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1、3.3 数字式数字式PID控制器控制器随随着着生生产产规规模模的的发发展展和和控控制制要要求求的的提提高高，模模拟拟仪表的局限性越来越明显：仪表的局限性越来越明显：（1）功能单一，灵活性差）功能单一，灵活性差（2）信息分散，需大量仪表，监视操作不便）信息分散，需大量仪表，监视操作不便（3）接线过多，系统维护困难）接线过多，系统维护困难 随随着着大大规规模模集集成成电电路路和和计计算算机机技技术术的的发发展展，测测控控仪仪表表也也迅迅速速推推出出各各种种以以微微处处理理器器为为核核心心的的数数字字式式仪表。仪表。1数字仪表的优点数字仪表的优点（1）功能丰富，更改灵活，体积小、功耗低）功能丰富，更
2、改灵活，体积小、功耗低（2）具有自诊断功能）具有自诊断功能（3）具有数据通信功能，可以组成测控网络）具有数据通信功能，可以组成测控网络 数字仪表集中了自动控制、计算机及通信技术数字仪表集中了自动控制、计算机及通信技术（3C，Control Computer Communication）。可编程单回路调节器是数字控制仪表的典型代可编程单回路调节器是数字控制仪表的典型代表，如西安仪表厂的表，如西安仪表厂的YS-80YS-100，川仪川仪18厂及上厂及上海调节器厂的海调节器厂的DIGITRONIK系列等。系列等。2YS80单回路调节器单回路调节器 3YS100单回路调节器单回路调节器 4HTBJ-2
3、11单回路智能调节器单回路智能调节器 53.3.1 SLPC3.3.1 SLPC单回路可编程序控制器的电路原理单回路可编程序控制器的电路原理单回路可编程序控制器的电路原理单回路可编程序控制器的电路原理 SLPC(Single Loop Programmable Controller)SLPC(Single Loop Programmable Controller)单回路控制器是西安仪表厂生产的单回路控制器是西安仪表厂生产的YS-80系列的基型系列的基型品种。特点为：品种。特点为：q可可接接受受5路路模模拟拟量量输输入入、6路路开开关关量量输输入入/输输出出、2路路15VDC输输出出，但但只只有
4、有1路路420mADC输输出出，只只能控制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。能控制一个执行器，这是称为单回路仪表的原因。q能能取取代代多多台台单单元元仪仪表表，实实现现复复杂杂的的控控制制运运算算。外形、操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。外形、操作与模拟仪表相同，可与模拟仪表混用。q具有通信及故障诊断功能。具有通信及故障诊断功能。6SLPC型可编程序控制器的电路原理图型可编程序控制器的电路原理图7模拟量输入模拟量输入X1 X5 接受接受1 5V DC 信号信号6个开关量个开关量DI/DO可编程接可编程接口，通过高频变压器隔离口，通过高频变压器隔离8Y1输出输出4 20mA DCY2、Y
5、3 输出输出1 5V DC，与控制室其它仪表联络用与控制室其它仪表联络用故障报警输出故障报警输出8251可编程通信接口，可与上位机作可编程通信接口，可与上位机作双向串行通信，速率为双向串行通信，速率为15.625Kbit/s9高高速速8位位微微处处理理器器8085A，10MHz，可可使使仪仪表表在在0.2s的的控控制制周周期期内内最最多多运运行行240步步用用户户程程序序，可可根根据需要，将控制周期加快到据需要，将控制周期加快到0.1s。10系系统统ROM：1片片27256EPROM，32K，存存放放系系统统管管理理程序及运算子程序。程序及运算子程序。用户用户ROM：1片片 2716EPROM
