第04章-自动控制器教材课件

化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化1第第4 4章章 控制器控制器 概述概述概述概述 模拟调节器模拟调节器模拟调节器模拟调节器数字控制器数字控制器数字控制器数字控制器化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化2概述概述概述概述 控控控控制制制制器器器器的的的的作作作作用用用用是是是是将将将将被被被被控控控控变变变变量量量量测测测测量量量量值值值值与与与与结结结结定定定定值值值值进进进进行行行行比比比比较较较较，然然然然后后后后对对对对比比比比较较较较后后后后得得得得到到到到的的的的偏偏偏偏差差差差进进进进行行行行比比比比例例例例、积积积积分分分分、微微微微分分分分等等等等运运运运算算算算，并并并并将将将将运运运运算算算算结结结结果果果果以以以以一一一一定定定定的的的的信信信信号号号号形形形形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。模拟调节器（控制算法由电路实现）模拟调节器（控制算法由电路实现）模拟调节器（控制算法由电路实现）模拟调节器（控制算法由电路实现）数字控制器（含数字控制器（含数字控制器（含数字控制器（含CPUCPUCPUCPU，控制算法由程序实现），控制算法由程序实现），控制算法由程序实现），控制算法由程序实现）一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：偏差指示偏差指示偏差指示偏差指示 指示偏差信号指示偏差信号指示偏差信号指示偏差信号模拟调节器模拟调节器模拟调节器模拟调节器指针式表头指针式表头指针式表头指针式表头全全全全刻刻刻刻度度度度指指指指示示示示：输输输输入入入入信信信信号号号号和和和和设设设设定定定定值值值值分分分分别别别别由由由由不不不不同同同同的的的的指指指指针针针针在在在在0 0 0 0100100100100范围指示范围指示范围指示范围指示偏差值指示偏差值指示偏差值指示偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号：仅利用一个指针来指示偏差信号：仅利用一个指针来指示偏差信号：仅利用一个指针来指示偏差信号30303030数字控制器数字控制器数字控制器数字控制器通过通过通过通过LEDLEDLEDLED或者液晶屏显示或者液晶屏显示或者液晶屏显示或者液晶屏显示化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化3 输出显示输出显示输出显示输出显示 显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择内、外给定的选择内、外给定的选择内、外给定的选择给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供 内给定的调整内给定的调整内给定的调整内给定的调整 若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值正、反作用的选择正、反作用的选择正、反作用的选择正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？何谓正作用？何谓反作用？何谓正作用？何谓反作用？何谓正作用？何谓反作用？为为为为了了了了构构构构成成成成一一一一个个个个负负负负反反反反馈馈馈馈控控控控制制制制系系系系统统统统，必必必必须须须须正正正正确确确确的的的的确确确确定定定定调调调调节节节节器器器器的的的的正正正正、反反反反作作作作用用用用，否否否否则则则则整整整整个个个个控控控控制制制制系系系系统统统统就就就就无无无无法法法法正正正正常常常常运运运运行行行行。调调调调节节节节器器器器的的的的正正正正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。反作用，是通过正、反作用开关来选择的。反作用，是通过正、反作用开关来选择的。反作用，是通过正、反作用开关来选择的。手手手手/自动双向切换自动双向切换自动双向切换自动双向切换何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？手动操作手动操作手动操作手动操作 可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出 无扰动切换无扰动切换无扰动切换无扰动切换 手手手手自自自自动动动动切切切切换换换换时时时时都都都都希希希希望望望望不不不不给给给给控控控控制制制制系系系系统统统统带带带带来来来来扰扰扰扰动动动动，即即即即调调调调节节节节器器器器的的的的输输输输出出出出信信信信号号号号不发生突变（即必须要求无扰动切换）不发生突变（即必须要求无扰动切换）不发生突变（即必须要求无扰动切换）不发生突变（即必须要求无扰动切换）KpKpKpKp/Ti/Td/Ti/Td/Ti/Td/Ti/Td的设置的设置的设置的设置 改变控制器的特性改变控制器的特性改变控制器的特性改变控制器的特性化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化4调节器的初步认识调节器的初步认识调节器的初步认识调节器的初步认识12345667图4-2 DDZIII型调节器正面图1位号牌 2内外给定指示 3内给定设定拨盘4-A/M/H切换 5阀位表 6软手动操作扳键7双针全刻度指示表化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化5DDZII型仪表（包括调节器调节器）DDZ一III型仪表（包括调节器调节器）III型仪表优点 电 源 220VAC 24VDC集中供电 可用24VDC蓄电池作备用电源仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。