《過程控制實驗裝置》是江南大學於2002年3月8日申請的專利，該專利的申請號為022192298，公告號為CN2526883，公告日為2002年12月18日，發明人是楊慧中、陳剛、周治平、張新。
《過程控制實驗裝置》其主要技術方案是運算控制部分的輸出與執行機構連線，在執行機構的輸出端連線實驗對象，在實驗對象與與運算調節模組輸入端之間連線感測器與放大調理電路。其中的運算調節模組是一種單片機系統，或模擬調節器，或位式控制器。執行機構可以由直流調速器與直流電動機及水泵連線而成，或由變頻器與交流電動機及水泵連線而成，或由固態繼電器與加熱器連線而成。
2005年，《過程控制實驗裝置》獲得第四屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《過程控制實驗裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：過程控制實驗裝置
- 公告號：CN2526883
- 公告日：2002年12月18日
- 申請號：022192298
- 申請日：2002年3月8日
- 專利權人：江南大學
- 地址：江蘇省無錫市河惠路170號
- 發明人：楊慧中、陳剛、周治平、張新
- 分類號：G05D27/00、G05D27/02
- 代理機構：無錫市大為專利事務所
- 類別：實用新型專利
- 代理人：曹祖良
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
過程控制實驗裝置包括實驗對象，系統執行機構：包括變頻調速器、交流電機、微型水泵和直流調速器、直流電機、微型水泵，運算調節模組：包括模擬調節器、位式控制器、單片機系統、計算機控制等，顯示模組：包括數字顯示儀表和計算機CRT顯示，感測器信號檢測放大模組：包括感測器信號檢測、放大和數字顯示調理電路，以及與計算機實現通訊的輔助模組等。
過程控制實驗裝置的產品化，2002年3月前在中國國內幾乎還是空白，中國國內大部分高校過程控制實驗課程的開設率為零。中國國內有部分重點高校自製了類似的水位控制等實驗裝置，但都是占地面積大，實驗內容單一，控制方式簡單，通常只用常規模擬儀表檢測和控制，投入維護的人力、物力很大。中國國外進口的過程控制實驗裝置雖然結構小巧玲瓏、製作精細，但一般控制對象單一，通常只有水位控制，另外，實驗內容單一僅涉及控制算法，而價格通常要數十萬元。
發明內容
專利目的
《過程控制實驗裝置》的目的在於設計一種過程控制實驗裝置，以改善實驗條件，擴大實驗內容，並使實驗裝置實現產品化。
技術方案
《過程控制實驗裝置》其主要技術方案是運算調節模組的輸出與執行機構連線，在執行機構的輸出端連線實驗對象，在實驗對象與運算調節模組輸入端之間連線感測器與放大調理電路。
所述運算調節模組可以是一種單片機系統。該單片機系統由CPU、A/D、D/A電路、晶振電路、看門狗電路、通訊電路、數字光電隔離電路相互連線組成。
上述運算調節模組也可以是一種模擬調節器。該調節器由相互連線的集成運算放大器、PID運算電路、模擬光電隔離電路及波段開關組成。
上述運算調節模組還可以是一種位式控制器，並且該控制器由集成運算放大器和邏輯運算電路連線而組成。
所述執行機構可以是一種由直流調速器與直流電動機及水泵連線而成的裝置。
所述執行機構也可以由變頻器與交流電動機及水泵相互連線而成。
上述執行機構還可以由固態繼電器與加熱器相互連線而成。
所述感測器可以是溫度感測器、或壓力感測器、或流量感測器、或液位感測器。其中的液位感測器可以與壓力感測器相同。
感測器放大調理電路由儀表放大器、集成運算放大器及數字顯示調理電路連線而成。
該實用新型是基於控制理論基礎之上的集模擬電子線路、單片機技術、計算機控制、管理為一體的智慧型實驗裝置。該裝置既可以為本專科學生開設過程控制、單片機技術、交直流調速等課程的實驗，又可以為研究生、有關的專業教師和工程技術人員在複雜控制系統、智慧型控制系統和先進控制系統等方面的研究提供實驗對象和實現手段。
改善效果
1.該裝置可開設20多個實驗，內容覆蓋了幾乎所有自動化專業的專業基礎課和專業課程的實驗內容。
2.具有多種控制方式可供任意選擇：可用模擬調節器、位式控制器、單片機、上位計算機軟體實現的控制器。
3.將信號的輸入、綜合和PID調節等功能設計成獨立的單元模組，根據實驗的需要，可任意組合連線，便於學生對過程控制基本理論的理解和加深印象。
4.利用單片機與計算機的通訊接口，使計算機實現數據採集、管理、運算以及多種方法的系統辯識、仿真和控制。
5.整個系統結構採用軟體與硬體的結合，模擬與數字的結合，既可進行常規的模擬式控制，又可進行數字式調節和智慧型化運算。
附圖說明
圖1為《過程控制實驗裝置》的結構框圖。
圖2為單片機系統模組電路圖。
圖3模擬調節器模組電路圖。
圖4為位式控制器模組電路圖。
圖5為感測器放大調理電路圖。
圖6為數字顯示調理電路圖。
圖7為模擬線性光電隔離電路。
權利要求
1、《過程控制實驗裝置》其特徵是運算調節模組的輸出與執行機構連線，在執行機構的輸出端連線實驗對象，在實驗對象與控制部分輸入端之間連線感測器與放大調理電路。
2、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是運算調節模組是一種單片機系統，該單片機系統由CPU、A/D、D/A電路、晶振電路、看門狗電路、通訊電路、數字光電隔離電路相互連線組成。
3、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是運算調節模組是一種模擬調節器，該調節器由相互連線的集成運算放大器、PID運算電路、信號限幅電路、波段開關及模擬光電隔離電路組成。