6、，2K，存放用户程序。存放用户程序。RAM：2片片PD4464，低低功功耗耗CMOS存存贮贮器器，8K，存存放现场设定数据及中间计算结果。放现场设定数据及中间计算结果。11仪仪表表正正面面板板：测测量量值值、设设定定值值、操操作作值值显显示示；自自动动/手动手动/串级切换开关；数据设定按钮串级切换开关；数据设定按钮仪仪表表侧侧面面板板：8位位16段段笔笔画画显显示示器器，显显示示各各种种运运行行参参数数 ；可可通通过过键键盘盘上上16个个调调整整健健进进行行修修改改；并并有有编程器接口。编程器接口。12当当S2接通时接通时 N1通电通电 贮能贮能“1”当当S2断开时断开时 N1的贮能的贮能 通
7、过通过N2 加到加到VT1的基的基极极 VT1导通导通 “0”接通外部继电器、指示灯等。接通外部继电器、指示灯等。作开关输出接口作开关输出接口用用VT1的的“通通”、“断断”来对外输出来对外输出“0”、“1”输出数据输出数据“1”时，时，S2作占空比作占空比50%的通断切的通断切换换可编程可编程DI/DODI/DO接口原理接口原理作输出端口使作输出端口使用时，用时，S1断开断开13 作开关输入接口作开关输入接口 DI=0（输入开路）（输入开路）DATA=1S1接通接通DI=1（输入短路）输入短路）VN1=0D=1 CP=1时时 S2以较小的占空以较小的占空比作通断切换比作通断切换VN3=0 V
8、N3 高阻高阻 VN1 高阻高阻 D=0 DATA=0 14A/DA/D、D/AD/A转换原理转换原理q同同 时时，D/A芯芯 片片 在在CPU的的支支持持下下，用用逐逐位位比较法，实现比较法，实现A/D转换。转换。从最高位从最高位 100000000000开始，开始，CPU逐位输出逐位输出D/A转换转换OP放大放大q1片片PC648D型型12位位高高速速D/A芯芯片片，将将CPU的的运算结果转换为模拟电压，供给输出。运算结果转换为模拟电压，供给输出。逐位比较法原理图逐位比较法原理图CMP比较比较CPU决定取舍决定取舍15 3.3.2 SLPC的数字控制算法的数字控制算法连续连续PID调节规律
9、的表达式为调节规律的表达式为 e（t）=VS VP数数字字调调节节器器的的特特点点是是采采样样一一次次、计计算算一一次次。必必须把连续方程用离散方程表示。第须把连续方程用离散方程表示。第n次采样时：次采样时：16如如果果调调节节器器的的输输出出是是控控制制阀阀门门的的话话，yn是是对对应应的的阀阀门门开开度度位位置置，故故上上式式称称为为“位位置置型型PID”算算式式。此式计算时，需要占用大量内存空间。此式计算时，需要占用大量内存空间。可改写为增量型可改写为增量型PID算式：算式：如如果果将将上上次次的的输输出出值值yn-1保保持持住住，则则只只需需计计算算出出本次与上次输出之间的增量本次与上
10、次输出之间的增量yn即可即可 yn=yn-1+yn 17优点：优点：q输输出出yn仅仅决决定定于于最最近近三三次次的的采采样样值值，所所需需内内存存不大，运算比较简单。不大，运算比较简单。q每每次次输输出出增增量量值值，误误动动作作的的影影响响小小，必必要要时时可可通通过过逻逻辑辑判判断断禁禁止止或或限限制制本本次次输输出出，容容易易得得到到良良好好的调节效果。的调节效果。q一一旦旦调调节节器器出出现现故故障障，停停止止输输出出，阀阀位位能能保保持持在故障前的状态。在故障前的状态。18为为避避免免理理想想微微分分对对高高频频干干扰扰过过于于敏敏感感，还还可可将将理想微分改为实际微分。理想微分改
11、为实际微分。写成差分方程有：写成差分方程有：实际微分传函：实际微分传函：将将此此式式代代替替理理想想PIDPID中中的的微微分分部部分分，即即得得实实用用的的PID运算式。运算式。19为为了了改改善善操操作作性性能能和和控控制制品品质质，常常对对基基本本的的PID运算进行修改，以适应不同工况。运算进行修改，以适应不同工况。3.3.2.1 微分先行的微分先行的PID算法（算法（PI-D）有有些些工工艺艺生生产产中中，经经常常改改变变给给定定值值。而而用用基基本本PID控控制制的的话话，当当给给定定值值突突变变时时，微微分分作作用用会会使使调调节节器器输输出出产产生生剧剧烈烈的的跳跳动动，称称微微
