JP2604040B2 - Automatic balance measuring instrument - Google Patents

Automatic balance measuring instrument

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JP2604040B2
JP2604040B2 JP1312140A JP31214089A JP2604040B2 JP 2604040 B2 JP2604040 B2 JP 2604040B2 JP 1312140 A JP1312140 A JP 1312140A JP 31214089 A JP31214089 A JP 31214089A JP 2604040 B2 JP2604040 B2 JP 2604040B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はゼロメソッドに基づく、いわゆる自動平衡式
の測定器に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a so-called auto-balance type measuring instrument based on a zero method.

<従来の技術> ゼロメソッド(零位法)に基づく自動平衡式測定器に
おいては、一般に、測定すべき入力を打ち消すように働
くフィードバック制御系を構成して、そのフィードバッ
ク量そのものを計測値として取り出すようにしている。
<Conventional Technology> In an automatic balancing type measuring instrument based on a zero method (zero order method), generally, a feedback control system which acts to cancel an input to be measured is configured, and the feedback amount itself is taken out as a measured value. Like that.

第9図に従来の自動平衡式測定器の基本的構成を示
す。
FIG. 9 shows a basic configuration of a conventional automatic balancing type measuring instrument.

力や圧力等の物理量の検出信号は、加え合わせ点91を
経て偏差検出器92によって偏差を電気信号に変換した
後、PID制御回路93でPID処理を施され、帰還要素94を介
して加え合わせ点91において検出信号にフィードバック
される。そして、フィードバックすべきPID出力そのも
のが計測出力として取り出される。なお、PID処理に代
えてPI処理あるいはPDとする場合もある。
A detection signal of a physical quantity such as force or pressure is converted into an electric signal by a deviation detector 92 through an addition point 91, then subjected to PID processing in a PID control circuit 93, and added through a feedback element 94. At point 91, it is fed back to the detection signal. Then, the PID output to be fed back is taken out as the measurement output. Note that PI processing or PD may be used instead of PID processing.

ここで、PID制御回路93としては、例えば第10図にそ
の回路構成図を示すような帰還増幅器を主体として微分
コンデンサC1および積分コンデンサC2を設けたものが使
用される。
Here, the PID control circuit 93, those having a differentiating capacitor C 1 and the integration capacitor C 2 is used, for example, tenth feedback amplifier shown the circuit diagram in FIG mainly.

ゼロメソッドに基づく代表的な測定器として電子天び
んがあるが、いずれも基本的には上述のような制御系を
用いている(例えば実公昭55−39293号、特開昭54−482
77号、特開昭64−169522号)。
An electronic balance is a typical measuring instrument based on the zero method, and all of them basically use the control system as described above (for example, Japanese Utility Model Publication No. 55-39293 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-482).
No. 77, JP-A-64-169522).

第9図に示す構成において、系を2次遅れ系としたと
き、そのインディシャル応答は第11図に示す通りとな
る。すなわち、A点でステップ状の入力が入った場合、
P(比例)、I(積分)およびD(微分)演算結果の合
計出力であるPID出力は、鎖線で示すように安定点Bに
至って安定することになる。
In the configuration shown in FIG. 9, when the system is a second-order delay system, its initial response is as shown in FIG. That is, if a step-like input is entered at point A,
The PID output, which is the total output of the P (proportional), I (integral), and D (differential) calculation results, reaches the stable point B as shown by the dashed line, and becomes stable.

<発明が解決しようとする課題> ところで、上記のような従来の制御系では、測定入力
に外乱を含む場合、その外乱を抑圧するように動作す
る。
<Problems to be Solved by the Invention> Meanwhile, in the conventional control system as described above, when a measurement input includes a disturbance, the operation is performed to suppress the disturbance.

すなわち、第12図に鎖線で示すように、C点以降に外
乱が作用したとき、PID出力は外乱に抗して系を安定さ
せるべく、外乱に応答して変動する。従って、系全体と
しては安定となる反面、測定値(測定出力)にも外乱抑
圧信号が含まれる結果、安定した測定値を得るためには
フィルタを通す等の対策が必要であり、そのために測定
値の応答性が悪くなってしまうという欠点がある。ま
た、応答性を上げれば上げるほど外乱に対して敏感とな
ってしまう。更に、高精度の測定器の場合、フィルタを
用いると、フィルタに使用するコンデンサには大なり小
なり誘電吸収という現象があるため、理論的に定まる応
答時間よりもかなり長い時間待たないと、測定値が一定
にならないという欠点があり、これも応答を遅くする原
因となっていた。
That is, as shown by the chain line in FIG. 12, when a disturbance acts after the point C, the PID output fluctuates in response to the disturbance in order to stabilize the system against the disturbance. Therefore, while the system as a whole is stable, the measured value (measurement output) also includes a disturbance suppression signal. As a result, it is necessary to take measures such as passing through a filter to obtain a stable measured value. There is a disadvantage that the responsiveness of the value deteriorates. Also, the higher the response, the more sensitive to disturbance. Furthermore, in the case of a high-precision measuring instrument, if a filter is used, the capacitor used for the filter has a phenomenon called dielectric absorption that is much larger or smaller, so it is necessary to wait for a considerably longer time than the theoretically determined response time. The disadvantage is that the values are not constant, which also causes a slow response.

