计算机控制中PID控制块的无扰动切换

计算机控制中PID控制块的无扰动切换王锦标，朱因心（清华大学自动化系，北京100084）[摘要]介绍DCS或FCS中PID控制块的MAN（手动）、AUTO（自动）、INIT（初始化）和OT（输出跟踪）4种工作方式的无扰动切换。[关键词]PID控制；手动；自动；初始化；输出跟踪；无扰动切换[中图分类号]TP214[文献标识码]A[文章编号]1000-7059(2002)02-0047-03UndisturbedswitchingofPIDcontrolblockincomputercontrolWANGJin-biao,ZHUYin-xin（DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,China）Abstract：Theundisturbedswitchingbetween4operationmodes，i.e.MAN(Manual),AUTO(Automatic),INIT(Initiation)andOT(Out-putTracking),forPIDcontrolblockinDCSorFCSisintroduced.Keywords：PIDcontrol；manual；automation；initiation；outputtracking；Undisturbedswitching1PID控制块的工作方式DCS和FCS是过程计算机控制的典型系统，其特点之一是输入、输出、控制和运算功能以功能块的形式呈现在用户面前。例如，AI、AO、DI、DO、PID控制和运算功能块等。在组态软件的支持下，用户对功能块进行组态，就可以构成所需的控制回路，如单回路、串级、前馈、比值等，其中PID控制块是控制回路的核心。在我们开发的DCS组态软件中，将PID控制块的工作方式分为MAN、AUTO、INIT和OT4种，如图1所示。图1PID工作方式①MAN工作方式此时PID控制块停止PID运算，CV（输出控制量）来自MV（手动操作量），如从键盘或PID控制画面上来设置MV。②AUTO工作方式此时PID控制块进行PID运算，CV来自PID计算控制量（U）。③INIT工作方式此时PID控制块停止PID运算，CV取决于后级功能块的状态，下文将会叙述。④OT方式对于特殊的PID控制回路，为了操作安全，有必要为PID控制块配置手操器，作为后备操作。手操器上有HA/HM（自动/手动）切换开关，手动操作按钮及双针指示表（其中一针指示CV或HV（手动操作量），另一针指示执行机构位置反馈）。当手操器处于HA工作状态时，可以接受开自计算机的输出控制量CV。HV（或执行机构位置反馈）通过AI功能块作为TV（输出跟踪量），HA/HM开关状态通过DI功能块作为NT/YT（无/有输出跟踪）开关。也就是说，对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪（OT）功能。根据控制要求，操作员可以通过PID控制画面或操作员键盘来改变PID控制块的MAN或AUTO工作方式。PID控制块的INIT方式取决于其前级或后级功能块的状态，而不能人工设置。PID控制块的OT方式取决于后面手操器的状态。综上所述，PID控制块的工作方式可以在MAN、AUTO、INIT和OT之间切换。为了保证控制回路的正常运行，PID控制块工作方式的切换必须实现无平衡无扰动切换。所谓无平衡无扰动切换，是指在进行PID控制块工作方式切换之前，例如从MAN到AUTO或从AUTO到MAN的切换，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。一般的计算机控制或DCS中将PID控制块的控制方式分为MAN、AUTO、INIT和OT，并且从整个回路考虑到各功能块工作方式的变化，仍然能够保证回路的无扰动切换。例如，单回路、串级回路的无扰动切换，即使外部手操器工作方式变化也能保证回路的无扰动切换。这些是本软件的独特之处，也是本文叙述的重点。2手动和自动PID控制算式可分为两类：一类是理想微分算式，如算式⑴；另一类是实际微分算式，如算式⑵。PID控制的传递函数算式为U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS)⑴U(S)/E(S)=Kp[1+1/TiS+TdS/(1＋TdS/Kd)]⑵式中Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，Kd为微分增益，E为给定值(SV)和被控量(PV)之间的差值，U为控制量。为了便于计算机实现PID控制，必须将上述PID算式用差分方程式来表示。例如，理想微分算式⑴的差分方程式为△U(n)＝KP[E(n)-E(n-1)]+KIE(n)+KD[E(n)-2E(n-1)+E(n-2)]⑶U(n)=U(n-1)+△U(n)⑷式中KI=KPTc/Ti，KD=KPTd/Tc，Tc为控制周期。①PID控制块处于MAN方式此时手动操作MV，尽管不进行PID计算，但在每个控制周期Tc应使给定值(SV)跟踪被控量(PV)，同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零，并将MV赋给U(n-1)。这样，一旦切向AUTO方式时，由于SV=PV(即偏差E(n)为0)，PID差分算式中的历史数据也为0，故△U(n)＝0，而U(n-1)又等于切换瞬间的手动操作量MV。这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性，即CV(n)＝U(n)＝U(n-1)＋△U(n)＝MV②PID控制块处于AUTO方式此时为了实现从AUTO到MAN的无平衡无扰动切换，每个控制周期Tc应将CV值赋给MV。3初始化PID控制块具有回算输出端(BV)和回算输入端(BI)，AO功能块具有回算输出端(BV)，如图2单回路控制所示。