专利名称:比例、微分、双重积分脉冲调节器的制作方法
本发明涉及一种新型的脉冲宽度周期可调的单参数连续模拟控制自动调节器，特别是一种用于含长滞后，大惯性，非线性对象系统的自动调节器。本发明适合于化学反应过程中的组份含量，各种温度、压力、液位、流量及气体渗碳中的气氛含量的控制。
现有的调节器，国产的以DDZⅡ，DDZⅢ系列中的DTL为代表的调节器，国外的各种三参数(P、I、D)调节器，它们对长滞后，大惯性，强非线性对象控制困难。自适应调节器和用现代控制理论产生的新型控制方法对上述存在的问题有较好的效果，但因建立模型和辩识复杂使其在生产中使用困难。
本发明的任务是由对物理过程的直接认识，避开数学模型和辨识，提供一种新型通用调节器，以其解决现有调节器存在的问题，并使系统的设计、分析、调试、操作简化。
以下将结合附图对发明作进一步的详细描述。
图1是本发明的构成方框图。
图2是本发明的比例环节电路原理图。
图3是本发明的微分环节电路原理图。
图4是本发明的双重积分电路原理图。
图5是本发明的双重积分电路工作波形图。
图6是本发明的变换关系曲线图。
图7是本发明的双重积分环节特性框图。
图8是本发明的可正负关断脉冲开关的电路原理图。
图9是本发明的可正负关断脉冲开关在正电压关断下的工作波形。
图10是本发明一实施例的电路原理图。
图11是本发明实施例的结构方框图。
图12是发明人用于生产得到的控制曲线。
参照图1，Ve是来自对象状态的检测讯号与给定值比较后放大了的差值。经过比例环节传递后有V01＝-KVe <1>
其中-K是比例环节的放大倍数。
经过微分环节传递后有Vi=- (1+TDS)/(1+TgS) V01(S) <2>
其中TD是微分时间常数;Tg是惯性时间常数。
经过双重积分环节传递后有y(S)= (Q)/(TIS2) Vi(S) <3>
其中TI是积分时间常数，Q是阶跃输出的幅度。
可正负(电压)关断脉冲开关，交流开关仅改变Q的大小。调节器的传递函数
其中A是调节器增益，且A= (KQTD)/(TI·Tg) <5>
调节器有位式、偏差调整、前馈控制三种工作状态。在双重积分环节调整强度参数n1、n2(通称为n参数)的作用下，它们构成系统的最佳控制区间，并使对象处于最佳控制(最小值)之下，且广义对象与调节器串联后可视其为比例特性。
参照图2，此为比例环节(简称P)。A01、A02是两个失调电压极性相反的普通运放。令A01输入端接地，调R04，A05使其输出为零即可。这里A01担任讯号传递中的放大作用，A02起补偿稳零作用，整个电路相当一个反相放大器，放大倍数K = - (R03+W1)/(R01) <6>
参照图3，此为微分环节(简称D)。T1、T2组成晶体管互补输入电路，T3、T4组成电容C1电流放大电路。A03是普通运放，用作混合器。取R21＝R22·R20≈ (R22)/10 ·W2≈3R22·R11≥10R12，R16≥20R12·R15≥10K当ua＞ub时，T1导通;当ua＜ub时，T2导通。T1、T2根据V01的变化改变C1电流的方向和大小及速率。电流经T3、T4放大在R16上形成微分输出ud，V01与ud混合后由A03传出。
这里ud= (K1TdS)/(1+TgS) V01(S) <7>
其中K1= (R16)/(R12) = (R16)/(R14) ，Tg＝R15·C1，Td＝R11·C1＝R13C1，令TD=K1(R22)/(R20+W2) Td+Tg则Vi=- (1+TD·S)/(1+Yg·S) V01(S) <8>
参照图4，A1、A2为积分器，A3、A4为极性检出器，T5、T6是电子开关，它们构成双重积分环节，它有四种工作状态。
其一是静态，此时A1、A2输入悬空，电路保证使y1≈-E，y2≈-E，y3≈+E，y4≈-EA2输入被封锁，保证外讯号加入时A1先积分，并使A1、A2输出都由-E开始，这就解决了大时间常数积分器的爬行或校零问题。
其二是动态，即小偏差下，此时双重积分电路的工作波形如图5示，τ、τ1是它输出的一个脉冲周期。A2的积分变换时间T2是τ的主部，T2＝t2-t10A1的积分变换时间T1是τ1的主部。T1＝t5-t4它们的次部。T11＝t3-t2，T1＝t4-t3，都是对基准的积分。
令Vi＝VI为不变直流讯号，则
可见V1↑→T2↑，VI↓→T2↓;
VI＝0，T2＝n2TI;
VI= (E)/(n2) ，T2→∞。
VI↑→T1↓，VI↓→T1↑;
VI＝0，T1＝n1TI;
VI= (E)/(n1) ，T1→∞。
上述变换关系曲线示于图6。把A1、A2这种变换关系合成为一个脉冲周期的两个部分，就构成了具有调节能力和调节强度可调的双重积分环节。
对正作用系统，令T2为开关的开时间，T1为开关的关时间，则VI↑→T2↑→T1↓平均供给增大使VI↓对负作用系统，令T2为关时间，T1为开时间，则VI↓→T2↓→T1↑平均供给增大，使VI↑调W3、W4就改变了n1、n2，也就改变了调节强度n参数。当n1、n2以某种规律自动调整时，调节器就成为自适应调节器;当n1、n2取适当值时，对象在n1、n2所包围的区间内就处于最佳控制状态。
