CN103513603A - 用于控制输入信号的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于控制输入信号的装置及方法。公开了用于控制信号使得PLC输入信号等于参考输入信号的装置及方法。所述装置包括：误差计算单元，其通过使用所述PLC输入信号和所述参考输入信号来计算误差；估算参数计算单元，其通过使用所述参考输入信号、所述PLC输入信号以及所述误差来计算估算参数；以及误差校正单元，其通过使用所述估算参数来校正所述误差，使得所述PLC输入信号等于所述参考输入信号。

Description

用于控制输入信号的装置及方法

技术领域

实施例涉及一种用于控制输入信号的装置及方法，该装置和方法能够精确测量输入至PLC（可编程逻辑控制器）的输入信号。

背景技术

在工业领域中使用的自动设备由包括继电器的机械设备构成。因为必须改变自动设备的内部电路，所以改变由机械设备构成的自动设备存在困难。为了克服这种困难，使用PLC。

PLC包括模拟输入模块。PLC的模拟输入模块可以包括用于将模拟输入信号转换成数值的电路。模拟输入信号可以包括模拟直流电流或者模拟直流电压。

为了将模拟输入信号转换成数字信号，PLC的模拟输入模块可以在接收到模拟输入信号之后测量模拟输入信号的值。然而，由于诸如构成模拟输入模块的电阻器或者放大器（运算放大器）（OP-Amp）的硬件导致模拟输入信号值中的误差，所以难以精确地测量模拟输入信号值。

因此，在将参考信号输入到模拟输入模块之后，可以基于参考信号来校正模拟输入信号以便精确地测量模拟输入信号值。然而，由于根据现有技术的使用线性等式的信号校正方案多次测量模拟输入信号，所以该方案需要很多时间，并且当模拟输入信号是非线性信号时，不能采用该方案。

发明内容

实施例提供了一种用于控制输入信号的装置及方法，其能够通过校正在模拟输入模块中接收到的信号的误差来提高模拟输入模块的性能。

此外，实施例提供了一种用于适应性地控制信号的装置及方法，其能够根据PLC周围环境的变化来校正在模拟输入模块中接收到的信号的误差。

根据实施例，提供了一种用于控制信号使得PLC输入信号等于参考输入信号的装置。所述装置包括：误差计算单元，其通过使用所述PLC输入信号和所述参考输入信号来计算误差；估算参数计算单元，其通过使用所述参考输入信号、所述PLC输入信号以及所述误差来计算估算参数；以及误差校正单元，其通过使用所述估算参数来校正所述误差，使得所述PLC输入信号等于所述参考输入信号。

根据实施例，提供了一种控制信号使得PLC输入信号等于参考输入信号的方法。所述方法包括：通过将第一传递函数应用至所述PLC输入信号来产生PLC输出信号；通过将第二传递函数应用至所述参考输入信号来产生参考输出信号；通过使用所述PLC输出信号和所述参考输出信号来计算所述PLC输入信号的误差；通过使用所述参考输入信号、所述PLC输出信号和所述误差来计算估算参数；以及通过使用所述估算参数来校正所述误差，使得所述PLC输入信号等于所述参考输入信号。

根据实施例，能够通过校正在模拟输入模块中接收到的信号的误差来提高模拟输入模块的性能。

根据实施例，能够根据PLC周围环境的变化来适应性地校正在模拟输入模块中接收到的信号的误差。

附图说明

图1是示出根据实施例的用于提供图像的装置的框图；

图2是大致示出根据实施例的用于在连续时域中控制PLC模拟输入信号的装置的图；

图3是示出根据实施例的在时分域中的PLC模拟输入信号控制装置的大致视图；

图4是在曲线图上示出估算参数的图，其由根据实施例的控制信号的方法确定；以及

图5是在曲线图上示出根据实施例的控制信号的方法使PLC模拟输入信号近似于参考值的结果的图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述实施例以使本领域技术人员能够容易地使用实施例。然而，实施例不限于下面描述的那些实施例，而是具有多个变型例。为简便或者清晰的目的，可以在附图中省略与实施例的描述无关的元件。所有附图中将为相同的元件分配相同的附图标记。

