控制儀表第四

1、第四章第四章 可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器l心，可大可小；大包世界，小不容針。l心量，非身量、學(xué)識、能力、權(quán)位、決定人之大小心大為大人，心小為小人。l有偉大的心，便是偉大的人。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 可編程調(diào)節(jié)器的特點可編程調(diào)節(jié)器的特點 基本構(gòu)成基本構(gòu)成第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 可編程調(diào)節(jié)器的特點可編程調(diào)節(jié)器的特點 實現(xiàn)了儀表和計算機一體化。實現(xiàn)了儀表和計算機一體化。 具有豐富的運算、控制功能。具有豐富的運算、控制功能。 通用性強，使用方便。通用性強，使用方便。 具有通信功能，便于系統(tǒng)擴展。具有通信功能，便于系統(tǒng)擴展。可靠性高，維護方便可靠性高，維護方便 。調(diào)節(jié)器還具有自診斷功能，隨時監(jiān)視各部件調(diào)

2、節(jié)器還具有自診斷功能，隨時監(jiān)視各部件工況，出現(xiàn)故障，指示操作人員及時排除。工況，出現(xiàn)故障，指示操作人員及時排除。l 模擬控制器只是由硬件（模擬元器件）構(gòu)模擬控制器只是由硬件（模擬元器件）構(gòu)成，它的功能也完全是由硬件構(gòu)成形式所成，它的功能也完全是由硬件構(gòu)成形式所決定，因此控制功能比較單一；決定，因此控制功能比較單一；l數(shù)字控制器由以處理器（數(shù)字控制器由以處理器（CPUCPU）為核心構(gòu)成）為核心構(gòu)成的硬件電路和由系統(tǒng)程序、用戶程序構(gòu)成的硬件電路和由系統(tǒng)程序、用戶程序構(gòu)成的軟件兩大部分組成，其主要是由軟件所的軟件兩大部分組成，其主要是由軟件所決定。決定。 基本構(gòu)成基本構(gòu)成數(shù)字式控制器的硬件電路數(shù)字式

3、控制器的硬件電路主機電路主機電路 由微處理器由微處理器(CPU)、存儲器存儲器(ROM、EPROM、RAM)、定時定時/計數(shù)器計數(shù)器(CTC)以及輸入輸出接口以及輸入輸出接口(I/O)等組成等組成, 完成數(shù)據(jù)傳遞完成數(shù)據(jù)傳遞、信息與程序存儲信息與程序存儲、定時計數(shù)定時計數(shù)、并行輸入輸出和異步或同步串行并行輸入輸出和異步或同步串行通信的功能。通信的功能。 數(shù)字儀表現(xiàn)常采用單片微機或?qū)Ｓ眉呻娐窋?shù)字儀表現(xiàn)常采用單片微機或?qū)Ｓ眉呻娐纷鳛橹鳈C電路作為主機電路。單片微機包括了單片微機包括了CPU、ROM、RAM、CTC和和I/O接口等接口等, 與多芯片組成的主與多芯片組成的主機電路相比，具有體積小、連

4、線少、可靠性機電路相比，具有體積小、連線少、可靠性高、價格便宜的優(yōu)點。高、價格便宜的優(yōu)點。 模擬量輸入輸出通道模擬量輸入輸出通道 模擬量輸入通道包括多路模擬開關(guān)模擬量輸入通道包括多路模擬開關(guān)、采樣采樣/保保持器持器(S/H)和和 A/D轉(zhuǎn)換器等，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功轉(zhuǎn)換器等，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。能。 有多種類型的有多種類型的 A/D，性能各異，位數(shù)有，性能各異，位數(shù)有二進制二進制 8、10、12、16、20、24位及二位及二-十進制十進制31/2 、41/2位。位。模擬量輸出通道包括模擬量輸出通道包括 D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、輸出保持電路和開關(guān)、輸出保持電路和V/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 等

5、等, 完成數(shù)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換和電壓模轉(zhuǎn)換和電壓/電流轉(zhuǎn)換功能電流轉(zhuǎn)換功能。 常采用電流型常采用電流型 D/A 芯片，有芯片，有 8、10、12、16位等幾種，位等幾種， D/A 輸出端尚需加接運算放大器。輸出端尚需加接運算放大器。開關(guān)量輸入輸出通道開關(guān)量輸入輸出通道 觸點開關(guān)、無觸點開關(guān)或邏輯器件的開關(guān)量觸點開關(guān)、無觸點開關(guān)或邏輯器件的開關(guān)量信號，通過輸入緩沖電路或直接由輸入接口信號，通過輸入緩沖電路或直接由輸入接口送至主機電路，經(jīng)處理后通過輸出鎖存器輸送至主機電路，經(jīng)處理后通過輸出鎖存器輸出至開關(guān)器件出至開關(guān)器件。人機聯(lián)系部件人機聯(lián)系部件 包括測量值、給定值顯示器，輸出電流顯示包括測量值、給定值

