上海工程技術(shù)大學分布式控制技術(shù)與應(yīng)用復(fù)習重點總結(jié)

1、第一章1. 從歷史沿革來談為什么采用DCS?由常規(guī)模擬儀表組成的控制系統(tǒng)在工業(yè)過程控制中曾長期占據(jù)統(tǒng)治地位，但隨著生產(chǎn)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷增加，其局限性越來越明顯。而最初的計算機控制（直接計算機控制DDC)系統(tǒng)雖然克服了常規(guī)模擬儀表的局限性，但由于一臺計算機控制著幾十甚至幾百個回路，同時對幾百、上千個變量進行監(jiān)視、操縱、報警，危險高度集中。 分布式控制系統(tǒng)（DCS）是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起和制造過程的日益復(fù)雜應(yīng)運而生的綜合控制系統(tǒng)，其實質(zhì)是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。它采用分散遞階結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了集中管理、分散控制的思想，實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能分散、危險分散

2、，具有控制功能強、操作簡便和可靠性高等特點。它既不同于分散的儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式計算機控制系統(tǒng)，而是吸收了兩者的優(yōu)點，在它們的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門系統(tǒng)工程技術(shù)。2. 分布式控制的組成，每部分的功能DCS主要包括：控制站（完成過系統(tǒng)的運算處理控制，是DCS的核心部分，系統(tǒng)主要的控制由他完成）、操作站（完成人機界面功能、供操作員操作監(jiān)視）、工程師站（對DCS進行應(yīng)用組態(tài)和編程用于離線組態(tài)、在線修改和操作系統(tǒng)開發(fā)）、通訊系統(tǒng)（包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線）、高層管理網(wǎng)絡(luò)。3. 分布式控制的主要特點：集中管理、分散控制。4. 分布式控制的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)層、裝置控制層、工廠監(jiān)控與管理層、企

3、業(yè)經(jīng)營管理層5. 為什么采用遞階控制結(jié)構(gòu) 1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將各個子系統(tǒng)通過總線連接起來 2）分層結(jié)構(gòu)，由工程師站、操作站、控制站和操作系統(tǒng)組成 3）主從結(jié)構(gòu)，集中操作、分散控制6. OSI模型共7層，自上而下：應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。原則：每一層都必須有一個完整的功能，每層的通信協(xié)議都應(yīng)該以國際標準化的眼光來看，所選的層邊界應(yīng)盡量將通過接口的信息流減至最低，層次的數(shù)目不要多的使結(jié)構(gòu)大而不當、也不要少的讓不同功能合并在同一階層中。7、開放系統(tǒng)的基本特征可移植性、可操作性、可適宜性、可得到性。第二章1. 數(shù)字/模擬PID結(jié)構(gòu)圖數(shù)字PID閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：2. 比例調(diào)

4、節(jié)的功能/缺陷優(yōu)點：反應(yīng)快 缺點：不能完全消除靜差。3. 積分器/微分器的作用積分器：積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果，雖然誤差不變，但積分器的輸出還在增加，直至使誤差e=0。積分器的加入相當于能自動調(diào)節(jié)控制常量u0，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分器：減小超調(diào)，克服振蕩，提高穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)動態(tài)特性。4. 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點/原理圖優(yōu)點：技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變種，如PI、PD控制、不完全微分控制、積分分離式PID控制、帶死區(qū)的PID控制、變速積分PID控制、比例PID控制等；易被人們熟悉和掌握；不需要求出數(shù)學模型；控

5、制效果好。原理：根據(jù)輸入的偏差信號，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行計算，其運算結(jié)果用于輸出控制。 5. 位置式/增量式的PID控制算法位置式算法：增量式算法： 增量式控制算法提供執(zhí)行機構(gòu)的增量uk，只需要保持現(xiàn)時以前3個時刻的偏差值即可。 6. 為什么采用增量式的PID控制算法 位置算法易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，同時難以手/自動切換。 增量算法和速度算法可消除積分飽和現(xiàn)象，易實現(xiàn)手/自動切換。7. 積分飽和是如何產(chǎn)生的如果由于負載突變等原因，引起誤差的階躍，若根據(jù)PID算法公式計算出的控制量u超出了控制范圍，例如，u>umax，那么實際上控制變量u就只能取上界值umax，而不是計算值，此時系