在下面的描述中，当提及一部分连接到另一部分时，这些部分不仅彼此直接连接，而且可在其之间插入另一部分的同时而彼此电连接。

在下面的描述中，当提及预定部分“包括”预定部件时，除非有相反表示，否则该预定部分不排除其他部件，而是可以进一步包括其他部件。

图1是示出根据实施例的用于提供图像的装置的框图。

参照图1，模拟输入模块包括输入通道、减噪单元、滤波器以及放大器。

输入通道可以包括正端子CH+以及负端子CH-，并且可以将输入电压Vin输入到正端子CH+和负端子CH-。

减噪单元包括多个电容器C1、C2和C3。第一电容器C1的一个端子可以连接到输入通道的正端子CH+，并且第一电容器C1的另一个端子可以接地。第二电容器C2的一个端子可以连接到输入通道的负端子CH-，并且第二电容器C2的另一个端子可以接地。第三电容器C3的一个端子可以连接到输入通道的正端子CH+，并且第三电容器C3的另一个端子可以连接到第二电容器C2的连接到输入通道的负端子CH-的一个端子。包括多个电容器的减噪单元可以去除来自通过输入通道接收到的模拟输入信号的噪声。虽然在实施例中假设减噪单元仅包括三个电容器，但是本实施例不限于此，并且不必要将减噪单元的配置限制为电容器。

滤波器包括多个电阻器R1和R2，以及多个电容器C4和C5。包括电阻器和电容器的被称为RC滤波器的滤波器允许输入信号的特定频率信号从其中通过或者被阻断，使得滤波器允许输入信号选择性地从其中通过。第一电阻器R1的一个端子可以连接到减噪单元的第三电容器C3的一个端子，并且第二电阻器R2的一个端子可以连接到减噪单元的第三电容器C3的另一个端子。第一电阻器R1的另一个端子可以连接到第四电容器C4的一个端子，并且第二电阻器R2的另一个端子可以连接到第五电容器C5的一个端子。第四电容器C4的另一个端子和第五电容器C5的另一个端子可以接地。当考虑RC滤波器的特征时，施加到第四电容器C4和第五电容器C5的第一电压V1可以被视为在模拟输入模块处测量到的输入信号。第一电压V1是在信号已经输入到PLC模拟输入模块并且已经去除输入信号的噪声之后根据预定的传递函数从滤波器输出的信号。在作为连续时域的拉普拉斯域中的传递函数T（s）可以表达为下列等式1：

【等式1】

$T\left(s\right)=\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RCs}+1}=\frac{0.965}{212.9\×{10}^{-6}s+1}$

在等式1中，R是第一电阻器R1或者第二电阻器R2，C是第四电容器C4或者第五电容器C5。在C1=C2=0.01μF，C3=0.47μF，C4=C5=0.0047μf，R1=R2=453kΩ并且R3=R4=49.9kΩ的情形下，可以计算具有等式1的系数和增益（Gain）的传递函数。

此外，传递函数可以被表达为下列等式2的时分域传递函数：

【等式2】

$T\left[z\right]=\frac{0.6768z+0.6768}{z+0.4027}$

在0.001秒的采样周期的情形下，通过对作为拉普拉斯传递函数的等式1进行z变换来获得等式2。

放大器可以包括多个Op-AMP以及多个电阻器。可以使用具有PLC模拟输入模块的函数所需要的放大器增益的放大器。图1中所示的放大器是具有增益为的型号为INA126U的放大器。

图2是大致示出根据实施例的用于在连续时域中控制PLC模拟输入信号的装置的图。

参照图2，PLC模拟输入信号控制装置200包括第一运算单元201、第二运算单元203、误差计算单元、第一参数运算单元、第二参数运算单元、误差校正单元。

第一运算单元201将第一传递函数H₁（s）应用至模拟输入信号u，由此产生模拟输出信号y。模拟输入信号u和模拟输出信号y表示校正之前的信号。由于第一运算单元201对应于图1的模拟输入模块，所以第一传递函数H₁（s）的增益可以不包括“1”，而是诸如等式1的传递函数T（s）的常数。当模拟输出信号y被表示为时域中的一阶微分等式时，模拟输出信号y被表达为下列等式3：

【等式3】

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{\mathrm{RC}}y+\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}u$

