過(guò)程控制第一章緒論

1、1 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 第一章第一章 緒論緒論 作者：魯照權(quán)作者：魯照權(quán) 方敏方敏 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS 2 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 本章內(nèi)容要點(diǎn)本章內(nèi)容要點(diǎn) v 2. 從過(guò)程建模、控制策略與方法、軟測(cè)量技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化和計(jì)算 機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)等方面介紹了過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 v 3. 工業(yè)過(guò)程往往具有高階次、多變量、分布參數(shù)、強(qiáng)耦合、大慣 性、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定與非線性等特點(diǎn)，因此，過(guò)程控制方案也 十分豐富。過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以被控過(guò)程的特性和工藝要求為依 據(jù)，通常有單變量控制系統(tǒng)，多變量控制系統(tǒng)；

2、有儀表過(guò)程控制系 統(tǒng)，DCS，也有FCS；有復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系 統(tǒng)。 v 1. 過(guò)程控制的發(fā)展經(jīng)歷了基于經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和多 學(xué)科交叉的三個(gè)階段。第一階段從基地式儀表發(fā)展到單元組合式儀 表；第二階段從單元組合式儀表發(fā)展到分布式控制系統(tǒng) （distributed Control System, DCS），又稱集散控制系統(tǒng)；第 三階段出現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) （Fieldbus Control System, FCS）。 3 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 本章內(nèi)容要點(diǎn)本章內(nèi)容要點(diǎn) v 5. 過(guò)程控制系統(tǒng)均由檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和被控 過(guò)

3、程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。通常，將它們稱為過(guò)程檢測(cè)控制儀表（或自動(dòng)化 儀表），則過(guò)程控制系統(tǒng)由被控過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表兩部分組 成。 v 6. 從過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，可以將過(guò)程控制系統(tǒng)分為反饋控 制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)；從給定信號(hào)的 特點(diǎn)來(lái)看，可以將過(guò)程控制系統(tǒng)分為定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 v 4. 過(guò)程控制系統(tǒng)通常指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是 溫度、壓力、流量、液位和成分等過(guò)程變量的系統(tǒng)。 v 7. 簡(jiǎn)單介紹了DCS和FCS 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。隨著PLC的快速發(fā)展，其 結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈活，功能越來(lái)越強(qiáng)大。采用PLC構(gòu)成DCS或FCS將越來(lái) 越方便。 4

4、過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，連續(xù)工業(yè)逐步向大型化、連續(xù)化、自動(dòng) 化和集成化方向發(fā)展。為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，連續(xù)工業(yè)正在不斷地通過(guò)提 高自動(dòng)化水平來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省能耗、降低成本以獲得更顯著的 經(jīng)濟(jì)效益。 1.1.1 1.1.1 過(guò)程控制的發(fā)展及現(xiàn)狀過(guò)程控制的發(fā)展及現(xiàn)狀 過(guò)程工業(yè)是指石化、電力、冶金、造紙、化工、醫(yī)藥和食品等工業(yè)， 其特點(diǎn)是連續(xù)性。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，1991年以來(lái)我國(guó)公布的產(chǎn)品銷售額排名 的前10名中，有80%90%屬于連續(xù)工業(yè)；按利潤(rùn)排名的前20名中，連續(xù) 工業(yè)約占70%，可見(jiàn)連續(xù)工業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)

5、國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著十分重要的意 義。 5 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 許多國(guó)內(nèi)外的專家、學(xué)者認(rèn)為，過(guò)程控制在控制理論、控制工 程、控制要求、控制水平等方面大約經(jīng)歷了以下三個(gè)發(fā)展階段，見(jiàn) 表1-1。 階段 第一階段 （20世紀(jì)70年代 以前） 第二階段 （20世紀(jì)70-80年 代） 第三階段 （20世紀(jì)90年代） 控制理論 控制工具 控制要求 控制水平 經(jīng)典控制理論 常規(guī)儀表 安全、平穩(wěn) 簡(jiǎn)單 現(xiàn)代控制理論 DCS 優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗 先進(jìn)控制系統(tǒng) 多學(xué)科交叉 FCS、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 市場(chǎng)預(yù)測(cè)、柔性生產(chǎn)、綜合管理 CIPS 表1-1 過(guò)程控制發(fā)展的三個(gè)階段 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的

6、發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 6 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 在控制系統(tǒng)方面，絕大多數(shù)是單變量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，對(duì)于比較重要 的工藝變量則設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代以前，過(guò) 程工業(yè)的自動(dòng)化水平相對(duì)比較低。當(dāng)時(shí)的控制理論主要是經(jīng)典控制理論， 所能采用的控制工具主要是常規(guī)儀表。 20世紀(jì)70年代到80年代，基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)過(guò)程控制（Advanced Process Control, APC）應(yīng)運(yùn)而生。先進(jìn)過(guò)程控制的出現(xiàn)主要是基于以下兩 點(diǎn)： 一是市場(chǎng)上先進(jìn)的控制工具，如分布式控制系統(tǒng)（DCS）的出現(xiàn)與完善； 二是現(xiàn)代

7、控制理論的不斷發(fā)展與提高，如預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、非 線性控制、魯棒控制，以及智能控制等控制策略與方法都已成為目前國(guó)內(nèi) 外學(xué)術(shù)界和工程界的熱門研究課題。國(guó)內(nèi)外已有許多先進(jìn)過(guò)程控制成功的 工業(yè)應(yīng)用報(bào)道。 7 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 近年來(lái)，在控制工具方面，出現(xiàn)了一種新的控制系統(tǒng)，稱之為現(xiàn)場(chǎng)總 線系統(tǒng)（FCS）?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的綜合 與集成，它的特點(diǎn)是全數(shù)字化、全分布、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)放式互連 網(wǎng)絡(luò)。它克服了DCS的一些缺點(diǎn)，在體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、安裝調(diào)試方法和 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)

