自动化仪表与过程控制：第二章 调节器的调节规律

第2章调节器

2.1调节器的调节规律调节器的作用是把测量值和给定值进行比较，得出被调量的偏差之后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行自动调节。对于调节器，最首要的问题是弄清楚它具有什么样的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间有什么样的函数关系。

0偏差信号100%调节器输出两位式调节的特性（1）两位式调节器是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负，输出为只有两种，0或100%，输出量与输入量之间的关系如图所示。使用这种调节器的执行器仅有两种状态，被调参数有周期性起伏，例如，控制电能的电磁开关，控制流量的电磁阀，因此，广泛用于要求不高的控制场合。要获得平稳的连续变化的调节，必须采用别的调节器。（2）连续变化调节器要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器，并通过采用比例，微分、积分等算法提高调节质量。①比例（P）调节器是最简单的一种，其输出y（t）随输入信号x（t）成比例变化，若以G（s）表示这种调节器的传递函数，则可表示为：（2-1）

常数Kc，是比例调节器的比例增益。

只要被调量偏离其给定值，调节器便会产生与偏差成正比的输出信号，通过执行器使偏差减小。这种按比例动作的调节器对干扰有及时而有力的抑制作用。存在静态误差，一旦被调量偏差不存在，调节器的输出也就为零，即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。②积分（I）调节器（2-2）只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。单纯的积分调节的动作过于迟缓，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定。③比例积分（PI）调节器同时使用上面的两种调节规律，把比例作用的及时性与积分作用消除静差的优点结合起来，组成“比例+积分”作用的调节器。（2-3）

④微分（D）调节器（2-4）微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。对静态偏差毫无抑制能力，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，组成PD调节器或PID调节器。（2-5）

在PID调节器中，微分作用主要用来加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡；积分作用主要用以消除静差。将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，可得到满意的调节效果。调节器是对偏差信号进行比例、积分、微分等运运算的装置，因而是一种具有特定传递函数的装置。要达到这样的目的，最方便的方法时使用高增益的IC，借助于深度负反馈来实现。结构图如图2-1所示。若A（s）为运放的传函，Gi（s）、Gf（s）为其输入及反馈网络的传函，则闭环传函为

2.2PID运算电路若IC的增益A足够大时，A（s）Gf（s）1，则上式可近似为（2-7）

这个闭环系统的传递函数完全由输入和反馈回路的内容决定，而与IC的参数无关。由于输入和反馈电路由R、C等无源元件组成，故闭环传函可以做得十分稳定和精确，目前使用的调节器，都采用这种方法构成。（2-6）

2.2.1PI电路

如图2-2所示，图中VB为基准电压，IC的输入共模信号有一定的范围，为了使其处在共模电压范围之内，需将输入电压从基准电压起计算偏差，称为“电平转移”。传函为：阶跃响应

则

这里

—比例增益；

—时间常数

则（2-8）

如图2-4中的虚线所示。当vi（t）=ε（t）时，在t=0+时,立即有体现比例动作的跃变

vo（t）=-KPε（t）此后，vo（t）将随时间线增长，体现了对vi（t）的积分作用。其增长率为：每经过一个时间间隔Ti，输出便增长一个KPvi（t），即增长一个比例作用的效果。

的强弱，工程上习惯使用它的倒数作为整定参数，称为比例度P。为输入量的相对变化值（相对于满量程）与有比例作用产生的输出量的相对变化值之比。

（1）比例度（比例带，比例带宽度）比例增益的大小反映了比例调节作用（2-9）

在单元组合仪表中，输入量与输出量都是统一标准信号，VOM=ViM则

比例度的含义是，使调节器输出信号变化100%，所需输入信号的百分数。（2）实际PI调节器的阶跃响应式（2-8）是在A（s）→∞时导出的，实际上A（s）为有限值，这时解得由于

<<1忽略此项

则

式中

——

积分增益

这里，分母中多了一项

由于IC的A（s）一般在105以上，则

这样，式（2-10）与式（2-8）就一样了。

A（s）为有限值时，积分输出的幅度使有限的。当t→∞时，电容相当于开路，这时，IC在开环状态下工作vo（∞）=

-Avi（∞）

。如图2-4中的实线所示。

2.2.2PD电路

理论上讲，只要将PI电路中的CM换成RM就行了，但从减少冲击和抑制噪声来说，采用图2-5所示的无源比例微分电路与同相跟随器串联的办法更有利。传递函数PD部分的传函

——IC部分的传函

——这里

—微分时间

Kd—微分增益。为阶跃响应最大值与单纯比例输出值之比。这里Kd=n。阶跃响应

无源比例微分部分的阶跃响应为

如图2-6所示。整个电路的阶跃响应为如图2-7所示。特点采用无源比例微分电路，输出的微分幅度是受限制的，但微分作用的时间被延长，这种“温和的”微分作用较好地满足了自动控制的要求。2.2.3PID电路电路结构将前述PD、PI电路串联起来就构成了PID电路，如图2-8所示。传递函数

这里则式中——干扰系数；（1）观察式上式分母中，

一项是为了限制微分幅度而引入的，一项是由积分放大器的增益有限而引入的。若Kd、Ki

都比较大，分母中的两项可忽略，则（2-17）为典型PID调节器的传函。若Td<<Ti，则F=1。

这时

成为理想的PID。

（2）

由于输入信号先PD后PI，比例作用成分增大了，因而实际上改变了Td与Ti，调节器的比例度P变为P/F，微分时间Td变为Td/F，积分时间Ti变为FTi。令实际比例度

,实际微分时间

则式（2-17）变为（3）改变Td或Ti都会改变F，使P、Td、Ti的实际发生变化，造成调节器整定参数的刻度无法准确。例，当Ti/Td=4时，F=1.25，各参数的实际值将与F=1时相差25%，这是一个不可忽视的误差。阶跃响应

