ПІ та ПІД-регулювання в ПЛК в UnityPRO/Control Expert

Структура контурів регулювання

На рис.6.1 показана узагальнена функціональна структура контурів регулювання з використанням ПЛК.

Нагадаємо, що в UNITY PRO для реалізації алгоритмів регулювання пропонується використовувати бібліотеку ControlLib, зокрема блоки сімейств Controller, Output Processing, Setpoint Management. У таблиці 6.2 наведений перелік функціональних блоків сімейства Controller .

Таблиця 6.2. Функціональні блоки сімейства Controller

Назва типу EFB	Призначення
SAMPLETM	управління періодичністю виклику відносно початкового циклу
PI_B	ПІ-регулятор
PIDFF	ПІД-регулятор
STEP2	двохпозиційний регулятор
STEP3	трьохпозиційний регулятор
AUTOTUNE	блок автонастройки PI_B та PIDFF
IMC	коректор моделі

SAMPLETM

Всі блоки бібліотеки Control Lib, алгоритм яких передбачає використання часових інтервалів (наприклад для інтегрування або диференціювання), розраховують ці інтервали як різницю між плинним та попереднім часом виклику блоку. Це значить, що їх можна викликати аперіодично. Однак алгоритми регулювання потребують значні часові ресурси, що займає значну частину часу Задачі(Task), в якій вони викликаються. З іншого боку, більшість задач регулювання не потребують частої обробки, а отже їх контури можуть оброблятися рідше, ніж кожний цикл. Таким чином для оптимізації роботи програми контролера рекомендується обробляти контури періодично, і зсунутими у часі відносно один одного.

Так, наприклад, при наявності 10-ти контурів регулювання, можна викликати зв’язані в контурі блоки з періодичністю 100 мс, але зсунуті один відносно одного на один цикл. Тобто через кожні 100 мс, протягом 10 циклів будуть оброблені всі контури. Періодичний виклик зі зсувом по часу можна забезпечити функціональним блоком SAMPLETM.

Функціональний блок SAMPLETM з періодичністю, яка визначається вхідним параметром INTERVAL, на один цикл Задачі виставляє в значення TRUE вихід Q. Вхідний параметр DELSCANS визначає зміщення в циклах запуску внутрішнього таймеру блоку відносно першого циклу контролеру (після холодного старту).

На рис.6.5 показаний приклад використання 2-х екземплярів SAMPLETM, виходи Q яких з періодичністю однієї секунди будуть виставлятися на один цикл в TRUE. Включення цих виходів буде зміщене на один цикл один відносно одного.

Рис.6.5. Використання 2-х екземплярів SAMPLETM зі зсувом на один цикл відносно

ПІ регулятор PI_B

Функціональний блок PI_B реалізовує ПІ алгоритм регулювання (6.1).

(6.1)

Функціональна схема ПІ-регулятора зображена на рис.6.6. Параметри PI_B наведені в таблиці табл.6.3. Як видно з рис.6.6, в алгоритмі спочатку розраховується розузгодження (DEV=PV-SP), яке пройшовши через блок нечутливості (з зоною dband), використовується для розрахунку інтегральної складової (налаштовується ti) та пропорційної складової (налаштовується kp). Задане значення SP обмежується по мінімуму (pv_inf) та по максимуму (pv_sup). Якщо необхідно управляти ВМ в зворотному напрямку (команда rev_dir=TRUE), розраховане значення інвертується (змінює знак).

Рис.6.6. Функціональна схема ПІ-регулятора PI_B

У автоматичному режимі (MAN_AUTO=TRUE) розраховане значення, пройшовши через блоки Tracking та Limiter подається на вихід OUT. В ручному режимі (MAN_AUTO=TRUE) вихід PI_B регулюється ззовні функціонального блока.

Режим Tracking (слідкування) використовується для прямого регулювання OUT зовнішнім алгоритмом (див. параграф 6.1.2). У нормальному режимі TR_S повинен бути FALSE, тобто Tracking вимкнений.

Параметрами out_inf та out_sup налаштовуються обмеження відповідно по мінімуму та максимуму вихідної величини (при en_rcpy=TRUE обмеження не діють).

Функціональний блок PI_B може працювати в режим ПІ та П регулятора. Виставивши параметр ti=0s, блок PI_B переключається в режим П-регулювання. У режимі ПІ регулювання блок розраховує вихід OUT по інкрементальному розрахунку, а в П режимі регулювання – по абсолютному. Режими абсолютного та інкрементального розрахунку розглянуті в параграфі 6.2.5

У П режимі регулювання (режим абсолютного розрахунку) вихідне значення розраховується за формулою:

(6.2)

Параметр outbias потрібен для того, щоб в П режимі регулятора задати зміщення початкової точки (при нульовому розузгодженні). Тобто, в залежності від знака розузгодження, вихід на виконавчий механізм буде зміщуватися в меншу або більшу сторону відносно outbias. Значення цього параметру як правило близький до 50%.

Всі команди, плинні, задані та вихідні значення доступні як параметри функціонального блоку. Налаштування алгоритму проводиться через структурний параметр PARA типу Para_PI_B, поля якого описані в таб.6.4.

