控制儀表課件-第02章 調(diào)節(jié)器(3月19日更新)

第二章調(diào)節(jié)器主要內(nèi)容數(shù)字式PID算式數(shù)字調(diào)節(jié)器1第一節(jié)數(shù)字式PID算式調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律模擬式PID算式基本型數(shù)字式PID算式改進型數(shù)字式PID算式2一、何為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律△x=Xm-Xs單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

△x——偏差

Xs——給定值

Xm——測量值調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律

就是調(diào)節(jié)器的輸出信號隨輸入信號(偏差)變化的規(guī)律。這個規(guī)律常常稱為調(diào)節(jié)器的特性。3一、何為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律

調(diào)節(jié)器特性：1、輸入是被控變量與給定值之差即偏差△x，輸出是輸出信號的變化量△y。2、△x＞0稱正偏差(Xm>Xs)△x＜0稱負偏差(Xm<Xs)3、△x＞0相應的△y＞0,稱為正作用調(diào)節(jié)器△x＞0相應的△y＜0,稱為反作用調(diào)節(jié)器4一、何為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律

正作用調(diào)節(jié)器：△x＞0(Xm<Xs)△y＞0TC正作用TC反作用反作用調(diào)節(jié)器：△x＞0(Xm>Xs)△y＜05二、模擬調(diào)節(jié)器的PID算式理想的PID微分方程為傳遞函數(shù)為6二、模擬調(diào)節(jié)器的PID算式偏差型PID運算式

微分先行PID運算式

PID調(diào)節(jié)器偏差構(gòu)成的二種形式

7二、模擬調(diào)節(jié)器的PID算式偏差型PID運算式

測量值Xm與給定值Xs相減后，得到偏差△x，然后對偏差△x進行比例、積分和微分的運算。缺點：對給定值的變化也進行PID運算模擬電路構(gòu)成的偏差型PID調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)的調(diào)節(jié)規(guī)律：8二、模擬調(diào)節(jié)器的PID算式微分先行PID運算式先對測量值Xm進行微分運算，再與給定值Xs相減，然后再進行比例積分運算。優(yōu)點：只對給定值的變化進行PI運算，避免了給定值變化產(chǎn)生的大幅度變化。模擬電路構(gòu)成的微分先行PID調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)的調(diào)節(jié)規(guī)律：9三、基本型數(shù)字式PID算式離散化處理

對于積分項用右式近似對于微分項用右式近似

結(jié)果：

10三、基本型數(shù)字式PID算式位置型算式

輸出與實際調(diào)節(jié)閥的閥位相對應

便于計算機運算的實現(xiàn)，但計算繁瑣、占用的計算機內(nèi)存很大,計算錯誤或輸出錯誤時，會造成調(diào)節(jié)閥開度錯誤，致使控制出錯。11三、基本型數(shù)字式PID算式增量型算式

輸出為兩個采樣周期PID輸出值之差

計算機運算所需的內(nèi)存較小、計算也相對簡單，出現(xiàn)故障不會造成大的影響，易于系統(tǒng)手動和自動間的無擾動切換。12三、基本型數(shù)字式PID算式速度型算式

輸出是增量型算式的輸出值與采樣間隔時間T之比本質(zhì)上與增量型算式是相同的。13三、基本型數(shù)字式PID算式偏差系數(shù)型算式

是將增量型算式展開后合并同類項而得到的設則有14四、改進型數(shù)字式PID算式不完全微分算式

微分作用采用實際微分作用設該式為一理想PID與一個一階慣性環(huán)節(jié)的乘積。15四、改進型數(shù)字式PID算式不完全微分算式

位置型理想PID算式:一階慣性環(huán)節(jié)的離散化后的形式:

16四、改進型數(shù)字式PID算式微分先行PID算式

微分運算環(huán)節(jié)：

微分先行PID運算結(jié)構(gòu)圖

17四、改進型數(shù)字式PID算式微分先行PID算式

偏差計算：比例積分運算環(huán)節(jié)：18四、改進型數(shù)字式PID算式帶不靈敏區(qū)的PID算式

—在一定偏差范圍內(nèi)輸出為0或(B稱為不靈敏區(qū)寬度)19四、改進型數(shù)字式PID算式積分分離PID算式

—在一定偏差范圍內(nèi)切除積分作用例:方法：PID控制算式的積分項前面乘上一個變量N20第二節(jié)數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器構(gòu)成原理SLPC可編程調(diào)節(jié)器21數(shù)字式調(diào)節(jié)器類型常用數(shù)字式調(diào)節(jié)器的類型有：定程序調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)規(guī)律固定不變；調(diào)節(jié)參數(shù)（P,Ti,Td）可變。