6、顯示器，輸出電流顯示器器, 運行狀態(tài)運行狀態(tài)(串級串級/自動自動/手動手動)切換按鈕，給切換按鈕，給定值增減按鈕定值增減按鈕, 另有一些狀態(tài)顯示燈和設(shè)置、另有一些狀態(tài)顯示燈和設(shè)置、指示各種變量的鍵盤、顯示器。指示各種變量的鍵盤、顯示器。顯示器常使用動圈指示表、顯示器常使用動圈指示表、LED、LCD等器等器件。件。通信部件通信部件 包括通信接口和發(fā)送、接收電路等。通信接包括通信接口和發(fā)送、接收電路等。通信接口將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準通信格式的數(shù)口將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準通信格式的數(shù)字信號，由發(fā)送電路送至通信線路上；同時字信號，由發(fā)送電路送至通信線路上；同時通過接收電路接收來自通信線路的數(shù)字信號，

7、通過接收電路接收來自通信線路的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換成能被主機接受的數(shù)據(jù)。將其轉(zhuǎn)換成能被主機接受的數(shù)據(jù)。通信接口有并行和串行兩種?？删幊陶{(diào)節(jié)器通信接口有并行和串行兩種?？删幊陶{(diào)節(jié)器大多采用串行傳送方式，一次傳送一位，連大多采用串行傳送方式，一次傳送一位，連續(xù)傳送，其特點是所用電纜少，成本低，適續(xù)傳送，其特點是所用電纜少，成本低，適于遠距離傳輸。于遠距離傳輸。系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化鍵盤顯示管理鍵盤顯示管理中斷管理中斷管理自診斷處理自診斷處理運行狀態(tài)控制運行狀態(tài)控制監(jiān)監(jiān)控控程程序序鍵處理鍵處理定時處理定時處理運算控制運算控制通信處理通信處理掉電處理掉電處理中中斷斷處處

8、理理程程序序 是調(diào)節(jié)器的主體部分，通常由是調(diào)節(jié)器的主體部分，通常由監(jiān)控程序和中斷處理程序組成：監(jiān)控程序和中斷處理程序組成： 用戶程序用戶程序 其作用是連接系統(tǒng)程序中各功能模塊，以完成其作用是連接系統(tǒng)程序中各功能模塊，以完成預(yù)定的控制任務(wù)預(yù)定的控制任務(wù)。 編程有在線和離線兩種方法：編程有在線和離線兩種方法：編程器獨立于調(diào)節(jié)器編程器獨立于調(diào)節(jié)器, 用戶程序?qū)懭胗脩舫绦驅(qū)懭隕PROM, 將其插入調(diào)節(jié)器相應(yīng)的插座上。將其插入調(diào)節(jié)器相應(yīng)的插座上。編程器和調(diào)節(jié)器共用一個編程器和調(diào)節(jié)器共用一個CPU， 用戶程序?qū)懹脩舫绦驅(qū)懭肴隕PROM后，同樣移至調(diào)節(jié)器的插座上。后，同樣移至調(diào)節(jié)器的插座上。P作用作用：偏差

9、一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差。比例系數(shù)kP的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。 kP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但將產(chǎn)生超調(diào)或振蕩。 kP過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 I作用作用：只要有偏差存在，積分的調(diào)節(jié)作用就會不斷地增強，直至消除比例調(diào)節(jié)器無法消除的余差。若積分作用過小，使系統(tǒng)余差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 D作用作用：微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。PID控制算式控制算

10、式 可編程調(diào)節(jié)器的可編程調(diào)節(jié)器的 PIDPID 算式是對模擬控制器的算算式是對模擬控制器的算式（參見第一章）進行離散化得到的式（參見第一章）進行離散化得到的。 積分項可表示為積分項可表示為 e (t) d t = TS e (i) t0ni = 0微分項可表示為微分項可表示為d e (t) e (n) - e (n-1) d tTS式中TS 為采樣周期，n 為采樣序號。= 常用的數(shù)字式常用的數(shù)字式PIDPID運算式有位置型算式、增量型算式、速運算式有位置型算式、增量型算式、速度型算式等。度型算式等。 PID控制算式控制算式 經(jīng)替換得到完全微分型的位置型算式位置型算式： y(n) = Kp e(