На рис.6.7 показаний приклад використання функціонального блоку PI_B для регулювання температури в контурі з умовною назвою TIC1. Для періодичного виклику ПІ-регулятору використовується функціональний блок типу SAMPLETM. Настройка регулятора проводиться через структурну змінну TIC1_PARA, яка попередньо створюється на базі типу Para_PI_B.

Приклади програми з PI_B наведені також в главі 6.8.

Таблиця 6.3 Параметри функціонального блока PI_B.

		Вхідні параметри
PV	REAL	значення вимірювальної величини (плинне значення)
SP	REAL	задане значення (уставка)
RCPY	REAL	копія значення регульованого виходу як база для інкрементального розрахунку (наприклад стан виконавчого механізму)
MAN_AUTO	BOOL	Режим роботи ПІ-регулятора: 1 : Автоматичний режим 0 : Ручний режим
PARA	Para_PI_B	Параметри регулятора (див. таб.6.4)
TR_I	REAL	Вхід слідкування/ініціалізації (Tracking)
TR_S	BOOL	Команда на включення режиму слідкування/ініціалізації (1: Включити вхід TR_I)
		Вхідні/вихідні параметри
OUT	REAL	абсолютне значення виходу регулятору (в ручному режимі може змінюватися з зовні PI_B)
		Вихідні параметри
OUTD	REAL	інкрементальне значення виходу регулятору (див. праграф 6.2.5)
MA_O	BOOL	Поточний режим виконання регулятора 1: Автоматичний режим 0: інший режим (ручний або режим слідкування)
DEV	REAL	Значення розузгодження (PV - SP)
STATUS	WORD	Слово статусу (використовується для контролю за помилками виконання PI_B)

Таблиця 6.4. Опис структурного типу Para_PI_B .

id	UINT	Використовується для алгоритму автопідстройки (AUTOTUNING)
pv_inf	REAL	обмеження по мінімуму вхідної величини завдання
pv_sup	REAL	обмеження по максимуму вхідної величини завдання
out_inf	REAL	обмеження по мінімуму вихідної величини блоку
out_sup	REAL	обмеження по максимуму вихідної величини блоку
rev_dir	BOOL	0: пряма робота регулятору (SP-PV) 1: зворотна робота регулятору (PV-SP)
en_rcpy	BOOL	1: використати вхід RCPY
kp	REAL	Коефіцієнт пропорційності
ti	TIME	Час інтегрування
dband	REAL	Зона нечутливості
outbias	REAL	зміщення виходу регулятора в П-режимі функціонування (при ti=0s)

Рис.6.7. Приклад використання функціонального блоку PI_B: зверху – фрагмент програми, знизу – опис змінних в редакторі Data Editor

ПІД регулятор PIDFF

Функціональний блок PIDFF реалізовує ПІД алгоритм регулювання та має ряд додаткових функції. Функціональна схема регулятора наведена на рис.6.8. Параметри PID_FF наведені в таблиці табл.6.5, приклад виклику на рис.6.10. Нижче наведемо особливості регулятора.

Рис.6.8 Функціональна схема ПІД-регулятора PIDFF

Функціональний блок PID_FF реалізовує ПІД алгоритм регулювання з двома типами структури: змішаною структурою (mix_par = FALSE) та паралельною структурою (mix_par = TRUE). Формула для розрахунку виходу регулятору зі змішаною (mixed) структурою наведена в (6.3).

(6.3)

Розрахунок виходу регулятора з паралельною (parallel) структурою наведений в (6.4) .

(6.4)

У формулах (6.3) та (6.4) - коефіцієнт пропорційності, ti - час інтегрування, td - час диференціювання, kd - коефіцієнт диференціювання, dev = (PV-SP) - розузгодження, - коефіцієнт масштабування, який розраховується за формулою

(6.5)

Формули (6.3) та (6.4) справедливі тільки для певних режимів роботи PIDFF.

У змішаній структурі (mix_par = FALSE) коефіцієнти підсилення K інтегральної та диференційної складової (рис.6.8) будуть рівними коефіцієнту пропорційності K=kp. У паралельній структурі (mix_par = TRUE) коефіцієнти підсилення розраховуються за формулою

(6.6).

При включеній інтегральній складовій ti>0, вхід для пропорційної складової розраховується за формулою:

(6.7)

де ovs_att - ваговий коефіцієнт (від 0 до 1), який призначений для запобігання перерегулювання при зміні завдання.

При ovs_att=0, розузгодження для пропорційної складової рахується за класичними формулами (6.3) або (6.4). При ovs_att=1 зміна завдання ніяк не впливає на розрахунок пропорційної складової, оскільки на вхід її подається тільки виміряне значення. Тобто в цьому режимі розузгодження використовується тільки в інтегральній та диференційній (при pv_dev=TRUE) складових. Значення в діапазоні 0-1 вказує наскільки пропорційна складова регулятору буде чутливою до зміни завдання.

Регулятор має диференційну складову (Derivate action) яка може працювати як по розузгодженню (при pv_dev=TRUE) так і по плинному значенню (при pv_dev=FALSE). Аналогічно до попередньої настройки, режим роботи pv_dev=FALSE, виключає реакцію диференційної складової на зміну завдання. Слід також звернути увагу, що інтегральна складова в формулах (6.3) та (6.4) включає додатковий фільтр 1-го порядку, який налаштовується параметром kd.

