CN206790449U - 一种适用于非线性调节器的失灵电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于非线性调节器的失灵电路，该结构的失灵电路利用第一运算放大器、第一、第二、第三电阻、1对2路模拟开关，构成具有两种不同比例增益系数的反相比例运算放大电路，利用窗口电压比较器对不灵敏区进行响应，并且将该响应信号通过1对2路模拟开关来选择输出何种比例增益系数，由于该比例增益系数的获得是利用运算放大器、电阻这些线性元件，因此不存在不灵敏区不稳定和不准确的情况，解决了现有失灵电路精度低、抗干扰能力差、响应差等问题。

Description

一种适用于非线性调节器的失灵电路

技术领域

本实用新型涉及过程控制系统技术领域，特别涉及一种适用于非线性调节器的失灵电路。

背景技术

在过程控制系统中，广泛采用反馈式比例、积分、微分调节器(即PID调节器)对被控变量进行偏差调节，使其实际值与生产工艺要求的设定值相一致，但随着自动化技术的发展和生产工艺过程的复杂化，对于存在滞后时间的过程或非线性过程等，PID调节器的控制性能已不能满足要求，为此，出现了具有不灵敏区的非线性调节器，该调节器是在PID调节器的基础上增加了一个失灵电路而构成的，因此失灵电路是具有不灵敏区的非线性调节器的关键电路，对实现过程最佳控制，从而达到提高控制品质目的起到至关重要的作用。

失灵电路是一个带不灵敏区的非线性放大单元，在非线性调节器控制点附近的一个区域内，失灵电路的比例增益大幅度降低，而在这个区域之外，失灵电路的比例增益恢复原值。这种适用于非线性调节器的失灵电路，目前主要采用由运算放大器、电阻及二极管构成的复杂网络实现，其原理是通过选择二极管的导通或截止来改变运算放大器增益系数，由于二极管并非理想的开关元件，其导通需要门坎电压，截止又存在漏电流，所以难以获得准确而又稳定的不灵敏区(比例增益大幅度下降的区域),同时调节系统在起停或设定值突然改变时,由于该失灵电路中存在许多二极管非线性元件,在PID控制的积分项作用下,系统的输出将产生很大的超调并振荡很多次才能稳定下来,因此,在干扰因素较多的系统应用中,不能满足对过渡过程要求较高的快速跟踪系统的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种非线性调节器的失灵电路，避免了现有方案中二极管管的使用，解决了现有方案带来的精度低、抗干扰能力差、响应差等问题。

本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种适用于非线性调节器的失灵电路，包括：窗口电压比较器、第一运算放大器、第一电阻、第一反馈支路、第二反馈支路、用于选通所述第一反馈支路或所述第二反馈支路的1对2路模拟开关，失灵电路的电压输入信号Vi通过所述第一电阻接到所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的正相输入端对地连接，所述第一运算放大器的输出端通过所述第一反馈支路或所述第二反馈支路与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述电压输入信号Vi接到所述窗口电压比较器的输入端，所述窗口电压比较器的输出端与所述1对2路模拟开关的控制端连接，所述第一反馈支路包括第二电阻，所述第二反馈支路包括第三电阻，所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻的阻值，所述第一电阻的阻值远大于所述第三电阻的阻值，所述窗口电压比较器的电压高阈值和电压低阈值分别为不灵敏区的电压上限值和电压下限值。

进一步，所述窗口电压比较器包括：电压比较器、用于输出所述电压高阈值的分压电路、用于将所述电压输入信号Vi转换输出为其绝对值的绝对值电路，所述绝对值电路的输出端与所述电压比较器的反相输入端连接，所述分压电路的输出端与所述电压比较器的同相输入端连接，所述电压比较器的输出端与所述1对2路模拟开关的控制端连接。利用绝对值电路对电压输入信号Vi进行取绝对值，使得只需要电压比较器便能同时对正或负极性的电压输入信号Vi进行比较，优化了电路，节约了电路成本。

进一步，所述绝对值电路包括：第二运算放大器、过零比较器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、开关K及开关K的驱动控制电路，所述第二运算放大器的输出端与所述电压比较器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的输出端通过第六电阻与其反相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端和同相输入端分别通过第四电阻和第五电阻与所述过零比较器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述开关K对地连接，所述开关K的驱动控制电路受所述过零比较器输出的控制去控制开关K的导通或断开，所述过零比较器的反相输入端输入所述电压输入信号Vi，所述过零比较器的同相输入端对地连接，所述第四、第五、第六电阻的阻值均相等。

