分布式计算机控制系统

第九章分布式计算机控制系统杨根科上海交通大学自动化系2006年6月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1概述分布式控制系统概念

◆分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称DCS（DistributedControlSystem），它是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，采用多层分级、合作自治的结构形式，综合计算机（Computer）、通信（Communication）、终端显示（CRT）和控制（Control）技术而发展起来的新型控制系统概述（续）DCS的发展

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第一阶段（1975年—1980年）

—代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等

—主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成

概述（续）◆

第二阶段（1980年—1985年）

—主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的CentumA，B，D等

—主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站US、网间连接器GW、系统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成

概述（续）◆

第三阶段（1985年—1990年）

—DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题

—典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等概述（续）◆

第四阶段（1990年以后）

—DCS以管控一体化出现，在硬件上采用了开放的工作站，采用了Client/Server的结构，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，在软件上采用UNIX和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中

—典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，日本横河公司的Centum-CS控制系统，Foxboro公司的I/AS50/51系统等概述（续）DCS的特点

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分级递阶控制

◆硬件积木化

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软件模块化：工程师站组态软件、操作站实时监控软件以及过程控制站软件

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控制系统用组态方法生成

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通信网络的应用

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可靠性高：系统结构、冗余技术、自诊断技术、抗干扰技术和高性能的元件

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开放系统：可移植性、互操作性、可适宜性、可得到性概述（续）DCS的硬件体系结构概述（续）◆分散过程控制级（面向生产过程）

★功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能

★装置：现场控制站（工业控制机）可编程序控制器（PLC）

智能调节器其它测控装置

概述（续）

★现场控制站

—主要由机箱（柜）、电源、PC总线工业控制机、通信控制单元、手动、自动显示操作单元等构成

—其功能主要有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能

概述（续）★智能调节器

—一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表—智能调节器不仅可接受4～20mA，DC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS－422／485、RS－232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数

概述（续）◆集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）

★功能：以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估

★组成：监控计算机 工程师显示操作站 操作员显示操作站

概述（续）★显示工作站

—主要由键盘、CRT显示器和打印机构成

—主要是实现和操作员以及工程师有关的系统的功能：操作员在运转整个系统时必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能概述（续）◆综合信息管理级

★功能：实现整个企业的综合信息管理（主要包括生产管理和经营管理）

★组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统，应用了MIS系统概述（续）DCS的软件体系

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系统软件

—提供系统运行和管理的基本环境

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组态软件

—对过程管理系统组态、系统内各设备的定义、确定各设备的工作要求，设备网地址分配、定义各种控制点、点数据在显示图上的编排等

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应用软件

—用于整个生产过程的操作和控制，过程数据收集，信息分析、优化，监控控制，外来设备的网络化及完善概述（续）●DCS的通信网络系统

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通信网络分类

—低速、中速、高速

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网络拓扑结构

—星型、总线型、树型、环型

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网络访问控制方式

—令牌传送协议、CSMA/CD协议2分布式控制的技术发展系统硬件的发展

◆开放结构的工作站

—整体运算速度快

—存贮容量大

—图形处理功能强

—良好的安全保护系统

—友好的人机界面分布式控制的技术发展（续）

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现场总线

—互操作性

—更低的安装费用

—更低的维护费用

—有助于维护

—改进功能分布式控制的技术发展（续）◆

开放的网络结构

—Client/Server网络结构

—标准网络通信接口

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数字仪表综合化

—数字仪表可实现数据采集、控制功能运算、操作监视、报警和控制，一些仪表还包括高级的控制算法

—采用数字仪表可大大节约现场接线和安装费用，现场信号用同轴电缆传送到上一级分布式控制的技术发展（续）系统软件的发展

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采用多任务多用户的Unix操作系统或其改进版本

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引入人工智能

—采用智能变送器、智能控制器和智能执行机构等智能仪表

—采用智能控制算法

—采用管理、调度等优化软件包

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采用GUI图形处理的各种应用软件◆

交互式关系数据库的应用3分布式计算机控制系统的基本控制器基本控制器的构成分布式计算机控制系统的基本控制器

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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

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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分布式计算机控制系统的基本控制器（续）基本控制器的功能

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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分布式计算机控制系统的基本控制器（续）

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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分布式计算机控制系统的基本控制器（续）

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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分布式计算机控制系统的基本控制器（续）基本控制器的工作原理

◆控制流程图分布式计算机控制系统的基本控制器（续）◆典型控制回路分布式计算机控制系统的基本控制器（续）

◆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

—控制算法程序分布式计算机控制系统的基本控制器（续）

◆控制软件包的结构分布式计算机控制系统的基本控制器（续）基本控制器的可靠性

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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

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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（续）基本控制器的特征

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带有固化的软件

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算法可以组态，形成相对高级的控制算法

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可以与上级计算机配合，完成高级控制功能

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功能可变，改变控制方案不必更换硬件

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可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数

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具有自诊断功能4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/4

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直接控制层

★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控制和顺序逻辑控制分布式计算机控制系统与先进控制（续）

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监督控制层

★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、记录等分布式计算机控制系统与先进控制（续）◆

计划调度层

★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分布式计算机控制系统与先进控制（续）◆

决策管理层

★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、财政分析等分布式计算机控制系统与先进控制（续）◆

以上控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分布式计算机控制系统与先进控制（续）先进控制

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自适应控制（AdaptiveControl）

★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分布式计算机控制系统与先进控制（续）

★模型参考自适应控制（ModelReferenceAdaptiveControl，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稳定性理论分布式计算机控制系统与先进控制（续）

★自校正控制（SelfTuningControl，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分布式计算机控制系统与先进控制（续）

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预测控制（PredictiveControl）

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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

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预测控制算法的三条基本原理：预测模型、滚动优化、反馈校正分布式计算机控制系统与先进控制（续）

★两种典型的预测控制算法：

—动态矩阵控制（DynamicMatrixControl，DMC）：基于对象阶跃响应的预测控制算法

—模型算法控制（ModelAlgorithmControl，MAC）：以对象的脉冲响应为前提分布式计算机控制系统与先进控制（续）◆

鲁棒控制（RobustControl）

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鲁棒控制的任务是设计一个固定的控制器