專(zhuān)利名稱(chēng)：量化控制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
自動(dòng)控制技術(shù)范疇。
二.主要用途適用于如水輪發(fā)電機(jī)組、火車(chē)等具有機(jī)械慣性的機(jī)械、機(jī)器、裝置的速度、轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制以及需自動(dòng)控制溫度的電爐等的溫度控制。
三.主要特點(diǎn)與其它同類(lèi)控制要求和控制對(duì)象的控制方法相比，是一種閉環(huán)反饋的、易于使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制的特殊方法。具有可克服機(jī)械慣性或溫度惰性，可防止過(guò)調(diào)，縮短調(diào)速時(shí)間的控制方法。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制軟件或程序，可很容易地設(shè)定和調(diào)整控制參數(shù)?？珊苋菀椎嘏c現(xiàn)有控制系統(tǒng)的其它部件、機(jī)構(gòu)、裝置配套應(yīng)用。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的新方法。具有顯著的新穎性，創(chuàng)造性和實(shí)用性。
四.意義與價(jià)值如與現(xiàn)代先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)控制成品機(jī)配套，預(yù)計(jì)可明顯地提高控制性能與效益?？商娲延械耐?lèi)自控方法。是我國(guó)和世界自控技術(shù)中的新成果。
五.原理與內(nèi)容 (一)概述 量化控制法是我在水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)中發(fā)現(xiàn)的閉環(huán)控制新方法，新理論。于一九七一年發(fā)現(xiàn)的。之前此發(fā)曾在1992年6月北京全國(guó)工業(yè)控制自動(dòng)化學(xué)術(shù)交流會(huì)議上采用公開(kāi)過(guò)，并于當(dāng)時(shí)入編到一部工業(yè)自動(dòng)化類(lèi)的論文集。現(xiàn)在經(jīng)我考慮使其應(yīng)用于實(shí)際祖國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。起初用于水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)的設(shè)想中。但其不僅適用于水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)，還適用于車(chē)船、電機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等具有機(jī)械慣性的對(duì)象的頻率和速度的控制。還可適用于電冶爐等需自動(dòng)控制溫度的電爐等的自動(dòng)控溫技術(shù)中。這一方法易使控制方法計(jì)算機(jī)化和軟件化。其控制性能預(yù)計(jì)良好可用?？蓽p少超調(diào)量，縮短控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程或時(shí)間。靜差小，控制質(zhì)量高。應(yīng)用之一如“說(shuō)明書(shū)附圖”圖1是水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速(或電頻)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖。
(二)量化控制法的基本原理 量化控制，顧名思義就是把被調(diào)量或模擬量(如頻率、速度及其導(dǎo)數(shù)和偏差)量化為運(yùn)用數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算的離散脈沖數(shù)。其控制性能類(lèi)似于閉環(huán)負(fù)反饋微分自動(dòng)控制原理。從被調(diào)物理量及其導(dǎo)數(shù)著眼.如圖1由傳感器檢測(cè)出被控對(duì)象的被調(diào)參量(如速度、頻率等)的電訊號(hào)，然后由A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算的電脈沖數(shù)，輸入“輸入通道設(shè)備”。在輸入通道設(shè)備中置一脈沖頻率計(jì)數(shù)器和寄存器。頻率計(jì)數(shù)器的選通脈沖的基準(zhǔn)周期的長(zhǎng)短視被檢對(duì)象的具體要求而定。寄存器用以寄存前后相臨兩基準(zhǔn)周期脈沖中前一脈沖選通時(shí)的脈沖數(shù)。此寄存器亦可由計(jì)算機(jī)中內(nèi)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元代替。在需要時(shí)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出取數(shù)信號(hào)，將被調(diào)量脈沖頻率值取至計(jì)算機(jī)參加運(yùn)算。由計(jì)算機(jī)在控制程序的(見(jiàn)后)的控制下解算出被調(diào)量脈沖頻率的導(dǎo)數(shù)和偏差。然后將被調(diào)量脈沖頻率導(dǎo)數(shù)及其偏差一起根據(jù)某時(shí)即時(shí)值的大小和極性(即正負(fù)號(hào))，鑒別出控制信號(hào)， 如“增速信號(hào)”或“減速信號(hào)”。，輸出至“輸出通道”寄存器寄存并送至D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成控制要求的信號(hào)，而且其值亦隨要求而變化。這個(gè)信號(hào)可以是信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短及其幅值的高低。