防 爆 隔离防爆 本安型防爆（安全火花型）故障状态：电流小于35mA，电压小于35VDC，可带电维修。输出信号 010mA 420mA 电气零点从4 mA开始，不与机械零点重合，容易识别断电、断线等故障。只要改变转换电阻阻值，便可接收其他电流信号，例如将10 50mA等直流电流信号转换为l5V信号。因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。变送器与调节器用两线联接，既节省电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。输入信号 010mA 420mA15V 元器件 分离元件（电阻、电容、晶体管）集成电路（运放电路）由于集成运放均为差分放大器，且输人对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运放有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。指示表头 单针偏差指示（030%）有双针全刻度大表头指示（0100%）分别指示测量值（红针）、给定值（黑针）当仪表置于“内给定”：设定值由黑针指示。手动方式 硬手动 硬手动、软手动 硬手动输出与拨盘数值直接对应软手动同时按下软手动操作板键6，调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小；若手离开操作极键则当时的信号值就被保持通常都是用软手动操作板键进行手动操作，这样控制比较平稳精细，只有当需要给出恒定不变的操作信号（例如，阀的开度要求长时间不变）或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下，才使用硬手动操作。手自动切换 预平衡 无平衡、无扰动“自 动”“软手动”切换是双向无平衡无扰动“硬手动”“软手动”切换是无平衡无扰动“硬手动”“自 动”切换是无平衡无扰动“软手动”“硬手动”切换是预平衡无扰动预平衡无扰动“自 动”“硬手动”切换是预平衡无扰动预平衡无扰动 其 它 正反作用切换（操作点：调节器内部）PID参数设置（操作点：调节器内部）二者基本相同 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化6DDZDDZDDZDDZ型电动调节器简介型电动调节器简介型电动调节器简介型电动调节器简介 DDZDDZDDZDDZ型调节器的基本性能型调节器的基本性能型调节器的基本性能型调节器的基本性能 参见教材参见教材参见教材参见教材DDZDDZDDZDDZ型调节器的基本组成型调节器的基本组成型调节器的基本组成型调节器的基本组成 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化74.2 数字式调节器数字式调节器定程序调节器定程序调节器 可编程调节器可编程调节器 混合调节器混合调节器批量调节器批量调节器数字式调节器类型数字式调节器类型：化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化84.2.1.4.2.1.数字调节器的特点数字调节器的特点数字调节器的特点数字调节器的特点 实现了模拟仪表与计算机一体化实现了模拟仪表与计算机一体化实现了模拟仪表与计算机一体化实现了模拟仪表与计算机一体化 将将将将CPUCPUCPUCPU引入控制器，使其功能得到了很大的引入控制器，使其功能得到了很大的引入控制器，使其功能得到了很大的引入控制器，使其功能得到了很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强运算控制功能强运算控制功能强运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一，一，一，一台数字控制器既可实现简单台数字控制器既可实现简单台数字控制器既可实现简单台数字控制器既可实现简单PIDPIDPIDPID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。能。能。能。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化94.2.1.4.2.1.数字调节器的特点数字调节器的特点数字调节器的特点数字调节器的特点 具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性 尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（输出均采用国际统一标准信号（输出均采用国际统一标准信号（输出均采用国际统一标准信号（4 4 4 420mADC20mADC20mADC20mADC，1 1 1 15VDC5VDC5VDC5VDC），），），），可以方便地与可以方便地与可以方便地与可以方便地与DDZDDZDDZDDZIIIIIIIIIIII型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。具有通讯功能，便于系统扩展具有通讯功能，便于系统扩展具有通讯功能，便于系统扩展具有通讯功能，便于系统扩展 数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成DCSDCSDCSDCS控制系统。