过程控制第3章下

《过程控制第3章下》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制第3章下（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、过程控制系统与仪表 第3章 3.3 数字式PID控制器 随着生产规模的发展和控制要求的提高，模拟 仪表的局限性越来越明显： （1）功能单一，灵活性差 （2）信息分散，需大量仪表，监视操作不便 （3）接线过多，系统维护困难 随着大规模集成电路和计算机技术的发展，测 控仪表也迅速推出各种以微处理器为核心的数字式 仪表。 过程控制系统与仪表 第3章 数字仪表的优点 （1）功能丰富，更改灵活，体积小、功耗低 （2）具有自诊断功能 （3）具有数据通信功能，可以组成测控网络 数字仪表集中了自动控制、计算机及通信技术 （3C，Control Computer Communication）。 可编程单回路调节

2、器是数字控制仪表的典型代 表，如西安仪表厂的YS-80YS-100，川仪18厂及上 海调节器厂的DIGITRONIK系列等。 过程控制系统与仪表 第3章 YS80单回路调节器 过程控制系统与仪表 第3章 YS100单回路调节器 过程控制系统与仪表 第3章 HTBJ-211单回路智能调节器 过程控制系统与仪表 第3章 3.3.1 SLPC3.3.1 SLPC单回路可编程序控制器的电路原理单回路可编程序控制器的电路原理 SLPC (Single Loop Programmable Controller) SLPC (Single Loop Programmable Controller)单 回路控

3、制器是西安仪表厂生产的YS-80系列的基型品 种。特点为： q可接受5路模拟量、 6路开关量输入/输出、2路 15VDC输出，但只有1路420mADC输出，只能控 制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。 q能取代多台单元仪表，实现复杂的控制运算。 外形、操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。 q具有通信及故障诊断功能。 过程控制系统与仪表 第3章 2.6.1 SLPC型可编程序控制器的电路原理 过程控制系统与仪表 第3章 高速8位微处理器8085A，10MHz，可使仪表 在0.2s的控制周期内最多运行240步用户程序,可根据 需要，将控制周期加快到0.1s。 过程控制系统与仪表 第3章 系统

4、ROM：1片27256EPROM，32K，存放系统管理 程序及运算子程序。 用户ROM：1片 2716EPROM，2K，存放用户程序。 RAM：2片PD4464，低功耗CMOS存贮器，8K，存 放现场设定数据及中间计算结果。 过程控制系统与仪表 第3章 模拟量输入X1 X5 接受1 5V DC 信号 6个开关量DI/DO可编程接 口，通过高频变压器隔离 过程控制系统与仪表 第3章 Y1输出4 20mA DC Y2、Y3 输出1 5V DC， 与控制室其它仪表联络用 故障报警输出 8251可编程通信接口，可与上位机作 双向串行通信，速率为15.625Kbit/s 过程控制系统与仪表 第3章 仪表

5、正面板：测量值、设定值、操作值显示；自 动/手动/串级切换开关；数据设定按钮 仪表侧面板：8位16段笔画显示器，显示各种运 行参数 ；可通过键盘上16个调整健进行修改；并有 编程器接口。 过程控制系统与仪表 第3章 当S2接通时 N1通电 贮能 当S2断开时 N1的贮能 通过N2 加到VT1 的基极 VT1导通 接通外部继电器、指示灯等。 作开关输出接口 用VT1的“通”、 “断” 来对外输出“0”、 “1” 输出数据“1”时， S2作 占空比50%的通断切换 可编程DI/DO接口原理 作输出端口使 用时， S1断开 过程控制系统与仪表 第3章 作开关输入接口 DI =0 （输入开路） DAT

