1、第四章 自动控制仪表4.1 概述一、一、控制仪表的作用控制仪表的作用n控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律进行运算，输出控制差后，按一定的调节规律进行运算，输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。动调节。接收测量仪表或系统所获得的过程参接收测量仪表或系统所获得的过程参数（实测信号或实测值）；数（实测信号或实测值）；1、电动仪表电动仪表以以220VAC或或24VDC作为工作能作为工作能源，其输入输出信
2、号均采用源，其输入输出信号均采用010mA或或420mA的标准信号的标准信号2、气动仪表、气动仪表以以140kPa的气压信号作为工作的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均能源，其输入输出信号均采用采用20100kPa的标准气压信号的标准气压信号3、自力式、自力式仪表仪表不需要专门提供工作能源。不需要专门提供工作能源。例：自力式液位调节器例：自力式液位调节器hQ1Q2 二、控制仪表按工作能源分类二、控制仪表按工作能源分类DDZ-II 采用 0 10mA信号DDZ-III 采用 4 20mA信号 三、控制仪表的发展基本上分为三个阶段：三、控制仪表的发展基本上分为三个阶段：1、基地式仪表基地式仪表
3、 q 将检测、控制、显示功能设计在一个整体内，将检测、控制、显示功能设计在一个整体内，安装在现场设备上。安装在现场设备上。q安装简单、使安装简单、使用方便。但一般通用方便。但一般通用性差，只适用于用性差，只适用于小规模、简单控制小规模、简单控制系统。系统。2、单元式组合仪表单元式组合仪表q单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元（例变送单元、给定单元、控制单分成若干单元（例变送单元、给定单元、控制单元、显示单元等），每个单元只完成其中的一种元、显示单元等），每个单元只完成其中的一种功能。功能。q其中的控制单元是接受测量与给定信号，其中的控制单元是接受
4、测量与给定信号，然后根据它们的偏差进行控制运算，运算的结果然后根据它们的偏差进行控制运算，运算的结果作为控制信号输出。作为控制信号输出。q各个单元之间以统一的标准信号相互联系。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。3、以微处理器为中心的控制仪表（装置）以微处理器为中心的控制仪表（装置）内设微处理器，控制功能丰富，很容易构成各内设微处理器，控制功能丰富，很容易构成各种复杂控制系统。种复杂控制系统。在自动控制系统中广泛应用的有：在自动控制系统中广泛应用的有：q工业控制计算机（工业控制计算机（DDS）q集散控制装置（集散控制装置（DCS）q单回路数字控制器（单回路数字控制器（SLPC）q可编程数字控
5、制器可编程数字控制器（PLC）q现场总线现场总线控制装置（控制装置（FCS）DDZ-电动仪表电动仪表DDZ-气动仪表气动仪表DDZDDZ电动电动调节器调节器DDZ-S单回路调节器单回路调节器 DDZ-S单回路调节器单回路调节器 DDZ组装仪表组装仪表YS100单回路调节器单回路调节器YS80单回路调节器单回路调节器CENTUM-XL综合控制系统综合控制系统4.2 基本控制规律及特点基本控制规律及特点所谓控制规律是指控制器的输出信号与输所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。入偏差信号之间的关系。控制器的输入信号是变送器送来的测量信控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人
6、工设定的或外部输入的设定信号。号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号差信号 e，它是设定值信号，它是设定值信号 r 与测量信号与测量信号 x 之之差。差。y=f(e)e=r x 或或 e=x-r控制规律有控制规律有断续控制断续控制和和连续控制连续控制两类：两类：一、一、断续控制断续控制控制器输出接点信号，如双控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。位控制、三位控制。二、二、连续控制连续控制控制器输出连续信号，如比控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分例控制、比例积分控制、比例
7、微分控制、比例积分微分控制。微分控制。理想的双位控制器输出理想的双位控制器输出 y 与输入偏差与输入偏差 e 之间的关系为之间的关系为：e 0 0 （或（或e 0 0）时时=ymaxyminye 0 0 0）时时理想的双位控制特性理想的双位控制特性ymaxyminey有中间区的双位控制特性有中间区的双位控制特性ymaxyminey1 双位控制双位控制双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称两个极限位置，因此又称开关控制开关控制。例例1：温度双位控制系统：温度双位控制系统：温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电温