后级功能块的回算输出端(BV)和前级功能块的回算输入端(BI)连接，用来向前级功能块传送有关参数，使得这两个功能块的工作方式建立内在联系并互相匹配，从而保证功能块工作方式的无扰动切换，以及控制回路正常工作。图2单回路控制组态图⑴后级AO功能块的回算输出端(BV)连接前级PID控制块的回算输入端(BI)，如图2单回路控制所示。这两个功能块之间工作方式的互相匹配可分为下列两种情况：①后级AO功能块（工作号是PV1234）为MAN方式为了便于调试，可将AO功能块置为MAN方式，那么前级PID控制块（工作号是PC1234）就立即切换到INIT方式。此时，PID控制块（PC1234）的输出控制量（CV）跟踪AO功能块（PV1234）的输出量。这样，一旦AO功能块（PV1234）切换到AUTO方式，PID控制块（PC1234）就立即切换到MAN方式。此时，由于PID控制块（PC1234）的CV等于AO功能块（PV1234）的输出，对输出控制无影响，实现了无扰动切换。②前级PID控制块（工作号是PC1234）为MAN方式前级PID控制块（PC1234）在MAN方式下尽管不进行PID计算，但要为无扰动切换到AUTO方式做准备。例如，在每个控制周期Tc应使其给定值(SV)跟踪被控量(PV)，同时也要使其PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零，并将输出控制量(CV)赋给U(n-1)。这样，一旦PID控制块（PC1234）切换到AUTO方式，此时，由于其SV=PV(即偏差E(n)为0)，而又等于切换瞬间的CV，这就保证了切换瞬间控制块(PC1234)输出控制量的连续性，即PID控制块(PC1234)的输出控制量CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=CV对输出控制无影响，实现了无扰动切换。⑵后级PID功能块的回算输出端(BV)连接前级PID控制块的回算输入端(BI)，如图3串级控制所示。图3串级控制组态图在该串级控制回路中，后级AO功能块（工作号是FV1236）的回算输出端(BV)连接前级副PID控制块(工作号是FC1236)的回算输入端(BI)，这两者之间工作方式的互相匹配，以及无扰动切换方式与上述单回路控制相同，不再重述。图3中后级副PID控制块（FC1236）和前级主PID控制块（工作号是TC1235）之间工作方式的互相匹配可分为下列4种情况：①如果AO功能块（FV1236）为MAN方式，那么副PID控制块（PC1236）就切换到INIT方式，同时主PID控制块（TC1235）也就切换到INIT方式。②如果AO功能块（FV1236）切换到AUTO方式，那么副PID控制块（PC1236）就切换到MAN方式，主PID控制块（TC1235）也就切换到INIT方式。③如果后级副PID控制块（FC1236）切换到AUTO方式，而且处于内给定状态，即副回路变为单回路控制方式，那么前级主PID控制块（TC1235）就切换到INIT方式。此时，主PID控制块（TC1235）的CV（输出控制量）跟踪副PID控制块（FC1236）的SV（给定值），另外还要为无扰动切换到串级做准备。例如，尽管此时主PID控制块（TC1235）不进行PID计算，但在每个控制周期应使其SV跟踪PV，同时也要使其PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零，还要将副PID控制块（FC1236）的SV赋给主PID控制块（TC1235）的U(n-1)。④如果后级副PID控制块（FC1236）切换到串级方式，那么前级主PID控制块（TC1235）就切换到AUTO方式，并且为内给定状态，其SV=PV。此时，由于主PID控制块（TC1235）的CV等于切换瞬间副PID控制块（FC1236）的SV，使得副PID控制块（FC1236）无扰动切换到串级方式。这是由于主PID控制块（TC1235）的SV=PV（即偏差E(n)为0），PID差分算式中的历史数据为0，故△U(n)＝0，而U(n-1)又等于切换瞬间副PID控制块（FC1236）的SV，这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性，即主PID控制块（TC1235）的输出控制量CV(n)＝U(n)＝U(n-1)＋△U(n)＝SV对副PID控制块（FC1236）的SV无影响，实现了无扰动切换。4输出跟踪对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪功能，如图1所示。手操器有以下两种工作状态：⑴手操器处于HM工作状态当手操器处于HM工作状态时，PID控制块处于OT方式，即输出跟踪开关切向YT位置。为了实现从有输出跟踪(YT)到无输出跟踪(NT)状态的无扰动切换，在每个控制周期Tc应使SV跟踪PV，同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零，还要将HV(手动操作量)赋给U(n-1)。这样，一旦PID功能块切换到正常工作状态，即无输出跟踪(NT)时，由于SV=PV（即偏差E(n)为0），PID差分算式中的历史数据为0，故△U(n)＝0，而U(n-1)又等于切换瞬间的HV值。这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性，即CV(n)＝U(n)＝U(n-1)＋△U(n)＝HV⑵手操器处于HA工作状态当手操器处于HA工作状态时，可以接收来着计算机的输出控制量(CV)，此时PID控制块处于正常的无输出跟踪(NT)状态.一旦人工将手操器切换到HM状态，由于其已跟踪CV，从而实现了从NT到YT的无扰动切换。5结束语按照上述无平衡无扰动切换原理开发的PID控制回路组态软件已运行于锅炉、加热炉的计算机控制，效果很好。众所周知，目前冶金、石油、化工、发电、制药等连续生产过程的计算机控制仍然以PID控制为主，此文供同行共享。