第9章分布式控制系統(tǒng)課件

第九章分布式計算機控制系統(tǒng)楊根科上海交通大學(xué)自動化系2009年3月1專業(yè)課件內(nèi)容提要概述分布式控制的技術(shù)發(fā)展分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器分布式計算機控制系統(tǒng)和先進控制分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用小結(jié)2專業(yè)課件1概述分布式控制系統(tǒng)概念

◆分布式計算機控制系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)，簡稱DCS（DistributedControlSystem），它是一個為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求，從綜合自動化的角度出發(fā)，按功能分散、管理集中的原則構(gòu)思，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，綜合計算機（Computer）、通信（Communication）、終端顯示（CRT）和控制（Control）技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)3專業(yè)課件概述（續(xù)）DCS的發(fā)展

◆

第一階段（1975年—1980年）

—代表產(chǎn)品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，F(xiàn)oxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等

—主要由過程控制單元PCU、數(shù)據(jù)采集裝置DAU、CRT操作站、監(jiān)控計算機和數(shù)據(jù)高速公路HW五部分組成

4專業(yè)課件概述（續(xù)）◆

第二階段（1980年—1985年）

—主要代表產(chǎn)品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的CentumA，B，D等

—主要由局部網(wǎng)絡(luò)LAN、多功能控制器MC、增強型操作站EOS、通用操作站US、網(wǎng)間連接器GW、系統(tǒng)管理模塊SMM和主計算機HC七部分組成

5專業(yè)課件概述（續(xù)）◆

第三階段（1985年—1990年）

—DCS向計算機網(wǎng)絡(luò)控制擴展，將過程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進一步結(jié)合起來，并且加強斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)和開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)的制造自動化協(xié)議MAP標準，以及硬件上的諸多新技術(shù)，從而克服了自動化孤島問題

—典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等6專業(yè)課件概述（續(xù)）◆

第四階段（1990年以后）

—DCS以管控一體化出現(xiàn)，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了工廠信息網(wǎng)，并可與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統(tǒng)的軟件更豐富，一些優(yōu)化和管理良好的界面的軟件被開發(fā)并移植到DCS中

—典型產(chǎn)品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng)，日本橫河公司的Centum-CS控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的I/AS50/51系統(tǒng)等7專業(yè)課件概述（續(xù)）DCS的特點

◆

分級遞階控制

◆硬件積木化

◆

軟件模塊化：工程師站組態(tài)軟件、操作站實時監(jiān)控軟件以及過程控制站軟件

◆

控制系統(tǒng)用組態(tài)方法生成

◆

通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

◆

可靠性高：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)、抗干擾技術(shù)和高性能的元件

◆

開放系統(tǒng)：可移植性、互操作性、可適宜性、可得到性8專業(yè)課件概述（續(xù)）DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)9專業(yè)課件概述（續(xù)）◆分散過程控制級（面向生產(chǎn)過程）

★功能：完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制等功能

★裝置：現(xiàn)場控制站（工業(yè)控制機）可編程序控制器（PLC）

智能調(diào)節(jié)器其它測控裝置

10專業(yè)課件概述（續(xù)）

★現(xiàn)場控制站

—主要由機箱（柜）、電源、PC總線工業(yè)控制機、通信控制單元、手動、自動顯示操作單元等構(gòu)成

—其功能主要有6種，即數(shù)據(jù)采集功能、DDC控制功能、順序控制功能、信號報警功能、打印報表功能、數(shù)據(jù)通信功能

11專業(yè)課件概述（續(xù)）★智能調(diào)節(jié)器

—一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表—智能調(diào)節(jié)器不僅可接受4～20mA，DC電流信號輸入的設(shè)定值，還具有異步通信接口RS－422／485、RS－232等，可與上位機連成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，接受上位機下傳的控制參數(shù)，并上報各種過程參數(shù)

