数字控制器的原理

丰富的运算控制功能

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控制器相同的外特性保持常规模拟式控制器的操作方式

2.3.数字式控制器

DigitalController1数字式控制器类型：定程序控制器

可编程控制器

混合控制器批量控制器22.3.1.数字式控制器构成原理

数字式控制器组成:二大局部软件──包括系统程序和用户程序

硬件电路──以微处理器CPU为核心3

2.3.1.1.数字式控制器的硬件电路

①②

③

④

⑤

4

──用于实现仪表数据运算处理，各组成局部之间的管理CTC的定时功能用来确定控制器的采样周期，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。

主机电路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。5

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

6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。7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。

8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。

U／I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。

9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

10人／机联系部件

正面板测量值和给定值显示器，输出电流显示器，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，还有一些状态显示灯。侧面板有设置和指示各种参数的键盘、显示器。11通信接口电路

──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。通信接口有并行和串行两种：

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

122.3.1.2.数字式控制器的软件

数字式控制器的软件分为系统程序和用户程序两大局部系统程序:

系统程序是控制器软件的主体局部，通常由监控程序和功能模块两局部组成。13系统程序监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成局部之间的管理。其主要完成的任务有：·系统初始化

·中断管理

·自诊断处理

·键盘、显示管理

·定时处理

·通信处理·掉电处理·运行状态控制·键处理

14

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，使控制器实现用户所规定的功能。控制器提供的功能模块主要有:·数据传送·控制方式切换·高值选择和低值选择·上限幅和上限幅·四那么运算·逻辑运算·开平方运算·取绝对值运算·脉冲输入计数与积算脉冲输出·折线逼近法函数运算·一阶惯性滞后处理·纯滞后处理

·移动平均值运算·PID运算15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那么连接起来的结果，其作用是使控制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)。

16控制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:

编程器与控制器通过总线连接共用一个CPU

172.3.2.SLPC可编程控制器

SLPC可编程控制器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程控制器，它具有根本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参数实现最正确整定。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，使控制器具有规定的控制运算功能。18SLPC可编程控制器

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

192.3.2.2.SLPC可编程控制器的硬件电路2021(1)主机电路

CPU采用8085AHC，时钟频率为10MHz。ROM分为系统ROM和用户ROM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，用于存放用户程序。RAM采用两片μPD4464C低功耗CMOS存储器，8KB。22(2)过程输入通道

SLPC控制器共有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，X1输入通道具有备用方式，正常工作时的信息途径之外，发生故障时，进行测量值指示。23(3)过程输出通道

SLPC控制器共有3个模拟量输出通道，其中一路Y1为4～20mADC电流输出，两路Y2、Y3为1～5VDC电压输出，相互间也不隔离

。24过程输出通道25过程输出通道P点输出电压用于判断是否有断线故障电流输出具有备用方式工作时，为D／A转换器输出的电压故障时，软手动操作输出26(4)开关量输入和输出通道

SLPC控制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。开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离27(5)人／机联系部件

侧面板有触摸式键盘和数字显示器，用以显示或修改输入、输出数据、PID参数和其他数据，显示的工程由键操作来选择正面板的布置类似于模拟式控制器，显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，控制器输出值，故障显示灯和报警灯28(6)通信接口电路

采用半双工、串行异步通讯方式

292.3.2.3.SLPC可编程控制器的软件局部包括系统程序和功能模块:系统程序用于保证整个控制器正常运行，这局部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30程序的构成功能模块连接语句解释说明LODESTOREEND信号流程输入：各种参数自动转换成内部数据存入相应的存放器运算：启动用户程序，完成符合需要的运算和控制。输出：进入存放器的数据自动转换成模拟或状态信号主程序最多240步，子程序最多99步。31指令对各种存放器进行操作，存放器实际上是对应于随机读写存储器RAM中各个不同的存储单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义了不同的名称和符号。指令都与五个运算存放器S1~S5有关。这五个运算存放器以堆栈方式构成.功能模块---以指令形式提供32①输入存放器模拟：数字：Xnn=1～5DInn=1～6②输出存放器模拟：Ynn=1～6数字：其中：Y1—电流输出，Y2_Y3—电压输出，Y4Y5Y6—用于通讯，无对应端子。DOnn=1～16其中：n=1～6对应有输出端子，但与输入端总数不能超过６，编程时由DIOn的设定值决定如：DIOn=１端子作输出用DIOn=０端子作输人用n=编号１＃～６＃端n=７～16无对应端子，存输出变量。DIO４=１对应DO4DIO４=0对应DI4各存放器功能

