基于組態(tài)軟件的pid控制塊工作方式的無擾動切換控制

基于組態(tài)軟件的pid控制塊工作方式的無擾動切換控制

我們的乙烯生產(chǎn)是一項(xiàng)連續(xù)的生產(chǎn)過程。整個生產(chǎn)過程以DCS(集散控制系統(tǒng))控制為主,而DCS(集散控制系統(tǒng))中的常規(guī)控制算法仍然是PID控制。由于在DCS中采用功能塊組態(tài)構(gòu)成控制回路,特殊情況下PID控制器還要配置手操器,這樣PID控制器就有MAN(手動)、AUTO(自動)、INIT(初始化)和OP(輸出跟蹤)4種工作方式,本文討論這4種方式之間的無擾動切換。1pid控制塊的工作方式DCS(集散控制系統(tǒng))是過程計算機(jī)控制的典型系統(tǒng),其特點(diǎn)之一是輸入、輸出、控制和運(yùn)算功能以功能塊的形式呈現(xiàn)在用戶面前。例如,AI(模擬量輸入)、AO(模擬量輸出)、DI(數(shù)字量輸入)、DO(數(shù)字量輸出)、PID(比例積分微分)控制等。在組態(tài)軟件的支持下,用戶對功能塊進(jìn)行組態(tài),就可以構(gòu)成所需的控制回路,如單回路、串級、前饋等,其中PID控制功能塊是控制回路的核心。在我們應(yīng)用的DCS組態(tài)軟件中,將PID控制功能塊的工作方式分為MAN(手動)、AUTO(自動)、INIT(初始化)和OP(輸出跟蹤)4種,如圖1所示。(1)MAN方式。此時PID控制塊停止PID運(yùn)算,CV(輸出控制量)來自MV(手動操作量,)如從鍵盤或PID控制畫面上來設(shè)置MV。(2)AUTO方式。此時PID控制塊進(jìn)行PID運(yùn)算,CV來自PID計算控制量(U)。(3)INIT方式。此時PID控制塊停止PID運(yùn)算,CV取決于后級功能塊的狀態(tài)。(4)OP方式。對于特殊的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/手動)切換開關(guān),當(dāng)處于HA時,接收來自計算機(jī)的CV;當(dāng)處于HM時,接收手動操作量HV。HV或招待機(jī)構(gòu)位置反饋?zhàn)鳛門V(輸出跟蹤量),HA/HM狀態(tài)作為NT/YT(無/有輸出跟蹤)開關(guān)。也就是說),對于配置了手操器的PID控制塊應(yīng)具有輸出跟蹤(OP)功能。根據(jù)控制要求,操作員可以改變PID控制塊的MAN或AUTO工作方式。PID控制塊的INIT方式取決于其前級或功能塊的狀態(tài),而不能人工設(shè)置。PID控制塊的OP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OP之間切換。為了保證回路的正常運(yùn)行,PID控制塊工作方式必須實(shí)現(xiàn)無衡無擾動切換。所謂無于衡無擾動切換,是指工作方式的切換無須人工干預(yù),就可以保證切換時不會對招待機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動。一般的計算機(jī)控制或DCS中,僅考慮PID控制塊的MAN和AUTO相互間的無擾動切換,而沒有考慮到回路中各功能塊工作方式的變化對無擾動切換的影響。在我們應(yīng)用的DCS組態(tài)軟件中,不僅考慮到PID控制塊的MAN、AUTO、INIT、OP相互間無擾動切換,而且考慮到回路的無擾動切換。這些是本軟件的獨(dú)特之處,也是本文敘述的重點(diǎn)。2pid的執(zhí)行PID控制算式可分為理想微分算式和實(shí)際微分算式兩種,為了便于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)必須用差分方程式來表示。例如,理想微分算式的差分方程式分:式中:KI=Kp/Tc,KD=KpTd/Tc,Kp為比例增益,Ti為積分時間,Td為微分時間,Tc為控制財期,E為給定值(SV與被控量(PV)之間的差值,U為控制量。PID控制塊處于MAN方式,此時托運(yùn)操作MV,盡管不進(jìn)行PID計算,但在每個控制周期Tc應(yīng)使SV跟蹤PV,同時也要使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,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U(n)=0,而U(n-1)又等于切換瞬間的手動操作量MV。這就保證了切換瞬間輸出控制量的連續(xù)性,即CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=MVPID控制塊處于AUTO方式,此時為了實(shí)現(xiàn)從AUTO到MAN的無平衡無擾動切換,每個控制周期Tc應(yīng)將CV值賦給MV。3pid控制塊fc332的切換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和圖3所示。后級功能塊的BV和前級功能塊的BI連接,用來向前級功能塊傳送有關(guān)參數(shù),使得這兩個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擾動切換,以及控制回路正常工作。(1)后級AO功能塊的BV連接前級PID控制塊的BI(如圖2所示)。這兩個功能塊之間工作方式的互相匹配可分為下列兩種情況。