本発明の目的は、系全体の安定性を損なうことなく、
また、測定出力を通すべきフィルタを用いず、もしくは
簡素化しても、外乱に対する測定出力の安定性を保つと
同時に応答性を向上させ、しかも測定の精度を劣化させ
たりコストを上昇させることのない自動平衡式測定器を
提供することにある。
An object of the present invention is to reduce the stability of the entire system without impairing it.
Also, even if a filter that passes the measurement output is not used or simplified, the stability of the measurement output with respect to disturbance is maintained and the responsiveness is improved, and the measurement accuracy is not deteriorated and the cost is not increased. An object of the present invention is to provide an automatic balance type measuring instrument.

<課題を解決するための手段> 上記の目的を達成するための構成を、第1図(a)の
基本概念図を参照しつつ説明すると、本発明は、偏差検
出器aを経た偏差信号に対して比例および積分等の各演
算のうち積分演算を個別に行う演算手段bと、その積分
演算結果と上記各演算のうちの他の演算結果とを合成す
る合成手段cを有し、その合成後の信号を帰還要素dを
介してフィードバックするとともに、積分演算を施した
信号のみを測定出力として抽出するよう構成している。
<Means for Solving the Problems> A configuration for achieving the above object will be described with reference to the basic conceptual diagram of FIG. 1 (a). A calculation means b for individually performing an integration operation among respective calculations such as proportional and integration, and a synthesis means c for synthesizing the integration operation result and another operation result among the above-described operations. The subsequent signal is fed back via the feedback element d, and only the signal subjected to the integration operation is extracted as the measurement output.

ここで、本発明では、比例および微分演算については
必ずしも個別に行う必要はないので、その基本概念図は
第1図(b)に要部を示すようにも表される。
Here, in the present invention, it is not always necessary to individually perform the proportional and differential operations, and the basic conceptual diagram is also shown as a main part in FIG. 1 (b).

<作用> PおよびI、あるいはR,IおよびDの演算結果の合成
信号がフィードバックされ、系全体としては従来と全く
同様の制御が行われる。
<Operation> A composite signal of the calculation results of P and I or R, I and D is fed back, and the same control as in the related art is performed as a whole system.

そして、合成前のI、つまり積分演算結果のみが測定
出力として抽出される。
Then, only I before synthesis, that is, only the result of the integration operation is extracted as the measurement output.

第12図から明らかなように、外乱対してPID出力が系
の安定をはかるべく大きく変動するのは、主としてPと
D出力が大きく反応して変動するためである。ところ
が、I出力だけに着目すると、外乱を積分しているので
平滑化され、実際の外乱変動よりも逆に小さい変動にと
どまる。本発明はこの点を利用して、系全体は従来通り
の制御を保ち、測定出力のみを外乱に対して安定したも
のとし、特にフィルタ等を用いることなく、あるいは極
く弱いフィルタで良くなり、従って応答性を損なうこと
なく安定した測定値を得ている。
As is apparent from FIG. 12, the reason why the PID output fluctuates greatly in order to stabilize the system in response to a disturbance is mainly that the P and D outputs fluctuate in response to a large reaction. However, when attention is paid only to the I output, the disturbance is integrated and the smoothing is performed, and the fluctuation is smaller than the actual disturbance fluctuation. The present invention makes use of this point and maintains the control of the entire system as before, makes only the measurement output stable against disturbance, and does not require a filter or the like, or a very weak filter can be used. Therefore, a stable measured value is obtained without impairing the response.

ここで、積分演算結果は、合成手段cによって信号レ
ベルで他の演算結果と合成された後に帰還要素dを介し
てフィードバックされ、積分演算された信号と他の演算
が施された信号とが干渉したり、あるいは電気的構成を
除く他の機構等を変更する必要が生じず、特に測定精度
を劣化させたりコストを上昇させることがなく、所期の
目的を達成できる。
Here, the result of the integration operation is synthesized at the signal level by the synthesizing means c with another operation result, and then fed back via the feedback element d, so that the signal subjected to the integration operation and the signal subjected to the other operation may interfere with each other. It is not necessary to perform any other operation or to change other mechanisms other than the electrical configuration, and the intended purpose can be achieved without deteriorating the measurement accuracy or increasing the cost.

<実施例> 第2図は本発明実施例の構成を示すブロック図で、ア
ナログ方式のPID演算を用いた電磁力平衡式天びんに本
発明を適用した例を示している。
<Embodiment> FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention, showing an example in which the present invention is applied to an electromagnetic force balance using analog PID calculation.