33③可变参数存放器Pnn=1～39存各种整定参数，运行中可修改。④固定常数存放器Knn=1～16存固定参数，运行中不可修改。⑤中间参数存放器Tnn=1～16存中间运算结果⑥功能扩展存放器Ann=1～16Bnn=1～39FLnn=1～32模拟量整定参数状态量⑦运算存放器Snn=1～5完成各种运算和控制功能，具有堆栈结构。34加算X1X2Y11、LDX12、LDX23、＋4、STY135输入、输出信号与内部数据的变换输入1～5V0.000～1.000(0%～100%)误差±0.2%输出4～20mA0.000～1.000(0%～100%)16位存放器的运算范围运算范围：-7.999～+7.99936指令类型

指令有4种类型1、信号读取指令LD——用于把输入或输出等数据→S1

2、信号存储指令ST——用于把S1中的数据→有关存放器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37指令类型

4、功能指令——完成各种指定功能根本运算——+、-、×、÷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、转移跳转等存放器移位——S存放器交换、S存放器循环移位控制功能——BSC、CSC、SSC38运算指令控制指令根本运算带设备号运算逻辑运算存放器移位1、根本运算四那么运算“－〞：S2－S1→S1“÷〞：S2÷S1→S1开方运算符号：切除点运算指令输入＜切除点输出=0输入≥切除点输出=如小信号不切除输入＜1%输出=10输入输入≥1%输出=程序39程序X12、4、CMP3、LDK011、LDX1K01S1S2说明K01=0.10/1≥0.1，S1置1＜0.1，S1置05、GIF116、LDX1X17、LDK02K02=2.0008、×9、LDK03K03=5.00010、×K02X12X1

K032X1

10X1

11、STY110X1

40绝对值ABS选择限幅HSL高值LSL低值HLM上限限幅LLM下限限幅练习：没被选中的信号消失利用限幅可使调节器的输出被钳制在一定范围内，克服积分饱和。412、带设备号运算

①一阶惯性LAGnn=1～8τ→S1X1→S2结果→S1τ=0～100S对应内部数据0%～100%②微分LEDnn=1～2微分+一阶惯性完全微分：实际微分：——微分时间常数42③十段折线函数FXnn=1～2用折线逼近曲线。将输入10等份，设定出对应的输出值输入、输出必须为单值函数F1F11F2④任意折线函数FXnn=3～4将输入任意分10段，输入、输出都需设定⑤纯滞后DEDnn=1～3τ=0～1000S对应内部数据0%～100%输入输出τ纯滞后指令可连续使用三次。43⑥移动平均运算MAVnn=1～3X0现在值X1X19设定时间设定时间0～1000S⑦变化率运算VELnn=1～3Y(t)=现在输入－τ秒后的输入=X(t)－X(t)e-τs=X(t)〔1－e-τs〕τ=0～1000S对应内部数据0%～100%τ秒前的输入现在输入输出τ44⑧变化率限幅VLMnn=1～6⑨状态变化检出CCDnn=1～8当输入DI1由0→1时，输出DO1为1当输入DI1由1→0或不变时，输出DO1为0DI1DO1控制周期3、逻辑运算①逻辑运算AND(∩)OR(∪)NOT(－)②〔条件〕转移条件：GIFnnS1=1，转向nn步S1=0，顺序执行指令后S1内容消失S2～

S5上弹无条件：GOnn无条件转向nn步指令后S1内容不变45③比较CMPS2≥S1，S1=1S2＜S1，S1=0指令后S1内容消失S2不变④报警HALnn=1～4上限报警LALnn=1～4下限报警滞区宽度正常0异常1上限设定下限设定⑤PF键、PF灯用PF键产生状态信号控制PF灯PF键PF灯程序464、存放器移位

E

A

B

C

D①S存放器交换CHGCHG

E

B

A

C

D②S存放器移位

E

A

B

C

DROTROT

E

A

B

C

D5、子程序GIFSUBnGOSUBnRNT返回n=1～30，不可编写控制功能，总步长９９47根本运算指令与带设备号运算指令的区别1、在总步许可范围内根本运算指令可屡次重复使用，带设备号运算指令受使用次数的限制2、参加运算的信号在S中位置固定运算在S内进行结果→S1输入→S2，时间常数→S1结果→S148控制功能指令的根本功能①根本控制指令BSC：内含一个控制单元CNT1，相当于模拟仪表中的一台PID控制器；②串级控制指令CSC：内含两个串联的控制单元CNT1、CNT2，可组成串级控制系统③选择控制指令SSC：内含两个并联的控制单元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控制器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次

