第3章控制儀表下

3.3數(shù)字式PID控制器隨著生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展和控制要求的提高，模擬儀表的局限性越來(lái)越明顯：（1）功能單一，靈活性差（2）信息分散，需大量?jī)x表，監(jiān)視操作不便（3）接線過(guò)多，系統(tǒng)維護(hù)困難隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控儀表也迅速推出各種以微處理器為核心的數(shù)字式儀表。數(shù)字儀表的優(yōu)點(diǎn)（1）功能豐富，更改靈活，體積小，功耗低（2）具有自診斷功能（3）具有數(shù)據(jù)通信功能，可以組成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)字儀表集中了自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)（3C，ControlComputerCommunication）?？删幊虇位芈氛{(diào)節(jié)器是數(shù)字控制儀表的典型代表，如西安儀表廠的YS-80\YS-100，川儀18廠及上海調(diào)節(jié)器廠的DIGITRONIK系列等。YS80單回路調(diào)節(jié)器

YS100單回路調(diào)節(jié)器

HTBJ-211單回路智能調(diào)節(jié)器

3.3.1SLPC單回路可編程序控制器的電路原理

SLPC(SingleLoopProgrammableController)單回路控制器是西安儀表廠生產(chǎn)的YS-80系列的基型品種。特點(diǎn)為：

可接受5路模擬量、6路開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、2路1~5VDC輸出，但只有1路4～20mADC輸出，只能控制一個(gè)執(zhí)行器，這是稱(chēng)為單回路儀表的原因。能取代多臺(tái)單元儀表，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制運(yùn)算。外形、操作與模擬儀表相同，可與模擬儀表混用。具有通信及故障診斷功能。

2.6.1SLPC型可編程序控制器的電路原理模擬量輸入X1～X5

接受1～5VDC信號(hào)6個(gè)開(kāi)關(guān)量DI/DO可編程接口，通過(guò)高頻變壓器隔離Y1輸出4

～20mADCY2、Y3

輸出1～5VDC，與控制室其它儀表聯(lián)絡(luò)用故障報(bào)警輸出8251可編程通信接口，可與上位機(jī)作雙向串行通信，速率為15.625Kbit/s高速8位微處理器8085A，10MHz，可使儀表在0.2s的控制周期內(nèi)最多運(yùn)行240步用戶(hù)程序,可根據(jù)需要，將控制周期加快到0.1s。系統(tǒng)ROM：1片27256EPROM，32K，存放系統(tǒng)管理程序及運(yùn)算子程序。用戶(hù)ROM：1片2716EPROM，2K，存放用戶(hù)程序。RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存貯器，8K，存放現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定數(shù)據(jù)及中間計(jì)算結(jié)果。儀表正面板：測(cè)量值、設(shè)定值、操作值顯示；自動(dòng)/手動(dòng)/串級(jí)切換開(kāi)關(guān)；數(shù)據(jù)設(shè)定按鈕儀表側(cè)面板：8位16段筆畫(huà)顯示器，顯示各種運(yùn)行參數(shù)；可通過(guò)鍵盤(pán)上16個(gè)調(diào)整健進(jìn)行修改；并有編程器接口。

當(dāng)S2接通時(shí)

N1通電—貯能當(dāng)S2斷開(kāi)時(shí)

N1的貯能

通過(guò)N2

加到VT1的基極

VT1導(dǎo)通

接通外部繼電器、指示燈等。①

作開(kāi)關(guān)輸出接口用VT1的“通”、“斷”來(lái)對(duì)外輸出“0”、“1”輸出數(shù)據(jù)“1”時(shí)，S2作占空比50%的通斷切換可編程DI/DO接口原理作輸出端口使用時(shí)，S1斷開(kāi)②

作開(kāi)關(guān)輸入接口DI=0（輸入開(kāi)路）DATA=1S1接通DI=1（輸入短路）VN1=0D=1

CP=1時(shí)

S2以較小的占空比作通斷切換VN3=0

VN3高阻

VN1高阻D=0DATA=0A/D、D/A轉(zhuǎn)換原理同時(shí)，D/A芯片在CPU的支持下，用逐位比較法，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。從最高位100000000000開(kāi)始，CPU逐位輸出D/A轉(zhuǎn)換OP放大1片μPC648D型12位高速D/A芯片，將CPU的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬電壓，供給輸出。逐位比較法原理圖CMP比較CPU決定取舍2023/1/1416

當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠??？勺魅缦陆?(數(shù)值計(jì)算方法)式中：T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。2023/1/1417（3）兩種標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法比較