数字控制器与控制系统。数字控制器与控制系统。数字控制器与控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PIDPIDPIDPID参数及参数及参数及参数及输入输入输入输入/输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。预，如工作状态的变更，参数的修改等。预，如工作状态的变更，参数的修改等。预，如工作状态的变更，参数的修改等。可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。时发现故障并采取保护措施。时发现故障并采取保护措施。时发现故障并采取保护措施。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化104.2.2.4.2.2.数字调节器构成原理数字调节器构成原理数字调节器构成原理数字调节器构成原理 以微处理器（以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路为核心构成的硬件电路由系统程序、用户程序构成的软件由系统程序、用户程序构成的软件数字调节器的主要功能由软件决定数字调节器的主要功能由软件决定数字调节器的主要功能由软件决定数字调节器的主要功能由软件决定模拟调节器：硬件决定一切，功能单一模拟调节器：硬件决定一切，功能单一模拟调节器：硬件决定一切，功能单一模拟调节器：硬件决定一切，功能单一化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化11 硬件部分硬件部分硬件部分硬件部分 数字式调节器的硬件电路构成框图数字式调节器的硬件电路构成框图化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化12主机电路主机电路主机电路主机电路ROM存放系存放系统程序。程序。EPROM存放用存放用户程序程序.RAM 存放存放输入数据、入数据、显示数据、运算的中示数据、运算的中间值、结果果CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等的定时功能用来确定调节器的采样周期等等 多为单片机多为单片机 是数字式调节器的核心，用于实现仪表数是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。据运算处理，各组成部分之间的管理。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化13 过程输入通道过程输入通道过程输入通道过程输入通道 将多个模拟量输入信号分别转换为将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。所接受的数字量。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用 AD转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。利用利用DA转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输入通道开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与与“0”这类两种状态的信号这类两种状态的信号开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。开关量输入通道开关量输入通道开关量输入通道开关量输入通道化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化14 过程输出通道过程输出通道过程输出通道过程输出通道 依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换D/A转换器起数模转换作用。转换器起数模转换作用。VI转换器将转换器将15V的模拟电压信号转换成的模拟电压信号转换成420mA的电流信号。的电流信号。模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输 开关量输出通道开关量输出通道开关量输出通道开关量输出通道 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化15HMI(Human Machine Interface)HMI(Human Machine Interface)正面板：正面板：测量值和给定值显示器测量值和给定值显示器输出电流显示器输出电流显示器运行状态（自动串级手动）切换按钮运行状态（自动串级手动）切换按钮给定值增减按钮和手动操作按钮等给定值增减按钮和手动操作按钮等状态显示灯状态显示灯侧面板：侧面板：有设置和指示各种参数的键盘、显示器有设置和指示各种参数的键盘、显示器 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化16通信接口电路通信接口电路通信接口电路通信接口电路 主要有主要有 以位并以位并行、字行、字节串行节串行 位串行，即位串行，即一次传送一一次传送一位，连续传位，连续传送送 功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。转换成能被计算机接受的数据。