荷重平衡機構1は皿11、荷重受部12およびフォースコ
イル13等によって構成された公知のもので、荷重受部12
の変位は変位センサ2で検出されるとともに、フォース
コイル13は磁気回路(図示せず)で作られた静磁場内に
置かれる。そして、このフォースコイル13に流す電流を
以下のサーボ系で制御することによって、皿11上に作用
する荷重と平衡するような電磁力を作り、荷重受部12の
変位を零にするとともに、後述するように表示器9に測
定値を表示する。
The load-balancing mechanism 1 is a well-known structure including a plate 11, a load receiving portion 12, a force coil 13, and the like.
Is detected by the displacement sensor 2, and the force coil 13 is placed in a static magnetic field created by a magnetic circuit (not shown). By controlling the current flowing through the force coil 13 by the following servo system, an electromagnetic force that balances the load acting on the plate 11 is created, and the displacement of the load receiving portion 12 is reduced to zero, and described later. The measured value is displayed on the display 9 as shown in FIG.

変位センサ2の出力は増幅器3によって増幅された後
(この変位センサ2と増幅器3で偏差検出器を構成して
いる)、比例演算回路4、微分演算回路5および積分演
算回路6に入力される。そして、この各演算回路の出力
である比例、微分および積分演算結果は電圧加算・電圧
−電流変換回路7に入力される。
After the output of the displacement sensor 2 is amplified by the amplifier 3 (the displacement sensor 2 and the amplifier 3 constitute a deviation detector), it is input to the proportional operation circuit 4, the differentiation operation circuit 5, and the integration operation circuit 6. . Then, the results of the proportional, differential, and integral operations, which are the outputs of the arithmetic circuits, are input to the voltage addition / voltage-current conversion circuit 7.

電圧加算・電圧−電流変換回路7は、上記の各演算結
果をそれぞれ抵抗Rp,RdおよびRiを介して入力すること
によってこれらのP,IおよびD出力を合成するオペレー
ショナルアンプ7aと、そのオペレーショナルアンプ7aの
出力電圧を電流に変換するための抵抗7bによって構成さ
れており、PとIとD出力を合成後電流変換した信号が
フォースコイル13に流される。
The voltage addition / voltage-current conversion circuit 7 includes an operational amplifier 7a that combines the P, I, and D outputs by inputting the results of the respective operations through the resistors R p , R d, and R i , respectively, It is constituted by a resistor 7b for converting the output voltage of the operational amplifier 7a into a current. After the P, I and D outputs are combined, a current-converted signal is passed through the force coil 13.

上記した各演算回路の出力のうち、I(積分)出力に
ついては、電圧加算・電圧−電流変換回路7以外にA−
D変換器8にも入力され、そのデジタル変換データが測
定値として表示器9に表示される。
Among the outputs of the respective arithmetic circuits described above, the I (integral) output is A-
The data is also input to the D converter 8 and the digital conversion data is displayed on the display 9 as a measured value.

以上の本発明実施例によると、皿11への荷重は荷重受
部12の変位となり、その変位は変位センサ2によって検
出される。その変位検出信号は増幅器3を経て比例,微
分および積分回路4,5および6によって個別に各演算処
理が施された後に合成されてPID信号となり、更に電流
に変換されてフォースコイル13にフィードバックされ、
磁場と共同して荷重受部12の変位を零に保つような電磁
力を発生する。
According to the above-described embodiment of the present invention, the load on the plate 11 is the displacement of the load receiving portion 12, and the displacement is detected by the displacement sensor 2. The displacement detection signal passes through an amplifier 3, is subjected to individual arithmetic processing by proportional, differentiating and integrating circuits 4, 5 and 6, and is then combined into a PID signal, which is further converted into a current and fed back to a force coil 13. ,
An electromagnetic force that keeps the displacement of the load receiving unit 12 at zero is generated in cooperation with the magnetic field.

完全にバランスした状態では変位は零となり、この状
態でフォースコイル13に流れる電流を保持しているのは
積分演算回路6の出力によるものであり、この値は皿11
上の荷重と比例することになる。従って、この積分演算
回路6の出力をA−D変換器8で所定の変換係数のもと
にデジタル化することにより、そのデジタル値は皿11上
の荷重を表す値となり、表示器9には皿11上の荷重を表
す測定値が表示されることになる。
In a completely balanced state, the displacement becomes zero. In this state, the current flowing through the force coil 13 is held by the output of the integration operation circuit 6, and this value is
It will be proportional to the above load. Accordingly, by digitizing the output of the integration operation circuit 6 by the A / D converter 8 based on a predetermined conversion coefficient, the digital value becomes a value representing the load on the plate 11, and the display 9 shows The measured value representing the load on the pan 11 will be displayed.

この状態で外乱が作用したとき、フォースコイル13に
は従来と同様にPID処理された信号がフィードバックさ
れているので、このフィードバック信号(PID出力)は
第12図のC点以降に鎖線で示すように、系を安定させる
べく外乱に反応して大きく変動する。ところが、積分演
算回路6の出力Iは、同図に示すように外乱を平滑化し
て殆ど変動せず、従って、表示器9による計量表示値は
ほぼ安定状態を保つ。
When a disturbance acts in this state, a signal subjected to PID processing is fed back to the force coil 13 in the same manner as in the related art, and this feedback signal (PID output) is indicated by a chain line after point C in FIG. In addition, it fluctuates greatly in response to disturbance to stabilize the system. However, the output I of the integration operation circuit 6 hardly fluctuates due to smoothing of the disturbance as shown in the figure, so that the weighing display value on the display 9 remains almost stable.