圖6兩種PID控制算法實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)系統(tǒng)（a）位置型（b）增量型

3.3.2SLPC的數(shù)字控制算法連續(xù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的表達(dá)式為

e（t）=Vs－Vp數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是采樣一次、計(jì)算一次。必須把連續(xù)方程用離散方程表示。第n次采樣時(shí)：如果調(diào)節(jié)器的輸出是控制閥門(mén)的話，yn是對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度位置，故上式稱(chēng)為“位置型PID”算式。此式計(jì)算時(shí)，需要占用大量?jī)?nèi)存空間。可改寫(xiě)為增量型PID算式：如果將上次的輸出值yn-1保持住，則只需計(jì)算出本次與上次輸出之間的增量Δyn即可

yn=yn-1+Δyn優(yōu)點(diǎn)：輸出Δyn僅決定于最近三次的采樣值，所需內(nèi)存不大，運(yùn)算比較簡(jiǎn)單。每次輸出增量值，誤動(dòng)作的影響小，必要時(shí)可通過(guò)邏輯判斷禁止或限制本次輸出，容易得到良好的調(diào)節(jié)效果。一旦調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障，停止輸出，閥位能保持在故障前的狀態(tài)。2023/1/1421算法比較

：

（1）增量型算法不需要做累加（累加任務(wù)由執(zhí)行器完成，需要有累加功能的執(zhí)行器），計(jì)算誤差或計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。而位置型算法要用到過(guò)去誤差的所有累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差（不需要有累加功能的執(zhí)行器）

。（2）增量型算法得出的是控制量的增量，誤動(dòng)作影響小（只與Δu有關(guān)），而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。（3）采用增量型算法，由于算式中不出現(xiàn)項(xiàng)，則易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。2023/1/14221什么是飽和效應(yīng)？在實(shí)際過(guò)程中，控制變量因受到執(zhí)行元件機(jī)械和物理性能的約束而限制在有限范圍內(nèi)，即其變化率也有一定的限制范圍，即

如果計(jì)算機(jī)給出的控制量在所限制范圍內(nèi)，能得到預(yù)期結(jié)果；若超出此范圍，實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，將得不到期望的效果。這種效應(yīng)稱(chēng)為飽和效應(yīng)。2023/1/14232.抑制飽和的方法

過(guò)程的起動(dòng)、結(jié)束、大幅度增減設(shè)定值短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，致使積分部分幅值快速上升。由于系統(tǒng)存在慣性和滯后，這就勢(shì)必引起系統(tǒng)輸出出現(xiàn)較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，特別對(duì)于溫度、成份等變化緩慢的過(guò)程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重，有可能引起系統(tǒng)振蕩失控（即積分飽和現(xiàn)象）。采用積分分離PID或變速積分PID等控制算法可以解決。1)抑制積分飽和2023/1/1424積分分離PID控制算法式中，為邏輯變量；為積分分離限值，它根據(jù)具體對(duì)象要求確定。過(guò)大，達(dá)不到積分分離的目的；過(guò)小，一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)靜差。圖7PID控制算法比較2023/1/1425系數(shù)與偏差當(dāng)前值的關(guān)系可以是線性的或非線性的，可設(shè)為變速積分的PID積分項(xiàng)表達(dá)式為值在區(qū)間內(nèi)變化。變速積分PID控制算法2023/1/1426

2．抑制微分飽和方法

微分環(huán)節(jié)的引入對(duì)于干擾特別敏感。當(dāng)系統(tǒng)中存在高頻干擾時(shí)，會(huì)降低控制效果。當(dāng)被控量突然變化時(shí)，正比于偏差變化率的微分輸出就很大。但由于持續(xù)時(shí)間很短，執(zhí)行部件因慣性或動(dòng)作范圍的限制，其動(dòng)作位置達(dá)不到控制量的要求值，這樣就產(chǎn)生了所謂的微分失控（飽和）。采用不完全微分可以收到較好理想效果。為避免理想微分對(duì)高頻干擾過(guò)于敏感，還可將理想微分改為實(shí)際微分。

寫(xiě)成差分方程有：實(shí)際微分傳函：將此式代替理想PID中的微分部分，即得實(shí)用的PID運(yùn)算式(3-18)。

式中：

—微分時(shí)間常數(shù)ID又因

得

實(shí)際微分因子階躍響應(yīng)