6、A = 1 S1接通 DI = 1 （ 输入短路） VN1 = 0 D = 1 CP=1时 S2以较小的占空 比作通断切换 VN3 = 0 VN3 高阻 VN1 高阻 D = 0 DATA =0 过程控制系统与仪表 第3章 A/D、D/A转换原理 q同时，D/A芯片在 CPU的支持下，用逐位 比较法，实现A/D转换。 从最高位 100000000000 开始， CPU逐位输出 D/A转换 OP放大 q1片PC648D型12位高速D/A芯片，将CPU的 运算结果转换为模拟电压，供给输出。 逐位比较法原理图 CMP比较 CPU决定取舍 过程控制系统与仪表 第3章 3.3.2 SLPC的数字控制算法

7、 连续PID调节规律的表达式为 e（t）=VS VP 数字调节器的特点是采样一次、计算一次。必 须把连续方程用离散方程表示。第n次采样时： 过程控制系统与仪表 第3章 如果调节器的输出是控制阀门的话，yn是对应 的阀门开度位置，故上式称为“位置型PID”算式。 此式计算时，需要占用大量内存空间。 可改写为增量型PID算式： 如果将上次的输出值yn-1保持住，则只需计算出 本次与上次输出之间的增量yn即可 yn = yn-1 + yn 过程控制系统与仪表 第3章 优点： q输出yn仅决定于最近三次的采样值，所需内存 不大，运算比较简单。 q每次输出增量值，误动作的影响小，必要时可 通过逻辑判断禁

8、止或限制本次输出，容易得到良好 的调节效果。 q一旦调节器出现故障，停止输出，阀位能保持 在故障前的状态。 过程控制系统与仪表 第3章 为避免理想微分对高频干扰过于敏感，还可将 理想微分改为实际微分。 写成差分方程有： 实际微分传函： 将此式代替理想PID中的微分部分，即得实用 的PID运算式。 过程控制系统与仪表 第3章 为了改善操作性能和控制品质，常对基本的 PID运算进行修改，以适应不同工况。 3.3.2.1 微分先行的PID算法（PI-D） 有些工艺生产中，经常改变给定值。而用基本 PID控制的话，当给定值突变时，微分作用会使调 节器输出产生剧烈的跳动，称微分冲击，影响工况 的稳定。

9、过程控制系统与仪表 第3章 PI-D算式： 为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微 分运算，称为微分先行的PID算法。 这种算法与基本PID算法的差别如下： 过程控制系统与仪表 第3章 可将图（b）等效 变换为图（c）。 比较图（a）与图 （c），可见PI-D算法 ，相当于在PID的给定 值通道中，增加了一个 一阶惯性滤波器，从而 给定值快速变化时，对 输出的冲击大为缓和。 过程控制系统与仪表 第3章 2 比例微分先行的PID算法（I-PD） 比例运算也能传递阶跃扰动。由微分先行得到启 示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。 比例微分先行微分先行 过程控制系统与仪表 第3章 可将图（

10、b）等效 变换为图（c）。 比较图（a）与图 （c），可见I-PD算法 ，相当于在PID的给定 值通道中，增加了一 个二阶惯性滤波器， 从而给定值快速变化 时，对输出的冲击更 为缓和。 图（b） 图（c） 图（a） 过程控制系统与仪表 第3章 3.3.2.3 带可变形设定值滤波器SVF的PID算法 PI-D算法相当于在设定值输入通道上加了一个一 阶滤波环节，I-PD算法相当于在设定值输入通道上加 了一个二阶滤波环节。把两者揉合在一起，针对不同 的对象特性和控制要求，可以进行柔性调整，实现最 佳控制。带可变型设定值滤波器的PID算法正是根据 这一思路设计而成。 过程控制系统与仪表 第3章 SVF

11、算法在设定值通道中设置了一个二阶滤波器： 式中： 、为调节器设定值通道整定参数，、 = 0 1 = 0 ， = 0 时，为比例微分先行PID = 1 ， = 0 时，为微分先行PID 过程控制系统与仪表 第3章 当、 在 0 1 间任意取值时,可得到 由PI-D 到I-PD连续变 化的响应变化，因而 有可能实现二维的最 佳整定。 还有采样PI算法、批量PID算法等等。 SLPC中 将上述各种控制算法编成控制程序模块，存在系统 ROM中，供用户调用。 过程控制系统与仪表 第3章 为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用 面向问题、面向过程的“自然语言”编程平台。生产 商预先将常用的运算控制功能

