基于组态软件的pid控制块工作方式的无扰动切换控制

基于组态软件的pid控制块工作方式的无扰动切换控制

我们的乙烯生产是一项连续的生产过程。整个生产过程以DCS(集散控制系统)控制为主,而DCS(集散控制系统)中的常规控制算法仍然是PID控制。由于在DCS中采用功能块组态构成控制回路,特殊情况下PID控制器还要配置手操器,这样PID控制器就有MAN(手动)、AUTO(自动)、INIT(初始化)和OP(输出跟踪)4种工作方式,本文讨论这4种方式之间的无扰动切换。1pid控制块的工作方式DCS(集散控制系统)是过程计算机控制的典型系统,其特点之一是输入、输出、控制和运算功能以功能块的形式呈现在用户面前。例如,AI(模拟量输入)、AO(模拟量输出)、DI(数字量输入)、DO(数字量输出)、PID(比例积分微分)控制等。在组态软件的支持下,用户对功能块进行组态,就可以构成所需的控制回路,如单回路、串级、前馈等,其中PID控制功能块是控制回路的核心。在我们应用的DCS组态软件中,将PID控制功能块的工作方式分为MAN(手动)、AUTO(自动)、INIT(初始化)和OP(输出跟踪)4种,如图1所示。(1)MAN方式。此时PID控制块停止PID运算,CV(输出控制量)来自MV(手动操作量,)如从键盘或PID控制画面上来设置MV。(2)AUTO方式。此时PID控制块进行PID运算,CV来自PID计算控制量(U)。(3)INIT方式。此时PID控制块停止PID运算,CV取决于后级功能块的状态。(4)OP方式。对于特殊的PID控制回路,为了操作安全,有必要为PID控制块配置手操器,作为后备操作。手操器上有HA/HM(自动/手动)切换开关,当处于HA时,接收来自计算机的CV;当处于HM时,接收手动操作量HV。HV或招待机构位置反馈作为TV(输出跟踪量),HA/HM状态作为NT/YT(无/有输出跟踪)开关。也就是说),对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪(OP)功能。根据控制要求,操作员可以改变PID控制块的MAN或AUTO工作方式。PID控制块的INIT方式取决于其前级或功能块的状态,而不能人工设置。PID控制块的OP方式取决于后面手操器的状态。综上所述,PID控制块的工作方式可以在MAN、AUTO、INIT和OP之间切换。为了保证回路的正常运行,PID控制块工作方式必须实现无衡无扰动切换。所谓无于衡无扰动切换,是指工作方式的切换无须人工干预,就可以保证切换时不会对招待机构的现有位置产生扰动。一般的计算机控制或DCS中,仅考虑PID控制块的MAN和AUTO相互间的无扰动切换,而没有考虑到回路中各功能块工作方式的变化对无扰动切换的影响。在我们应用的DCS组态软件中,不仅考虑到PID控制块的MAN、AUTO、INIT、OP相互间无扰动切换,而且考虑到回路的无扰动切换。这些是本软件的独特之处,也是本文叙述的重点。2pid的执行PID控制算式可分为理想微分算式和实际微分算式两种,为了便于计算机实现必须用差分方程式来表示。例如,理想微分算式的差分方程式分:式中:KI=Kp/Tc,KD=KpTd/Tc,Kp为比例增益,Ti为积分时间,Td为微分时间,Tc为控制财期,E为给定值(SV与被控量(PV)之间的差值,U为控制量。PID控制块处于MAN方式,此时托运操作MV,尽管不进行PID计算,但在每个控制周期Tc应使SV跟踪PV,同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零,并将MV赋给U(n-1)。这样,一旦切向AUTO方式时,由于SV=PV(即偏差E(n)为0),PID差分算式中的历史数据也为0,故U(n)=0,而U(n-1)又等于切换瞬间的手动操作量MV。这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性,即CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=MVPID控制块处于AUTO方式,此时为了实现从AUTO到MAN的无平衡无扰动切换,每个控制周期Tc应将CV值赋给MV。3pid控制块fc332的切换PID控制块具有回算输出端(BV)和回算输入端(BI),AO功能块具有回算输出端(BV),如图2和图3所示。后级功能块的BV和前级功能块的BI连接,用来向前级功能块传送有关参数,使得这两个功能块的工作方式建立内在联系并互相匹配,从而保证功能块工作方式的无扰动切换,以及控制回路正常工作。(1)后级AO功能块的BV连接前级PID控制块的BI(如图2所示)。这两个功能块之间工作方式的互相匹配可分为下列两种情况。后级AO功能块(FV8302)为MAN方式为了便于调试,可将AO功能块置为MAN方式,人工设置AO输出。如果后级AO功能块(FV8302)为MAN方式,那么前级PID控制块(FC8302)就立即切换INIT方式。