CN103529864A - 一种被控对象自动恒流调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被控对象自动恒流调节装置，该装置包括：被控对象、固定装置、输出连杆机构、传动装置、反馈传输装置、上位机控制与监测装置，其中：输出连杆机构与被控对象相连，传动装置与输出连杆机构连接；反馈传输装置与传动装置及上位机控制与监测装置连接；固定装置与传动装置及被控对象连接；上位机控制与监测装置与传动装置和反馈传输装置连接。本发明还公开了一种被控对象自动恒流调节的方法。本发明具有手动和自动切换功能，可以完全取代人工手动调节，实现对于被控对象的自动调节及恒流功能，还可用于其它不具有自动调节功能的设备，具有较强的推广实用价值。

Description

一种被控对象自动恒流调节装置及方法

技术领域

本发明涉及速调管烘烤排气领域，特别涉及一种被控对象自动恒流调节装置及方法。

背景技术

速调管是一种基于速度调制原理将电子注能量转化成为波能量的微波真空电子器件，其制管过程中，最后一个环节就是烘烤排气，通过对速调管加热和真空排气，清除速调管工艺过程中的有机物，去除吸附在金属和陶瓷材料表面的气体，对阴极进行分解和激活，来获得阴极发射、高压绝缘和电子注传输所要求的高真空环境。

在烘烤排气过程中，阴极是最主要的出气源。对于氧化物阴极，有两个出气峰，第一个出气峰发生在烘烤温度为200℃～300℃时，主要是由于阴极制备过程中采用的黏结剂（硝棉等）的分解引起的；第二个出气峰发生在碳酸盐的分解温度（850℃～950℃），主要是由于碳酸盐的分解释放出大量的气体（如CO₂等）引起的。

速调管烘烤排气时，由于其阴极离排气口较远，为了不至于使阴极产生的气体“沉积于”阴极表面，现有工艺的做法为：在烘排炉升温过程中，给阴极的加热丝预加一定电流，使阴极表面温度高于周围温度。当烘排炉保温后，为了使阴极进行分解和激活，需要间隔一定时间段，给阴极的加热丝叠加一定电流，该加电流过程重复数次最终完成加电流工艺。

由于速调管阴极热丝组件的特殊性，如果在给阴极热丝加电流时，采用直流热丝电源，则热丝相对于阴极基底应为负，如果热丝引线相对于阴极基底为正，则钨离子就会与氧化铝反应，形成钨酸铝，会使氧化铝的绝缘变坏，造成部分短路。热丝的局部短路将很快导致热丝的损坏。如果热丝引线相对于阴极基底为负，上述问题将不会发生。但是同样的反应将发生在钼支撑筒的表面，形成钼酸铝，该反应的危害程度要小，因为该处的温度比热丝温度低100-300℃。

在实际生产过程中，为了避免工人接线误操作以及上述问题的发生，热丝的加热电源多为交流电源。现有交流电源均为手动调节电源，由于阴极加热丝的电阻值随温度变化而变化，且实际使用的动力电电压因使用负载变化而时时变化，这就导致阴极激活电源输出的电流波动较大。为了使阴极按规定工艺规范分解和激活，这就使得给阴极热丝加电流的工艺变得繁琐而繁重，这也与现代先进的工控机控制技术相脱节。

为了使阴极激活的效果更加优良，速调管在排气过程中，如果引入自动调节的交流电源，则可利用自动控制技术来减小客观原因造成的电源输出电流波动较大的情况。因此亟需开发出与交流手动调节电源配套的自动调节装置，而本发明的调节装置就可以完全取代人工手动调节，实现自动调节及恒流功能，除了上述情况之外，本发明还适用于其他任何只能用手动旋转调节的设备，如调压器等。

发明内容

针对现有速调管以及其他只能用手动旋转调节的设备在烘烤排气时阴极加电流工艺繁琐而繁重的问题，本发明提供一种被控对象自动恒流调节装置及方法。

根据本发明的一方面，提出一种被控对象自动恒流调节装置，该装置包括：被控对象1、固定装置2、输出连杆机构3、传动装置4、反馈传输装置5、上位机控制与监测装置6，其中：

所述输出连杆机构3与被控对象1相连，以对所述被控对象1的动作输入进行调节；

所述传动装置4与所述输出连杆机构3连接，用于为所述自动恒流调节装置提供所需要输出的旋转角度；

所述反馈传输装置5与传动装置4及上位机控制与监测装置6连接，用于对于所述自动恒流调节装置进行反馈调节控制；

所述固定装置2与传动装置4及被控对象1连接，用于对所述输出连杆机构3、传动装置4和反馈传输装置5进行固定；

所述上位机控制与监测装置6与所述传动装置4和所述反馈传输装置5连接，用于接收所述传动装置4发送的被控对象1的转动参数、确定并存储所述自动恒流调节装置的动作策略，以对被控对象1自动调节。

