1、1第第9章章 先进控制系统先进控制系统模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。通常对于一类缺乏精确数学模型的被控过程，采用模糊集合的理论，总结人们对系统的操作和控制经验，用模糊条件语句写出控制规律，再用算法语言来编写程序，按此程序对生产过程进行自动控制。图9-1所示为模糊控制系统原理框图。9.1.1 概述概述 图9-1 模糊控制系统原理框图9.1.2模糊控制器设计模糊控制器设计对于一个缺乏精确数学模型的被控过程，可以通过对系统的操作和控制经验，总结出一套控制规则，应用模糊集合理论把这些规则写成一连串模糊语言，事实上便构成一个模糊模型，利用这个模型可以设计出
2、较理想的模糊控制器，实现语言控制。图9-2所示为模糊控制器的示意框图。图9-2 模糊控制器示意图9.1.2模糊控制器设计模糊控制器设计通常Fuzzy器有多种模式。图9-3所示为两种常用模式。图9-3 Fuzzy控制器的常用工作模式a）单输入、单输出工作模式 b）双输入、单输出工作模式9.1.3模糊控制系统实例模糊控制系统实例速度调节器框图见图9-5。Fuzzy控制和PID控制之间的切换通过软件开关S来实现，切除条件的选择以实际运行时，系统的技术指标为依据，当系统误差为（通常可取为给定值的2）时，切换两种控制规律。这种切换条件知识存储于智能协调器中，系统运行时，软件不断监视系统的输出特性，并进行
3、在线切换。此外，系统还采取了限幅措施，以保证两种控制规律的联系性和无平衡无忧动切换。图9-5 速度调节器组成框图集散控制系统(Total Distributed Control System，缩写为DCS)是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。自20世纪70年代中期集散控制系统问世以来，已在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的仪表和控制工程师已认识到集散控制系统必将成为工业自动控制的主流，在计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)或计算机集成作业系统CIPS（Computer Integrated Production
4、 System）中，集散控制系统将成为主角，发挥它们的优势。1.初始阶段初始阶段2.完善阶段完善阶段3.扩展阶段扩展阶段8.2.1 概述概述 9.2.2集散控制系统的特点集散控制系统的特点 集散控制系统与传统的仪表控制系统和一般计算机控制系统比较，具有如下突出的优点：1分散控制，集中管理分散控制，集中管理2采用局域网通信技术采用局域网通信技术3完善的控制功能完善的控制功能4采用模块化和开放性结构，系统扩展方便采用模块化和开放性结构，系统扩展方便5管理能力强管理能力强6安全可靠性高安全可靠性高7高性能高性能/价格比价格比9.2.3集散控制系统的硬件结构集散控制系统的硬件结构集散控制系统采用分层结
5、构模式，见图9-6a，可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级，各级功能见图9-6b。图9-6 集散控制系统的结构框图9.2.3.1过程控制级 过程控制级是集散控制系统的基础，是实现生产过程分散控制的关键。它与生产过程直接联系，完成生产过程实时信号采集、变换、处理、输入、输出、运算和控制。其主要硬件有过程控制单元、过程输入、输出单元、信号处理与变换单元和备用盘装仪表等。其主要任务是进行数据采集、直接数字控制；对设备进行监测和自诊断；以及实施安全化、冗余化措施等。图9-7 微机结构PCU9.2.3.1过程控制级图9-8 I/O口与通用卡硬件结构PCU图9-9 串行通信总线加模块PCU
6、图9-10 节点工作站结构图9-11 过程输入输出单元的结构9.2.3.2控制管理级图9-12 操作站结构图图9-13 MXL系统的CRT画面调用示例9.2.3.3 生产管理级和经营管理级图9-14 TDCS-3000结构框图9.2.4 集散控制系统的软件及其组态集散控制系统的软件及其组态9.2.4.1集散控制系统的软件集散控制系统的软件 集散控制系统融计算机技术、通信网络技术和自动控制技术于一体，因此其软件配置也与硬件结构相对应，包括三部件软件。1主计算机电路软件主计算机电路软件2通信网络软件通信网络软件3控制软件控制软件9.2.4 集散控制系统的软件及其组态集散控制系统的软件及其组态9.2