ちなみに、従来のこの種の天びんでは、フォースコイ
ル13に流れる電流を精密抵抗等によって電圧値に変換し
てA−D変換しており、いわばPID出力そのものを測定
値として表示していた。
Incidentally, in a conventional balance of this type, the current flowing through the force coil 13 is converted into a voltage value by a precision resistor or the like and subjected to A / D conversion. In other words, the PID output itself is displayed as a measured value.

そして次にA−D変換器の入力にフィルタを用いると
コンデンサの誘電吸収により、応答が更に悪くなること
を既に述べた。本発明の場合、積分器の出力がA−D変
換器に直接入力されることになるが(弱いフィルタを併
用してもよい)、積分器に使用するコンデンサに誘電吸
収があっても、以下の理由により誤差にならないことも
大きな特徴である。
Then, it has already been described that the use of a filter at the input of the A / D converter further deteriorates the response due to the dielectric absorption of the capacitor. In the case of the present invention, the output of the integrator is directly input to the A / D converter (a weak filter may be used in combination). Another major feature is that no error occurs due to the following reason.

すなわち、積分器は偏差検出器(天びんの場合は変位
センサおよび増幅器)の入力が0になるまでその出力を
変位させていくことになるが、誘電吸収により出力が変
化を始めれば、バランスし始めるのでそれに見合うだけ
積分器入力が変化していくことになり、結局、積分器出
力は変わらないことになり、誘電吸収の影響が表示に現
れないか、あるいは大幅に抑圧される。
In other words, the integrator displaces its output until the input of the deviation detector (in the case of a balance, a displacement sensor and an amplifier) becomes 0, but if the output starts to change due to dielectric absorption, the integrator starts to balance. Therefore, the integrator input changes as much as that, and eventually the integrator output does not change, and the effect of dielectric absorption does not appear on the display or is greatly suppressed.

ここで、第2図に示す構成において、比例,微分およ
び積分の各演算回路とこれらの出力を合成する回路は、
実際には第3図に例示するようなPID演算回路を使用す
ることによって実現できる。
Here, in the configuration shown in FIG. 2, each of the proportional, differential and integral arithmetic circuits and a circuit for synthesizing these outputs are:
Actually, it can be realized by using a PID operation circuit as exemplified in FIG.

この例では、増幅器からの出力を2系統に分け、一方
を演算増幅器と微分コンデンサC1を備えて微分および比
例演算を行うPD演算回路31に導くとともに、他方を積分
コンデンサC2を備えた積分演算のみを行うI演算回路32
に導いている。そして、これらの出力を次段の加算回路
33で合成してPID出力とするとともに、フォースコイル1
3に流すようにする。そして、I演算回路32の出力は別
途測定出力として取り出している。
In this example, divided output from the amplifier into two systems, with guides to the PD operation circuit 31 for performing differential and proportional operation one provided with a operational amplifier differentiating capacitor C 1, the integrating capacitor C 2 other integration I operation circuit 32 that performs only operation
Leading to. Then, these outputs are added to the next-stage addition circuit.
Combined at 33 to produce PID output and force coil 1
Pour into 3. The output of the I operation circuit 32 is separately extracted as a measurement output.

第4図は本発明の他の実施例の構成を示すブロック図
である。この例は同じく電磁力平衡式の天びんでデジタ
ル方式のPID演算を用いたものに本発明を適用した例を
示している。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. This example also shows an example in which the present invention is applied to an electromagnetic force balance type using digital PID calculation.

なお、この第4図において、第2図と同等の部材につ
いては同一の符号を附してその説明を省略する。
In FIG. 4, members that are the same as in FIG. 2 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.

さて、この例では、変位センサ2の出力を増幅器3で
増幅した後、A−D変換器41でデジタル化して所定の周
期でそのデジタル変換データをデジタルPID演算部42に
採り込んでいる。このデジタルPID演算部42において
は、デジタルデータに後述する演算によって比例,積分
および微分処理を施し、その合成結果P+I+Dをパル
ス電流発生部43に供給している。
In this example, after the output of the displacement sensor 2 is amplified by the amplifier 3, it is digitized by the A / D converter 41 and the digitally converted data is taken into the digital PID operation unit 42 at a predetermined cycle. The digital PID operation unit 42 performs a proportional, integral, and differential process on the digital data by an operation described later, and supplies the combined result P + I + D to the pulse current generation unit 43.

パルス電流発生部43は、デジタルPID演算部42からの
データに比例して一定周期内でHとLの比率が変化する
パルスを出力するパルスデューティ変換回路43aと、そ
のパルスデューティ変換回路43aからのパルス信号でON
・OFFされる電子スイッチ43b、および定電流発生回路43
cによって構成され、フォースコイル13には、定電流発
生回路43cからの一定電流を電子スイッチ43bによってチ
ョッピングして得られるパルス状の電流が流される。こ
の構成によりフォースコイル13に流れるパルス電流のデ
ューティは、デジタルPID演算部42から供給されるPID出
力の大きさに比例することになり、その平均電流値が作
る電磁力が荷重受部12を平衡させる。
The pulse current generation unit 43 includes a pulse duty conversion circuit 43a that outputs a pulse in which the ratio of H and L changes within a certain period in proportion to the data from the digital PID calculation unit 42, and a pulse duty conversion circuit 43a. ON with pulse signal
The electronic switch 43b that is turned off and the constant current generation circuit 43
and a pulse-shaped current obtained by chopping a constant current from the constant current generating circuit 43c by the electronic switch 43b flows through the force coil 13. With this configuration, the duty of the pulse current flowing through the force coil 13 is proportional to the magnitude of the PID output supplied from the digital PID calculation unit 42, and the electromagnetic force generated by the average current value balances the load receiving unit 12. Let it.

