工业自动化仪表及过程控制(数字调节器)

工业自动化仪表及过程控制(5-2)IndustrialAutomationInstrumentationsandProcessControl数字控制算法数字调节器：数字式控制仪表。数字调节的优点：•运算、控制功能丰富；•具有数字通信功能；•可靠性好，使用维护方便数字调节器主要输入输出量输出值：VM(MV:ManipulatedVariable)设定值：VS(SV:Setpointvariable)测量值：VP(PV:ProcessVariable)e=VS-VP若：x(t)=e,y(t)=VMy(t)=f(x(t))数字系统的离散信号x0,x1,x2….,xny0,y1,y2….,yn也记做：x(0),x(1),x(2),…,x(n)y(0),y(1),y(2),…,y(n)数字PID算法(DigitalPIDAlgorithm)dtte)(Tke)(dttde)(Tnene)1()(基本PID离散表达式)1(101ninndiinnTxxTTxTxPy位置式PID算法位置式数字PID算法的原理增量式数字PID算法)}2()({12111nnndnnninnnxxxTTxxxTTPyyy•节省内存空间和运算时间•减少累计误差•误差动作影响小增量式PID算法原理)1(1)1(110211101ninndiinnninndiinnTxxTTxTxPyTxxTTxTxPy)}2()({12111nnndnnninnnxxxTTxxxTTPyyy算法框图开始输入r(n),y(n)计算e(n)计算p(n)e(n)=e(n-1)返回位置式PID算法框图PID程序获得方法三种常用PID程序编程语言性能对照功能开发时间通用性价格针对性调试汇编语言一般长差低强难高级语言强中中中强中组态软件很强短好高一般易不完全微分的PID算法由于理想的微分动作对高频干扰过于敏感，不能使用，为抑制干扰的影响，数字调节器仿效模拟调节器，将理想的微分改为不完全微分，也称为有限制的微分)111(1)(dddiKsTsTsTPsG不完全微分的PID算法易引起振荡和超调冲击小，系统稳定不完全微分PID结构框图)111(1)(dddiKsTsTsTPsG采样周期(SampleTime)Ts的选择•采样定理•系统动态指标•对象动态特性•干扰信号的频谱•控制回路数•计算精度常见被调量的经验采样周期数字PID控制的改进算法充分应用计算机控制软件算法实现方便的优点，在基本PID的基础上，对其算法进行各种改进，使其达到更好的控制效果。常见的改进算法有：积分分离PID微分先行PID抗积分饱和PID带死区PID消除积分不灵敏PID混合过程PID采样PID批量PID等变形的PID算法(AdvancedPIDControl))]()()11[(1)(ssVTsEsTPsVPdiM－微分先行算法)]()1()(1[1)(sVsTsEsTPsVPdiM－比例先行算法微分先行PID算法混合PID算法需要将几种中间产品按一定比例混合后作为最终产品。混合PID控制可以保证累计流量的控制。数字PID调节器(DigitalPIDController)数字调节器例DCS/DDC/SCADA/FCS系统中控室：仪表盘和控制台过程控制实验台单回路可编程调节器特点：•与模拟仪表兼容•控制运算功能丰富组成结构：•微处理器、内存•输入输出通道•串口、编程接口•显示表头•调整键盘、操作键SLPC可编程控制器SLPC可编程控制器YS170YS170(回路/趋势/报警/调整画面）单回路可编程控制器功能框图模拟量输入多路模拟开关开关量输入输入缓冲器采样保持器A/D输入接口CPU输出接口D/A多路模拟开关输出保持电路V/I输出锁存器模拟量输出开关量输出键盘显示窗口定时计数器显示器键盘通信接口发送接收电路数据通信ROMRAM.........EPROM单回路可编程控制器组成：主机•CPU通常采用8位微处理器，通过内部总线与接口和其他部件相连，•ROM存放系统软件；•EPROM存放用户程序；•RAM存放输入数据、显示数据、运算中间值和运算结果等.单回路可编程控制器组成：I/O•输入通道：•模拟量通道信号一般为1－5V的直流电压输入信号;(X1-X5);•开关量通道通常采用光电耦合器件进行信号隔离传输;(DI01-06).•输出通道：•模拟量输出分别为1—5V或4—20mA的直流信号,(Y1-Y3);•开关量输出通道一般采用光电耦合器件进行隔离传输,(DO01-06).单回路可编程控制器组成：接口•人机接口：•正面设置了测量值、给定值和输出值显示表；自动/串级/手动切换按钮；给定值增减按钮；手动操作按钮和状态显示灯。•侧面板上有设置和指示各种数据的键盘、显示器等。•通信接口：数字信号由驱动电路送出(串/并行)。