7、.4.2控制算法组态控制算法组态 控制算法组态是指对集散控制系统中控制器的功能模块进行连接组合。常用的方法为填表法，该法简单、易懂。下面仅以TDCS-3000为例介绍其软件组态方法。1组态字的构成组态字的构成 组态字是指为使功能模块执行所需的控制规律而付给它的一组特殊命令。实际上是一系列操作代码，图9-15为组态字功能图。2组态步骤组态步骤9.2.4 集散控制系统的软件及其组态集散控制系统的软件及其组态9.2.4.3 软件组态应用示例软件组态应用示例图9-16 温度流量串级控制系统流程图图9-17 串级控制系统的Slot图和组态字功能图9.2.5 集散控制系统的网络通信集散控制系统的网络通信集
8、散控制系统的主要功能是分散控制、集中操作、集中监视和集中管理。分布于现场的各个过程控制单元、设备必须与CRT操作站以及上层微机系统相互进行数据通信、实际集散控制系统的设备分布在一个局部区域，所以其通信网络是一个局域网LAN。与一般的办公自动化的局域网不同，集散控制系统通信网络应满足实时响应能力快、可靠性高、能适应恶劣的工业现场环境、通信网络实行分层结构等要求。DCS系统的网络通信的局域网络技术涉及的内容很广，例如，网络结构、信道访问、通信协议、信号发送技术、传输介质和网络接口等。由于篇幅所限，仅介绍网络结构和通信协议等。9.2.5 集散控制系统的网络通信集散控制系统的网络通信9.2.5.1 L
9、AN的拓扑结构的拓扑结构图9-18 星形网络结构图9-19 总线网络结构图9-20 环形网络结构图9-19 复合形网络结构 a）环形与总线形复合 b）总线形与星形复合 9.2.5 集散控制系统的网络通信集散控制系统的网络通信9.2.5.2 通信协议通信协议图9-22 令牌传递次序协议通信各方对信道使用权的方法称为通信协议。在集散控制系统中，常采用下列两种通信协议。1冲突检测式载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）当某个工作站需要发送信息时，首先侦听信道情况，若信道空闲则开始发送信息，若发现有多个工作站同时发送信息而发生冲突时，则停止发送，经过适当延时后再发送。2令牌协议9.2.5 集散控制系统
10、的网络通信集散控制系统的网络通信9.2.5.3数据分类和分类通信数据分类和分类通信在集散控制系统的局域网（LAN）中的数据通信与自动化管理中的数据通信有很大差别。主要体现为DCS中要求信息的安全性和实时响应性都很高，因此必须将信息分类，然后按信息类别进行分类通信。1数据分类数据分类根据系统对数据响应速度不同要求，可将数据分为如下几类。（1）实时类数据 （2）操作员需要的数据（3）操作站的组态数据和算法数据等均属变化较缓慢的数据。（4）管理层的数据报表、事故记录等2分类通信分类通信根据数据分类可以采用不同的通信方式，对于哪些组态时能确定的数据9.2.6集散控制系统的工程化设计及其实施集散控制系统
11、的工程化设计及其实施集散控制系统的发展仅仅经过20多年，已从第一代产品发展到第三代产品，从小型系统发展到功能齐全、性能优越的大型产品，发展十分迅速，其产品繁多，琳琅满目，但其性能也良莠不齐。本节所指的工程化设计是指如何根据生产过程的要求（如系统功能、规模、软、硬件要求及经费等），选择厂商提供的DCS产品，去设计出既满足生产实际需要、性能优越和经济的集散控制系统。对集散控制系统性能技术指标的评价，其主要内容应包括系统的先进性、适应性、可靠性、可操作性、可维护性和经济性等，其内容既广泛又复杂。9.2.6.1 DCS工程化设计的步骤工程化设计的步骤DCS工程化设计的一般步骤为1方案论证方案论证2系统
12、方案设计系统方案设计3工程设计及系统文件设计工程设计及系统文件设计9.2.6.2集散控制系统的工程实施集散控制系统的工程实施集散控制系统的工程设计与应用是一个大课题，内容丰富，涉及的内容繁多，需多个部门和多专业人员通力合作。下面推荐一种工作流程图，供工程设计人员参考。图9-23 DCS工程应用流程图9.2.7 DCS工业应用示例工业应用示例集散控制系统已广泛应用于国民经济的各个工业领域，已产生了显著的经济效益和社会效应。现介绍DCS在火力发电厂中的应用实例。图9-23 DCS工程应用流程图图9-25为采用HIDCS3000集散控制系统的系统总体结构图。它是由双层通信网络连接起来的四级控制系统。
