DCS中的PID模块

数字PID控制器的工程实现1.3数字PID控制器的工程实现前面两节分别讨论了数字PID控制算法及其改进措施，为编制PID程序提供了算式，这是数字PID控制器的核心问题。如果计算机仅实现此算式，并不能完全满足实际控制的需要，还必须考虑其他工程实际问题，才能使PID控制程序具有通用性和实用价值。众所周知，电动仪表中的模拟PID调节器是一台硬设备。与之相比，计算机中的数字PID控制器却是一台软设备，也就是说，它是由一段PID程序来实现的。一台模拟调节器只能控制一个回路，而一段PID控制程序却可以作为一台计算机所控制的所有PID控制回路的公共子程序。所不同的只是各个控制回路提供的原始数据不一样，输入输出通道也不一样。为此，必须给每个PID控制回路提供一段内存数据区(亦称线性表)，以便存放各种信息参数。既然PID控制程序是公共子程序，那就应该具有通用性和工程实用价值。在设计PID控制程序时，必须考虑各种工程实际情况，并含有多种功能，以便用户选择。计算机控制中的数字PID控制器是由PID控制程序及相应的数据区构成的，本书称它为PID控制块。每个PID控制块对应一段数据区(亦称参数表，详见表1．3．1)，也就是说，一台计算机中可以有n个PID控制块及对应的n个PID控制块参数表，而PID控制程序只有一个，可以供n个PID控制块共用。计算机控制中数字PID控制器以PID控制块的形式出现，而PID控制块的用户表现形式是PID控制块参数表(表1．3．1)，也可以把PID控制块参数表称为PID控制块的实体。在PID控制组态软件的支持下，用户只需按要求填写PID控制块参数表即可构成PID控制块，实现PID控制功能。表1．3．1PID控制块参数表项号参数名名称数据及说明默认1N0功能块号O～2552TAGNAME工位号8个字符3ALGORITH算法码8个字符PIDPID4ACTIVEPID功能块激活未激活=OFF激活=ON0FF5ATTRIBUTPID功能块属性0PERATOR=OFFPROGRAM=ONOFF6PV_MODEPV方式自动AUTO=OFF．手动MAN=ONOFF7PV被控量工程量RL～RH8RHPV量程上限工程量RH～RL-99999.00～+99999.009RLPV量程下限工程量RL～RH-99999.00～+99999.0010EUPV工程单位℃，Pa，MPa，m3，(自定义8个字符)11OV_MODEPID工作方式MAN=0AUTO=1INIT=2NLH=3PBH=4O12SV_MODE给定值方式内给LOC=0串级CAS=1监控SCC=2O13SVL内给给定值工程量RL～RH14SV串级给定值工程量RL～RH15SVSSCC给定值工程量RL～RH16SR给定值变化率限制0.1％～100％(RH～RL)／s517PHHAPV高高报警值RL～RHPHHA≥PHIARH18PHIAPV高限报警值RL～RHPHIA≥PLOARH19PLOAPV低限报警值RL～RHPLOA≥PLLARL20PLLAPV低低报警值RL～RHPLLA≥RLRL21HYPV报警死区0.1％～100％(RH～RL)122D_R一正／反作用正作用D=OFF反作用R=ON0FF23DVA偏差报警值0.1％～100％(RH～RL)124NA非线性区0.0％～100％(RH～RL)O25NK非线性区增益0.0～1.0126ICV输入补偿量工程量RL～RH27ICM输人补偿方式0=无1=加2=减3=置换028DV_PV微分方式DV微分=OFFPV微分=ON0FF29KP比例增益O.1～1000．0130TI积分时间0.1s～1000．0s，0：无积分131TD微分时间0.1s～1000．0s，0：无微分132KD微分增益O.1～1000．