并行并行 和和 串行两种串行两种 工业控制网络及仪表的通信方式工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用基本上都采用：串行通信串行通信串行通信串行通信 原因原因：实施方便实施方便成本低成本低适于远距离传输适于远距离传输 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化17软件部分软件部分软件部分软件部分系统程序系统程序:系统程序是调节器软件的主体部分系统程序是调节器软件的主体部分通常由通常由监控程序监控程序 和和功能模块功能模块两部分组成两部分组成 。数字式调节器的软件分为数字式调节器的软件分为系统程序系统程序系统程序系统程序和和用户程序用户程序用户程序用户程序两大部分两大部分 用户程序用户程序:用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。则连接起来的结果。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化18 监控程序监控程序监控程序监控程序 系统初始化系统初始化系统初始化系统初始化 中断管理中断管理中断管理中断管理 自诊断处理自诊断处理自诊断处理自诊断处理 键处理键处理键处理键处理 定时处理定时处理定时处理定时处理 通信处理通信处理通信处理通信处理掉电处理掉电处理掉电处理掉电处理 运行状态控制运行状态控制运行状态控制运行状态控制 一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。间的管理。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化19 功能模块功能模块功能模块功能模块 数据传送数据传送数据传送数据传送用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的功能。序，使调节器实现用户所规定的功能。调节器提供的功能模块主要有调节器提供的功能模块主要有 PIDPID运算运算运算运算 四则运算四则运算四则运算四则运算 逻辑运算逻辑运算逻辑运算逻辑运算 开平方运算开平方运算开平方运算开平方运算 取绝对值运算取绝对值运算取绝对值运算取绝对值运算 脉冲输入计数与积算脉冲输出脉冲输入计数与积算脉冲输出脉冲输入计数与积算脉冲输出脉冲输入计数与积算脉冲输出 高值选择和低值选择高值选择和低值选择高值选择和低值选择高值选择和低值选择 上限幅和上限幅上限幅和上限幅上限幅和上限幅上限幅和上限幅 折线逼近法函数运算折线逼近法函数运算折线逼近法函数运算折线逼近法函数运算 一阶惯性滞后处理一阶惯性滞后处理一阶惯性滞后处理一阶惯性滞后处理 纯滞后处理纯滞后处理纯滞后处理纯滞后处理 移动平均值运算移动平均值运算移动平均值运算移动平均值运算 控制方式切换控制方式切换控制方式切换控制方式切换输入、输出以及基本传送命令输入、输出以及基本传送命令输入、输出以及基本传送命令输入、输出以及基本传送命令基本功能基本功能基本功能基本功能如：流量积算如：流量积算如：流量积算如：流量积算选择性控制选择性控制选择性控制选择性控制如热电偶信号的线性化等等如热电偶信号的线性化等等如热电偶信号的线性化等等如热电偶信号的线性化等等 输入信号的软件滤波输入信号的软件滤波输入信号的软件滤波输入信号的软件滤波 均值计算均值计算均值计算均值计算 手自动切换手自动切换手自动切换手自动切换化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化20 用户程序用户程序用户程序用户程序 用户程序的编程通常采用面向过程用户程序的编程通常采用面向过程POL语言语言(Procedure-Oriented Language)。编程方式简单易学。编程方式简单易学。用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程也称为功能。用户程序的编制过程也称为“组态组态”。调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在在线线”和和“离线离线”两种编程方法。两种编程方法。专用编程器专用编程器专用编程器专用编程器 组态组态组态组态 用户程序写入用户程序写入用户程序写入用户程序写入EPROM EPROM EPROM EPROM安装到数字调节器上安装到数字调节器上安装到数字调节器上安装到数字调节器上化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化21特点总结特点总结运算控制功能强运算控制功能强运算控制功能强运算控制功能强 通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能 带有自诊断功能带有自诊断功能带有自诊断功能带有自诊断功能 带有数字通讯功能带有数字通讯功能带有数字通讯功能带有数字通讯功能 具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性 保持常规模拟式调节器的操作方式保持常规模拟式调节器的操作方式保持常规模拟式调节器的操作方式保持常规模拟式调节器的操作方式 In ShortIn Short ：简单易学，功能介于常规模拟调节器和计简单易学，功能介于常规模拟调节器和计简单易学，功能介于常规模拟调节器和计简单易学，功能介于常规模拟调节器和计算机控制系统之间算机控制系统之间算机控制系统之间算机控制系统之间化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化22 近年来，随着数字计算机技术的飞速发展，使过程控制仪表及控制系统发生了深刻的变化，出现了各种以数字计算机为核心的新型过程控制仪表，并由此构建了新型数字控制系统，在过程控制中发挥了巨大作用。SLPC是日本横河电机株式会社1980年推出的YS-80系列中的一个代表产品。西安仪表厂自1985年引进生产YS-80系列产品，现已大量生产，国内有广泛的应用。YS-80系列中的代表产品是SLPC可编程单回路控制器，它有5个模拟量输入和3个模拟量输出，6个输入/输出状态点。可进行算术运算、逻辑运算和多种控制功能。它不仅可以独立的构成各种规模的控制系统，还可与DDZ型仪表混合使用。同时，带有通信接口的调节器可方便地与集散系统YEW PACK或CENTUM相联，作为集散控制系统中的过程控制单元。2.3.2.SLPC可编程调节器概述可编程调节器概述化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化23 1、SLPC的硬件结构的硬件结构 下图是SLPC的硬件结构图。其主要组成部分如下：（1）主机电路 主机电路主要由CPU、ROM、RAM、D/A转换器和定时器组成。SLPC*E中的CPU采用8位微处理器8085A，时钟频率达到10MHZ。系统ROM采用1片27256型EPROM存储器，能提供32KB的存储空间用于存放系统管理程序和各种功能模块。用户ROM为一片具有2KB存储空间的EPROM存储器。RAM是具有8KB容量的低功耗存储器。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化24 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化25（2）模拟量输入/输出电路 SLPC*E共有5个模拟量输入端口X1X5，可同时接受5路直流信号。输入信号先由RC滤波缓冲，经多路选择开关、A/D转换后，存入系统RAM中。有三路模拟量输出Y1、Y2、Y3。其中只有Y1输出是120mA直流电流信号，可推动执行器工作。另两路输出Y2、Y3为15V直流电压信号。输出电流表指示Y1的数值。（3）状态输入/输出电路 SLPC*E共有6个状态输入/输出端子，采用脉冲变压器进行电路隔离。各状态端子可以通过编程方式指定输入、输出用途，缺省时指定13号端子为输入DIO1DI03，46号端子为输入DOO1DO03。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化26（4）故障处理电路和报警输出电路 SLPC*E具有自诊断功能，能自动监视和诊断控制器的运行状态，并通过正面板的指示灯FAIL、ALM进行报警。报警内容可使用侧面板上的CHECK键和ALARM键显示 当有重大异常现象发生而使控制器无法继续工作时，就点亮指示灯FAIL和输出报警接点信号。同时，保持输出状态不变，控制方式自动切换到手动方式，指示表及操作电流输出切换到后备电路，允许手动增减输出电流。ALM指示灯亮表示有不影响仪表正常工作。（5）显示器键盘和通信接口电路 对侧面板的显示器与键盘的控制采用专用键盘/显示接口芯片以动态扫描方式进行。串行输入、输出信号经光电耦合元件隔离后与上位系统进行通信。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化27（6）电源电路 外部供电的电源，不管是直流电源还是交流电源，都由同一组电源线接入。SLPC有两种电源规格供选用100V或220V。每一种规格都可随意用规定范围内的直流或交流电源，不需在调节器上进行DC/AC电源切换操作。2、SLPC的功能模块的功能模块 SLPC具有46种功能模块，能完成复杂的函数运算和控制功能。其中包括：数据传送模块、基本运算模块、带编号运算模块、逻辑功能模块、控制功能模块。其功能如下（控制功能未列出）：化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化28序号 运算模块运算符号 功能1输入LD将其它寄存器的数据取入S1中 2输出ST将S1中的数据传送到其它寄存器中 3S寄存器交换 CHGS1与S2中的数据交换 4S寄存器旋转 ROTS1内的数据进入S5中，S2S5中的数据依次上推到S1S4（1）数据传送模块化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化29序号运算模块运算符号功能1四则运算+对S1、S2中的数据进行四则运算，结果存入S1中2开平方运算SQT或将S1中的数据开平方后存入S1，S2S5的内容不变 3可变切除点的开平方运算 SQT或低值切除点可变的开平方运算 4绝对值运算ABS将S1中的数据取绝对值后送入S1中 5选择运算HSL高选择；LSL低选择 从S1、S2中的数据分别选取高值或低值，结果存入S1中 6限幅运算 HLM高限幅；LLM低限幅 将S2中的变量幅值限制在S1寄存器规定的上、下限范围之内（2）基本运算模块化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化30（3）带编号运算模块）带编号运算模块 SLPC的运算模块可以分为两类：一类是没有使用次数限制的基本运算模块，另一类是有使用次数限制的带编号运算模块。带编号运算模块由于运算时需要过去的数据，必须在系统中开设专用的存储区域，占用一定的内存空间，所以对它的使用次数加以限制。为了区别于基本运算模块，称它为带编号运算模块。一般一种模块在用户程序只能使用一次，而且，不同编号的功能模块最多可用3次。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化31序号运算模块运算符号功能110折线函数运算 FX1、FX2 将S1中的数据经10折线函数变换后，运算结果存入S1中 2任意折线函数FX3、FX4 将S1中的数据经任意折线函数变换后，运算结果存入S1中3一阶惯性运算 LAGn n=18 对输入变量进行一阶惯性运算 4微分运算LEDn n=13 对输入变量进行一阶微分运算 5纯滞后运算 DEDn n=13 对输入变量进行延迟作用。运算前，S2存放输入变量，S1存放延迟时间，运算结果存入S1中。6变化率运算VELn n=13 对输入变量在一定时间间隔内的变化幅度进行运算 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化32序号运算模块运算符号功能7移动平均运算 MAVn n=13 应用纯滞后运算，对当前值和前19个输入值相加后取平均值 8变化率限幅变化率限幅 VLMn n=16 限制输出的变化率幅度，以减少对过程的冲击影响 9状态变化检出 CCDn n=18 检测输入状态的正跳变情况 10定时器 TIMn n=14 用于累计动作的执行时间 11程序设定 PGM1 这是一种时间函数发生器，能按一定的时间变化规律得到输出值 12脉冲计数器 PICn n=14 当输入值在相邻两个控制周期内由0变为1时，计数器进行加1计数 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化33序号运算模块运算符号功能13积算脉冲输出 CPOn n=1、2 对输入变量进行累计运算14上、下限报警上、下限报警 HALn n=14上限报警；LALn n=14下限报警 上、下限报警 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化34序号运算模块运算符号功能1逻辑运算与、或、非、异或 AND或OR、非NOT异或 EOR 对存放在S1、S2中的两个量进行相应的逻辑运算 2无条件转移 Gonn 无条件地转移到nn程序号 3条件转移 GIFnn 当S1的内容为1时，程序转移到nn步 4比较 CMP 比较S1、S2的内容，结果存入S1中 5信号切换 SW 根据信号对两个输入值进行切换 6子程序调用 GO SUBnn 无条件地转移到nn子程序（4）逻辑功能模块化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化35序号运算模块运算符号功能子程序条件调用 GIF SUBnn 当S1的内容为1时，程序转移到nn（130）子程序 程序结束程序结束 END 用户程序结束 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化36 三、三、SLPC的结构认识的结构认识（一）各部分结构和功能认识（一）各部分结构和功能认识1、正面板、正面板（1）FAIL指示灯：调节器异常时点亮。指示灯：调节器异常时点亮。（2）ALM指示灯：报警功能发生作用时点亮。数据保护用电池的电压指示灯：报警功能发生作用时点亮。数据保护用电池的电压过低时闪光。过低时闪光。（3）测定值指针：指示控制功能的测定值。）测定值指针：指示控制功能的测定值。（4）给定值指针：指示控制功能的给定值。）给定值指针：指示控制功能的给定值。（5）给定值调整键：调整控制功能的给定值。）给定值调整键：调整控制功能的给定值。运转方式为运转方式为A或或M时，可进行调整。时，可进行调整。给定值：给定值：键操作时，给定值增加。键操作时，给定值增加。键操作时，给定值减少。（同进操作时，给定值停止。）键操作时，给定值减少。（同进操作时，给定值停止。）化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化37（6）CAM运转方式切换开关运转方式切换开关 通过操作相应的按键，选择符合要求的运转方式。指示灯点亮。通过操作相应的按键，选择符合要求的运转方式。指示灯点亮。C方式：自动控制。给定值用运算功能或通信数据给定。方式：自动控制。给定值用运算功能或通信数据给定。A方式：自动控制。给定值用方式：自动控制。给定值用SET按钮开关给定。按钮开关给定。M方式：手动操作。可以用手动操作杆增减操作信号。方式：手动操作。可以用手动操作杆增减操作信号。（7）输出指示表：指示电流输出信号。）输出指示表：指示电流输出信号。左端：左端：4mA DC；右端：右端：20mA DC；（8）手动操作杆：调整控制功能的操作信号。）手动操作杆：调整控制功能的操作信号。在在M运转方式时间可以调整。运转方式时间可以调整。操作：将操作杆推至左侧时，信号减少。将操作杆推至右侧时，信号增操作：将操作杆推至左侧时，信号减少。将操作杆推至右侧时，信号增加。加。微调整：如果将操作杆从中间位置瞬时向微调整：如果将操作杆从中间位置瞬时向，操作，则操作信号每次操作，则操作信号每次移动移动0.1%。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化38 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化39 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化40（9）可编程功能键（）可编程功能键（PF键）键）按压此键，则仪表由状态输入动作（由用户程序定义）。按压此键，则仪表由状态输入动作（由用户程序定义）。（10）PF指示灯指示灯 按用户程序定义，可进行点灯按用户程序定义，可进行点灯/消灯操作。消灯操作。2、整定盘的名称和功能、整定盘的名称和功能 参数给定和数据监视用整定盘，安装在仪表右侧面参数给定和数据监视用整定盘，安装在仪表右侧面（1）显示器 显示用键盘选择的数据类型缩写（TYPE）和数值（DATA）。显示实例 编号（N）（2）键盘 在调出给定的参数、监视的数据及变更给定时使用。