12專業(yè)課件備注:RS-232422485RS232、RS422、RS485都是串行數(shù)據(jù)接口標準，最初都由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布。RS232在1962年作為工業(yè)標準發(fā)布，以保證不同廠商間產(chǎn)品通訊的兼容。RS422由RS232改進發(fā)展而來，為彌補RS-232的不足而提出，RS232存在通訊距離短、速率低的缺點。RS422定義了一種差分信號傳輸系統(tǒng)，將傳輸速率上限提高到10Mb/S，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。歸納來說，RS422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸?shù)囊?guī)范。為了擴展應(yīng)用范圍，在RS422的基礎(chǔ)上制訂了RS485標準。作為RS422的一個子集，RS485增加了多點、雙向通信能力。從RS232到RS422、RS485，都只對接口的電氣特性作出規(guī)定，而不涉及上層協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。13專業(yè)課件備注:RS-232422485RS485。設(shè)備地址（單個或全體設(shè)備）+功能代碼+數(shù)據(jù)域+校驗。14專業(yè)課件概述（續(xù)）◆集中操作監(jiān)控級（面向操作員和系統(tǒng)工程師）

★功能：以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，兼有部分管理功能。配備計算機及外設(shè)，以及相應(yīng)軟件，對生產(chǎn)過程實行高級控制策略、故障診斷、質(zhì)量評估

★組成：監(jiān)控計算機 工程師顯示操作站 操作員顯示操作站

15專業(yè)課件概述（續(xù)）★顯示工作站

—主要由鍵盤、CRT顯示器和打印機構(gòu)成

—主要是實現(xiàn)和操作員以及工程師有關(guān)的系統(tǒng)的功能：操作員在運轉(zhuǎn)整個系統(tǒng)時必要的操作功能，工程師為了進行系統(tǒng)的生成和維護時必要的工程師功能16專業(yè)課件概述（續(xù)）◆

綜合信息管理級

★功能：實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息管理（主要包括生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理）

★組成：管理計算機、辦公自動化系統(tǒng)、工廠自動化服務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)用了MIS系統(tǒng)17專業(yè)課件概述（續(xù)）DCS的軟件體系

◆

系統(tǒng)軟件

—提供系統(tǒng)運行和管理的基本環(huán)境

◆

組態(tài)軟件

—對過程管理系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的定義、確定各設(shè)備的工作要求，設(shè)備網(wǎng)地址分配、定義各種控制點、點數(shù)據(jù)在顯示圖上的編排等

◆

應(yīng)用軟件

—用于整個生產(chǎn)過程的操作和控制，過程數(shù)據(jù)收集，信息分析、優(yōu)化，監(jiān)控控制，外來設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化及完善18專業(yè)課件概述（續(xù)）◆DCS的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

◆

通信網(wǎng)絡(luò)分類

—低速、中速、高速

◆

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

—星型、總線型、樹型、環(huán)型

◆

網(wǎng)絡(luò)訪問控制方式

—令牌傳送協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議19專業(yè)課件20專業(yè)課件2分布式控制的技術(shù)發(fā)展系統(tǒng)硬件的發(fā)展

◆開放結(jié)構(gòu)的工作站

—整體運算速度快

—存貯容量大

—圖形處理功能強

—良好的安全保護系統(tǒng)

—友好的人機界面21專業(yè)課件分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）

◆

現(xiàn)場總線

—互操作性

—更低的安裝費用

—更低的維護費用

—有助于維護

—改進功能22專業(yè)課件分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）◆

開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

—Client/Server網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

—標準網(wǎng)絡(luò)通信接口

◆數(shù)字儀表綜合化

—數(shù)字儀表可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制功能運算、操作監(jiān)視、報警和控制，一些儀表還包括高級的控制算法

—采用數(shù)字儀表可大大節(jié)約現(xiàn)場接線和安裝費用，現(xiàn)場信號用同軸電纜傳送到上一級23專業(yè)課件分布式控制的技術(shù)發(fā)展（續(xù)）系統(tǒng)軟件的發(fā)展

◆采用多任務(wù)多用戶的Unix操作系統(tǒng)或其改進版本

◆引入人工智能

—采用智能變送器、智能控制器和智能執(zhí)行機構(gòu)等智能儀表

—采用智能控制算法

—采用管理、調(diào)度等優(yōu)化軟件包

◆

采用GUI圖形處理的各種應(yīng)用軟件

◆

交互式關(guān)系數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用24專業(yè)課件3分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器基本控制器的構(gòu)成25專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器

◆

CPU—對信號進行運算和處理，并對基本控制器內(nèi)部各單元執(zhí)行操作控制和故障診斷

◆

存儲器

—程序存儲器用于存放基本控制器的管理、監(jiān)控程序和標準算法程序

—工作存儲器用于保存現(xiàn)場信號、操作設(shè)定值、重要的中間結(jié)果、最終輸出結(jié)果、上級計算機的高級控制命令和文件，以及控制組態(tài)字和控制參數(shù)等信息26專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器◆

