第三章-3数字式调节器(2017)

Td (Td TS ) K d Td K d e(n) yd (n 1) xm (n) xm (n 1) xS (n) K d TS Td K d TS Td K d TS Td
比例积分运算环节：
1 y K P (e TI
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edt)
TS y(n) K p [e(n) TI
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YS100单回路调节器
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HTBJ-211单回路智能调节器
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KMK-201编程器
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EN6000B系列数字调节器
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数字式调节器的类型
定程序调节器
制造厂把编好的程序固化在调节器内的ROM中，用户 只需用开关选择相应的功能，不必编写程序。
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主机电路
CPU通常采用的是8位微处理器，它完成数据传递、 算术逻辑运算、转移控制等功能。 ROM中存放系统程序。 EPROM中存放由使用者自行编制的用户程序。 RAM用来存放输入数据、显示数据、运算的中间值 和结果值等。 CTC的定时功能用来确定控制器的采样周期，并产 生串行通信接口所需的时钟脉冲；计数功能主要用 来对外部事件进行计数。
则有：
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Yn AX n BX n1 CX n2
2) 改进型数字式PID运算式
a.不完全微分算式
微分作用采用实际微分作用
G(S ) Y (S ) X (S ) K P (1 1 TD S ) TI S 1 1 K P (1 TD S ) TD T TI S 1 S 1 D S KD KD
13:58:Βιβλιοθήκη 6过程输入通道过程输入通道包 括模拟量输入通 道和开关量输入 通道。模拟量输 入通道用于连接 模拟量输入信号， 开关量输入通道 用于连接开关量 输入信号。
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模拟量输入通道
将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接 受的数字量。 包括多路模拟开关、采样／保持器和A／D 转换器，如果控制器输入的是低电平信号， 还需要信号放大电路，将信号放大到A／D 转换器所需要的信号电平。 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。它一般采用固态模拟开 关，其速度可达105点／s。
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数字式PID运算式
离散化处理
1 Y KP X T I
n i 0
dX Xdt TD dt
i
对于积分项用右式近似
X dt X
t Ts X i
i 0
n
对于微分项用右式近似
dx X n X n1 X n X n1 dt t Ts
可编程调节器
用户可以从调节器内部提供的诸多种功能模块中选择 所需要的功能模块，用编程方式把这些功能模块组合 成用户程序，写入调节器内的EPROM中，使调节器按 照要求工作。
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一、数字式调节器的PID控制算法
是数字式调节器最基本的控制算法，其 他还有超前/滞后算法、纯滞后算法、 纯滞后时间补偿算法、间歇PID控制算 法等。
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过程输出通道
过程输出通道 包括模拟量输 出通道和开关 量输出通道， 模拟量输出通 道用于输出模 拟量信号，开 关量输出通道 用于输出开关 量信号。
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模拟量输出通道
模拟量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，并经多路模拟开关送入输出保持 电路暂存，以便分别输出模拟电压（1～5V）或电 流（4-20mA）信号。 包括D／A转换器、多路模拟开关、输出保持电路 和V／I转换器。 D／A转换器起数／模转换作用。 常采用电流型D／A转换芯片，因其输出电流小， 尚需加接运算放大器，以实现将二进制数字量转 换成相应的模拟量信号。 D／A转换芯片有8位、10位、12位等品种可供 选用。
数字仪表的优点
（1）功能丰富，更改灵活，体积小、功耗低 （2）具有自诊断功能 （3）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（ 3C， Control Computer Communication）。 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YS-80\YS-100，川仪18厂及上 海调节器厂的DIGITRONIK系列等。
开 关 量 出 模 拟 量 出
键盘输入
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通信接口
主机电路
主机电路是数字式控制 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。 主机电路由微处理器 （CPU）、只读存储器 （ROM，EPROM）、 随机存储器（RAM）、 定时／计数器（CTC） 以及输入、输出接口 （I／O接口）等组成。
