实现一控制信号对调节器输出信号的偏置要更高一级控制系统设计实现。现有的调节一般不具备偏置的控制功能，有的通过调整调节器后端被控设备实现偏置控制功能，需要设备供应方专业人员现场调节，精确度不高，且比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种调节器及其控制平滑过渡的方法，利用该调节器及其控制平滑过渡的方法，可以实现冗余控制，且避免了信号切换时对后备控制设备的冲击。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种调节器，该调节器包括：

A/D采样单元，分别与前端控制设备和被控设备连接，用于获取前端控制设备输出的外部控制信号和被控设备输出的测量输入信号并进行模数转换，转换后将其发送到数字信号处理单元；

存储单元，用于存储控制方式标志位数据和期望控制值；

数字信号处理单元，分别与存储单元和A/D采样单元连接，用于根据所述测量输入信号和期望控制值的差值得到调节器控制信号，将所述调节器控制信号发送切换单元，并根据存储器内的控制方式标志位数据输出切换控制信号到切换单元；

切换单元，与外部控制设备连接，接收其输出的外部控制信号，用于根据所述切换控制信号选通所述调节器控制信号和外部控制信号中的一路，将选通的一路信号输出到被控设备进行控制。

其中，该设备还包括输入单元，所述输入单元与存储单元连接，用于修改所述存储单元内的存储控制方式标志位数据。

其中，所述切换单元包括驱动三极管和双刀双掷继电器，所述驱动三极管的基极与数字信号处理单元的输出端连接，发射极与地线连接，集电极与所述双刀双掷继电器连接，所述双刀双掷继电器的常闭输入端与外部控制设备连接，所述双刀双掷开关的常开输入端与所述数字信号处理单元连接，所述双刀双掷开关的公共端与被控设备连接。

其中，所述双刀双掷开关的两端并联连接有放电二极管。

其中，所述双刀双掷开关与限流电阻串联连接。

本发明还提供了一种调节器控制输出平滑切换过渡的方法，该方法包括以下步骤：

(1)数字信号处理单元通过A/D采样电路获取外部控制信号Exval和被控设备的测量输入信号，通过比较存储内的期望控制值和测量输入信号的差值，得到初始调节器控制值InVal；

(2)根据所述存储器控制方式标志位数据判断调节器所处的控制模式，处于输入直通模式时，控制切换单元选通外部控制信号输出到外部控制设备，处于调节器控制模式时，控制切换单元选通初始调节器控制值InVal到外部控制设备；

(3)实时读取所述存储器内的控制方式标志位的数据，在所述标志位数据发生变化时，根据所述外部控制信号Exval和存储器内的过渡次数对初始调节器控制值InVal进行若干次修正，同时将修正后的调节器控制值输出到被控设备，每次修正后的调节器控制值持续输出规定时间。

该方法中，在步骤(3)中，在所述标志位数据发生变化时，判断得出是要将输入直通模式切换到调节器控制模式时，数字信号处理单元控制切换单元选通输出调节器输出值，对所述调节器输出值根据下式修正，得到修改后的调节器控制值IsOutVal

IsOutVal＝ExVal*(M0-M)/M0+InVal*M/M0

其中，ExVal为外部控制信号，InVal为初始调节器控制值，M0为存储器存储的平滑过渡次数，M为实际的平滑过渡次数，每次修正后得到的调节器控制值IsOutVal持续输出规定时间t，若干次修正完成后将初始调节器控制值InVal输出，结束。

该方法中，在步骤(3)中，在所述标志位数据发生变化时，判断得出是要将调节器控制模式切换到输入直通控制模式时，数字信号处理单元控制切换单元选通调节器输出值，对所述调节器输出值根据下式修正，得到修改后的调节器控制值IsOutVal’

IsOutVal’＝InVal*(M0-M)/M0+ExVal*M/M0

其中，ExVal为外部控制信号，InVal为初始调节器控制值，M0为存储器存储的平滑过渡次数，M为实际的平滑过渡次数，每次修正后得到的调节器控制值IsOutVal’持续输出规定时间t，若干次修正完成后所述数字信号处理单元控制切换单元选通外部控制信号输出到被控设备。

该方法中，所述存储器内存储有偏置使能标志位数据，在步骤(1)后还包括：根据所述偏置使能标志位数据判断是否进行偏置控制的步骤，若需要进行偏置，将所述初始调节器控制值InVal与所述外部控制信号Exval相加