8、度低于给定值时，温控器输出高电平，继电器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。220V进水进水出水出水二位式控制器电路原理框图二位式控制器电路原理框图测量信号测量信号给定信号给定信号U0是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电平，可以当一个电子开关用。平，可以当一个电子开关用。有中间区的双位控制效果：有中间区的双位控制效果：被控温度在被控温度在T0
9、上下振荡，无法稳定。上下振荡，无法稳定。理想双位控制效果：理想双位控制效果：tyTT0ttyTT0t三位控制：三位控制：控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。ymaxymineye2e1测量信号测量信号给定给定1U01U02给定给定2三位控制器电路原理框图：三位控制器电路原理框图：例例2：温度三位控制系统：温度三位控制系统 温度低于温度低于T1时，温控器使继电器时，温控器使继电器1、2都吸合，都吸合，加热器加热器1、2都通电加热；温度高于都通电加热；温度高于T1低于低于T2时，温时，温控器使继电器控器使继电器1吸合、继电器吸合、继电器2断开，只有加
10、热器断开，只有加热器1通通电；温度高于电；温度高于T2时，继电器时，继电器1、2都断开。都断开。J1J2T2T1122220V进水进水出水出水 温度三位控制效果：温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度温度偏差大时，升温速度快；温度偏差小时，小幅调整。快；温度偏差小时，小幅调整。tyTT2T1t要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能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。连续变化的调节器。PY()W()E()ssKs=传递函数为传递函数为 2 比例控制（比例控制（P）控制器输出控制器输出y（t）和偏差信号和偏差信号e（t）成比例关系成比例关系py(t)K e(t)=Kp比例增益
11、比例增益-+Pye被控变量被控变量测量值测量值x被控变量被控变量给定值给定值xr浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。epba=ebap=PyK e=如果如果e=0，则活塞，则活塞无法提高，无法提高，Q1 无法加无法加大，调节无法进行。大，调节无法进行。例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程比例控制过程Q2htepQ1tttt 原来系统处于平衡，原来系统
12、处于平衡，进水量与出水量相等，此进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。时进水阀有一开度。t=0时，出水量阶跃增时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。衡，液位也不再变化。v 比例控制的特点比例控制的特点q控制及时控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。q控制结果控制结果存在静差存在静差。因为，如果被调量偏差为。因为，如果被调
13、量偏差为零，调节器的输出也就为零零，调节器的输出也就为零 y=KP e即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能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。做到无静差调节。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度P来表来表示比例控制作用的强弱。示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。maxminmaxmineyP(/)100%xxyy=式中式中e为输入偏差；为输入偏差；y为控制器输出的变化量；为控制器
14、输出的变化量；（xmax-xmin）为测量输入的最大变化量，即控制器）为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（的输入量程；（ymax ymin）为输出的最大变化量，）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。即控制器的输出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则如果控制器输入、输出量程相等，则:比例度比例度:Ce1P100%100%yK=maxminmaxmineyP(/)100%xxyy=yxxrxmaxxminyminymax比例度除了表比例度除了表示控制器输入和输示控制器输入和输出之间的增益外，出之间的增益外，还表明比例作用的还表明比例作用的有效区间。有效区间。比例带比例带P的物理意义
