控制仪表课件-第02章 调节器(3月19日更新)

第二章调节器主要内容数字式PID算式数字调节器1第一节数字式PID算式调节器的调节规律模拟式PID算式基本型数字式PID算式改进型数字式PID算式2一、何为调节器的调节规律△x=Xm-Xs单回路调节系统方框图

△x——偏差

Xs——给定值

Xm——测量值调节器的调节规律

就是调节器的输出信号随输入信号(偏差)变化的规律。这个规律常常称为调节器的特性。3一、何为调节器的调节规律

调节器特性：1、输入是被控变量与给定值之差即偏差△x，输出是输出信号的变化量△y。2、△x＞0称正偏差(Xm>Xs)△x＜0称负偏差(Xm<Xs)3、△x＞0相应的△y＞0,称为正作用调节器△x＞0相应的△y＜0,称为反作用调节器4一、何为调节器的调节规律

正作用调节器：△x＞0(Xm<Xs)△y＞0TC正作用TC反作用反作用调节器：△x＞0(Xm>Xs)△y＜05二、模拟调节器的PID算式理想的PID微分方程为传递函数为6二、模拟调节器的PID算式偏差型PID运算式

微分先行PID运算式

PID调节器偏差构成的二种形式

7二、模拟调节器的PID算式偏差型PID运算式

测量值Xm与给定值Xs相减后，得到偏差△x，然后对偏差△x进行比例、积分和微分的运算。缺点：对给定值的变化也进行PID运算模拟电路构成的偏差型PID调节器可实现的调节规律：8二、模拟调节器的PID算式微分先行PID运算式先对测量值Xm进行微分运算，再与给定值Xs相减，然后再进行比例积分运算。优点：只对给定值的变化进行PI运算，避免了给定值变化产生的大幅度变化。模拟电路构成的微分先行PID调节器可实现的调节规律：9三、基本型数字式PID算式离散化处理

对于积分项用右式近似对于微分项用右式近似

结果：

10三、基本型数字式PID算式位置型算式

输出与实际调节阀的阀位相对应

便于计算机运算的实现，但计算繁琐、占用的计算机内存很大,计算错误或输出错误时，会造成调节阀开度错误，致使控制出错。11三、基本型数字式PID算式增量型算式

输出为两个采样周期PID输出值之差

计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单，出现故障不会造成大的影响，易于系统手动和自动间的无扰动切换。12三、基本型数字式PID算式速度型算式

输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间T之比本质上与增量型算式是相同的。13三、基本型数字式PID算式偏差系数型算式

是将增量型算式展开后合并同类项而得到的设则有14四、改进型数字式PID算式不完全微分算式

微分作用采用实际微分作用设该式为一理想PID与一个一阶惯性环节的乘积。15四、改进型数字式PID算式不完全微分算式

位置型理想PID算式:一阶惯性环节的离散化后的形式:

16四、改进型数字式PID算式微分先行PID算式

微分运算环节：

微分先行PID运算结构图

17四、改进型数字式PID算式微分先行PID算式

偏差计算：比例积分运算环节：18四、改进型数字式PID算式带不灵敏区的PID算式

—在一定偏差范围内输出为0或(B称为不灵敏区宽度)19四、改进型数字式PID算式积分分离PID算式

—在一定偏差范围内切除积分作用例:方法：PID控制算式的积分项前面乘上一个变量N20第二节数字式调节器数字式调节器构成原理SLPC可编程调节器21数字式调节器类型常用数字式调节器的类型有：定程序调节器：调节规律固定不变；调节参数（P,Ti,Td）可变。

可编程调节器：调节规律可变（通过编程组态）；调节参数（P,Ti,Td）可变。22一、数字式调节器构成原理

数字式调节器由二大部分组成：1.以微处理器(CPU)为核心构成的硬件电路部分；2.系统程序和用户程序构成的软件部分。23数字式调节器的硬件电路

数字式调节器的硬件电路构成框图24主机电路

完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能。ROM存放系统程序。EPROM存放用户程序。RAM

存放输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。

CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期，并产生串行通信接口所需的时钟脉冲。计数功能主要用来对外部事件进行计数。

25I/O接口I/O接口是CPU同过程输入、输出通道等进行数据交换的器件，它有并行接口和串行接口两种。并行接口具有数据输入、输出双向传送和位传送的功能，用来连接过程输入、输出通道，或直接输入、输出开关量信号。串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能，用来连接可接收或发送串行数据的外部设备。26过程输入通道

模拟量输入通道

将多个模拟量输入信号分别转换为CPU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。

采样/保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用。

A/D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。

利用D/A转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模/数转换的。

27过程输入通道

开关量输入通道

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。

开头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“0”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。