そして、デジタルPID演算部42は上記のようなPID合成
信号とともにI出力を単独で出力し、そのデータを質量
換算部44に供給し、ここでI出力を質量値に変換して表
示器9に表示するように構成している。
Then, the digital PID calculation unit 42 outputs the I output alone together with the PID composite signal as described above, and supplies the data to the mass conversion unit 44, where the I output is converted into a mass value and displayed on the display unit 9. It is configured to display.

なお、以上の構成において、デジタルPID演算部42と
質量変換部44は実際にはマイクロコンピュータによって
構成され、各演算ないしは変換はソフトウエアによって
実行される。第5図はそのマイクロコンピュータのプロ
グラムの要部を示すフローチャートで、A−D変換器41
からのデータは一定の周期で採り込まれ(ST1)、中立
点との偏差が求められた後(ST2)、下記の式によって
比例、積分および微分演算が行われる(ST3)。
In the above configuration, the digital PID calculation unit 42 and the mass conversion unit 44 are actually configured by a microcomputer, and each calculation or conversion is executed by software. FIG. 5 is a flow chart showing the main part of the program of the microcomputer, in which the A / D converter 41 is used.
Are taken in at a fixed cycle (ST1), and after the deviation from the neutral point is obtained (ST2), the proportional, integral and differential calculations are performed by the following formula (ST3).

Px=Kpxn ……(1) Ix=Ix(n-1)+Kixn ……(2) Dx=Kd(xn−xn-1) ……(3) ここで、Kp,KiおよびKdはそれぞれ比例,積分および
微分係数であって、xnは最新の採取データの中立点から
の偏差、xn-1は前回の採取データの中立点から偏差、I
x(n-1)は前回の積分結果である。
P x = K p x n ...... (1) I x = I x (n-1) + K i x n ...... (2) D x = K d (x n -x n-1) ...... (3) Where K p , Ki and K d are the proportional, integral and derivative coefficients, respectively, x n is the deviation from the neutral point of the latest sampled data, and x n-1 is the neutral point of the previous sampled data Deviation, I
x (n-1) is the previous integration result.

そして、以上の各演算結果の内、積分結果Ixのみを用
いて質量Wが決定され(ST)、また、同時にPx,Ix,Dx
各演算結果は合成されてパルス電流発生回路43に出力さ
れるようになっている(ST5,ST6)。
Of the above respective calculation results, the mass W using only integration result I x are determined (ST), At the same time P x, I x, the calculation result of the D x are synthesized pulse current generating circuit 43 (ST5, ST6).

この実施例において、バランス状態ではA−D変換器
41の出力は0となり、従ってPxおよびDxの値も0となっ
て、PID出力はIxの値だけとなる。つまりこの状態では
フォースコイル13に流れているパルス電流のデューティ
はIxの値に比例し、換言すれば皿11上の荷重とIxとが比
例しており、このIxを質量に換算して表示する表示器9
には、皿11上の質量を表す値が表示されることになる。
なお、PID演算の方法はこの例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。
In this embodiment, in the balanced state, the A / D converter
The output of 41 is zero, therefore is a value also 0 of P x and D x, PID output is only the value of I x. That duty of the pulse current flowing in the force coil 13 in this state is proportional to the value of I x, the load and I x on pan 11 in other words is proportional, by converting the I x mass Display 9 to display
Displays a value representing the mass on the dish 11.
Note that the method of PID calculation is not limited to this example, and various modifications are possible.

以上の各実施例において特に注目すべき点は、比例、
微分および積分を個別に行っているにも係わらず、これ
らの各演算結果は合成された後、1つのフィードバック
信号として1つのフォースコイル13に流される点であ
る。これにより、フォースコイル13およびそのフォース
コイル13が置かれる静磁場を形成する磁気回路として、
従来の通常のものと全く同じ構造のものを使用すること
ができるとともに、フォースコイル13に電流が流れるこ
とによって発生する電磁力も、従来の通常のものと全く
同様の高精度の電流−発生電磁力特性を持つものとな
る。
Particularly noteworthy points in each of the above embodiments are the proportionality,
In spite of performing differentiation and integration individually, the result of each of these operations is combined, and then is passed to one force coil 13 as one feedback signal. Thereby, as a magnetic circuit that forms the force coil 13 and a static magnetic field in which the force coil 13 is placed,
The same structure as the conventional ordinary one can be used, and the electromagnetic force generated by the current flowing through the force coil 13 also has the same high precision current-generated electromagnetic force as the conventional ordinary one. It has characteristics.