控制信號(hào)被計(jì)算、鑒別、分離出后由功率放大器放大并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能量通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī))對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，使其恢復(fù)到給定狀態(tài)。即使被控參數(shù)恢復(fù)到給定值。這個(gè)給定值依對(duì)象不同，可以是常量，也可以是變量。所算得的被調(diào)量頻率偏差轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)。其幅值同偏差成正比。這樣偏差大時(shí)執(zhí)行速度較快，以縮短調(diào)速時(shí)間；偏差小時(shí)執(zhí)行速度較慢，以減小超調(diào)量。水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速(或電頻)調(diào)節(jié)方法原理如“說(shuō)明書(shū)附圖”圖2。
計(jì)算機(jī)可用專(zhuān)用機(jī)，亦可用分時(shí)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)同其它過(guò)程(如檢測(cè)，其它控速過(guò)程等)分時(shí)運(yùn)用。除計(jì)算機(jī)，輸入，輸出通道及軟件外，其余設(shè)備如傳感器，功率放大器以及執(zhí)行設(shè)備等，均需按具體控制對(duì)象要求設(shè)計(jì)制造。
(三)具體過(guò)程分析 被控對(duì)象的過(guò)程或給定狀態(tài)變化時(shí)，被調(diào)參量S偏離給定值S0增加或減少，其值輸入計(jì)算機(jī)解算出其偏差和導(dǎo)數(shù)(包括量值及正負(fù)極性)。將這些偏差和導(dǎo)數(shù)按其值大小和極性，在程序控制下，被即時(shí)區(qū)分為不同的數(shù)字區(qū)間P1、P2……Pn和b1，b2……bn，然后由程序?qū)⑵滂b別為“增速信號(hào)”或“減速信號(hào)”對(duì)外輸出，控制被調(diào)對(duì)象恢復(fù)到給定值狀態(tài)。具體分析如圖2。
過(guò)程(1)此為靜態(tài)區(qū).即被調(diào)量的即時(shí)值在給定區(qū)附近的允許偏差范圍內(nèi)，在此區(qū)內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，使被調(diào)量穩(wěn)定在給定值。靜態(tài)區(qū)偏差大小可按被控制對(duì)象技術(shù)要求通過(guò)程序調(diào)整。
過(guò)程(2)圖2中的“不調(diào)區(qū)”(即執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，無(wú)控制信號(hào)時(shí))，此區(qū)域內(nèi)，是被調(diào)量在該偏差時(shí)的允許值。此時(shí)被調(diào)量雖已允許導(dǎo)數(shù)值向其給定值(靜態(tài)區(qū))過(guò)渡，但沒(méi)有控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。
過(guò)程(3)當(dāng)被控對(duì)象受擾動(dòng)時(shí)，被調(diào)量S偏離給定值減小。偏差增大時(shí)，計(jì)算機(jī)就即時(shí)產(chǎn)生“增速信號(hào)”，從而使偏差增大的趨勢(shì)減緩，使過(guò)程即時(shí)得到恢復(fù)。這樣，可減少超調(diào)量，縮短動(dòng)態(tài)過(guò)程。
過(guò)程(4)當(dāng)被調(diào)量小于給定值或給定值增大時(shí)的恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，偏差大時(shí)給定較大的導(dǎo)數(shù)，使恢復(fù)過(guò)程較快，可縮短恢復(fù)時(shí)間。偏差小時(shí)給定較小的導(dǎo)數(shù)值可使過(guò)程減少過(guò)調(diào)。當(dāng)導(dǎo)數(shù)大于某偏差時(shí)的給定值時(shí)，計(jì)算機(jī)即時(shí)產(chǎn)生“減速信號(hào)”使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，減少導(dǎo)數(shù)值，以防過(guò)調(diào)。當(dāng)導(dǎo)數(shù)小于該偏差時(shí)的給定值時(shí)，計(jì)算機(jī)即時(shí)產(chǎn)生“增速信號(hào)”使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，增大導(dǎo)數(shù)值，以加快恢復(fù)過(guò)程。
過(guò)程(5)當(dāng)被控制對(duì)象受擾動(dòng)被調(diào)量增大，偏差增大時(shí)，計(jì)算機(jī)就即時(shí)產(chǎn)生“減速信號(hào)”，從而使偏差增大的趨勢(shì)減緩，使過(guò)程即時(shí)恢復(fù)。這樣也可減少超調(diào)量，縮短動(dòng)態(tài)過(guò)程。
過(guò)程(6)當(dāng)被調(diào)量大于給定值或給定值減小的恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，偏差大時(shí)給定較大的導(dǎo)數(shù)，使恢復(fù)過(guò)程較快，可縮短動(dòng)態(tài)時(shí)間。偏差較小時(shí)給定較小的導(dǎo)數(shù)，可減小超調(diào)量。當(dāng)導(dǎo)數(shù)大于其偏差時(shí)的給定值，計(jì)算機(jī)即產(chǎn)生“增速信號(hào)”，使執(zhí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，減小導(dǎo)數(shù)值，以減少超調(diào)量。當(dāng)導(dǎo)數(shù)小于某偏差時(shí)的給定值時(shí)，計(jì)算機(jī)即產(chǎn)生“減速信號(hào)”，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，增大導(dǎo)數(shù)值，以加快恢復(fù)過(guò)程。