6、統(tǒng)變量Y輸出值雖在不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長要比沒有受限制時慢，誤差e將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在正值，而使公式中的積分項有較大的累積值，當過程變量輸出值Y超出給定值后，開始出現(xiàn)負差，但由于積分項的累積值很大，還要經(jīng)過一段時間t后，控制變量u才脫離飽和區(qū)，這樣就使系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，這種飽和作用是由積分項引起的，故稱為積分飽和。8. 積分分離的方法一種辦法是只在UI與UP同方向時，才把積分引入；而在UI與UP反方向時，把UI切除，這在計算機上是很容易辦到的。是只在小于某一界限（例如|e|<為某一常數(shù)）時，即被控變量相當接近設(shè)定值時，才把UI引入，而在其余情況下（|e|&

7、gt;），把UI切除9. 帶有邏輯運算規(guī)律的選擇性控制系統(tǒng)-鍋爐蒸汽系統(tǒng)圖10. 前饋控制所謂前饋控制，實質(zhì)上是一種按擾動進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。特點：當擾動產(chǎn)生后，被控變量還未顯示出變化以前，根據(jù)擾動作用大小進行調(diào)節(jié)，以補償擾動作用對被控變量的影響。11. 分布式控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)前饋控制與反饋控制相結(jié)合控制模式？前饋控制實質(zhì)是一種按擾動進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)，其作用是使被控制變量不受主要擾動作用而產(chǎn)生偏差，其特點是當擾動產(chǎn)生后，被控制變量還未顯示出變化以前，根據(jù)擾動大小進行調(diào)節(jié)，以補償擾動對被控對象的影響。而反饋控制是誤差控制，其作用是克服其余擾動以及前饋補償不完全的部分。要實現(xiàn)完全補償并非

8、易事，因為要得到工業(yè)過程的精確數(shù)學模型是十分困難的；同時擾動也不是特定的一種。為保證系統(tǒng)有更大的適應(yīng)性，工業(yè)過程的許多場合把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，實現(xiàn)前饋控制與反饋控制相結(jié)合的控制模式。 反饋、前饋取長補短，形成前饋反饋控制方案（FFCFBC） 對主要干擾進行前饋控制校正及時 對其它干擾進行反饋控制反饋校正，多干擾控制12. 解耦控制13. 串聯(lián)解耦控制的原理 14. 討論時滯補償控制在三個通道上對控制品質(zhì)的影響（課上講的重點）15. 史密斯補償控制的補償方案 16. 推斷控制結(jié)構(gòu)圖（重點）系統(tǒng)程序-反饋推斷用途：推斷控制是利用數(shù)學模型，由可測信息將不可測的輸出變量或不可測擾動推算出來實

9、現(xiàn)反饋控制。特點：第三章1. PLC的用途和特點用途：順序控制、運動控制、閉環(huán)過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)。特點：抗干擾能力強、可靠性高；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、應(yīng)用靈活；編程方便、易于使用；功能完善、擴展能力強；PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便；維修方便、維修工作量??；體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化。2. PLC的結(jié)構(gòu)形式整體式結(jié)構(gòu)、組合式結(jié)構(gòu)3. PLC的工作原理PLC工作工程實際上周而復(fù)始地執(zhí)行讀輸入掃描過程 執(zhí)行程序 與網(wǎng)絡(luò)通訊的掃描過程 自診斷掃描過程 寫輸出掃描4. PLC的組成 5. PLC的硬件/軟件結(jié)構(gòu)（PPT15頁圖）硬件：中央處理器（CPU），存儲器（包括系統(tǒng)

10、存儲器和用戶存儲器），輸入、輸出接口，電源，擴展接口，通訊接口，智能I/O接口，智能單元，其他部件。軟件：系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序、標準程序模塊及系統(tǒng)調(diào)用程序）、用戶程序（它是PLC的使用者針對具體控制對象編制的應(yīng)用程序。）。廣義上的PLC程序構(gòu)成：用戶程序、數(shù)據(jù)塊、參數(shù)塊。6. 系統(tǒng)程序（PPT117頁）7. PLC的編程語言三種語言：梯形圖、指令表、順序功能流程圖。8. I/O設(shè)備單元I/O設(shè)備單元保證CPU與現(xiàn)場設(shè)備相互聯(lián)系的通道，可實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換。9. 開關(guān)量輸出單元：繼電器輸出單元、晶體管輸出單元、晶閘管輸出單元10. 梯形圖的

