计算机控制技术：第六章 分布式系统

1、第六章 分布式计算机控制系统华 南 理 工 大 学内容提要 概述 分布式控制的技术发展 分布式计算机控制系统的基本控制器 分布式计算机控制系统和先进控制 分布式控制系统的应用 小结华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器 基本控制器的构成华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器(2) CPU 对信号进行运算和处理，并对基本控制器内部各单元执行操作控制和故障诊断 存储器 程序存储器用于存放基本控制器的管理、监控程序和标准算法程序 工作存储器用于保存现场信号、操作设定值、重要的中间结果、最终输出结果、上级计算机的高级控制命令和文件，以及控制组态字和控制参数等信息华 南

2、理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器() 操作员接口 完成基本控制器和数据输入板DEP、模拟显示单元之间的信息交换 通信接口 完成基本控制器和数据高速通道之间的信息发送和接收，并进行检错、串/并互换、DMA控制等 扩展接口 完成其它扩展功能华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器() 输入通道 将模拟信号经模拟滤波、采样、放大、A/D转换后的数字信号送入CPU 输出通道 将CPU输出的数据进行D/A转换，经保持电路后控制执行机构 终端板 与过程变送器和执行器直接相连，起到基本控制器与过程之间的接口作用，板上配又电平转换电路，可将输入信号转换为标准信号华 南 理 工 大

3、学分布式计算机控制系统的基本控制器() 基本控制器的两种形式 以模拟控制为主，带有简单的程序控制功能 以顺序控制、程序控制为主，兼有模拟控制功能 一般系统中通常两种形式的基本控制器混用华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器() 基本控制器的功能 控制功能 基本的PID控制 远方/本地设定值功能、数字逻辑功能、以时间或逻辑为基础的程序控制功能、远方调整参数功能、远方/本地手动功能、多种报警功能、多种数字滤波功能和算术运算功能，这些功能可组合成相当复杂的控制算式华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器() 接口功能 在采集数据后进行预处理并向上级计算机传送，其工作存储

4、器可作为上级计算机的分散数据存储器，供上级计算机直接查用华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器() 基本控制器的工作方式 自动控制：由操作员在数据输入板DEP上设定本地设定值 串级控制：其给定值是其它某一个回路的输出值，由组态字指定 上级计算机控制：由监控计算机代替基本控制器进行控制，它经高速数据通道输出基本控制器的给定值或输出幅值 手动：操作员在DEP或CRT上直接调整回路的输出 回路手动：在选用的模拟显示器上通过增/减键调整输出，基本控制器处于保持状态华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器（） 基本控制器的工作原理 控制流程图华 南 理 工 大 学分布式计算

5、机控制系统的基本控制器（） 典型控制回路华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器（） 标准算法 管理程序 输入/输出处理程序 运算处理程序 控制处理程序 控制算法程序华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器（） 控制软件包的结构华 南 理 工 大 学 基本控制器的可靠性 冗余手段 每若干台基本控制器有一个备用控制器，再加上一个备用切换指挥器构成无中断控制系统 自诊断措施 启动时的初始化检查，每隔一定时间进行在线的周期性检查分布式计算机控制系统的基本控制器（）华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统的基本控制器（） 基本控制器的特征 带有固化的软件 算法可以组态，形

6、成相对高级的控制算法 可以与上级计算机配合，完成高级控制功能 功能可变，改变控制方案不必更换硬件 可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数 具有自诊断功能华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制 控制系统的功能层次结构(四层结构) 直接控制层(一层) 过程数据采集 直接采集现场的各种物理量测量值和状态开关值，对它们进行必要的滤波、转换等处理 装置状态和设备运行状态监测与诊断 对采集的各种信号进行处理，检查其是否是合格的数据、判断控制计算机的各种模板是否运行正常，设备仪表及其连线是否正常，根据结果产生报警信号等 闭环和开环控制 接收上一级下达的控制指令，实现PID、DDC控制和顺序逻

