带控制系统的双闭环数字调节器 【技术领域】
本发明涉及一种闭环数字调节器，特别是涉及一种带控制系统的双闭环数字调节器。
背景技术
工业自动化控制中的关键环节是比例积分微分(通常简称为PID)调节器。可以说PID调节器是整个控制系统中的核心，因此，提高PID调节器的调节功能、调节精度、调节速度以及稳定性，是至关重要的。现有技术中，多为单闭环结构的数字调节器，这种数字调节器只能适用于简单的单闭环工业控制系统中。它的功能比较少，精度较低、输入信号少，运行速度比较慢等。正因为它存在上述的不足，也就限制了它的应用与发展。
【发明内容】
本发明为了克服上述单闭环调节器所存在的不足，提供一种带控制系统的双闭节数字调节器，将有较多的输入和输出信号，较快地运算和较高的精度。
本发明的调节器所采取的技术方案是：采用带控制系统的双闭环。两个闭环有机地联接在一起，外闭环控制内闭环。外闭环也叫低速闭环，内闭环也叫高速闭环，即低速闭环控制高速闭环。内外闭环均有电流信号，频率信号和电压信号的输入与输出。内外闭环既可以联合运行，又可以分别独立地运行。
本发明的显著优点是：
1、功能多；有比较多的输入与输出信号。例如有直交流电流信号、直流电压信号、频率信号以致还有模拟信号输出输入，给定电压有斜坡式、阶跃式及其组合方式；
2、响应速度快；能够满足实时调节控制的要求。外闭环也称低速闭环。外闭环的运行速度是信号采样处理一次为毫秒(ms)级。在外闭环对信号采样处理一次时，内闭环在外闭环的控制下，已对信号采样处理20次。因此，内闭环对快速启动的电流能够及时跟上，能够快速实时地响应。
3、本发明地调节器结构简单、操作灵活、使用方便。
本发明调节器内外闭环有机的组合，所输出输入的信号是单闭环调节器所做不到的。即使将两个单闭环调节器简单地组合在一起，也做不到一机多功能。同时结构复杂，操作不方便。本发明的调节器两闭环有机的组合，结构简单，既可以双闭环同时使用，又可以各自独立的使用。
4、本发明的调节器可以直接输入频率信号，无需像在先技术中，先将频率信号经过复杂的电路处理后，才能输入。这也使本发明调节器结构大大的简化了。
5、本发明的调节器调节精度高，可靠性好，抗干扰能力强，调节精度可达2‰以上。
【附图说明】
图1是本发明调节器的结构示意图。
图2是图1中运算处理模块14的主要构成示意图。
图3是图1中外闭环1内第一信号输入模块12的主要构成示意图。
图4是图1中内闭环2内第二信号输入模块22的主要构成示意图。
图5是图1中信号输出模块15、24的主要构成示意图。
图6是本发明调节器的控制系统的结构示意图。
图7是图6结构的控制系统的流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图进一步说明本发明调节器的具体结构。
图1所示为本发明调节器的结构。如图所示，包含外闭环1和内闭环2。外闭环1中含有第一标准信号给定模块11、第一信号输入模块12、第一比较器13、运算处理模块14和第一信号输出模块15。其中第一标准信号给定模块11和第一信号输入模块12的输出端均联接到第一比较器13上，第一比较器13置于运算处理模块14内。第一信号输出模块15与运算处理模块14的输出端相联。
内闭环2中含有第二标准信号给定模块21、第二信号输入模块22、第二比较器23、第二信号输出模块24。所说的第二标准信号给定模块21和第二信号输入模块22的输出端均联接到第二比较器23上。第二比较器23也置于运算处理模块14内。第二信号输出模块24与运算处理模块14的输出端相联。
所说的第一标准信号给定模块11给定的信号有斜坡电压Ui-t、阶跃电压Ui及其斜坡与阶跃电压的组合。
所说的第二标准信号给定模块21给定的信号有斜坡电压Ui-t、阶跃电压Ui、斜坡和阶跃电压的组合以及交流电流信号。如在本实施例中给定的交流电流信号为4～20mA。
从图1的结构中看出，内闭环2与外闭环1共同拥有一个置于外闭环1内的运算处理模块14。充分地显示出外闭环1对内闭环2的控制。
图2所示的是图1中运算处理模块14的主要构成。如图1所示，运算处理模块14主要含有带给定编程电压电路U2和提供时钟频率的晶振芯片Y1的微处理器U1(简称CPU)。微处理器U1还带有多接口的接口端子。本实施例中选用高速微处理器U1为PIC16F877。
图3所示的是外闭环1中第一信号输入模块12的主要构成。如图1所示，第一信号输入模块12主要含有直流电流输入电路1201、频率信号输入电路1202和直流电压输入电路1203。
所说的直流电流输入电路1201是信号由接入端子J5输入经过跟随U9A进行整形放大后进入置于微处理器U1内的第一比较器13中。
所说的频率信号输入电路1202是频率信号从接入端子J7进入，经过光耦合隔离芯片U6的隔离，经过U9C的整形放大后，再经过频率—电压转换电路U13将频率信号转换成电压信号后，再经过滤波器U10A的滤波、跟随U10C的整形后，进入置于运算处理模块14的第一比较器13中。