8、生了深遠(yuǎn)的影響。 盡管先進(jìn)過(guò)程控制能提高控制質(zhì)量并產(chǎn)生較明顯的經(jīng)濟(jì)效益（如采用 卡邊控制），但是它們?nèi)匀恢皇窍鄬?duì)孤立的控制系統(tǒng)。許多專家進(jìn)一步研 究發(fā)現(xiàn)，將控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理等集于一體，并將信號(hào)處理技術(shù)、數(shù) 據(jù)庫(kù)技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的高級(jí) 自動(dòng)化具有更重要的意義。因此，出現(xiàn)了所謂綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。這種全新 的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（computer integrated process system，CIPS）可以認(rèn)為是過(guò)程控制發(fā)展中的第三個(gè)階段。 8 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1 1. . 過(guò)程建模過(guò)程建模 目前國(guó)內(nèi)外采用的建模方法大致有3類

9、： （1 1）機(jī)理建模）機(jī)理建模 此種建模方法根據(jù)過(guò)程本身的內(nèi)在機(jī)理，利用能量平衡、物質(zhì)平衡、 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等規(guī)律建立系統(tǒng)的模型。此方法目前仍有不少應(yīng)用場(chǎng)合，但在 方法上沒(méi)有太大的發(fā)展。這是由于過(guò)程工業(yè)種類繁多，其物化反應(yīng)、生化 反應(yīng)等過(guò)程非常復(fù)雜，要想根據(jù)機(jī)理來(lái)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 1.1.2 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) （2 2）“黑箱子黑箱子” ” 系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí) 此種建模方法根據(jù)被控過(guò)程的輸人、輸出數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。屬于這 類方法的有最小二乘系統(tǒng)辨識(shí)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型、模糊模型和專家系

10、 統(tǒng)模型等。各種智能模型的交叉亦是此類模型的一種趨勢(shì)。 9 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) （3 3）集成模型建模）集成模型建模 此種建模方法將彌補(bǔ)機(jī)理建模和“黑箱子”系統(tǒng)辨識(shí)建模的短處而利 用它們的長(zhǎng)處。其基本思想是將機(jī)理建模方法與各種系統(tǒng)辨識(shí)方法有機(jī)地 結(jié)合，產(chǎn)生出能夠較準(zhǔn)確地描述復(fù)雜過(guò)程的模型。此方法目前尚無(wú)明確的 定義，但國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究和探討，是過(guò)程建模的的一個(gè)新 研究方向。 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 盡管國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在過(guò)程建模方面做出了卓有成效的努力，但就目 前過(guò)程控制的水平而言，工業(yè)過(guò)程模型仍然是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的瓶頸， 在這

11、一方面，今后仍有大量的工作要完成。 10 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 目前，學(xué)術(shù)界所研究、開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制策略（算法）很多，但其 中許多算法仍只停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效 地應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中的仍為數(shù)不多。以下是一些較公認(rèn)（特別是能得 到工程界認(rèn)可）的先進(jìn)控制策略（算法）： 2. 2. 控制策略與方法控制策略與方法 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) （1 1）改進(jìn)的或復(fù)合）改進(jìn)的或復(fù)合PIDPID控制算法控制算法 大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大多數(shù)工業(yè)過(guò)程的被 控過(guò)程（高達(dá)90%）可取得較好的控制效果。采用改進(jìn)的PID算法或者 將

12、PID算法與其他算法相結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 11 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) （2 2）預(yù)測(cè)控制）預(yù)測(cè)控制 預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過(guò)程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控 制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高，因而 很快引起工業(yè)控制界以及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視，現(xiàn)已有許多商品 化的預(yù)測(cè)控制軟件包以及許多成功應(yīng)用的報(bào)道。預(yù)測(cè)控制有三個(gè)要素， 即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。其機(jī)理表明它是一種開(kāi)放式的控 制策略，體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性問(wèn)題時(shí)的一種通用的思想方 法。 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 根據(jù)預(yù)測(cè)模型的不同形式，預(yù)測(cè)控制分別

13、稱之為（model predictive control）MPC，（generalized predictive control） GPC和（receding horizon predictive control）RHPC。此外，預(yù)測(cè) 控制還可以采取其他形式的模型，如非線性模型、模糊模型和神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)模型等。目前，預(yù)測(cè)控制仍在不斷發(fā)展中。其中，將預(yù)測(cè)控制思想 和方法推廣到廣義控制問(wèn)題是重要的研究方向之一。 12 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) （3 3）自適應(yīng)控制）自適應(yīng)控制 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 在過(guò)程工業(yè)中，不少的過(guò)程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不

14、 變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng) 控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)時(shí)變的過(guò)程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成 熟的自適應(yīng)控制分三類：自整定調(diào)節(jié)器及其他簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器、模 型參考自適應(yīng)控制和自校正調(diào)節(jié)與控制。 自適應(yīng)控制已在工程實(shí)踐中得到了不少的應(yīng)用，但它至今仍然有 許多待進(jìn)一步解決的問(wèn)題（特別在參數(shù)估計(jì)方面），這些問(wèn)題不解決， 自適應(yīng)控制的廣泛應(yīng)用仍將遇到許多困難。因此，仍有大量工作要做。 此外，更高一級(jí)的自組織與自學(xué)習(xí)控制也在不斷研究中。 13 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) （4 4）智能控制）智能控制 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 隨著

