控制仪表第四

1、第四章第四章 可编程调节器可编程调节器l心，可大可小；大包世界，小不容针。l心量，非身量、学识、能力、权位、决定人之大小心大为大人，心小为小人。l有伟大的心，便是伟大的人。 第一节第一节 概述概述 可编程调节器的特点可编程调节器的特点 基本构成基本构成第一节第一节 概述概述 可编程调节器的特点可编程调节器的特点 实现了仪表和计算机一体化。实现了仪表和计算机一体化。 具有丰富的运算、控制功能。具有丰富的运算、控制功能。 通用性强，使用方便。通用性强，使用方便。 具有通信功能，便于系统扩展。具有通信功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 。调节器还具有自诊断功能，随时监视各部件调

2、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。工况，出现故障，指示操作人员及时排除。l 模拟控制器只是由硬件（模拟元器件）构模拟控制器只是由硬件（模拟元器件）构成，它的功能也完全是由硬件构成形式所成，它的功能也完全是由硬件构成形式所决定，因此控制功能比较单一；决定，因此控制功能比较单一；l数字控制器由以处理器（数字控制器由以处理器（CPUCPU）为核心构成）为核心构成的硬件电路和由系统程序、用户程序构成的硬件电路和由系统程序、用户程序构成的软件两大部分组成，其主要是由软件所的软件两大部分组成，其主要是由软件所决定。决定。 基本构成基本构成数字式控制器的硬件电路数字式

3、控制器的硬件电路主机电路主机电路 由微处理器由微处理器(CPU)、存储器存储器(ROM、EPROM、RAM)、定时定时/计数器计数器(CTC)以及输入输出接口以及输入输出接口(I/O)等组成等组成, 完成数据传递完成数据传递、信息与程序存储信息与程序存储、定时计数定时计数、并行输入输出和异步或同步串行并行输入输出和异步或同步串行通信的功能。通信的功能。 数字仪表现常采用单片微机或专用集成电路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作为主机电路。单片微机包括了单片微机包括了CPU、ROM、RAM、CTC和和I/O接口等接口等, 与多芯片组成的主与多芯片组成的主机电路相比，具有体积小、连

4、线少、可靠性机电路相比，具有体积小、连线少、可靠性高、价格便宜的优点。高、价格便宜的优点。 模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道 模拟量输入通道包括多路模拟开关模拟量输入通道包括多路模拟开关、采样采样/保保持器持器(S/H)和和 A/D转换器等，完成模数转换功转换器等，完成模数转换功能。能。 有多种类型的有多种类型的 A/D，性能各异，位数有，性能各异，位数有二进制二进制 8、10、12、16、20、24位及二位及二-十进制十进制31/2 、41/2位。位。模拟量输出通道包括模拟量输出通道包括 D/A转换器、多路模拟转换器、多路模拟开关、输出保持电路和开关、输出保持电路和V/I转换器转换器 等

5、等, 完成数完成数模转换和电压模转换和电压/电流转换功能电流转换功能。 常采用电流型常采用电流型 D/A 芯片，有芯片，有 8、10、12、16位等几种，位等几种， D/A 输出端尚需加接运算放大器。输出端尚需加接运算放大器。开关量输入输出通道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送至主机电路，经处理后通过输出锁存器输出至开关器件出至开关器件。人机联系部件人机联系部件 包括测量值、给定值显示器，输出电流显示包括测量值、给定值

6、显示器，输出电流显示器器, 运行状态运行状态(串级串级/自动自动/手动手动)切换按钮，给切换按钮，给定值增减按钮定值增减按钮, 另有一些状态显示灯和设置、另有一些状态显示灯和设置、指示各种变量的键盘、显示器。指示各种变量的键盘、显示器。显示器常使用动圈指示表、显示器常使用动圈指示表、LED、LCD等器等器件。件。通信部件通信部件 包括通信接口和发送、接收电路等。通信接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，

7、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。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，适续传送，其特点是所用电缆少，成本低，适于远距离传输。于远距离传输。系统程序系统程序 软件系统软件系统 系统初始化系统初始化键盘显示管理键盘显示管理中断管理中断管理自诊断处理自诊断处理运行状态控制运行状态控制监监控控程程序序键处理键处理定时处理定时处理运算控制运算控制通信处理通信处理掉电处理掉电处理中中断断处处