49控制功能指令的根本功能50模块BSC的回路连接SLPC控制回路连接及控制策略

51控制功能指令的根本功能被控变量接到模拟量输入通道X1，实现单回路PID控制的程序如下(1)LDX1读入测量值X1(2)BSC根本控制(3)STY1控制输出MV送Y1(4)END52组成功能模块：BSCCSCSSC控制要素：CNT1～CNT5功能扩展存放器：ABFL53I-PD〔定值控制〕当给定变化时，输出不会发生急剧变化。定值控制PI-D〔偏差控制〕偏差控制当给定变化时，输出迅速响应。给定54控制功能指令的功能扩展①根本控制指令BSC的功能扩展BSC指令的主要作用是把运算存放器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，把结果再存入S1。BSC指令的功能还需要进行扩展55根本控制指令BSC的功能扩展1.A存放器(模拟量功能扩展存放器)提供八种功能；2.FL存放器(状态量功能扩展存放器)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56〔1〕BSC控制2、根本控制功能使用CNT1〔2〕功能扩展外部串级设定A01输入补偿A02输出补偿A04可变增益A03输出跟踪A09FL09切换FL10FL11报警FL01～FL0457例：用BSC要求实现外部串级设定X2，输出补偿X3，输入上下限报警程序：1、LDX22、STA013、LDX34、STA045、LDX16、BSC7、STY18、LDFL019、STDO0110、LDFL0211、STDO0212、END58〔3〕运转方式及切换运转方式CAM串级自动手动给定方式C：A：M：A01的值上位机MODE2=1MODE2=2SET键SET键方式之间的切换手动程序上位机C

A

M除M向C切换应先切换到A再到C外，其余可直接进行FL10=01A方式C方式FL11=01M方式C/A方式上位机程序手动优先顺序：593、串级控制功能

〔1〕CSC控制使用CNT1,CNT2〔2〕功能扩展外部串级设定A01输入补偿A02A06输出补偿A04A08可变增益A03A07输出跟踪A09FL09切换FL10FL11报警FL01～FL04FL05～FL08601.CSC的根本功能指令：CSC，由CNT1、CNT2构成CNT1—主调节器，有三种规律可选CNT2—副调节器，有二种规律可选CNT1、2的正反作用、PID参数，侧盘设定运算前；PV1→S2SV1=LSV或A01PV2→S1SV2=MV1或SV2侧盘设定MODE1=0〔1、2〕决定A/C方式，CSVMODE3=0〔1〕决定SV2=MV1或SV2内运算后：MV2→S1例：加热炉温度串级控制系统。61加热炉温度控制系统CSC构成简图步序指令S1S2说明12345LDX1LDX2CSCSTY1ENDX1X2MVMVMVX1读取PV1读取PV2CSC控制运算MV输出到电流输出端Y1程序结束用户程序622.CSC的运转方式1、串级闭合：“C方式〞2、串级开路：“O方式〞3、CSC的运转方式的设定方法⑴侧盘设定〔和MODE3〕⑵用户程序设定〔FL12=0/1C/O〕63串级控制功能的运行方式MODE3运行方式主回路（CNT1）副回路（CNT2）给定值测量值操作输出给定值测量值操作输出0CA1的信号在正面盘指示自动控制（A）CNT1的输出（串级闭合）MAA用SET键给定自动控制AM用SET键给定跟踪CNT2的测量值M1CA1的信号跟踪CNT2的测量值用侧面盘上的SV2给定（开环）AA用SET键给定M用SET键给定643.CSC的扩展功能可利用An、Bn、FLn存放器来进行CSC控制功能的扩展652.3.2.4.SLPC可编程控制器的应用

带温压补偿的气体流量控制系统66

带温压补偿的气体流量控制系统己知仪表参数如下：孔板设计压力Pd=600kPa

孔板设计温度Td=300℃流量测量范围0～8000Nm3/h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

673.确定温差补偿运算的数学模型

1.确定控制器应承担的任务，PID运算和温差补偿运算2.确定控制功能和控制算法，采用根本控制指令BSC，控制算法采用CNT1=1的标准PID算法684.数学模型的规格化设PS、TS、ΔPS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，Pmin、Tmin分别为用绝对压力和绝对温度表示的压力变送器和温度变送器的下限值，X1、X2、X3和Y2分别为差压信号、压力信号、温度信号和补偿后的流量信号〔X、Y信号范围均为0~1〕,且因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有以下关系：ΔP=ΔPS

×X1

P=PS

×X2＋PminT=TS

×X3＋TminQ=QS

×Y269根据可以得到设计状态下的系数K为：设K1=、K2=、K3=、K4=70信号规格化后的温差补偿运算数学模型为

代入条件可求得K1=1.422;K2=0.147;K3=0.872;K4=0.477最后得到的温差补偿运算的数学模型为：由K1=、K2=、K3=、K4=71

5.列工作清单(worksheet)

补偿运算式和控制指令功能图构成的组合功能图726.填写数据清单〔datasheet〕————800.0

0流量10Nm3/h

Y2

0.477K4

100.0

0操作输出%

Y1

模拟输出0.872

K3

500.0

0温度℃