可編程調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)規(guī)律可變（通過編程組態(tài)）；調(diào)節(jié)參數(shù)（P,Ti,Td）可變。22一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器構(gòu)成原理

數(shù)字式調(diào)節(jié)器由二大部分組成：1.以微處理器(CPU)為核心構(gòu)成的硬件電路部分；2.系統(tǒng)程序和用戶程序構(gòu)成的軟件部分。23數(shù)字式調(diào)節(jié)器的硬件電路

數(shù)字式調(diào)節(jié)器的硬件電路構(gòu)成框圖24主機電路

完成數(shù)據(jù)傳遞、算術(shù)邏輯運算、轉(zhuǎn)移控制等功能。ROM存放系統(tǒng)程序。EPROM存放用戶程序。RAM

存放輸入數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、運算的中間值和結(jié)果值。

CTC的定時功能用來確定調(diào)節(jié)器的采樣周期，并產(chǎn)生串行通信接口所需的時鐘脈沖。計數(shù)功能主要用來對外部事件進行計數(shù)。

25I/O接口I/O接口是CPU同過程輸入、輸出通道等進行數(shù)據(jù)交換的器件，它有并行接口和串行接口兩種。并行接口具有數(shù)據(jù)輸入、輸出雙向傳送和位傳送的功能，用來連接過程輸入、輸出通道，或直接輸入、輸出開關(guān)量信號。串行接口具有異步或同步傳送串行數(shù)據(jù)的功能，用來連接可接收或發(fā)送串行數(shù)據(jù)的外部設備。26過程輸入通道

模擬量輸入通道

將多個模擬量輸入信號分別轉(zhuǎn)換為CPU所接受的數(shù)字量。

多路模擬開關(guān)將多個模擬量輸入信號分別連接到采樣/保持器。

采樣/保持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用。

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量。

利用D/A轉(zhuǎn)換器與電壓比較器，按逐位比較原理來實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的。

27過程輸入通道

開關(guān)量輸入通道

開關(guān)量輸入通道將多個開關(guān)輸入信號轉(zhuǎn)換成能被計算機識別的數(shù)字信號。

開頭量指的是在控制系統(tǒng)中電接點的通與斷，或者邏輯電平為“1”與“0”這類兩種狀態(tài)的信號。

開關(guān)量輸入通道常采用電耦合器件作為輸入電路進行隔離傳輸。

28過程輸出通道

模擬量輸出通道

依次將多個運算處理后的數(shù)字信號進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器起數(shù)/模轉(zhuǎn)換作用。

V/I轉(zhuǎn)換器將1~5V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號。

29過程輸出通道

開關(guān)量輸出通道

開關(guān)量輸出通道通過鎖存器輸出開關(guān)量（包括數(shù)字、脈沖量）信號，以便控制繼電器觸點和無觸點開關(guān)的接通與釋放，也可控制步進電機的運轉(zhuǎn)。

采用光電耦合器件作為輸出電路進行隔離傳輸。

30人／機聯(lián)系部件

正面板有：測量值、給定值和輸出電流顯示器；狀態(tài)顯示燈；運行狀態(tài)(自動/串級/手動)切換按鈕；給定值增/減按鈕；手動操作按鈕等。側(cè)面板有：設置和指示各種參數(shù)的鍵盤；顯示器等。

31通信接口電路

通信接口將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準通信格式的數(shù)字信號，經(jīng)發(fā)送電路送至通信線路（數(shù)據(jù)通道）上；同時通過接收電路接收來自通信線路的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換成能被計算機接受的數(shù)據(jù)。

通信接口有串行和并行兩種：

并行傳送是以位并行、字節(jié)串行形式；

串行傳送為串行形式，即一次傳送一位，連續(xù)傳送。

32數(shù)字式調(diào)節(jié)器的軟件

數(shù)字式調(diào)節(jié)器的軟件分為兩大部分：系統(tǒng)程序和用戶程序（對于可編程調(diào)節(jié)器）。系統(tǒng)程序:

系統(tǒng)程序是調(diào)節(jié)器軟件的主體部分，通常由監(jiān)控程序和功能模塊兩部分組成。用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定的規(guī)則連接起來。稱為：組態(tài)。用戶程序:

33系統(tǒng)程序

監(jiān)控程序使調(diào)節(jié)器各硬件電路能正常工作并實現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時完成各組成部分之間的管理。其主要完成的任務有：·系統(tǒng)初始化