15、：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变时，所对应的偏差变化相对量。化相对量。如如P=50%表明：表明：控制器输入偏差控制器输入偏差变化变化50%，就可使控，就可使控制器输出变化制器输出变化100%，若输入偏差变化超过若输入偏差变化超过此量，则控制器输出此量，则控制器输出饱和，不再符合比例饱和，不再符合比例关系。关系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400800，输出信号范围是输出信号范围是420mA。当指示指针从当指示指针从600变变到到700时，控制器相应的输出从时，
16、控制器相应的输出从8mA变为变为16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。700 60016 8800 40020 4/100%=解解maxmaxyeeyP/100%=50%=答答 温度的偏差在输入量程的温度的偏差在输入量程的50区间内区间内（即（即200）时）时，e和和y是是2倍的关系。倍的关系。y/mAx/e420800400P=50%3 积分控制积分控制（I）当要求控制结果无余差时，就需要积分控制作用。当要求控制结果无余差时，就需要积分控制作用。输出变化量输出变化量y与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比01ytIedtT=当当e是幅值为是幅值为E的阶跃时的阶跃时01EyetII
17、dttTT=TI 积分时间积分时间eEttyq积分作用具有保持功能，积分作用具有保持功能，故积分控制故积分控制可以消除余差可以消除余差。q积分输出信号随着时间逐积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。分作用不单独使用。v 积分控制的特点积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEtty 4 微分控制微分控制（D）对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增
18、加微分作用。度，此时可增加微分作用。yDdeTdt=式中：式中：TD 微分时间微分时间 dtde 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分eEttyq 微分作用能超前控制。微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。芽状态之中。q对静态偏差毫无控制能力。对静态偏差毫无控制能力。q因此不能单独使用。必须和因此不能单独使用。必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEtty 若将比例与积分组合起来，若将比
19、例与积分组合起来，既能控制及时，又既能控制及时，又能消除余差能消除余差。011y()PtIeedtT=若偏差是幅值为若偏差是幅值为E的阶跃干扰的阶跃干扰E1y(1)PItT=Y()11()(1)()PIsW sE sT s=eEtty5 比例积分控制（比例积分控制（PI）6 比例微分控制（比例微分控制（PD）理想的比例微分控制理想的比例微分控制1y()PDdeeTdt=1()(1)PDWsT s=eAttyty 理想微分作用持续时间理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作一般使用实际的比例微分作用。用。11()(1)PDIWsT sT s=q
20、将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既只要三项作用的强度配合适当，既能快速能快速调节调节，又，又能消除余差能消除余差，可得到满意的可得到满意的控制控制效果。效果。7 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）011y()PtDIdeeedtTTdt=q PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基础控制；比例作用是基础控制；q微分作用是用于加快微分作用是用于加快系统控制速度；系统控制速度；q积分作用是用于消除积分作用是用于消除静差。静差。etty4.3 模拟式控制器模拟式控制器一、一、控制器基本构成控制器基本构成n比较
21、环节比较环节将测量值与设定值进行比较(相减)，产生偏差信号。n放大器放大器将偏差信号、反馈信号相加后进行放大。n反馈环节反馈环节将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现某种控制规律。给定信号给定信号比较环节比较环节测量信号测量信号偏差偏差输出信号输出信号反馈环节反馈环节-放大器放大器模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。型（用电子管）型（用电子管）型（用晶体管）型（用晶体管）型（用集成电路）型（用集成电路）二、DDZ电动控制器1.仪表的特点n采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号：420mA DC 或 15V DC，信号电流与电压的转换
