專利名稱：過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于自動(dòng)化控制技術(shù)，尤其是指一種過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括變頻調(diào)速器、交流電機(jī)、微型水泵和直流調(diào)速器、直流電機(jī)、微型水泵，運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊包括模擬調(diào)節(jié)器、位式控制器、單片機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制等，顯示模塊包括數(shù)字顯示儀表和計(jì)算機(jī)CRT顯示，傳感器信號(hào)檢測(cè)放大模塊包括傳感器信號(hào)檢測(cè)、放大和數(shù)字顯示調(diào)理電路，以及與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊的輔助模塊等。
過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的產(chǎn)品化，目前在國(guó)內(nèi)幾乎還是空白，國(guó)內(nèi)大部分高校過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)率為零。國(guó)內(nèi)有部分重點(diǎn)高校自制了類似的水位控制等實(shí)驗(yàn)裝置，但都是占地面積大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，控制方式簡(jiǎn)單，通常只用常規(guī)模擬儀表檢測(cè)和控制，投入維護(hù)的人力、物力很大。國(guó)外進(jìn)口的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置雖然結(jié)構(gòu)小巧玲瓏、制作精細(xì)，但一般控制對(duì)象單一，通常只有水位控制，另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一僅涉及控制算法，而價(jià)格通常要數(shù)十萬(wàn)元。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，以改善實(shí)驗(yàn)條件，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并使實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。
其主要技術(shù)方案是運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊的輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端連接實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象與運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊輸入端之間連接傳感器與放大調(diào)理電路。
所述運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊可以是一種單片機(jī)系統(tǒng)。該單片機(jī)系統(tǒng)由CPU、A/D、D/A電路、晶振電路、看門(mén)狗電路、通訊電路、數(shù)字光電隔離電路相互連接組成。
上述運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊也可以是一種模擬調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器由相互連接的集成運(yùn)算放大器、PID運(yùn)算電路、模擬光電隔離電路及波段開(kāi)關(guān)組成。
上述運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊還可以是一種位式控制器，并且該控制器由集成運(yùn)算放大器和邏輯運(yùn)算電路連接而組成。
所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是一種由直流調(diào)速器與直流電動(dòng)機(jī)及水泵連接而成的裝置。
所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可以由變頻器與交流電動(dòng)機(jī)及水泵相互連接而成。
上述執(zhí)行機(jī)構(gòu)還可以由固態(tài)繼電器與加熱器相互連接而成。
所述傳感器可以是溫度傳感器、或壓力傳感器、或流量傳感器、或液位傳感器。其中的液位傳感器可以與壓力傳感器相同。
傳感器放大調(diào)理電路由儀表放大器、集成運(yùn)算放大器及數(shù)字顯示調(diào)理電路連接而成。
本實(shí)用新型是基于控制理論基礎(chǔ)之上的集模擬電子線路、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、管理為一體的智能實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置既可以為本?？茖W(xué)生開(kāi)設(shè)過(guò)程控制、單片機(jī)技術(shù)、交直流調(diào)速等課程的實(shí)驗(yàn)，又可以為研究生、有關(guān)的專業(yè)教師和工程技術(shù)人員在復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制系統(tǒng)等方面的研究提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)現(xiàn)手段。
1.本裝置可開(kāi)設(shè)20多個(gè)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容覆蓋了幾乎所有自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
2.具有多種控制方式可供任意選擇可用模擬調(diào)節(jié)器、位式控制器、單片機(jī)、上位計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的控制器。
3.將信號(hào)的輸入、綜合和PID調(diào)節(jié)等功能設(shè)計(jì)成獨(dú)立的單元模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，可任意組合連接，便于學(xué)生對(duì)過(guò)程控制基本理論的理解和加深印象。
