pid控制塊工作方式的切換

pid控制塊工作方式的切換

1pid控制塊的延伸應(yīng)用sd和fcs是典型的流程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。輸入、輸出、控制和操作過(guò)程的功能以函數(shù)塊的形式顯示在用戶面前。例如,AI、AO、DI、DO、PID控制和運(yùn)算功能塊等。在組態(tài)軟件的支持下,用戶對(duì)功能塊進(jìn)行組態(tài),就可以構(gòu)成所需的控制回路,如單回路、串級(jí)、前饋、比值等,其中PID控制塊是控制回路的核心。在我們開(kāi)發(fā)的DCS組態(tài)軟件中,將PID控制塊的工作方式分為MAN、AUTO、INIT和OT4種,如圖1所示。(1)MAN方式此時(shí)PID控制塊停止PID運(yùn)算,CV(輸出控制量)來(lái)自MV(手動(dòng)操作量),如從鍵盤(pán)或PID控制畫(huà)面上來(lái)設(shè)置MV。(2)AUTO方式此時(shí)PID控制塊進(jìn)行PID運(yùn)算,CV來(lái)自PID計(jì)算控制量(U)。(3)INIT方式此時(shí)PID控制塊停止PID運(yùn)算,CV取決于后級(jí)功能塊的狀態(tài),下文將會(huì)敘述。(4)OT方式對(duì)于特殊的PID控制回路,為了操作安全,有必要為PID控制塊配置手操器,作為后備操作。手操器上有HA/HM(自動(dòng)/手動(dòng))切換開(kāi)關(guān),手動(dòng)操作按鈕及雙針指示表(其中一針指示CV或HV(手動(dòng)操作量),另一針指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋)。當(dāng)手操器處于HA工作狀態(tài)時(shí),可以接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的輸出控制量CV。HV(或執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋)通過(guò)AI功能塊作為TV(輸出跟蹤量),HA/HM開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)DI功能塊作為NT/YT(無(wú)/有輸出跟蹤)開(kāi)關(guān)。也就是說(shuō),對(duì)于配置了手操器的PID控制塊應(yīng)具有輸出跟蹤(OT)功能。根據(jù)控制要求,操作員可以通過(guò)PID控制畫(huà)面或操作員鍵盤(pán)來(lái)改變PID控制塊的MAN或AUTO工作方式。PID控制塊的INIT方式取決于其前級(jí)或后級(jí)功能塊的狀態(tài)而不能人工設(shè)置。PID控制塊的OT方式取決于后面手操器的狀態(tài)。綜上所述,PID控制塊的工作方式可以在MAN、AUTO、INIT和OT之間切換。為了保證控制回路的正常運(yùn)行,PID控制塊工作方式的切換必須實(shí)現(xiàn)無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換。所謂無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換,是指在進(jìn)行PID控制塊工作方式切換之前,例如從MAN到AUTO或從AUTO到MAN的切換,無(wú)須由人工進(jìn)行手動(dòng)輸出控制信號(hào)與自動(dòng)輸出控制信號(hào)之間的對(duì)位平衡操作,就可以保證切換時(shí)不會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動(dòng)。一般的計(jì)算機(jī)控制或DCS中將PID控制塊的工作方式分為MAN和AUTO,僅局限于PID控制塊的無(wú)擾動(dòng)切換,而沒(méi)有從整個(gè)回路考慮各功能塊工作方式的變化,能否保證回路的無(wú)擾動(dòng)切換。在我們開(kāi)發(fā)的DCS組態(tài)軟件中,將PID控制塊的工作方式分為MAN、AUTO、INIT和OT,并且從整個(gè)回路考慮到各功能塊工作方式的變化,仍然能夠保證回路的無(wú)擾動(dòng)切換。例如,單回路、串級(jí)回路的無(wú)擾動(dòng)切換,即使外部手操器工作方式變化也能保證回路的無(wú)擾動(dòng)切換。這些是本軟件的獨(dú)特之處,也是本文敘述的重點(diǎn)。