第04章控制器

1、1第第4 4章章 控制器控制器 2344.2 数字式调节器数字式调节器定程序调节器定程序调节器 可编程调节器可编程调节器 混合调节器混合调节器批量调节器批量调节器数字式调节器类型数字式调节器类型 ：567以微处理器（以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路）为核心构成的硬件电路由系统程序、用户程序构成的软件由系统程序、用户程序构成的软件8数字式调节器的硬件电路构成框图数字式调节器的硬件电路构成框图9ROM存放系统程序。存放系统程序。EPROM存放用户程序存放用户程序 .RAM 存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTC的定时功能用来确定调节器的采

2、样周期等等的定时功能用来确定调节器的采样周期等等 多为单片机多为单片机 是数字式调节器的核心，用于实现仪表数是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。据运算处理，各组成部分之间的管理。 10将多个模拟量输入信号分别转换为将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。所接受的数字量。 多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。 采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用 AD转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量

3、。 利用利用DA转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。 开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。 开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与与“0”这类两种状态的信号这类两种状态的信号开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。 11依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换依次将多个运算处理后的数字信

4、号进行数模转换D/A转换器起数模转换作用。转换器起数模转换作用。 VI转换器将转换器将15V的模拟电压信号转换成的模拟电压信号转换成420mA的电流信号。的电流信号。 开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。 采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输 12正面板：正面板：测量值和给定值显示器测量值和给定值显示器输出电流显示器输出电流显示器运行

5、状态（自动串级手动）切换按钮运行状态（自动串级手动）切换按钮给定值增减按钮和手动操作按钮等给定值增减按钮和手动操作按钮等状态显示灯状态显示灯侧面板：侧面板：有设置和指示各种参数的键盘、显示器有设置和指示各种参数的键盘、显示器 13主要有主要有 以位并以位并行、字行、字节串行节串行 位串行，即位串行，即一次传送一一次传送一位，连续传位，连续传送送 功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其同时通过接收电路接收来自通信

6、线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。转换成能被计算机接受的数据。 并行并行 和和 串行两种串行两种 工业控制网络及仪表的通信方式工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用基本上都采用 ：原因原因 ：实施方便实施方便成本低成本低适于远距离传输适于远距离传输 14系统程序系统程序: 系统程序是调节器软件的主体部分系统程序是调节器软件的主体部分通常由通常由监控程序监控程序 和和功能模块功能模块两部分组成两部分组成 。数字式调节器的软件分为数字式调节器的软件分为和和两大部分两大部分 用户程序用户程序: 用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择

7、所需要的功能模块，并将它们按一定的规中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。则连接起来的结果。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。15一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。间的管理。16用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的功能。序，使调节器实现用户所规定的功能

8、。调节器提供的功能模块主要有调节器提供的功能模块主要有 17用户程序的编程通常采用面向过程用户程序的编程通常采用面向过程POL语言语言(Procedure-Oriented Language)。 编程方式简单易学。编程方式简单易学。用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程也称为功能。用户程序的编制过程也称为“组态组态” 。调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在在线线”

9、和和“离线离线”两种编程方法。两种编程方法。18特点总结特点总结192.3.2. SLPC可编程调节器可编程调节器 SLPC可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器具有基本具有基本PID、串级、选择、非线性、采样、串级、选择、非线性、采样PI、批量、批量PID等控制功能等控制功能具有自整定功能，可使具有自整定功能，可使PID参数实现最佳整定参数实现最佳整定具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有可变

10、型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示 用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节器具有规定的控制运算功能。器具有规定的控制运算功能。 202.3.2. SLPC的主要性能的主要性能模拟量输入模拟量输入 15V（DC）5点。点。模拟量输出模拟量输出 15V（DC）2点，点， 负载电阻负载电阻3k。 420

11、mA（DC）1点，点， 负载电阻负载电阻= 0 750。 接点或电压电平接点或电压电平 与数字量输出与数字量输出6点共用。点共用。数字量输出数字量输出 晶体管接点。晶体管接点。故障状态输出故障状态输出 晶体管接点晶体管接点1点。点。运算周期运算周期 0.2s和和0.1s。比比 例例 度度 6.3 999.9 积分时间积分时间 1 9999s微分时间微分时间 0 9999s控制功能控制功能 基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。控制算法控制算法 标准标准PID；采样值；采样值PI；批量；批量PID供电电源供电电源 交直流两种（交直流两种（100V规格

