计算机控制中PID控制块的无扰动切换

1、计算机控制中PID控制块的无扰动切换 王锦标，朱因心（清华大学 自动化系，北京 100084） 摘要介绍DCS或FCS中PID控制块的MAN（手动）、AUTO（自动）、INIT（初始化）和OT（输出跟踪）4种工作方式的无扰动切换。关键词PID控制；手动；自动；初始化；输出跟踪；无扰动切换中图分类号TP214 文献标识码A 文章编号1000-7059(2002)02-0047-03Undisturbed switching of PID control block in computer control WANG Jin-biao,ZHU Yin-xin（Department of Automa

2、tion,Tsinghua University,Beijing,100084,China）Abstract：The undisturbed switching between 4 operation modes，i.e. MAN(Manual),AUTO(Automatic),INIT(Initiation)and OT(Out- put Tracking),for PID control block in DCS or FCS is introduced.Key words：PID control；manual；automation；initiation；output tracking；U

3、ndisturbed switching1 PID控制块的工作方式DCS和FCS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、AO、DI、DO、PID控制和运算功能块等。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、比值等，其中PID控制块是控制回路的核心。在我们开发的DCS组态软件中，将PID控制块的工作方式分为MAN、AUTO、INIT和OT 4种，如图1所示。图1 PID工作方式 MAN工作方式 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PI

4、D控制画面上来设置MV。 AUTO工作方式 此时PID控制块进行PID运算，CV来自PID计算控制量（U）。 INIT工作方式 此时PID控制块停止PID运算，CV取决于后级功能块的状态，下文将会叙述。OT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，手动操作按钮及双针指示表（其中一针指示CV或HV（手动操作量），另一针指示执行机构位置反馈）。当手操器处于HA工作状态时，可以接受开自计算机的输出控制量CV。HV（或执行机构位置反馈）通过AI功能块作为TV（输出跟踪量），HA/HM开关状态通过DI功能块作为

5、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（OT）功能。根据控制要求，操作员可以通过PID控制画面或操作员键盘来改变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后级功能块的状态，而不能人工设置。PID控制块的OT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OT之间切换。为了保证控制回路的正常运行，PID控制块工作方式的切换必须实现无平衡无扰动切换。所谓无平衡无扰动切换，是指在进行PID控制块工作方式切换之前，例如从MAN到AUTO或从AUTO到MAN的切换，无须由

6、人工进行手动输出控制信号与自动输出信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。一般的计算机控制或DCS中将PID控制块的控制方式分为MAN、AUTO、INIT和OT，并且从整个回路考虑到各功能块工作方式的变化，仍然能够保证回路的无扰动切换。例如，单回路、串级回路的无扰动切换，即使外部手操器工作方式变化也能保证回路的无扰动切换。这些是本软件的独特之处，也是本文叙述的重点。2 手动和自动PID控制算式可分为两类：一类是理想微分算式，如算式；另一类是实际微分算式，如算式。PID控制的传递函数算式为U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS) U(S)/E(S)=K

7、p1+1/TiS+TdS/(1TdS/Kd) 式中 Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，Kd为微分增益，E为给定值(SV)和被控量(PV)之间的差值，U为控制量。为了便于计算机实现PID控制，必须将上述PID算式用差分方程式来表示。例如，理想微分算式的差分方程式为U(n)KPE(n)-E(n-1)+KIE(n)+KDE(n)-2E(n-1)+E(n-2)U(n)=U(n-1)+ U(n) 式中 KI=KP Tc/Ti，KD=KP Td/Tc，Tc为控制周期。PID控制块处于MAN方式此时手动操作MV，尽管不进行PID计算，但在每个控制周期Tc应使给定值(SV)跟踪被控量(PV)，同

8、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)MV PID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。3 初始化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单回路控制所示。后级功能块的回算输出端(

9、BV)和前级功能块的回算输入端(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。 图2 单回路控制组态图后级AO功能块的回算输出端(BV)连接前级PID控制块的回算输入端(BI)，如图2单回路控制所示。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（工作号是PV1234）为MAN方式为了便于调试，可将AO功能块置为MAN方式，那么前级PID控制块（工作号是PC1234）就立即切换到INIT方式。此时，PID控制块（PC1234）的输出控制量（CV）跟踪AO功能块（PV12

10、34）的输出量。这样，一旦AO功能块（PV1234）切换到AUTO方式，PID控制块（PC1234）就立即切换到MAN方式。此时，由于PID控制块（PC1234）的CV等于AO功能块（PV1234）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（工作号是PC1234）为MAN方式前级PID控制块（PC1234）在MAN方式下尽管不进行PID计算，但要为无扰动切换到AUTO方式做准备。例如，在每个控制周期Tc应使其给定值(SV)跟踪被控量(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，并将输出控制量(CV)赋给U(n-1)。这样，一旦PID控制块（

11、PC1234）切换到AUTO方式，此时，由于其SV=PV(即偏差E(n)为0)，而又等于切换瞬间的CV，这就保证了切换瞬间控制块(PC1234)输出控制量的连续性，即PID控制块(PC1234)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。后级PID功能块的回算输出端(BV)连接前级PID控制块的回算输入端(BI)，如图3串级控制所示。 图3 串级控制组态图在该串级控制回路中，后级AO功能块（工作号是FV1236）的回算输出端(BV)连接前级副PID控制块(工作号是FC1236)的回算输入端(BI)，这两者之间工作方式的互相匹配，以及无扰动切

12、换方式与上述单回路控制相同，不再重述。图3中后级副PID控制块（FC1236）和前级主PID控制块（工作号是TC1235）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（FV1236）为MAN方式，那么副PID控制块（PC1236）就切换到INIT方式，同时主PID控制块（TC1235）也就切换到INIT方式。如果AO功能块（FV1236）切换到AUTO方式，那么副PID控制块（PC1236）就切换到MAN方式，主PID控制块（TC1235）也就切换到INIT方式。如果后级副PID控制块（FC1236）切换到AUTO方式，而且处于内给定状态，即副回路变为单回路控制方式，那么前级主PI

13、D控制块（TC1235）就切换到INIT方式。此时，主PID控制块（TC1235）的CV（输出控制量）跟踪副PID控制块（FC1236）的SV（给定值），另外还要为无扰动切换到串级做准备。例如，尽管此时主PID控制块（TC1235）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（FC1236）的SV赋给主PID控制块（TC1235）的U(n-1)。 如果后级副PID控制块（FC1236）切换到串级方式，那么前级主PID控制块（TC1235）就切换到AUTO方式，并且为内给定状态，其SV=PV。此

14、时，由于主PID控制块（TC1235）的CV等于切换瞬间副PID控制块（FC1236）的SV，使得副PID控制块（FC1236）无扰动切换到串级方式。这是由于主PID控制块（TC1235）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（FC1236）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（TC1235）的输出控制量CV(n)U(n)U(n-1)U(n)SV对副PID控制块（FC1236）的SV无影响，实现了无扰动切换。4 输出跟踪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：手操器处于HM工作状态当手操器处于HM工作状态时，PID控制块处于OT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，还要将HV(手动操作量)赋给U(n-1)。这样，一旦PID功能块切换到正常工作状态，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