若Td<<Ti，在阶跃信号刚加入一段时间内（如t<4Td/

Kd），微分起主要作用，积分作用很小，可忽略随着时间的推移，积分作用越来越强，最后微分作用可忽略。可见阶跃响应曲线为“√“型曲线，如图2-10所示

特点比例、微分、积分组成的PID，发挥了各自长处，应用广泛。整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项三部分组成，Kd限制了初始瞬间跳变的幅度；Ki的有限性限制了最终幅度。2.3PID调节器的频率特性

设F=1（Td<<Ti）则PID调节器的传函为

将S=jω代如上式，两边取对数且乘以20，则其对数幅频特性为（2-20）

1低频段Tdω<<1，微分作用项可忽略，这时（2-21）

（1）时——为常数其对数幅频特性为一水平直线，如图所示。

（2）则——

随ω增加

其对数幅频特性L（ω）为一以-20dB/10倍频程为斜率的直线。

时（3），若微分作用项仍可忽略，则

2高频段

<<1，积分作用项可忽略，这时

（2-22）（1）频率很高时，

——

为一水平直线

（2）时——以20dB/10倍频程为斜率的直线。，若积分作—

与低频段相接

PID调节器的对数幅频特性如图2-11所示，同样可以求得相频特性。

用项仍可忽略，则2.4PID调节器的电路实例DDZ-Ⅲ型基型调节器，是指在它的基础之上，增加一些附加电路，便可使其功能大大扩展，以适应生产过程控制的要求。其应包括输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换电路、输出电路及指示电路等。原理如图2-12所示。1电路如图2-14所示。2.4.1输入电路2传递函数而V+≈V-则

VO1=-2（Vi-VS）（2-25）

3电路的作用（1）提高输入阻抗

为使1～5V的测量信号的数值不受影响，调节器本身对Vi、VS都应有较大的输入阻抗，使它们不从信号源取用电流。

（2）求偏差

Vi-VS进行相减运算，满足PID电路的要求。（3）将偏差放大两倍

为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，但过大易使IC饱和，这里只要求放大两倍。（4）消除传输线上压降的影响

DDZ-Ⅲ采用共同电源，在Vi的传输线上可能包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有时不可忽略。

（5）进行电平转移

Vi、VS都是从零伏起算的电压信号，调节器是靠IC进行运算放大的，IC本身有一定的共模电压允许范围（2～19V）。为了使被运算的信号处在这个允许的范围之内，必须从零伏起算的信号改为从基准电压VB起算，即进行电平转移。

设Vs=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

,VB=0则显然，IC不能正常放大。当VB=10V时V+=V-=3.7～5.7VV保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。当VB=0时，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V使后面PID的IC不能正常放大。VB=10时，输出为VO1=-2（Vi-VS）=2～18V使后面PID的IC工作于允许电压范围之内。同时，当VB=10V时，IC的运算关系不变。2.4.2PID运算电路由PI和PD两个运算电路串联而成，如图2-15所示。

1PD电路由A2组成PD电路，微分的作用可根据需要通过开关K8引入或切除。K8置“断”，A2蜕变为P放大器，这时式中

——

比例增益

这时不工作的微分电容被开关K8接在分压器上，使CD充上电压，这样开关K8，可随时切换到“通”，从而保证了无扰动切换。PD的传函，前已导出（2-26）

这里，微分增益

=2.42～585s微分时间比例增益

2PI电路由A3组成，开关K3为积分时间倍乘开关。则得—比例增益Ti=mRICI

—积分时间在效果上等于把RI增加m倍，加在RI上的信号幅度减小m倍，积分输出的最终极限幅度也将下降m倍，则积分增益A3后面的电阻、VD1、VT1构成射随器，是为了与其它单元配合，便于加输出限幅而设置的。m=1时m=10时Ti=6.2～1500sKi=1042.4.3输出电路如图2-16所示。其任务是将PID输出电压VO3=1～5V变换为4～20mA的电流输出，并进行电平转移。为使调节器的输出电流不随负载电阻大小的变化，须使输出电路具有良好的恒流特性。这里采用A4以强烈的电流负反馈来保证，同时在A4后面用VT1、VT2组成复合管，减轻A4负担，提高放大倍数，增进恒流特性，提高电流转换精度。若R3=R4=10KΩ，R1=R2=4R3由V+≈V-得则而这里实在忽略了If、IB的条件下得出的，忽略IB误差不大，但If一般不能忽略。If占的6%以上，忽略它将会产生较大误差。为了提高转换精度应取R1≠R2，可以证明，当取例，当I’O=

4mA时R1=4（R3+

Rf）

=40.25KΩ时，可以精确获得关系：2.4.4手动操作电路及自动—手动切换自动调节与手动操作状态间的平滑无扰动切换是生产过程对调节器提出的基本要求，上述切换是在PI上通过K1实现的。如图2-17所示。1自动—软手动（1）A→M上面的S1置“M”→断开A3的输入→CM无放电回路*→VO3保持不变（称为“保持”或“浮动”状态）——A→M无冲击“保持”或“浮动”状态是有条件和暂时的。由于IC不可能是理想的；CM的漏阻也不可能∞，因此，A3的输出总要随时间缓慢变化。应选用品质优良的（2）软手动

S42↓→-VM接入——按Ti

=（RM1+RM2）CM=100s的时间积分IC与CM，在制造工艺上也应注意。S41↓→-VM接入——Ti

=6s同理，S43（或K44）↓→+VM接入这种通过手动操作来改变输出的方式，动作比较和缓，所以，称为“软手动”。（3）A→M下面的S1置“M”→CI

与VB接通→使CI右端电压为VB→保证M→A的无扰动切换2软手动—硬手动（1）M→H上面的S1置“M”→A3接成图2-18的形式，这时其传函为惯性环节。时间常数T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3sVH改变时，VO3很快达到新的稳态值。M→H时要做到无扰动切换，须先调RPH与当时的VO3一致。（2）H→M切换后放大器成为保持状态，保持切换前的硬手动输出值，切换总是无扰动的。自动（A）软手动（M）

