2022年分布式控制技術與應用-復習重點總結

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雜應運而生的綜合控制系統(tǒng)，其實質(zhì)是利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。它采用分散遞階結構，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、

2、危險分散，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，在它們的基礎上發(fā)展起來的一門系統(tǒng)工程技術。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)）和現(xiàn)場總線）、高層管理網(wǎng)絡。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構、通訊系統(tǒng) （包括系統(tǒng)網(wǎng)絡現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構層、裝置控制層

3、、工廠監(jiān)控與管理層、企業(yè)經(jīng)營管理層 5. 為什么采用遞階控制結構 1 ）網(wǎng)絡結構 ，將各個子系統(tǒng)通過總線連接起來 2 ）分層結構 ，由工程師站、操作站、控制站和操作系統(tǒng)組成 3 ）主從結構 ，集中操作、分散控制6. OSI模型應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。共 7 層，自上而下：原則：每一層都必須有一個完整的功能，每層的通信協(xié)議都應該以國際標準化的眼光來看，所選的層邊界應盡量將通過接口的信息流減至最低，層次的數(shù)目不要多的使結構大 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

4、 PID 結構圖 數(shù)字 PID 閉環(huán)系統(tǒng)結構圖：2. 比例調(diào)節(jié) 的功能 / 缺陷 優(yōu)點：反應快 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果，雖然誤差不變， 但積分器的輸 u0，消除靜差，使 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 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：技術成熟，結構靈活，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

5、 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)關系進行計算，其運算結果用于輸出控制。5. 位置式 / 增量式的 PID 控制算法位置式算法：t k d ( ) e k e k 1 T S k T Do et t T S e d t T S u k K e kT j 0 e jT S ( e k e k 1 ) u 0j 0增量式算法：u k K P e k T s ke j T D ( e k e k 1 ) u 0T j 0 T sT s k 1 T D

6、u k 1 K P e k 1 e j ( e k 1 e k 2 ) u 0T I j 0 T su k u k u k 1 K P e k e k 1 T se k T D( e k 2 e k 1 e k 2 )T I T sK p e k ( ) K e k ( ) K D e k ( ) 2 ( e k 1) e k 2)增量式控制算法提供執(zhí)行機構的增量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

7、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，uumax，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

8、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| ），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，

9、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)有更大的適應性，工業(yè)過程的許多場合把前饋控制和反饋控制結合起來，實現(xiàn)前饋控制與反饋控制相結合的 控制模式 。FFCFBC）反饋、前饋取長補短，形成前饋反饋控制方案（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

10、的補償方案FResGcG pGpesGfFYGfR_GcGpesY_Gk_16. 推斷控制結構圖（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，來實現(xiàn)反饋控制。特點：1. PLC 的用途和特點由可測信息將不可測的輸出變量或不可測擾動推算出第三章用途：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)結構簡單、通用性強、 應用靈活； 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 的結構形式 整體式結構、組合式結構 3. PLC 的

11、工作原理 PLC 工作工程實際上周而復始地執(zhí)行讀輸入掃描過程 執(zhí)行程序 與網(wǎng)絡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 / 軟件結構（ PPT15頁圖）硬件 ：中央處理器 （CPU）， 存儲器 （包括系統(tǒng)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用程序。）。廣義上的 PLC程序構成：用戶程序、數(shù)據(jù)塊、參數(shù)塊。6. 系統(tǒng)程序（ PPT117頁）7. PLC

12、 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設備單元CPU與現(xiàn)場設備相互聯(lián)系的通道，可實現(xiàn)電平轉換、電氣隔離、串/I/O 設備單元保證并轉換、 A/D 與 D/A 轉換。9. 開關量輸出單元：管輸出單元繼電器 輸出單元、 晶體管 輸出單元、 晶閘10. 梯形圖的設計和編程規(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）可重復出現(xiàn)。 在一個邏輯行上，串聯(lián)觸點多的支路應放在上方

13、，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 。設計梯形圖時，輸入繼電器的觸點狀態(tài)全部按相應的輸入設備為常開狀態(tài)進行設計更為合適，不易出錯。 因此， 也建議盡可能用輸入設備的常開觸點與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控制電路延時接通 展閃爍電路報警電路/ 斷開電路定時范圍的擴12. 延時接通 / 斷開 T37 、T38 為通電型延時

14、繼電器，分辨率為 100ms，PT 為設定 值，其延時時間為：分辨率 *設定值。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

15、號使I0.0斷開，報警指示燈熄滅。第四章 1. CPU 程序的塊結構循環(huán)操作系統(tǒng)DBDBSFCOBFCFB定時組織塊過程FBFCSFB故障圖例：FB最大嵌套深度：OB-組織塊S7-300：8FB-功能塊16（CPU318）FC-功能S7-400：24SFB-系統(tǒng)功能塊FB帶背景數(shù)據(jù)塊2至4個附加級給故障 OBSFC-系統(tǒng)功能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、復雜數(shù)據(jù)類型或參數(shù)類型

16、。4. 數(shù)據(jù)塊分類（1）共享數(shù)據(jù)塊（ 2）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. 結構化 / 如何定義所謂結構化程序，就是處理復雜自動化控制任務的過程中，為了使任務更易于控制，常把過程要求類似或相關的功能進行分類，分割為可用于幾個任務的通用解決方案的小任務，這些小任務以相應的程序段表示，稱為塊（個自動化控制任務。FC 或 FB）。 OB1通過調(diào)用這些程序塊來完成整結構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。這種結構可簡化程序設計過程、

17、減小代碼長度、 提高編程效 率，比較適合于較復雜自動化控制任務的設計。7. 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(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

18、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現(xiàn)由紅色虛線表示的原連續(xù) 信號，且 采樣周期越小，復現(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G(z )C(z)輸出脈沖序列的Z變換輸入脈沖序列的變換R(z )Z6. (z) 、D(z) 公式 PPT56 D(z )G(z )1(C(z)1D(z ) G(z )e(z )R(z)D(z) G(z)z )D(z )1(z )(z )(z )Ge(z )7. 典型信號輸入的響應（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. PP

19、T63 頁：響應的特點 / 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 適應性特點 ( 結論 ) PPT66 最少拍控制器的適應性特點：對應同階輸入可以實現(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)響應慢、且有穩(wěn)態(tài)誤差。 結論：一種典型的最少拍 ( z) 只適用于該類型的輸入。11. D(z) 如何求， PPT67 12. 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

20、）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 PPT93 18. 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、鍵盤等設備或者語音等輸入設備對生產(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