4、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是運算調節模組是一種位式控制器，該控制器由集成運算放大器和邏輯運算電路連線而組成。
5、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是執行機構由直流調速器與直流電動機及水泵連線而成。
6、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是執行機構由變頻器與交流電動機及水泵連線而成。
7、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是執行機構由固態繼電器與加熱器連線而成。
8、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是感測器為溫度感測器、或壓力感測器、或流量感測器、或液位感測器。
9、根據權利要求1所述的裝置，其特徵是感測器檢測放大調理電路由放大電路及數字顯示調理電路連線而成。
實施方式
《過程控制實驗裝置》其靜態結構如圖所示：
1、單片機系統電路：
該模組包括A/D晶片IC1、CPU晶片IC2、D/A晶片IC4、IC5、晶振電路X1、看門狗電路晶片IC3、通訊電路晶片IC6和RS-232C接口、光電隔離電路晶片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。見圖2。
2、模擬調節器電路：
該模組包括運算放大器IC301～IC305、穩壓器L301、波段開關K1～K5、電阻R301～R319、電位器P301～P307、電容C301～C309、二極體I301-I303等器件，以及模擬光電隔離電路連線而成；其中模擬光電隔離電路包括運算放大器IC701～IC706、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。見圖3、圖7。
3、位式控制器電路：
該模組包括運算放大器IC401～IC402、TTL積體電路U403～U405、比較器U401～U402、穩壓管D401、電阻R401～R407、電位器P401、電容C401、三極體T401等器件組成。見圖4。
4、感測器檢測放大調理電路由儀表放大器IC501、集成運算放大器IC502、穩壓管D501～D502、電阻R501～R514、電位器P501～P502、電容C501～C510、差壓感測器MPX2010DP的輸入信號等器件，以及數字顯示調理電路連線而成；其中數字顯示調理電路包括集成運算放大器IC601～IC604、穩壓管D601/6V、電阻R601～R611、電位器P601～P602、電容C601～C603等器件。見圖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。
其動態過程如下：在選擇好實驗對象的被控參數：溫度、壓力、流量、液位，控制器方式：計算機、單片機、模擬調節器、位式控制器和執行機構：交流電機、直流電機、加熱器後，即可進行實驗。
1、單片機系統控制（對照圖2）
單片機系統電路主要完成以下功能：對採集到的液位信號進行必要的處理，保證檢測精度符合要求；利用通訊接口與上位計算機實現數據通訊；進行A/D、D/A數據轉換；將感測器信號送LED進行實時顯示；回響鍵盤輸入，查看或修改用戶設定的液位上、下限值。通過鍵盤操作，可循環顯示各迴路的測量值，同時可實現不同的標度轉換。
其過程為：預先通過鍵盤KEY設定好給定值，PID參數、正/反給定等相關參數，然後通過INPUT連線埠接收感測器檢測信號並經過信號放大調理轉換成標準信號後，作為系統的反饋量，該信號經過單片機的A/D轉換後送至CPU，並與內給定進行比較得到偏差信號，然後經過PID運算輸出控制信號，通過D/A轉換成模擬信號經過OUTPUT連線埠去控制執行機構，從而達到控制系統的目的。同時，單片機通過RS232C接口與計算機通訊，將採集的數據實時傳送給上位機。
2、計算機控制
計算機通過單片機通訊口採集感測器信號，並將最終控制信號經單片機D/A口輸出控制執行機構，從而達到控制系統的目的。
3、模擬PID調節器控制（對照圖3、圖7）
模擬PID調節器能對偏差信號實現比例、積分、微分規律的控制。它包括正/反作用，P、I、D運算，手動/自動切換等功能。感測器檢測信號經過放大調理，轉換成標準信號Vi，通過連線埠送到PID模擬調節器，並與外給定信號Vs進行比較得到偏差信號，該偏差值先後經過微分、比例、積分運算後，再經過限幅處理，再經過INPUT連線埠輸入，通過模擬光電隔離電路後，以1:1的電壓大小經OUTPUT連線埠輸出去控制執行機構，從而達到控制系統的目的。
4、位式控制器控制（對照圖4）
該模組的主要功能是對偏差信號實現開關量控制。從Vh、Vl連線埠接收外界設定信號，分別表示位式控制的上下限，感測器檢測信號經過調理後通過Vi連線埠送到位式控制器中，將檢測信號與設定信號比較後，輸出一個高電平或低電平的控制信號，通過V04連線埠輸出。
5、感測器檢測放大調理電路（對照圖5、圖6）
該模組的主要功能是放大差壓感測器輸出的毫伏級信號到伏級。將差壓感測器的輸出信號分別接到Vin+、Vin-連線埠，然後經過儀表放大器IC501放大後，由V01連線埠輸出。再將V01連線埠信號通過數字顯示調理電路轉換成統一標準信號（1-5V），經V03口輸出送給運算調節模組和數字顯示儀表。
榮譽表彰
2005年，《過程控制實驗裝置》獲得第四屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