На відміну від PI_B, блоки нечутливості для dev та DEV_WGH окрім зони нечутливості (dband) мають настройку gain_kp, яка вказує на коефіцієнт підсилення(послаблення) розузгодження, коли його значення знаходиться в цій зоні. При gain_kp=0 блок нечутливості працює аналогічно як в PI_B. Статичні характеристики блоку при інших значеннях gain_kp показані на рис.6.9.

Ланка упередження (Feed Forward) дає можливість включити в контур управління сигнал упередження по збуренню, тим самим покращити динамічні характеристики процесу регулювання. Сигнал упередження масштабується відповідно до формули:

(6.8)

Формули 6.3 та 6.4 наведені в спрощеному вигляді для розуміння суті роботи ПІД регулятора. Функціональний блок PIDFF може працювати в режим ПІД/ПІ або П/ПД регулятора, що впливає на особливості розрахунків. У параграфі 6.2.5 розглянуті дійсні розрахункові формули, які використовуються в залежності від настройок PIDFF. Крім визначених в главі 6.1 режимів Manual/Automatic та Tracking, PIDFF може працювати в таких режимах:

режим абсолютного розрахунку (П/ПД-регулювання);
інкрементальний алгоритм ПІД-регулювання та І-регулювання;

Ці режими розглянуті в параграфі 6.2.5.

Приклад виклику екземпляру PIDFF показаний на рис.6.10.

Рис.6.9 Настройка зони нечутливості

Рис.6.10. Приклад виклику екземпляру “PIDFF_Instance” типу PIDFF в секції на мові FBD

Таблиця 6.5 Параметри функціонального блока PIDFF.

		Вхідні параметри
PV	REAL	значення вимірювальної величини (плинне значення)
SP	REAL	задане значення (уставка)
FF	REAL	сигнал упередження
RCPY	REAL	копія значення регульованого виходу як база для інкрементального розрахунку (наприклад стан виконавчого механізму)
MAN_AUTO	BOOL	Режим роботи регулятора: 1 : Автоматичний режим 0 : Ручний режим
PARA	Para_PIDFF	Параметри регулятора (див. таб.6.6)
TR_I	REAL	Вхід слідкування/ініціалізації
TR_S	BOOL	Команда на включення режиму слідкування/ініціалізації (1: Включити вхід TR_I)
		Вхідні/вихідні параметри
OUT	REAL	абсолютне значення виходу регулятору
		Вихідні параметри
OUTD	REAL	інкрементальне значення виходу регулятору (див. праграф 6.2.5)
MA_O	BOOL	Поточний режим виконання регулятора 1: Автоматичний режим 0: інший режим (ручний або режим слідкування)
INFO	Info_PIDFF	інформація про стан роботи PIDFF (див. таб.6.7)
STATUS	WORD	Слово статусу (використовується для контролю за помилками виконання PIDFF)

Таблиця 6.6. Опис структурного типу Para_PIDFF.

id	UINT	Використовується для алгоритму автопідстройки (AUTOTUNING)
pv_inf	REAL	обмеження по мінімуму вхідної величини завдання
pv_sup	REAL	обмеження по максимуму вхідної величини завдання
out_inf	REAL	обмеження по мінімуму вихідної величини блоку
out_sup	REAL	обмеження по максимуму вихідної величини блоку
rev_dir	BOOL	0: пряма робота регулятору (SP-PV) 1: зворотна робота регулятору (PV-SP)
mix_par	BOOL	1: регулятор з паралельною структурою 0: регулятор зі змішаною структурою
aw_type	BOOL	1: активація безударного режиму антинасичення
en_rcpy	BOOL	1: використати вхід RCPY
kp	REAL	Коефіцієнт пропорційності
ti	TIME	Час інтегрування
td	TIME	Час диференціювання
kd	REAL	Коефіцієнт фільтрації диференційної складової
pv_dev	BOOL	Режим розрахунку диференційної складової: 1: по розузгодженню (dev) 0: по плинному значенню (PV)
bump	BOOL	1: відсутність безударності при переході в автоматичний режим 0: активація безударності переходу в автоматичний режим
dband	REAL	Зона нечутливості
gain_kp	REAL	коефіцієнт підсилення(послаблення) розузгодження в зоні нечутливості
ovs_att	REAL	значення вагового коефіцієнта (від 0 до 1), що призначений для запобігання перерегулювання при зміні завдання
outbias	REAL	зміщення виходу регулятора в П/ПД-режимі функціонування (при ti=0s)
out_min	REAL	нижня межа для виходу регулятору
out_max	REAL	верхня межа для виходу регулятору
outrate	REAL	обмеження по швидкості зміни на виході одиниць/сек (≥0)
ff_inf	REAL	нижня межа значення FF
ff_sup	REAL	верхня межа значення FF
otff_inf	REAL	нижня межа значення out_ff
otff_sup	REAL	верхня межа значення out_ff

Таблиця 6.7. Опис структурного типу Info_PIDFF .