被調(diào)量給定值在過(guò)程控制中，隨對(duì)象不同，有的屬恒定值，有的是隨時(shí)間而變化的。因而控制信號(hào)的產(chǎn)生有的是由擾動(dòng)引起的，有的是因?qū)ο蠊ぷ鬟^(guò)程變化化給定值變化引起的。由擾動(dòng)引起被調(diào)量變化時(shí)，，有以上過(guò)程(3)、(5)。因?qū)ο蟊徽{(diào)量給定值變化時(shí)，沒(méi)有以上過(guò)程(3)和(5)。以上過(guò)程(1)~(6)中，過(guò)程(1)為靜態(tài)過(guò)程，其余(2)~(6)均為動(dòng)態(tài)過(guò)程。
圖2“量化控制法坐標(biāo)圖”的象限次序與初等數(shù)學(xué)中的直角坐標(biāo)系的相同。過(guò)程(5)在第一象限。
此象限內(nèi)，偏差和導(dǎo)數(shù)均為正值。過(guò)程(3)在第三象限內(nèi)。此象限內(nèi)，偏差和導(dǎo)數(shù)均為負(fù)值。過(guò)程(4)在第二象限。此象限內(nèi)，偏差為負(fù)。導(dǎo)數(shù)為正。過(guò)程(6)在第四象限。此象限內(nèi)，偏差為正，導(dǎo)數(shù)為負(fù)。過(guò)程(2)在第二、第四象限，為“不調(diào)區(qū)”。過(guò)程(1)即靜態(tài)區(qū)在橫軸上。圖2中縱橫坐標(biāo)軸的箭頭均指正方向。P軸為偏差軸，b軸為導(dǎo)數(shù)軸。偏差和導(dǎo)數(shù)“0”值均在坐標(biāo)原點(diǎn)o上。靜態(tài)區(qū)即在原點(diǎn)上。
(四)表達(dá)″量化控制法″的邏緝代式 按照?qǐng)D2″量化控制法坐標(biāo)圖″可寫(xiě)出表達(dá)控制信號(hào)的邏輯代數(shù)式如下 增速信號(hào)(圖2中的″增速區(qū)″即為產(chǎn)生增速信號(hào)的區(qū)域) ZS＝CD+CD〔Q1(R2+R3+…+Rn)+Q2(R3+R4+…+Rn)+…+Qn-1(Rn+Rn+1+…)〕+CD〔Q3(R1+R2)+Q4(R1+R2+R3)+…+Qn-(R1+R2+…+Rn-1)〕 減速信號(hào)(圖2中的“減速區(qū)”即為產(chǎn)生減速信號(hào)的區(qū)域) ZJ＝CD+CD〔Q1(R2+R3+…+Rn)+Q2(R3+R4+…+Rn)+…+Qn-1(Rn+Rn+1+…)〕+CD〔Q3(R1+R2)+Q4(R1+R2+R3)+…+ Qn(R1+R2+…+Rn-1)] 不調(diào)信號(hào)(圖2中的″不調(diào)區(qū)″，即沒(méi)有控制信號(hào)的區(qū)域) BT＝(CD+CD)(Q1R1+Q2R2+…+QnRn) 以上為量化控制法的布爾代數(shù)式。
以上三邏輯式中的符號(hào)的意義如下 C__偏差為正。C——偏差為負(fù)。D——導(dǎo)數(shù)為正。D——導(dǎo)數(shù)為負(fù)。Qi__Pi-1～Pi(偏差區(qū)間)。Ri__Ri-1～Ri(導(dǎo)數(shù)區(qū)間)。Pi、Ri——為偏差及導(dǎo)數(shù)的界值。bi＝0——為導(dǎo)數(shù)值為0，在坐標(biāo)原點(diǎn)上。P0＝0——為偏差值為0，也在坐標(biāo)原點(diǎn)上。
(五)量化控制法的計(jì)算機(jī)程序 根據(jù)圖2“量化控制法坐標(biāo)圖”和上面的布爾代數(shù)式，可寫(xiě)出實(shí)現(xiàn)量化控制法的計(jì)算機(jī)PASCAL程序如下 PROGRAM Digitcontrol(inchl，outchl) Var ZS，JS，C，d:boolean A，e，s，b，S0，P:integer Begin 1:Read(S，S0，e，P1，P2......Pn，b1，b2......bm) a:＝s，b:＝e-a，p:＝so-a. if b＞0 then d:＝true； if b＜0 then d:＝false； if p＞0 then c:＝true； if p＜0 then c:＝false； e:＝a； if c＝True and d＝true then ZS:＝true； ZJ:＝false； If c＝false and d＝false then ZJ:＝true；ZS:＝false； While c＝false and d＝true If p＞po and p＜＝p1 and b＞b1； Or p＞p1 and p＜＝p2 and b＜b2； …… or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞bm then ZS:＝true；ZJ:＝false； If p＞p1 and p＜＝p2 and b＝b1 Or p＞＝p2 and p＜＝p3 and b＜b2 …… or p＞＝pn and b＜bm then ZJ:＝true，ZS＝false； if p＞＝p0 and p＜＝p1 and b＝b1 or p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＞＝b1 and b＜＝b2 …… or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞＝b(m-1)and b＜＝bm then ZS:＝false and ZJ＝false While c＝true and d＝false If p＞＝p0 and p＜＝p1 and b＞b1 Or p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＞b2 …… or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞bmthen ZJ＝true，Z S:＝false； if p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＝b1 or p＞＝p1 and p＜＝p3 and b＜b2 …… or p＞＝pn and b＜bm then ZS:＝true and ZJ:＝false； if p＞＝p0 and p＜＝p1 and b＝b1 or p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＞＝b1 and b＜＝b2 …… or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞＝b(m-1)andb＜＝bmthen ZS:＝false and ZJ:＝false； While(ZS:＝false，ZJ:＝false)； GOTO 1； END. 