12、编制成标准程序模块 ，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模块“ 组态”，实现控制功能。 SLPC的用户基本指令共46种分三类 数据传输类指令两种：LD，ST 结束指令：END 功能指令：43种 3.3.3 SLPC单回路可编程调节器的用户程序 过程控制系统与仪表 第3章 3.3.3.1 基本运算模块 11个 有运算；、 E运算（小信号切除点固 定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值 运算；高选、低选；高、低限幅。 3.3.3.2 函数运算模块 13个 折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算 、变化率运算、变化率限幅、移动平均运算、状态 变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲

13、输出。 过程控制系统与仪表 第3章 3.3.3.3 条件判断运算模块 14个 上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令 、子程序块、比较指令、信号切换. 3.3.3.4 运算寄存器位移指令 CHG ROD 3.3.3.5 控制模块 3种 （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1台PID调节器，其功能 框图如图2-46所示。 过程控制系统与仪表 第3章 （2）串级控制模块CSC 内含两个调节单元CNT1 和CNT2，根据串级开关状态 ，CNT2可接受CNT1的输出作 为设定信号，组成双回路串级 控制系统，也可直接接受另一 设定信号SV2，实现副回路的 单独控制。

14、 过程控制系统与仪表 第3章 （3）选择控制模块SSC 内部包含两个并行工作的 PID调节单元CNTI和CNT2，另 有一自动选择单元CNT3。 CNT3的控制规律 为三选一： CNT3 = 0 为低选 CNT3 = 1 为高选 过程控制系统与仪表 第3章 编程举例： 例1 把两个输入变量X1 、X2相加后，从Y1端口 输出。 程序： LD X1 （读入X1 数据） LD X2 （读入X2数据） + （对X1 、X2求和） ST Y1 (将结果送往Y1) END (结束程序) 过程控制系统与仪表 第3章 3.3.4 用户程序的写入和调试 1 利用编程器逐句健入用户程序： 移入ROM插座 主程序

15、（MPR） 子程序（SBP） 指定DIO功能 指定控制字CNT1CNT5 其它参数 END 2 程序的调试 仿真调试 真实对象调试 写入EPROM 过程控制系统与仪表 第3章 3.4 可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器简称PLC，是基于微机技术 进行开关顺序控制。随着功能的扩大，现在它除了 可用于开关量逻辑控制外，有的PLC还配有PID模 块，集连续控制和逻辑控制于一身。 过程控制系统与仪表 第3章 可编程序控制器与过去的继电器控制系统相比 ，它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件 来改变控制方式和逻辑规律。 过程控制系统与仪表 第3章 3.4.1 PLC的主要组成 PLC采用了典型的计算

16、机结构，主要部分包括中 央处理器CPU、存储器和输入、输出接口电路等。 限位开关 手动开关 光电传感器 感应开关 数字开关 编码器 继电器 电磁阀 变频调速器 数码显示器 指示灯 蜂鸣器 输 入 接 口 输 出 接 口 中央处理单元 （CPU） 数据存储器 编程器 程序存储器 过程控制系统与仪表 第3章 3.4.2 PLC的内部等效继电器电路 任何一个继电器控制系统，都是由输入部分、 逻辑部分和输出部分组成。 输出部分： 控制结果要驱动 的各种输出设备 ，如电磁阀的线 圈、电机的接触 器、信号灯等 逻辑部分： 根据被控对象 的要求而设计 的各种继电器 控制线路 输入部分： 控制按钮、操 作开关、限 位开关、光 电管信号 过程控制系统与仪表 第3章 PLC