InVal＝InVal+Exval

得到偏置控制后的初始调节器控制值InVal。

该方法中，所述平滑过渡次数M0为10，持续输出给定的时间t为0.5s。

本发明中的调节器具有以下功能：作为前端控制机构使用，即在设备能接收调节器的输出信号，并根据信号产生指定动作，从而对被控对象产生预期的影响；可以作为接在调节器前端的控制设备的后备设备，即用作冗余控制设备；在与调节器连接的前端设备给出偏置信号的基础上，与调节器的控制信号叠加，进行偏置控制；避免了现有技术中信号切换时对后备控制设备的冲击。

附图说明

图1为本发明调节器的电路框图；

图2为本发明实施例调节器的电路图；

图3为本发明实施例中调节器控制输出平滑切换过渡的方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的调节器和利用调节器控制输出平滑切换过渡方法，结合附图和实施例说明如下。

如图1所示为本发明调节器的电路框图，本发明的调节器内部电路主要包括：

A/D采样单元，分别与外部控制设备和被控设备连接，用于采集外部控制设备输出的外部控制信号和被控设备输出的测量输入信号，并将采集的模拟信号转换为数字信号，得到转换后的外部控制数字信号和测量输入数字信号并发送到数字信号处理单元；

存储单元，用于存储期望控制值和控制方式标志位数据；

输入单元，与存储单元连接，用于输入用户期望的控制值和控制方式标志位数据，且可以对其进行修改；

数字信号处理单元，分别与存储单元、A/D采样单元和切换单元连接，用于读取存储单元内期望控制值并和A/D采样单元得到的测量输入数字信号进行比较，根据其差值得到调节器控制信号，将其发送到切换控制单元，并根据存储器内的控制方式标志位数据输出切换控制信号到切换单元控制切换单元的动作；

切换单元，用于根据数字信号处理单元输出的切换控制信号选通调节器控制信号和外部控制信号两路中一路，将其作为输出信号输出到被控设备控制被控设备动作。

如图2所示为本发明实施例调节器的电路图，本实施例中，A/D采样单元采样现有技术中的A/D采样电路，切换单元由双刀双掷继电器K1、继电器线圈保护放电二极管D1、限流电阻R、驱动三极管T1组成。驱动三极管T1基极与数字信号处理单元的输出端口连接，发射极与地线连接，集电极与双刀双掷开关K1连接，当驱动三极管T1的基极为低电平时，双刀双掷继电器K1的公共端1、4分别与常闭输入端2、5连通，最终输出信号为外部控制信号，驱动三极管T1基极为高电平，双刀双掷继电器K1的公共端1、4分别与常开输入端3、6连通，最终输出信号为调节器内部控制信号，从而实现了控制的冗余。

因此本实施例中调节器前端其它控制机构或仪表的外部控制信号连接到本发明的调节器后分两路处理：其中一路作为备选输出连接到双刀双掷继电器K1的常闭输入端2、5端，使外部控制信号优先，并确保即使本发明的调节器不工作也会产生有效的最终输出，从而实现可靠后备冗余；另一路进入A/D采样电路作为调节器的输入信号处理，实时检测外部控制信号。

本实施例中双刀双掷继电器K1不动作时常闭输入端2、5分别与公共端1、4连接，而公共端1、4与调节器最终输出信号端子连接，即1、4端信号即为调节器最终输出信号，从而实现外部控制信号直接与最终输出信号为同一信号，即“输入直通”功能；双刀双掷继电器K1动作时，常开输入端3、6分别与公共端1、4连接，即将调节器的数字信号处理单元输出的调节器控制信号作为最终输出信号，因此本实施例中的调节器具有输入直通模式和调节器控制模式。

本实施例中通过数字信号处理单元根据用户的设置判断应处于输入直通模式还是调节器控制模式，如用户可以通过输入单元在存储单元事先存储控制方式标志位数据，将其设置为不同的值，对应于不同的值来判断是处于输入直通模式还是调节器控制模式，该调节器工作时可以通过输入单元来改变存储器内的控制方式标志位数据，进而进行控制模式切换，实现不同模式下的控制，现有技术中的调节器具有通过输入按钮设置存储器内不同参数的功能，这里不再详述。