以上用PASCAL語(yǔ)言編寫(xiě)的的程序，對(duì)“量化控制法”來(lái)說(shuō)是一種嘗試，因?yàn)檫@一控制法屬于首創(chuàng)，因而程序在編寫(xiě)過(guò)程中有些內(nèi)容沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可依。
有關(guān)程序及符號(hào)的意義的說(shuō)明如下 Digitcontrol為程序名“量化控制法”。
Inchl為自定義輸入文件，亦為輸入通道。
Outchl為自定義輸出文件，亦即輸出通道。
Gotol語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的整個(gè)實(shí)時(shí)過(guò)程控制的循環(huán)。其意義是執(zhí)行完整個(gè)程序段后轉(zhuǎn)向標(biāo)號(hào)為“1”的語(yǔ)句，有重返下一循環(huán)的程序執(zhí)行工作。如此往復(fù)不已，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制功能。
Read語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)將輸入通道中控制對(duì)象的被調(diào)量脈沖的即時(shí)頻率S及其該時(shí)的給定值S0以及前選相鄰脈頻e輸入計(jì)算機(jī)。
While語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)將運(yùn)行以上程序一個(gè)循環(huán)后的結(jié)果，即偏差p＝s0-a的絕對(duì)值，控制信號(hào)ZS＝true或ZJ＝true，輸出至輸出通道中，然后經(jīng)變換放大后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象的被調(diào)量恢復(fù)至給定值。
程序中的p0、p1、p2……pn和b0、b1、b2……bm分別為頻率偏差及頻率導(dǎo)數(shù)區(qū)間的界值。在試驗(yàn)或調(diào)試中可根據(jù)控制對(duì)象要求通過(guò)修改程序輸入值而定。方法簡(jiǎn)單容易。
以上程序的循環(huán)周期可按控制對(duì)象的要求而定。不同對(duì)象循環(huán)周期不同。
導(dǎo)數(shù)b＝e-Aui以頻率計(jì)數(shù)器的選通脈沖周期為時(shí)間單位的脈頻變化值。若換算為為通常的以秒為單位時(shí)則b＝(e-a)/Δt。ΔTji5選通周期的秒數(shù)。
變量s、b、p、e、so均以脈沖個(gè)數(shù)為單位，因而其類(lèi)型均為整型integer。
程序中的C＝true代表偏差偽正，C＝false代表偏差為負(fù)。d＝true代表導(dǎo)數(shù)為正，d＝false代表導(dǎo)數(shù)為負(fù)。ZS＝true代表有增速信號(hào)，ZJ＝true代表有減速信號(hào)。ZS＝false和ZJ＝false都代表沒(méi)有控制信號(hào)(即既沒(méi)增速信號(hào)，也沒(méi)減速信號(hào))。S為被調(diào)量即時(shí)脈頻(變量)，Ewz前選時(shí)相鄰脈頻(變量)。So為某時(shí)被調(diào)量對(duì)應(yīng)脈頻給定值。B為某時(shí)即時(shí)導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值。P為某時(shí)即時(shí)偏差絕對(duì)值。
“量化控制法”這一名稱(chēng)一方面是因?yàn)榭刂茖?duì)象的被調(diào)參量經(jīng)變換后變?yōu)檫m合計(jì)算機(jī)解算及精度 要求的離散脈沖數(shù)，另一方面是在計(jì)算機(jī)內(nèi)解算時(shí)偏差和導(dǎo)數(shù)被區(qū)分為離散的區(qū)間Qi和Ri(Qi、Ri意義見(jiàn)前面邏輯代數(shù)式。) 說(shuō)明書(shū)


圖1量化控制法系統(tǒng)原理方框圖。
圖2量化控制法工作性能原理圖。
權(quán)利要求
一發(fā)明名稱(chēng)量化控制法。
二所屬領(lǐng)域本發(fā)明方法屬自動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
三主要用途適用于如水輪發(fā)電機(jī)組、火車(chē)等具有機(jī)械慣性的機(jī)械、機(jī)器、裝置的速度、轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制以及需自動(dòng)控制溫度的電爐等的溫度控制。
四主要特點(diǎn)與其它同類(lèi)控制要求和控制對(duì)象的控制方法相比，是一種閉環(huán)反饋的、易于使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制的特殊方法。具有可克服機(jī)械慣性或溫度惰性，可防止過(guò)調(diào)，縮短調(diào)速時(shí)間的控制方法。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制軟件或程序，可很容易地設(shè)定和調(diào)整控制參數(shù)?？珊苋菀椎嘏c現(xiàn)有控制系統(tǒng)的其它部件、機(jī)構(gòu)、裝置配套應(yīng)用。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的新方法。具有顯著的新穎性，創(chuàng)造性和實(shí)用性。
五請(qǐng)求保護(hù)的范圍
