过程控制仪表第5章数字调节器.ppt

1,第5章 数字调节器,本章主要内容： 数字调节器的基本构成 模拟量输入/输出通道 数字式PID调节器 PID参数自整定调节器 常用数字式PID调节器,5. 1 数字式控制器的基本构成,模拟式调节器的局限性越来越明显： 1）功能单一，灵活性差； 2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便； 3）接线过多，系统维护难度大。,数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成。,1.数字式控制器的硬件电路,数字式控制器的硬件电路,（1）主机电路 主要由微处理器CPU、只读存储器ROM和EPROM、随机存储器RAM、定时/计数器CTC以及输入/输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。 （2）过程输入通道 包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样/保持器和A/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。 （3）过程输出通道 主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/A转换器、多路模拟开关输出保持器和V/I转换器等组成，其作用是将数字信号转换为15V模拟电压或420mA模拟电流信号。开关量输出通道则通过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制继电器触点或无触点开关等。,（4）人/机联系部件 主要包括显示仪表或显示器、手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值增/减按钮、手动操作按钮等。侧面则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等。 （5）通信部件 主要包括通信接口、发送和接收电路等。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将其转换成计算机能接收的数据。数字通信大多采用串行方式。,（1）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。 （2）用户应用软件 用户应用软件由用户自行编制，采用POL(面向过程语言)编程，因而设计简单、操作方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。,2. 数字式控制器的软件,7,5.2 模拟量输入/输出通道,模拟量输入通道 1、分类： 从接受电信号的电平分：高电平和低电平输入通道； 从抗干扰性能角度分：非隔离型和隔离型高抗干扰输入通道； 从结构上可按共用一个放大器或A/D转换器及不共用多种组合。,8,（1）共用一个采样/保持器（S/H）和A/D转换器的高电平模拟量输入通道（如下图所示）。,9,（2）各通道分用采样保持器，共用 A/D转换器的模拟量输入通道（如下图所示）,10,二、模拟量输出通道 在数字调节器中，运算处理后得到的控制信号仍是数字量，需经模拟量输出通道变换为能直接驱动执行器的信号。 进行闭环连续控制的执行器大致有以下几类： 1）由伺服马达驱动的电动执行器。 2）由电气转换器驱动的气动执行器。 3）由步进电动机驱动的电动执行器。 4）控制电加热系统的晶闸管。 输出通道根据所用D/A转换器的情况可有两种形式。,11,多个输出通道共用一个D/A转换器，其结构示意图如下图所示。,12,每个通道各用一个 D/A转换器，其结构如下图 所示。,13,一、数字式调节器控制规律的实现,5.3 数字式PID调节器,DDZ-调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。 数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律 的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。,控制算法：基本PID算法 改进PID算法,实现形式：位置型、增量型、速度型和偏差型,14,二、数字调节器的设计方法 数字调节器控制算法的设计有模拟化设计方法和数字化 设计方法两种。 数字调节器的模拟化设计方法是基于将数字控制系统看 一个连续系统，如下图所示。,15,直接数字化设计是设计数字调节器的另一种方法，它是将计算机控制系统看成一个离散系统，如下图所示。它实际上是通过零阶保持器和采样器将连续对象离散化了。利用离散系统理论，可以根据系统性能指标要求直接求出数字控制器的离散算法D（Z）。