此时,PID控制块的CV跟踪AO功能块的输出。这样,一旦AO功能块切换到AUTO方式,PID控制块就立即切换到MAN方式。此由于PID控制块的CV等于AO功能块的输出,对输出控制无影响,实现了无扰动切换。前级PID控制块(FC8302)为MAN方式前级PID控制块(FIC8302)在MAN方式下尽管不进行PID计算,但要为无扰动切换到AUTO方式作准备。例如,在每个控制周期Tc应使其SV跟踪PV,同时也要使其PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零,并将CV赋给U(n-1)。这样,一旦PID控制块(FC8302)切换到AUTO方式,此时,由于其SV=PV(即偏差E(n)为0),PID差分算式中的历史数据为0,故△U(n)=0,而U(n-1)又等于切换瞬间的CV,这就保证了切换瞬间PID控制块(FC8302)输出控制量的连续性,即PID控制块(FC8302)的输出控制量:CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=CV对输出控制无影响,实现了无扰动切换。(2)后级PID控制块的BV连接前级PID控制块的BI(如图3所示)。在该串级控制回路中,后级AO功能(FV1101)的BV连接前级副PID控制块(FC1101)的BI,这两者之间工作方式的互相匹配,以及无扰动切换方式与上述单回路控制相同,不再重述。其中后级副PID控制块(FC1101)和前级主PID控制块(TC1101)之间工作方式的互相匹配可分为下列4种情况。如果AO功能块(FC1101)为MAN方式,那么副PID控制块(FC1101)就切换到INIT方式,同时主PID控制块(TC1101)也切换到INIT方式。如果AO功能块(FV1101)切换到AUTO方式,那么副PID控制块(FC1101)就切换到MAN方式,主PID控制块(TC1101)也就切换到INIT方式。如果后级副PID控制块(FC1101)切换到AUTO方式,而且处于内给定状态,即副回路主为单回路控制方式,那么前级主PID控制块(TC1101)就切换到INIT方式。此时,主PID控制块(TC1101)的VC跟踪副PID控制块(FC1101)的SV,另外还要为无扰动切换到串级作准备。例如,尽管此时主PID控制块(TC1101)不进行PID计算,但在每个控制周期应使其SV跟踪PV,同时也要使其PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零,还要将副PID控制块(FC1101)的SV赋给主PID控制块(TC1101)的U(n-1)。如果后级副PID控制块(FC1101)切换到串级方式,那么前级主PID主控制块(TC1101)立即切换到AUTO方式,并且为内给定状态,其SV=PV。此时,由于主PID控制块(TC1101)的CV等于切换瞬间副PID控制块(FC1101)的SV,使得副PID控制块(FC1101)无扰动切换到串级方式。这是由于主PID控制块(TC1101)的SV=PV(即偏差E(n)为0),PID差分算式中的历史数据为0,故△U(n)=0,而U(n-1)又等于切换瞬间副PID控制块(FC1101)的SV,这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性,即主PID控制块(TC1101)的输出控制量:CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=SV对副PID控制块(FC1101)的SV无影响,实现了无扰动切换。4svnt状态的无扰动切换对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪功能,如图1所示。手操器有以下两种工作状态。(1)手操器处于HM(手动)工作状态。当手操作器处于HM工作状态时,PID控制块处于OP方式,即输出跟踪开关切向YT位置。为了实现从有输出跟踪(YT)到无输出跟踪(NT)状态的无扰动切换,在每个控制周期应使SV跟踪PV,同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)、E(n-2)等清零,还要将HV(手动操作量)赋给U(n-1)。这样,一旦PID控制块切向正常工作状态,即无输出跟踪(NT)时,由于SV=PV(即偏差E(n)为0),PID差分算式中的历史数据为0,故△U(n)=0而U(n-1)又等于切换瞬间的HV值。这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性,即:CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=HV(2)手操器处于HA(自动)工作状态。当手操作器处于HA工作状态时,可以接收来自计算机