11、設(shè)計和編程規(guī)則Ladder編程規(guī)則自上而下、從左到右，每個繼電器線圈為一個邏輯行，即一 層階梯。每一個邏輯行起于左母線，然后是觸點的連接，最后終止于繼電器線圈或右母線。一般情況下，在梯形圖中某個編號繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而繼電器觸點（常開/常閉）可重復(fù)出現(xiàn)。在一個邏輯行上，串聯(lián)觸點多的支路應(yīng)放在上方，如果將串聯(lián)觸點多的支路放在下方，則語句增多，程序變長在每一個邏輯行上，并聯(lián)觸點多的支路應(yīng)放在左邊。如果將并聯(lián)觸點多的電路放在右邊，則語句增多，程序變長。不允許一個觸點上有雙向“電流”通過多個邏輯行都具有相同條件時，為了節(jié)省語句數(shù)量，常將這些邏輯行合并。設(shè)計梯形圖時，輸入繼電器的觸點狀態(tài)全部按相應(yīng)

12、的輸入設(shè)備為常開狀態(tài)進行設(shè)計更為合適，不易出錯。因此，也建議盡可能用輸入設(shè)備的常開觸點與PLC輸入端連接。11. 典型的梯形圖起保停起動保持和停止電路電動機正反轉(zhuǎn)控制電路延時接通/斷開電路定時范圍的擴展閃爍電路報警電路 12. 延時接通/斷開 T37、T38為通電型延時繼電器，分辨率為100ms，PT為設(shè)定值，其延時時間為：分辨率*設(shè)定值。所以T37延時時間=90*100=9s T38延時時間=60*100=6s。 當輸入端為1時，開始計數(shù)，到延時時間，輸出為高電平。13. 典型電路 故障信號I0.0接通時Q0.0（蜂鳴器）響；同時特殊存儲器SM0.5（1s時鐘脈沖）周期性通/斷，使Q0.1也

13、跟著周期性的通/斷，使與之相連的報警指示燈發(fā)光閃爍。 待工作人員發(fā)現(xiàn)后，按下蜂鳴器復(fù)位按鈕I0.1，使位存儲器M0.1接通，其常開觸點閉合自鎖，另一常開觸點閉合，使Q0.1持續(xù)接通，報警指示燈停止閃爍持續(xù)發(fā)光。待故障排除后去掉故障信號使I0.0斷開，報警指示燈熄滅。第四章1. CPU程序的塊結(jié)構(gòu)2. 程序循環(huán)執(zhí)行3. 數(shù)據(jù)存儲有哪幾種類型數(shù)據(jù)以用戶程序變量的形式存儲，且具有唯一性。數(shù)據(jù)可以存儲在輸入過程映像存儲器（PII）、輸出過程映像存儲器（PIQ）、位存儲器（M）、局部數(shù)據(jù)堆棧（L堆棧）及數(shù)據(jù)塊（DB）中。可以采用基本數(shù)據(jù)類型、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型或參數(shù)類型。4. 數(shù)據(jù)塊分類（1）共享數(shù)據(jù)塊（2）

14、背景數(shù)據(jù)塊（3）用戶定義數(shù)據(jù)塊5. 寄存器CPU有兩個數(shù)據(jù)塊寄存器：DB和DI寄存器。這樣，可以同時打開兩個數(shù)據(jù)塊。6. 結(jié)構(gòu)化/如何定義所謂結(jié)構(gòu)化程序，就是處理復(fù)雜自動化控制任務(wù)的過程中，為了使任務(wù)更易于控制，常把過程要求類似或相關(guān)的功能進行分類，分割為可用于幾個任務(wù)的通用解決方案的小任務(wù)，這些小任務(wù)以相應(yīng)的程序段表示，稱為塊（FC或FB）。OB1通過調(diào)用這些程序塊來完成整個自動化控制任務(wù)。結(jié)構(gòu)化程序的特點是每個塊（FC或FB）在OB1中可能會被多次調(diào)用，以完成具有相同過程工藝要求的不同控制對象。這種結(jié)構(gòu)可簡化程序設(shè)計過程、減小代碼長度、提高編程效率，比較適合于較復(fù)雜自動化控制任務(wù)的設(shè)計。7