すなわち、積分演算を施した信号を抽出すべく、積分
演算を他の演算と切り離して個別に行ったとき、その積
分演算後の信号を、他の演算を施した信号と合成せずに
それぞれ電流変換し、例えば2つのフォースコイルに個
別に流すことも考えられるが、この場合、まず、あるフ
ォースコイルに電流が流れることによって他のフォース
コイルの電流−発生電磁力特性が変化する等の干渉現象
が生じ、高精度の測定が不可能となる。また、複数のフ
ォースコイルを静磁場内に配置するためには、通常通り
に1つのフォースコイルを配置する場合に比してその静
磁場空間を広くする必要が生じ、同じ磁場を得るために
は強力な永久磁石が必要となってコストが上昇してしま
う。これに対し、上述のように積分演算後の信号と他の
演算を施した後の信号とを、信号レベルで合成して1つ
のフォースコイル13に流す構成を採用することによっ
て、このような不具合が生じず、高精度でしかもコスト
も上昇することがない。
That is, when the integration operation is performed separately from other operations to extract the signal subjected to the integration operation, the signal after the integration operation is not combined with the signal subjected to the other operation, and the current It is also conceivable to convert the current into two force coils, for example. In this case, however, an interference phenomenon such as a change in the current-generated electromagnetic force characteristic of another force coil caused by a current flowing through a certain force coil. And high-precision measurement becomes impossible. In addition, in order to arrange a plurality of force coils in a static magnetic field, it is necessary to increase the static magnetic field space as compared with the case where one force coil is arranged as usual. The need for strong permanent magnets increases costs. On the other hand, by adopting a configuration in which the signal after the integration operation and the signal after the other operation are performed at the signal level and flown to one force coil 13 as described above, such a problem is caused. Does not occur, and the cost is high and the cost does not increase.

ところで、本発明において、入力(例えば皿11上の荷
重値)の状況に応じて、積分時間を長くしたり、あるい
は微分時間を短くしたりすることによって、より一層安
定性を高めることができ、また、同様に入力状況に応じ
て比例ゲインを上げることにより、応答性を高めること
もできる。更に、入力偏差が大きいときには積分を弱く
(積分時間を短かく)、微分を強く(微分時間を長
く)、比例ゲインを大きくし、偏差が小さくなったらこ
れとは逆にするようコントロールするようにすれば、よ
り応答性が良く、かつ、自動平衡後はより安定性が高く
なるようにすることができる。また、別の方法として、
増幅器3の特性を、入力が小さいときはゲインを低く、
大きいときにはゲインを高くする非線型特性とする方法
も有効である。
By the way, in the present invention, the stability can be further improved by increasing the integration time or shortening the differentiation time according to the condition of the input (for example, the load value on the plate 11), Similarly, the response can be improved by increasing the proportional gain according to the input situation. Furthermore, when the input deviation is large, control is performed so that the integration is weak (shortening the integration time), the differentiation is strong (the differentiation time is long), the proportional gain is large, and if the deviation is small, it is reversed. By doing so, it is possible to improve the responsiveness and to increase the stability after the automatic equilibrium. Alternatively,
When the input is small, the gain of the amplifier 3 is reduced,
It is also effective to use a non-linear characteristic in which the gain is increased when the value is large.

第6図はこのような観点に立って構成したアナログPI
D演算回路の例を示すものであって、この例は、第3図
に示したPID演算回路の積分回路に改良を加えたもの
で、積分コンデンサC2と直列に帰還抵抗R92を挿入する
とともに、抵抗R91とスイッチ61を介して増幅器出力を
直接積分回路の帰還回路に導けるようにしている。そし
て、スイッチ61を、増幅器出力(PID入力)を入力する
レベルコンパレータ62によって切り換えるようにしてい
る。
Fig. 6 shows an analog PI constructed from this point of view.
Which shows an example of a D calculation circuit, this example is an added improvement to the integration circuit of the PID arithmetic circuit shown in Fig. 3, insert a feedback resistor R 92 to the integrating capacitor C 2 in series At the same time, the amplifier output can be directly led to the feedback circuit of the integration circuit via the resistor R91 and the switch 61. Then, the switch 61 is switched by a level comparator 62 that inputs an amplifier output (PID input).

ここで、レベルコンパレータ62は、入力電圧の大きさ
に応じて第7図に示すようにスイッチを動作させるよう
にしている。
Here, the level comparator 62 operates the switch as shown in FIG. 7 according to the magnitude of the input voltage.

この構成により、皿11上に試料が載せられた直後はPI
D入力が大きいので、スイッチ61は接点a側に繋がれ
る。
With this configuration, immediately after the sample is placed on the pan 11, the PI
Since the D input is large, the switch 61 is connected to the contact a side.

スイッチ61が接点a側の状態では、積分回路の入力抵
抗をRiとしたとき、この積分回路は、 として、つまりP(比例)要素として働くと同時に、積
分時間tiのI(積分)要素として働く。
The switch 61 is contact a state, when the input resistance of the integrating circuit and the R i, the integrating circuit, , That is, while acting as a P (proportional) element, the integration time t i Serves as the I (integral) element of

このため、コンデンサC2には速やかに電圧がチャージ
されることになり、系は速やかに平衡に近づくことにな
る。
Therefore, quickly becomes a voltage is charged in the capacitor C 2, the system becomes closer to promptly equilibrium.

平衡状態に近づいて、PID入力が0に近づくと、スイ
ッチ61は接点b側に切り替り、増幅度0の単なる積分回
路となり、かつ、この状態での積分時間tibは、 tib=RiC2 と大きくなる。これにより、外乱に対するI出力の変化
が少なく抑えられることになって、外乱に強く、しかも
応答性を向上した天びんが得られる。
When the PID input approaches 0 when the equilibrium state is approached, the switch 61 switches to the contact b side, and becomes a simple integration circuit of amplification degree 0, and the integration time t ib in this state is t ib = R i as large as C 2. As a result, a change in the I output with respect to the disturbance is suppressed to be small, and a balance that is resistant to the disturbance and has improved responsiveness can be obtained.

この第6図と同等の観点に立ち、構成を簡素化したも
のを第8図(a)に示す。この例では、電圧依存性の抵
抗素子Zを積分回路の入力抵抗Riと直列に挿入してお
り、入力が大きい場合にはZが少なくなって、積分時間
が短縮され、応答性がアップするようにしている。な
お、この場合、Riは第6図に示したものより小さく設定
することによってこの効果が得られる。
FIG. 8A shows a simplified configuration from the same viewpoint as FIG. In this example, by inserting a resistance element Z of the voltage dependent on the input resistor R i in series with the integrating circuit, when the input is large and Z is low, the integration time is shortened, response is up Like that. In this case, R i is the effect is obtained by setting smaller than that shown in Figure 6.

ここで、電圧依存性の抵抗素子としては、第8図
(b)に示すように例えばダイオードを互いに逆接続し
たもの等を使用することができる。
Here, as the voltage-dependent resistance element, for example, an element in which diodes are connected in reverse to each other as shown in FIG. 8B can be used.

なお、本発明は以上の各実施例に限られず、天びん以
外のゼロメソッドを用いたあらゆる測定器に適用するこ
とができるとともに、上記した各実施例の構成以外に多
くの変形が可能である。例えば、デジタルPID演算を行
うものにあっては、変位センサをデジタル出力型のもの
に代えることができ、この場合A−D変換器は不要とな
る。また、デジタルPID演算を採用してパルス電流をフ
ォースコイルに流す方式の天びんにあっては、一定の電
流をチョッピングする以外に、正負が切り替わるパルス
状電流をフォースコイルに流すものにも、あるいは、パ
ルス電流を実質的に2種類つくり、一つを大荷重に他を
微小荷重に対応させてそのパルスデューディを変化させ
これらを重畳して1つのフォースコイルに流す方式のも
のにも適用できる。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to any measuring device using a zero method other than the balance, and many modifications other than the configurations of the above embodiments are possible. For example, in the case of performing digital PID calculation, the displacement sensor can be replaced with a digital output type sensor, in which case an AD converter becomes unnecessary. In the case of a balance that adopts digital PID calculation and sends a pulse current to the force coil, in addition to chopping a constant current, a balance that switches a positive / negative pulse current to the force coil, or The present invention can also be applied to a system in which two types of pulse currents are produced, one of which is adapted to a large load and the other is adapted to a small load, the pulse duty of which is changed, and these are superimposed and applied to one force coil.

<発明の効果> 以上説明したように、本発明によれば、自動平衡式測
定器において、PI、もしくはPID演算を個別に行い、フ
ィードバック信号にはこれらを合成したものを用いると
ともに、測定出力はその内のI演算結果のみを抽出して
用いるので、系全体としては従来と同等の働きのもとに
検出信号ないしはそれに含まれる外乱に対して応答する
が、測定出力(測定値)は外乱対して従来に比して大幅
に安定したものとなる。その結果、従来のように測定出
力を通過させるフィルタを不要とするかあるいは大幅に
簡素化することができる。このため、高精度化時のフィ
ルタコンデンサの誘電吸収の影響を排除できる利点もあ
る。特に2次遅れ系を有する場合に、PID制御が必要と
なり、微分(D)は外乱に対して大きな出力となるが、
本発明の適用によって上記の作用効果は極めて有用とな
る。しかも、I演算結果は他のPないしはD演算結果と
合成されて1つの信号としてフィードバックされるか
ら、電気回路的な構成以外の機構等の構成については、
特に改造する必要がなく、新たな機構や要素の追加によ
る干渉が生じて測定精度を損ねたり、あるいはコストを
上昇させる等の、本発明を適用したが故の不具合もな
い。
<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, in an auto-balancing type measuring instrument, PI or PID calculation is individually performed, and a feedback signal is obtained by synthesizing these, and the measurement output is Since only the I operation result is extracted and used, the system as a whole responds to the detection signal or the disturbance contained therein under the same operation as the conventional one, but the measurement output (measurement value) does not correspond to the disturbance. Therefore, it becomes much more stable than before. As a result, a filter that passes the measurement output as in the related art can be eliminated or greatly simplified. Therefore, there is also an advantage that the influence of dielectric absorption of the filter capacitor at the time of high precision can be eliminated. In particular, when a second-order lag system is provided, PID control is required, and the derivative (D) has a large output with respect to disturbance.
By applying the present invention, the above-mentioned effects are extremely useful. Moreover, the I operation result is combined with another P or D operation result and fed back as one signal.
There is no particular need for modification, and there is no inconvenience due to the application of the present invention, such as interference caused by the addition of a new mechanism or element, which impairs measurement accuracy or increases costs.