4.利用單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊接口，使計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理、運(yùn)算以及多種方法的系統(tǒng)辯識(shí)、仿真和控制。
5.整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用軟件與硬件的結(jié)合，模擬與數(shù)字的結(jié)合，既可進(jìn)行常規(guī)的模擬式控制，又可進(jìn)行數(shù)字式調(diào)節(jié)和智能化運(yùn)算。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為單片機(jī)系統(tǒng)模塊電路圖。
圖3模擬調(diào)節(jié)器模塊電路圖。
圖4為位式控制器模塊電路圖。
圖5為傳感器放大調(diào)理電路圖。
圖6為數(shù)字顯示調(diào)理電路圖。
圖7為模擬線性光電隔離電路。
具體實(shí)施方式
其靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖所示1、單片機(jī)系統(tǒng)電路該模塊包括A/D芯片IC1、CPU芯片IC2、D/A芯片IC4、IC5、晶振電路X1、看門(mén)狗電路芯片IC3、通訊電路芯片IC6和RS-232C接口、光電隔離電路芯片ISO201、IS0202以及電阻R201～R210、電位器P201、排阻PZ1、電容C201～C211等器件，接線柱S1～S4等元件組成。見(jiàn)圖2。
2、模擬調(diào)節(jié)器電路該模塊包括運(yùn)算放大器IC301～I(xiàn)C305、穩(wěn)壓器L301、波段開(kāi)關(guān)K1～K5、電阻R301～R319、電位器P301～P307、電容C301～C309、二極管I301-I303等器件，以及模擬光電隔離電路連接而成；其中模擬光電隔離電路包括運(yùn)算放大器IC701～I(xiàn)C706、模擬線性隔離器ISO701、電阻R701～R712、電位器P701～P702、電容C701～C703等器件和接線柱S5～S6等器件。見(jiàn)圖3、圖7。
3、位式控制器電路該模塊包括運(yùn)算放大器IC401～I(xiàn)C402、TTL集成電路U403～U405、比較器U401～U402、穩(wěn)壓管D401、電阻R401～R407、電位器P401、電容C401、三極管T401等器件組成。見(jiàn)圖4。
4、傳感器檢測(cè)放大調(diào)理電路由儀表放大器IC501、集成運(yùn)算放大器IC502、穩(wěn)壓管D501～D502、電阻R501～R514、電位器P501～P502、電容C501～C510、差壓傳感器MPX2010DP的輸入信號(hào)等器件，以及數(shù)字顯示調(diào)理電路連接而成；其中數(shù)字顯示調(diào)理電路包括集成運(yùn)算放大器IC601～I(xiàn)C604、穩(wěn)壓管D601/6V、電阻R601～R611、電位器P601～P602、電容C601～C603等器件。見(jiàn)圖5、圖6。
圖1中的虛線框圖表示在使用中任意選用其中的一個(gè)。
其動(dòng)態(tài)過(guò)程如下在選擇好實(shí)驗(yàn)對(duì)象的被控參數(shù)溫度、壓力、流量、液位，控制器方式計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、模擬調(diào)節(jié)器、位式控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交流電機(jī)、直流電機(jī)、加熱器后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1、單片機(jī)系統(tǒng)控制(對(duì)照?qǐng)D2)單片機(jī)系統(tǒng)電路主要完成以下功能·對(duì)采集到的液位信號(hào)進(jìn)行必要的處理，保證檢測(cè)精度符合要求；·利用通訊接口與上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；·進(jìn)行A/D、D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；·將傳感器信號(hào)送LED進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；·響應(yīng)鍵盤(pán)輸入，查看或修改用戶設(shè)定的液位上、下限值。通過(guò)鍵盤(pán)操作，可循環(huán)顯示各回路的測(cè)量值，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同的標(biāo)度轉(zhuǎn)換。
其過(guò)程為預(yù)先通過(guò)鍵盤(pán)KEY設(shè)定好給定值，PID參數(shù)、正/反給定等相關(guān)參數(shù)，然后通過(guò)INPUT端口接收傳感器檢測(cè)信號(hào)并經(jīng)過(guò)信號(hào)放大調(diào)理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，作為系統(tǒng)的反饋量，該信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換后送至CPU，并與內(nèi)給定進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算輸出控制信號(hào)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)OUTPUT端口去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。同時(shí)，單片機(jī)通過(guò)RS232C接口與計(jì)算機(jī)通訊，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)。
2、計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)單片機(jī)通訊口采集傳感器信號(hào)，并將最終控制信號(hào)經(jīng)單片機(jī)D/A口輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。