當(dāng)V01為階躍信號(hào)時(shí)，V02的階躍響應(yīng)為V02TD/nαV01/n63%t可見(jiàn)，此電路的微分是實(shí)際的微分。eAttyty為了改善操作性能和控制品質(zhì)，常對(duì)基本的PID運(yùn)算進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同工況。3.3.2.1微分先行的PID算法（PI-D）有些工藝生產(chǎn)中，經(jīng)常改變給定值。而用基本PID控制的話，當(dāng)給定值突變時(shí)，微分作用會(huì)使調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生劇烈的跳動(dòng)，稱(chēng)微分沖擊，影響工況的穩(wěn)定。PI-D算式：為了改善這種操作特性，可對(duì)給定值不進(jìn)行微分運(yùn)算，稱(chēng)為微分先行的PID算法。這種算法與基本PID算法的差別如下：

可將圖（b）等效變換為圖（c）。比較圖（a）與圖（c），可見(jiàn)PI-D算法，相當(dāng)于在PID的給定值通道中，增加了一個(gè)一階慣性濾波器，從而給定值快速變化時(shí)，對(duì)輸出的沖擊大為緩和。2比例微分先行的PID算法（I-PD）比例運(yùn)算也能傳遞階躍擾動(dòng)。由微分先行得到啟示，若對(duì)比例運(yùn)算作同樣修改，比例沖擊也能消除。比例微分先行微分先行可將圖（b）等效變換為圖（c）。比較圖（a）與圖（c），可見(jiàn)I-PD算法，相當(dāng)于在PID的給定值通道中，增加了一個(gè)二階慣性濾波器，從而給定值快速變化時(shí)，對(duì)輸出的沖擊更為緩和。圖（b）圖（c）圖（a）

3.3.2.3帶可變形設(shè)定值濾波器SVF的PID算法PI-D算法相當(dāng)于在設(shè)定值輸入通道上加了一個(gè)一階濾波環(huán)節(jié)，P-ID算法相當(dāng)于在設(shè)定值輸入通道上加了一個(gè)二階濾波環(huán)節(jié)。把兩者揉合在一起，針對(duì)不同的對(duì)象特性和控制要求，可以進(jìn)行柔性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳控制。帶可變型設(shè)定值濾波器的PID算法正是根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)而成。SVF算法在設(shè)定值通道中設(shè)置了一個(gè)二階濾波器：式中：α、β為調(diào)節(jié)器設(shè)定值通道整定參數(shù)，α、β=0～1α=0，β=0時(shí)，為比例微分先行PIDα=1，β=0時(shí)，為微分先行PID當(dāng)α、β在0~1間任意取值時(shí),可得到由PI-D到I-PD連續(xù)變化的響應(yīng)變化，因而有可能實(shí)現(xiàn)二維的最佳整定。

還有采樣PI算法、批量PID算法等等。SLPC中將上述各種控制算法編成控制程序模塊，存在系統(tǒng)ROM中，供用戶(hù)調(diào)用。帶死區(qū)的PID控制為便于用戶(hù)編程，SLPC為用戶(hù)提供的是采用面向問(wèn)題、面向過(guò)程的“自然語(yǔ)言”編程平臺(tái)。生產(chǎn)商預(yù)先將常用的運(yùn)算控制功能編制成標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，以指令命名。使用時(shí)將所需運(yùn)算模塊和控制模塊“組態(tài)”，實(shí)現(xiàn)控制功能。SLPC的用戶(hù)基本指令共46種分三類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)指令兩種：LD，ST結(jié)束指令：END功能指令：43種3.3.3SLPC單回路可編程調(diào)節(jié)器的用戶(hù)程序3.3.3.1基本運(yùn)算模塊11個(gè)有＋－×÷運(yùn)算；√、√E運(yùn)算（小信號(hào)切除點(diǎn)固定的開(kāi)方、小信號(hào)切除點(diǎn)可變的開(kāi)方）；取絕對(duì)值運(yùn)算；高選、低選；高、低限幅。3.3.3.2函數(shù)運(yùn)算模塊13個(gè)折線函數(shù)、一階慣性、微分運(yùn)算、純滯后運(yùn)算、變化率運(yùn)算、變化率限幅、移動(dòng)平均運(yùn)算、狀態(tài)變化監(jiān)測(cè)、計(jì)時(shí)、程序設(shè)定、脈沖計(jì)數(shù)、積算脈沖輸出。3.3.3.3條件判斷運(yùn)算模塊14個(gè)上下限報(bào)警、邏輯運(yùn)算、轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子指令、子程序塊、比較指令、信號(hào)切換3.3.3.4

運(yùn)算寄存器位移指令

CHGROD3.3.3.5

控制模塊3種（1）基本控制模塊BSC內(nèi)含1個(gè)調(diào)節(jié)單元CNT1，相當(dāng)于模擬儀表中的1臺(tái)PID調(diào)節(jié)器，其功能框圖如圖2-46所示。（2）串級(jí)控制模塊CSC