无扰

无扰硬手动（H）需平衡才能无扰无扰2.4.5测量及给定指示电路如图2-19所示。可知，，用电流表来指示测量值或给定值。通过S5的切换可实现机械调零。2.5数字控制算法

1模拟仪表的局限性前几章介绍的都是模拟仪表，随着生产规模的发展和控制要求的提高，模拟仪表的使用越来越受到局限。（1）功能单一，灵活性差（2）信息分散，需大量仪表（3）监视操作不便（4）接线过多，系统维护困难随着大规模集成电路和计算机技术的发展，工业测控仪表也迅速从模拟电路向以微处理器为基础的数字电路转变。2数字仪表的优点（1）功能丰富，更改灵活（2）具有自诊断功能（3）具有数据通信功能，可以组成测控网络（4）在尺寸、功耗、价格等比模拟仪表更具优势从原则上说，用数字电路代替模拟电路实现测控功能，只要把行之有效的测控算法离散化即可。2.5.1基本PID的离散表达式连续PID调节器的输出值VM（ManipulatedVariable）表示为y（t），则（2-32）这里，x（t）为偏差信号，等于设定值VS（SetpointVariable）与测量值VP（ProcessVariable）之差。数字调节器的特点是断续动作，对x（t）以采样周期ΔT为间隔进行采样，进行A/D转换，按一定的调节规律算出输出值，再经D/A转换向外送出。必须把微分方程用差分方程表示。

得出第n次的输出量yn为（2-23）1位置型算式由式（2-23）可知，调节器的输出yn是由逐次采样得到的偏差值xi求和及求增量的办法得到的，这类运算对于计算机来说式轻而易举的，yn和阀门对应，所以称为“位置型PID”算式。2增量型算式若着眼于本次输出与上次之间的变化值，则（2-34）

Δyn=yn-yn-1

这里只要知道最近三次的采样值，xn，xn-1，xn-2便可求得增量值Δyn。输出Δyn仅决定于最近几次的采样值，所需内存不大，运算比较简单。每次输出增量值，误动作的影响小，必要时可通过逻辑判断禁止或限制本次输出，容易得到良好的调节效果。只要对每次输出的增量置予以限制，就能对工艺流程的扰动不大，容易实现M-A之间的无扰动切换。一旦调节器出现故障，停止输出，阀位能保持在故障前的状态。3不完全微分型理想的微分动作对高频干扰过于敏感，不能使用，应将理想微分改为不完全微分，也称为有限微分。

则写成差分方程有（2-36）将上式代替式（2-33）中右边第三项理想微分部分，即得实用的PID运算式。

2.5.2采样周期的选择1不能照搬采样定理按照仙农采样定理，如欲通过间断地采样正确反映某连续变化的参数，采样频率至少应等于或大于该信号中最高谐波频率的两倍。（1）实际被调参数所包含的最高谐波频率难以确定（2）从减少失真的角度看，采样周期愈短愈好，但若程序过长，周期过短就执行不完。2采样周期确定的原则（1）按主要扰动考虑如果作用在系统上的主要扰动周期为T，则采样周期应该小于T／5，工程上，一般取采样周期ΔT≤[主要扰动周期]/10（2-37）（2）按对象时间常数考虑在与对象动特性的关系方面，因为数字调节器的输出是阶梯状的，为使对象测量信号上不出现阶梯跳动，采样周期ΔT

应比对象的惯性时间常数小得多，一般取ΔT≤[对象时间常数]/10（2-38）

3经验法确定但是，如果要狭义地严格按式(2-37)和式(2-38)来规定所有控制回路的采样周期是一个相当苛刻的条件。应综合考虑对象的实际情况和程序的长短来确定，发生矛盾时要考虑滤波。如表所示，可根据被控对象的特性，用实验加分析的方法来确定ΔT。物理量采样周期（s）流量压力液位温度成份1~53~106~815~2015~20采样周期参考值2.5.3变形的PID控制数字仪表的控制算法是用软件实现的，比模拟仪表有很大的灵活性和优越性。为了改善操作性能和控制品质，常对基本的PID运算进行修改，以适应不同工况。1微分先行（PI-D）的PID算法在基本的PID算法中，是对偏差值E=VS-VP进行PID运算的，当设定值VS改变时，微分作用会使调节器输出VM产生剧烈的跳动，即微分冲击，影响工况的稳定。为了改善这种操作特性，让微分对设定值VS不起作用，而对测量值VP进行微分运算，称为微分先行的PID算法。（2-39）

这种算法与基本PID算法的对比图如图2-23所示。

将图（b）（c），比较（a）与（c），对VP（s）的算法是一样的；但对VS（s），增加了一个滤波器。若Ti≫Td有这样图（c）可近似地表示为图（d）。可见PI-D算法相当于在PID的设定值通道中，增加了一个一阶惯性滤波器，从而使设定值快速变化时，对输出的冲击大为缓和。

（2-40）2比例先行（I-PD）的PID算法有微分先行得到启示，若对比例动作作同样修改，比例冲击也能消除。如图2-24所示。在设定值通道中增加了一个二阶滤波环节，若Ti》Td有（2-41）可见，比例先行算法是在微分先行作为一次滤波基础上又增加了一阶滤波。3带可变形设定值滤波器SVF的PID算法一个回路对设定值的响应特性与对扰动的调节品质是两个不同的侧面，传统的PID调节器只有P、Ti、Td三个参数，如果其中之一进行最佳整定，对另一方面未必得到满意的响应，两者很难兼顾。数字仪表很容易实现各种复杂运算，可以对两个通道分别设置独立的控制函数。但现场使用中，整定的参数太多又不便掌握，作为折衷办法，目前数字调节仪表常用以比例先行和微分先行PID为参考，带可变设定值滤波器SVF的PID算法，其功能如图2-25。这里在设定值通道中增加了一个二阶滤波器：（2-42）