操作員接口

—完成基本控制器和數(shù)據(jù)輸入板DEP、模擬顯示單元之間的信息交換◆

通信接口

—完成基本控制器和數(shù)據(jù)高速通道之間的信息發(fā)送和接收，并進行檢錯、串/并互換、DMA控制等◆

擴展接口

—完成其它擴展功能27專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器◆

輸入通道

—將模擬信號經(jīng)模擬濾波、采樣、放大、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入CPU◆

輸出通道

—將CPU輸出的數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)保持電路后控制執(zhí)行機構(gòu)◆

終端板

—與過程變送器和執(zhí)行器直接相連，起到基本控制器與過程之間的接口作用，板上配又電平轉(zhuǎn)換電路，可將輸入信號轉(zhuǎn)換為標準信號28專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器◆

基本控制器的兩種形式

—以模擬控制為主，帶有簡單的程序控制功能

—以順序控制、程序控制為主，兼有模擬控制功能

—一般系統(tǒng)中通常兩種形式的基本控制器混用29專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）基本控制器的功能

◆

控制功能

—基本的PID控制

—遠方/本地設(shè)定值功能、數(shù)字邏輯功能、以時間或邏輯為基礎(chǔ)的程序控制功能、遠方調(diào)整參數(shù)功能、遠方/本地手動功能、多種報警功能、多種數(shù)字濾波功能和算術(shù)運算功能，這些功能可組合成相當(dāng)復(fù)雜的控制算式30專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）

◆

接口功能

—在采集數(shù)據(jù)后進行預(yù)處理并向上級計算機傳送，其工作存儲器可作為上級計算機的分散數(shù)據(jù)存儲器，供上級計算機直接查用31專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）

◆

基本控制器的工作方式

—自動控制：由操作員在數(shù)據(jù)輸入板DEP上設(shè)定本地設(shè)定值

—串級控制：其給定值是其它某一個回路的輸出值，由組態(tài)字指定

—上級計算機控制：由監(jiān)控計算機代替基本控制器進行控制，它經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道輸出基本控制器的給定值或輸出幅值

—手動：操作員在DEP或CRT上直接調(diào)整回路輸出

—回路手動：在選用的模擬顯示器上通過增/減鍵調(diào)整輸出，基本控制器處于保持狀態(tài)32專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）基本控制器的工作原理

◆控制流程圖33專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）◆典型控制回路34專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）

◆標準算法

—管理程序

—輸入/輸出處理程序

—運算處理程序

—控制處理程序

—控制算法程序35專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）

◆控制軟件包的結(jié)構(gòu)36專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）基本控制器的可靠性

◆

冗余手段

—每若干臺基本控制器有一個備用控制器，再加上一個備用切換指揮器構(gòu)成無中斷控制系統(tǒng)

◆

自診斷措施

—啟動時的初始化檢查，每隔一定時間進行在線的周期性檢查37專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)的基本控制器（續(xù)）基本控制器的特征

◆

帶有固化的軟件

◆

算法可以組態(tài)，形成相對高級的控制算法

◆

可以與上級計算機配合，完成高級控制功能

◆

功能可變，改變控制方案不必更換硬件

◆

可以在就地操作員單元上顯示和調(diào)整各種參數(shù)

◆

具有自診斷功能38專業(yè)課件4分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制控制系統(tǒng)的功能層次結(jié)構(gòu)/4

◆直接控制層

★過程數(shù)據(jù)采集

—直接采集現(xiàn)場的各種物理量測量值和狀態(tài)開關(guān)值，對它們進行必要的濾波、轉(zhuǎn)換等處理

★裝置狀態(tài)和設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與診斷

—對采集的各種信號進行處理，檢查其是否是合格的數(shù)據(jù)、判斷控制計算機的各種模板是否運行正常，設(shè)備儀表及其連線是否正常，根據(jù)結(jié)果產(chǎn)生報警信號等

★閉環(huán)和開環(huán)控制

—接收上一級下達的控制指令，實現(xiàn)PID、DDC控制和順序邏輯控制39專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）

◆監(jiān)督控制層

★優(yōu)化控制

—應(yīng)用數(shù)學(xué)模型或其它形式的模型，結(jié)合裝置的約束統(tǒng)計和控制目標函數(shù)，計算出最優(yōu)的操作統(tǒng)計，送下一級執(zhí)行