內(nèi)含兩個(gè)調(diào)節(jié)單元CNT1和CNT2，根據(jù)串級(jí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，CNT2可接受CNT1的輸出作為設(shè)定信號(hào)，組成雙回路串級(jí)控制系統(tǒng)，也可直接接受另一設(shè)定信號(hào)SV2，實(shí)現(xiàn)副回路的單獨(dú)控制。

（3）選擇控制模塊SSC內(nèi)部包含兩個(gè)并行工作的PID調(diào)節(jié)單元CNTI和CNT2，另有一自動(dòng)選擇單元CNT3。CNT3的控制規(guī)律為三選一：CNT3=0為低選CNT3=1為高選編程舉例：例1

把兩個(gè)輸入變量X1

、X2相加后，從Y1端口輸出。程序：LDX1

（讀入X1

數(shù)據(jù)）

LDX2

（讀入X2數(shù)據(jù)）

+（對(duì)X1

、X2求和）

STY1(將結(jié)果送往Y1)END(結(jié)束程序)3.3.4用戶(hù)程序的寫(xiě)入和調(diào)試1利用編程器逐句健入用戶(hù)程序：

移入ROM插座主程序（MPR）子程序（SBP）指定DIO功能指定控制字CNT1～CNT5其它參數(shù)END2程序的調(diào)試仿真調(diào)試真實(shí)對(duì)象調(diào)試寫(xiě)入EPROM

3.4可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是基于微機(jī)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)順序控制。隨著功能的擴(kuò)大，現(xiàn)在它除了可用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制外，有的PLC還配有PID模塊，集連續(xù)控制和邏輯控制于一身。可編程序控制器與過(guò)去的繼電器控制系統(tǒng)相比，它的最大特點(diǎn)是在于可編程序，可通過(guò)改變軟件來(lái)改變控制方式和邏輯規(guī)律。3.4.1PLC的主要組成

PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要部分包括中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和輸入、輸出接口電路等。限位開(kāi)關(guān)手動(dòng)開(kāi)關(guān)光電傳感器感應(yīng)開(kāi)關(guān)數(shù)字開(kāi)關(guān)編碼器繼電器電磁閥變頻調(diào)速器數(shù)碼顯示器指示燈蜂鳴器輸入接口輸出接口中央處理單元（CPU）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器編程器程序存儲(chǔ)器3.4.2PLC的內(nèi)部等效繼電器電路任何一個(gè)繼電器控制系統(tǒng)，都是由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。輸出部分：控制結(jié)果要驅(qū)動(dòng)的各種輸出設(shè)備，如電磁閥的線圈、電機(jī)的接觸器、信號(hào)燈等邏輯部分：根據(jù)被控對(duì)象的要求而設(shè)計(jì)的各種繼電器控制線路輸入部分：控制按鈕、操作開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、光電管信號(hào)PLC就是用軟件代替用硬件（繼電器）構(gòu)成的邏輯控制電路。為便于理解邏輯關(guān)系，還將PLC看成是由許多“軟繼電器”組成的控制器，畫(huà)出其內(nèi)部等效電路。

圖3.32PLC等效控制框圖輸入（外部）輸入變換輸出變換邏輯輸出（外部）

PLC在PLC內(nèi)部為用戶(hù)提供的等效繼電器有：輸入繼電器、輸出電器、輔助繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器等。這些等效繼電器實(shí)際上是一段段程序模塊，用指令命名。3.4.3PLC的編程語(yǔ)言PLC品種繁多，有各種不同的編程語(yǔ)言，通常有梯形圖、語(yǔ)句表、控制系統(tǒng)流程圖、邏輯方程或布爾代數(shù)式等。最常用的是梯形圖和語(yǔ)句表。3.4.3.1梯形圖梯形圖是使用的最多的一種編程語(yǔ)言，在形式上類(lèi)似于繼電器的控制電路，因整個(gè)圖形呈階梯形，邏輯關(guān)系非常形象，故有梯形圖之稱(chēng)。如

3.4.3.2語(yǔ)句表借助于梯形圖，可以用指令的助記符來(lái)編程。各種類(lèi)型的PLC使用的助記符不同，下面以ACMY－S80型PLC為例，說(shuō)明語(yǔ)句表的編寫(xiě)方法。

梯形圖

線圈觸點(diǎn)ACMY－S80的基本邏輯指令有21條，數(shù)據(jù)操作指令有12條。如表3.3，表3.4所示。3.4.3.3編程舉例例1根據(jù)圖