dev	REAL	розузгодження (PV-SP)
out_ff	REAL	значення упередження

Режими абсолютного та інкрементального розрахунку роботи PI_B/PIDFF

Виставивши параметр ti=0s, в структурі PIDFF та PI_B відключається інтегральна складова. У цьому випадку регулятор працює в режимі П або ПД (тільки PIDFF) регулятора, тобто абсолютного розрахунку. У цьому режимі вихід PIDFF розраховується за формулою:

(6.9) (6.10) (6.11)

де Pout - вихід пропорційної складової, Dout - вихід диференційної складової регулятора (тільки для PIDFF), які розраховуються по (6.10) та (6.11); OUTold - значення виходу на попередньому виклику блоку;OUTD - інкрементальне значення виходу, тобто різниця значень виходу між викликами; limiter - обмежувач виходу (див. рис.6.8); out_ff - сигнал упередження (тільки для PIDFF), що розраховується за (6.6).

Значення Pout в (6.9) для PI_B та PIDFF розраховується за формулою:

(6.12)

Значення Dout в (6.9) для PIDFF розраховується за формулою:

(6.13)

де всі змінні з індексом old – це значення, що розраховані на попередньому виклику кроку; dt – час між викликами блоку; при pv_dev=FALSE - в (6.13) замість значення dev використовується плинне значення вимірювальної величини PV; особливості розрахунку K дані в параграфі 6.2.4.

У формулах (6.12) і (6.13) sense - визначає знак (див. Reverse Direct на рис.6.8):

при rev_dir=TRUE, sense = +1,
при rev_dir=FALSE, sense =-1

При ti>0s, блоки PI_B та PIDFF працюють в режимі інкрементального розрахунку. Враховуючи наявність інтегральної складової, вихід OUT цих блоків розраховується як сума його значення на попередньому виклику та приросту на плинному кроці OUTD. Для PIDFF можливі два варіанти роботи алгоритмів:

нормальний інкрементальний алгоритм (aw_type = FALSE);
безударний інкрементальний алгоритм з антинасиченням (aw_type = TRUE);

У режимі використання нормального інкрементального алгоритму (ti>0s, aw_type = FALSE) виходи розраховуються за формулами:

(6.14) (6.15) (6.16)

де - прирости пропорційної, інтегральної та диференційної складової регулятора, які розраховуються за формулами (6.17)-(6.19); OUTold - значення виходу на попередньому виклику; RCPY - копія значення регульованого виходу (дійсний стан виконавчого механізму); - приріст упереджувального сигналу, який розраховується за формулою (6.20). У режимі І-регулятору, тобто при kp=0, приріст пропорційної та диференційної складової в (6.14) не враховуються. Для блоку PI_B складові та дорівнюють нулю.

(6.17) (6.18) (6.19) (6.20)

де всі змінні з індексом old – це значення, що розраховані на попередньому виклику кроку; dt – час між викликами блоку; ti - час інтегрування; Dout - вихід пропорційної складової, який розраховується за формулою (6.13); outff - сигнал упередження, що розраховується за формулою (6.8).

Антинасичення в такому алгоритмі досягається за рахунок використання інкрементальної форми та заборони інтегрування (6.16). Тобто “накопичення” інтеграла по своїй суті зберігається в самій змінній OUT, а заборона інтегрування - це обмеження величинами out_min та out_max. Крім того, така форма дає можливість безударного переходу з режиму ручний в автомат і навпаки, так як OUT використовується також як ручний вихід. Однак в такому режимі роботи короткочасні раптові зміни розузгодження (за рахунок, наприклад, диференційної складової) можуть привести до покидання зони насичення, тоді як вихід “класичного” ПІД регулятору продовжував би знаходитись в ній. Це може негативно відобразитися на процесі регулювання, тому альтернативою може бути використання безударного інкрементального алгоритму з антинасиченням, в якому може працювати блок PIDFF.

У режимі використання безударного інкрементального алгоритму з антинасиченням (ti>0s, aw_type = TRUE), розрахунок виходу блоку PIDFF ведеться за формулами:

(6.21) (6.22) (6.23)

де всі змінні з індексом old – це значення, що розраховані на попередньому виклику алгоритму; - прирости пропорційної, інтегральної та диференційної складових регулятора, які розраховуються за формулами (6.17)-(6.19); - приріст сигналу упередження, який розраховується за формулою (6.20); - коригуюче значення, яке розраховується за формулою:

(6.24)

У цьому режимі, вихід регулятора зберігається в змінній OUTc без обмеження по мінімуму та максимуму, що не обмежує інтегральну складову. Антинасичення досягається ослабленням інтегральної складової шляхом подачі коригуючого сигналу .

Блок ручного управління MS

Функціональні блоки регуляторів, в тому числі PI_B/PIDFF, мають вбудовані засоби переключення їх в ручний режим, з забезпеченням безперебійності. Нижче наведені випадки, для яких може знадобитися використання блоку ручного управління MS:

для управління аналоговими виходами, які управляються НЕ через алгоритми зі зворотним зв’язком (не за відхиленням);
для управління аналоговими виходами, які в ручному і в автоматичному режимах формуються окремими блоками (наприклад при каскадному регулюванні, переключенні між алгоритмами);
для управління серводвигунами в ручному режимі без використання регуляторів PI_B/PIDFF;

На рис.6.35 показана функціональна схема блоку MS, на рис.6.36 – приклад виклику блоку в FBD.

