控制仪表及装置第四章28753

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1、控制仪表及装置第四章 可编程调节器第一节 概述 可编程调节器的特点 基本构成第二节 KMM可编程调节器 组成 功能 编程方法和仪表投入 应用举例第一节 概述 可编程调节器的特点实现了仪表和计算机一体化。具有丰富的运算、控制功能。通用性强，使用方便。具有通信功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便 。调节器还具有自诊断功能，随时监视各部件 工况，出现故障，指示操作人员及时排除。 基本构成 硬件系统 多 路 开 关采 样保 持输 入 缓 冲模 拟 量 输 入开 关 量 输 入A/D 输 入 接 口微 处 理 器输 出 接 口存储器键盘显示接口D/A多 路 开 关输 出 保 持V/I输 出 缓 冲 键

2、盘显示器通信接口发送 接收模 拟 量 输 出开 关 量 输 出通 信主机电路 由微处理器(CPU)、存储器(ROM、EPROM 、RAM)、定时/计数器(CTC)以及输入输出接 口(I/O)等组成, 完成数据传递、信息与程序存 储、定时计数、并行输入输出和异步或同步串 行通信的功能。 数字仪表现常采用单片微机或专用集成电路 作为主机电路。单片微机包括了CPU、ROM 、RAM、CTC和I/O接口等, 与多芯片组成的 主机电路相比，具有体积小、连线少、可靠 性高、价格便宜的优点。 模拟量输入输出通道 模拟量输入通道包括多路模拟开关、采样/保 持器(S/H)和 A/D转换器等，完成模数转换功 能。

3、 有多种类型的 A/D，性能各异，位数有 二进制 8、10、12、16、20、24位及二-十进制 31/2 、41/2位。模拟量输出通道包括 D/A转换器、多路模拟 开关、输出保持电路和V/I转换器 等, 完成数 模转换和电压/电流转换功能。 常采用电流型 D/A 芯片，有 8、10、12、16位等几种， D/A 输出端尚需加接运算放大器。开关量输入输出通道 触点开关、无触点开关或逻辑器件的开关量 信号，通过输入缓冲电路或直接由输入接口 送至主机电路，经处理后通过输出锁存器输 出至开关器件。人机联系部件 包括测量值、给定值显示器，输出电流显示 器, 运行状态(串级/自动/手动)切换按钮，给 定

4、值增减按钮, 另有一些状态显示灯和设置 、指示各种变量的键盘、显示器。显示器常使用动圈指示表、LED、LCD等器 件。通信部件 包括通信接口和发送、接收电路等。通信接 口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数 字信号，由发送电路送至通信线路上；同时 通过接收电路接收来自通信线路的数字信号 ，将其转换成能被主机接受的数据。通信接口有并行和串行两种。可编程调节器 大多采用串行传送方式，一次传送一位，连 续传送，其特点是所用电缆少，成本低，适 于远距离传输。系统程序 软件系统 系统初始化键盘显示管理中断管理自诊断处理运行状态控制监 控 程 序键处理定时处理运算控制通信处理掉电处理中 断 处 理 程 序

5、是调节器的主体部分，通常由监控程序和中断处理程序组成： 用户程序 其作用是连接系统程序中各功能模块，以完成预定的控制任务。 编制程序采用表格式组态语言 (KMM调节器) 和助记符式组态语言(SLPC调节器)。本章以 前者为例予以介绍。编程有在线和离线两种方法：编程器独立于调节器, 用户程序写入EPROM, 将其插入调节器相应的插座上。编程器和调节器共用一个CPU， 用户程序写 入EPROM后，同样移至调节器的插座上。PID控制算式 可编程调节器的 PID 算式是对模拟控制器的算 式（参见第一章）进行离散化得到的。 积分项可表示为 e (t) d t = TS e (i) t0ni = 0微分项