其中，R表示构成包括在第一运算单元201中的滤波器的电阻器，并且C表示构成包括在第一运算单元201中的滤波器的电容器。

第二运算单元203通过将第二传递函数H₂（s）应用至参考输入信号u_c来产生参考输出信号y_m。将参考输入信号u_c输入到模拟输入信号控制装置200以便校正模拟输入信号u。也即是说，参考输入信号u_c和参考输出信号y_m表示用于校正模拟输入信号u和模拟输出信号y的参考信号，即校正之后的信号。第二传递函数H₂（s）具有与第一传递函数H₁（s）相同的阶和系数。仅仅在于，传递函数H₂（s）的增益为“1”，并且就此而言，第二传递函数H₂（s）与第一传递函数H₁（s）不同。如果第二传递函数H₂（s）对应于等式1被表达，则第二传递函数H₂（s）可以表达为下列等式4：

【等式4】

$H2\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{RCs}+1}$

参考输出信号y_m可以以时域中的一阶微分等式的形式表达成下列等式5：

【等式5】

$\frac{{\mathrm{dy}}_m}{\mathrm{dt}}=-a_m{y}_m+b_m{u}_c$

其中，a_m和b_m是参考信号的参数。

误差计算单元通过计算在由第一运算单元201产生的模拟输出信号y与由第二运算单元203产生的参考输出信号ym之间的差来产生误差信号e。误差计算单元可以包括第一求和单元205。误差信号e可以表达为下列等式6。

【等式6】

e＝y-y_m

等式6是用于估算用于校正模拟输入信号u的参数而导出的等式。也即是说，可以估计这样的参数，该参数允许通过使用误差信号e使得模拟输入信号u近似于参考输入信号u_c。

第一参数运算单元包括第一乘法器207、第一放大器211以及第一积分器215。

第一乘法器207将参考信号u_c和从误差计算单元产生的误差信号e相乘以产生乘法结果。

第一放大器211以第一增益G₁将从第一乘法器207产生的乘法结果放大以产生放大结果。

第一积分器215对从第一放大器211产生的放大结果进行积分以产生积分结果。

第一乘法器207、第一放大器211以及第一积分器215的运算可以顺序执行，但是实施例不限于此。

下列等式7用于基于误差信号e、参考输入信号u_c以及第一增益G₁来估算第一参数θ₁。

【等式7】

$\frac{{\mathrm{d\θ}}_1}{\mathrm{dt}}=-G_1{u}_{c}e$

第一参数运算单元可以通过使用第一乘法器207、第一放大器211以及第一积分器215来估计由等式7表达的第一参数θ₁。

第二参数运算单元包括第二乘法器209、第二放大器213以及第二积分器217。

第二乘法器209将为第一运算单元201产生的模拟输出y和从误差计算单元产生的误差信号e相乘以产生乘法结果。

第二放大器213以第二增益G₂将从第二乘法器209产生的乘法结果放大以产生放大结果。

第二积分器217对从第二放大器213产生的放大结果进行积分以产生积分结果。

第二乘法器209、第二放大器213以及第二积分器217的运算可以顺序执行，但是本实施例不限于此。

下列等式8用于基于误差信号e、参考输入信号u_c以及第二增益G₂来估算第二参数θ₂。

【等式8】

$\frac{{\mathrm{d\θ}}_2}{\mathrm{dt}}=G_2\mathrm{ye}$

第二参数运算单元可以通过使用第二乘法器209、第二放大器213以及第二积分器217来估计由等式8表达的第二参数θ₂。

通过使用从等式3、等式5、等式6以及下列等式9导出的下列等式10来计算等式7和等式8。

【等式9】

u＝θ₁u_c-θ₂y

依据模拟输入信号u导出等式9以便估算第一参数θ₁和第二参数θ₂。可以通过使用等式9来估计校正之后的输入信号。参照等式9，通过使用将第一参数θ₁应用至参考输入信号u_c以及将第二参数θ₂应用至模拟输出信号y的结果来校正模拟信号u。因此，可以将根据输出校正输入的控制称为自适应控制。根据PLC周围环境的变化，例如周围温度的变化，可以校正在模拟输入模块中接收到的信号的误差，并且还可以通过自适应控制来校正非线性输入信号的误差。

同时，当从等式4导出的误差信号e收敛至0（零）时，模拟输入信号u

收敛至参考输入信号u_c。为了通过利用误差信号e收敛至0的情形来估计第一参数θ₁和第二参数θ₂，可以使用等式3、等式5、等式6以及等式9来导出下列等式10：

【等式10】

$\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}=-a_{m}e-(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_2+\frac{1}{\mathrm{RC}}-a_m)y+(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_1-b_m)u_c$