本实用新型的有益效果是：该结构的失灵电路利用第一运算放大器、第一、第二、第三电阻、1对2路模拟开关，构成具有两种不同比例增益系数的反相比例运算放大电路，利用窗口电压比较器对不灵敏区进行响应，并且将该响应信号通过1对2路模拟开关来选择何种比例增益系数，由于该比例增益系数的获得是利用运算放大器、电阻这些线性元件，因此不存在不灵敏区不稳定和不准确的情况，解决了现有失灵电路精度低、抗干扰能力差、响应差等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是失灵电路的电路连接示意图；

图2是失灵电路的调节特性曲线的坐标示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参考图1和图2，一种适用于非线性调节器的失灵电路，Vi是失灵电路的电压输入信号，Vo是失灵电路的电压输出信号，V2是第二运算放大器A2的输出端的电压信号。电压输入信号Vi通过反相器与第一运算放大器A1的反相输入端连接，第一运算放大器A1、1对2路模拟开关a2、第一、第二、第三电阻R1、R2、R3构成增益可选的反相比例运算放大电路，其中第一电阻R1与第一运算放大器A1的反相输入端连接，第二、第三电阻R2、R3作为反相比例运算放大电路的两个反馈支路，所述两个反馈支路受到1对2路模拟开关a2的选通控制，1对2路模拟开关a2的选通受控制端A控制，当1对2路模拟开关a2的选通控制端A接一低电平时，Y－B0导通，当1对2路模拟开关a2的选通控制端A接一高电平时，Y－B1导通，其中第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，第一电阻R1的阻值远大于第三电阻R3的阻值。

所述窗口电压比较器a1包括：电压比较器A4、用于输出电压高阈值的分压电路、用于将所述电压输入信号Vi转换输出为其绝对值的绝对值电路a11，所述分压电路为电位器Rw对+E到地的分压，所述绝对值电路a11的输出端与所述电压比较器A4的反相输入端连接，所述电位器Rw的输出端与所述电压比较器A4的同相端连接，所述电压比较器A4的输出端与所述1对2路模拟开关a2的控制端A连接。所述窗口电压比较器a1的电压高阈值和电压低阈值分别为不灵敏区的电压上限值和电压下限值，本实施例的电压高阈值标识为+Ems，电压低阈值标识为-Ems。

所述绝对值电路a11包括第二运算放大器A2、过零比较器A3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、开关K及开关K的驱动控制电路a111，所述第二运算放大器A2的输出端与所述电压比较器A4的反相输入端连接，所述第二运算放大器A2的输出端通过第六电阻R6与所述第二运算放大器A2的反相输入端连接，所述第二运算放大器A2的反相输入端和同相输入端分别通过第四电阻R4和第五电阻R5与所述过零比较器A3的反相输入端连接，所述第二运算放大器A2的同相输入端通过所述开关K对地连接，所述开关K的驱动控制电路a111受所述过零比较器A3输出的控制去控制开关K实现所述第二运算放大器A2的同相输入端对地连接的导通或断开，所述过零比较器A3的反相输入端输入所述电压输入信号Vi，所述过零比较器A3的同相输入端对地连接，所述第四、第五、第六电阻R4、R5、R6的阻值均相等。本发明创造所说的地包括但不限于数字地和模拟地，所述开关K的驱动控制电路a111为现有的元件，其功能是根据过零比较器A3输出的高电平或低电平去控制开关K实现闭合或断开，这里过零比较器A3输出是低电平时，开关K闭合，过零比较器A3输出是高电平时，开关K断开。

该失灵电路利用第一运算放大器A1、第一、第二、第三电阻R1、R2、R3、1对2路模拟开关a2，构成具有两种不同比例增益系数的反相比例运算放大电路，利用窗口电压比较器a1对不灵敏区进行响应，并且将该响应信号通过1对2路模拟开关a2来选择输出何种比例增益系数，由于该比例增益系数的获得是利用运算放大器、电阻这些线性元件，因此不存在不灵敏区不稳定和不准确的情况，解决了现有失灵电路精度低、抗干扰能力差、响应差等问题。

该失灵电路的工作原理：过零比较器A3构成用于检测电压输入信号Vi极性的过零比较器。当电压输入信号Vi≥0时，过零比较器A3输出低电平，经开关K的驱动控制电路a111使得开关K断开，第二运算放大器A2、第四、第五、第六电阻R4、R5、R6构成差动运算放大器，由于第四、第五、第六电阻R4、R5、R6的阻值均相等，故差动运算放大电路的增益是+1，即第二运算放大器A2的输出端的电压信号V2＝Vi，V2被送到电压比较器A4的反相输入端，与加到电压比较器A4同相输入端的电压高阈值+Ems(是电位器Rw对+E到地的分压值，此电压可调)进行电压比较。