6、可表示为d e (t) e (n) - e (n-1) d tTS 式中TS 为采样周期，n 为采样序号。经替换得到 完全微分型的位置型算式： y(n) = Kp e(n) +TS e(i) + + yTIni = 0TDTSe(n) - e(n-1) 式中y(n)为第n次采样输出值， y为输出初值。=将第n次采样的算式减去第(n-1)次采样的算式， 得到完全微分型的增量型算式： y(n) = Kp e(n) - e(n-1) + Ki e(n) +Ki = KpKd e(n) - 2e(n-1) +e(n-2) TSTI式中：，调节器的积分系数Kd = Kp，调节器的微分系数TDTS另有速度

7、型算式：v (n) = y(n) / TS 常使用增量型算式,因有利于实现手/自动之间 的无扰动切换。 PID算式的改进 不完全微分型 不完全微分型算式的传递函数见第一章，将其 离散化得到：y(n) = Kp e(n) +TS e(i) +TIni = 0TDT *e(n) - e(n-1)+ yD (n-1) T * = TS + TDKD式中：， =TD / KD TS + TD / KD 不完全微分型算式较复杂，但其控制品质优于 完全微分型。 微分先行PID 如同微分先行的模拟控制器一样，它只对测量 值进行微分，这样在给定值变化时，不会产生 输出的大幅度变化。积分分离PID 在偏差大于一

8、定值时，取消积分作用，而当偏 差小于该值时，才将积分投入，这样既可减小 超调，又可达到积分校正的效果(消除偏差)。还可采用其它方法改进PID算式，例如带有死 区的PID控制 ，自动改变比例增益的PID控制 、 模糊PID控制等 。主机电路：CPU采用8085A，系统ROM容量为 10K字节，用户ROM容量2K字节，RAM为1K 字节，定时器采用8253。 设置有监视定时器(WDT)电路，一旦CPU异常 ，即能告警，仪表转入联锁手动状态。 电源电 压异常时，切入后备电源，以保护RAM内数 据。第二节 KMM可编程调节器 组成主要性能指标：模拟量输入5点，输出4点；数 字量输入5点，输出4点；采样

9、周期100500ms ；运算模块45种；可编程模块30个。硬件部分 模拟量输入输出电路：A/D 转换电路是利用输 出电路中的12位 D/A 和比较器通过软件来实现 的。输出电路除输出模拟信号外，还送出PV、 SP模拟值至面板，供显示测量、给定值之用。数字量输入输出电路：输入电路由晶体管陈列 和门控电路构成。输出电路除输出模拟信号外 ，还送出PV、SP模拟值至面板，供显示测量、 给定值之用。输入输出接口： I/O 接口包括可编程并行接口 电路8255和可编程键盘显示控制器8279。8255 的三组I/O端口分别作为D/A的输入口数字信号 的输入、输出口，8279用于数据设定器的数据 修改和LED

10、数码管的显示。系统程序：系统程序包括基本程序、输入处理 程序、运算程序和输出处理程序。基本程序是程序的主体部分，由监控程序和中 断处理子程序组成。输入处理程序和运算程序则由一系列子程序构 成，每个子程序完成一种特定的功能。软件部分 用户程序：由使用者自行编制，采用表格式组 态语言，其语句是一些起连接作用的控制数据 。将这些数据填入规定的表格中，即构成表格式 用户程序，再用编程器将程序写入EPROM中 。KMM 可对5个模拟信号（AIR）进行折线处理 、温度补偿、压力补偿、开平方和数字滤波处 理，结果为AI，见下图： 功能 输入处理功能 图中的开关若打在“0”，表示不进行该项处理。 TBL1T

11、COMPP COMPSQRTDIG FILTTBL2TBL31001010213AIRAI折线处理：可用于非线性校正。有三个折线表 ：TBL13。根据用户需要定义折线表中折点的 坐标值(xi ，yi)，然后填入相应的数据表。温度补偿：用于气体或蒸气流量信号温度补偿 ：补偿后的流量信号 = 设计温度 + 常数实际温度 + 常数 流量信号压力补偿：用于气体或蒸气流量信号压力补偿 ：补偿后的流量信号 = 设计压力 + 常数实际压力 + 常数 流量信号编程时，将有关数值填入输入处理数据表中。 开平方：用于对节流装置的流量信号进行开平方 处理。它具有小信号切除功能，编程时将切除值 填入然后填入数据表中，