式中，α、β为调节器新增加的设定值通道整定参数，α、β=0～1α=0，β=0时，为比例先行PIDα=1，β=0时，为微分先行PID当α、β在0~1任意取值时,可得到由PI-D到I-PD连续变化的响应，如图2-26所示，因而有可能实现二维的最佳整定。2.5.4混合过程的PID算法在化工及炼油过程中，有时将几种中间产品按一定比例混合，作为最终产品出厂，这种混合过程一般直接在输出管道中进行的，如图2-27所示。这里，控制目标是各种组分在输出管道中的准确比例，而不是单纯着眼于各管道内瞬时流量的恒定。若用普通PID算法，在扰动作用下，如图2-28（a）所示，流量一旦偏离设定值，调节器便尽快使瞬时流量向设定值靠近，但其结果，将使混合产品总量中，该组分少掉阴影线部分所对应的数量。这里，混合过程中要求的是瞬时流量的正负偏差积分为零，如图2-28（b）所示。当扰动使某组分流量下降时，调节器应使流量作补偿性上升，以弥补前一时刻减少的质量。采用先积分，后PID的方法可实现上述控制。混合PID算法如图2-29所示。

（2-43）写成离散表达式有（2-44）由上式可以看出，当偏差的积分到零之前，调节器不断动作，因而能保证装载量中组分比例的准确性。

2.5.5字长的考虑在微处理器组成的仪表中，为了提高运算速度，程序一般采用汇编语言，若字长不够，往往会严重影响控制效果。由增量型PID算式可知，每次由积分作用提供的输出量变化值为。由于ΔT<<Ti，这个变化量是很小的，积分作用主要是靠持续不断的积累现实效果的。当运算字长不够时，每次的积分量都可能被抛弃。例如，用16位二进制数作运算时，数据必须大于2-16时才能不被抛弃。例

P=500%，Ti=1800s，ΔT=0.2s

即只有当偏差超过满刻度的2/3以上时，积分分量才会发挥作用。显然，正常情况下偏差不可能大到这种程度，所以这种积分作用实际上是虚设的。为避免这种情况，必须采用32位或40位二进制数进行运算（若使用8位CPU，对应于4字节或5字节运算），以便每次将微小的积分分量累积起来，在达到D/A转换器最低位时向外输出。2.6单回路可编程序控制器

单回路控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表，是现代自动控制、计算机及通信技术（3C，ControlComputerCommunication）最新发展的产物。我国已大量生产多种单回路控制仪表，如西安仪表厂的YS-80\YS-100，川仪18厂及上海调节器厂的DIGITRONIK系列等。YS80单回路调节器

YS100单回路调节器

DDZ-S单回路调节器

DDZ-S单回路调节器

HTBJ-211单回路智能调节器

DPC-101单回路调节器

可接受多路模拟量及开关量输入，多路A、D输出，但只有一路4～20mADC输出，原则上只能控制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。能实现复杂运算，控制、通信及故障诊断。外形与操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。2.6.1SLPC型可编程序控制器的电路SLPC（SingleLoopProgrammableController）是YS-80系列数字仪表中的一种代表性机种。图2-30所示为横河公司1986年推出的功能增强型SLPC电路方框图。

1CPU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。2存贮器ROM：1片27256EPROM，32K，存放系统管理程序及各种运算子程序块1片2716EPROM，2K，存放用户程序RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存贮器，8K存放现场设定数据及中间计算结果I/O接口（1）模拟量I/O输入口X1～X5

接受1～5VDC信号输出口Y1输出4

～20mADC，驱动执行器Y2、Y3

输出1～5VDC，一般作为控制室其它仪表联络用（2）开关量I/O6个DI/DO可编程接口，通过高频变压器隔离。可编程DIO的电路原理如图2-31所示。当S2接通时

N1通电——贮能当S2断开时

N1的贮能

通过N2

VT1的基极

VT1导通

接通外部继电器、指示灯等①

作输出接口用VT1的“通”“断”来对外输出“0”“1”S1断开，S2作占空比50%的通断切换②

作输入接口DI=0

VN3高阻

VN1高阻D=0DATA=0DATA=1触发器D输入端的电压取决于DI的电压高低或电阻大小S1接通，S2以较小的占空比作通断切换DI=1

VN3=0VN1=0D=1

CP

4A/D、D/A转换1片μPC648D，12位高速D/A，作D/A，A/D转换。作D/A，将CPU的运算结果转换为模拟量电压，供给输出。作A/D，在CPU的控制下，实现逐位比较编码，如图2-32所示。最高位100000000000最高位100000000000D/AOPVf

Vf

<ViA/D”1”留

Vf

>ViA/D”0”舍同理，110000000000……5人机接口正面板：测量值，设定值，操作值显示；自动/手动/串级切换开关；按钮侧面板：8位16段笔画显示器；16个调整健；显示各种运行参数，并可通过键盘进行修改，并有编程器接口。

6通信接口8251可编程通信接口，可与上位机作双向串行通信，速率为15.625Kbit/s

7机内电源开关电源，输入DC、AC混用8故障处理故障报警信号FAIT2.6.2单回路控制器的工作节拍

按100ms或200ms的定周期节拍工作的。以200ms为例说明动作过程。工作时间如图2-33所示。依靠内部定时器，每隔10ms向CPU发出一次中断申请，启动定周期程序的运行。CPU累计中断次数，每20次（200ms）完成一个控制循环。上述周期节拍使整个仪表功能实现的基础，在这一过程中有WDT监视定时器监视，若在20ms内不能完成工作循环，WDT会发出警报。50ms100ms20ms10msNY开始是否编程？自检RAM、ROM、DA、AD、输出回路、备用电池、工作状态（自动、手动、串级）两次A/D转换PV、SV、Y1、Y2、Y3值的D/A转换结束编程状态流量积算每隔10msD/A刷新执行用户程序，并自检2.6.3用户程序结构及数据格式1编程采用面向问题的POL语言，程序采用模块式结构，使用时将所需运算模块和控制模块“组态”（软接线），实现所需功能。2基本指令分三类共46种数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：END功能指令：43种所有指令都是以S1～S5五个堆栈运算寄存器为中心工作的。例