·中斷管理

·自診斷處理

·鍵處理

·定時處理

·通信處理·掉電處理·運行狀態(tài)控制

34系統(tǒng)程序

功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以構(gòu)成用戶程序，使調(diào)節(jié)器實現(xiàn)用戶所規(guī)定的功能。調(diào)節(jié)器提供的功能模塊主要有：·數(shù)據(jù)傳送

·高值選擇和低值選擇·PID運算

·上限幅和上限幅

·四則運算

·折線逼近法函數(shù)運算

·邏輯運算

·一階慣性滯后處理

·開平方運算

·純滯后處理

·取絕對值運算

·移動平均值運算

·脈沖輸入計數(shù)與積算脈沖輸出

·控制方式切換

35用戶程序

用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定的規(guī)則連接起來的結(jié)果，其作用是使調(diào)節(jié)器完成預定的控制與運算功能。使用者編制程序?qū)嶋H上是完成功能模塊的連接，也即組態(tài)工作。用戶程序的編程通常采用面向過程POL語言(Procedure-OrientedLanguage)。

36用戶程序

調(diào)節(jié)器的編程工作是通過專用的編程器進行的，有“在線”和“離線”兩種編程方法：在線編程：編程器與調(diào)節(jié)器通過總線連接共用一個CPU

離線編程：編程器自帶一個CPU構(gòu)成一臺獨立的儀表

37數(shù)字式調(diào)節(jié)器的特點

運算控制功能強

通過軟件實現(xiàn)所需功能帶有自診斷功能帶有數(shù)字通訊功能具有和模擬調(diào)節(jié)器相同的外特性保持常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)器的操作方式

38二、SLPC可編程調(diào)節(jié)器SLPC可編程調(diào)節(jié)器是一種有代表性的、功能較為齊全的可編程調(diào)節(jié)器，其功能有：基本PID、串級、選擇、非線性、采樣PI、批量PID等控制功能。并具有自整定功能，可使PID參數(shù)實現(xiàn)最佳整定。用戶只需使用簡單的編程語言，即可編制各種控制與運算程序，使調(diào)節(jié)器具有規(guī)定的控制運算功能。39二、SLPC可編程調(diào)節(jié)器SLPC還具有通信功能，可與上位計算機聯(lián)系起來構(gòu)成集散型控制系統(tǒng)；具有可變型給定值平滑功能，能夠改善給定值變更的響應特性；具有自診斷功能，在輸入輸出信號、運算控制回路、備用電池及通信出現(xiàn)異常情況時，進行故障處理并進行故障顯示。

40SLPC可編程調(diào)節(jié)器的硬件電路

54728361軟件41主機電路CPU：采用8085AHC，時鐘頻率為10MHz。系統(tǒng)ROM：采用兩片27256型EPROM，32KB。用于存放監(jiān)控程序和各種功能模塊。用戶ROM：采用一片2716型EPROM，2KB。用于存放用戶程序。RAM：采用兩片μPD4464C低功耗CMOS存儲器，8KB。見圖42過程輸入通道SLPC調(diào)節(jié)器共有5個模擬量輸入通道。A/D轉(zhuǎn)換器：是利用μPC648D型高速12位D／A轉(zhuǎn)換器和比較器，通過CPU反饋編碼，實現(xiàn)12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器是輸入通道和輸出通道共用。X1輸入通道備用指示方式：發(fā)生故障時，CPU自檢程序或WDT電路發(fā)出的故障信號使“故障/PV”開關(guān)切換到故障位置，進行測量值指示。見圖見圖43過程輸出通道SLPC調(diào)節(jié)器共有3個模擬量輸出通道。Y1為4～20mA.DC.輸出Y2、Y3為1～5V.DC.輸出負載斷線監(jiān)測：正常工作時：P點電壓<=6V負載斷線時：P點電壓>6V(電容充電過多造成)備用手操輸出方式：正常工作時，為D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。故障時，輸出電路被切換成保持狀態(tài)，軟手動操作輸出。見圖見圖I/V見圖44過程輸出通道見圖45開關(guān)量輸入和輸出通道SLPC調(diào)節(jié)器有六個開關(guān)量輸入和輸出通道。DI1/DO1DI4/DO4DI2/DO2DI5/DO5DI3/DO3DI6/DO6它們既可以當作輸入也可以當作輸出，由使用者設定。開關(guān)量輸入/輸出通道都經(jīng)過高頻變壓器隔離。見圖46人／機聯(lián)系部件側(cè)面板有觸摸式鍵盤和數(shù)字顯示器，用于：顯示或修改輸入、輸出數(shù)據(jù)、PID參數(shù)和其他數(shù)據(jù)。正面板的布置類似于模擬式調(diào)節(jié)器，可顯示：主被控變量的測量值給定值調(diào)節(jié)器輸出值故障顯示燈和報警燈。見圖見圖47通信接口電路由8251通信接口芯片和光電隔離電路組成。采用半雙工、串行異步通訊方式。