当0≤V2＝Vi<+Ems，电压比较器A4输出高电平到1对2路模拟开关a2的选通控制端A，Y－B1导通，电压输入信号Vi经反相器得-Vi，再经第一运算放大器A1、第一、第三电阻R1、R3构成的反相比例运算放大电路得到：Vo与Vi同相，Vo/Vi＝R3/R1，由于第一电阻R1远大于第三电阻R3，故Vo/Vi<<1。

当V2＝Vi≥+Ems，电压比较器A4输出低电平到1对2路模拟开关a2的选通控制端A，Y－B0导通，电压输入信号Vi经反相器得-Vi，再经第一运算放大器A1、第一、第二电阻R1、R2构成的反相比例运算放大电路得到：Vo与Vi同相，Vo/Vi＝R2/R1，因为第一电阻R1的阻值与第二电阻R2的阻值相等，所以Vo/Vi＝1。

当Vi<0时，过零比较器A3输出高电平，经开关K的驱动控制电路a111使得开关K闭合，第二运算放大器A2、第四、第六电阻R4、R6构成反相比例运算放大器，由于R4＝R6，其增益是-1，即V2＝-Vi，此电压被送到电压比较器A4的反相端，与加到电压比较器A4同相端的电压+Ems进行比较：

当0≤V2＝-Vi<+Ems，电压比较器A4输出高电平到1对2路模拟开关a2的选通控制端A，Y－B1导通，Vi经反相器得-Vi，再经第一运算放大器A1、第一、第三电阻R1、R3构成的反相比例运算放大电路得到：Vo与Vi同相，Vo/Vi＝R3/R1，由于第一电阻R1远大于第三电阻R3，故Vo/Vi<<1。

当V2＝-Vi>+Ems，电压比较器A4输出低电平到1对2路模拟开关a2的选通控制端A，Y－B0导通，Vi经反相器得-Vi，再经第一运算放大器A1、第一、第二电阻R1、R2构成的反相比例运算放大电路得到：Vo/Vi＝R2/R1，由于第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，故Vo/Vi＝1。

综上所述，在不灵敏区-Ems～+Ems的区间内，Vo/Vi<<1，即失灵电路比例增益大大的小于1，在-Ems～+Ems的区间外，Vo/Vi＝1，即失灵电路比例增益又恢复原值1，失灵电路的调节特性曲线见图2。

以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种适用于非线性调节器的失灵电路，其特征在于，包括：窗口电压比较器、第一运算放大器、第一电阻、第一反馈支路、第二反馈支路、用于选通所述第一反馈支路或所述第二反馈支路的1对2路模拟开关，失灵电路的电压输入信号Vi通过所述第一电阻接到所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的正相输入端对地连接，所述第一运算放大器的输出端通过所述第一反馈支路或所述第二反馈支路与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述电压输入信号Vi接到所述窗口电压比较器的输入端，所述窗口电压比较器的输出端与所述1对2路模拟开关的控制端连接，所述第一反馈支路包括第二电阻，所述第二反馈支路包括第三电阻，所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻的阻值，所述第一电阻的阻值远大于所述第三电阻的阻值，所述窗口电压比较器的电压高阈值和电压低阈值分别为不灵敏区的电压上限值和电压下限值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于非线性调节器的失灵电路，其特征在于，所述窗口电压比较器包括：电压比较器、用于输出所述电压高阈值的分压电路、用于将所述电压输入信号Vi转换输出为其绝对值的绝对值电路，所述绝对值电路的输出端与所述电压比较器的反相输入端连接，所述分压电路的输出端与所述电压比较器的同相输入端连接，所述电压比较器的输出端与所述1对2路模拟开关的控制端连接。

3.根据权利要求2所述的一种适用于非线性调节器的失灵电路，其特征在于，所述绝对值电路包括：第二运算放大器、过零比较器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、开关K及开关K的驱动控制电路，所述第二运算放大器的输出端与所述电压比较器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的输出端通过第六电阻与其反相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端和同相输入端分别通过第四电阻和第五电阻与所述过零比较器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述开关K对地连接，所述开关K的驱动控制电路受所述过零比较器输出的控制去控制开关K的导通或断开，所述过零比较器的反相输入端输入所述电压输入信号Vi，所述过零比较器的同相输入端对地连接，所述第四、第五、第六电阻的阻值均相等。