第6章6.4 数字控制器的工程实现.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.4,数字控制器的工程实现,数字控制器是公共子程序，那就应该在设计时，必须考虑各种工程实际问题，并含有多种功能，以便用户选择。,数字控制器的算法程序可被所有的,控制回路公用,，只是各控制回路提供的原始数据不同。因此，必须为每个回路提供一段内存数据区,(,即线性表,),，以便存放参数。,数字控制器算法的工程实现可以分为,6,个部分，如下图所示。,6.4.1,给定值和被控量处理,给定值处理包括,选择给定值,SV,和,给定值变化率限制,SR,两部分。,通过选择软开关,CL,CR,，可以构成内给定状态或外给定状态通过选择软开关,CAS,SCC,，可以构成串级控制或,SCC,控制。,外给定,内给定,(1),内给定状态,当软开关,CL,CR,切向,CL,位置时，选择操作员设置的给定值,SVL,。这时系统处于单回路控制的内给定状态，利用给定值键可以改变给定值。,(2),外给定状态,当软开关,CL,CR,切向,CR,位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。在此状态下，可以实现以下两种控制方式。,SCC,控制：当软开关,CAS,SCC,切向,SCC,位置时，接收来自上位计算机的给定值,SVS,，以便实现二级计算机控制。,串级控制：当软开关,CAS,SCC,切向,CAS,位置时，给定值,SVC,来自主调节模块，实现串级控制。,(3),给定值变化率限制,为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例、积分饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率,SR,加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。,综上所述，在给定值处理中，共具有三个输入量,(SVL,，,SVC,，,SVS),，两个输出量,(SV,，,CSV),，两个开关量,(CL,CR,，,CAS,SCC),，一个变化率,(SR),。为了便于,PID,控制程序调用这些量，需要给每个,PID,控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。,2.,被控量处理,为了安全运行，需要对被控量,PV,进行上下限报警处理,即,:,当,PV,PH(,上限值,),时，则上限报警状态,(PHA),为“,1”,；,当,PV,PL(,下限值,),时，则下限报警状态,(PLA),为“,1”,。,当出现上、下限报警状态,(PHA,，,PLA),时，它们通过驱动电路发出声或光，以便提醒操作员注意。为了不使,PHA,PLA,的状态频繁改变，可以设置一定的报警死区,(HY),。,为了实现平稳控制，,需要对参与控制的被控量的变化率,PR,加以限制,。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。,被控量处理数据区存放一个输入量,PV,，三个输出量,PHA,、,PLA,和,CPV,，四个参数,PH,、,PL,、,HY,和,PR,。,6.4.2,偏差处理,1,计算偏差：根据正反作用方式,(D,R),计算偏差,DV,，,当,D,R=0,，代表正作用，此时偏差,DV=CPV-CSV,；,当,D,R=1,，代表反作用，此时偏差,DV=CSV-CPV,；,2,偏差报警：,对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量,CPV,的上、下限报警，而且要设置偏差报警。,当偏差绝对值,|DV|,DL,时，则偏差报警状态,DLA,为“,1”,。,输入补偿量,给定值,反馈值,3,输入补偿,根据输入补偿方式,ICM,状态，决定偏差,DVC,与输入补偿量,ICV,之间的关系，即,当,ICM=0,，代表无补偿，此时,CDVDVC,；,当,ICM=1,，代表加补偿，此时,CDV=DVC+ICV;,当,ICM=2,，代表减补偿，此时,CDV=DVC-ICV;,当,ICM=3,，代表置换补偿，此时,CDV=ICV,。,利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿,(Smith),控制。,4,非线性特性,为了实现非线性,PID,控制或带死区的,PID,控制,（教材,P91,），,设置了非线性区,-A,至,+A,和非线性增益,K,，非线性特性如图所示。即,当,K=0,时，则为带死区的,PID,控制；,当,0,K,1,时，则为非线性,PID,控制；,当,K=1,时，则为正常的,PID,控制。,偏差处理数据区共存放一个输入补偿量,ICV,，两个输出量,DLA,和,CDV,，两个状态量,D,R,和,ICM,，以及四个参数,DL,、,-A,、,+A,和,K,。,补：非线性,PID,：,0,K,1,K*DVDV A,DVC=,DV DV,A,K,常取,0.25,，,0.5,等。,K,1,为正常的,PID,。,死区,A,是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。,A,值太小，调节动作过于频繁，不能达到稳定对象的目的。但,A,值也不能过大，否则系统将产生很大的滞后，影响控制精度。,6.4.3,控制算法的实现,在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方程，计算控制量,U,，并进行上、下限限幅处理。,以,PID,控制算法为例，当软开关,DV,PV,切向,DV,位置时，则选用偏差微分方式；当软开关,DV,PV,切向,PV,位置时，则选用被测量,(,即被控量,),微分方式。