15、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過(guò)程不僅要求控制的精確性，更加 注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué) 習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過(guò)程日趨復(fù)雜，過(guò)程嚴(yán)重的非線性和不確定 性，使許多系統(tǒng)無(wú)法用數(shù)學(xué)模型精確描述。沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型作前 提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計(jì)卻不依賴 過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，因而對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程往往可以取得很好的控制 效果。 常見(jiàn)的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級(jí)遞階智能控制、 專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。這些智能控制方 法各有千秋，但又存在不足。同時(shí)，研究表明將它們相互交叉結(jié)合或 與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更佳的效果。智能

16、控制已在家電行業(yè) 及工業(yè)過(guò)程中取得了許多成功的應(yīng)用，特別是模糊控制方法已在家電 行業(yè)中廣泛應(yīng)用。 14 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 在許多工業(yè)過(guò)程中，存在著很多這樣的變量：它們由于技術(shù)和經(jīng) 濟(jì)的原因，目前尚難以或暫時(shí)無(wú)法通過(guò)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但同時(shí)又需 要加以嚴(yán)格的控制、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過(guò)程工藝變量。如精 餾塔的產(chǎn)品組分濃度，化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度和產(chǎn)品分布，發(fā)酵罐 中的生物量參數(shù)和制漿工業(yè)中的卡伯值（Kappa numbe）等。 3. 3. 軟測(cè)量技術(shù)軟測(cè)量技術(shù) 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 解決這些變量檢測(cè)問(wèn)題的途徑有：開(kāi)發(fā)新的傳感器；基于一些容

17、 易測(cè)量的二次工藝變量，通過(guò)一定的方法推算出要檢測(cè)的工藝變量數(shù) 值。第二種方法就稱之為軟測(cè)量技術(shù)（或稱之為軟測(cè)量?jī)x表）。建立 軟測(cè)量的方法通常有以下幾種： （1）基于工藝機(jī)理分析 （2）基于回歸分析 15 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) （3）基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) （4）基于模式識(shí)別 （5）基于模糊模型 有許多因素影響軟測(cè)量性能，如輔助變量及數(shù)目的選擇，檢測(cè)點(diǎn) 位置的選擇，數(shù)據(jù)的處理與變換，軟測(cè)量的在線校正等。要想真正地、 可靠地將軟測(cè)量用于工業(yè)過(guò)程，上述因素均需仔細(xì)地加以考慮并采取 相應(yīng)的有效措施，特別是對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在許多干擾的

18、情況下更需付 出巨大的努力。 16 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 過(guò)程優(yōu)化包含兩層意思：一是穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，二是最優(yōu)控制。 4. 4. 過(guò)程優(yōu)化過(guò)程優(yōu)化 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 經(jīng)驗(yàn)證明，在經(jīng)濟(jì)效益方面，過(guò)程優(yōu)化獲益比先進(jìn)控制要高出 510倍。因此，過(guò)程優(yōu)化技術(shù)在連續(xù)工業(yè)中大有作為。 目前穩(wěn)態(tài)優(yōu)化技術(shù)（或稱之為離線操作優(yōu)化或調(diào)優(yōu)）主要有三種 方法，即統(tǒng)計(jì)調(diào)優(yōu)法（evolutionary operation，EVOP），模式識(shí)別 法（pattern recognition，PR）與操作模擬分析法（operation simulation analysis，OS

19、A）。這些方法的共同點(diǎn)是利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)以 及建模、優(yōu)化方法在約束條件下求解最優(yōu)的工藝參數(shù)，提供操作指導(dǎo)。 當(dāng)然，操作條件優(yōu)化也可以用計(jì)算機(jī)在線自動(dòng)完成。動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制則 是保證穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)的“最優(yōu)性”。 17 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 當(dāng)前，在機(jī)械加工行業(yè)中，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）是國(guó)內(nèi) 外熱門的研究課題。考慮到過(guò)程工業(yè)與機(jī)械加工行業(yè)的不同特點(diǎn)，在 過(guò)程工業(yè)中CIMS被稱為計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（Computer integrated process system，CIPS）。計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)的出現(xiàn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、 通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展是分不開(kāi)的。 5. 5. 計(jì)算機(jī)集成過(guò)程

20、系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（CIPSCIPS） 1.1 過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) CIPS覆蓋操作層、管理層、決策層，涉及企業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的計(jì)算 機(jī)優(yōu)化。它的最大特點(diǎn)是多種技術(shù)的“綜合”與全企業(yè)信息的“集 成”，它是信息時(shí)代企業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的大方向。 企業(yè)內(nèi)存在許多自動(dòng)化孤島，即企業(yè)內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是相互獨(dú)立 的，不同計(jì)算機(jī)間不能互通信息，工程師不能用生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)接收 實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)、管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)傳來(lái)的信息，硬件、軟件不能兼容， 造成過(guò)程控制與管理決策、經(jīng)營(yíng)貿(mào)易的失衡，限制了公司迅速適應(yīng)營(yíng) 銷、市場(chǎng)和生產(chǎn)變化的能力。 18 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.1 過(guò)程控

21、制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與趨勢(shì) 據(jù)專家分析，CIPS的關(guān)鍵技術(shù)有如下幾個(gè)方面： （1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) （2）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) （3）各種接口技術(shù) （4）過(guò)程操作優(yōu)化技術(shù) （5）先進(jìn)控制技術(shù) （6）軟測(cè)量技術(shù) （7）生產(chǎn)過(guò)程的安全保護(hù)技術(shù)等 其中（4）（7）是自動(dòng)化技術(shù)的熱門研究課題，它們的發(fā)展與 進(jìn)步將是實(shí)施CIPS的保證。 CIPS利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)整個(gè)企業(yè)的運(yùn)作和過(guò)程進(jìn)行綜合管理和控 制，它包括市場(chǎng)營(yíng)銷、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、原料選擇、產(chǎn)品分配、成本管 理，以及工藝過(guò)程的控制、優(yōu)化和管理的全過(guò)程。分布式控制系統(tǒng)、 先進(jìn)過(guò)程控制以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CIPS的重要基礎(chǔ)。

22、19 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.2 過(guò)程過(guò)程工業(yè)工業(yè)與控制的特點(diǎn)與控制的特點(diǎn) 從控制工程的觀點(diǎn)看，過(guò)程工業(yè)有以下一些特點(diǎn)： 1）連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨著物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變反應(yīng)等。 因此，過(guò)程機(jī)理十分復(fù)雜； 2）被控過(guò)程往往是高階次、強(qiáng)耦合、大慣性、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確 定性與非線性等，控制起來(lái)非常困難； 3）連續(xù)工業(yè)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn) 的安全性是至關(guān)重要的。因此，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性提出了非常 苛刻的要求。 與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，過(guò)程控制大致可歸納為： 1) 連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。過(guò)程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的 自動(dòng)控制，其被控量需定量地控制，而且滿足連續(xù)

23、可調(diào)。若控制動(dòng)作 在時(shí)間上是離散的（如采樣控制系統(tǒng)等），但是，其被控量需定量控 制，也歸入過(guò)程控制。 20 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 2) 被控過(guò)程是多種多樣的、非電量的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中， 工業(yè)過(guò)程很復(fù)雜。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品品種 多樣，因此過(guò)程控制中的被控過(guò)程是多種多樣的。諸如石油化工過(guò)程 中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器、流體傳輸設(shè)備；熱工過(guò)程中的鍋爐、熱交 換器；冶金過(guò)程中的轉(zhuǎn)爐、平爐、加熱爐；機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐等。 它們的動(dòng)態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大時(shí)滯、非線性特性。有些機(jī)理復(fù) 雜（如發(fā)酵過(guò)程、生化過(guò)程等）的過(guò)程至今尚未被人們所認(rèn)識(shí)，很難 建立其精確的數(shù)學(xué)模型。因此，設(shè)

24、計(jì)能適應(yīng)各種過(guò)程的控制系統(tǒng)并非 易事。 3) 過(guò)程工業(yè)的控制過(guò)程多屬慢過(guò)程，而且多半為參量控制。由于 被控過(guò)程具有大慣性、大時(shí)滯等特性，控制過(guò)程多屬慢過(guò)程。另外， 在石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、制藥等過(guò)程工業(yè)中，往往 采用一些物理量和化學(xué)量（如溫度、壓力、流量、液位、成分、pH值 等）來(lái)表征其生產(chǎn)過(guò)程是否正常。因此，需要對(duì)上述過(guò)程參數(shù)進(jìn)行自 動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制，故過(guò)程控制多半為參量控制。 1.2 過(guò)程過(guò)程工業(yè)工業(yè)與控制的特點(diǎn)與控制的特點(diǎn) 21 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 4) 過(guò)程控制方案十分豐富。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，工藝條件 越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)過(guò)程控制的要求越來(lái)越高。過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以

25、被 控過(guò)程的特性為依據(jù)。由于工業(yè)過(guò)程大多屬多變量、分布參數(shù)、大慣 性、大時(shí)滯和非線性等的復(fù)雜、多變特性，為了滿足上述特點(diǎn)與工藝 要求，過(guò)程控制中的控制方案是十分豐富的。通常有單變量控制系統(tǒng)， 也有多變量控制系統(tǒng)；有儀表過(guò)程控制系統(tǒng)，也有集散控制系統(tǒng)；有 復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系統(tǒng)。 5) 定值控制是過(guò)程控制的一種常用形式。在石油、化工、電力、 冶金、輕工、環(huán)保和原子能等現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)中，過(guò)程控制的主要目的 在于消除或減小外界干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在給 定值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高能和低消耗的目標(biāo)。定值控制仍 是目前過(guò)程控制的一種常用形式。 1.2 過(guò)程過(guò)程工業(yè)工

26、業(yè)與控制的特點(diǎn)與控制的特點(diǎn) 22 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 過(guò)程控制系統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是 溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度和pH值（酸堿度或氫離 子濃度）等這樣一些過(guò)程變量的系統(tǒng)。 1.3.1 1.3.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 下面以幾個(gè)典型的控制系統(tǒng)為例，來(lái)介紹過(guò)程控制系統(tǒng)的組成。 1 1發(fā)電廠鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)發(fā)電廠鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 鍋爐是電力、冶金、石油化工等工業(yè)部門不可缺少的動(dòng)力設(shè)備， 其產(chǎn)品是蒸汽。發(fā)電廠從鍋爐汽鼓（汽包）中出來(lái)的飽和蒸汽經(jīng)過(guò)過(guò) 熱器繼續(xù)加熱

27、成為過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽的溫度是火力發(fā)電廠重要的生 產(chǎn)工藝參數(shù)。過(guò)熱蒸汽溫度控制是保證汽輪機(jī)組（發(fā)電設(shè)備）正常運(yùn) 行的一個(gè)重要條件。通常過(guò)熱蒸汽的溫度應(yīng)達(dá)到460左右再去推動(dòng)汽 輪機(jī)做功。每種鍋爐與汽輪機(jī)組都有一個(gè)規(guī)定的運(yùn)行溫度，在這個(gè)溫 度下運(yùn)行，機(jī)組的效率最高。如果過(guò)熱蒸汽的溫度過(guò)高，會(huì)使汽輪機(jī) 的壽命大大縮短；如果溫度過(guò)低，當(dāng)過(guò)熱蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)做功時(shí)，會(huì) 使部分過(guò)熱蒸汽變成水滴。小水滴沖擊汽輪機(jī)葉片，會(huì)造成事故。所 以必須對(duì)過(guò)熱蒸汽的溫度進(jìn)行控制。 23 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 通常在圖1-1a所示的過(guò)熱器之前或中間部分串接一個(gè)減溫器，通過(guò) 控制減溫水流量的大小來(lái)控制過(guò)熱蒸汽的溫度，所以

28、設(shè)計(jì)圖1-1a所示的 溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中過(guò)熱蒸汽溫度采用熱電阻溫度計(jì)1來(lái)測(cè)量，并經(jīng)溫 度變送器2（TT）將測(cè)量信號(hào)送至調(diào)節(jié)器3（TC）的輸入端，與過(guò)熱蒸汽 溫度的給定值進(jìn)行比較得到其偏差，調(diào)節(jié)器按此輸入偏差以某種控制規(guī) 律進(jìn)行運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，以控制閥4的開(kāi)度，從而改變減溫水流量的 大小，達(dá)到控制過(guò)熱蒸汽溫度的目的。圖1-1b為該系統(tǒng)的框圖。 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 a）控制系統(tǒng)流程圖 b）系統(tǒng)框圖 1熱電阻，2溫度變送器，3調(diào)節(jié)器，4調(diào)節(jié)閥 圖 1-1 過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 24 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 2. 2. 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐供氧量控制

29、系統(tǒng) 轉(zhuǎn)爐是煉鋼工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一種重要設(shè)備。熔融的鐵水裝入轉(zhuǎn) 爐后，可以通過(guò)氧槍供給轉(zhuǎn)爐一定的氧氣量。在氧氣的作用下，鐵水 中的碳逐漸氧化燃燒，從而使鐵水中的含碳量不斷地降低。控制吹氧 量和吹氧時(shí)間就可以控制冶煉鋼水的含碳量，于是可以獲得不同品種 的鋼。為了冶煉各種不同品種的鋼材，設(shè)計(jì)了圖1-2a所示的轉(zhuǎn)爐供氧 量控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用節(jié)流裝置1來(lái)測(cè)量氧氣流量，并送至流量變送 器2（FT），經(jīng)開(kāi)方器3后作為流量調(diào)節(jié)器4（FC）的測(cè)量值，其測(cè)量值 與供氧量的給定值進(jìn)行比較得到偏差，調(diào)節(jié)器按此偏差信號(hào)以某種控 制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào)去控制調(diào)節(jié)閥5的開(kāi)度，從而改變供氧 量的大小，以滿足生產(chǎn)工藝

30、的要求。圖1-2b為供氧系統(tǒng)框圖。 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 為了便于應(yīng)用控制理論分析過(guò)程控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的工作過(guò)程， 由控制流程圖1-1a和圖1-2a可以分別畫出其框圖1-1b和圖1-2b。現(xiàn)以 圖1-1b為例介紹圖中的各方框、連線等的含義。 25 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 在圖1-1b中每個(gè)框表示組成該系統(tǒng)的一個(gè)（設(shè)備或裝置）環(huán)節(jié)，兩 個(gè)框之間的一條帶有箭頭的連線表示其相互關(guān)系和信號(hào)傳遞方向，但不 表示方框之間的物料聯(lián)系。在該圖中的溫度測(cè)量元件、變送器、調(diào)節(jié)器 和調(diào)節(jié)閥等各環(huán)節(jié)是單方向作用的，即環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)會(huì)影響輸出信號(hào)， 但是輸出信號(hào)不會(huì)反過(guò)來(lái)去影

31、響輸入信號(hào)。應(yīng)該指出，在過(guò)程控制中， 調(diào)節(jié)閥控制的介質(zhì)流量可以流入給過(guò)程，也可以是從過(guò)程中流出來(lái)。如 果被控的物料是流入過(guò)程的，則正好與框圖中箭頭方向一致。如果被控 物料是從過(guò)程流出來(lái)的，則圖中信號(hào)的傳遞方向與物料的流動(dòng)方向就不 一致了。 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 a）控制系統(tǒng)流程圖 b）系統(tǒng)框圖 1節(jié)流裝置，2流量變送器，3開(kāi)方器，4流量調(diào)節(jié)器，5調(diào)節(jié)閥 圖 1-2 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng) 26 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 在圖1-1b中的“過(guò)程”（又稱對(duì)象）方框指某些被控制的裝置或設(shè)備， 在本例中表

