3.3数字式PID控制器生产规模持续扩大和控制要求的不断提高，模拟式仪表的局限性越来越明显（1）功能单一，灵活性差；（2）信息分散，需大
量仪表，操作、监视不便;（3）接线过多，系统接线、维护困难。在大规模集成电路和计算机技术发展的强力支持下，仪表行业不断推出各种以
微处理器为核心的数字式仪表。数字式仪表的优点（1）运算功能丰富，更改灵活；（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。数字式仪表集中了自动控制、计算机及通信技术（3C，Control、Computer、Communication），具
备模拟仪表不可比拟的强大功能。可编程单回路控制器（SLPC，SingleLoopProgrammableControll
er）是数字式控制仪表的典型代表，西安仪表厂、四川仪表厂及上海仪表厂都有产品（技术引进）。YS80单回路控制器YS100单回路控
制器HTBJ-211单回路智能控制器3.3.1SLPC单回路可编程控制器电路原理SLPC单回路控制器是西安仪表厂（引
进）生产的YS-80系列的基型品种，其特点如下：可接受5路模拟量输入（AI）、6路（可编程）开关量输入/输出(DI/DO)和
2路DC1~5V输出（AO），但只有1路DC4～20mA输出（AO）——可远传，只能控制一个执行器，故称其为单回路控制器；能取
代多台单元仪表，可实现复杂控制运算。外形尺寸与模拟仪表一致、操作方式与模拟仪表相同，可与模拟仪表混合安装；具有通信及故障在线诊断功
能。图3-21SLPC控制器电路原理框图6个开关量DI/DO可编程接口，通过高频变压器隔离模拟量输入X1～X5接受DC1
～5V信号8251可编程通信口与上位机通信故障报警输出Y2、Y3输出DC1～5V,与控制室其它仪表联络Y1输出DC4
～20mA8位微处理器8085A,10MHz，可在0.2s控制周期内运行240步用户程序,可根据需要将控制周期加快到0.1s。
系统ROM:1片27256EPROM,32K,存放系统管理程序及运算子程序。RAM:2片μPD4464,低功耗CMOS存贮器,
8K,存放现场设定数据及中间计算结果。用户ROM:1片2716EPROM,2K,存放用户程序。仪表正面板:测量值、设定值、操作值
显示;自动/手动/串级切换开关;数据设定按钮等。仪表侧面板:8位16段笔画显示器,显示各种运行参数,可通过键盘上16个调整健进行修
改,并有编程器接口。可编程DI/DO接口原理①作开关量输出接口S1断开时，作输出口使用。输出数据“1”时，S2作占空比50%的
通断切换：S2接通时?N1通电→贮能S2断开时?N1的贮能通过N2?加到VT1的基极?VT1导通DI/DO输出
数据“0”时，S2断开?VT1不通②作开关量输入接口S1接通时，作输出口使用S2以较小的占空比作通断切换。VN1≈
0VN3≈0（输入短路）DI=1??触发器D=1DI/DO?CP=1时DATA=1?DI=0（输入开
路）?N3高阻?N1高阻?D=0?DATA=0D/A、A/D转换原理1片μPC648D型12位高速D
/A芯片，将CPU的运算结果转换为模拟电压，供给模拟量输出口。此D/A芯片在CPU的支持下，用逐位比较法，即可以实现A/D转换。逐
位比较法原理图逐位比较法A/D转换原理从最高位100000000000开始,CPU逐位变1输出锁存D/A转换CPU决定取舍:若
VPVf,此位变0。OP放大CMP比较VP逐位比较完后,锁存器数据为A/D转换结果。3.