(一)請(qǐng)求保護(hù)本發(fā)明方法主體量化控制法的構(gòu)思、設(shè)計(jì)的發(fā)明權(quán)、專(zhuān)利權(quán)、有賞轉(zhuǎn)讓權(quán)。
本發(fā)明由幾部分組成
1.量化控制法。
2.量化控制法軟件程序。
3.論文《量化控制法的基本規(guī)律原理及其計(jì)算機(jī)軟件》
六
權(quán)利要求
請(qǐng)求中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局、國(guó)家有關(guān)部門(mén)、有關(guān)司法機(jī)關(guān)、有關(guān)按權(quán)利與義務(wù)要求應(yīng)盡保護(hù)義務(wù)的單位和公民，以及聯(lián)合國(guó)和全世界應(yīng)盡保護(hù)義務(wù)的組織、國(guó)家與個(gè)人，尊重、承認(rèn)和保護(hù)本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的和平、合理、公正、高效的利用、使用及屬于中國(guó)和我個(gè)人的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明的榮譽(yù)權(quán)，我個(gè)人的著作權(quán)和專(zhuān)利權(quán)。
七要求保護(hù)的技術(shù)技術(shù)特征及內(nèi)容
(一)概述
量化控制法是我在水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)中發(fā)現(xiàn)的閉環(huán)控制新方法，新理論。于一九七一年發(fā)現(xiàn)的。之前此發(fā)曾在1992年6月北京全國(guó)工業(yè)控制自動(dòng)化學(xué)術(shù)交流會(huì)議上采用公開(kāi)過(guò)，并于當(dāng)時(shí)入編到一部工業(yè)自動(dòng)化類(lèi)的論文集?，F(xiàn)在經(jīng)我考慮使其應(yīng)用于實(shí)際祖國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。起初用于水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)的設(shè)想中。但其不僅適用于水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)，還適用于車(chē)船、電機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等具有機(jī)械慣性的對(duì)象的頻率和速度的控制。還可適用于電冶爐等需自動(dòng)控制溫度的電爐等的自動(dòng)控溫技術(shù)中。這一方法易使控制方法計(jì)算機(jī)化和軟件化。其控制性能預(yù)計(jì)良好可用?？蓽p少超調(diào)量，縮短控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程或時(shí)間。靜差小，控制質(zhì)量高。應(yīng)用之一如“說(shuō)明書(shū)附圖”中的水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速(或電頻)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理框1。
(二)量化控制法的基本原理
量化控制，顧名思義就是把被調(diào)量或模擬量(如頻率、速度及其導(dǎo)數(shù)和偏差)量化為運(yùn)用數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算的離散脈沖數(shù)。其控制性能類(lèi)似于閉環(huán)負(fù)反饋微分自動(dòng)控制原理。從被調(diào)物理量及其導(dǎo)數(shù)著眼.如圖1由傳感器檢測(cè)出被控對(duì)象的被調(diào)參量(如速度、頻率等)的電訊號(hào)，然后由A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算的電脈沖數(shù)，輸入“輸入通道設(shè)備”。在輸入通道設(shè)備中置一脈沖頻率計(jì)數(shù)器和寄存器。頻率計(jì)數(shù)器的選通脈沖的基準(zhǔn)周期的長(zhǎng)短視被檢對(duì)象的具體要求而定。寄存器用以寄存前后相臨兩基準(zhǔn)周期脈沖中前一脈沖選通時(shí)的脈沖數(shù)。此寄存器亦可由計(jì)算機(jī)中內(nèi)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元代替。在需要時(shí)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出取數(shù)信號(hào)，將被調(diào)量脈沖頻率值取至計(jì)算機(jī)參加運(yùn)算。由計(jì)算機(jī)在控制程序的(見(jiàn)后)的控制下解算出被調(diào)量脈沖頻率的導(dǎo)數(shù)和偏差。然后將被調(diào)量脈沖頻率導(dǎo)數(shù)及其偏差一起根據(jù)某時(shí)即時(shí)值的大小和極性(即正負(fù)號(hào))，鑒別出控制信號(hào)，如“增速信號(hào)”或“減速信號(hào)”。，輸出至“輸出通道”寄存器寄存并送至D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成控制要求的信號(hào)，而且其值亦隨要求而變化。這個(gè)信號(hào)可以是信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短及其幅值的高低。控制信號(hào)被計(jì)算、鑒別、分離出后由功率放大器放大并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或電能量通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī))對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，使其恢復(fù)到給定狀態(tài)。即使被控參數(shù)恢復(fù)到給定值。這個(gè)給定值依對(duì)象不同，可以是常量，也可以是變量。所算得的被調(diào)量頻率偏差轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)。其幅值同偏差成正比。這樣偏差大時(shí)執(zhí)行速度較快，以縮短調(diào)速時(shí)間；偏差小時(shí)執(zhí)行速度較慢，以減小超調(diào)量。對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速(或電頻)的調(diào)節(jié)方法見(jiàn)“說(shuō)明書(shū)附圖”圖2。