32、示測(cè)量溫度的熱電阻溫度計(jì)到調(diào)節(jié)閥之間的管道設(shè)備，即包括過(guò) 熱器、減溫器及到調(diào)節(jié)閥前的一段管道。 表示過(guò)熱蒸汽的溫度，是過(guò)熱 蒸汽溫度控制系統(tǒng)的被控參數(shù)，是“過(guò)程”的輸出信號(hào)。在本例中進(jìn)入過(guò)熱 器的煙氣溫度的高低以及環(huán)境溫度的變化（如刮風(fēng)、降溫）情況都是會(huì)引起 被控參數(shù)波動(dòng)的外來(lái)因素，稱其為擾動(dòng)作用，可用 表示。它是“過(guò)程”的擾動(dòng)信號(hào)。減溫器水流量的改變是由于調(diào)節(jié)閥動(dòng) 作（開(kāi)度改變）所致，它也是影響過(guò)熱蒸汽溫度變化的因素，作為調(diào)節(jié)閥方 框的輸出信號(hào)，也是“過(guò)程”的輸入信號(hào)，可用 表示，稱其為操作變量， 也叫控制參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)控制作用。調(diào)節(jié)器的輸出 稱為控制作用，它是 調(diào)節(jié)閥的輸入信號(hào)。測(cè)量變送器

33、的作用是將被控量 成比例地轉(zhuǎn)換為測(cè)量信號(hào) ，它是調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，亦稱反饋信號(hào)。 應(yīng)當(dāng)指出，調(diào)節(jié)器是根據(jù) 測(cè)量值的變化與給定值 進(jìn)行比較得 出的偏差值對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行控制的。過(guò)程的輸出信號(hào)，即溫度控制系統(tǒng)的 輸出通過(guò)溫度測(cè)量元件與變送器的作用，將輸出信號(hào)反饋到輸入端，構(gòu)成 一個(gè)閉環(huán)控制回路，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng) 27 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 在生產(chǎn)過(guò)程中，由于擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，控制作用也在不斷地進(jìn)行。若 因擾動(dòng)（如冬天刮風(fēng)降溫）使過(guò)熱蒸汽的溫度下降，測(cè)量元件（熱電阻 溫度計(jì)）將溫度的變化值測(cè)量出來(lái)，經(jīng)變送器送至調(diào)節(jié)器的輸入端，并 與其給定值

34、進(jìn)行比較得到偏差，調(diào)節(jié)器按此偏差并以某種控制規(guī)律發(fā)出 信號(hào)，去關(guān)小調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使減溫水減小，從而使過(guò)熱蒸汽的溫度逐 漸升高，并趨向于給定值。反之亦然。 從以上兩個(gè)工業(yè)過(guò)程控制的實(shí)例可見(jiàn)，控制系統(tǒng)由檢測(cè)元件、變送 器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和被控過(guò)程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。如果把測(cè)量元件、變送器、 調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥統(tǒng)稱為過(guò)程檢測(cè)控制儀表，則一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)是由被 控過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表兩部分組成的。過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù) 工業(yè)過(guò)程的特性和工藝要求，通過(guò)選用過(guò)程檢測(cè)控制儀表構(gòu)成系統(tǒng)，再 通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督 和自動(dòng)控制。 28 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.3 過(guò)程控制過(guò)

35、程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 1.3.2 1.3.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)的分類 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類方法很多，若按被控參數(shù)的名稱來(lái)分，有溫度、 壓力、流量、液位、成分、pH值等控制系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)完成的功能來(lái) 分，有比值、分程和選擇等控制系統(tǒng)；按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來(lái)分，有比 例、比例積分、比例微分、比例積分微分、智能控制系統(tǒng)等；按被控量 的多少來(lái)分，有單變量和多變量控制系統(tǒng)；按采用儀表的形式來(lái)分，有 常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、DCS（集散控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)） 等。但是，按過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類和按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)分 類是兩種最基本的分類方法。 1 1按過(guò)程

36、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類按過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 （1）反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)中的一種最基本的控制結(jié)構(gòu)形式。反 饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進(jìn)行工作的，偏差值是控制的依據(jù)， 最后達(dá)到消除或減小偏差的目的。圖1-1所示的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)就 是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。另外，反饋信號(hào)也可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多 個(gè)閉合回路，稱其為多回路控制系統(tǒng)。 29 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) （2）前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)在原理上完全不同于反饋控制系統(tǒng)。前饋控制是以不 變性原理為理論基礎(chǔ)的。前饋控制系統(tǒng)直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作， 擾動(dòng)是控制的依據(jù)。由于沒(méi)有被控量的反饋，所以也稱為開(kāi)環(huán)控

37、制系統(tǒng)。 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 圖1-3所示為前饋控制框圖。擾動(dòng)是引起被控量變化的原因，是根據(jù) 擾動(dòng)進(jìn)行工作的，能及時(shí)克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。但是，由于前饋控 制是一種開(kāi)環(huán)控制，最終不能檢查控制的精度。因此，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn) 過(guò)程自動(dòng)化中是不能單獨(dú)應(yīng)用的 圖 1-3 前饋控制系統(tǒng)框圖 30 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) （3）前饋-反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)） 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，引起被控參數(shù)變化的擾動(dòng)是多種多樣的。開(kāi)環(huán) 前饋控制的最主要的優(yōu)點(diǎn)是能針對(duì)主要擾動(dòng)及時(shí)迅速地克服其對(duì)被控參 數(shù)的影響；對(duì)其余次要擾動(dòng)，則利用反饋控制予以克服，使控制系統(tǒng)在 穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地

38、使被控量控制在給定值上。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，將兩者 結(jié)合起來(lái)使用，充分利用前饋與反饋控制兩者的優(yōu)點(diǎn)、在反饋控制系統(tǒng) 中引入前饋，從而構(gòu)成圖1-4所示的前饋-反饋控制系統(tǒng)，它可以大大提 高控制質(zhì)量。 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 圖 1-4 前饋-反饋控制系統(tǒng) 31 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 2 2按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)分類按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)分類 （1）定值控制系統(tǒng) 所謂定值控制系統(tǒng)，就是系統(tǒng)被控量的給定值保持在某一定值不變， 或在小范圍的附近。定值控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中應(yīng)用最多的一種控制系 統(tǒng)，這是因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大多要求系統(tǒng)被控量的給定值保持在某 一定值，或保