（3）TUNING开关 决定键盘的TUNING按钮开关（）功能的禁止/许可ENABLE：给定变量 许可INHIBIT：给定变量 禁止化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化41 整定盘化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化42（4）ACTION开关 给定控制动作的正（DIR）/反（RIV）动作。（5）ROM插口 安装写入用户程序的ROM。如果将插口锁定器顺时针旋转并紧固，由ROM被固定在安装位置；反之，如果反时针旋转，则ROM从安装位置上解脱。（6）PROGAMMER 是为了连接SPRG编程器电缆的端子。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化43 3、背面板结构、背面板结构化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化44 SLPC*E的端子配线表化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化452.3.3.SLPC可编程调节器应用可编程调节器应用 SLPC可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器具有基本具有基本PID、串级、选择、非线性、采样串级、选择、非线性、采样PI、批量批量PID等控制功能等控制功能具有自整定功能，可使具有自整定功能，可使PID参数实现最佳整定参数实现最佳整定具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示 用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节器具有规定的控制运算功能。器具有规定的控制运算功能。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化462.3.3.1 SLPC的主要性能的主要性能模拟量输入模拟量输入 15V（DC）5点。点。模拟量输出模拟量输出 15V（DC）2点，点，负载电阻负载电阻3k。420mA（DC）1点，点，负载电阻负载电阻=0 750。数字量输入数字量输入数字量输入数字量输入 接点或电压电平接点或电压电平 与数字量输出与数字量输出6点共用。点共用。数字量输出数字量输出 晶体管接点。晶体管接点。故障状态输出故障状态输出 晶体管接点晶体管接点1点。点。运算周期运算周期 0.2s和和0.1s。比比 例例 度度 6.3 999.9 积分时间积分时间 1 9999s微分时间微分时间 0 9999s控制功能控制功能 基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。控制算法控制算法 标准标准PID；采样值采样值PI；批量批量PID供电电源供电电源 交直流两种（交直流两种（100V规格和规格和200V规格）规格）化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化47 2.3.3.2.SLPC的硬件电路的硬件电路 指示指示指示指示HMIHMIA/MA/MAOAO通信接口通信接口通信接口通信接口主机主机部分部分AIAIDIDI、DODOReturn化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化48 (1)主机部分主机部分 CPU采用采用8085AHC，时钟频率为时钟频率为10MHz。ROM分为系统分为系统ROM和用户和用户ROM系统系统ROM：两片两片27256型型EPROM（每片每片32KB）用于存放监控程序和各种功能模块；用于存放监控程序和各种功能模块；用户用户ROM：一片一片2716型型EPROM（2KB）用于存放用户程序。用于存放用户程序。RAM采用两片采用两片PD4464C低功耗低功耗CMOS存储器，存储器，8KB。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化49 (2)AI SLPC调节器有调节器有5个模拟量输入通道。关键点：个模拟量输入通道。关键点：2点点X1输入通道具有备用方式输入通道具有备用方式，正常工作时的信息途径之外，发生故障，正常工作时的信息途径之外，发生故障时，进行测量值指示时，进行测量值指示。A/D转换器：是利用高速转换器：是利用高速12位位D/A转换器和比较器实现的转换器和比较器实现的X1经经RC滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被滤波后分为两路，一路经输入多路开关接到比较器，被A/D转换后进入转换后进入CPU(正常的信息途径正常的信息途径)。一路经电压跟随器送到故障一路经电压跟随器送到故障PV开关。开关。CPU正常时，指示器接受的是由正常时，指示器接受的是由CPU和和DA转换送来的测量信转换送来的测量信号。发生故障时，号。发生故障时，CPU的自检程序或的自检程序或WDT电路发出的故障输出信电路发出的故障输出信号，使故障号，使故障PV开关切换到故障位置，面板上的指示器直接接受从开关切换到故障位置，面板上的指示器直接接受从X1来的信号，进行测量值指示。来的信号，进行测量值指示。注：注：WDT（Watch Dog Timer)是看门狗电路的缩写，看门狗电路主要是预防程序跑死现象，通过处理器定期向看是看门狗电路的缩写，看门狗电路主要是预防程序跑死现象，通过处理器定期向看门狗发出喂狗信号，如果程序跑飞，看门狗会产生复位信号对系统进行复位门狗发出喂狗信号，如果程序跑飞，看门狗会产生复位信号对系统进行复位 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化50 (3)AO3个模拟量输出通道，个模拟量输出通道，Y1为为420mADC电流输出，电流输出，Y2、Y3为为15VDC电压输出电压输出 相互间也不隔离相互间也不隔离。