通过对等式10进行积分导出的并且以误差信号e、第一参数θ₁以及第二参数θ₂作为因变量的估算等式可以表达为下列等式11：

【等式11】

$V(e,{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_2)=\frac{1}{2}[{\mathrm{\θ}}^2+\frac{1}{G_2}\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{Gain}}{(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_2+\frac{1}{\mathrm{RC}}-a_m)}^2+\frac{1}{G_1}\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{Gain}}{(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_1-b_m)}^2]$

下列等式12是将等式11的估算等式相对于时间t进行微分得到的微分等式。

【等式12】

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=e\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{G_2}(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_2+\frac{1}{\mathrm{RC}}-a_m)\frac{{\mathrm{d\θ}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{G_1}(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_1-b_m)\frac{\mathrm{d\θ}1}{\mathrm{dt}}$

$=-a_m{e}^2+\frac{1}{G_2}(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_2+\frac{1}{\mathrm{RC}}-a_m)(\frac{{\mathrm{d\θ}}_2}{\mathrm{dt}}-G_2\mathrm{ye})+\frac{1}{G_1}(\frac{\mathrm{Gain}}{\mathrm{RC}}{\mathrm{\θ}}_1-b_m)(\frac{\mathrm{d\θ}1}{\mathrm{dt}}+G_1{u}_{c}e)$

等式12是依据第一参数θ₁和第二参数θ₂的从估算微分等式导出的等式。根据本实施例，等式6的误差信号e必须收敛至0。为了使误差信号e收敛至0，等式10的误差信号的微分值（de/dt）必须小于0。为了使误差信号的微分值（de/dt）小于0，等式11的估计等式V（e，θ₁，θ₂）必须大于0。最后，为了使等式11的估算等式V（e，θ₁，θ₂）大于0，等式12的估算等式的微分值（dv/dt）必须小于0。当分别按等式7和等式8估算第一参数θ₁和第二参数θ₂的微分值时，等式12的估算函数的微分值（dv/dt）小于0。

误差校正单元执行诸如等式9的计算。误差校正单元可以包括第三乘法器219、第四乘法器221以及第二求和单元223。

第三乘法器219可以产生将第一参数θ₁应用至参考输入信号u_c的结果。

第四乘法器221可以产生将第二参数θ₂应用至模拟输出信号y的结果。

第二求和单元223可以产生在从第三乘法器219产生的结果与从第四乘法器221产生的结果之间的差值。从第三乘法器219产生的结果与从第四乘法器221产生的结果之间的差值表示模拟输入信号u。如等式9所表达的，通过使用参考输入信号u_c和从输入前一个模拟输入信号u的诸如第一校正单元201的系统输出的值来产生下一个模拟输入信号u。

图3是示出根据实施例的在时分域中的PLC模拟输入信号控制装置的大致视图。

参照图3，PLC模拟输入信号控制装置包括第一运算单元301、第二运算单元303、误差计算单元、第一参数运算单元、第二参数运算单元以及误差校正单元。图3是在时分域中示出图2的连续时域的PLC模拟输入信号控制装置的图。虽然图3的配置几乎与图2的配置相似，但是图2和图3在传递函数和积分器的计算上存在不同之处。因此，下列描述将集中在相对于图2的不同之处上，并且将省略相同的描述。

第一运算单元301通过将第一传递函数H₁（z）应用至模拟输入信号u来产生模拟输出信号y。由于第一运算单元301对应于图1的模拟输入模块，所以第一传递函数H₁（z）可以表达为下列等式13：

【等式13】

$H1\left(z\right)=\frac{0.7014z+0.7014}{Z+0.4027}$

第二运算单元303通过将第二传递函数H₂（z）应用至参考输入信号u_c来产生参考输出信号y_m。由于第二传递函数H₂（z）的时间常数等于第一传递函数H₁（z）的时间常数并且第二传递函数H₂（z）的增益为1，所以第二传递函数H₂（z）可以表达为下列等式14：

【等式14】

$H2\left(z\right)=\frac{0.6768z+0.6768}{Z+0.4027}$

误差计算单元计算从第一运算单元301产生的模拟输出信号y和从第二运算单元303产生的参考输出信号y_m之间的差以产生误差信号e。

第一参数运算单元包括第一乘法器307、第一放大器311以及第一积分器315。

第一积分器315对从第一放大器311产生的结果进行积分。在图3的用于时分域的积分器和图2的用于连续时域的积分器之间存在不同之处。该不同之处可能是由于积分器经过z变换以便将PLC模拟输入信号控制装置应用到数字域中所引起的。