22、电阻为250。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。可以使现场变送器实现两线制。n高度集成化，可靠性高，维修量少。n全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。n功能齐全，结构合理。n具有本安（本质安全）性能。2.基本功能n控制功能自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。手动控制：由人工直接设定输出值遥控执行器。n软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。n硬手动：瞬间直接改变输出值
23、。n显示功能输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、（输出）限位报警。n调整功能给定输入调整：控制参数整定：DDZ-基型调节器的主要功能电路有：基型调节器的主要功能电路有：输入电路、给定电路、输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换手动（硬手动和软手动）切换电路、输出电路及指电路、输出电路及指示电路。示电路。输入电路PD电路PI电路输出电路测量外给内给定电路给定值指示输出指示软手动电路硬手动电路测量值指示内给S6S1MHA DDZ-型调节器结构方框图型调节器结构方框图全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例各部分电路的功能与作用n给
24、定电路、指示电路：指示测量值和给定值给定电路、指示电路：指示测量值和给定值n输入电路：求偏差输入电路：求偏差 e，将偏差放大，进行电平移动将偏差放大，进行电平移动nPID运算电路：由运算电路：由PI和和PD两个运算电路串联而成，形两个运算电路串联而成，形成成PID控制算法控制算法n输出电路：将输出电路：将PID电路输出电压电路输出电压VO3=15V变换为变换为420mA的电流输出，并将基准电平移至的电流输出，并将基准电平移至0V。n手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换n实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。助环节。无干扰切换
25、n在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态不发生突变。n无干扰切换的实现：在切换前，调节手动输出参数或设定值，使输出值与自动输出值保持一致。手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换通过切换开关通过切换开关Kf可以选择自动调节可以选择自动调节“A”、软手、软手动操作动操作“M”、硬手动操作、硬手动操作“H”三种控制方式。三种控制方式。手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换通过切换开关通过切换开关S1可以选择自动调节可以选择自动调节“A”、软手动、软手动操作操作“M”、硬手动操作、硬手动操作“H”三种控制方式。三种控制方式。AM无冲击无冲击1.A、M间的切换间的切换S1从从A切
26、换到切换到M时时：断开断开A3的输入的输入CM无放电回路无放电回路VO3保持不变保持不变S42闭合闭合-VM接入接入按按TI=100s的时间积分的时间积分 S41闭合闭合-VM接入接入按按TI=6s的时间积分的时间积分同理，同理，S43（或或S44）闭合闭合+VM接入接入反向积分反向积分 用这种手动用这种手动操作来改变调节操作来改变调节器输出，器输出，信号变信号变化比较缓和，称化比较缓和，称为为 “软手动软手动”。2A、H间的切换间的切换当切换开关当切换开关S1由自动位置由自动位置A，切向硬手动切向硬手动 H 时，放大器时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。接成具有惯性的比例电路。由于由于CM
27、充充电迅速，电迅速，A3的输出近似的输出近似为比例电路。为比例电路。)()1()(3sVsCRRsVOMFHH =3()1()1OFHHFMVsRVsRR C s=v 传递函数传递函数时间常数时间常数 T=RFCM=301031010-6=0.3s可见，可见，VH 改变时，改变时，VO3很快达到新的稳态值。很快达到新的稳态值。vAH前，须先调前，须先调RPH与当时的与当时的VO3一致，才能一致，才能做到无扰动切换。做到无扰动切换。MH也同样。也同样。3M、HA间的切换间的切换 S1由由A切向切向M或或H时，联动开关同时将积分电容时，联动开关同时将积分电容CI接接VB，使，使VCI始终等于始终等
28、于V02。当。当S1再由再由H、M切回切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。自动（自动（A）软手动（软手动（M）无扰无扰 无扰无扰硬手动（硬手动（H）无扰无扰有扰有扰总结：总结：1-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键DDZ-型控制器的外形型控制器的外形与操作与操作外形结构n仪表整体为长方体，伸入控制箱（盘）内部nPID参数设定位于仪表内部，拉开整个仪表，可用螺丝