★自適應(yīng)控制

—根據(jù)采集到的各種物理量，對系統(tǒng)的模型參數(shù)進行在線估計，然后根據(jù)自適應(yīng)算法或自調(diào)節(jié)算法得出控制給定，送下一級執(zhí)行

★協(xié)調(diào)控制

—根據(jù)各部分的關(guān)系和運行狀態(tài)，裝置的生產(chǎn)要求，原材料、庫存和能耗等數(shù)據(jù)，以及一些優(yōu)化數(shù)據(jù)，產(chǎn)生控制指令，送下一級執(zhí)行

★裝置運行監(jiān)控

—監(jiān)視整個裝置運行參數(shù)、狀態(tài)，制定生產(chǎn)記錄報表、報警顯示、故障顯示分析、記錄等40專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）◆計劃調(diào)度層

★主要完成一系列的調(diào)度控制功能，包括制定生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度和操作管理以及倉儲控制等

★主要是基于運籌學(xué)和資源管理的科學(xué)41專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）◆決策管理層

★公司控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的最高層，它廣泛涉及工程、經(jīng)濟、商務(wù)、人事以及其它各種功能，將這些功能集成到一個大的軟件系統(tǒng)，通過整個軟件系統(tǒng)，整個工廠的復(fù)雜生產(chǎn)調(diào)度和計劃等問題得到優(yōu)化解決

★主要完成的功能有市場和用戶分析、訂貨和銷售統(tǒng)計、生產(chǎn)能力和訂貨單平衡、訂貨分配、中長期發(fā)展計劃、生產(chǎn)監(jiān)督、財政分析等42專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）◆

以上控制功能分層結(jié)構(gòu)純屬是為了分析控制策略和制定控制算法方便和清楚而定的，這種控制功能層次劃分與具體實現(xiàn)這些功能的DCS的體系劃分不是等同的◆

在大多數(shù)情況下，DCS完成第一層、第二層的全部功能，并完成第三層的部分功能，第四層的功能則通過一層管理系統(tǒng)來完成43專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）先進控制

◆

自適應(yīng)控制（AdaptiveControl）

★自適應(yīng)控制是建立在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)未知的基礎(chǔ)上的，隨著系統(tǒng)行為的變化，自適應(yīng)系統(tǒng)能相應(yīng)地改變和調(diào)整控制器的參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)特性的變化

★根據(jù)工作原理的不同，自適應(yīng)控制可分為模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制兩種44專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）

★模型參考自適應(yīng)控制（ModelReferenceAdaptiveControl，MRAC）

—由參考模型、被控對象、反饋控制器和自適應(yīng)控制回路組成，其目的是調(diào)整控制系統(tǒng)的輸出按一種理想的過渡過程進行

—采用基于穩(wěn)定性理論的方法設(shè)計這類系統(tǒng)，如Lyapunov穩(wěn)定性理論45專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）

★自校正控制（SelfTuningControl，STC）

—利用過程的輸入輸出信號，在線地對過程的數(shù)學(xué)模型進行辨識，然后修正控制策略，改變調(diào)節(jié)器的控制作用，直到控制性能指標達到最優(yōu)

—根據(jù)自適應(yīng)率和控制器不同分為最小方差自校正調(diào)節(jié)器、廣義最小策略的自校正控制器和極點配置的自校正控制系統(tǒng)三種46專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）

◆

預(yù)測控制（PredictiveControl）

★

預(yù)測控制是一種基于模型的計算機控制算法，它利用預(yù)測模型來預(yù)估過程未來的輸出和設(shè)定值之間的偏差，并采用滾動式的優(yōu)化策略計算當(dāng)前的控制輸入，它對數(shù)學(xué)模型的要求不高，具有良好的跟蹤性能，并對模型誤差等具有較強的魯棒性

★

預(yù)測控制算法的三條基本原理：預(yù)測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正47專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）

★兩種典型的預(yù)測控制算法：

—動態(tài)矩陣控制（DynamicMatrixControl，DMC）：基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法

—模型算法控制（ModelAlgorithmControl，MAC）：以對象的脈沖響應(yīng)為前提48專業(yè)課件分布式計算機控制系統(tǒng)與先進控制（續(xù)）◆

魯棒控