后級AO功能塊(FV8302)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AO功能塊(FV8302)為MAN方式,那么前級PID控制塊(FC8302)就立即切換INIT方式。此時,PID控制塊的CV跟蹤AO功能塊的輸出。這樣,一旦AO功能塊切換到AUTO方式,PID控制塊就立即切換到MAN方式。此由于PID控制塊的CV等于AO功能塊的輸出,對輸出控制無影響,實(shí)現(xiàn)了無擾動切換。前級PID控制塊(FC8302)為MAN方式前級PID控制塊(FIC8302)在MAN方式下盡管不進(jìn)行PID計算,但要為無擾動切換到AUTO方式作準(zhǔn)備。例如,在每個控制周期Tc應(yīng)使其SV跟蹤PV,同時也要使其PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)E(n-1)、E(n-2)等清零,并將CV賦給U(n-1)。這樣,一旦PID控制塊(FC8302)切換到AUTO方式,此時,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△U(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(FC8302)輸出控制量的連續(xù)性,即PID控制塊(FC8302)的輸出控制量:CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=CV對輸出控制無影響,實(shí)現(xiàn)了無擾動切換。(2)后級PID控制塊的BV連接前級PID控制塊的BI(如圖3所示)。在該串級控制回路中,后級AO功能(FV1101)的BV連接前級副PID控制塊(FC1101)的BI,這兩者之間工作方式的互相匹配,以及無擾動切換方式與上述單回路控制相同,不再重述。其中后級副PID控制塊(FC1101)和前級主PID控制塊(TC1101)之間工作方式的互相匹配可分為下列4種情況。如果AO功能塊(FC1101)為MAN方式,那么副PID控制塊(FC1101)就切換到INIT方式,同時主PID控制塊(TC1101)也切換到INIT方式。如果AO功能塊(FV1101)切換到AUTO方式,那么副PID控制塊(FC1101)就切換到MAN方式,主PID控制塊(TC1101)也就切換到INIT方式。如果后級副PID控制塊(FC1101)切換到AUTO方式,而且處于內(nèi)給定狀態(tài),即副回路主為單回路控制方式,那么前級主PID控制塊(TC1101)就切換到INIT方式。此時,主PID控制塊(TC1101)的VC跟蹤副PID控制塊(FC1101)的SV,另外還要為無擾動切換到串級作準(zhǔn)備。例如,盡管此時主PID控制塊(TC1101)不進(jìn)行PID計算,但在每個控制周期應(yīng)使其SV跟蹤PV,同時也要使其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PID控制塊(FC1101)的SV賦給主PID控制塊(TC1101)的U(n-1)。如果后級副PID控制塊(FC1101)切換到串級方式,那么前級主PID主控制塊(TC1101)立即切換到AUTO方式,并且為內(nèi)給定狀態(tài),其SV=PV。此時,由于主PID控制塊(TC1101)的CV等于切換瞬間副PID控制塊(FC1101)的SV,使得副PID控制塊(FC1101)無擾動切換到串級方式。這是由于主PID控制塊(TC1101)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△U(n)=0,而U(n-1)又等于切換瞬間副PID控制塊(FC1101)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(TC1101)的輸出控制量:CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=SV對副PID控制塊(FC1101)的SV無影響,實(shí)現(xiàn)了無擾動切換。4svnt狀態(tài)的無擾動切換對于配置了手操器的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(手動)工作狀態(tài)。當(dāng)手操作器處于HM工作狀態(tài)時,PID控制塊處于OP方式,即輸出跟蹤開關(guān)切向YT位置。為了實(shí)現(xiàn)從有輸出跟蹤(YT)到無輸出跟蹤(NT)狀態(tài)的無擾動切換,在每個控制周期應(yīng)使SV跟蹤PV,同時也要使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(手動操作量)賦給U(n-1)。這樣,一旦PID控制塊切向正常工作狀態(tài),即無輸出跟蹤(NT)時,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△U(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:CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=HV(2)手操器處于HA(自動)工作狀態(tài)。當(dāng)手操作器處于HA工作狀態(tài)時,可以接收來自計算機(jī)