1、9.1 概述概述9.2 DCS的结构的结构9.3 DCS的基本控制器的基本控制器9.4 DCS控制技术的发展控制技术的发展9.5 先进控制先进控制 随着工业现代化的发展，生产规模不断扩大，生随着工业现代化的发展，生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，对实现生产过程自动控制的系统提产工艺日趋复杂，对实现生产过程自动控制的系统提出了更高的要求，不但要求系统有优越的控制性，还出了更高的要求，不但要求系统有优越的控制性，还要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。而以往的模拟仪表控制系统和计算机直接数字控制系而以往的模拟仪表控制系统和计算机直接数字控制系
2、统很难同时满足这些要求，因而必须寻找更有效的控统很难同时满足这些要求，因而必须寻找更有效的控制系统。制系统。大系统理论证明，分级分布式控制是实现大大系统理论证明，分级分布式控制是实现大系统综合控制的理想方案。系统综合控制的理想方案。这种采用危险分散、控制这种采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的新型过程控制系统，比较分散，而操作和管理集中的新型过程控制系统，比较合理地吸取了仪表控制系统和计算机控制系统的长处，合理地吸取了仪表控制系统和计算机控制系统的长处，有效地克服了两者的缺点。有效地克服了两者的缺点。9.1 概述概述1 分布式控制系统的基础知识分布式控制系统的基础知识q 现代工业过程对控
3、制系统的要求已不局限于能实现自现代工业过程对控制系统的要求已不局限于能实现自动控制，还要求工业过程能长期在最佳状态下运行。动控制，还要求工业过程能长期在最佳状态下运行。因此是一个对整体的总目标函数进行最优化的问题因此是一个对整体的总目标函数进行最优化的问题（即所谓生产过程的综合自动化问题）。总体的目标（即所谓生产过程的综合自动化问题）。总体的目标函数不但包括产量、质量等指标，还包括能耗、成本、函数不但包括产量、质量等指标，还包括能耗、成本、污染等各种指标，这些指标反映着技术、经济、环境污染等各种指标，这些指标反映着技术、经济、环境等各方面的要求。等各方面的要求。q 整体的最优化可分成动态最优化
4、（整体的最优化可分成动态最优化（“在线在线”最优化）最优化）和静态最优化（离线最优化）两个方面。和静态最优化（离线最优化）两个方面。q 递阶分级控制的方案被认为是目前实现大系统综合控递阶分级控制的方案被认为是目前实现大系统综合控制的理想方案。递阶控制还有以下三种形式：制的理想方案。递阶控制还有以下三种形式：分层控制分层控制是一种是一种按控制任务进行分解按控制任务进行分解的结构方案，它的结构方案，它把控制任务分成几个不同的层次，由各层控制器分别把控制任务分成几个不同的层次，由各层控制器分别完成，下层任务的目标函数受上层控制器决策的影响。完成，下层任务的目标函数受上层控制器决策的影响。分级控制分级
5、控制是一种是一种按对象结构进行分解按对象结构进行分解的结构方案，它的结构方案，它把对象划分成若干个子系统，由各局部控制器完成现把对象划分成若干个子系统，由各局部控制器完成现场控制任务，协调控制器通过控制几阶递阶控制器完场控制任务，协调控制器通过控制几阶递阶控制器完成局部控制器之间的协调；成局部控制器之间的协调；分段控制分段控制则是则是按控制过程的时序进行分解按控制过程的时序进行分解的结构方案，的结构方案，它把控制过程分成几段，在每段时间内由不同的控制它把控制过程分成几段，在每段时间内由不同的控制器完成对现场的控制，协调切换器则按衔接条件进行器完成对现场的控制，协调切换器则按衔接条件进行各段控制
6、器的切换控制。各段控制器的切换控制。q同时具有多种递阶控制形式的控制系统，称同时具有多种递阶控制形式的控制系统，称为分级分布式控制系统，简称分布式控制系为分级分布式控制系统，简称分布式控制系统（统（Distribute Control System,DCS)。上图中管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财上图中管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财务管理、人员管理以及工艺流程管理等功能，以实现务管理、人员管理以及工艺流程管理等功能，以实现生产过程的静态最优；监控计算机通过协调各基本控生产过程的静态最优；监控计算机通过协调各基本控制器的工作，达到过程的动态最优化；基本控制器则制器的工作，达到过
7、程的动态最优化；基本控制器则完成过程的现场控制任务；完成过程的现场控制任务；CRT操作站是显示操作装操作站是显示操作装置，完成人控制系统过程的接口任务。数据采集置，完成人控制系统过程的接口任务。数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。管理计算机监控计算机CTR操作台高 速 数 据 通 道基本控制器数据采集器基本控制器DEP面板工 业 对 象小规模中规模大规模图922 各类控制系统的特点与比较各类控制系统的特点与比较1）常规仪表控制系统常规仪表控制系统 常规仪表控制系统，经历了基地式调节器、单元组合常规仪表控制系统，经历了基地式调节器、单元组合式仪
8、表及组件组装式控制器式仪表及组件组装式控制器3个发展阶段，控制功能个发展阶段，控制功能不断完善。但随着生产规模的不断扩大，仪表控制系不断完善。但随着生产规模的不断扩大，仪表控制系统日益暴露出了它的局限性。统日益暴露出了它的局限性。优点：技术简单、成本低、使用经验较成熟，在实际工优点：技术简单、成本低、使用经验较成熟，在实际工业领域应用广泛。业领域应用广泛。缺点：缺点：在控制性能上不能实现复杂控制算法，难于实现分级在控制性能上不能实现复杂控制算法，难于实现分级控制系统。控制系统。在人机联系上，随着生产规模的扩大，难于实现集中在人机联系上，随着生产规模的扩大，难于实现集中监视和集中操作。监视和集中
9、操作。在系统组成上，中央控制室结构使系统重构困难、控在系统组成上，中央控制室结构使系统重构困难、控制风险集中。制风险集中。2）计算机集中控制系统）计算机集中控制系统 集中式控制系统是指那种将过程数据输入输出、实时集中式控制系统是指那种将过程数据输入输出、实时数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库的管理、历史数据处理与保存、人机界面的处理、报的管理、历史数据处理与保存、人机界面的处理、报警与日志记录、报表直至系统本身的监督管理等所有警与日志记录、报表直至系统本身的监督管理等所有功能集中在一台计算机中的那种系统。功能集中在一台计算机中的那种系统
10、。优点：结构简单、清晰，集中式的数据库很容易管理，优点：结构简单、清晰，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。并容易保证数据的一致性。缺点：系统实时性、可靠性、可扩充性比较差。缺点：系统实时性、可靠性、可扩充性比较差。3）分布式控制系统）分布式控制系统 分布式控制系统是先进的控制方案分布式控制系统是先进的控制方案优点：优点：采用分布式控制结构，各控制器的任务明确，计算采用分布式控制结构，各控制器的任务明确，计算量平衡，因此效率更高；量平衡，因此效率更高；在物理上的分散结构，采用现场总线等通信技术，在物理上的分散结构，采用现场总线等通信技术，减少了干扰和故障，同时大大节省了电缆；减少
11、了干扰和故障，同时大大节省了电缆；实现分布控制、集中管理，降低了风险；实现分布控制、集中管理，降低了风险；系统构成模块化，重构简单。系统构成模块化，重构简单。缺点：技术比前两种控制方法稍复杂一些、运行经验相缺点：技术比前两种控制方法稍复杂一些、运行经验相对少一些，系统构造成本较高。对少一些，系统构造成本较高。3 分布式控制系统分布式控制系统(DCS)的可靠性的可靠性可靠性是计算机控制系统的一个最重要的指标，可靠性是计算机控制系统的一个最重要的指标，DCSDCS所所固有的分散式体系结构，决定了其可靠性要大于集中式固有的分散式体系结构，决定了其可靠性要大于集中式DDCDDC控制方式。控制方式。1）
12、DCS的分散化结构的分散化结构DCS又叫分散控制系统，是松耦合的多处理机系统，它又叫分散控制系统，是松耦合的多处理机系统，它不同于共享内存的紧耦合多处理机系统，其每个子系统不同于共享内存的紧耦合多处理机系统，其每个子系统都有很强的独立处理能力。分散方式表现在：都有很强的独立处理能力。分散方式表现在：i.组织上的分散组织上的分散ii.功能和地域上的分散功能和地域上的分散iii.负荷分散负荷分散iv.数据库分散其，其中数据库分散其，其中DCS采用的分散型数据库主要采用的分散型数据库主要有：分隔型和重复型两种。有：分隔型和重复型两种。2）冗余化结构）冗余化结构i.用多重化构成的自动备用方式用多重化构
13、成的自动备用方式ii.这是对设备部件加以双重化、三重化设置，一旦发这是对设备部件加以双重化、三重化设置，一旦发生故生故iii.障，用其它部件或设备作后备，具体有以下方式：障，用其它部件或设备作后备，具体有以下方式：同步运转方式同步运转方式待机运转方式待机运转方式后退运转方式后退运转方式ii.用简易手段的备用方式（手动备用）用简易手段的备用方式（手动备用）3）CRT操作台的可靠性操作台的可靠性采用多台采用多台CRT相互备用，此时数据库必须做成分散型结相互备用，此时数据库必须做成分散型结构。除了采用冗余结构外，构。除了采用冗余结构外，CRT还有一项提高可靠性的还有一项提高可靠性的重要措施，就是具有
14、故障的顺序报警（历史报警）画面。重要措施，就是具有故障的顺序报警（历史报警）画面。4）通信系统的可靠性措施）通信系统的可靠性措施通信系统和电源一样是系统的公共部分，对可靠性要求很高，具体通信系统和电源一样是系统的公共部分，对可靠性要求很高，具体措施如下表措施如下表传输链路的双重化原理如下传输链路的双重化原理如下5）其它可靠性和安全性措施）其它可靠性和安全性措施 所有所有I/O卡都具有良好的浪涌电压吸收器和滤波、卡都具有良好的浪涌电压吸收器和滤波、屏蔽等措施。屏蔽等措施。在操作站区分工程师键盘和操作员键盘，系统组态、在操作站区分工程师键盘和操作员键盘，系统组态、维护、检查等需用工程师键盘，操作员
15、键盘只能做维护、检查等需用工程师键盘，操作员键盘只能做一般的工艺操作。参数显示和整定等，并且还有键一般的工艺操作。参数显示和整定等，并且还有键锁等手段，以防止人为的事故。锁等手段，以防止人为的事故。在在DCS的监督管理计算机这一级上，还采用一系列的监督管理计算机这一级上，还采用一系列安全保密措施，如各种特权命令，对数据库和文件安全保密措施，如各种特权命令，对数据库和文件资源进行保护。资源进行保护。9.2 DCS的结构的结构一、一、DCS设计的基本原则：设计的基本原则：针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，可以使用多台针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，可以使用多台控制器共同完成所有过程量
16、的输入输出控制器共同完成所有过程量的输入输出，每台控制器只处理一，每台控制器只处理一部分实时数据，故若其失效只会影响它所处理的那一部分实时部分实时数据，故若其失效只会影响它所处理的那一部分实时数据，不会造成整个系统失去实时数据；数据，不会造成整个系统失去实时数据；用不同的计算机去处理不同的功能用不同的计算机去处理不同的功能，使每台控制器的处理尽，使每台控制器的处理尽量单一化，以提高每台控制器的运行效率，而且单一化的处理量单一化，以提高每台控制器的运行效率，而且单一化的处理在软件结构上容易做得简单，提高了软件的可靠性；在软件结构上容易做得简单，提高了软件的可靠性；用计算机网络解决系统的扩充与升级
17、的问题用计算机网络解决系统的扩充与升级的问题，与计算机的内，与计算机的内部总线相比，计算机网络具有设备相对简单、可扩性强等特点，部总线相比，计算机网络具有设备相对简单、可扩性强等特点，只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而只要选型得当，一个网络的架构可以具有极大的伸缩性，从而使系统的规模可以在很大程度上实现扩充而并不增加很多费用；使系统的规模可以在很大程度上实现扩充而并不增加很多费用；网络中的各台控制器处于平等地位网络中的各台控制器处于平等地位，在运行中互相之间不存，在运行中互相之间不存在依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。在依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。
18、二、二、DCS的基本构成（物理结构）的基本构成（物理结构）DCS的基本构成可以简单地将其归纳为的基本构成可以简单地将其归纳为“三点一线三点一线”式的结构。一线是指式的结构。一线是指计算机网络和现场总线计算机网络和现场总线。三点是。三点是指在网络上指在网络上3种不同类型的节点：种不同类型的节点：面向被控过程的现面向被控过程的现场场1/O控制站、面向操作员的操作站和面向控制站、面向操作员的操作站和面向DCS监督监督管理人员的工程师站管理人员的工程师站。1）DCS的网络结构的网络结构 首先，它是一个实时网络，需要根据现场通信实时性首先，它是一个实时网络，需要根据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完
19、成信息的传送。其次，在的要求，在确定的时限内完成信息的传送。其次，在选择拓扑结构式还要满足分布式的要求。选择拓扑结构式还要满足分布式的要求。故一般采用环行和总线形拓扑结构；采用令牌方式传故一般采用环行和总线形拓扑结构；采用令牌方式传递信息。递信息。2）现场）现场I/O控制站控制站 它是完成对过程现场它是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制处理并实现直接数字控制(DDC)的网络节点。的网络节点。3）操作员站）操作员站 DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点面功能的网络节点，其主要功能就是为系统的运行操其主要功能就是为系统的
20、运行操作员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时作员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态和各种运行参数的当前值。了解现场运行状态和各种运行参数的当前值。4）工程师站）工程师站 工程师站是对工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。的系统监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是其主要功能是提供对提供对DCSDCS进行组态，配置工作的工具软件（组态软进行组态，配置工作的工具软件（组态软件），并在件），并在DCSDCS在线运行时实时地监视在线运行时实时地监视DCSDCS网络上各个网络上各个节点的运行情况，
21、使系统工程师可以通过工程师站及节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调擎系统配置及一些系统参数的设定，使时调擎系统配置及一些系统参数的设定，使DCSDCS随时随时处在最佳的工作状态之下。处在最佳的工作状态之下。三、三、DCS的层次结构（逻辑结构）的层次结构（逻辑结构）随着随着DCSDCS向计算机网络控制的扩展，将过程控制、监向计算机网络控制的扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并采用专家系统、督控制和管理调度进一步结合起来，并采用专家系统、制造自动化协议制造自动化协议MAPMAP（Manufacture Automation Manufacture Automatio
22、n ProtocolProtocol）标准，提出了以下新的典型）标准，提出了以下新的典型DCSDCS分层结构，分层结构，此类系统的进一步发展就是计算机集成制造系统此类系统的进一步发展就是计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System),CIMS(Computer Integrated Manufacturing System),即将企业行政事务信息和工厂控制系统集成为一的计即将企业行政事务信息和工厂控制系统集成为一的计算机系统。算机系统。此类系统不仅采用了先进的层次结构，而且同时采用此类系统不仅采用了先进的层次结构，而且同时采用了先
23、进的控制策略和软件编程技术，从而使得系统性了先进的控制策略和软件编程技术，从而使得系统性能非常先进。能非常先进。1 控制系统的功能控制系统的功能层次结构层次结构 DCSDCS的发展与自控系的发展与自控系统的发展是分不开统的发展是分不开的。典型的分布式的。典型的分布式计算机控制系统采计算机控制系统采用了如图用了如图9-79-7的的4 4层层结构。结构。每一层为上每一层为上一层的基础，接受一层的基础，接受上一层的控制指令，上一层的控制指令，同时又将控制结果同时又将控制结果和各控制参数送给和各控制参数送给上一层。上一层。q 注：注：以上控制功能分层结构纯属是为了分析控制策略以上控制功能分层结构纯属是
24、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次划分与具体实现这些功能的DCSDCS的体系划分不是等的体系划分不是等同的同的。特别是当今随着。特别是当今随着DCS的各控制站的处理能力越的各控制站的处理能力越来越强，很多来越强，很多DCS的控制站里就己完成了许多优化算的控制站里就己完成了许多优化算法和自适应控制运算，而有的法和自适应控制运算，而有的DCS大量地采用现场总大量地采用现场总线技术，将很多先进控制甚至己下放到了智能控制模线技术，将很多先进控制甚至己下放到了智能控制模板（或调节单元）级。对于一些小型企
25、业，只有少量板（或调节单元）级。对于一些小型企业，只有少量的控制装置，计划调整层和决策层的工作用一台高性的控制装置，计划调整层和决策层的工作用一台高性能的处理机系统（如用能的处理机系统（如用PC机组成的机组成的ClientServer结结构）在构）在DCS上就可以全部实现，上就可以全部实现，这样，控制系统就这样，控制系统就集中到二层的集中到二层的DCS上了。上了。q 在大多数的情况下，在大多数的情况下，DCS完成第一层、第二层的全部完成第一层、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。过一层管理系统来完成。9.
26、3 DCS的基本控制器的基本控制器1 1、基本控制器结构、基本控制器结构 DCSDCS中基本控制器采用中基本控制器采用总线结构总线结构，所有插件都直接挂在，所有插件都直接挂在总线上，如下图所示。其中总线上，如下图所示。其中CPUCPU单元和存储器部分是核单元和存储器部分是核心部件心部件。存储器可分成程序存储器和工作存储器两部分。存储器可分成程序存储器和工作存储器两部分。2 2、基本控制器的功能、基本控制器的功能 基本控制器具有基本控制器具有控制和接口控制和接口的双重功能。基本控制器的双重功能。基本控制器的控制功能，除了能进行基本的的控制功能，除了能进行基本的PIDPID控制等以外，还控制等以外
27、，还具有远方本地设定值功能、数字逻辑功能、以时间具有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、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带有通信接口的基本控制器还具有接口功能，控制算式带有通信接口的基本控制器还具有接口功能，它在采集数据后进行预处理并向上级计算机传送，其它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，以工
28、作存储器可作为上级计算机的分散数据存储器，以供上级计算机直接查用。供上级计算机直接查用。3 3、基本控制器的工作原理、基本控制器的工作原理 基本控制器的基本控制器的CPUCPU在系统管理程序的指挥下，在一在系统管理程序的指挥下，在一个采样周期内完成一次工作循环，用户可以通过个采样周期内完成一次工作循环，用户可以通过DEPDEP或或CRTCRT操作站选择标准算法，构成不同的控制回路。操作站选择标准算法，构成不同的控制回路。3 3、基本控制器的可靠性、基本控制器的可靠性 为了提高基本控制器的可靠性，集散系统中为了提高基本控制器的可靠性，集散系统中采取了采取了冗余手段和自诊断措施冗余手段和自诊断措施
29、。由备用控制器和备用切换指挥器构成所谓的由备用控制器和备用切换指挥器构成所谓的无中断控制系统。无中断控制系统。基本控制器的基本控制器的CPUCPU具有逻辑判断功能，故可进具有逻辑判断功能，故可进行自诊断。行自诊断。集散系统中还可利用维修板和诊断板等离线集散系统中还可利用维修板和诊断板等离线检查设备对基本控制器的硬件和软件进行全检查设备对基本控制器的硬件和软件进行全面的检查。面的检查。4 4、基本控制器的特征、基本控制器的特征 基本控制器带有固化软件；算法可以组态若基本控制器带有固化软件；算法可以组态若与上位计算机配合，可完成高级控制功能；与上位计算机配合，可完成高级控制功能；功能和控制结构改变
30、时可不必更换硬件；并功能和控制结构改变时可不必更换硬件；并且具有自诊断功能。且具有自诊断功能。基本控制器是集散系统中最基本的控制单元，基本控制器是集散系统中最基本的控制单元，它能与它能与DEPDEP操作面板配合组成最小规模的控制操作面板配合组成最小规模的控制系统，这种控制系统可以代替几台模拟调节系统，这种控制系统可以代替几台模拟调节器工作，并可直接挂在高速数据通道上，组器工作，并可直接挂在高速数据通道上，组成更大规模的控制系统，这对企业分期投资、成更大规模的控制系统，这对企业分期投资、逐步发展是十分有利的。逐步发展是十分有利的。一、分布式控制的硬件和软件的发展一、分布式控制的硬件和软件的发展
31、在硬件方面在硬件方面：随着计算机大规模集成电路的发展和计随着计算机大规模集成电路的发展和计算机体系结构的进步，对算机体系结构的进步，对DCSDCS产生了巨大的影响。越产生了巨大的影响。越来越多的来越多的DCSDCS厂商采用厂商采用PCPC机或工作站作为机或工作站作为DCSDCS的节点，的节点，从而使得各从而使得各DCSDCS节点的功能越来越强。节点的功能越来越强。在软件方面在软件方面：DCSDCS厂商在重视开发积累的基础上，开厂商在重视开发积累的基础上，开始转向通用商品软件，由于硬件上采用了通用机，使始转向通用商品软件，由于硬件上采用了通用机，使得这种转化具备了条件。另外，在计算机产业结构的得
32、这种转化具备了条件。另外，在计算机产业结构的变化中出现了一批专门生产变化中出现了一批专门生产SCADASCADA软件（即监督控制软件（即监督控制及数据采集及数据采集Supervisory Control And Data Supervisory Control And Data AcquisitionAcquisition）的厂家，从而使得采用独立软件厂家）的厂家，从而使得采用独立软件厂家提供的提供的DCSDCS软件成为可能。软件成为可能。9.4 分布式控制技术的发展分布式控制技术的发展二、分布式计算机控制系统网络体系的发展二、分布式计算机控制系统网络体系的发展 DCSDCS网络体系结构逐渐向
33、开放性发展中。网络体系结构逐渐向开放性发展中。开放性是指：各个厂家生产的产品具有互操开放性是指：各个厂家生产的产品具有互操作性、互换性、可替代性。可扩充性和可移作性、互换性、可替代性。可扩充性和可移植性等。植性等。目前各系统间交换信息所使用的标准中，最目前各系统间交换信息所使用的标准中，最常见的为常见的为SQLSQL标准。而微型机之间往往采用标准。而微型机之间往往采用ODBCODBC实现网络上的数据库的访问。实现网络上的数据库的访问。根据网络中各节点之间的关系，网络结构可根据网络中各节点之间的关系，网络结构可分为：对等式网络和客户机服务器结构。分为：对等式网络和客户机服务器结构。三、现场总线技
34、术和智能化仪表的发展三、现场总线技术和智能化仪表的发展1 现场总线技术现场总线技术 过程控制中控制信号经历了气动信号、过程控制中控制信号经历了气动信号、4 420mA20mA模拟模拟信号后的第三个阶段就是采用现场总线的全数字通信信号后的第三个阶段就是采用现场总线的全数字通信协议，它是一种连接智能现场设备的双向数字通信技协议，它是一种连接智能现场设备的双向数字通信技术，它具有开放性和互操作性，从而使得一些控制功术，它具有开放性和互操作性，从而使得一些控制功能下移到现场设备中。它不仅是一种信号通信协议也能下移到现场设备中。它不仅是一种信号通信协议也是一种全新的过程控制方法。是一种全新的过程控制方法
35、。2 2 智能化仪表智能化仪表 随着现场设备和仪表的智能化程度不断提高，使得现随着现场设备和仪表的智能化程度不断提高，使得现场的接线变得简单了。并且使得场的接线变得简单了。并且使得DCSDCS的体系结构进一的体系结构进一步分散化：传统的步分散化：传统的DCSDCS中集中式的中集中式的I/OI/O控制站可以进一控制站可以进一步细分，变成分布式控制站，这样就可在传统的步细分，变成分布式控制站，这样就可在传统的DCSDCS网络测下一层再引入一层现场网络，构成网络测下一层再引入一层现场网络，构成控制网络、控制网络、系统网络和管理网络系统网络和管理网络这样的三层网络结构。这样的三层网络结构。9.5 先进
36、控制先进控制 目前较广泛应用的先进控制系统有以下几种。目前较广泛应用的先进控制系统有以下几种。一、一、自适应控制自适应控制 自适应控制是建立在系统的数学模型参数未知的基自适应控制是建立在系统的数学模型参数未知的基础上，随着系统行为的变化，相应地改变和调整控础上，随着系统行为的变化，相应地改变和调整控制器的参数，以适应系统特性的变化，保证整个系制器的参数，以适应系统特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意的结果。目前应用较多统的性能指标达到令人满意的结果。目前应用较多的自适应控制系统可以按其工作原理的不同而分为的自适应控制系统可以按其工作原理的不同而分为模型参考自适应控制系统和自校正控制器
37、模型参考自适应控制系统和自校正控制器（Self-Self-tuning controltuning control）。1 模型参考自适应控制系统模型参考自适应控制系统(Model Reference Adaptive Control)模型参考自适应控制系统由模型参考自适应控制系统由参考模型参考模型/被控对象被控对象/反馈反馈控制器和自适应控制回路控制器和自适应控制回路组成，如图组成，如图9-8所示所示。易见，该控制系统是一种随动系统，目的是调整控制易见，该控制系统是一种随动系统，目的是调整控制系统的输出按一种较理想的过渡过程进行。可以用基系统的输出按一种较理想的过渡过程进行。可以用基于稳定性理
38、论的设计方法设计这种自适应控制系统。于稳定性理论的设计方法设计这种自适应控制系统。即保证控制器参数的自适应调整过程是稳定的，且要即保证控制器参数的自适应调整过程是稳定的，且要使这个调整过程尽快一些收敛。使这个调整过程尽快一些收敛。2 自校正控制系统自校正控制系统 自校正控制系统是利自校正控制系统是利用过程的输入和输出用过程的输入和输出信号，在线地对过程信号，在线地对过程的数学模型进行辨识，的数学模型进行辨识，然后修正控制策略，然后修正控制策略，改变调节器的控制作改变调节器的控制作用，直到控制性能指用，直到控制性能指标达到最优。标达到最优。3 自整定自整定PID调节调节 尽管尽管DCS为很多高级
39、控制提供了应用平台，但是为很多高级控制提供了应用平台，但是在在DCS应用中，绝大部分的控制仍由常规的调节应用中，绝大部分的控制仍由常规的调节控制（控制（PID）来完成。例如典型石化装置）来完成。例如典型石化装置PID算法算法的应用比例见表的应用比例见表9-1所列。所列。从表从表9-19-1可以看出，可以看出，PIDPID调节器占据了绝大多数的组态控制算法，调节器占据了绝大多数的组态控制算法，在很多中、小型的工业生产过程中，在很多中、小型的工业生产过程中，大多数的控制回路只由大多数的控制回路只由PIDPID调调节器回路组成。此外，在很多应用先进控制的系统中，节器回路组成。此外，在很多应用先进控制
40、的系统中，PlDPlD调节器调节器仍作为直接回路的调节单元，而高级的控制只是通过计算仍作为直接回路的调节单元，而高级的控制只是通过计算等来产生出随时间和条件变化的等来产生出随时间和条件变化的PIDPID给定值。给定值。PIDPID算法的参数整定是不基于模型和参数的算法的参数整定是不基于模型和参数的，它，它是一种根据过程对象的时间特性或频率特性来是一种根据过程对象的时间特性或频率特性来整定整定PIDPID参数。参数的确定过程一般是离线进行参数。参数的确定过程一般是离线进行的，并且这些参数一般在整个运行过程中是不的，并且这些参数一般在整个运行过程中是不会随着生产过程参数的变化而变化的。会随着生产过
41、程参数的变化而变化的。为了提高经济效益，克服生产过程参数的变化，为了提高经济效益，克服生产过程参数的变化，以及随着计算机技术、人工智能、专家系统技以及随着计算机技术、人工智能、专家系统技术的发展，自整定术的发展，自整定PIDPID技术发展非常迅速，很多技术发展非常迅速，很多系统利用专家经验规则来进行系统利用专家经验规则来进行PIDPID参数的整定。参数的整定。相应地提出了模糊相应地提出了模糊PIDPID和专家系统自整定和专家系统自整定PIDPID算算法。随着法。随着DCSDCS体系结构进一步分散和小型体系结构进一步分散和小型DCSDCS的的普及，自整定普及，自整定PIDPID会得到越来越广泛的
42、应用。会得到越来越广泛的应用。补充：基于遗传算法的补充：基于遗传算法的PID整定原理整定原理（一）遗传算法简介：（一）遗传算法简介：遗传算法遗传算法(Genetic Algorithms:GA)是是由美国由美国Michigan大学的大学的John.Holland教教授在七十年代年提出的。授在七十年代年提出的。GA是模拟自是模拟自然界遗传机制和生物进化论，将然界遗传机制和生物进化论，将“优胜优胜劣汰，适者生存劣汰，适者生存”的生物进化原理引入的生物进化原理引入参数优化，而形成的一种新型的高度并参数优化，而形成的一种新型的高度并行、随机、自适应的通用搜索算法。行、随机、自适应的通用搜索算法。GA的
43、三个基本操作是的三个基本操作是选择、交叉、变异选择、交叉、变异。选择选择是从一个旧种群中选择生命力强的个体是从一个旧种群中选择生命力强的个体位串产生新种群的过程。（可用适配值函数位串产生新种群的过程。（可用适配值函数来衡量生命力）来衡量生命力）交叉交叉是模仿生物进化过程中的繁殖现象：任是模仿生物进化过程中的繁殖现象：任意在匹配池中选择两个染色体，随机选择一意在匹配池中选择两个染色体，随机选择一点或多点交叉位置，交换染色体交叉点右边点或多点交叉位置，交换染色体交叉点右边部分。部分。变异变异用来模拟生物在自然遗传环境中由于各用来模拟生物在自然遗传环境中由于各种偶然因素引起的基因突变。此操作的加入种
44、偶然因素引起的基因突变。此操作的加入可使算法在尽可能大的空间中搜索较高质量可使算法在尽可能大的空间中搜索较高质量的优化解。的优化解。（二）遗传算法流程图如下（二）遗传算法流程图如下满足要求满足要求参数的确定及表示参数的确定及表示对参数进行编码对参数进行编码初始化群体初始化群体P(t)评价群体评价群体解码解码寻优结束寻优结束遗传操作遗传操作选择选择交叉交叉变异变异下一代群体下一代群体P(t1)是是否否（三）利用遗传算法优化（三）利用遗传算法优化kp,ki,kd的具体的具体步骤为：步骤为：(1)确定每个参数的大致范围和编码长度，进确定每个参数的大致范围和编码长度，进行编码；行编码；(2)随机产生随
45、机产生n个个体构成初始种群个个体构成初始种群P(0)；(3)将种群中各个体解码成对应的参数值，用将种群中各个体解码成对应的参数值，用此参数求目标函数值此参数求目标函数值J和适应度函数值和适应度函数值f，取，取f=1/J；(4)应用选择、交叉、变异算子对种群应用选择、交叉、变异算子对种群P(t)进行进行操作，产生下一代种群操作，产生下一代种群P(t+1)；(5)重复重复(3)和和(4)，直到参数收敛或达到预定指，直到参数收敛或达到预定指标。标。【实例【实例】：设被控对象为二阶传递函数：设被控对象为二阶传递函数 采样时间为采样时间为1ms，输入指令为阶跃信号，为获取满意，输入指令为阶跃信号，为获取
46、满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分性能的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。为防止控制能量指标作为参数选择的最小目标函数。为防止控制能量过大，可再加入控制输入的平方项。选用下式作最优过大，可再加入控制输入的平方项。选用下式作最优目标函数：目标函数：sssg504002)(utwdttuwtewJ32201)()(e(t)为系统误差，为系统误差，u(t)为控制器输出，为控制器输出，tu为上升时间，为上升时间，w1 w2 w3 为权值。为权值。v 当选取样本个数为当选取样本个数为30，交叉概率和变异概率分别为：，交叉概率和变异概率分别为：Pc=0
47、.9,Pm=0.033。参数。参数Kp的取值范围的取值范围0,20,Ki,Kd取值范围取值范围0,1，取，取w1w2w3分别为分别为0.999,0.001,2.0采用采用实数编码，经过实数编码，经过100代进化后，获得的代进化后，获得的PID参数整定参数整定结果为：结果为：Kp=19.0823,Ki=0.0089,Kd=0.2434性能指标性能指标J=23.9936。J的优化过程和整定后的优化过程和整定后PID阶跃响应如下：阶跃响应如下：代价函数值的优化过程代价函数值的优化过程整定后整定后PID阶跃响应曲线阶跃响应曲线二、预测控制二、预测控制 预测控制是一种基于模型的计算机控制算法。预测控制是
48、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与设定它利用预测模型来预估过程未来的输出与设定值之间的偏差，并采用值之间的偏差，并采用“滚动式滚动式”的优化策略的优化策略计算当前的控制输入，它对数学模型的要求不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。预测控制是由法国和美国几有较强的鲁棒性。预测控制是由法国和美国几家公司在家公司在2020世纪世纪7070年代先后提出的，一经问世，年代先后提出的，一经问世，就因为其特殊的优越性，而很快在石化、电力就因为其特殊的优越性，而很快在石化、电力等
49、工业中得到了十分广泛的应用。等工业中得到了十分广泛的应用。三、智能控制三、智能控制 智能控制采取了智能控制采取了3 3种不同的途径：种不同的途径：专家系统、模专家系统、模糊控制和神经元网络控制糊控制和神经元网络控制。这。这3 3种途径又可以相种途径又可以相互渗透，从而产生了许多模糊专家系统、模糊神互渗透，从而产生了许多模糊专家系统、模糊神经元网络等。经元网络等。1 专家系统（又称基于知识的系统）专家系统（又称基于知识的系统）专家系统是利用具有相当数量的权威性知识来解专家系统是利用具有相当数量的权威性知识来解决特定领域中实际问题的计算机程序系统。决特定领域中实际问题的计算机程序系统。它能它能根据
50、用户提供的数据、信息或事实，运用系统中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。结论及结论的可信度以供用户决策之用。专家专家系统在工业控制中的应用领域一般有监测、故障系统在工业控制中的应用领域一般有监测、故障诊断和实时专家控制。诊断和实时专家控制。常见的专家系统由以下几个部分组成：常见的专家系统由以下几个部分组成：知识库，知识库，推理机或推理机制，综合数据库，解释接口或推理机或推理机制，综合数据库，解释接口或人机界面，知识获得人机界面，知识获得。其结构如图其结构如图9-10所