0533IB积分分离值0.1％～100％(RH～RL)5340H控制量上限值0％～100％OHOL100350L控制量下限值0％～100％OL≥0O360CV输出补偿量0％～100％370CM输出补偿方式0=无1=加2=减3=置换O380HS输出保持开关无保持NH=OFF保持YH=ONOFF390SS输出安全开关无安全NS=OFF安全YS=ON0FF40SOV输出安全值0％～100％50410TV输出跟踪量0％～100％420TS输出跟踪开关无跟踪NT=OFF跟踪YT=ON0FF430R控制量变化率限制0.1％／s～100％／s544COV输出控制量0％～100％45MOV手动控制量0％～100％46TFPV滤波时间常数0.1S～l000.0S47ELMODEPID算式算式1=1算式2=2算式3=3算式4=4248TCPID控制周期0.2S～60.0s149REJvl0DE恢复工作方式手动MAN=0自动AUTO=1O50DECIMAL小数点位数0，1，2，3，4251S_PVPV标准数标准数“O～1”52S_SVLSVL标准数标准数“O～1”53S_SVSV标准数标准数“O～1”54S_SVSSVS标准数标准数“O～1”55S_ICVICV标准数标准数“O～1”56S_OCVOCV标准数标准数“O～1”57S_0TVOTV标准数标准数“O～1”58S_MOVMOV标准数标准数“O～1”59S_COVCOV标准数标准数“O～1”60BIV回算输入量61BOV回算输出量62F_FB前级回算功能块工位号63N_FB后级回算功能块工位号64PHHASPV高高报警状态未报警=OFF报警=ON65PHIASPV高限报警状态未报警=0FF报警=0N66PLOASPV低限报警状态未报警=0FF报警=0N67PLLASPV低低报警状态未报警=0FF报警=0N68DVAS偏差报警状态未报警=0FF报警=0N69T_PV被控量端子工位号．参数名模拟量70T_SV串级给定值端子工位号．参数名模拟量71T_COV输出控制量端子工位号．参数名模拟量72T_SVSSCC给定值端子工位号．参数名模拟量73T_ICV输入补偿量端子工位号．参数名模拟量74T-OCV输出补偿量端子工位号．参数名模拟量75T_0TV输出跟踪量端子工位号．参数名模拟量76T_0TS输出跟踪开关端子工位号．参数名开关量77T_0HS输出保持开关端子工位号．参数名开关量78T_OSS输出安全开关端子工位号．参数名开关量PID控制器的输入之一是被控量y(亦称过程变量PV)，输出之一是控制量u，如图1．1所示。与PID控制块类似，可以将其被控量PV称为模拟量输入(AD块，控制量“通过模拟量输出(AO)块作用于执行机构，本书将PID控制块、AI块、AO块等统称功能块(functionblock，FB)。因此，可以将图1．1所示的单回路PID控制系统图用图1．9单回路PID控制功能块组态图来表示，即用AI块、PID控制块和AO块构成一个PID控制回路。在一台计算机中可以有多个AI块、PID控制块和AO块，用户根据需要可以组成多个PID控制回路。功能块有惟一的名字或工位号(tagname)，如图1．9中3个功能块的工位号分别为PTl234，PC1234．，PVl234。为了便于PID控制回路的组成及控制系统的调试，功能块可以处于运行或停止状态。为此，每个功能块设有激活(ACTIVE)参数，当ACTIVE=ON(逻辑“1”)，则功能块处于激活(ACTIVE)状态，即运行状态；反之，当ACTIVE=0FF(逻辑“O”)，则功能块处于非激活(INACTIVE)状态，即停止状态。在常规控制中以PID控制器为核心。本节将数字PID控制器的工程实现分成如图1．10所示的6部分来讨论，与其对应的相关参数见表1．3．1(PID控制块参数表)。1．3．1给定值处理给定值处理包括给定值选择(LOC／CAS／SCC)和给定值变化率限制(SR)两部分，如图1．11所示。1．给定值选择通过选择给定值方式(SV_MODE)的值0，1或2，分别对应软开关LOC，CAS或SCC，可以构成内给定、串级和监控状态。(1)内给定(LOC)状态当SV_MODE值为O时，软开关处于内给定LOC位置，则选择操作员设置的给定值SVL。此时，可以利用操作员键盘或PID控制画面的给定值按键窗口改变内给定值SVL。(2)串级(CAS)状态当SV_MODE值为1时，软开关处于串级1CAS位置，则选择来自外部的给定值SV。此时，可以构成串级控制的外给定状态，SV来自主PID控制块或其他功能块。(3)监控(SCC)状态当SV_MODE值为2时，软开关处于监控SCC位置，则选择来自上位监控计算机的给定值SVS。给定值方式(SV__MODE)为枚举数0，1或2。给定值方式(SV_MODE)的选择可以有以下3种方法：(1)当PID控制块处于自动(AUTO)方式时，通过单击PID控制画面的LOC，CAS或SCC窗口；(2)通过PID控制块参数表，选SV_MODE为内给定LOC、串级CAS或监控SCC；(3)通过程序给SV_MODE赋值0(内给定LOC)，1(串级CAS)或2(监控SCC)。2．给定值变化率限制为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例(P)、微分(D)饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率SR加以限制。SR的单位为被控量PV量程(RH～RL)的百分数／秒。例如，被控量PV量程为0℃～200℃：(即RL=0，RH=200)，SR取O．5％／s，即SR=1℃／s；当给定值SV从140℃升到150℃时，内部参与运算的给定值CSV需要用10s才能升到150℃。通过PID控制块参数表，给SR赋值。SR的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。1．3．2被控量处理被控量PV处理包括PV方式(PV_MODE)、PV滤波和PV高低限值报警检查3部分，如图1．12所示。1．PV方式(PV_MODE)PID控制块的输入一般来自生产过程，简称过程变量(PV)，PV方式(PV_MODE)分以下两种：(1)自动(AUTO)，此时PID控制块的输入信号来自模拟量输入(AD块或其他功能块。为此，将PV_MODE置为AUTO，这是PID控制块的正常工作方式。(2)手动(MAN)，此时可以人工设置PV。为此，将PV_MODE置为MAN，这样便于仿真调试。PV方式(PV_MODE)的选择可以有以下两种方法：(1)通过PID控制块参数表，选PV_MODE为自动(AUTO)或手动(MAN)；(2)通过程序给PV_MODE赋值OFF(自动)或ON(手动)。2．PV滤波对PV采用一阶惯性滤波，其公式为式中Tf为滤波时间，单位是秒。通过PID控制块参数表，给Tf赋值。3．PV高低限值报警为了安全运行，需要对被控量PV进行高高限、高限、低限和低低限报警检查，一旦越限，相应的报警状态为逻辑“1”(状态“ON”)。当PVPHIA(高限报警值)时，则高限报警状态PHIAS为逻辑“1”；当PVPLOA(低限报警值)时，则低限报警状态PLOAS为逻辑“1”；当PVPHHA(高高限报警值)时，则高高限报警状态PHHAS为逻辑“1”，同时高限报警状态PHIAS也为逻辑“1”；当PVPLLA(低低限报警值)时，则低低限报警状态PLLAS为逻辑“1”，同时低限报警状态PLOAS也为逻辑“1”。当PV处于报警临界值时，为了不使报警状态频繁改变，可以设置一定的报警死区HY，如图1．12所示。通过PID控制块参数表，依次给PLLA，PLOA，PHIA，PHHA赋值。1．3．3偏差处理偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输人补偿4部分，如图1．13所示。1．计算偏差根据PID控制器正／反作用方式(D_R)计算偏差DV，即当D_R=OFF，代表正作用，此时偏差DV+=CPV-CSV即被控量增加的结果，使控制量增加；当D_R=ON，代表反作用，此时偏差DV-=CSV-CPV即被控量增加的结果，使控制量减少。通过PID控制块参数表，选择正／反作用方式，即给D_R赋值OFF／ON。2．偏差报警对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控量PV的高、低限报警，而且要设置偏差DV报警。当偏差绝