8、理理程程序序 是调节器的主体部分，通常由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：监控程序和中断处理程序组成： 用户程序用户程序 其作用是连接系统程序中各功能模块，以完成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预定的控制任务。 编程有在线和离线两种方法：编程有在线和离线两种方法：编程器独立于调节器编程器独立于调节器, 用户程序写入用户程序写入EPROM, 将其插入调节器相应的插座上。将其插入调节器相应的插座上。编程器和调节器共用一个编程器和调节器共用一个CPU， 用户程序写用户程序写入入EPROM后，同样移至调节器的插座上。后，同样移至调节器的插座上。P作用作用：偏差

9、一旦产生，控制器立即产生控制作用以减少偏差。比例系数kP的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。 kP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但将产生超调或振荡。 kP过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 I作用作用：只要有偏差存在，积分的调节作用就会不断地增强，直至消除比例调节器无法消除的余差。若积分作用过小，使系统余差难以消除，影响系统的调节精度。 D作用作用：微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。PID控制算式控制算

10、式 可编程调节器的可编程调节器的 PIDPID 算式是对模拟控制器的算算式是对模拟控制器的算式（参见第一章）进行离散化得到的式（参见第一章）进行离散化得到的。 积分项可表示为积分项可表示为 e (t) d t = TS e (i) t0ni = 0微分项可表示为微分项可表示为d e (t) e (n) - e (n-1) d tTS式中TS 为采样周期，n 为采样序号。= 常用的数字式常用的数字式PIDPID运算式有位置型算式、增量型算式、速运算式有位置型算式、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 经替换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)为第n次采样输出值， y为输出初值。位置型算式计算所得的位置型算式计算所得的y(n)与实际调节阀的阀位与实际调节阀的阀位相对应。相对应。每次的输出都与控制偏差过去的整个每次的输出都与控制偏差过去的整个变化过程相关，计算时要对误差进行累加，这变化过程相关，计算时要对误差进行累加，这种累加作用易产生较大的累积偏差，使控制系种累加作用易产生较大的累积偏差，使控制系统出现超调统出现超调；运算量也大；运算量也大。位置型控制示意图位置型控制示意图将将第第n次采样的次采样的算式减去算式减去第第(n-1)次采样的

12、次采样的算式，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：，调节器的积分系数Kd = Kp，调节器的微分系数TDTS 增量增量型型PIDPID算式计算两个采样周期算式计算两个采样周期PID输出之差输出之差，即，即让计算机或单片机输出相邻两次调节结果的让计算机或单片机输出相邻两次调节结果的增量。增量。增量型控制示意图增量型控制示意图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、实现手因有利于实现手/ /自动之间自动之间的无扰动切换。的无扰动切换。 由于采样间隔时间由于采样间隔时间TsTs是常数是常数,因而速度型算式与增量型算因而速度型算式与增量型算式在本质上是相同的式在本质上是相同的,这种算式一般仅适用于采用积分式这种算式一般仅适用于采用积分式执行器的控制系统。执行器的控制系统。 控制系统中，如执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算法；如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量控制算法。 增量式算法比位置式具有以下优点: 增量型算法

14、不需要做累加，控制量的增量仅与最近三次误差采样值有关，计算误差或计算精度对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差累加值，容易产生大的累加误差。另外，用位数相同的计算机或单片机，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，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小。而位置型算法的输出时控制量的全量输出，误动作影响大。增量式算法比位置式更可靠。 增量型算法易于实现从手动切换到自动或从自动切换到手动，对系统冲击小，即可做到无扰切换。 增量式算法简单，便于编程的实现。 改进型数字式改进型数字式PIDPID运算式运算式 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.带灵敏区的带灵敏区的PIDPID算式算式 d. d.积分分离积分分离PIDPID算式算式 PID算式的改进算式的改进 PID算式的改进算式的改进 不完全微分型不完全微分型 不完全微分型算式的传递函数见不完全微分型算式的传递函数见P136，(4-6)，将其离散化得到：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 / KDTS + TD / KD 不完全微分型算式较复杂不完全微分型算式较复杂，但其控制品质优于，但其控制品质

16、优于完全微分型完全微分型。 微分先行微分先行PID 如同微分先行的模拟控制器一样，它只对测量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，由于被控值进行微分，这样在给定值变化时，由于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变，被量一般不会突变，即使给定值已发生改变，被控量也是缓慢变化的，从而不致引起输出的大控量也是缓慢变化的，从而不致引起输出的大幅度变化。幅度变化。积分分离积分分离PID 在过程控制的启动、结束或大幅度增减设定时，在过程控制的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡。起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡。在偏差大