光電隔離電路用于抑制通信線路中可能引入的干擾。見圖48SLPC可編程調(diào)節(jié)器的軟件部分SLPC的軟件包括：系統(tǒng)程序和功能模塊。系統(tǒng)程序：用于保證整個調(diào)節(jié)器正常運行，這部分用戶是不能調(diào)用的。功能模塊：提供了各種功能，用戶可以根據(jù)需要選用，以構(gòu)成用戶程序，功能模塊以指令形式提供。硬件49SLPC可編程調(diào)節(jié)器的寄存器SLPC中對應于RAM存儲器的各個不同單元，定義了不同名稱的寄存器：Xn和Yn寄存器：輸入和輸出寄存器。An和Bn寄存器：專用參數(shù)寄存器。

FLn寄存器：專用狀態(tài)寄存器。

Dn寄存器：數(shù)據(jù)寄存器。

Kn寄存器：常數(shù)寄存器。

Pn寄存器：鍵盤可修改數(shù)據(jù)寄存器。

S1~5寄存器：運算寄存器。這五個運算寄存器以堆棧方式工作。50SLPC可編程調(diào)節(jié)器的寄存器S1~5運算寄存器Xn輸入寄存器Yn輸出寄存器An專用參數(shù)寄存器Bn

專用參數(shù)寄存器FLn專用狀態(tài)寄存器Dn

數(shù)據(jù)寄存器Kn常數(shù)寄存器Pn鍵盤可修改數(shù)據(jù)寄存器Xn信號輸入通道硬件電路Yn信號輸出通道硬件電路51

Sn運算寄存器結(jié)構(gòu)示意圖運算寄存器結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理

編程舉例:LDX1LDX2+STY252指令類型指令有4種類型：1、信號讀取指令LD——用于把輸入輸出等數(shù)據(jù)→S1。2、信號存儲指令ST——用于把S1中的數(shù)據(jù)→有關(guān)寄存器。3、程序結(jié)束指令END——將控制無條件地轉(zhuǎn)移出用戶程序，結(jié)束本控制周期內(nèi)的一切運算。

53指令類型4、功能指令——完成各種指定功能基本運算——+、-、×、÷等帶設備編號的運算——十段折線函數(shù)運算等條件判斷——上下限報警、邏輯運算、轉(zhuǎn)移跳轉(zhuǎn)等寄存器移位——S寄存器交換、S寄存器循環(huán)移位

控制功能——BSC、CSC、SSC54控制功能指令的基本功能

①基本控制指令BSC內(nèi)含一個調(diào)節(jié)單元CNT1，相當于模擬儀表中的一臺PID調(diào)節(jié)器。②串級控制指令CSC內(nèi)含兩個串聯(lián)的調(diào)節(jié)單元CNT1、CNT2，可組成串級調(diào)節(jié)統(tǒng)。③選擇控制指令SSC內(nèi)含兩個并聯(lián)的調(diào)節(jié)單元CNT1、CNT2和一個單刀三擲切換開關(guān)CNT3，可組成選擇控制系統(tǒng)。每臺SLPC調(diào)節(jié)器只能選用其中的一種，且同一應用程序中只能使用一次。55控制功能指令的基本功能

CNT1~3決定控制指令的算法在編程時由編程器選擇的參數(shù)決定。CNT1=1:標準PID算法;CNT2=1:標準PID算法;CNT3=0:低選CNT1=2:采樣PI算法;CNT2=2:采樣PI算法;CNT3=1:高選CNT1=3:批量PID算法在程序中用指令調(diào)用CNT控制功能：BSC:調(diào)用CNT1控制功能；CSC:調(diào)用CNT1和CNT2控制功能；SSC:調(diào)用CNT3控制功能。56控制功能指令的基本功能

例：被控量接到SLPC的模擬量輸入通道X1，控制量接到SLPC的模擬量輸出通道Y1，實現(xiàn)單回路PID控制。設置CNT1=1后，編寫程序如下：(1)LDX1