为了参考，在时分域中，PLC模拟输入信号控制装置进一步包括零阶保持器325。在图3中，将使用零序保持器325的采样周期设定为0.001秒。

图4是在图曲线图上示出估算参数的图，其由根据实施例的控制信号的方法确定。

参照图4，在等式7和等式8中表达的第一参数θ₁和第二参数θ₂通过自适应控制而逐渐近似于最终值。作为自适应控制的结果，第一参数θ₁和第二参数θ₂收敛于最终值。

图5是在曲线图上示出根据实施例的控制信号的方法使PLC模拟输入信号近似于参考值的结果的图。

参照图5，当y是真实模型输出并且r是用于校正的参考信号时，在逐渐跟踪用于校正的参考信号的值的方案中产生真实模型输出y。在这种情况下，用于校正的参考信号r的幅值可以在PLC模拟输入模块的允许范围中，并且用于校正的参考信号r可以包括非线性属性。

上文描述的实施例不仅能够通过装置和方法实现，还能够通过执行对应于本实施例的元件的功能的程序或者在其上记录程序的记录媒介实现。这样的实现可以由本领域技术人员基于上述公开容易地实施。

虽然出于阐释性的目的描述了本公开的优选实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离如在附属的权利要求中所公开的本发明的范围和主旨的情况下，各种改进、添加和替换是可能的。

Claims (10)

1.一种用于控制信号使得可编程逻辑控制器输入信号等于参考输入信号的装置，所述装置包括：

误差计算单元，其通过使用所述可编程逻辑控制器输入信号和所述参考输入信号来计算误差；

估算参数计算单元，其通过使用所述参考输入信号、所述可编程逻辑控制器输入信号以及所述误差来计算估算参数；以及

误差校正单元，其通过使用所述估算参数来校正所述误差，使得所述可编程逻辑控制器输入信号等于所述参考输入信号。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

第一运算单元，其通过应用第一传递函数而由所述可编程逻辑控制器输入信号产生可编程逻辑控制器输出信号；以及

第二运算单元，其通过应用与所述第一传递函数不同的第二传递函数而由所述参考输入信号产生参考输出信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述误差计算单元接收所述可编程逻辑控制器输入信号和所述参考输出信号，并且通过计算所述可编程逻辑控制器输入信号与所述参考输出信号之间的差值来计算所述误差。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述估算参数计算单元包括：

第一估算参数计算单元，其通过使用所述参考输入信号和所述误差来计算第一估算参数；以及

第二估算参数计算单元，其通过使用所述可编程逻辑控制器输出信号和所述误差来计算第二估算参数。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述误差校正单元通过使用所述参考输入信号、所述可编程逻辑控制器输出信号、所述第一估算参数以及所述第二估算参数来校正所述可编程逻辑控制器输入信号的所述误差。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述误差校正单元通过使用将所述第一估算参数应用至所述参考输入信号以及将所述第二估算参数应用至所述可编程逻辑控制器输出信号所获得的计算结果来校正所述可编程逻辑控制器输入信号的所述误差，使得所述可编程逻辑控制器输入信号等于所述参考输入信号，并且将经校正的可编程逻辑控制器输入信号传送到所述第一运算单元。

7.一种控制信号使得可编程逻辑控制器输入信号等于参考输入信号的方法，所述方法包括：

通过将第一传递函数应用至所述可编程逻辑控制器输入信号来产生可编程逻辑控制器输出信号；

通过将第二传递函数应用至所述参考输入信号来产生参考输出信号；

通过使用所述可编程逻辑控制器输出信号和所述参考输出信号来计算所述可编程逻辑控制器输入信号的误差；

通过使用所述参考输入信号、所述可编程逻辑控制器输出信号和所述误差来计算估算参数；以及

通过使用所述估算参数来校正所述误差，使得所述可编程逻辑控制器输入信号等于所述参考输入信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述误差的所述计算包括计算所述可编程逻辑控制器输入信号和所述参考输出信号之间的差值。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述估算参数的所述计算包括：

通过使用所述参考输入信号和所述误差来计算第一估算参数；以及

通过使用所述可编程逻辑控制器输出信号和所述误差来计算第二估算参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器输入信号的所述误差的所述校正包括：使用通过将所述第一估算参数应用至所述参考输入信号以及将所述第二估算参数应用至所述可编程逻辑控制器输出信号所获得的计算结果，使得所述可编程逻辑控制器输入信号等于所述参考输入信号。

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