7、辑控制 华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 监督控制层(二层) 优化控制 应用数学模型或其它形式的模型，结合装置的约束统计和控制目标函数，计算出最优的操作统计，送下一级执行 自适应控制 根据采集到的各种物理量，对系统的模型参数进行在线估计，然后根据自适应算法或自调节算法得出控制给定，送下一级执行 协调控制 根据各部分的关系和运行状态，装置的生产要求，原材料、库存和能耗等数据，以及一些优化数据，产生控制指令，送下一级执行 装置运行监控 监视整个装置运行参数、状态，制定生产记录报表、报警显示、故障显示分析、记录等华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 计

8、划调度层(三层) 主要完成一系列的调度控制功能，包括制定生产计划、生产调度和操作管理以及仓储控制等 主要是基于运筹学和资源管理的科学，而不是基于控制工程方法华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 决策管理层(四层) 公司控制系统体系结构中的最高层，它广泛涉及工程、经济、商务、人事以及其它各种功能，将这些功能集成到一个大的软件系统，通过整个软件系统，整个工厂的复杂生产调度和计划等问题得到优化解决 主要完成的功能有市场和用户分析、订货和销售统计、生产能力和订货单平衡、订货分配、中长期发展计划、生产监督、财政分析等华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 以上控

9、制功能分层结构纯属是为了分析控制策略和制定控制算法方便和清楚而定的，这种控制功能层次划分与具体实现这些功能的DCS的体系划分不是等同的 在大多数情况下，DCS完成第一层、第二层的全部功能，并完成第三层的部分功能，第四层的功能则通过一层管理系统来完成华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 先进控制 自适应控制（Adaptive Control） 自适应控制是建立在系统的数学模型参数未知的基础上的，随着系统行为的变化，自适应系统能相应地改变和调整控制器的参数，以适应系统特性的变化 根据工作原理的不同，自适应控制可分为模型参考自适应控制和自校正控制两种华 南 理 工 大 学分布式

10、计算机控制系统与先进控制(2) 模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control，MRAC） 由参考模型、被控对象、反馈控制器和自适应控制回路组成，其目的是调整控制系统的输出按一种理想的过渡过程进行 采用基于稳定性理论的方法设计这类系统，如Lyapunov稳定性理论华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 自校正控制（Self Tuning Control，STC） 利用过程的输入输出信号，在线地对过程的数学模型进行辨识，然后修正控制策略，改变调节器的控制作用，直到控制性能指标达到最优 根据自适应率和控制器不同分为最小方差自校正调节器、广义

11、最小策略的自校正控制器和极点配置的自校正控制系统三种华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 预测控制（Predictive Control） 预测控制是一种基于模型的计算机控制算法，它利用预测模型来预估过程未来的输出和设定值之间的偏差，并采用滚动式的优化策略计算当前的控制输入，它对数学模型的要求不高，具有良好的跟踪性能，并对模型误差等具有较强的鲁棒性 预测控制算法的三条基本原理：预测模型、滚动优化、反馈校正华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 两种典型的预测控制算法： 动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control，DMC）：基于对象阶跃响

12、应的预测控制算法 模型算法控制（Model Algorithm Control，MAC）：以对象的脉冲响应为前提华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 鲁棒控制（Robust Control） 鲁棒控制的任务是设计一个固定的控制器，使得相应的闭环系统在指定不确定性的扰动作用下仍维持预期的性能，或相应的闭环系统在保持预期性能的前提下，能允许最大的不确定性扰动 根据研究随基于的模型不同，系统鲁棒性研究方法主要有两类： 代数方法：研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式 频率域方法：研究对象是系统的传递函数华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 智能控制 专家系统

13、（Expert System） 利用具有相当数量的权威性只是来解决特定领域中实际问题的计算机程序系统，它能根据用户提供的数据、信息或事实，运用系统中存储的专家经验或知识进行推理判断，最后得出结论及结论的可信度以供用户决策之用 专家系统由知识库、数据库、推理机、人机界面和知识获取机构五部分组成 华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 模糊控制（Fuzzy Control） 在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法，用计算机来实现的控制 模糊控制器主要由模糊化接口、模糊推理机、知识库和解模糊接口四部分组成华 南 理 工 大 学华 南 理 工 大 学分布式计算机控制系统与先进控制(2) 神经网络控制 人工