29、刀调整变阻器。炉温控制4.4 单回路数字控制器单回路数字控制器1.出现背景出现背景n随着微处理器技术的发展，1980年代出现了一种以微处理器为核心、对应于一个控制回路(包括复杂的控制回路)的数字控制器。虽然它在实质上是一台过程用的微型计算机，但在外观、体积、对外信号联系上都与DDZ型控制器相似或一致，也装在仪表盘上使用，所以称为单回路数字控制器。n这类控制器的控制规律可根据需要由用户自己编程，而且可以擦去改写，所以实际上是一台可编程序的数字控制器，为了不至于跟下面要叙述的另一种可编程序控制器(PLC)混淆，这里使用它的一个习惯名称可编程序调节器。2.基本构成基本构成n数字控制器由硬件系统和软件
30、系统两部分所构成。硬件硬件+软件软件n 数字控制器的硬件电路数字控制器的硬件电路 数字控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、数字控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机接口（过程输出通道、人机接口（HMI）以及通信接口等几）以及通信接口等几部分所构成，见图部分所构成，见图5-19。n 数字控制器的软件数字控制器的软件 数字控制器的软件包括系统程序和用户程序两大部分。数字控制器的软件包括系统程序和用户程序两大部分。系统程序系统程序=监控程序监控程序+功能模块功能模块 用户程序用户程序：按照被控对象的测控要求，选择（组态）：按照被控对象的测控要求，选择（组态）系统功能模块。
31、系统功能模块。数字控制器通过A/D，D/A转换，可以实现模拟量与数字量之间的相互转化。n数字量控制器的基本结构原理为：A/DAIODIOI/O模拟量信号模拟量信号数字量信号数字量信号CPU计算电路D/AAIODIOI/O模拟量信号模拟量信号数字量信号数字量信号图4-19 单回路数字控制器结构原理图3.KMM型可编程序调节器型可编程序调节器nKMM型可编程序调节器是一种单回路的数字控制器。又是集散控制系统TDC3000的一部分，是为了把集散系统中的控制回路彻底分散到每一个回路而研制的。n KMM型可编程序调节器可以接收五个15V模拟输入信号，四个数字输入信号，输出三个模拟信号(15V)，其中一个
32、可为420mA、输出三个数字信号。n 这种调节器的功能强大，它是在比例积分微分运算的功能上再加上好几个辅助运算的功能，并将它们都装到一台仪表中去的小型面版式控制仪表。n 它能用于单回路的简单控制系统与复杂的串级控制系统，除完成比例、积分、微分控制功能外，还能进行加、减、乘、除、开方等运算，并可进行高、低值选择和逻辑运算等。具有控制精度高、使用方便灵活、具有自我诊断的功能等优点。n 当与电子计算机联用时，该调节器能直接接受上位计算机来的设定值信号，可作为分散型数字控制系统中装置级的控制器使用。YS100单回路调节器单回路调节器 仪表正面板：测量值、设定值、操作值显示；自仪表正面板：测量值、设定值
33、、操作值显示；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；数据设定按钮仪表仪表侧面板：侧面板：8位位16段笔画显示器，显示各种运段笔画显示器，显示各种运行参数行参数 ；可通过键盘上；可通过键盘上16个调整健进行修改；并有个调整健进行修改；并有编程器接口。编程器接口。4.SLPC的数字控制算法（补充）的数字控制算法（补充）连续连续PID调节规律的表达式为调节规律的表达式为 DI11e()()e()e()dty ttt dtTPTdt=e（t）=VS VP数字调节器的特点是采样一次、计算一次。必数字调节器的特点是采样一次、计算一次。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
34、程表示。第n次采样时：次采样时：1D0Iee11eennnnniiyTTPTT=如果调节器的输出是控制阀门的话，如果调节器的输出是控制阀门的话，yn是对应是对应的阀门开度位置，故上式称为的阀门开度位置，故上式称为“位置型位置型PID”算式。算式。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：如果将上次的输出值如果将上次的输出值yn-1保持住，则只需计算出保持住，则只需计算出本次与上次输出之间的增量本次与上次输出之间的增量yn即可即可 yn=yn-1+yn 1D0Iee11eennnnniiyTTPTT=优点：优点：q输出输出y
35、n仅决定于最近三次的采样值，所需内存仅决定于最近三次的采样值，所需内存不大，运算比较简单。不大，运算比较简单。q每次输出增量值，误动作的影响小，必要时可每次输出增量值，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。的调节效果。q一旦调节器出现故障，停止输出，阀位能保持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。在故障前的状态。Dn112I1y(ee)e(e2ee)nnnnnnTTPTT=为避免理想微分对高频干扰过于敏感，还可将为避免理想微分对高频干扰过于敏感，还可将理想微分改为实际微分。理想微分改为实际微