LDX1

LDX2+

STY1ENDS1～S5的工作情况，如图2-34所示。

1数据格式

数据用16位二进制数表示。第1位为符号位2～4位为整数5～16为小数数据的表示范围为-7.999～+7.999，与模拟量输入输出信号1～5V或4～20mA对应的内部数据位0.000～1.000。

2.6.4运算模块LD、ST指令除运算寄存器S1～S5外，还与16种寄存器交换数据，见P92。1基本运算模块5个四则运算、开放运算、取绝对值运算、高选低选、高低限幅2带符号的运算模块12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、移动平均运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出3条件判断模块7个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换4运算寄存器位移指令

CHGROD2．6．5控制模块及编程1三种功能模块（1）基本控制模块BSC内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的1台PID调节器，其功能框图如图2-46所示。运算前，VPS1，运算后S1VM，BSC内部具有输入、偏差报警、输出限幅及自动/手动/串级切换功能。器报警设定值，P、I、D整定参数等。都可通过寄存器自由设定。控制模块的功能扩展寄存器，有如下三类：

①A寄存器，为模拟量输入输出寄存器②B寄存器，为专供设定调节器各种参数的模拟量寄存器③

FL寄存器，存放开关量信号的标志寄存器若不使用以上功能扩展寄存器，可不予理睬，由于仪表通电时，启动程序已赋予这些寄存器安全缺省值。（2）串级控制模块CSC

内含两个调节单元CNT1和CNT2，根据串级开关状态，CNT2可接受CNT1的输出作为设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另一设定信号SV2，实现副回路的单独控制。其功能框图如图2-49所示。

①

显示，可显示和修改主、副回路的全部参数一般情况下，测量值和给定值指示主回路CNT1，输出值指示副回路CNT2。②

C、A、M的切换C、A、M按钮串级状态CCNT1的给定信号由外部提供ACNT1的给定信号由内部提供M手动状态，CNT1的输出自动跟踪CNT2的给定值指定MODE3，（设置FL12的状态）MODE3=0（FL12=0）为串级状态MODE3=1（FL12=1）CNT2单独控制

（3）选择控制模块SSC功能框图如图2-51所示。内部包含两个并行工作的调节单元CNTI和CNT2，另有一自动选择开关CNT3，可根据其控制字的设定情况或A11提供的切换命令，

在两个调节单元输出MV1、MV2及由A10送来的外部信号进行选择控制。①

CNT3的控制规律为A11=0不用A11内的选择命令CNT3=0为低选，输出从三个被选信号中选择最小值CNT3=1为高选，输出从三个被选信号中选择最大值在自由运行状态，凡未被选中的调节单元，控制算法自动改变为比例控制，并按下式跟踪输出

VMn

=VM

+

KPnen

（n=1，2）

式中，en、

KPn分别为未选中单元的偏差信号及比例增益。用A11选择，CNT3不需设定A11=1CNT1的输出为输出A11=2CNT2的输出为输出A11=3A10的数据为输出A11=4用于多台SLPC间的选择控制CNT3=0为低选CNT3=1为高选2控制字控制模块的选择决定了控制回路的组成形式，而在相同回路结构下，调节单元内部还可以采用不同的算法和控制周期。因此，在SLPC中设有控制字CNT1～CNT5，用以指定各种不同的规格，如表2-5（P103）所示。表中指定的算法PID，I-PD，PI-D，SVF已作过介绍，这里仅对PI算法和批量PID作一说明。（1）PI算法如图2-44，这里控制时间SM可任意设定。

为针对批量生产过程经常处于启动过程而设计的准最优控制算法，旨在启动时间最短，又不产生超调。如图2-45所示。（2）批量PID算法批量生产开始：调节单元CNTVM

=MHVPVS-VP<BD接近VSCNT切换为常规的PID为避免切换时发生超调VMVM=MH-BB为避免干扰可能在切换点附近引起波动而导致频繁切换，算法中规定了锁定宽度BL。BD——偏差设定BB——偏置值BL——锁定宽度BD、BB、BL靠经验确定。使系统切换为PID后，VPBL，就不会返回到最大输出状态。3运行方式字选择模块决定了回路的结构形式，控制字选择不同的控制回路算法和控制周期。仪表运行时，还由一系列与运行方式有关的项目需指定，因此SLPC内设置了运行方式字。（1）

MODE1停电后恢复工作的方式字MODE1=0停电2s以上供电时，仪表从冷态（输出为零）起动MODE1=1停电2s以上供电时，仪表从热态（停电前瞬间的状态），继续运行停电2s以内，不论MODE1=0或MODE1=1都从热态起动。长时间停电，从冷态起动。（2）

MODE2C方式字，指定“C”按钮压下后的设定方式MODE2=0按C无效MODE2=1按C时，以A1的内容为设定值MODE2=2按C时，接受上位机数据为设定值（3）