Вихід OUT в автоматичному режимі формується як сума входів IN та outbias, якщо зміщення активоване (use_bias=TRUE). У ручному режимі вихід міняється безпосередньо. У обидвох режимах абсолютне значення OUT обмежується по мінімуму і максимуму, а інкрементальне OUTD – не обмежується.

Рис.6.35.Функціональна схема блоку MS

Рис.6.36.Приклад виклику блоку MS

Таблиця 6.27 Параметри блоку MS

		Вхідні параметри
IN	REAL	Значення змінної в автоматичному режимі
FORC	BOOL	1:Режим ручний/автомат визначається входом MA_FORC 0: Режим ручний/автомат визначається входом MAN_AUTO
MA_FORC	BOOL	Режим ручний/автомат для FORC = 1 1: Автоматичний режим 0: Ручний режим
MAN_AUTO	BOOL	Режим ручний/автмат для FORC = 0 1: Автоматичний режим 0: Ручний режим
PARA	Para_MS	Параметр
TR_I	REAL	Вхід ініціалізації
TR_S	BOOL	Команда на включення ініціалізації (1: Включити вхід ініціалізації)
		Вхідні/вихідні параметри
OUT	REAL	абсолютне значення виходу
		Вихідні параметри
OUTD	REAL	інкрементальне значення виходу: різниця між вихідною величиною в плинному і попередньому циклах перерахунку OUTD
MA_O	BOOL	Плинний режим роботи регулятору (0: Ручний, 1: Автоматичний)
STATUS	WORD	Слово статусу

Таблиця 6.28. Опис структурного типу Para_MS

out_min	REAL	нижня межа для виходу регулятору
out_max	REAL	верхня межа для виходу регулятору
inc_rate	REAL	Швидкість наростання значення сигналу при переключенні руч./авт. (одиниць на секунду)
dec_rate	REAL	Швидкість спадання значення сигналу при переключенні руч./авт. (одиниць на секунду)
outbias	REAL	значення зміщення
use_bias	BOOL	1: Активувати зміщення
bumpless	BOOL	1: активувати безударність переходу руч/авт

Рис.6.37.Діаграма роботи безударного переходу руч./авт. в MS

Для реалізації безударності переходу з ручного в автоматичний режим (bumpless=TRUE) використовуються лінійні переходи з обмеженням по швидкості, які настроюються параметрами inc_rate та dec_rate. Таким чином, в момент переходу в автоматичний режим, різниця між IN та OUT буде зменшуватися відповідно до заданої швидкості (рис.6.37).

Рис.6.38.Діаграма роботи безударного переходу руч./авт. зі зміщенням в MS

Якщо активований параметр outbias (зміщення) тобто use_bias=TRUE, то безударність досягається за рахунок використання нового перерахованого значення зміщення (рис.6.38).

Безударний перехід є сенс активувати тоді, коли вхід IN підключений до регуляторів або інших блоків, в яких не реалізований безударний перехід. Приклад використання блоку MS показаний в параграфі 6.8.2.

Перемикач уставок SP_SEL

Функціональний блок призначений для переключення уставки (заданого значення SP) для регуляторів PI_B/PIDFF або аналогічних (див. рис.6.39). У локальному режимі (local mode, коли SP_RSP=FALSE) уставка змінюється безпосередньо через вхід/вихід SP, який повинен бути підключений до однойменного входу регулятору. У дистанційному режимі (remote mode, коли SP_RSP=TRUE) уставка змінюється через вхід RSP.

Функціональний блок має наступні властивості:

1) переключення між уставками в безударному режимі;

2) операції з уставками проводяться навіть в ручному режимі;

3) проводиться обмеження уставки по верхній і нижній межі;

При переключенні уставки з локального режиму в дистанційний, безударність забезпечується за рахунок плавної зміни виходу з швидкістю, заданою параметром rate.

Приклад використання SP_SEL показаний в параграфі 6.8.2.

Рис.6.39. Приклад виклику блоку SP_SEL

Таблиця 6.29. Параметри блоку SP_SEL

		Вхідні параметри
RSP	REAL	Дистанційна уставка
SP_RSP	BOOL	Вибір уставки 1 : Дистанційна уставка 0 : Локальна уставка
PARA	Para_SP_SEL	Параметри
PV	REAL	Плинне значення змінної управління
MA_I	BOOL	Операційний режим регулятору, до якого під’єднаний перемикач 1 : Автоматичний режим 0 : Ручний режим
		Вхідні/вихідні параметри
SP	REAL	Уставка регулятору
		Вихідні параметри
LSP_MEM	REAL	Локальна уставка в пам’яті
STATUS	WORD	Слово статусу

Таблиця 6.30 Опис структурного типу Para_SP_SEL


sp_min	REAL	Обмеження по мінімуму уставки
sp_max	REAL	Обмеження по максимуму уставки
bump	BOOL	У процесі зміни уставки локальної/дстанційної 1 : вихід SP форсується значенням LSP_MEM 0: безударний перехід
track	BOOL	1 : значення SP копіюється зі входу PV (тільки в локальному режимі)
rate	REAL	швидкість збільшення SP протягом зімни локальне/дистанційне в одиницю/секунду (≥0)

Зміна уставки з постійною швидкістю (RAMP)

Функціональний блок RAMP забезпечує плавну зміну виходу SP від попереднього значення до значення входу RSP (див. рис.6.40). Швидкість зміни налаштовується двома параметрами з Para_RAMP: на збільшення – inc_rate, на зменшення - dec_rate. Рівність SP=RSP сигналізується виходом DONE.

