工业自动化仪表及过程控制(数字调节器)

工业自动化仪表及过程控制

(5-2)

Industrial Automation

Instrumentations and Process Control

数字控制算法

数字调节器：数字式控制仪表。数字调节的优点：

•运算、控制功能丰富；•具有数字通信功能；

•可靠性好，使用维护方便

数字调节器主要输入输出量

输出值：V

M

(MV: Manipulated Variable)

设定值：V

S

(SV: Setpoint variable)

测量值：V

P

(PV:Process Variable)

e=V

S -V

P

若：x(t)=e,y (t)=V

M

y (t)=f(x(t))

数字系统的离散信号

x0,x1,x2….,x n

y0,y1,y2….,y n

也记做：

x(0),x(1),x(2),…,x(n)

y(0),y(1),y(2),…,y(n)

数字PID 算法(Digital PID Algorithm)⎰dt

t e )(∑∆T k e )(dt t de )

(T

n e n e ∆--)

1()(

基本PID 离散表达式

)1(101∑=-∆-+∆+=n

i n n d i i n n T x x T T x T x P y 位置式PID 算法

位置式数字PID算法的原理

增量式数字PID 算法)}2()({12111

----+-∆+-+∆=-=∆n n n d n n n i n n n x x x T

T x x x T T P y y y •节省内存空间和运算时间•减少累计误差

•误差动作影响小

增量式PID 算法原理

)1(1)1(11

0211101∑∑-=----=-∆-+∆+=∆-+∆+=n i n n d i i n n n i n n d i i

n n T x x T T x T x P y T x x T T x T x P y )}2()({12111

----+-∆+-+∆=-=∆n n n d n n n i n n n x x x T

T x x x T T P y y y

算法框图开始

输入r(n),y(n)

计算e(n)

计算p(n)

e(n)=e(n-1)位置式PID算法框图

返回

PID程序获得方法

三种常用PID程序编程语言性能对照

功能开发时间通用性价格针对性调试汇编语言一般长差低强难高级语言强中中中强中组态软件很强短好高一般易

不完全微分的PID 算法

由于理想的微分动作对高频干扰过于敏感，不能使用，为抑制干扰的影响，数字调节器仿效模拟调节器，将理想的微分改为不完全微分，也称为有限制的微分

)

11

1(1)(d

d d i K s

T s T s T P s G +++=

不完全微分的PID算法

易引起振荡和超调冲击小，系统稳定

不完全微分

PID 结构框图

)

11

1(1)(d

d d i K s

T s T s T P s G +++=

采样周期(Sample Time)Ts的选择•采样定理

•系统动态指标

•对象动态特性

•干扰信号的频谱

•控制回路数

•计算精度

常见被调量的经验采样周期

数字PID 控制的改进算法

充分应用计算机控制软件算法实现方便的优点，在基本PID的基础上，对其算法进行各种改进，使其达到更好的控制效果。

常见的改进算法有：

积分分离PID微分先行PID

抗积分饱和PID带死区PID

消除积分不灵敏PID混合过程PID

采样PID批量PID等

变形的PID 算法(Advanced PID Control)

)]

()()11

[(1)(s sV T s E s

T P s V P d i M －+=微分先行算法

)]

()1()(1

[1)(s V s T s E s

T P s V P d i M +=－比例先行算法

微分先行PID算法

混合PID算法需要将几种中间产品按一定比例混合后作为最终产品。混合PID控制可以保证累计流量的控制。

数字PID调节器(Digital PID Controller )

数字调节器例

DCS/DDC/SCADA/FCS系统

中控室：仪表盘和控制台

过程控制实验台

单回路可编程调节器

特点：

•与模拟仪表兼容•控制运算功能丰富组成结构：

•微处理器、内存•输入输出通道•串口、编程接口•显示表头

•调整键盘、操作键

SLPC可编程控制器

SLPC可编程控制器

YS170

YS170(回路/趋势/报警/调整画面）

单回路可编程控制器功能框图

模拟量输入多路模拟开关

开关量输入

输

入

缓

冲

器

采

样

保

持

器

A/D

输

入

接

口

CPU

输

出

接

口

D/A

多

路

模

拟

开

关

输

出

保

持

电

路

V/I

输

出

锁

存

器

模

拟

量

输

出

开

关

量

输

出

键盘显

示窗口

定时计

数器

显示器

键盘

通

信

接

口

发

送

接

收

电

路

数

据

通

信

ROM RAM

.

.

.

.

.

.

.

.

.

EPROM