39、持在很小的偏差范圍內(nèi)。例如，過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、 轉(zhuǎn)爐供氧量控制系統(tǒng)均為一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)于定值控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 由于，引起被控量變化的是擾動(dòng)信號(hào)，所以定值控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是 擾動(dòng)信號(hào)。 1.3 過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 （2）程序控制系統(tǒng) 它是被控量的給定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化?？刂频哪康木褪鞘瓜?統(tǒng)的被控量按工藝要求規(guī)定的程序自動(dòng)變化。例如同期作業(yè)的加熱設(shè)備 （機(jī)械、冶金工業(yè)中的熱處理爐），一般工藝要求加熱升溫、保溫和逐 次降溫等程序，給定值就按此程序目動(dòng)地變化，控制系統(tǒng)按此給定程序 自動(dòng)工作，達(dá)到程序控制的目的。 32 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.3 過(guò)

40、程控制過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其分類的組成及其分類 （1）隨動(dòng)控制系統(tǒng) 與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的位置等隨動(dòng)控制不同，它是一種被控量的給定 值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。其主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量 快速跟隨給定值而變化。例如，在加熱爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制中，生產(chǎn) 工藝要求空氣量跟隨燃料量的變化而成比例地變化，而燃料量是隨生產(chǎn) 負(fù)荷而變化的，其變化規(guī)律是任意的。隨動(dòng)控制系統(tǒng)使空氣量跟隨燃料 量的變化自動(dòng)控制空氣量的大小，達(dá)到加熱爐的最佳燃燒。 33 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 1.4.1 DCS1.4.1 DCS（Distributed Control SystemD

41、istributed Control System集散控制系統(tǒng)）集散控制系統(tǒng)） DCS（Distributed Control System）直譯分布式控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)稱 之為集散控制系統(tǒng)。它是由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò) 為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊 （Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)。其基本 思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS具有 可靠性、開(kāi)放性、靈活性、易于維護(hù)性、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)。 可靠性。由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)。因此，某一臺(tái)

42、計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其 它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一， 可以針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而 使系統(tǒng)中每臺(tái)計(jì)算機(jī)的可靠性也得到提高。 開(kāi)放性。DCS采用開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)。系統(tǒng) 中各臺(tái)計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。當(dāng)需要改變或擴(kuò)充 系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增計(jì)算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下， 幾乎不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)的工作。 靈活性。通過(guò)組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行軟硬件組態(tài)， 即確定測(cè)量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫(kù)選擇適用的控 制規(guī)律以及從圖形庫(kù)調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報(bào)

43、警畫面，從 而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。 34 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 易于維護(hù)性。功能單一的小型或微型專用計(jì)算機(jī)，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、 方便的特點(diǎn)。當(dāng)某一局部或某個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè) 系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。 協(xié)調(diào)性。各工作站之間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)信 息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。 控制功能齊全、算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制 于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測(cè)等先進(jìn)控制，并可方 便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管 理計(jì)算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場(chǎng)控制站和數(shù)據(jù)

44、采集站 等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。 處于底層的過(guò)程控制級(jí)一般由分散的現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。生 產(chǎn)監(jiān)控級(jí)對(duì)來(lái)自過(guò)程控制級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計(jì)算、 統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障診斷、顯示報(bào)警等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按 照需要與更高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的集中管理 功能，如計(jì)劃調(diào)度、倉(cāng)儲(chǔ)管理、能源管理等。 1.4 DCS、FCS與與PLC 35 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 為了適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)控制與管理的需要，DCS采用多層次分級(jí)結(jié)構(gòu)形式 （現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)、管理

45、級(jí)）。各級(jí)分別采用現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)Fnet （Field Network）、控制網(wǎng)絡(luò)Cnet（Control Network）、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) Snet（Supervision Network）和管理網(wǎng)絡(luò)Mnet（Management Network） 進(jìn)行信號(hào)與數(shù)據(jù)傳遞。其基本組成如圖1-5所示。 圖 1-5 集散控制系統(tǒng)的基本組成 1.4 DCS、FCS與與PLC 36 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 由圖可見(jiàn)，集散控制系統(tǒng)由過(guò)程輸入輸出接口、過(guò)程控制單元、 數(shù)據(jù)高速通路、CRT操作站、管理計(jì)算機(jī)等五部分組成。下面就其各部分 的工作原理作一介紹。 1.4 DCS、FCS與與PLC 數(shù)據(jù)輸入-輸出單元。它是帶有

46、微處理器的智能裝置，主要用于 采集過(guò)程信息（模擬量和數(shù)字量），故又稱其為數(shù)據(jù)采集站。它能完成 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的加工，提供CRT操作站的顯示 與打印。同時(shí)，在有管理計(jì)算機(jī)的情況下，它可以用模擬量與開(kāi)關(guān)量的 方式向過(guò)程終端輸出計(jì)算機(jī)的控制指令。 基本控制單元。它相當(dāng)于若干臺(tái)常規(guī)調(diào)節(jié)器，能完成常規(guī)調(diào)節(jié)器 的全部運(yùn)算與控制功能。通過(guò)軟件組態(tài)能靈活地構(gòu)成滿足各種不同控制 要求的復(fù)雜控制系統(tǒng)。它接受現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。再通過(guò)內(nèi) 部微處理器進(jìn)行各種運(yùn)算處理，輸出轉(zhuǎn)換為DC 420mA的信號(hào)，去操作 各類執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 37 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)高速通路，又稱數(shù)