在存储器内设置好控制方式标志位数据后，上电后数字信号处理单元通过读取存储器内控制方式标志位数据，若控制标志位数据代表应处于调节器控制模式，则数字信号处理单元输出高电平的“切换控制信号”到驱动三级管T1的基极，当基极为高电平时，驱动三级管T1导通，有电流通过双刀双制继电器K1的线圈，根据继电器的原理，双刀双掷继电器K1动作，使常开输入端3、6分别与公共端1、4接通。若控制标志位数据代表输入直通模式，则数字信号处理单元输出的“切换控制信号”为低电平，驱动三级管T1不导通，没有电流通过双刀双掷继电器K1的线圈，因此双刀双掷继电器K1不动作。常闭输入端2、5分别与公共端1、4连接。

本实施例中双刀双掷继电器K1默认不动作状态，即默认为输入直通控制模式，在上电后使外部控制信号优先。本实施例中只要断电(无论当发生调节器损坏、死机等故障还是正常断电)在双刀双掷继电器K1不损坏的状态下，双刀双掷继电器K1均处于不动作状态。

本实施例中外部控制信号输入后分两路中的另一路外部控制信号则同时输入A/D采样电路。A/D采样电路是将“外部控制信号”这一模拟信号转换为数字信号处理单元可以识别的数字信号，通过该A/D采样电路可以实时检测外部控制信号的值，同时通过本实施例中的A/D采用电路还与被控设备连接，不断采集被控设备输入的测量输入信号并进行模数转换，数字信号处理单元根据存储器内存储的期望值，判断是否已达到期望值，通过比较外部控制信号和期望控制值的差值，经过运算后输出调节器控制信号。现有的数字调节器有很多控制算法，本实施例采用其中现有技术中的一种算法，在处于调节器控制模式时，通过继电器的常开输入端3、4输出到被控对象，进而控制被控设备使其产生期望的动作。

本实施例中被控设备受切换单元输出的信号的控制，实际中，被控设备经常与被控对象连接控制被控对象的动作，因而本实施例中所说的A/D采样单元采集的被控对象输出的要控制的实际信号的测量输入信号，这里图中不再画出，将被控设备与被控对象的统一称为被控设备。

利用本发明上述的调节器通过数字信号处理单元内软件的设置，可以实现由外部控制信号控制被控设备到由调节器输出信号控制被控设备，或由调节器输出信号控制被控设备到由外部控制信号控制被控设备的信号切换的平滑过渡，即从输入直通模式切换到调节器控制模式，或由调节器控制模式切换到输入直通模式时，实现最终输出信号的平缓切换过渡，避免对后端被控设备造成冲击。本发明通过软件设置还可以实现对输出信号的偏置控制。

本实施例中用户通过输入单元即调节器的输入装置改变控制方式标志位数据和偏置使能标志位数据，当数字信号处理单元检测到控制方式标志位数据和偏置使能标志位数据有变化时，根据转换后的控制方式及调节器外部控制信号、调节器初始输出信号进行平滑切换过渡控制。

本发明提供了调节器控制输出平滑切换过渡的方法，该方法中在调节器的存储器内事先存储有以下参数：

用户期望控制值；控制方式标志位数据；用户输入的控制方式数据；偏置使能标志位数据、平滑过渡次数M0、实际平滑过渡次数M，及单个平滑切换过渡过程的持续时间t。

在存储器内保留用户输入的控制方式数据存储单元，用于根据用户通过输入装置输入的控制方式数据是否与当前的控制方式一致，因此实际中在用户输入控制方式数据要求改变控制模式时，调节器并不是立即就切换到希望的控制模式，总是要慢一个节拍，因此本实施例增加了该存储单元，若一致，则不需要模式切换，若不一致，则需要进行模式切换控制。本实施例中平滑过渡次数M0为10次，实际平滑过渡次数初始化M为0，单个平滑切换过渡过程的持续时间t为0.5s。另外，用户也可以通过输入装置在存储器内设置单个平滑切换过渡过程的持续时间t，该时间t与调节器仪表有关，一般取0.1s～1s，通过输入修改整个过程的平滑过程切换时间T，一般T取1～10s，这样可以得到不同的过渡切换次数M0，其取值范围为1～100。

下面结合附图3说明本发明调节器控制输出平滑切换过渡的方法，该方法主要包括以下步骤：

(1)通过A/D采样电路采集外部控制信号和被控设备的测量输入信号，对其进行模数转换后发送到数字信号处理单元，数字信号处理单元得到转换后的外部控制数字信号ExVal和测量输入数字信号，通过比较存储内的期望控制值和测量输入数字信号的差值，得到初始调节器控制值InVal；

