FCS165 現場總線控制系統PID功能塊的設計研究

　　一、APID算法
　　
　　FCS165現場總線控制系統的分PID控制算法，其包含比例up（n）APID采用實際微、積分ui（n）、微分ud（n）及前饋FF（n）4個環節，傳遞函數為：　　
　　式中：U為控制量；k為總增益；E為過程量VP及設定值SP經過增益和偏置標么化處理后的偏差值；kp為比例增益；kd為微分增益；kf為前饋增益；Td為積分時間常數；Td為微分時間常數。
　　
　　為了便于在計算機上實現APID算法，應對式（1）進行離散化處理，獲得up（n）、ui（n）、ud（n）、u（n）離散化處理后的表達式為：
　　　　式中：T為運算周期；n為運算序號；e（n）、e（n－1）分別為第n個和第（n－1）個運算周期的偏差值；FF（n）為第n個運算周期的前饋值；u（n）、u（n一1）分別為第n個和第（n－1）個運算周期的控制量。
　　
　　APID及屬性窗口如圖1、圖2所示。APID共有n個輸入引腳，可與上一級功能塊輸出引腳連接進行PID運算；通過APID輸入引腳與上一級功能塊輸出引腳的連接，設計自適應控制方案。如果總增益k、kp、Ti、Td4個參數中的某些參數不需要自適應控制，可根據運行工況的需要通過在線命令實時修改屬性窗口中對應的參數，APID算法的運算參數取屬性窗口中設置的數值。如果過程量PV及設定值SP經過增益和偏置參數處理后的偏差值。e（n）小于等于設定的死區參數時，將偏差值。e（n）置為0，認為此時無偏差。控制邏輯組態軟件對死區參數的輸入值進行了限制，輸入值必須大于等于。，等于。時為無死區限制APID具有控制量u（n）輸出（模擬量AO）、偏差報警ALM輸出（開關量）、閉鎖增輸出BI（開關量）、閉鎖減輸出BD（開關量）4個輸出引腳。在每一個運算周期進行APID算法運算時，如果設置的偏差報警值大于0且偏差信號e（n）大于等于偏差報警時，則偏差報警ALM輸出1，否則輸出0；如果模擬量輸出AO等于輸出上限值TopLimit時B1輸出1，否則輸出0；如果模擬量輸出AO等于輸出下限值BottomLimit時BD輸出1，否則輸出0；其它情況下閉鎖增BI和閉鎖減BD輸出均為0。
　　二、APID設計
　　
　　APID具有自動控制、跟蹤以及強制模擬量輸出AO3種控制方式，在這3種控制方式下均需要對積分環節u、（n）進行妥當處理，如果處理不當就有可能產生積分飽和現象或在切換控制方式時u（n）會發生較大抖動，影響控制品質。在實現APID算法程序時，對k的輸入值進行了限制，即當k的輸入值≤0時，以其為1處理。
　　
　　2.1自動控制方式
　　
　　當跟蹤開關STR狀態為0時，APID處于自動控制方式。在每個運算周期由式（2）～式（5）實時運算up（n）、ui（n）、ud（n）、u（n），u（n）的變化率受設置的輸出變化率參數限制。為了便于計算機計算，當Ti＞0時APID進行積分運算，否則停止積分運算，ui（n）則維持上一運算周期的積分值ui（n一1）；如果u（n）＞TopLimit，則u（n）=TopLimit；如果u（n）＜BottomLimit，則u（n）=BottomLimit。此時，需要對ui（n）進行抗積分飽和處理，即如果Ti＞0，則ui（n）=[u（n一kf×FF（n）］/k一〔up（n）+ud（n）]，否則，ui（n）=u、（n一1）。如果u（n）越限，其將會被始終限制在設定的輸出上、下限內，而ui（n）實時跟蹤u（n）的變化，因此當e（n）發生反向變化時執行機構將立即響應而不會產生積分飽和現象。當跟蹤開關STR狀態由。變為1時，APID由自動控制方式切換為跟蹤方式。
　　
　　2.2跟蹤方式
　　
　　當跟蹤開關STR狀態為1時，APID處于跟蹤方式，u（n）等于跟蹤值TR，且不受設置的輸出變化率參數的限制。在跟蹤方式下，如果ui（n）保持控制方式切換時的原值（自動控制方式下的值），當APID由跟蹤方式切換到自動控制方式時u（n）會產生大抖動，如果ui（n）繼續進行積分，當APID由跟蹤方式切換為自動控制方式時u（n）會產生大抖動并且出現積分飽和現象。因此，在每個運算周期都需要實時對ui（n）進行特殊處理，使ui（n）跟隨TR的變化，ui（n）=[u（n）一kf×FF（n）]/k一[up（n）+ud（n）]，以防止APID由跟蹤方式切換為自動控制方式時u（n）產生大抖動或出現積分飽和現象。up（n）、ud（n）仍按照式（2）、式（4）進行實時運算。
　　
　　2.3強制方式
　　
　　當通過操作員站發送在線命令將APID的模擬量輸出AO強制為某個數值Aout時，在線命令程序接收到強制命令后，將對應的APID模擬量輸出AO置為Aout，Aout被限制在設定的TopLimit與BottomLimit之間，并將APID模擬量輸出AO的狀態置為強制方式。在實現APID算法程序時，APID的u（n）等于Aout并保持不變，為防止APID由強制方式切換為自動控制方式時u（n）產生大抖動，需要對ui（n）進行合適的處理，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）進行實時運算。
　　
　　三、結語
　　
　　針對FCS165現場總線控制系統APID的自動控制、跟蹤、強制3種控制方式下的抗積分飽和和無擾切換，提出了有效的解決方案，經過長期測試和現場應用表明，FCS165現場總線控制系統APID的控制效果較理想。