讀入測量值X1(2)BSC

基本控制(調(diào)用CNT1=1的控制功能)(3)STY1

控制輸出MV送Y1(4)END

結(jié)束本控制周期基本控制指令BSC的作用：將運算寄存器S1中的數(shù)據(jù)與設定值相減，得到偏差。再經(jīng)過由CNT1所決定的控制算法運算后，再將結(jié)果存入S1。57控制功能指令的功能擴展

A寄存器(模擬量功能擴展寄存器)可以提供八種功能FL寄存器(狀態(tài)量功能擴展寄存器)可以提供七種功能(a)實現(xiàn)內(nèi)、外給定的切換(b)輸出跟蹤(c)自動、手動切換(d)輸入報警或偏差報警(e)輸入和輸出補償(f)引入可變增益BSC指令功能擴展后的功能結(jié)構(gòu)圖

58控制功能指令的功能擴展

功能擴展舉例1：將外給定信號引入X2，由調(diào)節(jié)器外部信號決定其給定值；將補償信號引入X3，實現(xiàn)前饋補償；將FL1和FL2報警信號送入DO1和DO2，進行被控量的上、下限報警。

應用程序如下：(1)LDX2

讀取給定信號(2)STA1

將X2存入A1(3)LDX3

讀輸出補償信號(4)STA4

將X3存入A4(5)LDX1

讀取測量值X1(6)BSC

基本控制運算(7)STY1

控制輸出送Y1(8)LDFL1

讀上限報警狀態(tài)(9)STDO1

上限報警送DO1(10)LDFL2

讀下限報警狀態(tài)(11)STDO2

下限報警送DO2(12)END

結(jié)束59控制功能指令的功能擴展

功能擴展舉例2：參照SLPC可編程調(diào)節(jié)器的BSC邏輯功能圖，編寫滿足下列要求的SLPC可編程調(diào)節(jié)器程序。1.調(diào)節(jié)器輸出端子Y01接輸出信號；2.調(diào)節(jié)器輸入端子X02接輸入信號；3.調(diào)節(jié)器輸出端子DO1接下限報警輸出信號；4.調(diào)節(jié)器輸出端子DO2接上限報警輸出信號；5.變量寄存器P01用于設定輸出下限幅值；6.變量寄存器P02用于設定輸出上限幅值；7.變量寄存器P03用于設定輸入信號下限報警值；8.變量寄存器P04用于設定輸入信號上限報警值。60控制功能指令的功能擴展

功能擴展舉例2：(1)LDP01

(2)STB12(3)LDP02(4)STB11(5)LDP03(6)STB07(7)LDP04(8)STB06(9)LDX02(10)BSC(11)STY01(12)LDFL1(13)STD02(14)LDFL2(15)STD01(16)END應用程序如下：61

串級控制指令CSC

CSC指令中具有兩個調(diào)節(jié)單元CNT1和CNT2，可實現(xiàn)串級調(diào)節(jié)，也可以副回路單獨運行。串級調(diào)節(jié)時，將副回路的測量值PV2送入S1，主回路的測量值PV1送入S2，并執(zhí)行CNT1和CNT2所指定的運算，最后將運算結(jié)果(即將要輸出的MV值)存入S1中。串級和副回路單獨調(diào)節(jié)可由FL12切換，F(xiàn)L12=1為單回路。

副回路單獨運行時，測量值PV2由S1提供，給定值由側(cè)面板上的鍵盤給定。這時CNT1也處于工作狀態(tài)，但是不將輸出送到CNT2。對兩個調(diào)節(jié)單元CNT1和CNT2，通過A寄存器分別可以提供八種擴展功能，F(xiàn)L寄存器分別可以提供七種擴展功能。主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器副回路測量主對象副對象主回路測量CNT2CNT1PV2PV1STY2Y1S1S2S162CSC指令功能擴展后的功能結(jié)構(gòu)圖63SLPC可編程調(diào)節(jié)器的應用

帶溫壓補償?shù)臍怏w流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)64SLPC可編程調(diào)節(jié)器的應用

己知儀表參數(shù)如下：孔板設計壓力

Pd=600kPa

；

孔板設計溫度

Td=300℃；壓力變送器量程0～1000kPa；溫度變送器量程0～500℃；差壓變送器量程0～32kPa

；流量測量范圍0～8000Nm2/h。65SLPC可編程調(diào)節(jié)器的應用

1.確定調(diào)節(jié)器應承擔的任務，PID運算和溫差補償運