MODE3为第二调节单元CNT2的设定方式字

CSCSSCMODE3=0

串级开关闭合，SV2=MV1MODE3=1

串级开关断开，SV2=键入值

MODE3=0CNT2的SV2=A5MODE3=1SV2=键盘输入值

（4）

MODE4上位设备发生故障时的备用方式字MODE4=0自动切换到手动（M）方式工作MODE4=1自动切换到自动（A）方式工作（5）

MODE5上位设备允许方式字MODE5=0允许上位设备进行设定和操作MODE5=1拒绝上位设备进行设定和操作4自整定功能（STC状态）不需人工干预，由仪表自动设定P、I、D参数，对非线性时变对象的控制非常有利。是一种控制模式PID已经确定的参数自整定，同时，控制对象不允许经常施加辨识信号，加之内存容量小，不可能进行复杂的计算，是一种采用工程实用方法来解决问题的途径。目前大多数智能仪表中采用的自整定方法称为基于波形分析的专家法，事先，仪表给测量值的变化规定了一个范围，若测量值的波动在该阈值之内，认为调节品质很好，不必对现有的PID参数进行修改；若测量值在内部扰动作用之下，超出了规定的范围，便自动记下波形的周期及衰减率，并以二阶模型为依据，由当前的闭环响应品质指标，推导出要达到的理想指标，对P、I、D参数需要何种修改，然后逐次逼近，最后达到期望的品质指标为止。自整定功能由标志寄存器FL18、FL30、FL31指定。

FL18=0自整定功能停止；FL18=1自整定功能工作FL30和FL31决定自整定功能的动作方式[小结]：控制模块的指定按以下程序进行选择回路结构（BSC、CSC、SSC）

选择控制字（CNT1～CNT5）选择运行方式字（MODE1～MODE5）选择自整定功能（STC）2.6.6程序的写入和调试1程序的写入利用编程器逐句健入用户程序：

移入ROM插座主程序（MPR）子程序（SBP）指定DIO功能指定控制字CNT1～CNT5其它参数END2程序的调试仿真调试真实对象调试写入EPROMYS1700的功能块编程模式举例——实现Smith补偿的例子YS1000三种通信模式YS1700USBConnectionYS1700RS485ConnectionYS1700EthernetConnection模拟调节器模拟算法PIPDPIDDDZ-Ⅲ基型调节器输入电路运算电路输出电路A、M、H电路指示电路本章小结数字调节器数字算法基本PID变形PIDSLPC可编程序控制器硬件结构用户程序混合PID2.6单回路可编程序控制器

单回路控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表，是现代自动控制、计算机及通信技术（3C，ControlComputerCommunication）最新发展的产物。我国已大量生产多种单回路控制仪表，如西安仪表厂的YS-80\YS-100，川仪18厂及上海调节器厂的DIGITRONIK系列等。YS80单回路调节器

YS100单回路调节器

DDZ-S单回路调节器

DDZ-S单回路调节器

HTBJ-211单回路智能调节器

DPC-101单回路调节器

可接受多路模拟量及开关量输入，多路A、D输出，但只有一路4～20mADC输出，原则上只能控制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。能实现复杂运算，控制、通信及故障诊断。外形与操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。2.6.1SLPC型可编程序控制器的电路SLPC（SingleLoopProgrammableController）是YS-80系列数字仪表中的一种代表性机种。图2-30所示为横河公司1986年推出的功能增强型SLPC电路方框图。

1CPU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。2存贮器ROM：1片27256EPROM，32K，存放系统管理程序及各种运算子程序块1片2716EPROM，2K，存放用户程序RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存贮器，8K存放现场设定数据及中间计算结果I/O接口（1）模拟量I/O输入口X1～X5

接受1～5VDC信号输出口Y1输出4

～20mADC，驱动执行器Y2、Y3

输出1～5VDC，一般作为控制室其它仪表联络用（2）开关量I/O6个DI/DO可编程接口，通过高频变压器隔离。可编程DIO的电路原理如图2-31所示。当S2接通时

N1通电——贮能当S2断开时

N1的贮能

通过N2

VT1的基极

VT1导通

接通外部继电器、指示灯等①

作输出接口用VT1的“通”“断”来对外输出“0”“1”S1断开，S2作占空比50%的通断切换②

作输入接口DI=0

VN3高阻

VN1高阻D=0DATA=0DATA=1触发器D输入端的电压取决于DI的电压高低或电阻大小S1接通，S2以较小的占空比作通断切换DI=1

VN3=0VN1=0D=1

CP

4A/D、D/A转换1片μPC648D，12位高速D/A，作D/A，A/D转换。作D/A，将CPU的运算结果转换为模拟量电压，供给输出。作A/D，在CPU的控制下，实现逐位比较编码，如图2-32所示。最高位100000000000最高位100000000000D/AOPVf

Vf

<ViA/D”1”留

Vf

>ViA/D”0”舍同理，110000000000……5人机接口正面板：测量值，设定值，操作值显示；自动/手动/串级切换开关；按钮侧面板：8位16段笔画显示器；16个调整健；显示各种运行参数，并可通过键盘进行修改，并有编程器接口。

6通信接口8251可编程通信接口，可与上位机作双向串行通信，速率为15.625Kbit/s

7机内电源开关电源，输入DC、AC混用8故障处理故障报警信号FAIT2.6.2单回路控制器的工作节拍

按100ms或200ms的定周期节拍工作的。以200ms为例说明动作过程。工作时间如图2-33所示。依靠内部定时器，每隔10ms向CPU发出一次中断申请，启动定周期程序的运行。CPU累计中断次数，每20次（200ms）完成一个控制循环。上述周期节拍使整个仪表功能实现的基础，在这一过程中有WDT监视定时器监视，若在20ms内不能完成工作循环，WDT会发出警报。50ms100ms20ms10msNY开始是否编程？自检RAM、ROM、DA、AD、输出回路、备用电池、工作状态（自动、手动、串级）两次A/D转换PV、SV、Y1、Y2、Y3值的D/A转换结束编程状态流量积算每隔10msD/A刷新执行用户程序，并自检2.6.3用户程序结构及数据格式1编程采用面向问题的POL语言，程序采用模块式结构，使用时将所需运算模块和控制模块“组态”（软接线），实现所需功能。2基本指令分三类共46种数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：END功能指令：43种所有指令都是以S1～S5五个堆栈运算寄存器为中心工作的。例

LDX1

LDX2+

STY1ENDS1～S5的工作情况，如图2-34所示。

1数据格式

数据用16位二进制数表示。第1位为符号位2～4位为整数5～16为小数数据的表示范围为-7.999～+7.999，与模拟量输入输出信号1～5V或4～20mA对应的内部数据位0.000～1.000。