对输入的连续积分是由A2在t1～t3和A1在t4～t5的积分共同组成的。当A2对Vi积分决定供给时间T2时，A1同时对Vi观测记忆;当这种记忆用于决定供给时(t2～t3)，A2对Vi进行观测记忆。t4～t5是供给的停止时间，也是决定再供给起始的时间。在一个脉冲周期中，双重积分环节采用边供给边观察对象变化和停止供给等对象响应(由 (dV01)/(dt) 预测)的工作方式，这就使对象仅呈比例特性。
双重积分原理不同于双积分原理中要求积分时间必为干扰讯号周期的整数倍，而且它对直流脉动干扰也有抑制作用。
其三是前馈状态，即偏差为零。参照图6，设n1＝10，n2＝5为某自调系统的最佳控制区间。当Vi＝0时，T20＝5TI为供给时间，T10＝10TI为停给时间。设开关打开供出的阶跃量为Q，对象在前馈量q下将一直保持偏差为零。此时就有q=
Q= (Q)/(T20+T10) <11>
其四为位式状态，即大偏差下。仍以上述区间为例，当Vi＞2时，T2→∞，供给开关一直打开;当Vi＜-1时，T1→∞，开关一直关，这就是正作用系统的位式控制状态。
双重积分环节特性可用框图简化为图7，其传递函数为G3(S)= (Q)/(TI) · 1/(S2)参照图8，可正负关断脉冲开关，这是一个普通反相放大器加C5正反馈环节构成的正弦振荡器，其特点是当a端输入+E，b端输入-E时，X0＝0;当a端输入-E，b端输入+E时，开关打开，X0＝ΦSinωt，Φ ≈E3]]>，ω在数千周以上。
图9是b端悬空，a端加控制讯号时的工作波形，对应τ时刻的脉冲列完全可满足可控硅交流开关的触发要求。
图10是发明人作出的一个调节器原理图，曾在化学热处理井式炉控制炉气中CO2%含量进行工件渗碳控制的系统中进行应用。
参照图10，A001、A002运放组成比较放大环节;R61、R62、W5和2DW7C稳压管组成mv给定环节;B2、R54和一只二极管组成脉冲列输出环节;可控硅3CT5A和四只2CZ1A二极管组成交流开关。
图11是该系统的结构方框图，它的广义对象为惯性加长滞后和非线性特性。系统的工作过程是，根据工件渗碳工艺要求，给定CO2%含量要求值Vg(W5上mv讯号)，同时使炉罐恒温(如920℃)并滴入常量甲醇(如每分钟120滴)和可调量煤油。CO2红外气体分析仪对炉气进行连续分析，把CO2%含量变换成直流mv讯号Vf传入记录仪和比较环节。因此，送入调节器的偏差讯号Ve＝K(Vf-Vg)。K是A001、A002放大倍数之积。Ve经R71到偏差指示仪表进行显示，经R72送入调节器的比例环节进行再次放大。
这是个正作用系统。当CO2%含量大于给定值，Vf-Vg＝Va＞0时，调节器通过交流开关使电磁阀一直打开，煤油一直滴入炉中，经裂解和化学反应使CO2%含量减小。当Vf-Vg＝Vb＜0时，调节器使电磁阀一直关闭，煤油一直不滴，炉子内各气体间的化学反应，工件吸碳及排放气使CO2%含量增高，这就是位式控制功能。
当Vb＜(Vf-Vg)＜Va时，电磁阀根据调节器指令进行脉冲动作，不断改变平均滴量。当Vf＝Vg时，电磁阀根据调节器指令给出一定的前馈量，以保持偏差恒为零。
该系统原用调节器是比例积分脉冲调节器，它存在问题是调整期长(对75KW炉子，要60分钟左右)，小偏差时系统常自激(电磁阀动作失控)，控制误差大(在±3%左右)，调试操作复杂。用新调节器后，调整期缩短2/3，自激消除，控制误差小(在±1%左右)，调试操作简单。发明人已经就新系统使用过，图12是实际生产控制曲线。
本发明从电路设计角度解决元件存在的缺陷，如噪声、漂移、老化等，所以用一般通用元件就可实现，并且尽量使用集成运放，使安装、调试极简单，容易集成化、模块化。
权利要求
1.一个由比例、微分、双重积分、可正负关断脉冲开关组成的输出为开关讯号的自动调节器，其特征是a、所述调节器的模拟运算部分采用比例十微分十双重积分的积木式各参数不相干开环结构；b、该双重积分环节采用连续积分连续变换的自调原理，且调节强度n参数可调；c、该微分电路采用晶体管互补输入的隐微分形式；d、所述的可正负关断脉冲开关由一个反相器组成。
2.根据权利要求
1所述的调节器，其特征是可不含微分环节。
3.根据权利要求
1、2所述的调节器，其特征是组成自适应调节器，n参数自动可调。
4.根据权利要求
1、2或3所述的调节器，其特征是含双重积分电路和其工作原理。
5.根据权利要求
1所述的调节器，其特征是其微分环节的电路模式可单独用于求取变化率的场合。
6.根据权利要求
1所述的调节器，其特征是可正负关断脉冲开关电路模式和原理可单独应用。
专利摘要
本发明公开了一种脉冲宽度周期可调的单参数连续模拟控制，可用于广义对象为大惯性、长滞后和非线性的自控系统中的通用自动调节器。其特点是采用比例+微分+双重积分的开环结构；边观测边调节和供给-响应-再供给及前馈的工作方式，使对象处于最佳控制区间，以达到最小偏差控制。本发明从电路设计角度解决元件存在缺陷的影响，如噪声、漂移、老化等，适合于化学反应过程中的组份，各种温度、压力、液位、流量及气体渗碳中的气氛含量的控制。
文档编号G05B11/36GK85105657SQ85105657
公开日1987年1月14日 申请日期1985年7月17日
发明者周兆群 申请人:新疆机械研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan