[过程控制系统与仪表]第3章-控制仪表3.3-3.4解读

过程控制系统与仪表第3章3.3数字式PID控制器随着生产规模的发展和控制要求的提高，模拟仪表的局限性越来越明显：（1）功能单一，灵活性差（2）信息分散，需大量仪表，监视操作不便（3）接线过多，系统维护困难随着大规模集成电路和计算机技术的发展，测控仪表也迅速推出各种以微处理器为核心的数字式仪表。过程控制系统与仪表第3章数字仪表的优点（1）功能丰富，更改灵活，体积小、功耗低（2）具有自诊断功能（3）具有数据通信功能，可以组成测控网络数字仪表集中了自动控制、计算机及通信技术（3C，ControlComputerCommunication）。可编程单回路调节器是数字控制仪表的典型代表，如西安仪表厂的YS-80\YS-100，川仪18厂及上海调节器厂的DIGITRONIK系列等。过程控制系统与仪表第3章YS80单回路调节器过程控制系统与仪表第3章YS100单回路调节器过程控制系统与仪表第3章HTBJ-211单回路智能调节器过程控制系统与仪表第3章3.3.1SLPC单回路可编程序控制器的电路原理SLPC(SingleLoopProgrammableController)单回路控制器是西安仪表厂生产的YS-80系列的基型品种。特点为：可接受5路模拟量、6路开关量输入/输出、2路1~5VDC输出，但只有1路4～20mADC输出，只能控制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。能取代多台单元仪表，实现复杂的控制运算。外形、操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。具有通信及故障诊断功能。过程控制系统与仪表第3章SLPC型可编程序控制器的电路原理过程控制系统与仪表第3章模拟量输入X1～X5接受1～5VDC信号6个开关量DI/DO可编程接口，通过高频变压器隔离过程控制系统与仪表第3章Y1输出4～20mADCY2、Y3输出1～5VDC，与控制室其它仪表联络用故障报警输出8251可编程通信接口，可与上位机作双向串行通信，速率为15.625Kbit/s过程控制系统与仪表第3章高速8位微处理器8085A，10MHz，可使仪表在0.2s的控制周期内最多运行240步用户程序,可根据需要，将控制周期加快到0.1s。过程控制系统与仪表第3章系统ROM：1片27256EPROM，32K，存放系统管理程序及运算子程序。用户ROM：1片2716EPROM，2K，存放用户程序。RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存贮器，8K，存放现场设定数据及中间计算结果。过程控制系统与仪表第3章仪表正面板：测量值、设定值、操作值显示；自动/手动/串级切换开关；数据设定按钮仪表侧面板：8位16段笔画显示器，显示各种运行参数；可通过键盘上16个调整健进行修改；并有编程器接口。过程控制系统与仪表第3章当S2接通时N1通电—贮能当S2断开时N1的贮能通过N2加到VT1的基极VT1导通接通外部继电器、指示灯等。①作开关输出接口用VT1的“通”、“断”来对外输出“0”、“1”输出数据“1”时，S2作占空比50%的通断切换可编程DI/DO接口原理作输出端口使用时，S1断开过程控制系统与仪表第3章②作开关输入接口DI=0（输入开路）DATA=1S1接通DI=1（输入短路）VN1=0D=1CP=1时S2以较小的占空比作通断切换VN3=0VN3高阻VN1高阻D=0DATA=0过程控制系统与仪表第3章A/D、D/A转换原理同时，D/A芯片在CPU的支持下，用逐位比较法，实现A/D转换。从最高位100000000000开始，CPU逐位输出D/A转换OP放大1片μPC648D型12位高速D/A芯片，将CPU的运算结果转换为模拟电压，供给输出。逐位比较法原理图CMP比较CPU决定取舍过程控制系统与仪表第3章3.3.2SLPC的数字控制算法连续PID调节规律的表达式为DI11e()()[e()e()]dtytttdtTPTdte（t）=VS－VP数字调节器的特点是采样一次、计算一次。必须把连续方程用离散方程表示。第n次采样时：1D0Iee11[ee]nnnnniiyTTPTT过程控制系统与仪表第3章如果调节器的输出是控制阀门的话，yn是对应的阀门开度位置，故上式称为“位置型PID”算式。此式计算时，需要占用大量内存空间。可改写为增量型PID算式：如果将上次的输出值yn-1保持住，则只需计算出本次与上次输出之间的增量Δyn即可yn=yn-1+Δyn1D0Iee11[ee]nnnnniiyTTPTT过程控制系统与仪表第3章优点：输出Δyn仅决定于最近三次的采样值，所需内存不大，运算比较简单。每次输出增量值，误动作的影响小，必要时可通过逻辑判断禁止或限制本次输出，容易得到良好的调节效果。一旦调节器出现故障，停止输出，阀位能保持在故障前的状态。Dn112I1y[(ee)e(e2ee)]nnnnnnTTPTT过程控制系统与仪表第3章为避免理想微分对高频干扰过于敏感，还可将理想微分改为实际微分。写成差分方程有：实际微分传函：DDD()E()1TsYssTsKDDD11DDDD(ee)nnnnTTKyyTTTTKK将此式代替理想PID中的微分部分，即得实用的PID运算式。过程控制系统与仪表第3章为了改善操作性能和控制品质，常对基本的PID运算进行修改，以适应不同工况。3.3.2.1微分先行的PID算法（PI-D）有些工艺生产中，经常改变给定值。而用基本PID控制的话，当给定值突变时，微分作用会使调节器输出产生剧烈的跳动，称微分冲击，影响工况的稳定。过程控制系统与仪表第3章PI-D算式：DPI11Y()[(+1)E()TsV(s)]PTsss为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微分运算，称为微分先行的PID算法。这种算法与基本PID算法的差别如下：过程控制系统与仪表第3章可将图（b）等效变换为图（c）。比较图（a）与图（c），可见PI-D算法，相当于在PID的给定值通道中，增加了一个一阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，对输出的冲击大为缓和。过程控制系统与仪表第3章2比例微分先行的PID算法（I-PD）比例运算也能传递阶跃扰动。由微分先行得到启示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。