計(jì)算機(jī)可用專(zhuān)用機(jī)，亦可用分時(shí)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)同其它過(guò)程(如檢測(cè)，其它控速過(guò)程等)分時(shí)運(yùn)用。除計(jì)算機(jī)，輸入，輸出通道及軟件外，其余設(shè)備如傳感器，功率放大器以及執(zhí)行設(shè)備等，均需按具體控制對(duì)象要求設(shè)計(jì)制造。
(三)具體過(guò)程分析
被控對(duì)象的過(guò)程或給定狀態(tài)變化時(shí)，被調(diào)參量S偏離給定值S0增加或減少，其值輸入計(jì)算機(jī)解算出其偏差和導(dǎo)數(shù)(包括量值及正負(fù)極性)。將這些偏差和導(dǎo)數(shù)按其值大小和極性，在程序控制下，被即時(shí)區(qū)分為不同的數(shù)字區(qū)間P1、P2……Pn和b1，b2……bn，然后由程序?qū)⑵滂b別為“增速信號(hào)”或“減速信號(hào)”對(duì)外輸出，控制被調(diào)對(duì)象恢復(fù)到給定值狀態(tài)。具體分析如圖2。
過(guò)程(1)此為靜態(tài)區(qū).即被調(diào)量的即時(shí)值在給定區(qū)附近的允許偏差范圍內(nèi)，在此區(qū)內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，使被調(diào)量穩(wěn)定在給定值。靜態(tài)區(qū)偏差大小可按被控制對(duì)象技術(shù)要求通過(guò)程序調(diào)整。
過(guò)程(2)圖2中的“不調(diào)區(qū)”(即執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，無(wú)控制信號(hào)時(shí))，此區(qū)域內(nèi)，是被調(diào)量在該偏差時(shí)的允許值。此時(shí)被調(diào)量雖已允許導(dǎo)數(shù)值向其給定值(靜態(tài)區(qū))過(guò)渡，但沒(méi)有控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。
過(guò)程(3)當(dāng)被控對(duì)象受擾動(dòng)時(shí)，被調(diào)量S偏離給定值減小。偏差增大時(shí)，計(jì)算機(jī)就即時(shí)產(chǎn)生“增速信號(hào)”，從而使偏差增大的趨勢(shì)減緩，使過(guò)程即時(shí)得到恢復(fù)。這樣，可減少超調(diào)量，縮短動(dòng)態(tài)過(guò)程。
過(guò)程(4)當(dāng)被調(diào)量小于給定值或給定值增大時(shí)的恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，偏差大時(shí)給定較大的導(dǎo)數(shù)，使恢復(fù)過(guò)程較快，可縮短恢復(fù)時(shí)間。偏差小時(shí)給定較小的導(dǎo)數(shù)值可使過(guò)程減少過(guò)調(diào)。當(dāng)導(dǎo)數(shù)大于某偏差時(shí)的給定值時(shí)，計(jì)算機(jī)即時(shí)產(chǎn)生“減速信號(hào)”使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，減少導(dǎo)數(shù)值，以防過(guò)調(diào)。當(dāng)導(dǎo)數(shù)小于該偏差時(shí)的給定值時(shí)，計(jì)算機(jī)即時(shí)產(chǎn)生“增速信號(hào)”使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，增大導(dǎo)數(shù)值，以加快恢復(fù)過(guò)程。
過(guò)程(5)當(dāng)被控制對(duì)象受擾動(dòng)被調(diào)量增大，偏差增大時(shí)，計(jì)算機(jī)就即時(shí)產(chǎn)生“減速信號(hào)”，從而使偏差增大的趨勢(shì)減緩，使過(guò)程即時(shí)恢復(fù)。這樣也可減少超調(diào)量，縮短動(dòng)態(tài)過(guò)程。
過(guò)程(6)當(dāng)被調(diào)量大于給定值或給定值減小的恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，偏差大時(shí)給定較大的導(dǎo)數(shù)，使恢復(fù)過(guò)程較快，可縮短動(dòng)態(tài)時(shí)間。偏差較小時(shí)給定較小的導(dǎo)數(shù)，可減小超調(diào)量。當(dāng)導(dǎo)數(shù)大于其偏差時(shí)的給定值，計(jì)算機(jī)即產(chǎn)生“增速信號(hào)”，使執(zhí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，減小導(dǎo)數(shù)值，以減少超調(diào)量。當(dāng)導(dǎo)數(shù)小于某偏差時(shí)的給定值時(shí)，計(jì)算機(jī)即產(chǎn)生“減速信號(hào)”，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，增大導(dǎo)數(shù)值，以加快恢復(fù)過(guò)程。