12、和规格和200V规格）规格）21 2.3.2.2. SLPC的硬件电路的硬件电路 Return22 (1) 主机部分主机部分 CPU采用采用8085AHC，时钟频率为，时钟频率为10MHz。ROM分为系统分为系统ROM和用户和用户ROM系统系统ROM：两片：两片27256型型EPROM（每片（每片32KB） 用于存放监控程序和各种功能模块；用于存放监控程序和各种功能模块；用户用户ROM：一片：一片2716型型EPROM（2KB） 用于存放用户程序。用于存放用户程序。RAM采用两片采用两片PD4464C低功耗低功耗CMOS存储器，存储器，8KB。 Fig23 (2) AI SLPC调节器有调节器

13、有5个模拟量输入通道。关键点：个模拟量输入通道。关键点：2点点FigX1输入通道具有备用方式输入通道具有备用方式 ，正常工作时的信息途径之外，发生故障，正常工作时的信息途径之外，发生故障时，进行测量值指示时，进行测量值指示 。A/D转换器：是利用高速转换器：是利用高速12位位D/A转换器和比较器实现的转换器和比较器实现的X1经经RC滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被A/D转换后进入转换后进入CPU( (正常的信息途径正常的信息途径) )。一路经电压跟随器送到故障一路经电压跟随器送到故障PV开关。开关。CPU正常时，指示器接受的是由正

14、常时，指示器接受的是由CPU和和DA转换送来的测量信号。转换送来的测量信号。发生故障时，发生故障时，CPU的自检程序或的自检程序或WDT电路发出的故障输出信号，使电路发出的故障输出信号，使故障故障PV开关切换到故障位置，面板上的指示器直接开关切换到故障位置，面板上的指示器直接接受从接受从X1来的信号，进行测量值指示。来的信号，进行测量值指示。24 (3) AO3个模拟量输出通道，个模拟量输出通道，Y1为为420mADC电流输出，电流输出， Y2、Y3为为15VDC电压输出电压输出 相互间也不隔离相互间也不隔离 。Fig如何分析上述电路的特性？如何分析上述电路的特性？25MVV 121II 32

15、VV 3IIO1I 2I )/(122RRMVVVCC333RVVICC250)(3123120MVRRRMVRRRMVVVICCCC111VMVRR22CCVVR参见上页电路图参见上页电路图26P点用于判断是否有断线故障点用于判断是否有断线故障外接负载的阻值正常时，外接负载的阻值正常时， P点电压不超过点电压不超过6V如果使用中负载电路断线，则电容如果使用中负载电路断线，则电容C被过多地充电，以致被过多地充电，以致P点电压超过点电压超过6V所以定期检测此点的电压便可判断是否有断线故障。所以定期检测此点的电压便可判断是否有断线故障。 参见前页电路图参见前页电路图27 (4) 开关量输入和输出通

16、道开关量输入和输出通道 SLPC调节器有六个开关量输入和输出通道，它们既可以调节器有六个开关量输入和输出通道，它们既可以当作输入也可以当作输出，由使用者设定。当作输入也可以当作输出，由使用者设定。开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离 Fig28 (5) 人机联系部件人机联系部件HMI 正面板的布置类似于模拟式调节器，正面板的布置类似于模拟式调节器，显示器可显示主被控变量的测量值、给显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，调节器输出值，故障显示灯和报定值，调节器输出值，故障显示灯和报警灯警灯 侧面板有触摸式键盘和数字显示器，侧面板有触摸式键盘和数字显示器，

17、用以显示或修改输入、输出数据、用以显示或修改输入、输出数据、PID参数和其他数据，显示的项目由键操参数和其他数据，显示的项目由键操作来选择作来选择 29 (6) 通信接口电路通信接口电路 采用半双工、串行异步通讯方式采用半双工、串行异步通讯方式 30 2.3.2.3. SLPC的软件部分的软件部分 包括系统程序和功能模块: 系统程序用于保证整个调节器正常运行，这部分用户是不能调用的 能模块提供了各种功能，用户可以根据需要选用，以构成用户程序，功能模块以指令形式提供 31 指令指令指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机读写存储器对应于随机读写存

18、储器RAM中各个不同的存储中各个不同的存储单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义了不同的名称和符号了不同的名称和符号 指令都与五个运算寄存器指令都与五个运算寄存器S1S5有关。有关。五个运算寄存器以堆栈方式构成五个运算寄存器以堆栈方式构成.32 运算寄存器结构示意图运算寄存器结构示意图A/B/C/D/E分别对应分别对应S1S5的内容的内容EDCBAS5S4S3S2S1运算前运算前+CCBAX1+X2LD X1DCBAX1 X1LD X2CBAX1X2 X1ST Y1CCBAX1+X2 Y133 指令类型指令类型 1、信号读取指令、信号读取指令LD用于把

