FCS165 现场总线控制系统PID功能块的设计研究

　　一、APID算法
　　
　　FCS165现场总线控制系统的分PID控制算法，其包含比例up（n）APID采用实际微、积分ui（n）、微分ud（n）及前馈FF（n）4个环节，传递函数为：　　
　　式中：U为控制量；k为总增益；E为过程量VP及设定值SP经过增益和偏置标么化处理后的偏差值；kp为比例增益；kd为微分增益；kf为前馈增益；Td为积分时间常数；Td为微分时间常数。
　　
　　为了便于在计算机上实现APID算法，应对式（1）进行离散化处理，获得up（n）、ui（n）、ud（n）、u（n）离散化处理后的表达式为：
　　　　式中：T为运算周期；n为运算序号；e（n）、e（n－1）分别为第n个和第（n－1）个运算周期的偏差值；FF（n）为第n个运算周期的前馈值；u（n）、u（n一1）分别为第n个和第（n－1）个运算周期的控制量。
　　
　　APID及属性窗口如图1、图2所示。APID共有n个输入引脚，可与上一级功能块输出引脚连接进行PID运算；通过APID输入引脚与上一级功能块输出引脚的连接，设计自适应控制方案。如果总增益k、kp、Ti、Td4个参数中的某些参数不需要自适应控制，可根据运行工况的需要通过在线命令实时修改属性窗口中对应的参数，APID算法的运算参数取属性窗口中设置的数值。如果过程量PV及设定值SP经过增益和偏置参数处理后的偏差值。e（n）小于等于设定的死区参数时，将偏差值。e（n）置为0，认为此时无偏差。控制逻辑组态软件对死区参数的输入值进行了限制，输入值必须大于等于。，等于。时为无死区限制APID具有控制量u（n）输出（模拟量AO）、偏差报警ALM输出（开关量）、闭锁增输出BI（开关量）、闭锁减输出BD（开关量）4个输出引脚。在每一个运算周期进行APID算法运算时，如果设置的偏差报警值大于0且偏差信号e（n）大于等于偏差报警时，则偏差报警ALM输出1，否则输出0；如果模拟量输出AO等于输出上限值TopLimit时B1输出1，否则输出0；如果模拟量输出AO等于输出下限值BottomLimit时BD输出1，否则输出0；其它情况下闭锁增BI和闭锁减BD输出均为0。
　　二、APID设计
　　
　　APID具有自动控制、跟踪以及强制模拟量输出AO3种控制方式，在这3种控制方式下均需要对积分环节u、（n）进行妥当处理，如果处理不当就有可能产生积分饱和现象或在切换控制方式时u（n）会发生较大抖动，影响控制品质。在实现APID算法程序时，对k的输入值进行了限制，即当k的输入值≤0时，以其为1处理。
　　
　　2.1自动控制方式
　　
　　当跟踪开关STR状态为0时，APID处于自动控制方式。在每个运算周期由式（2）～式（5）实时运算up（n）、ui（n）、ud（n）、u（n），u（n）的变化率受设置的输出变化率参数限制。为了便于计算机计算，当Ti＞0时APID进行积分运算，否则停止积分运算，ui（n）则维持上一运算周期的积分值ui（n一1）；如果u（n）＞TopLimit，则u（n）=TopLimit；如果u（n）＜BottomLimit，则u（n）=BottomLimit。此时，需要对ui（n）进行抗积分饱和处理，即如果Ti＞0，则ui（n）=[u（n一kf×FF（n）］/k一〔up（n）+ud（n）]，否则，ui（n）=u、（n一1）。如果u（n）越限，其将会被始终限制在设定的输出上、下限内，而ui（n）实时跟踪u（n）的变化，因此当e（n）发生反向变化时执行机构将立即响应而不会产生积分饱和现象。当跟踪开关STR状态由。变为1时，APID由自动控制方式切换为跟踪方式。
　　
　　2.2跟踪方式
　　
　　当跟踪开关STR状态为1时，APID处于跟踪方式，u（n）等于跟踪值TR，且不受设置的输出变化率参数的限制。在跟踪方式下，如果ui（n）保持控制方式切换时的原值（自动控制方式下的值），当APID由跟踪方式切换到自动控制方式时u（n）会产生大抖动，如果ui（n）继续进行积分，当APID由跟踪方式切换为自动控制方式时u（n）会产生大抖动并且出现积分饱和现象。因此，在每个运算周期都需要实时对ui（n）进行特殊处理，使ui（n）跟随TR的变化，ui（n）=[u（n）一kf×FF（n）]/k一[up（n）+ud（n）]，以防止APID由跟踪方式切换为自动控制方式时u（n）产生大抖动或出现积分饱和现象。up（n）、ud（n）仍按照式（2）、式（4）进行实时运算。
　　
　　2.3强制方式
　　
　　当通过操作员站发送在线命令将APID的模拟量输出AO强制为某个数值Aout时，在线命令程序接收到强制命令后，将对应的APID模拟量输出AO置为Aout，Aout被限制在设定的TopLimit与BottomLimit之间，并将APID模拟量输出AO的状态置为强制方式。在实现APID算法程序时，APID的u（n）等于Aout并保持不变，为防止APID由强制方式切换为自动控制方式时u（n）产生大抖动，需要对ui（n）进行合适的处理，ui（n）=[u（n）一kf×FF（n）／k一［u（n）+ud（n）］。up（n）、ud（n）仍按照式（2）、式（4）进行实时运算。
　　
　　三、结语
　　
　　针对FCS165现场总线控制系统APID的自动控制、跟踪、强制3种控制方式下的抗积分饱和和无扰切换，提出了有效的解决方案，经过长期测试和现场应用表明，FCS165现场总线控制系统APID的控制效果较理想。