DI11Y()[()(1)()]PsEsTsVsPTs比例微分先行微分先行过程控制系统与仪表第3章可将图（b）等效变换为图（c）。比较图（a）与图（c），可见I-PD算法，相当于在PID的给定值通道中，增加了一个二阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，对输出的冲击更为缓和。图（b）图（c）图（a）过程控制系统与仪表第3章3.3.2.3带可变形设定值滤波器SVF的PID算法PI-D算法相当于在设定值输入通道上加了一个一阶滤波环节，P-ID算法相当于在设定值输入通道上加了一个二阶滤波环节。把两者揉合在一起，针对不同的对象特性和控制要求，可以进行柔性调整，实现最佳控制。带可变型设定值滤波器的PID算法正是根据这一思路设计而成。过程控制系统与仪表第3章SVF算法在设定值通道中设置了一个二阶滤波器：sTsTsTsTddii1111式中：α、β为调节器设定值通道整定参数，α、β=0～1α=0，β=0时，为比例微分先行PIDα=1，β=0时，为微分先行PID过程控制系统与仪表第3章当α、β在0~1间任意取值时,可得到由PI-D到I-PD连续变化的响应变化，因而有可能实现二维的最佳整定。还有采样PI算法、批量PID算法等等。SLPC中将上述各种控制算法编成控制程序模块，存在系统ROM中，供用户调用。过程控制系统与仪表第3章为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用面向问题、面向过程的“自然语言”编程平台。生产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模块，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模块“组态”，实现控制功能。SLPC的用户基本指令共46种分三类数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：END功能指令：43种3.3.3SLPC单回路可编程调节器的用户程序过程控制系统与仪表第3章3.3.3.1基本运算模块11个有＋－×÷运算；√、√E运算（小信号切除点固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值运算；高选、低选；高、低限幅。3.3.3.2函数运算模块13个折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、变化率运算、变化率限幅、移动平均运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出。过程控制系统与仪表第3章3.3.3.3条件判断运算模块14个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换3.3.3.4运算寄存器位移指令CHGROD3.3.3.5控制模块3种（1）基本控制模块BSC内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的1台PID调节器，其功能框图如图2-46所示。过程控制系统与仪表第3章（2）串级控制模块CSC内含两个调节单元CNT1和CNT2，根据串级开关状态，CNT2可接受CNT1的输出作为设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另一设定信号SV2，实现副回路的单独控制。过程控制系统与仪表第3章（3）选择控制模块SSC内部包含两个并行工作的PID调节单元CNTI和CNT2，另有一自动选择单元CNT3。CNT3的控制规律为三选一：CNT3=0为低选CNT3=1为高选过程控制系统与仪表第3章编程举例：例1把两个输入变量X1、X2相加后，从Y1端口输出。程序：LDX1（读入X1数据）LDX2（读入X2数据）+（对X1、X2求和）STY1(将结果送往Y1)END(结束程序)过程控制系统与仪表第3章3.3.4用户程序的写入和调试1利用编程器逐句健入用户程序：移入ROM插座主程序（MPR）子程序（SBP）指定DIO功能指定控制字CNT1～CNT5其它参数END2程序的调试仿真调试真实对象调试写入EPROM过程控制系统与仪表第3章3.4可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器简称PLC，是基于微机技术进行开关顺序控制。随着功能的扩大，现在它除了可用于开关量逻辑控制外，有的PLC还配有PID模块，集连续控制和逻辑控制于一身。过程控制系统与仪表第3章可编程序控制器与过去的继电器控制系统相比，它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律。过程控制系统与仪表第3章3.4.1PLC的主要组成PLC采用了典型的计算机结构，主要部分包括中央处理器CPU、存储器和输入、输出接口电路等。限位开关手动开关光电传感器感应开关数字开关编码器继电器电磁阀变频调速器数码显示器指示灯蜂鸣器输入接口输出接口中央处理单元（CPU）数据存储器编程器程序存储器过程控制系统与仪表第3章3.4.2PLC的内部等效继电器电路任何一个继电器控制系统，都是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。输出部分：控制结果要驱动的各种输出设备，如电磁阀的线圈、电机的接触器、信号灯等逻辑部分：根据被控对象的要求而设计的各种继电器控制线路输入部分：控制按钮、操作开关、限位开关、光电管信号过程控制系统与仪表第3章PLC就是用软件代替用硬件（继电器）构成的逻辑控制电路。为便于理解逻辑关系，还将PLC看成是由许多“软继电器”组成的控制器，画出其内部等效电路。图3.32PLC等效控制框图输入（外部）输入变换输出变换逻辑输出（外部）PLC过程控制系统与仪表第3章在PLC内部为用户提供的等效继电器有：输入继电器、输出电器、辅助继电器、时间继电器、计数继电器等。这些等效继电器实际上是一段段程序模块，用指令命名。3.4.3PLC的编程语言PLC品种繁多，有各种不同的编程语言，通常有梯形图、语句表、控制系统流程图、逻辑方程或布尔代数式等。最常用的是梯形图和语句表。过程控制系统与仪表第3章3.4.3.1梯形图梯形图是使用的最多的一种编程语言，在形式上类似于继电器的控制电路，因整个图形呈阶梯形，逻辑关系非常形象，故有梯形图之称。如3.4.3.2语句表借助于梯形图，可以用指令的助记符来编程。各种类型的PLC使用