28过程输出通道

模拟量输出通道

依次将多个运算处理后的数字信号进行数/模转换。D/A转换器起数/模转换作用。

V/I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。

29过程输出通道

开关量输出通道

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。

采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输。

30人／机联系部件

正面板有：测量值、给定值和输出电流显示器；状态显示灯；运行状态(自动/串级/手动)切换按钮；给定值增/减按钮；手动操作按钮等。侧面板有：设置和指示各种参数的键盘；显示器等。

31通信接口电路

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，经发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，将其转换成能被计算机接受的数据。

通信接口有串行和并行两种：

并行传送是以位并行、字节串行形式；

串行传送为串行形式，即一次传送一位，连续传送。

32数字式调节器的软件

数字式调节器的软件分为两大部分：系统程序和用户程序（对于可编程调节器）。系统程序:

系统程序是调节器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。用户根据控制系统要求，在系统程序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。称为：组态。用户程序:

33系统程序

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间的管理。其主要完成的任务有：·系统初始化

·中断管理

·自诊断处理

·键处理

·定时处理

·通信处理·掉电处理·运行状态控制

34系统程序

功能模块提供了各种功能，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。调节器提供的功能模块主要有：·数据传送

·高值选择和低值选择·PID运算

·上限幅和上限幅

·四则运算

·折线逼近法函数运算

·逻辑运算

·一阶惯性滞后处理

·开平方运算

·纯滞后处理

·取绝对值运算

·移动平均值运算

·脉冲输入计数与积算脉冲输出

·控制方式切换

35用户程序

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，其作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作。用户程序的编程通常采用面向过程POL语言(Procedure-OrientedLanguage)。

36用户程序

调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法：在线编程：编程器与调节器通过总线连接共用一个CPU

离线编程：编程器自带一个CPU构成一台独立的仪表

37数字式调节器的特点

运算控制功能强

通过软件实现所需功能带有自诊断功能带有数字通讯功能具有和模拟调节器相同的外特性保持常规模拟式调节器的操作方式

38二、SLPC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，其功能有：基本PID、串级、选择、非线性、采样PI、批量PID等控制功能。并具有自整定功能，可使PID参数实现最佳整定。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。39二、SLPC可编程调节器SLPC还具有通信功能，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。

40SLPC可编程调节器的硬件电路

54728361软件41主机电路CPU：采用8085AHC，时钟频率为10MHz。系统ROM：采用两片27256型EPROM，32KB。用于存放监控程序和各种功能模块。用户ROM：采用一片2716型EPROM，2KB。用于存放用户程序。RAM：采用两片μPD4464C低功耗CMOS存储器，8KB。见图42过程输入通道SLPC调节器共有5个模拟量输入通道。A/D转换器：是利用μPC648D型高速12位D／A转换器和比较器，通过CPU反馈编码，实现12位逐次比较型A/D转换。D/A转换器是输入通道和输出通道共用。X1输入通道备用指示方式：发生故障时，CPU自检程序或WDT电路发出的故障信号使“故障/PV”开关切换到故障位置，进行测量值指示。见图见图43过程输出通道SLPC调节器共有3个模拟量输出通道。Y1为4～20mA.DC.输出Y2、Y3为1～5V.DC.输出负载断线监测：正常工作时：P点电压<=6V负载断线时：P点电压>6V(电容充电过多造成)备用手操输出方式：正常工作时，为D／A转换器输出的电压。故障时，输出电路被切换成保持状态，软手动操作输出。见图见图I/V见图44过程输出通道见图45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。DI1/DO1DI4/DO4DI2/DO2DI5/DO5DI3/DO3DI6/DO6它们既可以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。见图46人／机联系部件侧面板有触摸式键盘和数字显示器，用于：显示或修改输入、输出数据、PID参数和其他数据。正面板的布置类似于模拟式调节器，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警灯。见图见图47通信接口电路由8251通信接口芯片和光电隔离电路组成。采用半双工、串行异步通讯方式。

光电隔离电路用于抑制通信线路中可能引入的干扰。见图48SLPC可编程调节器的软件部分SLPC的软件包括：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。功能模块：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。硬件49SLPC可编程调节器的寄存器SLPC中对应于RAM存储器的各个不同单元，定义了不同名称的寄存器：Xn和Yn寄存器：输入和输出寄存器。An和Bn寄存器：专用参数寄存器。

FLn寄存器：专用状态寄存器。

Dn寄存器：数据寄存器。

Kn寄存器：常数寄存器。

Pn寄存器：键盘可修改数据寄存器。

S1~5寄存器：运算寄存器。这五个运算寄存器以堆栈方式工作。50SLPC可编程调节器的寄存器S1~5运算寄存器Xn输入寄存器Yn输出寄存器An专用参数寄存器Bn

专用参数寄存器FLn专用状态寄存器Dn

数据寄存器Kn常数寄存器Pn键盘可修改数据寄存器Xn信号输入通道硬件电路Yn信号输出通道硬件电路51

Sn运算寄存器结构示意图运算寄存器结构示意图及工作原理

编程举例:LDX1LDX2+STY252指令类型指令有4种类型：1、信号读取指令LD——用于把输入输出等数据→S1。2、信号存储指令ST——用于把S1中的数据→有关寄存器。3、程序结束指令END——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。