单回路可编程调节器功能示意图主机DI01-DI06DO01-DO06其它操作显示调整键盘X1-X5Y1-Y3串行通信口编程器接口用户ROM口例：YS80SLPCSLPC单回路可编程调节器模拟输入：1-5V5路模拟输出：1-5V2路，4-20mA1路数字输入输出：6点比例度：6.3%-999.9%积分时间：1-9999s微分时间：1-9999s控制功能：基本控制，串级控制，选择控制控制算法：标准PID，采样PID，批量PID控制器工作节拍开始自检输入用户程序显示输出自检等待200ms500msWDTWDT清零•循环扫描工作方式，•由内部定时器和计数器控制。•每个定时脉冲10ms，•每次循环20个脉冲。•每200ms完成一次循环。（图2-33)可编程调节器程序例SLPC用户程序例1：把两个变量的值相加后输出。LDX1LDX2+STY1END注意：用户程序最多可以有99步指令可编程调节器程序例例2：状态量运算LDDI1LDDI2ORSTDO3……END例3：最简单控制运算LDX1BSCSTY1……ENDPV基本控制：基本PID运算MV运算寄存器工作原理LDX1LDX2+STY1END五个运算寄存器S1-S5：组成的先入后出堆栈SLPC数据结构•16位二进制数组成；•1位符号位：1/0(+/-)•3位整数位：000～111(0~7)•12位小数位：2-12~1-2–12(2.44×10-4~0.9998)•内部数据范围：-7.999~+7.999(111111111111111~0111111111111111)•其中：0.000~1.000对应4~20mA•注意：数字量/模拟量/工程量的对应关系SLPC数据结构例•例有数据如下：(3400h)0111000000000000•符号位0：正数•整数：011B－3D•小数：0.01B－1/22=0.25D•3400H－3.25D运算模块•SLPC的所有运算指令（表2-1）•不同厂家的产品编程方法和指令会有很大的不同。•学习时主要了解指令的表示方法和操作数的位置。例：一阶惯性运算模块LAGn)(11)(sXTssYLDX1取输入值LDP1取时间常数LAG1一阶惯性运算STY1结果输出例：程序设定模块PGM1Tt0LDp93取起始值LDDi1取启动信号LDDi2取复位信号PGM1程序输出运算STA1结果输出s1s1s2s2s3resetstart起始值outputendKMM单回路可编程控制器CPU：8位采样周期：100-500msAI：5路AO：4路DI：5点DO：4点控制运算模块：45个表格式组态语言KMM单回路可编程控制器控制数据结构例：F003：PID数据01：PID105：比例度1000：100.0%SLPC内部寄存器SLPC内部寄存器（16+1=17种）运算寄存器：S1-S5模拟输入寄存器：X1-X5模拟输出寄存器：Y1-Y3开关量输入寄存器：Di1-Di6开关量输出寄存器：Do1-Do6……参阅P.92SLPC控制模块及编程典型控制组态程序LDX1BSCLDY2SLPC控制模块•基本控制模块：BSC•串级控制模块：CSC•选择控制模块：SSCBSCSLPC控制模块的功能扩展寄存器•大部分程序可访问•大部分有默认值•提供外给、补偿、切换、报警等功能•例：•FL11：A/M切换，FL11=1:A,FL11=0:M•B1：PID比例度参数•A4：输出补偿，控制输出＝MV＋A4•FL1：输入上限报警，若eB6,则FL1=1•B6：报警上限设定值SLPC应用实例缓冲容器选择控制系统SLPC应用实例缓冲容器选择控制系统SPRGProgrammer第2章调节器练习增量式PID运算具有许多优点，但使用时必须具有下列哪项条件？a.不等周期采样场合b.执行器须带有积分或累加功能c.需要无扰动切换的场合e.偏差较小的系统答：b第2章调节器练习已知数字积分运算：•积分时间Ti=0.1s，•采样周期ΔT=0.2s，•输入采样值x(0)=2,x(1)=2,x(2)=1,x(3)=1,•求k=3时刻的数字积分运算结果。第2章调节器练习已知数字积分运算：•积分时间Ti=0.1s，•采样周期ΔT=0.2s，•输入采样值x(0)=2,x(1)=2,x(2)=1,x(3)=1,•求k=3时刻的数字积分运算结果。•解：•Y(3)=(0.2/0.1)(2+2+1+1)=12第2章调节器练习SLPC可编程调节器的主要外部连接特征包括下列哪几项：A：模拟量输入/输出B：开关（状态）量输入/输出C：双向串行数据接口D：SPRG编程器接口第2章调节器练习SLPC可编程调节器的主要外部连接特征包括下列哪几项：A：模拟量输入/输出B：开关（状态）量输入/输出C：双向串行数据接口D：SPRG编程器接口答：ABCD第2章调节器小结•重点掌握PID调节规律的原理及其应用；•基本理解PID模拟电路的结构原理；•理解数字PID算法基本表达式及其原理；•初步了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。第2章调节器作业p116:2-1,2-4,2-8