(2)数字信号处理单元读取存储器内外部偏置使能标志位数据，判断是否需要进行偏置控制，若需要偏置控制，将外部控制数字信号ExVal与初始调节器控制值InVal相加的偏置运算，即

InVal＝InVal+ExVal

得到偏置运算后的初始调节器控制值InVal，执行步骤(3)，若不需要进行偏置控制，直接执行步骤(3)；

(3)读取存储器内的控制方式标志位数据，根据该数据判断调节器处于什么控制模式，若为输入直通模式，执行步骤(4)，若不是，则说明是调节器控制模式，执行步骤(6)；

(4)读取存储器内用户输入的控制方式标志位数据，判断是否与存储器内存储的控制方式标志位数据相符，若相符，说明用户希望当前是输入直通模式，即不需要切换控制，将平滑切换过渡次数清零，数字处理器控制切换电路选通外部信号，由外部信号直接控制被控设备，不需要切换操作，结束，若不相符，说明用户已改变了控制方式，希望切换到调制器控制模式，因此将存储器内的控制方式标志位数据修改，并通过数字信号器控制切换电路选通调节器控制信号，切换到调制器控制模式，执行步骤(5)；

(5)将存储器内实际平滑切换过渡次数M的值自动加1，并判断是否大于给定的平滑过渡次数M0，若小于，说明平滑切换过渡还未完成，数字信号处理单元输出修正调节器控制值IsOutVal，其中，

IsOutVal＝ExVal*(M0-M)/M0+InVal*M/M0

其中，ExVal为外部控制信号，InVal为初始调节器控制值，M0为存储器存储的平滑过渡次数，M为实际的平滑过渡次数，在持续输出该控制值IsOutVal达到给定时间t时，该次平滑过渡过程完成，执行下一次平滑切换过渡过程，即循环执行步骤(5)，直到实际平滑过渡次数M的值大于给定的平滑过渡次数M0，执行步骤(7)；

(6)读取存储器内的用户控制方式指令，判断是否与当前的存储器的控制标志位数据相符，若相符，说明用户希望当前是调节器控制模式，执行步骤(7)，若不相符，说明用户已改变了控制方式，希望切换到输入直通模式，执行步骤(8)；

(7)将实际平滑切换过渡次数清零，即不需要切换操作，直接将步骤(1)中数字信号处理单元得到的初始调节器控制值输出，即此时输出调节器控制值IsOutVal”＝InVal结束；

(8)将存储器内实际平滑过渡次数M自动加1，判断是否大于给定的平滑过渡次数M0，若小于，说明平滑切换过渡过程还未完成，数字信号处理单元输出修正调节器控制值IsOutVal’，其中，

IsOutVal’＝InVal*(M0-M)/M0+ExVal*M/M0

其中，ExVal为外部控制信号，InVal为初始调节器控制值，M0为存储器存储的平滑过渡次数，M为实际的平滑过渡次数，在持续输出调节器控制值IsOutVal’达到给定时间t时，该次平滑过渡过程完成，执行下一次平滑切换过渡过程，即循环执行步骤(8)，直到实际平滑过渡次数M的值大于给定的平滑过渡次数M0，执行步骤(9)；

(9)数字信号处理单元输出切换控制信号，控制切换单元将外部控制信号输出到被控设备，并将存储器内的控制方式标志位数据修改，即完成由调制控制输出模式到输入直通模式的平滑切换过渡过程，结束。

本实施例中“平滑过渡次数M0”这一参数的数值由用户设置。M0的值越大，外部控制信号、调节器控制输出信号切换越平缓过渡时间越长。

本发明调节器的功能有效的降低了系统设计难度，减少了硬件成本，无扰动切换避免了对后端执行机构的冲击，并很好地实现控制点的偏移。

本发明中调节器采集、调节运算等工作采样现有正常进行，并实施监测增加的“控制方式”、“偏置使能”等控制信号，当控制方式或偏置使能发生变化时，根据转换后的方式及存储器存储的平滑过渡次数参数和实际平滑过渡参数进行切换输出，得到仪表控制输出连接到双刀双掷继电器K1的常开输入端3、6，由切换控制电路(由T1、D1、R组成)完成平滑过渡切换。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种调节器，其特征在于，该调节器包括：

A/D采样单元，分别与前端控制设备和被控设备连接，用于获取前端控制设备输出的外部控制信号和被控设备输出的测量输入信号并进行模数转换，转换后将其发送到数字信号处理单元；