13、图9-25 HIDCS-3000的总体结构9.2.8 集散控制系统的发展趋势集散控制系统的发展趋势集散控制系统从20世纪70年代发展到今天，在各种生产过程控制领域占有极其重要的地位，对于它未来的发展趋势的确值得关注。1集散控制系统的集成化集散控制系统的集成化2集散控制系统的控制网络化集散控制系统的控制网络化3控制系统的扁平化控制系统的扁平化图9-27 两层网络结构的过程控制系统现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式
14、结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通信是现场总线控制系统最显著的特征。现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表、设备互连的实时控制通信网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议。现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。9.3.1.1结构模型结构模型9.3.1 现场总线的结构及组成现场总线的结构及组成 图9-28 现场总线系统的结构
15、a）星形结构现场总线系统 b）广播式现场总线系统9.3.1.2 系统组成系统组成9.3.1 现场总线的结构及组成现场总线的结构及组成 现场总线（Fieldbus）主要包括基层网络和分布控制系统两个层次，现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成：1.现场测量系统现场测量系统2.现场控制系统现场控制系统3.设备管理系统设备管理系统9.3.2 典型现场总线性能比较典型现场总线性能比较现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具
16、影响力的有5种，分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能对照见表9-8）。9.3.3 现场总线控制系统的特点现场总线控制系统的特点 与集散控制系统相比，现场总线控制系统具有如下特点。1.实时性强实时性强2.具有互操作性具有互操作性3.具有高可靠性具有高可靠性4.节省投资节省投资5.系统的开放性系统的开放性6.精确度高精确度高7.现场环境适应性强现场环境适应性强8.互用性和功能自治性互用性和功能自治性9.维护方便维护方便9.3.4 现场总线控制系统现场总线控制系统1现场总线控制系统主要设备现场总线控制系统主要设备现场总线将现场变送器、控制器、执行器及其它设备以节点
17、设备形式连接起来，便组成现场总线控制系统，其基本设备有如下几类。（1）检测、变送器）检测、变送器（2）执行器）执行器（3）服务器和网桥）服务器和网桥（4）辅助设备）辅助设备（5）监控设备）监控设备9.3.4 现场总线控制系统现场总线控制系统2现场总线控制系统的结构现场总线控制系统的结构图9-29 现场总线控制系统的一般结构9.3.4 现场总线控制系统现场总线控制系统2现场总线控制系统的结构现场总线控制系统的结构图9-30 基于FF现场总线的典型FCS结构图9-31 基于LonWorks的典型FCS结构9.3.4 现场总线控制系统现场总线控制系统3现场总线控制系统的集成与扩展现场总线控制系统的集
18、成与扩展图9-32 现场总线仪表、设备集成系统结构图图9-33 基于FCS的现代控制管理系统结构图9.3.5现场总线控制系统应用实例现场总线控制系统应用实例1.化工生产过程现场总线控制系统化工生产过程现场总线控制系统图9-34 基于SMAR现场总线的某工厂FCS框图图9-35 基于Profibus-DP现场总线的某工厂FCS框图9.3.5现场总线控制系统应用实例现场总线控制系统应用实例2.基于企业网的现场总线控制系统基于企业网的现场总线控制系统图9-36 基于企业网的FCS框图9.3.6现场总线控制系统的发展趋势现场总线控制系统的发展趋势现场总线控制系统已成为工业自动化领域广为关注的焦点，国际上现场总线技术的研究、开发，使过程控制系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上全开放性发展的征程。1现场总线技术的发展趋势现场总线技术的发展趋势就生产过程自动化而言，FF现场总线将成为主流发展趋势。2现场总线控制系统向组织重构方向发展现场总线控制系统向组织重构方向发展现场总线控制系统实现了网络化和系统的扁平化。尤其是控制系统扁平化的实现，保证了各种控制系统的开放性和互联性，使得控制系统的组织重构和工作协调成为可能。3现场总线系统向工作协调化方向发展现场总线系统向工作协调化方向发展