36、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：DDD()E()1T sY ssTsK=DDD11DDDD(ee)nnnnTTKyyTTTTKK=将此式代替理想将此式代替理想PIDPID中的微分部分，即得实用中的微分部分，即得实用的的PID运算式。运算式。为便于用户编程，为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用为用户提供的是采用面向问题、面向过程的面向问题、面向过程的“自然语言自然语言”编程平台。生编程平台。生产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模块块，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模，以指令命名。使用时将所需运算模块
37、和控制模块块“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功能指令：功能指令：43种种5.单回路数字调节器单回路数字调节器SLPC的用户程序的用户程序（1）基本运算模块）基本运算模块 11个个 有有运算；运算；、E运算（小信号切除点运算（小信号切除点固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值运算；高选、低选；高、低限幅。值运算；高选、低选；高、低限幅。（2）函数运算模块函数运算模块 13个个折线函数、一阶惯性、微分
38、运算、纯滞后运算、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、积算脉冲输化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出。出。（3）条件判断运算模块条件判断运算模块 14个个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、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、信号切换子程序块、比较指令、信号切换（4）运算寄存器位移指令运算寄存器位移指令 CHG ROD（5）控制模块控制模块 3种种基本控制模块基本控制模块BSC内含内含1个调节单元个调节单元CNT1，相当于相当
39、于模拟仪表中的模拟仪表中的1台台PID调节器，其功能调节器，其功能框图如右图所示。框图如右图所示。串级控制模块串级控制模块CSC 内含两个调节单元内含两个调节单元CNT1和和CNT2，根据串级开关状态，根据串级开关状态，CNT2可接受可接受CNT1的输出作为的输出作为设定信号，组成双回路串级设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另控制系统，也可直接接受另一设定信号一设定信号SV2，实现副回路实现副回路的单独控制。的单独控制。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。
40、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4.5 PLC系统原理简介系统原理简介1.概述概述 发展沿革发展沿革 在在PLC之前，继电器控制系统已广泛应用于工业生产的各领域，但其固定之前，继电器控制系统已广泛应用于工业生产的各领域，但其固定性迫切要求性迫切要求“革新革新”。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。制造一种新
41、型的工业控制装置。自自1969年美国研制出了第一台可编程序控制器以来，随着微电子技术和计年美国研制出了第一台可编程序控制器以来，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展。有人称其为现代算机技术的迅猛发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展。有人称其为现代工业控制的三大支柱之一。工业控制的三大支柱之一。初期，可编程序控制器主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思初期，可编程序控制器主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但实际上只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称想，但实际上只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programma
42、ble Logic Controller)。现在，随着它的发展和功能的扩大，现在，随着它的发展和功能的扩大，已把中间的逻辑两字删除了，但基于习惯。也为了避免与个人计算机已把中间的逻辑两字删除了，但基于习惯。也为了避免与个人计算机PC混淆，混淆，所以仍称为所以仍称为PLC。可编程序控制器的出现是基于微计算机技术，用来解决工艺生产中大量的开可编程序控制器的出现是基于微计算机技术，用来解决工艺生产中大量的开关控制问题。与过去的继电器系统相比，它的最大特点是在于可编程序，可通关控制问题。与过去的继电器系统相比，它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律，同时，功能丰富、可靠性强