3、模擬PID調(diào)節(jié)器控制(對(duì)照?qǐng)D3、圖7)模擬PID調(diào)節(jié)器能對(duì)偏差信號(hào)實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分規(guī)律的控制。它包括正/反作用，P、I、D運(yùn)算，手動(dòng)/自動(dòng)切換等功能。傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大調(diào)理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)Vi，通過(guò)端口送到PID模擬調(diào)節(jié)器，并與外給定信號(hào)Vs進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)，該偏差值先后經(jīng)過(guò)微分、比例、積分運(yùn)算后，再經(jīng)過(guò)限幅處理，再經(jīng)過(guò)INPUT端口輸入，通過(guò)模擬光電隔離電路后，以1∶1的電壓大小經(jīng)OUTPUT端口輸出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。
4、位式控制器控制(對(duì)照?qǐng)D4)該模塊的主要功能是對(duì)偏差信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量控制。從Vh、Vl端口接收外界設(shè)定信號(hào)，分別表示位式控制的上下限，傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后通過(guò)Vi端口送到位式控制器中，將檢測(cè)信號(hào)與設(shè)定信號(hào)比較后，輸出一個(gè)高電平或低電平的控制信號(hào)，通過(guò)V04端口輸出。
5、傳感器檢測(cè)放大調(diào)理電路(對(duì)照?qǐng)D5、圖6)該模塊的主要功能是放大差壓傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)到伏級(jí)。將差壓傳感器的輸出信號(hào)分別接到Vin+、Vin-端口，然后經(jīng)過(guò)儀表放大器IC501放大后，由V01端口輸出。再將V01端口信號(hào)通過(guò)數(shù)字顯示調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(1-5V)，經(jīng)V03口輸出送給運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊和數(shù)字顯示儀表。
權(quán)利要求1.過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊的輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端連接實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象與控制部分輸入端之間連接傳感器與放大調(diào)理電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊是一種單片機(jī)系統(tǒng)，該單片機(jī)系統(tǒng)由CPU、A/D、D/A電路、晶振電路、看門(mén)狗電路、通訊電路、數(shù)字光電隔離電路相互連接組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊是一種模擬調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器由相互連接的集成運(yùn)算放大器、PID運(yùn)算電路、信號(hào)限幅電路、波段開(kāi)關(guān)及模擬光電隔離電路組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊是一種位式控制器，該控制器由集成運(yùn)算放大器和邏輯運(yùn)算電路連接而組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直流調(diào)速器與直流電動(dòng)機(jī)及水泵連接而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是執(zhí)行機(jī)構(gòu)由變頻器與交流電動(dòng)機(jī)及水泵連接而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是執(zhí)行機(jī)構(gòu)由固態(tài)繼電器與加熱器連接而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是傳感器為溫度傳感器、或壓力傳感器、或流量傳感器、或液位傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是傳感器檢測(cè)放大調(diào)理電路由放大電路及數(shù)字顯示調(diào)理電路連接而成。
專利摘要本實(shí)用新型屬于自動(dòng)化控制技術(shù)，尤其是指一種過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。其主要技術(shù)方案是運(yùn)算控制部分的輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端連接實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象與與運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊輸入端之間連接傳感器與放大調(diào)理電路。其中的運(yùn)算調(diào)節(jié)模塊是一種單片機(jī)系統(tǒng)，或模擬調(diào)節(jié)器，或位式控制器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以由直流調(diào)速器與直流電動(dòng)機(jī)及水泵連接而成，或由變頻器與交流電動(dòng)機(jī)及水泵連接而成，或由固態(tài)繼電器與加熱器連接而成。
文檔編號(hào)G05D27/02GK2526883SQ02219229
公開(kāi)日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者楊慧中, 陳剛, 周治平, 張新 申請(qǐng)人:江南大學(xué)