所说的直流电压输入电路1203为电压信号由接入端子J16输入，经过跟随U12A整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第一比较器13中。
图4所示的是图1中内闭环2内的第二信号输入模块22的构成。如图2所示，第二信号输入模块22含有直流电流输入电路2201，频率信号输入电路2202，直流电压输入电路2203和交流电流输入电路2204。
所说的直流电流输入电路2201，如图4所示，电流信号由接入端子J6输入经过跟随U9B整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。
所说的频率信号输入电路2202，如图4所示，频率信号由接入端子J8进入，经过光耦合隔离芯片U5的隔离和U9D的整形放大后，再由频率—电压(F-V)转换电路U14将频率信号转换成电压信号，然后经滤波器U10B的滤波，跟随U10D的整形后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。
所说的直流电压输入电路2203，如图4所示，电压信号由接入端子J19进入，经过跟随U12B整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。
所说的交流电流输入电路2204，如图4所示，交流电流信号由接入端子J20输入，经过整流后，连续经过两个跟随U12C和U12D整形放大后，进入置于运算处理模块14内的第二比较器23中。
上述图3和图4所示的第一信号输入模块12和第二信号输入模块22中，含有的频率信号输入电路1202和2202中都含有频率—电压(F-V)转换电路U13和U14。正因为在频率信号输入电路中都含有频率—电压转换电路使频率信号变成电压信号，才能使频率信号直接输入。调节器能直接对频率信号进行调节和控制。免去了在先技术中，要输入频率信号时，需要经过较复杂的处理电路处理后才能输入。这也是本发明调节器结构简单的一大显著优点。
图5所示的是图1中结构相同的第一信号输出模块15和第二信号输出模块24的构成。它们均含有通讯电路1501，数模转换电路1502，报警线路1503和显示接口1504。
所说的通讯电路1501如图5所示，含有通信芯片U3，带光耦合器U4的通信芯片J1，高速光耦合芯片U7和U8。其中通信芯片U3和J1负责接收和发送信号。本实施例中，通信芯片U3采用MAX232芯片，J1采用T1483(或485)芯片。其中高速光耦合芯片U7和U8起隔离电信干扰和信号放大的作用。
所说的数模转换电路1502如图5所示，含有电压和电流信号两路输出电路：一路是由运算处理模块14输出的信号经过数模转换芯片U15的数模转换后，经过跟随U11A和U11B的整形放大后，由接口端子J9输出电压信号；另一路是由运算处理模块14输出的信号经过数模转换芯片U15的数模转换后，再经过电压—电流(V-I)转换电路将电压信号转换成电流信号，由接口端子U10输出电流信号。由数模转换电路1502输出的是电流电压的模拟信号。本实施例中，由接口端子J9输出的电压信号为0～5V。由接口端子J10输出的电流信号为4～20mA。
图5中U11的子件未用，U11C、U11D的输入端接地，主要是抗干扰。
图6所示的是本发明调节器的控制系统的结构。如图6所示，本发明调节器的控制系统含有控制系统初始化模块011，分别与控制系统初始化模块011相联的控制显示模块012和运算模式判断模块013，与运算模式判断模块013的输出端相联的控制信号输入模块014，与控制信号输入模块014的输出端相联的控制运算模块015，与控制运算模块015的输出端相联的控制输出模块016。
图7所示的是图6结构的调节器控制系统的流程。
调节器的启动首先是开启控制系统，如图7中系统入口，然后进入控制系统初始化模块011，并在控制显示模块012中有显示。如果已有通讯信号，则可以马上进入运算模式判断模块013中；如果没有，需要进行键盘输入处理和比例积分微分参数设定，而后进入运算模式判断模块013选定运算模式—是双闭环运行？还是双闭环各自独立运行？选定运行模式后，进入控制信号输入模块014，对内闭环2内的信号输入模块22或对外闭环1内的信号输入模块12或同时对其两者发出指令，令其输入信号；信号输入后，控制运算模块015开始启动，它驱动置于外闭环1内的含有微处理器的运算处理模块14进行运算，进行具体的比例积分微分运算；运算结果进入控制输出模块015，令其信号输出模块15、24启动后，输出所需要的信号。
综述图6和图7所描述的控制系统，更加说明了本发明的调节器，内外双闭环有机组合的特征，说明了上述本发明调节器显著的优点。