根据本发明的另一方面，提出一种利用所述调节装置对被控对象进行自动恒流调节的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将传动装置4中的输出轴4-1通过输出连杆机构3与被控对象的调节转轴相连，用固定装置2将传动装置4与被控对象固定；

步骤2，接通所述调节装置的电源，按下量程调节按钮5-11，所述调节装置自动调节被控对象调节转轴的旋转量程，并将被控对象调节转轴可转动的起止位置存储在单片机系统5-5或上位机6-2内；

步骤3，根据上位机6-2中存储的相应管型速调管加电流策略设置第一条件、第一输出电流值、第二条件、第一时间间隔，第二输出电流值、步进电流值、第三条件、第二时间间隔、第三输出电流值、第四条件；

步骤4，所述调节装置按照所述上位机6-2中存储的加电流策略进行相应的加电流动作；

步骤5，所述上位机6-2按照设定的时间间隔采集速调管内外的压力P及炉内温度T，并根据采集得到的数据和所述步骤3设置的控制数值进行自动恒流调节。

本发明提供的被控对象自动恒流调节装置及方法具有的有益效果为：

1、本发明主要由步进电机等减速装置实现调节装置的动力输出；

2、本发明的动作策略可由上位机软件实现或者固化在单片机程序内实现；

3、本发明具有手动和自动切换功能；

4、本发明可以完全取代人工手动调节，实现被控对象的自动调节及恒流功能；

5、本发明还可用于其它不具有自动调节功能的设备，具有较强的推广实用价值。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的被控对象自动恒流调节装置的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的传动装置的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的被控对象自动恒流调节装置的控制线路示意图；

图4是本发明被控对象自动恒流调节方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明一实施例的被控对象自动恒流调节装置的结构示意图，图3是根据本发明一实施例的被控对象自动恒流调节装置的控制线路示意图，如图1和图3所示，在本实施例中，所述被控对象自动恒流调节装置包括：被控对象1、固定装置2、输出连杆机构3、传动装置4、反馈传输装置5、上位机控制与监测装置6，其中：

所述输出连杆机构3与被控对象1相连，以对所述被控对象1的动作输入进行调节，在本发明一实施例中，所述被控对象1为交流电源，则所述输出连杆机构3与交流电源的外部旋钮调节轴相连；

所述输出连杆机构3进一步包括手动调节转轴、与所述被控对象1相连的联轴器及与所述传动装置4相连的传动装置输出轴。

所述传动装置4与所述输出连杆机构3连接，在本发明一实施例中，所述传动装置4中的传动轴4-1与所述输出连杆机构3中的传动装置输出轴连接，用于为所述自动恒流调节装置提供所需要输出的旋转角度；

图2是根据本发明一实施例的传动装置的结构示意图，如图2所示，所述传动装置4进一步包括传动轴4-1，第一锥形齿轮4-I2，第二锥形齿轮4-II3，微型步进电机4-4，行星减速机构4-5，第一微型电磁离合器4-6-1，第二微型电磁离合器4-6-2，第三锥形齿轮4-III7，多圈绝对式编码器4-8，手动旋钮4-9，其中：

所述传动轴4-1与所述输出连杆机构3相连，用于将所述传动装置4的转动传递给被控对象1，比如交流电源的调节旋钮，以便使被控对象1执行相应的动作；

所述第一锥形齿轮4-I2比如用键固定在所述传动轴4-1上，并与所述第二锥形齿轮4-II3相啮合，用于将所述微型步进电机4-4的动力传递给所述传动轴4-1；

所述第二锥形齿轮4-II3与第一微型电磁离合器4-6-1的一侧比如采用键连接，第一微型电磁离合器4-6-1的另一侧与行星减速机构4-5的输出端比如采用键连接，用于实现所述微型步进电机4-4的动力切换；

所述微型步进电机4-4与所述行星减速机构4-5相连，用于给整个系统提供动力；

所述行星减速机构4-5与所述微型步进电机4-4相连，用于降低所述微型步进电机4-4的转速、增大所述传动轴4-1的输出扭矩；

所述第二微型电磁离合器4-6-2的一侧与所述传动轴4-1的一端比如采用键连接，所述第二微型电磁离合器4-6-2的另一侧与所述手动旋钮4-9的轴比如采用键连接，用于对于手动与自动控制之间的动力进行切换；