3.2SLPC的PID数字控制算法理想连续PID控制传递函数和时域表达式分别为其中e(t)是输入偏差，MV(t)是PID运
算结果输出，对应的Laplace变换为E(s)，MV(s));数字控制器通过离散计算实现PID控制运算，特点是采样一次、计算一
次。因此必须把连续方程离散化。在第n次采样时（ΔT为采样周期）：如果控制器输出控制调节阀，则MVn是对应阀门的开度（阀芯）位置，故
上式称为“位置型PID”运算。按上式计算需要占用大量内存空间，可将上式可改写为增量型PID运算。如果将前一次输出值MVn-1保持，
则只需计算出本次与上次输出之间的增量ΔMVn即可得控制器当前输出量MVn=MVn-1+ΔMVn计算的式优点输出ΔMVn仅决
定于最近三次的采样值，所需内存与运算量小。每次输出增量值ΔMVn，如果出现误动作，对生产影响小；必要时可通过逻辑判断禁止或限制本次
输出，易得到良好控制效果。一旦控制器出现故障，停止输出，阀门开度（阀位）能保持在故障前的状态。为避免理想微分控制持续时间太短及对
高频干扰过于敏感的问题，可将理想微分改为实用微分实际微分的传递函数将其写成时域差分形式将此式代替理想PID微分离散计算，可
得实用PID控制离散运算式。为了改善操作性能和控制系统品质，可对基本PID控制运算进行改进，以适应不同的特殊工况。3.3.2.1
微分先行的PID算法（PI-D）有的生产过程需要经常改变给定值。如果采用基本PID控制（如下图所示），当给定值阶跃变化时，微分控制
会使控制器输出MV(t)产生剧烈的跳动，影响工况的稳定，这种现象称微分冲击。基本PID控制原理框图为了改善这种情况，可将微分控
制运算移出给定值运算通道外（如下右图所示），称为微分先行PID控制（用PI-D表示）。PI-D控制：这种微分先行PID与基本PI
D的原理框图对比，如下图所示：基本PID控制原理框图微分先行PID控制原理框图通过框图等效变换，可将PI-D原理框图变换为等PI
-D效框图。比较基本PID框图与PI-D等效框图可知，PI-D控制运算相当于在基本PID给定值通道中增加一个滤波器，使给定值的阶跃
变化对输出MV的冲击大为缓和。由于TI>>TD，等效框图可近似为PI-D简化等效框图。微分先行PID控制原理框图微分先行PID控
制等效框图PI-D控制等效(近似)简化框图3.3.2.2比例微分先行PID控制算法（I-PD）比例控制也传递给定值SV扰动对M
V的冲击。若对比例控制作同样修改，也可缓和给定值SV扰动的比例冲击。微分先行PID控制原理框图比例微分比例先行PID原理框图通过框
图等效变换，可将I-PD控制原理框图变换为PI-D等效框图1；进一步可为等效框图2。比较I-PD等效原理图1与基本PID原理框图可
知,I-PD控制相当于在基本PID给定值通道中增加一个二阶惯性滤波器（即在PI-D基础上再增加一个一阶滤波器），给定值SV扰动对
输出MV的影响更为缓和。I-PD控制原理框图I-PD控制等效原理框图1I-PD控制等效原理框图2基本PID控制原理框图3.3.
2.3带可变型设定值滤波器（SVF）的PID控制通过前面的分析可知，PI-D算法相当于在设定值SV输入通道增加一个一阶滤波
环节，I-PD算法相当于在设定值SV输入通道上增加一个二阶滤波环节。如果能够针对不同的过程特性和控制要求，进行灵活调整，就有可能
实现设定值最佳滤波，获得更好的控制性能。带可变型设定值滤波器(SVF)的PID控制算法正是按照这一思路设计。带SVF的PID控
制器传递函数如下带SVF的PID控制器在设定值通道设置一个参数可调的滤波环节：上式中α、β为控制器设定值通道整定参数，α、β
=0～1α=0，β=0时，近似为比例微分先行PIDα=1，β=0时，近似为微分先行PID当α、β
在0~1间取值，可得到由PI-D到I-PD连续变化的响应曲线，则可能实现二维的最佳整定。图3-26设定值阶跃跳变时，采
用SVF-PID的控制系统响应3.3.2.4采样PID控制对于滞后时间很长的被控过程，进行连续(或频繁采样)控制操作效果
并不好。延长采样周期，让MV保持一段时间，待被控参数PV发生变化后再进行下一次采样与控制，这种控制称为采样控制（属于断续控制）。由
于采样周期较长，微分控制已失去作用，采样控制只用PI控制运算。SLPC中采样PI控制策略如右图所示，图中控制时间TW可任意设定。
有关采样控制大滞后过程的应用，将在7.3节进行讨论。3.3.2.5批量PID算法这是将开关控制（逻辑）与连续调节相结合的程
序控制，主要针对非连续操作的间歇生产过程控制，如精细化工的间歇反应过程、高分子材料间歇聚合过程等典型批量生产过程。对于这种重复操作
