过程控制仪表第5章数字调节器

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1、1第5章数字调节器本章主要内容：数字调节器的基本构成模拟量输入/输出通道数字式PID调节器PID参数自整定调节器常用数字式PID调节器5.1数字式控制器的基本构成模拟式调节器的局限性越来越明显：1）功能单一，灵活性差；2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；3）接线过多，系统维护难度大。数字式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/机接口电路以及通信接口电路等构成。1.数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路（1）主机电路主要由微处理器CPU、只读存储器ROM和EPROM、随机存储器RAM、定时/计数器CTC以及输入/输出接

2、口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。（2）过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样/保持器和A/D转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。（3）过程输出通道主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由D/A转换器、多路模拟开关输出保持器和V/I转换器等组成，其作用是将数字信号转换为1～5V模拟电压或4～20mA模拟电流信号。开关量输出通道则通

3、过输出缓冲器输出开关量信号，以便控制继电器触点或无触点开关等。（4）人/机联系部件主要包括显示仪表或显示器、手动操作装置等，它们被分别置于数字式控制器的正面和侧面。正面的设置与常规模拟式控制器相似，有测量值和设定值显示表、输出电流显示表、运行状态切换按钮、设定值增/减按钮、手动操作按钮等。侧面则有设置和指示各种参数的键盘、显示器等。（5）通信部件主要包括通信接口、发送和接收电路等。通信接口将发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，由发送电路送往外部通信线路，再由接收电路接收并将其转换成计算机能接收的数据。数字通信大多采用串行方式。（1）系统管理软件主要

4、包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。（2）用户应用软件用户应用软件由用户自行编制，采用POL(面向过程语言)编程，因而设计简单、操作方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。2.数字式控制器的软件75.2模拟量输入/输出通道模拟量输入通道1、分类：从接受电信

5、号的电平分：高电平和低电平输入通道；从抗干扰性能角度分：非隔离型和隔离型高抗干扰输入通道；从结构上可按共用一个放大器或A/D转换器及不共用多种组合。8（1）共用一个采样/保持器（S/H）和A/D转换器的高电平模拟量输入通道（如下图所示）。9（2）各通道分用采样／保持器，共用A/D转换器的模拟量输入通道（如下图所示）10二、模拟量输出通道在数字调节器中，运算处理后得到的控制信号仍是数字量，需经模拟量输出通道变换为能直接驱动执行器的信号。进行闭环连续控制的执行器大致有以下几类：1）由伺服马达驱动的电动执行器。2）由电／气转换器驱动的气动执行器。3）由步进电

6、动机驱动的电动执行器。4）控制电加热系统的晶闸管。输出通道根据所用D/A转换器的情况可有两种形式。11①多个输出通道共用一个D/A转换器，其结构示意图如下图所示。12②每个通道各用一个D/A转换器，其结构如下图所示。13一、数字式调节器控制规律的实现5.3数字式PID调节器DDZ-Ⅲ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行离散化后方可应用于数字式调节器。控制算法：基本PID算法改进

7、PID算法实现形式：位置型、增量型、速度型和偏差型14二、数字调节器的设计方法数字调节器控制算法的设计有模拟化设计方法和数字化设计方法两种。数字调节器的模拟化设计方法是基于将数字控制系统看一个连续系统，如下图所示。15直接数字化设计是设计数字调节器的另一种方法，它是将计算机控制系统看成一个离散系统，如下图所示。它实际上是通过零阶保持器和采样器将连续对象离散化了。利用离散系统理论，可以根据系统性能指标要求直接求出数字控制器的离散算法D（Z）。16三、PID控制算式（一）PID控制算式的基本形式数字调节中的PID控制算式是将PID的模拟表达式进行离散化而得

8、到的。PID的模拟表达式为式中p——调节器的输出信号；e——调节器的偏差输入信号，是测量值m与