所述多圈绝对式编码器4-8与第三锥形齿轮4-III7相连，第三锥形齿轮4-III7与第二锥形齿轮4-II3相啮合，用于将被控对象1的转动参数比如交流电源调节转轴的旋转量程及转轴的角度位置反馈给所述上位机控制与监测装置6。

所述反馈传输装置5与传动装置4及上位机控制与监测装置6连接，用于对于所述被控对象自动恒流调节装置进行反馈调节控制；

所述反馈传输装置5进一步包括步进电机调节器5-3、单片机系统5-5、被控对象输出电流传感器5-7、真空度传感器5-9，其中：

所述单片机系统5-5通过脉冲控制线5-4将控制所述传动装置4中的微型步进电机4-4的控制信号发送给所述步进电机调节器5-3；所述步进电机调节器5-3通过步进电机控制线5-1与所述传动装置4中的微型步进电机4-4连接，用于将所述控制信号转换成相应的脉冲数来控制所述微型步进电机4-4进行相应的动作；

所述单片机系统5-5通过电磁阀继电器控制线5-2依次与电磁阀继电器5-13和所述传动装置4中的第一微型电磁阀4-6-1及第二微型电磁阀4-6-2分别连接，用于控制第一微型电磁阀4-6-1及第二微型电磁阀4-6-2的开合，实现手动与自动控制之间的切换；

所述单片机系统5-5分别与被控对象输出电流传感器5-7、通过规管传输线5-8与真空度传感器5-9、通过编码器连接线5-6与所述传动装置4中的多圈绝对式编码器4-8连接，用于采集被控对象1的输出电流、真空度、温度及调节转轴位置等参数，并最终通过通信线6-1上传至所述上位机控制与监测装置6中的上位机6-2内，以便所述上位机控制与监测装置6做出下一步控制策略，同时从所述上位机控制与监测装置6中接收控制命令，并将所述控制命令转发给相应的组件；

所述量程调节按钮5-11、手动自动切换按钮5-12与所述单片机系统5-5相连，用于根据所接收到的控制命令控制所述第一微型电磁离合器4-6-1及第二微型电磁离合器4-6-2的开合，实现手自动切换功能；

所述单片机系统5-5用于采集各组件的反馈信号（量程调节按钮信号、手自动切换信号、电流、真空度、温度及被控对象调节转轴位置），并将各个反馈信号转变成可与上位机通信的格式发送至所述上位机控制与监测装置6中的上位机6-2，同时接收上位机6-2发出的控制命令，做出相应的输出，如微型步进电机的动作信号及控制微型电磁离合器的继电器开合的信号；

图3中，与所述单片机系统5-5连接的还有被控对象输出端5-10，所述被控对象输出端5-10与负载连接。

在本发明一实施例中，所述步进电机调节器5-3为步进电机PWM调节器；所述通信线6-1为RS232串口通信线。

所述固定装置2与传动装置4及被控对象1连接，用于对所述输出连杆机构3、传动装置4和反馈传输装置5进行固定；

所述上位机控制与监测装置6主要包括上位机6-2，其与所述传动装置4中的多圈绝对式编码器4-8和所述反馈传输装置5中的单片机系统5-5连接，用于接收所述传动装置4发送的被控对象1的转动参数、确定并存储所述自动恒流调节装置的动作策略，以实现对于被控对象1的自动调节，在本发明一实施例中，所述上位机控制与监测装置6主要根据接收到的压力、温度的反馈值等参数来判断是否满足所设定的加电流条件，比较被控对象1输出的电流反馈值与设定电流值，根据其差值，采用相应的PID算法，输出与该差值相应的控制步进电机运动的信号，从而实现对交流电源等被控对象的自动控制。

比如某型号速调管加电流策略如下：

①当速调管内真空度＜5×10^-4Pa时，电流加至4A保持；②当炉内温度达到500℃、速调管内真空度＜3×10^-4Pa时，电流每隔20分钟加1A，加至20A保持；③当炉温降温至350℃时，电流增加至20.5A保持2小时，然后降至20A保持；④当炉温将至140℃时，电流降至0A，加电流过程结束。

图4是本发明利用所述调节装置对于被控对象进行自动恒流调节方法的流程图，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将传动装置4中的输出轴4-1通过输出连杆机构3与被控对象的调节转轴相连，用固定装置2将传动装置4与被控对象固定；

步骤2，接通所述调节装置的电源，按下量程调节按钮5-11，所述调节装置自动调节被控对象调节转轴的旋转量程，并将被控对象调节转轴可转动的起止位置存储在单片机系统5-5或上位机6-2内；