存储单元，用于存储控制方式标志位数据和期望控制值；

数字信号处理单元，分别与存储单元和A/D采样单元连接，用于根据所述测量输入信号和期望控制值的差值得到调节器控制信号，将所述调节器控制信号发送切换单元，并根据存储器内的控制方式标志位数据输出切换控制信号到切换单元；

切换单元，与外部控制设备连接，接收其输出的外部控制信号，用于根据所述切换控制信号选通所述调节器控制信号和外部控制信号中的一路，将选通的一路信号输出到被控设备进行控制。

2.如权利要求1所述的调节器，其特征在于，该设备还包括输入单元，所述输入单元与存储单元连接，用于修改所述存储单元内的存储控制方式标志位数据。

3.如权利要求1所述的调节器，其特征在于，所述切换单元包括驱动三极管和双刀双掷继电器，所述驱动三极管的基极与数字信号处理单元的输出端连接，发射极与地线连接，集电极与所述双刀双掷继电器连接，所述双刀双掷继电器的常闭输入端与外部控制设备连接，所述双刀双掷开关的常开输入端与所述数字信号处理单元连接，所述双刀双掷开关的公共端与被控设备连接。

4.如权利要求3所述的调节器，其特征在于，所述双刀双掷开关的两端并联连接有放电二极管。

5.如权利要求4所述的调节器，其特征在于，所述双刀双掷开关与限流电阻串联连接。

6.一种调节器控制输出平滑切换过渡的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)数字信号处理单元通过A/D采样电路获取外部控制信号Exval和被控设备的测量输入信号，通过比较存储内的期望控制值和测量输入信号的差值，得到初始调节器控制值InVal；

(2)根据所述存储器控制方式标志位数据判断调节器所处的控制模式，处于输入直通模式时，控制切换单元选通外部控制信号输出到外部控制设备，处于调节器控制模式时，控制切换单元选通初始调节器控制值InVal到外部控制设备；

(3)实时读取所述存储器内的控制方式标志位的数据，在所述标志位数据发生变化时，根据所述外部控制信号Exval和存储器内的过渡次数对初始调节器控制值InVal进行若干次修正，同时将修正后的调节器控制值输出到被控设备，每次修正后的调节器控制值持续输出规定时间。

7.如权利要求6所述的调节器控制输出平滑切换过渡的方法，其特征在于，在步骤(3)中，在所述标志位数据发生变化时，判断得出是要将输入直通模式切换到调节器控制模式时，数字信号处理单元控制切换单元选通输出调节器输出值，对所述调节器输出值根据下式修正，得到修改后的调节器控制值IsOutVal

IsOutVal＝ExVal*(M0-M)/M0+InVal*M/M0

其中，ExVal为外部控制信号，InVal为初始调节器控制值，M0为存储器存储的平滑过渡次数，M为实际的平滑过渡次数，每次修正后得到的调节器控制值IsOutVal持续输出规定时间t，若干次修正完成后将初始调节器控制值InVal输出，结束。

8.如权利要求6所述的调节器控制输出平滑切换过渡的方法，其特征在于，在步骤(3)中，在所述标志位数据发生变化时，判断得出是要将调节器控制模式切换到输入直通控制模式时，数字信号处理单元控制切换单元选通调节器输出值，对所述调节器输出值根据下式修正，得到修改后的调节器控制值IsOutVal’

IsOutVal’＝InVal*(M0-M)/M0+ExVal*M/M0

其中，ExVal为外部控制信号，InVal为初始调节器控制值，M0为存储器存储的平滑过渡次数，M为实际的平滑过渡次数，每次修正后得到的调节器控制值IsOutVal’持续输出规定时间t，若干次修正完成后所述数字信号处理单元控制切换单元选通外部控制信号输出到被控设备。

9.如权利要求6所述的调节器控制输出平滑切换过渡的方法，其特征在于，所述存储器内存储有偏置使能标志位数据，在步骤(1)后还包括：根据所述偏置使能标志位数据判断是否进行偏置控制的步骤，若需要进行偏置，将所述初始调节器控制值InVal与所述外部控制信号Exval相加

InVal＝InVal+Exval

得到偏置控制后的初始调节器控制值InVal。

10.如权利要求7-8之任一项所述的调节器控制输出平滑切换过渡的方法，其特征在于，所述平滑过渡次数M0为10，持续输出给定的时间t为0.5s。

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