的定型批量/间歇生产，要求控制系统能够快速而平稳地自动启动生产过程，使每一次生产过程启动时被控参数能够快速到达，并稳定在设定值，以
缩短批量生产过程周期，提高生产效率。控制操作过程如下图所示。批量生产过程启动，控制器输出最大值MVmax，使测量值PV迅速趋近设
定值SV。当PV值接近SV时(偏差小于设定限BD)，控制器的输出MV从上限值MVmax下降BB，以抑制PV快速增长的势头。同时切换
为常规PID控制，使PV值平稳地到达设定值。这样可加快启动过程，有效缩短批量(间歇)生产过程周期，提高生产效率（有关应用实例参见7
.6.1.1）。3.3.2.6混合过程PID控制算法有些生产过程需要将几种中间产品按一定比例混合形成最终产品，混合过程可在
混合容器完成，也可直接在输送管道中进行，如图3-29所示。控制目标是各种组分在最终产品中保持准确比例，而不是单纯关注各组分瞬时流量
准确恒定。这时流量若采用普通PID控制算法，受到扰动干扰流量的响应曲线如3-30a)所示(见下页)。某一流量偏离设定值时，控
制器将使该流量尽快回到设定值，结果可能使混合产品中该组分欠缺一定数量，原因是流量低于设定值造成该组分减少量多于流量大于设定值的增加
量（如右图a）！从上面分析不难理解，混合过程中要求动态调整过程流量的正负偏差积图3-30常规PID与混合PID控制对比分总量为
零，如图3-30b)曲线所示。当扰动使某一种组分流量下降时，控制器应使其作补偿性上升，以弥补前一时段流量减少所造成的缺口。这
种混合PID控制的原理方框图如图3-31所示，它是在对偏差信号进行积分运算后，再作PID运算，其连续PID运算函数表达式图3-31
混合PID控制原理框图混合PID控制的离散表达式为由以上混合控制算法运算式可知，在偏差积分达到零之前，控制器将不断动作，以保证最终
产品中各组分比例的准确。需要说明的是，混合PID控制中整定参数P、TI、TD与普通PID中同名参数的作用不同。由传递函数表达式可
知，这里TD/P的作用是比例增益，TD是积分时间常数，TI·TD为双重积分时间常数，在使用中必须注意。考虑到双重积分有破坏
系统稳定性的危险，参数整定时，应选择TI>>TD。仪表和控制系统制造商将上述各种特殊控制算法编成程序模块，存储在控制器ROM或
DCS等控制系统软件中，供用户组态时选用。3.3.3SLPC单回路可编程控制器用户编程为便于用户编程，SLPC采用面向问题、面
向过程的“自然语言”编程平台。生产商预先将常用运算、控制功能编制成标准程序模块，以指令命名，编程时将所需运算模块和控制模块“组态”
即可。SLPC用户基本指令共46种，分三类数据传输类指令两种：LD，ST结束指令：END功能指令：43种，包括基本数学运算、函数运
算、逻辑判断、控制等等。3.3.3.1基本运算模块11个有＋、－、×、÷运算，运算（小信号切除点固定）、运算（
小信号切除点可变）；取绝对值运算；高、低选择；高、低限幅。3.3.3.2函数运算模块13个折线函数，一阶惯性运算，微分运算
，纯滞后运算，变化率运算，变化率限幅，移动平均运算，状态变化监测，计时，程序设定，脉冲计数，积算脉冲输出等。3.3.3.3条件
判断运算模块14个上、下限报警，逻辑运算，转移指令，转子指令，子程序模块，比较指令，信号切换模块。3.3.3.4运算寄存器位
移指令2个CHG、ROD3.3.3.5控制模块3种①基本控制模块BSC内含1个控制单元CNT1，相当于模拟仪表中
的1台PID控制器，其功能可定义为：CNT1=1为连续PID；=2为采样PID；=3为批量PID。②串级控制模块CSC内
含两个控制单元CNT1和CNT2，如果作串级连接，CNT2接受CNT1的输出作为设值信号，组成串级控制系统。如果断开串级连接，C
NT2可接受设定信号SV2，单独构成控制回路。CNT2的定义：CNT2=1为连续PID；=2为采样PID③选择控制模块SSC
内部包含两个并行工作的PID控制单元CNT1和CNT2，另有一个自动选择单元CNT3。CNT3选择为二选一，由控制字定义：CNT3=0为低选CNT3=1为高选编程举例：例1把两个输入变量X1、X2相加后，从Y1端口输出。程序：LDX1（读入X1数据）LDX2（读入X2数据）+（X1、X2相加）STY1(将结果送往Y1)END(结束程序)3.3.4用户程序的写入和调试1.利用编程器逐句键入用户程序主程序（MPR）子程序(SBP)指定DI/DO功能指定控制字CNT1～CNT5其它参数END2.程序的调试仿真调试真实对象调试写入EPROM移入ROM插座基本PID数字控制算法变形PID特殊PID数字式控制数字控制器数字控制器与控制算法小结 |
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