步骤3，根据上位机6-2中存储的相应管型速调管加电流策略设置第一条件、第一输出电流值、第二条件、第一时间间隔，第二输出电流值、步进电流值、第三条件、第二时间间隔、第三输出电流值、第四条件；

步骤4，所述调节装置按照所述上位机6-2中存储的加电流策略进行相应的加电流动作；

步骤5，所述上位机6-2按照设定的时间间隔采集速调管内外的压力P及炉内温度T，并根据采集得到的数据和所述步骤3设置的控制数值进行自动恒流调节。

该步骤中，根据采集得到的数据和所述步骤3设置的控制数值进行自动恒流调节具体为：如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第一条件时，则输出相应的脉冲数，使微型步进电机4-4转动，同时采集被控对象输出电流数值的反馈，执行相应的PID电流调节，使得被控对象的输出电流值稳定在第一输出电流值；如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第二条件时，则每隔第一时间间隔为电流加一步进电流值，直至加至第二输出电流值；如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第三条件时，则将电流增加至第三输出电流值，保持第二时间间隔，再将电流降至第二输出电流值并保持；如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第四条件时，电流值降至0A，加电流过程结束。

其中，所述第一条件比如可以为P＜5×10^-4Pa，所述第一输出电流值比如可以为4A，所述第二条件比如可以为T=500℃、P＜3×10^-4Pa，所述第一时间间隔比如可以为20分钟，所述步进电流值比如可以为1A，所述第二输出电流值比如可以为20A，所述第三条件比如可以为T=350℃，所述时第二间间隔比如可以为2小时，所述第三输出电流值比如可以为20.5A，所述第四条件比如可以为T≤140℃。

所述步骤1-3属于所述调节方法中的准备阶段，步骤4-5属于所述调节方法中的工作阶段。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种被控对象自动恒流调节装置，其特征在于，该装置包括：被控对象（1）、固定装置（2）、输出连杆机构（3）、传动装置（4）、反馈传输装置（5）、上位机控制与监测装置（6），其中：

所述输出连杆机构（3）与被控对象（1）相连，以对所述被控对象（1）的动作输入进行调节；

所述传动装置（4）与所述输出连杆机构（3）连接，用于为所述自动恒流调节装置提供所需要输出的旋转角度；

所述反馈传输装置（5）与传动装置（4）及上位机控制与监测装置（6）连接，用于对于所述自动恒流调节装置进行反馈调节控制；

所述固定装置（2）与传动装置（4）及被控对象（1）连接，用于对所述输出连杆机构（3）、传动装置（4）和反馈传输装置（5）进行固定；

所述上位机控制与监测装置（6）与所述传动装置（4）和所述反馈传输装置（5）连接，用于接收所述传动装置（4）发送的被控对象（1）的转动参数、确定并存储所述自动恒流调节装置的动作策略，以对被控对象（1）自动调节。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述被控对象（1）为只能用手动旋转调节的设备。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出连杆机构（3）进一步包括手动调节转轴、与所述被控对象（1）相连的联轴器及与所述传动装置（4）相连的传动装置输出轴。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传动装置（4）进一步包括传动轴（4-1），第一锥形齿轮（4-I2），第二锥形齿轮（4-II3），微型步进电机（4-4），第一微型电磁离合器（4-6-1），第二微型电磁离合器（4-6-2），第三锥形齿轮（4-III7），多圈绝对式编码器（4-8），手动旋钮（4-9），其中：

所述传动轴（4-1）与所述输出连杆机构（3）相连，用于将所述传动装置（4）的转动传递给被控对象（1），以便使被控对象（1）执行相应的动作；

所述第一锥形齿轮（4-I2）固定在所述传动轴（4-1）上，并与所述第二锥形齿轮（4-II3）相啮合，用于将所述微型步进电机（4-4）的动力传递给所述传动轴（4-1）；

所述第二锥形齿轮（4-II3）与第一微型电磁离合器（4-6-1）的一侧连接，第一微型电磁离合器（4-6-1）的另一侧与微型步进电机（4-4）连接，用于实现所述微型步进电机（4-4）的动力切换；

所述微型步进电机（4-4）与所述第一微型电磁离合器（4-6-1）相连，用于给整个系统提供动力；

所述第二微型电磁离合器（4-6-2）的一侧与所述传动轴（4-1）的一端连接，所述第二微型电磁离合器（4-6-2）的另一侧与所述手动旋钮（4-9）的轴连接，用于对于手动与自动控制之间的动力进行切换；

