第五章：数字调节器原理

XI’ANJIAOTONGUNIVERSITY第二部分：数字调节器与集散控制系统郑辑光电信学院、自动控制研究所2020年2月16日星期日综合自动化系统——CIMS/CIPS11:45:24第五章：单回路数字调节器基本教学要求掌握单回路数字调节器SLPC的基本硬件组成、工作原理，系统软件设计思想，以及常用控制功能的编程、实现方法等。11:45:24单回路数字可编程调节器SLPC11:45:24SLPC正面板布置图11:45:24SLPC侧面板布置图11:45:24调节器、编程器的连接11:45:24编程器SPRG的内部结构11:45:24数字调节器的发展日本横河公司（Yokogawa）DCS发展历史：代——1975年，大规模CENTUM,32回路/站，可挂32站；1979年，中小规模YEWPACK,8回路/站，可挂8单元；1980年，YS-80*A单回路调节仪表。代——1983年，NewModelCENTUM,冗余、备用；1984年，YEWPACKMARK，彩显。1986年，YS-80*E型。代——1988年，CENTUM-XL，控制功能增强，控制站为双屏；1988年，XL中小型集散控制系统；1991年，YS-100液晶显示画面。代——1994年，CENTUM-CS；1997年，CS3000大规模系统；1997年，CENTUMCS1000,中小规模系统，通用PC机，WINDOWNT4.0。1996年，现场总线仪表。11:45:24单回路数字调节器单回路调节器：只有一路采取4~20mA直流电流信号输出，即原则上只能控制一个执行器。特性：1.单回路控制器具有丰富和灵活可变的运算控制功能；即具有连续控制功能，也具有一定的顺序控制及处理批量生产过程的能力。2.具有通信功能，能与集中监视操作站及上位计算机交互信息，构成集散控制系统。3.具有自诊断功能，有助于系统维护。11:45:2411:45:24一、SLPC硬件组成及通信模式输入AI电路：11:45:24数字调节器的硬件组成输出AO电路：11:45:24数字调节器的硬件组成“看门狗”电路：11:45:24数字调节器的硬件组成模数转换电路：11:45:24数字调节器的DCS通信模式YS80(SLPC)/100采用20mA电流环通信原理图通信接口电路：11:45:24通信编码异步、串行、半双工通信：LCS发送、SLPC接收11:45:24SLPC通信处理（不作要求）异步、串行、电流环通信方式。通信周期480ms，波特率15.625kb/s，每个周期由上位机通信卡LCS发起通信，属于1对1、主从式通信，与控制周期无关独立进行。通信内容：见下页。11:45:24通信数据内容11:45:24SLPC与上位机的通信11:45:24其它数据传输方式RS232不平衡式数据传输：11:45:24其它数据传输方式RS485平衡式数据传输：11:45:24数字调节器的RS485通信模式YS100采用RS485构成的多机通信原理图：11:45:24二、SLPC管理程序及工作时序11:45:24SLPC定周期工作时间图图4-1411:45:24SLPC的过程控制运算输入处理(AI)、控制运算(PID)、输出处理(AO)11:45:24输入通道自检及相关处理输入通道自检、数据规范化处理、抗温度漂移：11:45:24过程报警与系统报警11:45:24三、控制功能实现及用户程序编制11:45:24SLPC常用寄存器11:45:24SLPC寄存器结构及信息流程11:45:24SLPC的用户程序编制程序编制举例：11:45:24SLPC的用户程序编制1.基本运算模块：+，-，，，等等。2.带编号的运算模块：LAGn,DEDn,等。为何要带编号？3.控制模块：BSC,SSC,CSC11:45:24SLPC的指令表（1）11:45:24SLPC的指令表（2）11:45:24SLPC的用户程序编制一阶惯性环节运算模块：LAG1~8)(11)(sXsTsYp)()()(kTxTTTTkTyTTTkTyppp,11:45:24SLPC的用户程序编制纯滞后环节运算模块：DED1~3)()(sXesYLs11:45:24SLPC的用户程序编制十段折线函数：FX1、FX2任意折线函数FX3、FX411:45:24控制模块及其编程SLPC内的控制模块有三种功能结构，可用来组成不同类型的控制回路：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l台PID调节器，可用来组成各种单回路调节系统。