2pid差分算式PID控制算式可分為兩類,一類是理想微分算式,如算式(1);另一類是實(shí)際微分算式,如算式(2)。PID控制的傳遞函數(shù)算式為式中Kp為比例增益,Ti為積分時(shí)間,Td為微分時(shí)間,Kd為微分增益,E為給定值(SV)與被控量(PV)之間的差值,U為控制量。為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制,必須將上述PID算式用差分方程式來(lái)表示。例如,理想微分算式(1)的差分方程式為式中KI=KpTc/Ti,KD=KpTd/Tc,Tc為控制周期。(1)PID控制塊處于MAN方式此時(shí)手動(dòng)操作MV,盡管不進(jìn)行PID計(jì)算,但在每個(gè)控制周期Tc應(yīng)使給定值(SV)跟蹤被控量(PV),同時(shí)也要使PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)E(n-1)、E(n-2)等清零,并將MV賦給U(n-1)。這樣,一旦切向AUTO方式時(shí),由于SV=PV(即偏差E(n)為0),PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)也為0,故ΔU(n)=0,而U(n-1)又等于切換瞬間的手動(dòng)操作量MV。這就保證了切換瞬間輸出控制量的連續(xù)性,即(2)PID控制塊處于AUTO方式此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)從AUTO到MAN的無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換,每個(gè)控制周期Tc應(yīng)將CV值賦給MV。3無(wú)擾動(dòng)切換電路PID控制塊具有回算輸出端(BV)和回算輸入端(BI),AO功能塊具有回算輸出端(BV),如圖2單回路控制所示。后級(jí)功能塊的回算輸出端(BV)和前級(jí)功能塊的回算輸入端(BI)連接,用來(lái)向前級(jí)功能塊傳送有關(guān)參數(shù),使得這兩個(gè)功能塊的工作方式建立內(nèi)在聯(lián)系并互相匹配,從而保證功能塊工作方式的無(wú)擾動(dòng)切換,以及控制回路正常工作。(1)后級(jí)AO功能塊的回算輸出端(BV)連接前級(jí)PID控制塊的回算輸入端(BI),如圖2單回路控制所示。這兩個(gè)功能塊之間工作方式的互相匹配可分為下列兩種情況:(1)后級(jí)AO功能塊(工位號(hào)是PV1234)為MAN方式為了便于調(diào)試,可將AO功能塊置為MAN方式,人工設(shè)置AO輸出。如果后級(jí)AO功能塊(PV1234)為MAN方式,那么前級(jí)PID控制塊工位號(hào)是就立即切換到方式此時(shí),PID控制塊(PC1234)的輸出控制量(CV)跟蹤AO功能塊(PV1234)的輸出量。這樣,一旦AO功能塊(PV1234)切換到AUTO方式,PID控制塊(PC1234)就立即切換到MAN方式。此時(shí),由于PID控制塊(PC1234)的CV等于AO功能塊(PV1234)的輸出,對(duì)輸出控制無(wú)影響,實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾動(dòng)切換。(2)前級(jí)PID控制塊(工位號(hào)是PC1234)為MAN方式前級(jí)PID控制塊(PC1234)在MAN方式下盡管不進(jìn)行PID計(jì)算,但要為無(wú)擾動(dòng)切換到AU-TO方式做準(zhǔn)備。例如,在每個(gè)控制周期Tc應(yīng)使其給定值(SV)跟蹤被控量(PV),同時(shí)也要使其PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)E(n-1)、E(n-2)等清零,并將輸出控制量(CV)賦給U(n-1)。這樣,一旦PID控制塊(PC1234)切換到AUTO方式,此時(shí),由于其SV=PV(即偏差E(n)為0),PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)為0,故ΔU(n)=0,而U(n-1)又等于切換瞬間的CV,這就保證了切換瞬間PID控制塊(PC1234)輸出控制量的連續(xù)性,即PID控制塊(PC1234)的輸出控制量對(duì)輸出控制無(wú)影響,實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾動(dòng)切換。