控制器

第九章控制器概述模拟调节器数字控制器概述控制器的作用是将被控变量测量值与结定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。模拟调节器（控制算法由电路实现）数字控制器（含CPU，控制算法由程序实现）一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：偏差指示指示偏差信号模拟调节器——指针式表头全刻度指示：输入信号和设定值分别由不同的指针在0～100％范围指示偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号±30％数字控制器——通过LED或者液晶屏显示输出显示显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供内给定的调整若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统就无法正常运行。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。手/自动双向切换何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？手动操作可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出无扰动切换手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）Kp/Ti/Td的设置改变控制器的特性调节器的初步认识12345667图4-2DDZ－III型调节器正面图1－位号牌2－内外给定指示3－内给定设定拨盘4-A/M/H切换5－阀位表6－软手动操作扳键7－双针全刻度指示表DDZ－II型仪表（包括调节器）DDZ一III型仪表（包括调节器）III型仪表优点电源220VAC24VDC集中供电·可用24VDC蓄电池作备用电源·仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。防爆隔离防爆本安型防爆（安全火花型）故障状态：电流小于35mA，电压小于35VDC，可带电维修。输出信号0~10mA4~20mA①电气零点从4mA开始，不与机械零点重合，容易识别断电、断线等故障。②只要改变转换电阻阻值，便可接收其他电流信号，例如将10～50mA等直流电流信号转换为l～5V信号。③因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。变送器与调节器用两线联接，既节省电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。输入信号0~10mA4~20mA1~5V元器件分离元件（电阻、电容、晶体管……）集成电路（运放电路……）①由于集成运放均为差分放大器，且输人对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。②由于集成运放有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。③由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。指示表头单针偏差指示（0~±30%）有双针全刻度大表头指示（0~100%）分别指示测量值（红针）、给定值（黑针）当仪表置于“内给定”：设定值由黑针指示。手动方式硬手动硬手动、软手动硬手动——输出与拨盘数值直接对应软手动——同时按下软手动操作板键6，调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小；若手离开操作极键则当时的信号值就被保持通常都是用软手动操作板键进行手动操作，这样控制比较平稳精细，只有当需要给出恒定不变的操作信号（例如，阀的开度要求长时间不变）或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下，才使用硬手动操作。手自动切换预平衡无平衡、无扰动“自动”“软手动”切换是双向无平衡无扰动“硬手动”“软手动”切换是无平衡无扰动“硬手动”“自动”切换是无平衡无扰动“软手动”“硬手动”切换是预平衡无扰动“自动”“硬手动”切换是预平衡无扰动其它·正反作用切换（操作点：调节器内部）·PID参数设置（操作点：调节器内部）·…………二者基本相同DDZ―Ⅲ型电动调节器简介DDZ―Ⅲ型调节器的基本性能DDZ―Ⅲ型调节器的基本组成DDZ―Ⅲ型电动调节器DDZ―Ⅲ型调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示调节器它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的:对偏差进行PID运算偏差指示正反作用切换内外给定切换(产生内给定信号)手动/自动双向切换阀位显示等功能。在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器。P.36基型调节器的构成方框图数字式调节器定程序调节器可编程调节器混合调节器批量调节器数字式调节器类型：1.数字调节器的特点实现了模拟仪表与计算机一体化将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。通过软件实现所需功能数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。具有和模拟调节器相同的外特性尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（4～20mADC，1～5VDC），可以方便地与DDZ－III型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。具有通讯功能，便于系统扩展数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成DCS控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PID参数及输入/输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。可靠性高，维护方便在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。2.数字调节器构成原理以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路由系统程序、用户程序构成的软件数字调节器的主要功能由软件决定模拟调节器：硬件决定一切，功能单一硬件部分数字式调节器的硬件电路构成框图主机电路ROM存放系统程序。EPROM存放用户程序.RAM存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等多为单片机是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。过程输入通道将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样／保持器。采样／保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用A／D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。利用D／A转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模／数转换的。模拟量输入通道开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。开关量输入通道过程输出通道依次将多个运算处理后的数字信号进行数／模转换D/A转换器起数／模转换作用。V／I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。模拟量输出通道开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输开关量输出通道HMI(HumanMachineInterface)正面板：测量值和给定值显示器输出电流显示器运行状态（自动／串级／手动）切换按钮给定值增／减按钮和手动操作按钮等状态显示灯侧面板：有设置和指示各种参数的键盘、显示器通信接口电路主要有以位并行、字节串行位串行，即一次传送一位，连续传送功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。并行和串行两种工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用：串行通信原因：实施方便成本低适于远距离传输软件部分系统程序:系统程序是调节器软件的主体部分通常由监控程序和功能模块两部分组成。数字式调节器的软件分为系统程序和用户程序两大部分用户程序:用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。监控程序·系统初始化·中断管理·自诊断处理·键处理·定时处理·通信处理·掉电处理·运行状态控制一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块·数据传送用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的功能。调节器提供的功能模块主要有·PID运算·四则运算·逻辑运算·开平方运算·取绝对值运算·脉冲输入计数与积算脉冲输出·高值选择和低值选择·上限幅和上限幅·折线逼近法函数运算·一阶惯性滞后处理·纯滞后处理·移动平均值运算·控制方式切换输入、输出以及基本传送命令基本功能如：流量积算选择性控制如热电偶信号的线性化等等输入信号的软件滤波均值计算收自动切换用户程序用户程序的编程通常采用面向过程POL语言(Procedure-OrientedLanguage)。编程方式简单易学。用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程也称为“组态”。调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法。专用编程器→组态→用户程序写入EPROM→EPROM安装到数字调节器上特点总结运算控制功能强通过软件实现所需功能带有自诊断功能带有数字通讯功能具有和模拟调节器相同的外特性保持常规模拟式调节器的操作方式InShort：简单易学，功能介于常规模拟调节器和计算机控制系统之间SLPC可编程调节器SLPC可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器·具有基本PID、串级、选择、非线性、采样PI、批量PID等控制功能·具有自整定功能，可使PID参数实现最佳整定·具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统·具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性·具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节器具有规定的控制运算功能。SLPC的主要性能模拟量输入1~5V（DC）5点。模拟量输出1~5V（DC）2点，负载电阻＞3kΩ。4~20mA（DC）1点，负载电阻=0~750Ω。数字量输入接点或电压电平与数字量输出6点共用。数字量输出晶体管接点。故障状态输出晶体管接点1点。运算周期0.2s和0.1s。比例度6.3℅~999.9℅积分时间1~9999s微分时间0~9999s控制功能基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。控制算法标准PID；采样值PI；批量PID供电电源交直流两种（100V规格和200V规格）SLPC的硬件电路指示HMIA/MAO通信接口主机部分AIDI、DOReturnSLPC的软件部分包括系统程序和功能模块:系统程序用于保证整个调节器正常运行，这部分用户是不能调用的能模块提供了各种功能，用户可以根据需要选用，以构成用户程序，功能模块以指令形式提供指令指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机读写存储器RAM