2.6.4运算模块LD、ST指令除运算寄存器S1～S5外，还与16种寄存器交换数据，见P92。1基本运算模块5个四则运算、开放运算、取绝对值运算、高选低选、高低限幅2带符号的运算模块12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、移动平均运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出3条件判断模块7个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换4运算寄存器位移指令

CHGROD2．6．5控制模块及编程1三种功能模块（1）基本控制模块BSC内含1个调节单元CNT1，相当于模拟仪表中的1台PID调节器，其功能框图如图2-46所示。运算前，VPS1，运算后S1VM，BSC内部具有输入、偏差报警、输出限幅及自动/手动/串级切换功能。器报警设定值，P、I、D整定参数等。都可通过寄存器自由设定。控制模块的功能扩展寄存器，有如下三类：

①A寄存器，为模拟量输入输出寄存器②B寄存器，为专供设定调节器各种参数的模拟量寄存器③

FL寄存器，存放开关量信号的标志寄存器若不使用以上功能扩展寄存器，可不予理睬，由于仪表通电时，启动程序已赋予这些寄存器安全缺省值。（2）串级控制模块CSC

内含两个调节单元CNT1和CNT2，根据串级开关状态，CNT2可接受CNT1的输出作为设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另一设定信号SV2，实现副回路的单独控制。其功能框图如图2-49所示。

①

显示，可显示和修改主、副回路的全部参数一般情况下，测量值和给定值指示主回路CNT1，输出值指示副回路CNT2。②

C、A、M的切换C、A、M按钮串级状态CCNT1的给定信号由外部提供ACNT1的给定信号由内部提供M手动状态，CNT1的输出自动跟踪CNT2的给定值指定MODE3，（设置FL12的状态）MODE3=0（FL12=0）为串级状态MODE3=1（FL12=1）CNT2单独控制

（3）选择控制模块SSC功能框图如图2-51所示。内部包含两个并行工作的调节单元CNTI和CNT2，另有一自动选择开关CNT3，可根据其控制字的设定情况或A11提供的切换命令，

在两个调节单元输出MV1、MV2及由A10送来的外部信号进行选择控制。①

CNT3的控制规律为A11=0不用A11内的选择命令CNT3=0为低选，输出从三个被选信号中选择最小值CNT3=1为高选，输出从三个被选信号中选择最大值在自由运行状态，凡未被选中的调节单元，控制算法自动改变为比例控制，并按下式跟踪输出

VMn

=VM

+

KPnen

（n=1，2）

式中，en、

KPn分别为未选中单元的偏差信号及比例增益。用A11选择，CNT3不需设定A11=1CNT1的输出为输出A11=2CNT2的输出为输出A11=3A10的数据为输出A11=4用于多台SLPC间的选择控制CNT3=0为低选CNT3=1为高选2控制字控制模块的选择决定了控制回路的组成形式，而在相同回路结构下，调节单元内部还可以采用不同的算法和控制周期。因此，在SLPC中设有控制字CNT1～CNT5，用以指定各种不同的规格，如表2-5（P103）所示。表中指定的算法PID，I-PD，PI-D，SVF已作过介绍，这里仅对PI算法和批量PID作一说明。（1）PI算法如图2-44，这里控制时间SM可任意设定。

为针对批量生产过程经常处于启动过程而设计的准最优控制算法，旨在启动时间最短，又不产生超调。如图2-45所示。（2）批量PID算法批量生产开始：调节单元CNTVM

=MHVPVS-VP<BD接近VSCNT切换为常规的PID为避免切换时发生超调VMVM=MH-BB为避免干扰可能在切换点附近引起波动而导致频繁切换，算法中规定了锁定宽度BL。BD——偏差设定BB——偏置值BL——锁定宽度BD、BB、BL靠经验确定。使系统切换为PID后，VPBL，就不会返回到最大输出状态。3运行方式字选择模块决定了回路的结构形式，控制字选择不同的控制回路算法和控制周期。仪表运行时，还由一系列与运行方式有关的项目需指定，因此SLPC内设置了运行方式字。（1）

MODE1停电后恢复工作的方式字MODE1=0停电2s以上供电时，仪表从冷态（输出为零）起动MODE1=1停电2s以上供电时，仪表从热态（停电前瞬间的状态），继续运行停电2s以内，不论MODE1=0或MODE1=1都从热态起动。长时间停电，从冷态起动。（2）

MODE2C方式字，指定“C”按钮压下后的设定方式MODE2=0按C无效MODE2=1按C时，以A1的内容为设定值MODE2=2按C时，接受上位机数据为设定值（3）

MODE3为第二调节单元CNT2的设定方式字

CSCSSCMODE3=0

串级开关闭合，SV2=MV1MODE3=1

串级开关断开，SV2=键入值

MODE3=0CNT2的SV2=A5MODE3=1SV2=键盘输入值

（4）

MODE4上位设备发生故障时的备用方式字MODE4=0自动切换到手动（M）方式工作MODE4=1自动切换到自动（A）方式工作（5）

MODE5上位设备允许方式字MODE5=0允许上位设备进行设定和操作MODE5=1拒绝上位设备进行设定和操作4自整定功能（STC状态）不需人工干预，由仪表自动设定P、I、D参数，对非线性时变对象的控制非常有利。是一种控制模式PID已经确定的参数自整定，同时，控制对象不允许经常施加辨识信号，加之内存容量小，不可能进行复杂的计算，是一种采用工程实用方法来解决问题的途径。目前大多数智能仪表中采用的自整定方法称为基于波形分析的专家法，事先，仪表给测量值的变化规定了一个范围，若测量值的波动在该阈值之内，认为调节品质很好，不必对现有的PID参数进行修改；若测量值在内部扰动作用之下，超出了规定的范围，便自动记下波形的周期及衰减率，并以二阶模型为依据，由当前的闭环响应品质指标，推导出要达到的理想指标，对P、I、D参数需要何种修改，然后逐次逼近，最后达到期望的品质指标为止。自整定功能由标志寄存器FL18、FL30、FL31指定。