47、據(jù)通信總線。它是一條同軸電纜或光導(dǎo)纖 維，高速率傳送基本控制單元、過(guò)程輸入-輸出單元與顯示操作站之間的 數(shù)據(jù)。為了提高信息傳輸?shù)目煽啃?，通常DCS除有主通信總線外，還配置 有冗余通信總線。 1.4 DCS、FCS與與PLC CRT操作站。它是集散控制系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置，主要用于操作 工藝生產(chǎn)過(guò)程，并監(jiān)視工廠的運(yùn)行狀態(tài)及回路組態(tài)，調(diào)整回路參數(shù)（如 PID值、極限報(bào)警值與設(shè)定值等），顯示動(dòng)態(tài)流程畫面以及進(jìn)行部分生產(chǎn) 管理。通常它由CRT監(jiān)視器、數(shù)據(jù)通信總線接口、操作鍵盤、打印機(jī)、存 儲(chǔ)裝置等組成。 管理計(jì)算機(jī)。它通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線和系統(tǒng)中各智能單元，采集各 種數(shù)據(jù)信息，并綜合下達(dá)諸如設(shè)定值（SPC

48、）等各種高級(jí)命令。它可以進(jìn) 行集中管理與最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)信息控制管理一體化。通常管理計(jì)算 機(jī)還有可能供用戶進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高級(jí)語(yǔ)言軟件，可完成有關(guān)工藝參數(shù)間復(fù) 雜的運(yùn)算和數(shù)據(jù)分析工作等。 38 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 1.4.2 FCS1.4.2 FCS（Field bus Control SystemField bus Control System現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)） 隨著微處理器和通信技術(shù)的發(fā)展，控制界也不斷在控制精度、可操 作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線 控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。 可以說(shuō)集散控制系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展：一是

49、向上發(fā)展，即向CIMS （計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）、CIPS（計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)）發(fā)展；二是向 下發(fā)展，即向FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）發(fā)展。 FCS由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，能夠?qū)⒃菵CS系統(tǒng)中處于控制室的 控制模塊、輸入/輸出模塊置于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備上，加上現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有 通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號(hào)，因 而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完 成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè) 信號(hào)（包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息），同時(shí)又為多 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供電源?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備以外不再需要A

50、/D、D/A轉(zhuǎn)換部 件。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、 維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。 39 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC （1）通信方式 DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方 式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對(duì)一模擬信號(hào)（如DC 4 20mA）傳輸方式。因此，可以說(shuō)DCS是一個(gè)“半數(shù)字信號(hào)”系統(tǒng)。FCS采 用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。從最底層的傳感器、變送器和?zhí)行 器開(kāi)始就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直到最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 多條分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用來(lái)連接現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表，采用一對(duì)多 連接。 （2）

51、分散控制 在DCS中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多臺(tái)模擬儀表集中地接于輸入輸出單元，而 輸入、輸出、控制和運(yùn)算等功能塊都集中于DCS的控制站內(nèi)。DCS只是一 個(gè)“半分散”系統(tǒng)。FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元，由現(xiàn)場(chǎng)儀表取而 代之，即將DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)總線上 的數(shù)字儀表，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模 的I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了DCS由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，數(shù)字化 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記 錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng) 了系統(tǒng)的可維護(hù)性

52、。 40 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC （3）互操作性 DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備都是各制造商自行研制開(kāi)發(fā)的，不同廠商的產(chǎn) 品由于通信協(xié)議的專有與不兼容，彼此難以互聯(lián)、互操作。而FCS的現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備只要采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品既可互聯(lián)也可互換，并可 以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，具有很好 的可集成性。 （4）可靠性、易維護(hù)性 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模 的I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了DCS由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，數(shù)字化 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記 錄功

53、能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng) 了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 DCS與FCS的對(duì)比見(jiàn)表1-2。 41 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 表1-2 FCS與DCS的對(duì)比 對(duì)比點(diǎn)FCSDCS 結(jié) 構(gòu) 一對(duì)多：一對(duì)傳輸線接多臺(tái)儀表，雙向 傳輸多個(gè)信號(hào)。 一對(duì)一：一對(duì)傳輸線接一臺(tái)儀表，單向傳輸 一個(gè)信號(hào)。 抗干擾性 數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高。模擬信號(hào)傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。 狀態(tài)監(jiān)控 操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作情況，也能對(duì)設(shè)備進(jìn)行 參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測(cè)或?qū)ふ夜收?，?設(shè)備始終處于操作員的過(guò)程監(jiān)控與可控 狀態(tài)之中。 操作

54、員在控制室既不了解模擬儀表的工作情 況，也不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測(cè) 故障，導(dǎo)致操作員對(duì)儀表處于“失控”狀態(tài)。 控 制控制功能分散在各個(gè)智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。 互 換 性 用戶可以自由選擇不同制造商提供的性 能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表，并將 不同品牌的儀表互連，實(shí)現(xiàn)“即插即 用”。 盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（420mADC）， 可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使 不同品牌的儀表互換性差。 儀 表 智能儀表除了具有模擬儀表的檢測(cè)、變 換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能 力，并且具有控制和運(yùn)算能力。 模擬儀表只具有檢測(cè)、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ堋?42 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng) 1.4 DCS、FCS與與PLC 1.4.3 PLC1.4.3 PLC（Programmable logic ControllerProgramm