Блок RAMP може бути використаний для плавної зміни завдання або виходу регулятору, створеного користувачем.

Рис.6.40. Приклад виклику блоку RAMP

Рис.6.41. Приклад виклику блоку RAMP

Таблиця 6.31. Параметри блоку RAMP

		Вхідні параметри
RSP	REAL	Задане значення уставки
PARA	Para_RAMP	Параметри
TR_I	REAL	Значення ініціалізації
TR_S	BOOL	1 – включити ініціалізацію
		Вихідні параметри
SP	REAL	Вихідна уставка
DONE	BOOL	1: значення досягнуло уставки
STATUS	WORD	Слово стану

Таблиця 6.32 Опис структурного типу Para_RAMP

inc_rate	REAL	Швидкість нарощування в одиницях/секунду (≥0)
dec_rate	REAL	Швидкість спаду в одиницях/секунду(≥0)

Задатчик співвідношення (RATIO)

Функціональний блок RATIO забезпечує розрахунок завдання на виході за формулою:

(6.40)

де PV_TRACK – значення змінної, відносно якої розраховується завдання; bias – зміщення.

Рис.6.42. Приклад виклику блоку RATIO

Таблиця 6.33 Параметри блоку RATIO

		Вхідні параметри
PV	REAL	Значення вимірювальної величини, що подається на регулятор (тільки для розрахунку KACT)
PV_TRACK	REAL	значення змінної, відносно якої розраховується завдання
RK	REAL	дистанційний коефіцієнт співвідношення
K_RK	BOOL	Вибір джерела для коефіцієнта: “1”: коефіцієнт задається дистанційно входом RK “0”: локальний коефіцієнт, задається входом K
K	REAL	локальний коефіцієнт співвідношення
PARA	Para_RATIO	Пареметри
		Вихідні параметри
KACT	REAL	Реальний коефіцієнт співвідношення
SP	REAL	Розраховане завдання
STATUS	WORD	Слово стану

Таблиця 6.34 Опис структурного типу Para_RATIO


k_min	REAL	обмеження по мінімуму K та RK
k_max	REAL	обмеження по максимуму K та RK
sp_min	REAL	обмеження по мінімуму для розрахованого SP
sp_max	REAL	обмеження по максимуму для розрахованого SP
bias	REAL	Зміщення

Функціональний блок може бути використаний при слідкуючому регулюванні (наприклад регулятор співвідношення) для формування завдання регуляторам PI_B/PIDFF.

Крім реалізації лінійної залежності, блок має додаткові можливості (рис.6.43):

дистанційну зміну коефіцієнту K або RK;
обмеження по мінімуму та максимуму для K або RK;
обмеження по мінімуму та максимуму для розрахованого SP;
розрахунок реального коефіцієнта: KACT=(PV-bias)/PV_TRACK;

Рис.6.43. Функціональна схема RATIO

## 6.7. Цілочисельне регулювання (сімейство CLC_INT)

Процедури UNITY PRO для цілочисельного регулювання PID_INT, PWM_INT та SERVO_INT аналогічні функціям PID, PWM та SERVO, які використовувалися в PL7 PRO при програмуванні попередніх версій TSX Premium та TSX Micro. Дані процедури як правило використовують тільки для сумісності з конвертованими проектами з PL7, однак використання їх в нових проектах UNITY PRO також дозволяється. Альтернативою процедурам цілочисельного регулювання є більш потужні функціональні блоки бібліотеки управління, які наведені вище.

Структурна схема можливих варіантів контуру з цілочисельним ПІД-регулятором представлена на рис.6.50.

Рис.6.50. Структурна схема варіантів реалізації контуру з ПІД-регулятором

До структурної схеми можуть входити три процедури:

блок ПІД-регулятора (процедура PID_INT);
блок широтно-імпульсного перетворення (PWM_INT);
блок управління реверсивним двигуном (SERVO_INT).

При використанні аналогового виконавчого механізму, цілочисельний вихід блока ПІД подається на аналоговий вихід контролера. Якщо використовується електричний виконавчий механізм з постійною швидкістю обертання (наприклад виконавчий механізм типу МЕО) або крокові двигуни, цілочиселний вихід PID_INT за допомогою процедур PWM_INT або SERVO_INT перетворюється у послідовність імпульсів, які подаються на дискретні виходи. Для правильного функціонування процедур PID_INT, PWM_INT та SERVO_INT Задача, в якій вони викликаються повинна виконуватись у періодичному режимі!