15、. 編程第五章1. 最小拍控制特點： （1）若參數(shù)不變，可實現(xiàn)時間最優(yōu)控制 （2）本質(zhì)是開環(huán)控制 （3）加反饋環(huán)節(jié)可實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制2. 定義(最小拍控制)要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入下在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài)，且其閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)式其中，N是可能情況下的最小正整數(shù)，即閉環(huán)脈沖響應(yīng)(z)在N個周期后變?yōu)?。3. 零階保持器的作用-恒值外推 零階保持器的作用是保持離散信號各采樣時刻的值不變直到下一個采樣時刻止，從而形成由高度為各采樣時刻值的矩形波組成的脈動序列，如上圖再將各矩形波頂邊的中點用一條光滑的曲線連接成上圖中綠色虛線此綠色虛線就能較準確地復(fù)現(xiàn)由紅色虛線表示的原連續(xù)信號，且采樣

16、周期越小，復(fù)現(xiàn)精度越高。一階保持器（線性外推）4. Z變換(計算題)5. 脈沖傳遞函數(shù)的概念6. (z)、D(z)公式 PPT56 7. 典型信號輸入的響應(yīng)（1）單位階躍輸入信號（2）單位斜坡輸入信號（3）單位拋物線輸入信號8. PPT59-60圖同上題9. PPT63頁：響應(yīng)的特點/差別在哪兒輸入為斜坡時加速度輸入時10. 最小拍控制器的適應(yīng)性特點(結(jié)論) PPT66 最少拍控制器的適應(yīng)性特點： 對應(yīng)同階輸入可以實現(xiàn)最小拍跟蹤。 對于低階輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為0，但動態(tài)特性較差，有100超調(diào)，且不能最小拍跟蹤。 對于高階輸入動態(tài)響應(yīng)慢、且有穩(wěn)態(tài)誤差。 結(jié)論： 一種典型的最少拍(z)只適用于該類型的

17、輸入。11. D(z)如何求，PPT6712. 零階保持器的處理方法 PPT70采樣周期足夠小時，可忽略保持器雙線性變換法14.15. 最小拍控制系統(tǒng)的局限性（1）系統(tǒng)的適應(yīng)性差（2）對參數(shù)變化過于靈敏（3）控制作用易超過限定范圍（4）在采樣點之間存在紋波16. 為什么存在紋波17. 紋波產(chǎn)生的原因 PPT9318.第八章1. DCS操作方式儀表盤的操作方式，指過程控制站的操作在儀表盤上進行，它通常包括盤裝的單回路、多回路控制器、可編程邏輯控制器、模擬儀表和簡易型操作終端的操作。主要用于采用單回路控制器、可編輯邏輯控制器等模擬儀表盤的場合。CRT操作方式，它通過生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視和操作實現(xiàn)對生

18、產(chǎn)過程的介入，通過操作站的CRT、觸摸屏幕、鼠標或球標、鍵盤等設(shè)備或者語音等輸入設(shè)備對生產(chǎn)過程的操作以及對系統(tǒng)進行控制和維護等操縱。2. 組態(tài)的內(nèi)容分布式控制系統(tǒng)的組態(tài)包括系統(tǒng)組態(tài)、畫面組態(tài)和控制組態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)完成組成系統(tǒng)的各設(shè)備間的連接。畫面組態(tài)完成操作站的各種畫面、畫面間連接。控制組態(tài)完成各控制器、過程控制裝置的控制結(jié)構(gòu)連接、參數(shù)設(shè)置等。趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)報表打印及畫面拷貝等組態(tài)常作為畫面組態(tài)或控制組態(tài)的一部分來完成。3. CRT的操作方式CRT操作方式指通過操作站的CRT、觸摸屏幕、鼠標或球標、鍵盤等設(shè)備或者語音等輸入設(shè)備對生產(chǎn)過程的操作以及對系統(tǒng)進行控制和維護等操縱。4. 人機接口的要求在CRT操作方式中的人機接口裝置主要是操作站及其外部設(shè)備。對它們的要求主要有環(huán)境要求、輸入特性和圖形特性的要求。（1）環(huán)境要求?？販貪崈?；供電穩(wěn)定；與互聯(lián)設(shè)備近距離通信。（2）輸入特性。輸入設(shè)備逐漸由鍵盤向鼠標、機械式向光電式和屏蔽式的轉(zhuǎn)變。（3）圖形特性。要求不斷提高色彩、分辨率、內(nèi)存級和數(shù)據(jù)存儲能力。5. 組態(tài)操作分布式控制系統(tǒng)的組態(tài)操作包括分散過程控制裝置和操作站的組態(tài)，可延伸到現(xiàn)場智能變送器、一體化安裝的帶控制器的執(zhí)行機構(gòu)的組