また、この本発明の構成によれば、上記の効果に付随
して、比例ゲインを上げたり微分を強く効かせて高応答
にした場合でも、測定値の安定性を劣化させないという
利点も引き出せる。
Further, according to the configuration of the present invention, it is possible to bring out the advantage that the stability of the measured value is not deteriorated even when the response is increased by increasing the proportional gain or making the differentiation effective, in addition to the above-described effects.

更に、以上のことから、従来測定が困難であった場所
や環境下でも、安定した測定値が得られる測定器を実現
することができる。
Further, from the above, it is possible to realize a measuring instrument capable of obtaining a stable measurement value even in a place or environment where measurement has conventionally been difficult.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の構成を示す基本概念図、第2図は本発
明をアナログPID演算方式の天びんに適用した場合の実
施例の構成を示すブロック図、第3図はそのPID演算回
路の具体的な回路構成例を示す図、第4図は本発明の他
の実施例で、デジタルPID演算方式の天びんに本発明を
適用した場合の構成を示すブロック図、第5図はそのプ
ログラムの内容の要部を示すフローチャート、第6図は
本発明をアナログ演算方式の天びんに適用した場合のPI
D演算回路の他の実施例を示す回路構成図、第7図はそ
のレベルコンパレータ62の動作説明図、第8図は第6図
のPID演算回路を簡素化した例を示す回路構成図、第9
図は従来の自動平衡式測定器の基本的回路構成図、第10
図は従来のPID演算回路の例を示す回路構成図、第11図
は自動平衡式測定器のPID出力のインディシャル応答の
説明図、第12図は同じく自動平衡式測定器のPID出力の
外乱に対する応答の説明図である。 1……荷重平衡機構 11……皿 12……荷重受部 13……フォースコイル 2……変位センサ 3……増幅器 4……比例演算回路 5……微分演算回路 6……積分演算回路 7……電圧加算・電圧−電流変換回路 8……A−D変換器 9……表示器 41……A−D変換器 42……デジタルPID演算部 43……パルス電流発生部 44……質量換算部
FIG. 1 is a basic conceptual diagram showing the configuration of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an embodiment in which the present invention is applied to an analog PID operation type balance, and FIG. FIG. 4 is a block diagram showing a specific example of a circuit configuration, FIG. 4 is a block diagram showing a configuration in which the present invention is applied to a digital PID operation type balance according to another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 6 is a flow chart showing a main part of the contents, and FIG. 6 is a diagram showing a PI when the present invention is applied to an analog operation type balance
FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing another embodiment of the D operation circuit, FIG. 7 is an operation explanatory diagram of the level comparator 62, FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing a simplified example of the PID operation circuit of FIG. 9
The figure shows the basic circuit configuration of a conventional auto-balancing measuring instrument.
The figure is a circuit configuration diagram showing an example of a conventional PID operation circuit, FIG. 11 is an explanatory diagram of the PID output of the automatic balancing type measuring instrument, and FIG. 12 is the PID output disturbance of the automatic balancing type measuring apparatus. FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Load balance mechanism 11 ... Dish 12 ... Load receiving part 13 ... Force coil 2 ... Displacement sensor 3 ... Amplifier 4 ... Proportional operation circuit 5 ... Differential operation circuit 6 ... Integration operation circuit 7 ... ... Voltage addition / voltage-current conversion circuit 8 ... A / D converter 9 ... Display 41 ... A / D converter 42 ... Digital PID calculator 43 ... Pulse current generator 44 ... Mass converter

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】検出信号にフィードバック信号を加え合わ
せた偏差信号を、偏差検出器に入力して増幅した後、少
なくとも比例および積分演算を施すとともに、帰還要素
を介して上記フィードバック信号として上記検出信号に
戻すことにより、上記偏差検出器への入力偏差を0にす
るような自動制御系を構成した測定器において、上記各
演算のうち積分演算を個別に行う演算手段と、その積分
演算結果と上記各演算のうちの他の演算結果とを合成す
る合成手段を有し、その合成後の信号をフィードバック
信号とするとともに、積分演算を施した信号のみを測定
出力として抽出するよう構成したことを特徴とする自動
平衡式測定器。
1. A deviation signal obtained by adding a feedback signal to a detection signal is inputted to a deviation detector, amplified, and then subjected to at least a proportional and integral operation, and further provided as a feedback signal via a feedback element. In the measuring instrument having an automatic control system for setting the input deviation to the deviation detector to 0, the operation means for individually performing the integration operation among the respective operations, the integration operation result and the It has a synthesizing means for synthesizing the result of each operation with other operation results. The synthesized signal is used as a feedback signal, and only the signal subjected to the integration operation is extracted as a measurement output. Automatic balance type measuring instrument.
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