Процедура PID_INT призначена для реалізації цілочисленьного ПІД-регулятора. Внутрішня структура процедури показана на рис.6.51, приклад виклику в програмі на мові FBD на рис.6.52, параметри PARA в таблиці 6.38. Слід звернути увагу на те, що цілочисельне регулювання базується на цілочисельній арифметиці, отже всі вхідні та вихідні значення являються типами INT, BOOL та DINT. Для кращого розуміння можна представити що регулювання відбувається у відсоткових діапазонах, де 0% - це 0, а 100% - це 10000.

Задане значення SP (Setpoint), яке подається на вхід регулятора, попередньо обмежується в діапазоні 0-10000 (0-100%). У середині процедури розраховується розузгодження ε=SP-PV, де PV (Process value) – вимірювальна величина. Розузгодження поступає на блок PID, де безпосередньо реалізований сам алгоритм ПІД-регулятора.

Настройки регулятора проводиться через параметри: КP – коефіцієнт пропорційності, ТI – постійна часу інтегрування, TD – постійна часу диференціювання. Диференційна складова може працювати в режимі диференціювання, розузгодження або вимірювальної величини. Вибір режиму проводиться параметром PV_DEV.

Вихід регулятора обмежується значеннями OUT_MIN та OUT_MAX, які теж є параметрами настройки регулятора. Після обмежувача виходу (Limiter) в автоматичному режимі (AUTO=1), це значення поступає на вихід OUTР. У ручному режимі роботи регулятора (AUTO=0), значення виходу береться зі входу OUT_MAN (ручне завдання).

Для безударності переходу з автоматичного у ручний режим, в ручному режимі вихід блоку PID (див. рис.6.51) повторює значення OUT_MAN. Включення/виключення безударного режиму проводиться через параметр NO_BUMP.

Рис.6.51. Внутрішня структура процедури PID_INT

Розрахунок виходу блоку PID залежить від настройок KP, TI, TD та режиму PV_DEV. Якщо TI>0 та TD>0, вихід розраховується за формулами:

(6.45)

при цьому в залежності від вибраного режиму диференціювання:

(6.46)

Індекс “i-1” в формулі (6.45) означає, що береться значення з попереднього виклику процедури. Коефіцієнти в процедурі PID_INT є цілочисельними значеннями, тому задаються наступним чином:

KP в 0.01, тобто якщо необхідно задати коефіцієнт пропорційності 1.56, тоді KP=156;
TI в 0.1 с, тобто якщо необхідно задати 100 с, то TI =1000;
TD в 0.1 с, тобто якщо необхідно задати 120 с, то TD =1200;

За допомогою параметра TS задається періодичність обробки процедури PID_INT в 0.01 с. Тобто ПІД регулятор може бути викликаний один раз на декілька циклів, що може заощадити часові ресурси процесора. Слід зазначити, що дійсна періодичність обробки буде кратною періоду Задачі.

Якщо TI=0 та TD=0, регулятор працює в П-режимі, тобто без інтегральної та диференційної складової. Можливий також варіант, коли TI=0, а TD>0, тобто регулятор працює в режимі ПД. Розрахунок виходу регулятору в П-режимі буде проводитись по формулі:

(6.47)

Значення 5000 береться з розрахунку, що нормальне положення виконавчого механізму є 50% від діапазону.

Використання даної процедури в контролерах TSX Micro, передбачало можливість настройки регуляторів в операторських панелях CCX-17. Тому для них в PID_INT були виділені спеціальні настройки. Враховуючи, дуже малу ймовірність використання знятих з виробництва CCX-17 з новими ПЛК Modicon, ці настройки коментувати не будемо.

На рис.6.52 показаний програмний інтерфейс процедури. Входи TAG (назва контуру) та UNIT(одиниці вимірювання) типу STRING використовуються для сумісності з старими панелями CCX-17 і можуть бути не задіяні.

Рис.6.52. Приклад виклику процедури PID_INT в FBD

З усіх змінних та параметрів процедури в інтерфейс явно виведені тільки PV (вимірювальна величина), AUTO (перемикач руч/авт) та OUT(вихід регулятору). Всі інші параметри задаються через масив PARA типу INT, який завжди має довжину 43 елементи. У прикладі рис.6.52 фактичним параметром PARA є змінна-масив PARA_AR, об’явлений як ARRAY[0..42] of INT. Крім параметрів регулятора, масив використовується для збереження проміжних результатів розрахунку, наприклад значення OUTi-1 з (3.3).

Таблиця 6.38 Таблиця параметрів (PARA) процедури PID_INT

Елемент масиву	Позначення	Призначення
PARA[0]	SP	Значення завдання (0-10000)
PARA[1]	OUT_MAN	Значення вихідної величини у ручному режимі (0-10000)
PARA[2]	KP	Коеф. пропорційності (в 0.1 долях) (-10000<KP<10000)
PARA[3]	TI	Пост.часу інт. (в 0.1 c) (0-20000)
PARA[4]	TD	Пост.часу диф. (в 0.1 c) (0-20000)
PARA[5]	TS	Дискретність обробки ( в 0.01 c) (1-32000)
PARA[6]	OUT_MAX	Обмеження виходу по максимуму (0-10000)
PARA[7]	OUT_MIN	Обмеження виходу по мінімуму (0-10000)
PARA[8].0	PV_DEV	вибір режиму диференціювання: 0-PV, 1- SP-PV
PARA[8].4	NO_BUMP	ВКЛ/ВИКЛ режиму безударності: 0-ВИКЛ, 1-ВКЛ
PARA[8].8	DEVAL_MMI	заборона використання ММІ
PARA[9]- PARA[16]	_MMI*	параметри тільки для операторських панелей CCX-17
PARA[18]- PARA[42]		дані для збереження проміжних результатів