19、数据用于把数据S1 2、信号存储指令、信号存储指令ST用于把用于把S1中的数据中的数据有关寄存器有关寄存器 3、程序结束指令、程序结束指令END将控制无条件地转移出用户程将控制无条件地转移出用户程 序，结束本控制周期内的一切运算序，结束本控制周期内的一切运算 指令有指令有4 4种类型种类型 基本运算基本运算 +、-、 等等 带设备编号的运算带设备编号的运算 十段折线函数运算十段折线函数运算等等 条件判断条件判断 上下限报警、逻辑运算、转移跳转上下限报警、逻辑运算、转移跳转等等 寄存器移位寄存器移位 S寄存器交换、寄存器交换、S寄存器循环移位寄存器循环移位 控制功能控制功能 BBC、CSC、SS

20、C 4、功能指令、功能指令完成各种指定功能完成各种指定功能以下着重介绍控制功能指令以下着重介绍控制功能指令 34控制功能指令的基本功能控制功能指令的基本功能 串级控制指令串级控制指令CSC：内含：内含2个串联的调节单元个串联的调节单元CNT1、CNT2，可组成，可组成串级调节统串级调节统 选择控制指令选择控制指令SSC：内含：内含2个并联的调节单元个并联的调节单元CNT1、CNT2和一个切换和一个切换开关开关CNT3，可组成选择控制系统，可组成选择控制系统 每台每台SLPC调节器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次调节器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次 基本控制指令

21、基本控制指令BSC：内含：内含1个调节单元个调节单元CNT1，相当于，相当于1台模拟台模拟PID调节器调节器 CNT1BSCPVMVCNT1CSCPV1MV2CNT2PV2MV1CNT1SSCPV1MVCNT2PV2MV1CNT3MV2MV335BSC(1)LD X1 读入测量值读入测量值X1(2)BSC 基本控制基本控制(3)ST Y1 控制输出控制输出MV送送Y1(4)END例：某单回路控制系统，被控变量接到模拟量输入通道X1阀位信号接到模拟量输出通道Y1，则实现单回路PID控制的程序如下 主要作用是把运算寄存器S1里的数据与设定值相减， 得到偏差。再经过由CNT1所决定的控制算法运算后，

22、 把结果再存入S1CNT1BSCPVMV36CSS(1)LD X2 读入测量值副回路读入测量值副回路X2(2)LD X1 读入测量值主回路读入测量值主回路X2(3)CSC 串级控制串级控制(4)ST Y1 控制输出控制输出MV送送Y1(5)ENDCSC指令中具有两个调节单元CNT1和CNT2，可实现串级控制。串级控制时，将主回路的测量值PV1送入S1，副回路的测量值PV2送入S2，并执行CNT1和CNT2所指定的运算，最后将运算结果（即将要输出的MV值）存入S1中。CNT1CSCPV1MV2CNT2PV2MV1372.3.2.4. SLPC可编程调节器的应用可编程调节器的应用 带温压补偿的气体

23、流量调节系统带温压补偿的气体流量调节系统 38 带温压补偿的气体流量调节系统带温压补偿的气体流量调节系统 己知仪表设计参数如下 ： 孔板设计压力 Pd=600 kPa ； 孔板设计温度 Td =300 ； 压力变送器量程 01000 kPa； 温度变送器量程 0500 ； 差压变送器量程 032 kPa ； 流量测量范围 08000 Nm2/h。 39PID运算和温差补偿运算运算和温差补偿运算 40采用基本控制指令采用基本控制指令BSC控制算法采用标准控制算法采用标准PID算法算法 41PTPPTKQdd式中 Q补偿运算后的体积流量； P孔板前后差压； P工作状态下气体的绝压 Pd设计状态下气

24、体的绝压 T工作状态下的绝对温度； Td设计状态下的绝对温度； K流量系数。42设设PS、TS 、 PS分别为压力变送器、温度变送器和差压变送器的量程，分别为压力变送器、温度变送器和差压变送器的量程，QS为换算为标准状态下的流量量程，为换算为标准状态下的流量量程， Pmin 、Tmin分别为用绝对压力和绝对温度表示的压变和温变的下限值分别为用绝对压力和绝对温度表示的压变和温变的下限值因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系 ： P = PS X1 P = PS X2 Pmin T= TS X3 Tmin Q = QS Y2 如果把如果把P、P、T分别送入分别送入X1、X2、X3经过补偿运算以后的经过补偿运算以后的Q存入存入Y2由于调节器内部的由于调节器内部的X、Y的信号范围是的信号范围是01但是，补偿公式中用到的都是实际的物理量，因此需要进行规格化处理但是，补偿公式中用到的都是