,16,三、PID控制算式,（一）PID控制算式的基本形式 数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行离散化而得到的。PID的模拟表达式为 式中 p调节器的输出信号； e调节器的偏差输入信号，是测量值m与给定值r之差， e=r-m； KP、TI、TD分别为调节器的比例系数、再调时间（也称积分时间）、预调时间（也称微分时间）。,17,因为采样周期Ts相对于信号变化周期是很小的，这样可用矩形法计算积分，用向后差分代替微分，则上式变成离散PID算式为,式中t=Ts采样周期； pn第n次采样时调节器的输出； en第n次采样的偏差值en=r-mn； n采样序号。,上式为位置式算式，其计算出的输出量与执行机构（阀门）的位置相对应。,18,由上式同样可列出第（nl）次采样的输出表达式 由上面两式相减，可得PID调节器输出增量的表达式,式中KIPID控制算式的积分系数KIKPTS/TI； KDPID控制算式的微分系数KD=KPTD/TS。,上式运算结果pn表示了执行机构（阀门）位置应改变的增量，为增量式算式。,19,位置式和增量式两种控制算式在本质上并无多少区别，只不过在用位置式算式时，pn=pi的任务由软件完成，而在用增量式控制算式时，则需由硬件中的输出通道来完成。采用位置式和增量式算式时，数字控制系统示意图如下图所示。,20,由上述可见，两种算式在本质上是一样的，但增量式算式却有一些优点，使它的应用更广泛。这些优点主要有： 1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作时影响小。必要时通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。 2）易于实现手动-自动的无扰切换。,21,（二）PID控制算式的变型 为了改善控制质量，针对不同对象，PID控制中引入了许多新内容，我们仅举以下几个例子。,（1）完全微分PID算法,位置型：,增量型：,22,（2） 不完全微分PID算法,完全微分PID算法的缺点：,微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制 系统振荡，降低控制品质； 阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应 。,不完全微分PID调节器：在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，如下图所示。,不完全微分PID调节器组成原理框图,23,不完全微分PID算法的输出在较长时间内仍有微分作用，可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。,不完全微分PID位置型算法：,不完全微分PID增量型算法：,24,（3） 抗积分饱和算法(积分分离 PID控制),数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积分分离法 ，其基本原理是，在偏差 较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。,对于理想PID算法的增量形式：,首先判断偏差 的绝对值 是否趋于预先设定的偏差限定值A，然后确定是否投入积分作用，即：,25,（4）微分先行PID控制 微分先行PID的结构图如下。 PD与PI串联，只对测量量M进行微分，而不是对偏差进行微分，这样在给定值R变化时，不会产生输出的大幅度变化，即可避免给定值扰动，这种算式适用于给定值R经常变化的情况。,26,（5）带有死区的PID控制 带有死区的PID算式为: 当 B时， yn =0 当 B时， yn= pn 当偏差绝对值 B时，本次不进行计算和输出，即本次输出 yn =0；当偏差绝对值 B时，进行PID运算，计算结果yn作为本次输出。,（6） 数字式非线性控制,对于数字式完全微分PID算法的增量算法：,为逻辑系数,式中，,27,5.4 PID参数自整定调节器,PID参数自整定是对于一个正在运行的控制系统，特别是 定值改变的控制系统自动整定控制回路中的PID参数。 PID参数自整定的方法有多种，大致可分为两大类。 1.波形识别法 这类方法有两种类型：一种是在系统中加入具有继电特性 性的非线性环节，使系统产生自激等幅振荡，通过测取振荡波 的振幅和周期，求取系统的临界振荡参数，再利用Ziegler- Nichols规则对PID参数进行整定。另一种是根据过程输出曲线 形状判别来整定PID参数。,28,29,2以对象数学模型辨识为基础的自整定方法 对象数学模型的辨识方法有施加扰动和不施加扰动两类。,30,PID参数自整定的方法很多，我们这里仅介绍三种目前用得较多的方法。 一、改进型临界比例度法（继电限幅自整定法） 这是波形识别法中的一种参数自整定方法。用改进型临界比例度法的PID参数自整定控制系统结构示意图如下图所示。,图中 G（j）为控制对象，N为具有继电特性的非线性环节。