12、分分冲冲击击，影影响响工工况况的稳定。的稳定。20PI-D算式：算式：为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微分运算，称为微分先行的分运算，称为微分先行的PID算法。算法。这种算法与基本这种算法与基本PID算法的差别如下：算法的差别如下：21 可可将将图图（b）等等效效变换为图变换为图（c）。比比较较图图（a）与与图图（c），可可见见PI-D算算法法，相相当当于于在在PID的的给给定定值值通通道道中中，增增加加了了一一个个一一阶阶惯惯性性滤滤波波器器，从从而而给给定定值值快快速速变变化化时时，对对输输出的冲击大为缓和。出的冲击大为缓和。（b）微分先行）微
13、分先行PID223.3.2.2 比例微分先行的比例微分先行的PID算法（算法（I-PD）比比例例运运算算也也能能传传递递阶阶跃跃扰扰动动。由由微微分分先先行行得得到到启启示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。比例微分先行比例微分先行微分先行微分先行23可可将将图图（b）等等效效变换为图变换为图（c）。比比较较图图（a）与与图图（c），可可见见I-PD算算法法，相相当当于于在在PID的的给给定定值值通通道道中中，增增加加了了一一个个二二阶阶惯惯性性滤滤波波器器，从从而而给给定定值值快快速速变变化化时时，对对输输出的冲击更为缓和。出的冲击更为缓
14、和。图（图（b）图（图（c）图（图（a）24 3.3.2.3 带可变带可变型型设定值滤波器设定值滤波器SVF的的PID算法算法 PI-D算法相当于在设定值输入通道上加了一个一算法相当于在设定值输入通道上加了一个一阶滤波环节，阶滤波环节，P-ID算法相当于在设定值输入通道上加算法相当于在设定值输入通道上加了一个二阶滤波环节。把两者揉合在一起，针对不同了一个二阶滤波环节。把两者揉合在一起，针对不同的对象特性和控制要求，可以进行柔性调整，实现最的对象特性和控制要求，可以进行柔性调整，实现最佳控制。带可变型设定值滤波器的佳控制。带可变型设定值滤波器的PID算法正是根据算法正是根据这一思路设计而成。这一
15、思路设计而成。25SVFSVF算法在设定值通道中设置了一个二阶滤波器：算法在设定值通道中设置了一个二阶滤波器：式中：式中：、为调节器设定值通道整定参数，为调节器设定值通道整定参数，、=0 1 =0，=0 时，为比例微分先行时，为比例微分先行PID =1，=0 时，为微分先行时，为微分先行PID26当当、在在 0 1间间任任意意取取值值时时,可可得得到到由由P-ID 到到PI-D连连续续变变化化的的响响应应变变化化，因因而而有有可可能能实实现现二二维维的的最佳整定。最佳整定。还有采样还有采样PI算法、批量算法、批量PID算法等等。算法等等。SLPC中中将上述各种控制算法编成控制程序模块，存在系统
16、将上述各种控制算法编成控制程序模块，存在系统ROM中，供用户调用。中，供用户调用。27为为便便于于用用户户编编程程，SLPC为为用用户户提提供供的的是是采采用用面面向向问问题题、面面向向过过程程的的“自自然然语语言言”编编程程平平台台。生生产产商商预预先先将将常常用用的的运运算算控控制制功功能能编编制制成成标标准准程程序序模模块块，以以指指令令命命名名。使使用用时时将将所所需需运运算算模模块块和和控控制制模模块块“组态组态”，实现控制功能。，实现控制功能。SLPC的用户的用户基本指令共基本指令共46种分三类种分三类数据传输类指令两种：数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：结束指令：END功能