FL18=0自整定功能停止；FL18=1自整定功能工作FL30和FL31决定自整定功能的动作方式[小结]：控制模块的指定按以下程序进行选择回路结构（BSC、CSC、SSC）

选择控制字（CNT1～CNT5）选择运行方式字（MODE1～MODE5）选择自整定功能（STC）2.6.6程序的写入和调试1程序的写入利用编程器逐句健入用户程序：

移入ROM插座主程序（MPR）子程序（SBP）指定DIO功能指定控制字CNT1～CNT5其它参数END2程序的调试仿真调试真实对象调试写入EPROMYS1700的功能块编程模式举例——实现Smith补偿的例子YS1000三种通信模式YS1700USBConnectionYS1700RS485ConnectionYS1700EthernetConnection模拟调节器模拟算法PIPDPIDDDZ-Ⅲ基型调节器输入电路运算电路输出电路A、M、H电路指示电路本章小结数字调节器数字算法基本PID变形PIDSLPC可编程序控制器硬件结构用户程序混合PID2.6单回路可编程序控制器

单回路控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表，是现代自动控制、计算机及通信技术（3C，ControlComputerCommunication）最新发展的产物。我国已大量生产多种单回路控制仪表，如西安仪表厂的YS-80\YS-100，川仪18厂及上海调节器厂的DIGITRONIK系列等。YS80单回路调节器

YS100单回路调节器

DDZ-S单回路调节器

DDZ-S单回路调节器

HTBJ-211单回路智能调节器

DPC-101单回路调节器

可接受多路模拟量及开关量输入，多路A、D输出，但只有一路4～20mADC输出，原则上只能控制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。能实现复杂运算，控制、通信及故障诊断。外形与操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。2.6.1SLPC型可编程序控制器的电路SLPC（SingleLoopProgrammableController）是YS-80系列数字仪表中的一种代表性机种。图2-30所示为横河公司1986年推出的功能增强型SLPC电路方框图。

1CPU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。2存贮器ROM：1片27256EPROM，32K，存放系统管理程序及各种运算子程序块1片2716EPROM，2K，存放用户程序RAM：2片μPD4464，低功耗CMOS存贮器，8K存放现场设定数据及中间计算结果I/O接口（1）模拟量I/O输入口X1～X5

接受1～5VDC信号输出口Y1输出4

～20mADC，驱动执行器Y2、Y3

输出1～5VDC，一般作为控制室其它仪表联络用（2）开关量I/O6个DI/DO可编程接口，通过高频变压器隔离。可编程DIO的电路原理如图2-31所示。当S2接通时

N1通电——贮能当S2断开时

N1的贮能

通过N2

VT1的基极

VT1导通

接通外部继电器、指示灯等①

作输出接口用VT1的“通”“断”来对外输出“0”“1”S1断开，S2作占空比50%的通断切换②

作输入接口DI=0

VN3高阻

VN1高阻D=0DATA=0DATA=1触发器D输入端的电压取决于DI的电压高低或电阻大小S1接通，S2以较小的占空比作通断切换DI=1

VN3=0VN1=0D=1

CP

4A/D、D/A转换1片μPC648D，12位高速D/A，作D/A，A/D转换。作D/A，将CPU的运算结果转换为模拟量电压，供给输出。作A/D，在CPU的控制下，实现逐位比较编码，如图2-32所示。最高位100000000000最高位100000000000D/AOPVf

Vf

<ViA/D”1”留

Vf

>ViA/D”0”舍同理，110000000000……5人机接口正面板：测量值，设定值，操作值显示；自动/手动/串级切换开关；按钮侧面板：8位16段笔画显示器；16个调整健；显示各种运行参数，并可通过键盘进行修改，并有编程器接口。

6通信接口8251可编程通信接口，可与上位机作双向串行通信，速率为15.625Kbit/s

7机内电源开关电源，输入DC、AC混用8故障处理故障报警信号FAIT2.6.2单回路控制器的工作节拍

按100ms或200ms的定周期节拍工作的。以200ms为例说明动作过程。工作时间如图2-33所示。依靠内部定时器，每隔10ms向CPU发出一次中断申请，启动定周期程序的运行。CPU累计中断次数，每20次（200ms）完成一个控制循环。上述周期节拍使整个仪表功能实现的基础，在这一过程中有WDT监视定时器监视，若在20ms内不能完成工作循环，WDT会发出警报。50ms100ms20ms10msNY开始是否编程？自检RAM、ROM、DA、AD、输出回路、备用电池、工作状态（自动、手动、串级）两次A/D转换PV、SV、Y1、Y2、Y3值的D/A转换结束编程状态流量积算每隔10msD/A刷新执行用户程序，并自检2.6.3用户程序结构及数据格式1编程采用面向问题的POL语言，程序采用模块式结构，使用时将所需运算模块和控制模块“组态”（软接线），实现所需功能。2基本指令分三类共46种数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：END功能指令：43种所有指令都是以S1～S5五个堆栈运算寄存器为中心工作的。例

LDX1

LDX2+

STY1ENDS1～S5的工作情况，如图2-34所示。

1数据格式

数据用16位二进制数表示。第1位为符号位2～4位为整数5～16为小数数据的表示范围为-7.999～+7.999，与模拟量输入输出信号1～5V或4～20mA对应的内部数据位0.000～1.000。

2.6.4运算模块LD、ST指令除运算寄存器S1～S5外，还与16种寄存器交换数据，见P92。1基本运算模块5个四则运算、开放运算、取绝对值运算、高选低选、高低限幅2带符号的运算模块12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、移动平均运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出3条件判断模块7个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换4运算寄存器位移指令

CH