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c.速度型算式
输出是增量型算式的输出值与采样间 隔时间T之比
Yn K P Ts TD n ( X n X n1 ) X n ( X n 2 X n1 X n2 ) Ts Ts TI Ts
本质上与增量型算式是相同的
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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“1”与“0”这类两种状态的信号。这 些开关量信号通过输入缓冲电路或者直接输入接口 至主机电路。 为了抑制来自现场的干扰，开关量输入通道常采用 光电耦合器件作为输入电路进行隔离传输，使通道 的输入与输出在电气上互相隔离，彼此间无公共连 接点，因而具有抗共模干扰的能力。
n
优点：便于计算机运算的实现 缺点：1.计算繁琐、占用的计算机内存很大 2.输出的是实际使用阀位值
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b.增量型算式
输出为两个采样周期PID输出值之差
Ts Yn K P X n TI
TS Yn1 K P X n 1 TI
TD X i ( X n X n 1 ) Ts i 0
e(i)]
i 0
n
c. 带不灵敏区的PID算式
— 在一定偏差范围内输出为0
或
(B称为不灵敏区宽度)
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d. 积分分离PID算式
—在一定偏差范围内切除积分作用
方法：PID控制算式的积分项前面乘上一个变量N
例:
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二、数字式控制器基本构成
（一）硬件系统： （二）软件系统：
一阶惯性环节的离散化后的形式:
Yn Yn1 (1 Y ' n
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TF a TS TF
b.微分先行PID算式
微分运算环节：
Td dy d dx m yd x m Td K d dt dt
Td Td y d ( n) [ y d (n) y d (n 1)] xm (n) [ xm (n) xm (n 1)] K d TS TS
结果：
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Ts yn K P X n TI
TD X i ( X n X n 1 ) Ts i 0
n
1) 基本数字式PID运算式
a.位置型算式
输出与实际控制阀的阀位相对应
Ts Yn K P X n TI TD X i ( X n X n 1 ) Ts i 0
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通信接口电路
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模拟量输入通道
采样／保持器具有暂时存储模拟输入 信号的作用。它在某一特定的时刻采 入一个模拟信号值，并把该值保持一 段时间，以供A／D转换器转换。 A／D转换器的作用是将模拟信号转换 为相应的数字量。 常用的A／D转换器有逐位比较型、 双积分型和V／F转换型等几种。
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模拟量输入通道
逐位比较型A／D转换器的转换速度最快， 一般在104次／s以上，缺点是抗干扰能力 差。 其余两种A／D转换器的转换速度较慢，通 常在100次／s以下，但它们的抗干扰能力 较强。 A／D转换器的位数有
8位、10位、12位（二进制代码） 1 1 3 位、 4 位（二／十进制代码）
2 2
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Td (Td TS ) K d Td K d y d ( n) y d (n 1) x m ( n) xm (n 1) K d TS Td K d TS Td K d TS Td
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微先分行PID算式
偏差计算：
e(n) yd (n) xS (n)
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人／机联系部件
人／机联系部件一般置于控制器的正面和侧面。 正面板的布置类似于模拟式控制器，有测量值和给 定值显示器、输出电流显示器、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，还有一些状态显示灯。 侧面板有设置和指示各种参数的键盘、显示器。 显示器常使用固体器件显示器，如发光二极管、荧 光管和液晶显示器等。 在有些控制器中附带后备手操器。
其中，
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TD TF KD
1 1 K P (1 TD S ) TI S 1 TF S
1 1 G( S ) K P (1 TD S ) TI S 1 TF S
位置型理想PID算式 :
TD Ts n Y ' n K P X n X i ( X n X n1 ) TI i 0 Ts
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模拟量输出通道
V／I转换器将1～5V的模拟电压信号转换成 4～20mA的电流信号。 多路模拟开关与模拟量输入通道中的相同。 输出保持电路一般采用S／H集成电路，也可 用电容和高输入阻抗的运算放大器构成。