17、指令：功能指令：43种种3.3.3 SLPC单回路可编程调节器的用户程序单回路可编程调节器的用户程序283.3.3.1 基本运算模块基本运算模块 11个个 有有运运算算；、E运运算算（小小信信号号切切除除点点固固定定的的开开方方、小小信信号号切切除除点点可可变变的的开开方方）；取取绝绝对对值值运算；高选、低选；高、低限幅。运算；高选、低选；高、低限幅。3.3.3.2 函数运算模块函数运算模块 13个个折折线线函函数数、一一阶阶惯惯性性、微微分分运运算算、纯纯滞滞后后运运算算、变变化化率率运运算算、变变化化率率限限幅幅、移移动动平平均均运运算算、状状态态变变化化监监测测、计计时时、程程序序设设定
18、定、脉脉冲冲计计数数、积积算算脉脉冲冲输输出。出。293.3.3.3 条件判断运算模块条件判断运算模块 14个个上上下下限限报报警警、逻逻辑辑运运算算、转转移移指指令令、转转子子指指令令、子程序块、比较指令、信号切换子程序块、比较指令、信号切换3.3.3.4 运算寄存器位移指令运算寄存器位移指令 CHG ROD 3.3.3.5 控制模块控制模块 3种种（1）基本控制模块基本控制模块BSC内内含含1个个调调节节单单元元CNT1，相相当当于于模模拟拟仪仪表表中中的的1台台PID调调节节器器，其其功功能能框图如图框图如图2-46所示。所示。30（2）串级控制模块串级控制模块CSC 内内含含两两个个调
19、调节节单单元元CNT1和和CNT2，根根据据串串级级开开关关状状态态，CNT2可可接接受受CNT1的的输输出出作作为为设设定定信信号号，组组成成双双回回路路串串级级控控制制系系统统，也也可可直直接接接接受受另另一一设设定定信信号号SV2，实实现现副副回回路路的的单单独控制。独控制。31（3）选择控制模块选择控制模块SSC内部包含两个并行工作的内部包含两个并行工作的PID调节单元调节单元CNTI和和CNT2，另另有一自动选择单元有一自动选择单元CNT3。CNT3的控制规律的控制规律为三选一：为三选一：CNT3=0 为低选为低选CNT3=1 为高选为高选32编程举例：编程举例：例例1 把两个输入变
20、量把两个输入变量X1、X2相加后，从相加后，从Y1端口端口 输出。输出。程序：程序：LD X1 （读入（读入X1 数据）数据）LD X2 （读入（读入X2数据）数据）+（对（对X1、X2求和）求和）ST Y1 (将结果送往将结果送往Y1)END (结束程序结束程序)333.3.4 3.3.4 用户程序的写入和调试用户程序的写入和调试1 利用编程器逐句键入用户程序：利用编程器逐句键入用户程序：移入移入ROM插座插座主程序（主程序（MPR）子程序（子程序（SBP）指定指定DIO功能功能指定控制字指定控制字CNT1CNT5 其它参数其它参数 END2 程序的调试程序的调试仿真调试仿真调试 真实对象调
21、试真实对象调试 写入写入EPROM34 3.4 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器简称可编程逻辑控制器简称PLC，是基于微机技术，是基于微机技术进行开关顺序控制。随着功能的扩大，现在它除了进行开关顺序控制。随着功能的扩大，现在它除了可用于开关量逻辑控制外，有的可用于开关量逻辑控制外，有的PLC还配有还配有PID模模块，集连续控制和逻辑控制于一身。块，集连续控制和逻辑控制于一身。35提供Functionblock（FB）提供Structuretext(ST)语言 _現在温度設定温度号機No.設定周波数运算运算ABCD IF A B Then D；=C/(A-B);Else D；=
22、(C+3)/(B-A);CJ系列CS系列CP1H共享程序共享程序使用CJ/CS相同的命令语言体系，因此可以简单共享CS/CJ的梯形图。通过Cx-programmer或WebCS series具有具有CS/CJCS/CJ理念的一体化型理念的一体化型PLCPLC便于串行通信的，便于串行通信的，便于串行通信的，便于串行通信的，Smart FBSmart FB智能智能智能智能库库CJ seriesCP seriesCP seriesAll in one packageAll in one packageModule type自小到大规模的控制都可以通过同样的规格与操作来完成，包括FB的程序编程。36可