53指令类型4、功能指令——完成各种指定功能基本运算——+、-、×、÷等带设备编号的运算——十段折线函数运算等条件判断——上下限报警、逻辑运算、转移跳转等寄存器移位——S寄存器交换、S寄存器循环移位

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内含一个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的一台PID调节器。②串级控制指令CSC内含两个串联的调节单元CNT1、CNT2，可组成串级调节统。③选择控制指令SSC内含两个并联的调节单元CNT1、CNT2和一个单刀三掷切换开关CNT3，可组成选择控制系统。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。55控制功能指令的基本功能

CNT1~3决定控制指令的算法在编程时由编程器选择的参数决定。CNT1=1:标准PID算法;CNT2=1:标准PID算法;CNT3=0:低选CNT1=2:采样PI算法;CNT2=2:采样PI算法;CNT3=1:高选CNT1=3:批量PID算法在程序中用指令调用CNT控制功能：BSC:调用CNT1控制功能；CSC:调用CNT1和CNT2控制功能；SSC:调用CNT3控制功能。56控制功能指令的基本功能

例：被控量接到SLPC的模拟量输入通道X1，控制量接到SLPC的模拟量输出通道Y1，实现单回路PID控制。设置CNT1=1后，编写程序如下：(1)LDX1

读入测量值X1(2)BSC

基本控制(调用CNT1=1的控制功能)(3)STY1

控制输出MV送Y1(4)END

结束本控制周期基本控制指令BSC的作用：将运算寄存器S1中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，再将结果存入S1。57控制功能指令的功能扩展

A寄存器(模拟量功能扩展寄存器)可以提供八种功能FL寄存器(状态量功能扩展寄存器)可以提供七种功能(a)实现内、外给定的切换(b)输出跟踪(c)自动、手动切换(d)输入报警或偏差报警(e)输入和输出补偿(f)引入可变增益BSC指令功能扩展后的功能结构图

58控制功能指令的功能扩展

功能扩展举例1：将外给定信号引入X2，由调节器外部信号决定其给定值；将补偿信号引入X3，实现前馈补偿；将FL1和FL2报警信号送入DO1和DO2，进行被控量的上、下限报警。

应用程序如下：(1)LDX2

读取给定信号(2)STA1

将X2存入A1(3)LDX3

读输出补偿信号(4)STA4

将X3存入A4(5)LDX1

读取测量值X1(6)BSC

基本控制运算(7)STY1

控制输出送Y1(8)LDFL1

读上限报警状态(9)STDO1

上限报警送DO1(10)LDFL2

读下限报警状态(11)STDO2

下限报警送DO2(12)END

结束59控制功能指令的功能扩展

功能扩展举例2：参照SLPC可编程调节器的BSC逻辑功能图，编写满足下列要求的SLPC可编程调节器程序。1.调节器输出端子Y01接输出信号；2.调节器输入端子X02接输入信号；3.调节器输出端子DO1接下限报警输出信号；4.调节器输出端子DO2接上限报警输出信号；5.变量寄存器P01用于设定输出下限幅值；6.变量寄存器P02用于设定输出上限幅值；7.变量寄存器P03用于设定输入信号下限报警值；8.变量寄存器P04用于设定输入信号上限报警值。60控制功能指令的功能扩展

功能扩展举例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应用程序如下：61

串级控制指令CSC

CSC指令中具有两个调节单元CNT1和CNT2，可实现串级调节，也可以副回路单独运行。串级调节时，将副回路的测量值PV2送入S1，主回路的测量值PV1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。串级和副回路单独调节可由FL12切换，FL12=1为单回路。

副回路单独运行时，测量值PV2由S1提供，给定值由侧面板上的键盘给定。这时CNT1也处于工作状态，但是不将输出送到CNT2。对两个调节单元CNT1和CNT2，通过A寄存器分别可以提供八种扩展功能，FL寄存器分别可以提供七种扩展功能。主调节器副调节器副回路测量主对象副对象主回路测量CNT2CNT1PV2PV1STY2Y1S1S2S162CSC指令功能扩展后的功能结构图63SLPC可编程调节器的应用

带温压补偿的气体流量调节系统64SLPC可编程调节器的应用

己知仪表参数如下：孔板设计压力

Pd=600kPa

；

孔板设计温度

Td=300℃；压力变送器量程0～1000kPa；温度变送器量程0～500℃；差压变送器量程0～32kPa

；流量测量范围0～8000Nm2/h。65SLPC可编程调节器的应用

1.确定调节器应承担的任务，PID运算和温差补偿运