被調(diào)量給定值在過(guò)程控制中，隨對(duì)象不同，有的屬恒定值，有的是隨時(shí)間而變化的。因而控制信號(hào)的產(chǎn)生有的是由擾動(dòng)引起的，有的是因?qū)ο蠊ぷ鬟^(guò)程變化化給定值變化引起的。由擾動(dòng)引起被調(diào)量變化時(shí)，，有以上過(guò)程(3)、(5)。因?qū)ο蟊徽{(diào)量給定值變化時(shí)，沒(méi)有以上過(guò)程(3)和(5)。以上過(guò)程(1)~(6)中，過(guò)程(1)為靜態(tài)過(guò)程，其余(2)~(6)均為動(dòng)態(tài)過(guò)程。
圖2“量化控制法坐標(biāo)圖”的象限次序與初等數(shù)學(xué)中的直角坐標(biāo)系的相同。過(guò)程(5)在第一象限。此象限內(nèi)，偏差和導(dǎo)數(shù)均為正值。過(guò)程(3)在第三象限內(nèi)。此象限內(nèi)，偏差和導(dǎo)數(shù)均為負(fù)值。過(guò)程(4)在第二象限。此象限內(nèi)，偏差為負(fù)。導(dǎo)數(shù)為正。過(guò)程(6)在第四象限。此象限內(nèi)，偏差為正，導(dǎo)數(shù)為負(fù)。過(guò)程(2)在第二、第四象限，為“不調(diào)區(qū)”。過(guò)程(1)即靜態(tài)區(qū)在橫軸上。圖2中縱橫坐標(biāo)軸的箭頭均指正方向。P軸為偏差軸，b軸為導(dǎo)數(shù)軸。偏差和導(dǎo)數(shù)“0”值均在坐標(biāo)原點(diǎn)o上。靜態(tài)區(qū)即在原點(diǎn)上。
(四)表達(dá)″量化控制法″的邏緝代式
按照?qǐng)D2″量化控制法坐標(biāo)圖″可寫(xiě)出表達(dá)控制信號(hào)的邏輯代數(shù)式如下
增速信號(hào)(圖2中的″增速區(qū)″即為產(chǎn)生增速信號(hào)的區(qū)域)
ZS＝CD+CD〔Q1(R2+R3+…+Rn)+Q2(R3+R4+…+Rn)+…+Qn-1(Rn+Rn+1+…)〕+CD〔Q3(R1+R2)+Q4(R1+R2+R3)+…+Qn(R1+R2+…+Rn-1)〕
減速信號(hào)(圖2中的“減速區(qū)”即為產(chǎn)生減速信號(hào)的區(qū)域)
ZJ＝CD+CD〔Q1(R2+R3+…+Rn)+Q2(R3+R4+…+Rn)+…+Qn-1(Rn+Rn+1+…)〕+CD〔Q3(R1+R2)+Q4(R1+R2+R3)+…+Qn(R1+R2+…+Rn-1)]
不調(diào)信號(hào)(圖2中的″不調(diào)區(qū)″，即沒(méi)有控制信號(hào)的區(qū)域)
BT＝(CD+CD)(Q1R1+Q2R2+…+QnRn)
以上為量化控制法的布爾代數(shù)式。
以上三邏輯式中的符號(hào)的意義如下
C____偏差為正。C——偏差為負(fù)。D——導(dǎo)數(shù)為正。D——導(dǎo)數(shù)為負(fù)。Qi____Pi-1～Pi(偏差區(qū)間)。Ri____Ri-1～Ri(導(dǎo)數(shù)區(qū)間)。Pi、Ri——為偏差及導(dǎo)數(shù)的界值。bi＝0——為導(dǎo)數(shù)值為0，在坐標(biāo)原點(diǎn)上。P0＝0——為偏差值為0，也在坐標(biāo)原點(diǎn)上。
(五)量化控制法的計(jì)算機(jī)程序
根據(jù)圖2“量化控制法坐標(biāo)圖”和上面的布爾代數(shù)式，可寫(xiě)出實(shí)現(xiàn)量化控制法的計(jì)算機(jī)PASCAL程序
如下
PROGRAM Digitcontrol(inchl，outchl)Var
ZS，JS，C，dboolean
A，e，s，b，SO，Pinteger
Begin
1Read(S，SO，e，P1，P2......Pn，b1，b2......bm)
a＝s，b＝e-a，p＝so-a.
if b＞0 then d＝true；
if b＜0 then d＝false；
if p＞0 then c＝true；
if p＜0 then c＝false；
e＝a；
if c＝True and d＝true then ZS＝true；
ZJ＝false；
If c＝false and d＝false then ZJ＝true；
ZS＝false；
While c＝false and d＝true
If p＞po and p＜＝p1 and b＞b1；
Or p＞p1 and p＜＝p2 and b＜b2；
……
or p＞＝p(n-1) and p＜＝pn and b＞bm then ZS＝true；
ZJ＝false；
If p＞p1 and p＜＝p2 and b＝b1
Or p＞＝p2 and p＜＝p3 and b＜b2
……
or p＞＝pn and b＜bm
then ZJ＝true，ZS＝false；
if p＞＝p0 and p＜＝p1 and b＝b1
or p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＞＝b1 and b＜＝b2
……
or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞＝b(m-1)and b＜＝bm
then ZS＝false and ZJ＝false
While c＝true and d＝false
If p＞＝p0 and p＜＝p1 and b＞b1
Or p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＞b2
……
or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞bm
then ZJ＝true，ZS＝false；
if p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＝b1
or p＞＝p1 and p＜＝p3 and b＜b2
……
or p＞＝pn and b＜bm；
then ZS＝true and ZJ＝false if p＞＝p0 and p＜＝p1 and b＝b1
or p＞＝p1 and p＜＝p2 and b＞＝b1 and b＜＝b2
……
or p＞＝p(n-1)and p＜＝pn and b＞＝b(m-1)and
b＜＝bm
then ZS＝false and ZJ＝false；
While(ZS＝false，ZJ＝false)；
GOTO 1；
END.