模拟量输出通道中，电流输出具有备用方式。在模拟量输出通道中，电流输出具有备用方式。在CPU正常用工作时，电流输出电路的输入为正常用工作时，电流输出电路的输入为D/A转换器输出的转换器输出的电压；而当电压；而当CPU发生故障时，发生故障时，CPU的自检程序或的自检程序或WDT电电路发出的故障输出信号使电流输出电路被切换成保持状态，路发出的故障输出信号使电流输出电路被切换成保持状态，通过正面板上的板键或按钮就可以在原有输出基础上进行通过正面板上的板键或按钮就可以在原有输出基础上进行软手动操作，增加或减少输出值。软手动操作，增加或减少输出值。X1输入通道和电流输出通道的备用方式，使控输入通道和电流输出通道的备用方式，使控制器在制器在CPU出现故障后不会处于完全瘫痪的状态，出现故障后不会处于完全瘫痪的状态，操作人员可以借助备用方式进行遥控操作，保证生操作人员可以借助备用方式进行遥控操作，保证生产照常进行。因此，在控制系统设计时，应考虑控产照常进行。因此，在控制系统设计时，应考虑控制器这两个备用方式的合理应用。制器这两个备用方式的合理应用。化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化51 (4)开关量输入和输出通道开关量输入和输出通道 SLPC调调节节器器有有六六个个开开关关量量输输入入和和输输出出通通道道，它它们们既既可可以以当作输入也可以当作输出，由使用者设定。当作输入也可以当作输出，由使用者设定。开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离开关量输入输出通道都经过高频变压器隔离 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化52 (5)人机联系部件人机联系部件HMI 正面板的布置类似于模拟式调节器，正面板的布置类似于模拟式调节器，显示器可显示主被控变量的测量值、给显示器可显示主被控变量的测量值、给定值，调节器输出值，故障显示灯和报定值，调节器输出值，故障显示灯和报警灯警灯 侧面板有触摸式键盘和数字显示器，侧面板有触摸式键盘和数字显示器，用以显示或修改输入、输出数据、用以显示或修改输入、输出数据、PID参数和其他数据，显示的项目由键操参数和其他数据，显示的项目由键操作来选择作来选择 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化53 (6)通信接口电路通信接口电路 采用半双工、串行异步通讯方式采用半双工、串行异步通讯方式甲甲 乙乙 单工单工甲甲 乙乙 双工双工甲甲 乙乙 半双工半双工 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化54 2.3.3.3.SLPC的软件部分的软件部分 包括系统程序和功能模块:系统程序用于保证整个调节器正常运行，这部分用户是不能调用的 功能模块提供了各种功能，用户可以根据需要选用，以构成用户程序，功能模块以指令形式提供 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化55 指令指令指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是指令对各种寄存器进行操作，寄存器实际上是对应于随机读写存储器对应于随机读写存储器RAM中各个不同的存储中各个不同的存储单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义单元，只是为了使用和表示方便，才特地定义了不同的名称和符号了不同的名称和符号 指令都与五个运算寄存器指令都与五个运算寄存器S1S5有关。有关。五个运算寄存器以堆栈方式构成五个运算寄存器以堆栈方式构成.化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化56 运算寄存器结构示意图运算寄存器结构示意图A/B/C/D/E分别对应分别对应S1S5的内容的内容EDCBAS5S4S3S2S1运算前运算前+CCBAX1+X2LD X1DCBAX1 X1LD X2CBAX1X2 X1ST Y1CCBAX1+X2 Y1化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化57 指令类型指令类型 1、信号读取指令、信号读取指令LD用于把数据用于把数据S1 2、信号存储指令、信号存储指令ST用于把用于把S1中的数据中的数据有关寄存器有关寄存器 3、程序结束指令、程序结束指令END将控制无条件地转移出用户程将控制无条件地转移出用户程 序，结束本控制周期内的一切运算序，结束本控制周期内的一切运算 指令有指令有4 4种类型种类型 基本运算基本运算+、-、等等 带设备编号的运算带设备编号的运算 十段折线函数运算十段折线函数运算等等 条件判断条件判断 上下限报警、逻辑运算、转移跳转上下限报警、逻辑运算、转移跳转等等 寄存器移位寄存器移位 S寄存器交换、寄存器交换、S寄存器循环移位寄存器循环移位 控制功能控制功能 BSC、CSC、SSC 4、功能指令、功能指令完成各种指定功能完成各种指定功能以下着重介绍控制功能指令以下着重介绍控制功能指令 化工自动化化工自动化化工自动化化工自动化58控制功能指令的基本功能控制功能指令的基本功能 串级控制指令串级控制指令CSC：内含内含2个串联的调节单元个串联的调节单元CNT1、CNT2，可组成可组成串级调节统串级调节统 选择控制指令选择控制指令SSC：内含内含2个并联的调节单元个并联的调节单元CNT1、CNT2和一个