23、编程序控制器与过去的继电器控制系统相比，可编程序控制器与过去的继电器控制系统相比，它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律。改变控制方式和逻辑规律。373.4.1 PLC的主要组成的主要组成 PLC采用了典型的计算机结构，主要部分包括中采用了典型的计算机结构，主要部分包括中央处理器央处理器CPU、存储器和输入、输出接口电路等。、存储器和输入、输出接口电路等。限位开关限位开关手动开关手动开关光电传感器光电传感器感应开关感应开关数字开关数字开关编码器编码器继电器继电器电磁阀电磁阀变频调速器变频调速器数码显示器数码显示器指示灯指示
24、灯蜂鸣器蜂鸣器 输输入入接接口口 输输出出接接口口中央处理单元中央处理单元（CPU）数据存储器数据存储器 编程器编程器程序存储器程序存储器383.4.2 PLC的内部等效继电器电路的内部等效继电器电路 任何一个继电器控制系统，都是由输入部分、任何一个继电器控制系统，都是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。逻辑部分和输出部分组成。输出部分：输出部分：控制结果要驱动控制结果要驱动的各种输出设备，的各种输出设备，如电磁阀的线圈、如电磁阀的线圈、电机的接触器、电机的接触器、信号灯等信号灯等逻辑部分：逻辑部分：根据被控对象根据被控对象的要求而设计的要求而设计的各种继电器的各种继电器控制线路控制线路输入部
25、分：输入部分：控制按钮、操控制按钮、操作开关、限作开关、限位开关、光位开关、光电管信号电管信号39PLC就是用软件代替用硬件（继电器）构成的就是用软件代替用硬件（继电器）构成的逻辑控制电路。逻辑控制电路。为便于理解逻辑关系，还将为便于理解逻辑关系，还将PLC看成是由许看成是由许多多“软继电器软继电器”组成的控制器，画出其内部等效电组成的控制器，画出其内部等效电路。路。图图3.32 PLC等效控制框图等效控制框图输入（外部）输入（外部）输输入入变变换换输输出出变变换换 逻辑逻辑 输出（外部）输出（外部）PLC 40在在PLC内部为用户提供的等效继电器有：内部为用户提供的等效继电器有：输入继电器、
26、输出电器、辅助继电器、时间继输入继电器、输出电器、辅助继电器、时间继电器、计数继电器等。这些等效继电器实际上是一电器、计数继电器等。这些等效继电器实际上是一段段程序模块，用指令命名。段段程序模块，用指令命名。3.4.3 PLC的编程语言的编程语言PLC品种繁多，有各种不同的编程语言，通常品种繁多，有各种不同的编程语言，通常有梯形图、语句表、功能块、结构文本。有梯形图、语句表、功能块、结构文本。最常用的是梯形图和语句表。最常用的是梯形图和语句表。413.4.3.1 梯形图梯形图 梯形图是使用的最多的一种编程语言，在形式上梯形图是使用的最多的一种编程语言，在形式上类似于继电器的控制电路，因整个图形呈阶梯形，类似于继电器的控制电路，因整个图形呈阶梯形，逻辑关系非常形象，故有梯形图之称。如逻辑关系非常形象，故有梯形图之称。如 3.4.3.2 语句表语句表借助于梯形图，可以用指令的借助于梯形图，可以用指令的助记符来编程。各种类型的助记符来编程。各种类型的PLC使用的助记符不同。使用的助记符不同。梯形图梯形图 线圈线圈触点触点42小结小结数字式数字式控制控制基本基本PIDPIDSLPC可编程序控制器可编程序控制器PLC可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器数字控制数字控制算法算法变形变形PIDPID特殊特殊PIDPID数字数字控制器控制器43