②串级控制模块CSC，内含2个互相串联的调节单元CNTl、CNT2，可组成串级调节系统。选择控制模块SSC，内含2个并联的调节单元CNTl、CNT2和1个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。11:45:24控制模块及其编程以下三种控制模块在使用时，每台SLPC只能选用其中的1种，而且在编程时只能使用一次。11:45:24控制模块及其编程11:45:24基本控制模块BSC的功能框图11:45:24扩展功能寄存器的应用输入处理扩展功能寄存器的初始化设定扩展寄存器（A,FL等）控制运算扩展功能寄存器输出输出显示控制周期：0.2秒用户程序11:45:24模块BSC的回路连接输入寄存器理处入输nXX1LD输出寄存器nY1A12A/DD/A理处出输算运制控Y1ST系统管理程序执行系统管理程序执行用户程序执行/AUTCASMANMV1SPV1SCNT1CSVSVPVMV3SVAGSETBSC模块SLPC控制回路连接及控制策略11:45:2411:45:24设定值滤波器SVF的运算式：sTTsTTdidi)(1)(1其中：0,1~0,1~0diTT.::微分时间常数积分时间常数diTT，.00dT时，SVF式中的无微分动作及11:45:24三、SLPC的用户程序编制采用面向问题的POL语言：预先按照一般控制、运算要求编制好各种标准功能程序模块，由用户根据特定控制应用要求从中选取，并通过编程用户程序进行模块连接，组成完整的控制系统，完成“组态”任务。11:45:24SLPC编程举例例一：SLPC编程实现最基本的PID控制算法11:45:24SLPC编程举例例二：SLPC编程实现一阶惯性加纯滞后对象模型11:45:24SLPC编程举例例三：反应罐温度控制系统——变增益控制11:45:24增益自适应控制为保持同样的增益欲度（相对稳定性），对象的静态增益增大，控制器中的比例增益需要相应降低。11:45:24反应罐温度控制系统——变增益控制11:45:24SLPC编程举例11:45:24带批量开关的PID控制算法PID-BSW(CNT1=3)控制应用于批量控制：开关控制与连续控制相结合。11:45:24采样PI控制PI-HLD(CNT1=2)控制器：类似手动控制；适用于大纯滞后对象，或对超调要求严格的场合。11:45:24Smith补偿控制算法Smith补偿控制器的预测控制器结构11:45:24Smith补偿控制算法+-)1(1LseTsKP.I.DsTeKsL0010PVSVMV-+数字调节器算法DM(A2)S1标准Smith补偿控制器的数字调节器实现11:45:24Smith补偿控制算法11:45:24Smith补偿算法的编程实现1.LDY18.LDP12.LDY19.*3.LDP210.STA24.DED111.LDX15.-12.BSC6.LDP313.STY17.LAG114.END其中，P1、P2、P3分别存放K、L、T。11:45:24对象仿真程序1.LDY15.LAG22.LDP046.LDP053.*7.DED24.LDP068.STY2其中，P4、P5、P6分别存放K0、L0、T0，同时检查接线：输出Y1要短路；Y2输出要反馈给输入X1。另外，当P4、P5、P6与P1、P2、P3不同时，可做Smith补偿算法的鲁棒性分析。11:45:24MODE方式字设置11:45:24程序输入方法11:45:24用对象的仿真模型进行调试11:45:24编程步骤11:45:24编程步骤11:45:24编程步骤11:45:24SLPC*A数字调节器11:45:24SLPC*E数字调节器11:45:24YS100系列调节器11:45:24YS170数字调节器11:45:24第五章：思考题教材：P.1162-10；2-11。11:45:24