Контрольні запитання

Які апаратні засоби є вбудовані в TSX Premium для реалізації контурів регулювання?
З яких основних частин складається прикладна програма ПЛК для реалізації контурів регулювання? Поясніть призначення кожної з цих частин.
Блоки FFB яких бібліотек використовуються для реалізації контурів регулювання в UNITY PRO? Які з них використовуються тільки для сумісності з проектами PL7 та Concept?
Блоки FFB якої бібліотеки рекомендується для реалізації контурів регулювання в UNITY PRO? Чи обов’язково користуватися для задач регулювання блоками саме цієї бібліотеки?
Поясніть призначення та особливості функціонування режиму слідкування (Tracking) FFB-блоків бібліотеки ControllLIB. Який пріоритет має цей режим по відношенню до режиму ручний/автомат?
Поясніть призначення та особливості функціонування ручного та автоматичного режимів FFB-блоків бібліотеки ControllLIB. Який пріоритет має цей режим по відношенню до режиму слідкування?
Яким чином контролюється виконання FFB бібліотеки ControllLIB? Які типові помилки можуть виникнути при обробці блоку?
Чи обов’язково викликати блоки регуляторів ControllLIB строго періодично?
Розкажіть про призначення FFB блоків сімейства Controller бібліотеки ControllLIB.
Розкажіть про призначення та функціонування SAMPLETM. Чи обов’язкове їх використання тільки з блоками регуляторів?
Використовуючи функціональну схему поясніть основні принципи роботи блоку регулятору PI_B.
Яким чином блок PI_B переводиться в П- та ПІ-режим регулювання? Поясніть відмінності роботи цих режимів.
Поясніть призначення полів структури Para_PI_B .
Використовуючи функціональну схему поясніть основні принципи роботи блоку регулятору PIDFF.
Поясніть призначення полів структури Para_PIDFF .
Чим відрізняється вихід OUTD від OUT в регуляторах блоків PI_B та PIDFF? Навіщо кожен з них використовується?
Розкажіть про призначення входу RCPY. Як активувати режим використання RCPY?
Розкажіть про функціонування блоків PI_B/PIDFF в режимі абсолютного розрахунку.
Розкажіть про функціонування блоків PI_B/PIDFF в інкрементальному режимі роботи.
Як Ви розумієте термін безударність переходу? Між якими режимами і яким чином реалізована безударність переходу в блоках PI_B та PIDFF?
Розкажіть про призначення та функціонування STEP2.
Розкажіть про призначення та функціонування STEP3.
Розкажіть про призначення та функціонування HYST.
Розкажіть про призначення та функціонування INDLIM.
Розкажіть про призначення та функціонування процедури LOOKUP_TABLE.
Розкажіть про призначення та функціонування DEAD_ZONE.
Розкажіть про призначення та функціонування SAH.
Розкажіть про призначення та функціонування AVGMV та AVGMV_K.
Розкажіть про призначення та функціонування K_SQRT.
Розкажіть про призначення та функціонування MFLOV.
Розкажіть про призначення та функціонування MULDIV_W та SUM_W.
Розкажіть про призначення та функціонування SERVO.
Яким чином блоки управління серводвигунами можуть визначати положення регулюючого органу?
Як контролюється блоком SERVO досягнення регулюючим органом крайніх положень? Як при цьому веде себе блок?
Які особливості обробки серводвигунів в автоматичному та ручному режимах? Розкажіть про призначення входу SEN.
Розкажіть про роботу блоку управління серводвигуном в режимі активації RCPY? Як при цьому правильно з’єднувати SERVO та регулятор? Що необхідно передбачити в програмі в ручному режимі?
Розкажіть про роботу блоку управління серводвигуном в режимі без RCPY? Як при цьому правильно з’єднувати SERVO та регулятор? Що необхідно передбачити в програмі в ручному режимі?
Навіщо задаються в блоці управління серводвигунами параметри t_motor та t_mini?
Розкажіть про призначення та функціонування PWM1.
Розкажіть про призначення та функціонування MS. У яких випадках необхідно використовувати цей функціональний блок?
Розкажіть про призначення та функціонування SP_SEL.
Розкажіть про призначення та функціонування RAMP.
Розкажіть про призначення та функціонування RATIO.
Розкажіть про призначення та функціонування SCALING.
Розкажіть про призначення та функціонування DTIME.
Розкажіть про призначення та функціонування INTEGRATOR.
Розкажіть про призначення та функціонування LAG_FILTER.
Розкажіть про призначення та правила використання процедур цілочисельного регулювання. У якому режимі повинна виконуватися задача, в якій ці процедури виконуються?
Розкажіть про призначення та функціонування PID_INT.
Розкажіть про призначення та функціонування SERVO_INT.
Розкажіть про призначення та функціонування PWM_INT.

Теоретичне заняття розробив Прізвище або нік розробника Імя.