(2)后級(jí)PID控制塊的回算輸出端(BV)連接前級(jí)PID控制塊的回算輸入端(BI),如圖3串級(jí)控制所示。在該串級(jí)控制回路中,后級(jí)AO功能塊(工位號(hào)是FV1236)的回算輸出端(BV)連接前級(jí)副P(pán)ID控制塊(工位號(hào)是FC1236)的回算輸入端(BI),這兩者之間工作方式的互相匹配,以及無(wú)擾動(dòng)切換方式與上述單回路控制相同,不再重述。圖3中后級(jí)副P(pán)ID控制塊(FC1236)和前級(jí)主PID控制塊(工位號(hào)是TC1235)之間工作方式的互相匹配可分為下列4種情況:(1)如果AO功能塊(FV1236)為MAN方式,那么副P(pán)ID控制塊(FC1236)就切換到INIT方式,同時(shí)主PID控制塊(TC1235)也切換到INIT方式。(2)如果AO功能塊(FV1236)切換到AUTO方式,那么副P(pán)ID控制塊(FC1236)就切換到MAN方式,主PID控制塊(TC1235)也就切換到INIT方式。(3)如果后級(jí)副P(pán)ID控制塊(FC1236)切換到AUTO方式,而且處于內(nèi)給定狀態(tài),即副回路變?yōu)閱位芈房刂品绞?那么前級(jí)主PID控制塊(TC1235)就切換到INIT方式。此時(shí),主PID控制塊(TC1235)的CV(輸出控制量)跟蹤副P(pán)ID控制塊(FC1236)的SV(給定值),另外還要為無(wú)擾動(dòng)切換到串級(jí)做準(zhǔn)備。例如,盡管此時(shí)主PID控制塊(TC1235)不進(jìn)行PID計(jì)算,但在每個(gè)控制周期應(yīng)使其SV跟蹤PV,同時(shí)也要使其PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)E(n-1)、E(n-2)等清零,還要將副P(pán)ID控制塊(FC1236)的SV賦給主PID控制塊(TC1235)的U(n-1)。(4)如果后級(jí)副P(pán)ID控制塊(FC1236)切換到串級(jí)方式,那么前級(jí)主PID控制塊(TC1235)立即切換到AUTO方式,并且為內(nèi)給定狀態(tài),其SV=PV。此時(shí),由于主PID控制塊(TC1235)的CV等于切換瞬間副P(pán)ID控制塊(FC1236)的SV,使得副P(pán)ID控制塊(FC1236)無(wú)擾動(dòng)切換到串級(jí)方式。這是由于主PID控制塊(TC1235)的SV=PV(即偏差E(n)為0),PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)為0,故ΔU(n)=0,而U(n-1)又等于切換瞬間副P(pán)ID控制塊(FC1236)的SV,這就保證了切換瞬間輸出控制量的連續(xù)性,即主PID控制塊(TC1235)的輸出控制量對(duì)副P(pán)ID控制塊(FC1236)的SV無(wú)影響,實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾動(dòng)切換。4svyt到無(wú)擾動(dòng)切換對(duì)于配置了手操器的PID控制塊應(yīng)具有輸出跟蹤功能,如圖1所示。手操器有以下兩種工作狀態(tài):(1)手操器處于HM工作狀態(tài)當(dāng)手操器處于HM工作狀態(tài)時(shí),PID控制塊處于OT方式,即輸出跟蹤開(kāi)關(guān)切向YT位置。為了實(shí)現(xiàn)從有輸出跟蹤(YT)到無(wú)輸出跟蹤(NT)狀態(tài)的無(wú)擾動(dòng)切換,在每個(gè)控制周期Tc應(yīng)使SV跟蹤PV,同時(shí)也要使PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)E(n-1)、E(n-2)等清零,還要將HV(手動(dòng)操作量)賦給U(n-1)。這樣,一旦PID控制塊切換到正常工作狀態(tài),即無(wú)輸出跟蹤(NT)時(shí),由于SV=PV(即偏差E(n)為0),PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)為0,故ΔU(n)=0,而U(n-1)又等于切換瞬間的HV值。這就保證了切換瞬間輸出控制量的連續(xù)性,即(2)手操器處于HA工作狀態(tài)當(dāng)手操器處于HA工作狀態(tài)