以上用PASCAL語(yǔ)言編寫(xiě)的的程序，對(duì)“量化控制法”來(lái)說(shuō)是一種嘗試，因?yàn)檫@一控制法屬于首創(chuàng)，因而程序在編寫(xiě)過(guò)程中有些內(nèi)容沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可依。
有關(guān)程序及符號(hào)的意義的說(shuō)明如下
Digitcontrol為程序名“量化控制法”。
Inchl為自定義輸入文件，亦為輸入通道。
Outchl為自定義輸出文件，亦即輸出通道。
Gotol語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的整個(gè)實(shí)時(shí)過(guò)程控制的循環(huán)。其意義是執(zhí)行完整個(gè)程序段后轉(zhuǎn)
代表沒(méi)向標(biāo)號(hào)為“1”的語(yǔ)句，有重返下一循環(huán)的程序執(zhí)行工作。如此往復(fù)不已，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制功能。
Read語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)將輸入通道中控制對(duì)象的被調(diào)量脈沖的即時(shí)頻率S及其該時(shí)的給定值S0以及前選相鄰脈頻e輸入計(jì)算機(jī)。
While語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)將運(yùn)行以上程序一個(gè)循環(huán)后的結(jié)果，即偏差p＝s0-a的絕對(duì)值，控制信號(hào)ZS＝true或ZJ＝true，輸出至輸出通道中，然后經(jīng)變換放大后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象的被調(diào)量恢復(fù)至給定值。
程序中的p0、p1、p2……pn和b0、b1、b2……bm分別為頻率偏差及頻率導(dǎo)數(shù)區(qū)間的界值。在試驗(yàn)或調(diào)試中可根據(jù)控制對(duì)象要求通過(guò)修改程序輸入值而定。方法簡(jiǎn)單容易。
以上程序的循環(huán)周期可按控制對(duì)象的要求而定。不同對(duì)象循環(huán)周期不同。
導(dǎo)數(shù)b＝e-Aui以頻率計(jì)數(shù)器的選通脈沖周期為時(shí)間單位的脈頻變化值。若換算為為通常的以秒為單位時(shí)則b＝(e-a)/Δt。ΔTji5選通周期的秒數(shù)。
變量s、b、p、e、so均以脈沖個(gè)數(shù)為單位，因而其類(lèi)型均為整型integer。
程序中的C＝true代表偏差偽正，C＝false代表偏差為負(fù)。d＝true代表導(dǎo)數(shù)為正，d＝false代表導(dǎo)數(shù)為負(fù)。ZS＝true代表有增速信號(hào)，ZJ＝true代表有減速信號(hào)。ZS＝false和ZJ＝false都有控制信號(hào)(即既沒(méi)增速信號(hào)，也沒(méi)減速信號(hào))。S為被調(diào)量即時(shí)脈頻(變量)，Ewz前選時(shí)相鄰脈頻(變量)。So為某時(shí)被調(diào)量對(duì)應(yīng)脈頻給定值。B為某時(shí)即時(shí)導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值。P為某時(shí)即時(shí)偏差絕對(duì)值。
“量化控制法”這一名稱(chēng)一方面是因?yàn)榭刂茖?duì)象的被調(diào)參量經(jīng)變換后變?yōu)檫m合計(jì)算機(jī)解算及精度要求的離散脈沖數(shù)，另一方面是在計(jì)算機(jī)內(nèi)解算時(shí)偏差和導(dǎo)數(shù)被區(qū)分為離散的區(qū)間Qi和Ri(Qi、Ri意義見(jiàn)前面邏輯代數(shù)式)。
全文摘要
量化控制法所屬技術(shù)領(lǐng)域自動(dòng)控制技術(shù)范疇。主要用途適用于如水輪發(fā)電機(jī)組、火車(chē)等具有機(jī)械慣性的機(jī)械、機(jī)器、裝置的速度、轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制以及需自動(dòng)控制溫度的電爐等的溫度控制。主要特點(diǎn)與其它同類(lèi)控制要求和控制對(duì)象的控制方法相比，是一種閉環(huán)反饋的、易于使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制的特殊方法。具有可克服機(jī)械慣性或溫度惰性，可防止過(guò)調(diào)，縮短調(diào)速時(shí)間的控制方法。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制軟件或程序，可很容易地設(shè)定和調(diào)整控制參數(shù)?？珊苋菀椎嘏c現(xiàn)有控制系統(tǒng)的其它部件、機(jī)構(gòu)、裝置配套應(yīng)用。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的新方法。具有顯著的新穎性，創(chuàng)造性和實(shí)用性。意義與價(jià)值如與現(xiàn)代先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)控制成品機(jī)配套，預(yù)計(jì)可明顯地提高控制性能與效益?？商娲延械耐?lèi)自控方法。是我國(guó)和世界自控技術(shù)中的新成果。
文檔編號(hào)G05B19/00GK101290507SQ200610106729
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者楊玉棟 申請(qǐng)人:楊玉棟