当系统处于自整定状态时，开关S置于位置2，S置于位置1时为系统正常工作状态，进行PID控制。,31,改进型临界比例度法整定PID参数的运行步骤： 1）使系统工作在有继电特性的非线性系统状态，产生自激振荡，求出临界比例系数KCP及临界振荡周期TCP。 2）按ZieglerNichols规则计算出PID参数KP、TI、TD的值。 改进型临界比例度自整定方法的特点是原理简单、整定速度快，但为求取KCP及TCP系统要产生等幅振荡，因此不宜多次使用。它适用于回路参数的初始整定，特别是系统开工时大量的回路整定。将用改进型临界比例度自整定方法求出的PID参数作为初值，在实时运行中再应用其它方法对参数进行修正。实时修正参数可用迭代法或专家法。,32,二迭代自整定控制算法 在闭环控制系统中，假设调节器经初步整定的初始参数，通过推导出PID参数KP、TI、TD的迭代整定算式求出修正参数。 前述改进型临界比例度整定算式可用于确定初始整定参数，而迭代算式适用于在已有较好整定参数的基础上进行修正，逐渐趋近最佳参数。因此，可将两种方法结合起来进行PID参数自整定。 三、专家法PID参数自整定 用专家法自整定PID参数的调节器称为专家自整定调节器。这种PID参数自整定的过程实际上是模拟操作人员整定PID参数的判断和决策过程。专家PID调节器是在一般调节器结构的基础上，增加了由知识库和推理机构组成的参数自整定专家系统，其构成框图如下图所示。,33,34,l知识库 知识库是将控制工程师整定系统的知识和经验进行整理归纳后，以一定表示法存入计算机中。参数自整定专家系统的知识库主要包括以下几方面的内容：过程响应曲线类型、控制目标类型及整定规则。下面分别加以说明。 （1）过程响应曲线类型 由于实际控制系统多种多样，因此系统响应曲线也可能是各种各样的，在构成知识库时尽量考虑周全又不能过于繁杂。根据给定值变化和负荷变化两种情况，将系统输出响应曲线分为给定值变化时和负荷扰动下的输出响应曲线如下图所示。,35,图中所示波形仅是按照响应曲线峰值个数分类，而对于每一类波形，由于其超调量、衰减比及振荡周期的不同，又可分为多种子类型。由于调节器整定参数时，是将实际观测的曲线与知识库中的曲线进行对照，按照最佳条件进行整定。因此，知识库中存入的响应曲线类型完善与否，对参数整定是否理想至关重要。一般需存几十种类型的曲线。,36,（2）控制目标 下表列出几种控制目标类型。,37,（3）整定规则 PID参数的整定规则都是经验性的，它是建立于控制工程师经验的基础上的，下面仅举出几条整定规则作为例子。 对给定值变化和干扰引起的输出响应采取不同的整定规则。 在P、I、D三个作用中，P是最基本的控制作用。当输出响应的超调量过大及衰减比过小时，减小KP。若最大偏差大，且趋于非周期过程时，增加KP。 一般取TI等于二分之一系统振荡周期，取TD=(1/31/4)TI。 输出响应曲线偏离给定值后长期回不来，减小TI。若波动较大则增大TI。 由于KP 过小和TI过大都将引起系统输出响应迟缓，难以稳定。但是两者情况有区别，前者表现为曲线飘动较大，变化无规则，后者则会逐渐接近给定值，据此可以判断需增大KP或减小TI 。,38,2推理机构 在参数自整定系统中。推理机构的作用是判断系统输出响应的波形，归为知识库中存储波形中的一种，并对其进行品质评价，根据控制目标的要求采取相应措施。因此，输出响应曲线的测试和识别是十分重要的环节。专家自整定调节器随时观测控制系统输出值及给定值。如有给定值变化、负荷干扰等因素影响控制偏差变化，而且超过预先设定的噪声带时，调节器即进行参数自整定，否则保持原来的PID参数值。 专家法自整定前，需进行以下工作： l）进行PID 参数予整定，确定PID参数的粗略值作为初值。 2）确定噪声带Nb：由于过程含有噪声，在响应曲线测量时应将其剔出，因此需确定一噪声带。在自整定时，采用了偏差超过设定的噪声带两倍时才启动自整定动作的方法来克服噪声和干扰。Nb值还可用来判断观测到的峰值是否真实，以排除噪声、干扰引起的假象。,39,3）确定容许等待时间TW：自整定调节器需根据控制系统估计的响应时间作为容许等待时间。在专家法自整定中，是在容许等待时间内等待下一个峰值的到来。 TW过大，会使曲线识别时间过长，影响控制效果。 TW过短可能会对波形判断失误。在预整定后取TW (T+)，T为过程时间常数， 为纯滞后时间。 4）确定TD/TI比值：一般取TD/TI =(1/31/4)。 5）确定控制周期TS： TS与控制效果关系密切， TS过大导致控制效果变坏甚至失控，但对纯滞后较大的系统，则要求TS取大些，一般取TS (1/51/6) 。,目前广泛使用的产品有DK系列的KMM数字调节器、YS-80系列的SLPC数字调节器、FC系列的PMK数字调节器以及Micro760/761数字调节器等，由于它们的运算与控制功能是靠组态或编程实现的，且只控制一个回路，所以又常将它们称为单回路可编程数字调节器。以SLPC数字调节器为例。