,偏差,反馈值,在,PID,计算数据区，不仅要存放,PID,参数,(KP,或,，,TI,，,TD),和采控制周期,T,，还要存放微分方式,DV,PV,、积分分离值,，控制量上限值,MH,和下限值,ML,，以及控制量,UK,。为了进行递推运算，还应保存历史数据，如,e(k-1),、,e(k-2),和,u(k-1),。,6.4.4,控制量处理,在输出控制量,UK,以前，还应经过各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。,1,输出补偿：根据输出补偿方式,OCM,的状态，决定控制量,UK,与输出补偿量,OCV,之间的关系，即：,当,OCM=0,代表无补偿，此时,Uc=Uk;,当,OCM=1,代表加补偿，此时,Uc=Uk+OCV;,当,OCM=2,代表减补偿，此时,Uc=Uk-OCV;,当,OCM=3,，代表置换补偿，此时,Uc=OCV.,利用输出和输入补偿，可以扩大实际应用范围，灵活组成复杂的数字控制器，以便组成复杂的自动控制系统。,2,变化率限制：为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率,MR,加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的目的。,3,输出保持：当软开关,FHNH,切向,NH,位置时，现时刻的控制量,u(k),等于前一时刻的控制量,u(k-1),，也就是说，输出控制量保持不变。当软开关,FH,NH,切向,FH,位置时，又恢复正常输出方式。软开关,FH,NH,状态一般来自系统安全报警开关。,4,安全输出：当软开关,FS,NS,切向,NS,位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量,MS,。当软开关,FS,NS,切向,FS,位置时，又恢复正常输出方式。软开关,FS,NS,状态一般来自系统安全报警开关。,控制量处理数据区需要存放输出补偿量,OCV,和补偿方式,OCM,，变化率限制值,MR,，软开关,FH,NH,和,FS,NS,，安全输出量,MS,，以及控制量,CMV,。,6.4.5,自动手动切换技术,在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。,1,软自动软手动,当软开关,SA,SM,切向,SA,位置时，系统处于正常的自动状态，称为,软自动,(SA),；反之，切向,SM,位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，此时系统处于计算机手动状态，称为软手动,(SM),。一般在调试阶段，采用,软手动,(SM),方式。,软自动,软手动,自动,/,手动控制,2,控制量限幅,为了保证执行机构工作在有效范围内，需要对控制量,Us,进行上、下限限幅处理，使得,MLMVMH,，再经,D,A,转换器输出,0,10mA(DC),或,420mA(DC),。,3,自动手动,对于一般的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算机的后备操作。当切换开关处于,HA,位置时，控制量,MV,通过,D,A,输出，此时系统处于正常的计算机控制方式，称为,自动状态,(HA,状态,),；反之，若切向,HM,位置，则计算机不再承担控制任务，由运行人员通过,手动操作器,输出,0,10mA(DC),或,4,20mA(DC),信号，对执行机构进行远方操作，这称为,手动状态,(HM,状态,),。,4,无平衡无扰动切换,（复习,P46,自动,/,手动切换）,所谓,无平衡无扰动切换,，是指在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制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。,为了实现从手动到自动的无平衡操作无扰动切换，在手动,(SM,或,HM),状态下，尽管并不进行,PID,计算，但应使,给定值,(CSV),跟踪被控量,(CPV),，同时也要把历史数据，如,e(k-1),和,e(k-2),清零，还要使,u(k-1),跟踪手动控制量,(MV,或,VM),。这样，一旦切向自动而,u(k-1),又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了,PID,控制量的连续性。当然，这一切需要有相应的硬件电路配合。,当从,自动,(SA,与,HA),切向软手动,(SM),时，只要计算机应用程序工作正常，就能自动保证无扰动切换。当从,自动,(SA,与,HA),切向硬手动,(HM),时，通过手动操作器,电路，也能保证无扰动切换。,从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，同样需要进行无扰动切换，为此可采取类似的措施，不再赘述。,自动手动切换数据区需要存放软手动控制量,SMV,，软开关,SA,SM,状态，控制量上限限值,(MH),和下限限值,(ML),，控制量,MV,，切换开关,HA,HM,状态，以及手动操作器输出,VM,。,以上讨论了,PID,控制程序的各部分功能及相应的数据区。完整的,PID,控制模块数据区除了上述各部分外，还有被控量量程上限,RH,和量程下限,RL,，工程单位代码、采样,(,控制,),周期等。该数据区是,PID,控制模块存在的标志，可把它看作是数字,PID,控制器的实体。,只有正确地填写,PID,数据区后，才能实现,PID,控制系统,。,采用上述数字控制器，不仅可以组成单回路控制系统，而且可以组,成串级、前馈、纯滞后补偿,(Smith),等复杂控制系统,，对于后面两种系统还应增加补偿器运算模块。利用该控制模块和各种功能运算模块的组合，可以组成各种控制系统来满足生产过程控制的要求。,