所述多圈绝对式编码器（4-8）与第三锥形齿轮（4-III7）相连，第三锥形齿轮（4-III7）与第二锥形齿轮（4-II3）相啮合，用于将被控对象（1）的转动参数反馈给所述上位机控制与监测装置（6）。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传动装置（4）还包括行星减速机构（4-5），其连接在所述微型步进电机（4-4）和第一微型电磁离合器（4-6-1）之间，用于降低所述微型步进电机（4-4）的转速、增大所述传动轴（4-1）的输出扭矩。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反馈传输装置（5）进一步包括步进电机调节器（5-3）、单片机系统（5-5）、被控对象输出电流传感器（5-7）、真空度传感器（5-9），其中：

所述单片机系统（5-5）通过脉冲控制线（5-4）将控制所述传动装置（4）中的微型步进电机（4-4）的控制信号发送给所述步进电机调节器（5-3）；

所述步进电机调节器（5-3）通过步进电机控制线（5-1）与所述传动装置（4）中的微型步进电机（4-4）连接，用于将所述控制信号转换成相应的脉冲数来控制所述微型步进电机（4-4）进行相应的动作；

所述单片机系统（5-5）通过电磁阀继电器控制线（5-2）依次与电磁阀继电器（5-13）和所述传动装置（4）中的第一微型电磁阀（4-6-1）及第二微型电磁阀（4-6-2）分别连接，用于控制第一微型电磁阀（4-6-1）及第二微型电磁阀（4-6-2）的开合，实现手动与自动控制之间的切换；

所述单片机系统（5-5）分别与被控对象输出电流传感器（5-7）、通过规管传输线（5-8）与真空度传感器（5-9）、通过编码器连接线（5-6）与所述传动装置（4）中的多圈绝对式编码器（4-8）连接，用于采集被控对象（1）的参数，并通过通信线（6-1）上传至所述上位机控制与监测装置（6）中的上位机（6-2）内，同时从所述上位机控制与监测装置（6）中接收控制命令，并将所述控制命令转发给相应的组件；

所述单片机系统（5-5）用于采集各组件的反馈信号，并将各个反馈信号转变成可与上位机通信的格式发送至所述上位机控制与监测装置（6）中的上位机（6-2），同时接收上位机（6-2）发出的控制命令，做出相应的输出。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述反馈传输装置（5）还包括量程调节按钮（5-11）和手动自动切换按钮（5-12），其与所述单片机系统（5-5）相连，用于根据所接收到的控制命令控制所述传动装置（4）中的第一微型电磁离合器（4-6-1）及第二微型电磁离合器（4-6-2）的开合，实现手自动切换功能。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上位机控制与监测装置（6）包括上位机（6-2），其与所述传动装置（4）中的多圈绝对式编码器（4-8）和所述反馈传输装置（5）中的单片机系统（5-5）连接。

9.一种利用权利要求1所述的调节装置对被控对象进行自动恒流调节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，将传动装置（4）中的输出轴（4-1）通过输出连杆机构（3）与被控对象的调节转轴相连，用固定装置（2）将传动装置（4）与被控对象固定；

步骤2，接通所述调节装置的电源，按下量程调节按钮（5-11），所述调节装置自动调节被控对象调节转轴的旋转量程，并将被控对象调节转轴可转动的起止位置存储在单片机系统（5-5）或上位机（6-2）内；

步骤3，根据上位机（6-2）中存储的相应管型速调管加电流策略设置第一条件、第一输出电流值、第二条件、第一时间间隔，第二输出电流值、步进电流值、第三条件、第二时间间隔、第三输出电流值、第四条件；

步骤4，所述调节装置按照所述上位机（6-2）中存储的加电流策略进行相应的加电流动作；

步骤5，所述上位机（6-2）按照设定的时间间隔采集速调管内外的压力P及炉内温度T，并根据采集得到的数据和所述步骤3设置的控制数值进行自动恒流调节。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，根据采集得到的数据和所述步骤3设置的控制数值进行自动恒流调节具体为：

如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第一条件时，则输出相应的脉冲数，使微型步进电机（4-4）转动，同时采集被控对象输出电流数值的反馈，执行相应的PID电流调节，使得被控对象的输出电流值稳定在第一输出电流值；

如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第二条件时，则每隔第一时间间隔为电流加一步进电流值，直至加至第二输出电流值；

如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第三条件时，则将电流增加至第三输出电流值，保持第二时间间隔，再将电流降至第二输出电流值并保持；

如果速调管内外的压力P及炉内温度T满足第四条件时，电流值降至0A，加电流过程结束。

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