11、n) +TS e(i) + + yTIni = 0TDTSe(n) - e(n-1) 式中y(n)為第n次采樣輸出值， y為輸出初值。位置型算式計算所得的位置型算式計算所得的y(n)與實際調(diào)節(jié)閥的閥位與實際調(diào)節(jié)閥的閥位相對應(yīng)。相對應(yīng)。每次的輸出都與控制偏差過去的整個每次的輸出都與控制偏差過去的整個變化過程相關(guān)，計算時要對誤差進行累加，這變化過程相關(guān)，計算時要對誤差進行累加，這種累加作用易產(chǎn)生較大的累積偏差，使控制系種累加作用易產(chǎn)生較大的累積偏差，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)；運算量也大；運算量也大。位置型控制示意圖位置型控制示意圖將將第第n次采樣的次采樣的算式減去算式減去第第(n-1)次采樣的

12、次采樣的算式，算式，得到得到完全微分型的增量型算式增量型算式： y(n) = Kp e(n) - e(n-1) + Ki e(n) +Ki = KpKd e(n) - 2e(n-1) +e(n-2) TSTI式中：，調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)Kd = Kp，調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)TDTS 增量增量型型PIDPID算式計算兩個采樣周期算式計算兩個采樣周期PID輸出之差輸出之差，即，即讓計算機或單片機輸出相鄰兩次調(diào)節(jié)結(jié)果的讓計算機或單片機輸出相鄰兩次調(diào)節(jié)結(jié)果的增量。增量。增量型控制示意圖增量型控制示意圖另有另有速度型算式速度型算式：v (n) = y(n) / TS 常使用常使用增量型算式增量型算式, ,因有利于

13、實現(xiàn)手因有利于實現(xiàn)手/ /自動之間自動之間的無擾動切換。的無擾動切換。 由于采樣間隔時間由于采樣間隔時間TsTs是常數(shù)是常數(shù),因而速度型算式與增量型算因而速度型算式與增量型算式在本質(zhì)上是相同的式在本質(zhì)上是相同的,這種算式一般僅適用于采用積分式這種算式一般僅適用于采用積分式執(zhí)行器的控制系統(tǒng)。執(zhí)行器的控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)中，如執(zhí)行機構(gòu)采用調(diào)節(jié)閥，則控制量對應(yīng)閥門的開度，表征了執(zhí)行機構(gòu)的位置，此時控制器應(yīng)采用數(shù)字PID位置式控制算法；如執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機，每個采樣周期，控制器輸出的控制量是相對于上次控制量的增加，此時控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量控制算法。 增量式算法比位置式具有以下優(yōu)點: 增量型算法

14、不需要做累加，控制量的增量僅與最近三次誤差采樣值有關(guān)，計算誤差或計算精度對控制量的計算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。另外，用位數(shù)相同的計算機或單片機，增量式算法可以有更高的精度。 增量型算法得出的是控制量的增量，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小。而位置型算法的輸出時控制量的全量輸出，誤動作影響大。增量式算法比位置式更可靠。 增量型算法易于實現(xiàn)從手動切換到自動或從自動切換到手動，對系統(tǒng)沖擊小，即可做到無擾切換。 增量式算法簡單，便于編程的實現(xiàn)。 改進型數(shù)字式改進型數(shù)字式PIDPID運算式運算式 a. a.不完全微分算式不完全微分算式 b.b.微分先行微

15、分先行PIDPID算式算式 c.c.帶靈敏區(qū)的帶靈敏區(qū)的PIDPID算式算式 d. d.積分分離積分分離PIDPID算式算式 PID算式的改進算式的改進 PID算式的改進算式的改進 不完全微分型不完全微分型 不完全微分型算式的傳遞函數(shù)見不完全微分型算式的傳遞函數(shù)見P136，(4-6)，將其離散化得到：將其離散化得到：y(n) = Kp e(n) +TS e(i) +TIni = 0TDT *e(n) - e(n-1)+ yD (n-1) T * = TS + TDKD式中：， =TD / KDTS + TD / KD 不完全微分型算式較復(fù)雜不完全微分型算式較復(fù)雜，但其控制品質(zhì)優(yōu)于，但其控制品質(zhì)

16、優(yōu)于完全微分型完全微分型。 微分先行微分先行PID 如同微分先行的模擬控制器一樣，它只對測量如同微分先行的模擬控制器一樣，它只對測量值進行微分，這樣在給定值變化時，由于被控值進行微分，這樣在給定值變化時，由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起輸出的大控量也是緩慢變化的，從而不致引起輸出的大幅度變化。幅度變化。積分分離積分分離PID 在過程控制的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時，在過程控制的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可運算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩。起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩。在偏差大