12、切除范围可在输入量程 的0.0 100.0%任意选定。 数字滤波：用来消除输入信号中的随机干扰, 为 一阶滞后环节：输出 = 1TS + 1 输入式中T 为滤波时间常数，范围：0.0 999.9。编程 时将T 值填入数据表中。输出处理功能 有模拟输出信号(AO13)，数字输出信号(DO13) 。哪些信号送到输出端，在输出处理数据表中规 定。KMM 具有45种算法即运算模块(见表4-1)进行 ，用户最多可选用30个进行组合。模块表示：运算处理功能 名称nP1P2UnH1H2四个输入端：H1、H2、 P1、 P2； 一个输出端：U1；模块序号：n 运算关系：Un = f (H1、H2、 P1、 P

13、2)运算模块分为7类：一般运算类、调节类、监视 限制类、选择类、逻辑类、时间类和折线处理 类。PID 运算模块包括PID1和PID2，都具有常规PID运算规律和 微分先行运算规律，其模块符号如下：PIDP1P2UH1H2当 P2 = ON时，U(n) = P1 + U(n) 此时微分不起作用， P1为P1端 输入电压信号， U(n)为第n次 采样偏差的PI运算增量值。当 P2 = OFF时，U(n) = U(n-1) + U(n)U(n-1)为前一次采样输出值； U(n)为第n次采样 偏差的常规PID运算增量值。手动操作模块MAN 常与 PID运算模块组合使用， MAN 模块只能 使用一次，其

14、输出必须接到AO1端。模块符号 和内部结构如下：MANUH1H2输出 增/减+MVMA/C 方式切换跟踪切换A/C输入跟踪输入手动方式(A)时， U = 先前值 + MV 。自动方式(A)时， U = H1U接AO1 跟踪方式(F)时，U = H2运行方式切换模块MOD用于调节器运行方式的切换。模块符号和切换 特性如下：MODH1H2H1H2P1P2ONOFF ON OFF ON OFF ON OFFMACAFAMP1P2当H1 = ON时，调节器处于跟踪方式(F)； 当H1 = OFF时，调节器恢复跟踪前的方式 ；当H2 = ON时，调节器为手动方式(M)； 当P1 = ON时，调节器为自动

15、方式(A)； 当P2 = ON时，调节器为串级方式(C)； 控制变量更换模块PMD 用于修改PID模块控制变量, 有PMD1和PMD2 。模块符号：MODH1P1三个输入端：H1、P1和EXT.NO 输出无意义。当 P1 = ON时，可改变PID变量； 当P1 = OFF时，不能改变PID变量 。EXT.NO百分数型变量由H1直接确定； 时间型变量由TI 、TD 等于0.2048 H1 (min)。 更改什么变量由EXT.NO指定，见教材表4 - 3。超前/滞后模块L/L常用于需要前馈动态补偿的控制系统。超前滞 后的模块符号和算式如下：L/LP1P2H1UU(S) =1+ P1S 1+ P1S H1 (S)P1 超前时间 ；P2 滞后时 间。 该模块对P1、 P2有限制： 当 P2小于采样周期TS时，自动限制P2 = TS ； 当P1大于16 P2时，自动限制P1 = 16 P2 。高、低值监视模块HMS和LMSHMS的模块符号和算式如下：HMSH1P2H2U当 H1 H2时， U = ON ； 当 H1 xn-1 。 当 H1 x1时， U = y1 ； 当 H1 x10时，U = y10 。TBRH1UTBR是TBL的逆折线表，从y求x， 要求 xn xn-1 ， yn yn-1 。 当 H1 y1时，