43、，可组成过改变软件来改变控制方式和逻辑规律，同时，功能丰富、可靠性强，可组成集中分散系统或纳入局部网络。与通常的微计算机相比，它的优点是语言简单、集中分散系统或纳入局部网络。与通常的微计算机相比，它的优点是语言简单、编程简便、面向用户、面向现场、使用方便。编程简便、面向用户、面向现场、使用方便。PLC的结构形式的结构形式n整体式整体式PLC：又称单元式或箱体式。整体式又称单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、是将电源、CPU、I0部件都集中装在一个部件都集中装在一个机箱内。一般小型机箱内。一般小型PLC采用这种结构。采用这种结构。n模块式模块式PLC：将：将PLC各部分分成若干个单独的模各部分
44、分成若干个单独的模块，如块，如 CPU模块、模块、I0模块、电源模块和各种模块、电源模块和各种功能模块。模块式功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型模块插在插座上。一般大、中型PLC采用模块式采用模块式结构，有的小型结构，有的小型PLC也采用这种结构。也采用这种结构。n叠装式叠装式PLC：有的：有的PLC将整体式和模块式结合起将整体式和模块式结合起来，称为叠装式来，称为叠装式PLC。PLC的特点的特点n优点优点 可靠性高可靠性高(平均无故障时间平均无故障时间3-5万万h)编程简单编程简单通用性强通用性强 体积小、结构紧凑、安装、维护方便体
45、积小、结构紧凑、安装、维护方便n缺点缺点uPLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。各不相同。u编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的因此各公司的 PLC互不兼容。互不兼容。PLC的应用领域的应用领域n开关量的开环控制（传统）n模拟量的闭环控制（PID）n数字量的智能控制n数据采集与监控（SCADA）n网络与分布式控制系统2
46、.PLC的基本组成的基本组成基本组成基本组成PLC的主体由中央处理器CPU、存储系统和输入/输出模块等三部分所组成。n3.PLC的软件的软件 PLC的工作方式的工作方式u PLC采用循环扫描的采用循环扫描的工作方式；工作方式；u 这个过程可分为内部这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理、程序执行、输出处理几个阶段；处理几个阶段；u 整个过程扫描一次所整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周需要的时间称为扫描周期；期；u一个扫描周期一般在毫一个扫描周期一般在毫秒级秒级内部处理程序执行通信服务输入处理输出处理PLC的扫描过程RUNSTOP软件软件 PLC常
47、用的语言常用的语言n编程语言 n梯形图语言梯形图语言n助记符语言助记符语言n高级语言高级语言 PASCAL、BASIC、C、汇编、汇编 等。等。LD X1OR X3AND NOT X2OUT Y30LD X3OUT Y31例：某水罐液位控制u 如果手动启动（X1）或液位低（X3）且液位无高报警（X2）；则上水泵电机（Y30）运行。u如果液位低（X3），缺水报警指示灯（Y31）亮。常闭触头常闭触头1000不动作，不动作，常开触头常开触头1001闭合，闭合，继电器线圈继电器线圈3000通电通电常闭触头常闭触头1000、1003不动作，不动作，常开触头常开触头1001、1004、3000闭合，闭合，
48、继电器线圈继电器线圈2002通电通电常闭触头常闭触头1003不动作；常开触头不动作；常开触头3000闭合（条件闭合（条件:常闭触头常闭触头1000不动作，不动作，常开触头常开触头1001闭合）；闭合）；继电器线圈继电器线圈2000通电通电继电器线圈继电器线圈2001通电通电条件与上条相同条件与上条相同 语句表语句表 指令功能指令功能LD NOT 1000 （常闭接点（常闭接点1000联母线）联母线）AND 1001 （常开接点（常开接点1001串联母线）串联母线）OUT 3000 （输出（输出3000的状态）的状态）LD 3000 （取（取3000的状态）的状态）AND NOT 1003 （将
49、常闭接点（将常闭接点1003联母线）联母线）OUT 2000 （输出（输出2000的状态）的状态）OUT 2001 （输出（输出2001的状态）的状态）AND 1004 （常开接点（常开接点1004串联母线）串联母线）OUT 2002 （输出（输出2002的状态）的状态）4.6 工业控制计算机（工业控制计算机（IPC）1.概述概述uIPCIPC是在是在PCPC机的基础上经过改进使之能适合工业环境的机的基础上经过改进使之能适合工业环境的PCPC机。机。uIPCIPC配有各种过程输入配有各种过程输入/出接口板出接口板(卡、模块卡、模块)和相应的工业应用和相应的工业应用软件，具有良好的开放性、安全性
50、、灵活性和可联网性。软件，具有良好的开放性、安全性、灵活性和可联网性。u其突出优点是：非常强的计算处理能力，标准化总线，丰富的其突出优点是：非常强的计算处理能力，标准化总线，丰富的图形显示及多媒体功能，丰富操作系统支持和网络支持。图形显示及多媒体功能，丰富操作系统支持和网络支持。n目前目前IPCIPC已进入工业控制的各个层次，包括控制层、监控层、调度已进入工业控制的各个层次，包括控制层、监控层、调度层、管理层和决策层。层、管理层和决策层。n几乎所有大型几乎所有大型PLCPLC应用中都以应用中都以IPCIPC作为操作员接口。作为操作员接口。n在大部分在大部分DCSDCS中，中，IPCIPC用作操