,1.SLPC可编程数字调节器的硬件构成,具有基本的PID、微分先行PID、采样PI、批量PID、带可变滤波器设定的PID等多种控制功能，还可构成串级、选择性、非线性等多种复杂的过程控制系统，并具有自整定、自诊断、通信等许多特殊功能 。,5.5 常用数字式PID控制器,YS100单回路调节器,HTBJ-211单回路智能调节器,SLPC可编程控制器的硬件电路,模拟量输入X1 X5 接受1 5V DC 信号,6个开关量DI/DO可编程接口，通过高频变压器隔离,高速8位微处理器8085A，10MHz，可使仪表在0.2s的控制周期内最多运行240步用户程序,可根据需要，将控制周期加快到0.1s。,系统ROM：1片27256EPROM，32K，存放系统管理程序及运算子程序。 用户ROM：1片 2716EPROM，2K，存放用户程序。 RAM：2片PD4464，低功耗CMOS存贮器，8K，存放现场设定数据及中间计算结果。,仪表正面板：测量值、设定值、操作值显示；自动/手动/串级切换开关；数据设定按钮 仪表侧面板：8位16段笔画显示器，显示各种运行参数 ；可通过键盘上16个调整健进行修改；并有编程器接口。,各部分电路的具体构成及其功能简述如下： （1） 主机电路 主机电路中的CPU采用8085AHC芯片,时钟频率为10MHz；系统ROM为64KB,用于存放监控程序和各种功能模块；用户ROM为2KB,用于存放用户程序;RAM为16KB。 （2） 过程输入/输出通道 具有如下特点： 1）输入通道中有5路模拟量输入和6路开关量输入。模拟量输入由RC滤波器、多路开关、PC648D型高速12位D/A转换器和比较器等组成，通过CPU反馈编码，实现比较型模/数转换。 2）输出通道中有3路模拟量输出和6路开关量输出。模拟量输出中有1路输出为420mA.DC直流电流，可驱动现场执行器；另两路输出为15V.DC直流电压，提供给控制室的其它模拟仪表。 3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，将CPU输出的数字量转换为模拟量输出，在CPU的程序支持下，通过比较器将模拟量输入转换成数字量输出；开关量输入与开关量输出共用同一通道，其选择由使用者用程序确定；所有开关量输入/输出通道与内部电路之间均用高频变压器隔离。,4）在过程输入/输出通道中分别设计了“故障/保持/软手动”功能。 模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入CPU;另一路则送往故障/PV开关。当仪表工作不正常时，由CPU的自检程序通过WDT电路发出故障报警信号，并自动将“故障/PV”开关切换到故障位置，直接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中的输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作。 （3）人/机联系部件 SLPC的人/机联系部件的正面面板与模拟式调节器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字式两种；此外，还设置了给定值增/减按键、串级/自动/软手动切换/操作按键、故障显示和报警显示灯等。它的侧面面板设置有触模式键盘和数字显示器、正/反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，可以很方便地进行数据修改、参数整定等操作。 （4）通信接口电路 SLPC的通信接口电路由8251型可编程通信接口芯片和光电隔离电路组成。该电路采用半双工、串行异步通信方式，一方面将发送信号转换成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外部通信信号转换成CPU能接受的数据.,为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用面向问题、面向过程的“自然语言”编程平台。生产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模块 ，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模块“组态”，实现控制功能。 SLPC的用户基本指令共46种，分三类： 数据传输类指令两种：LD，ST 结束指令：END 功能指令：43种,2. SLPC可编程数字调节器的软件,1) 基本运算模块 11个 有运算；、 E运算（小信号切除点固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值运算；高选、低选；高、低限幅。 2) 函数运算模块 13个 折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、变化率运算、变化率限幅、移动