（控制理论与控制工程专业论文）工业过程先进控制系统的设计与应用.pdf

上业过程先进控制系统的设计与应用 星环网为主体的高效可靠分布式网络计算系统，实现了生产全过程主要信息的实 时监控及一些核心工艺参数的历史记录和查询。建立了s 射线测厚仪探测到的各 个分区p 粒子数和片基厚度的关系模型，得到片基厚度:设计了单级和串级的广 义预测自 校正控制器进行纵向平均厚度控制; 对于横向剖面厚度控制， 建立了i i 组膨胀螺栓加热占空比与厚片测点的三输入一三输出神经网络模型，设计了单级 和串级神经网络自 适应控制策略。另一个实例是先进控制在钻杆摩擦焊接生产线 中的应用。 采用l a g r a n g e 插值算法进行温度数据补偿， 得到了 淬火加热和保温阶 段任意时刻的实际温度;设计了 基于t - s 模型的预测控制器来进行钻杆的对中， 定义了矢量化的时间为控制量;对钻杆热处理的过程实现闭环控制，采用刀 增量 型 广 义 预 测 控 制 。 一少 关键词 先 进 控 制 预 测 控 制 ， 模 糊 控 制 神 经 网 络 控 制 ， 计 算 机 控 钱 过程控制，涤纶片基拉膜生产线，钻杆摩擦对焊生产线 、 气 工业过程先进控制系统的设计与应用 ab s t r a c t t h i s a r t i c l e d i s c u s s e s c o n t r o l ( a p c ) s y s t e m , w i t h s y s t e m i n o u r e n t e 印 r i s e s . m a i n l y a b o u t d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e d p r o c e s s a i m o f p r o m o t i n g a p p l ic a t i o n o f a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s o m e k i n d s o f a d v a n c e c o n t r o l m e t h o d s a r e i n t r o d u c e d b r i e fl y i n t h i s a r t i c l e . m o d e l p r e d i c t i v e c o n t r o l ( mp c ) i s c h o s e n f i r s t l y as r e p r e s e n t a t i o n o f m o d e l b a s e d c o n t r o l th e o r i e s , s i n c e t h e o ry s y s t e m o f m o d e l b as e d c o n t r o l h as c o m e i n t o b e i n g a n d b e c o m e o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g a n d s u c c e s s f u l l y u s e d c o n t r o l s t r a t e g i e s . e x p e rt s y s t e m , a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ( a n n ) a n d f u z z y l o g i c a r e t h e t o p t h r e e p o t e n t i a l i n t e l l i g e n t c o n t r o l t h e o r i e s f o r p r o c e s s c o n t r o l . a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k c o n t r o l a n d f u z z y l o g i c c o n t r o l a r e i n t r o d u c e d i n t h i s a rt i c l e . c o m p o s e d c o n t r o l t h e o ry i s t h e t r e n d o f f u t u r e c o n t r o l t h e o r i e s b e c a u s e d i s a d v a n t a g e i n s i n g l e c o n t r o l m e t h o d i s o v e r c o m e i n c o m p o s e d c o n t r o l m e t h o d . f u z z y p r e d i c t i v e c o n t r o l i s c h o s e n t o s t u d y i n t h i s a r t i c l e . o u t c o m e o f m y r e c e n t r e s e a r c h i n a d v a n c e d c o n t r o l t h e o ry i s a l s o i n t r o d u c e d i n t h i s a rt i c l e . a n a l g o r it h m o f g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l ( g p c ) u s i n g i t e r a t i v e r e s u l t s o l v i n g i s d e m o n s t r a t e d . t h e f o r e c as t s y s t e m o u t p u t s b ase d o n z e r o i n p u t a r e d e f i n e d a s s y s t e m s t a t e s . t h e s e s t a t e s a r e g a i n e d u s i n g i t e r a t i v e a l g o r it h m b y s t a t e s p a c e m o d e l . t h u s t h e d i o p h a n t i n e f u n c t i o n s o l v i n g i s p as s e d o v e r , a c h ie v i n g l e s s c o m p u t a t i o n a n d l e s s o n l i n e - c o m p u t in g - t i m e . t - s m o d e l b as e d f u z z y g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l i s d e v e l o p e d . a p p l y i n g o r th o g o n a l l e as t - s q u a r e s ( o l s ) m e t h o d t o i d e n t i f y t h e p a r a m e t e r s o f f u z z y r u l e c o n s e q u e n t s . l o c a l d y n a m ic l i n e a r i z a t i o n i s a p p l i e d t o s y s t e m a t e a c h s a m p l i n g p o i n t , t h r o u g h w h i c h c o n t r o l a c t i o n i s g a in e d u s i n g g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l b a s e d o n t h e l i n e a r iz e d m o d e l . t h i s a l g o r i t h m h a s p r e f e r a b l e u n i v e r s a l c h a r a c t e r f o r we n e e d n o t c o n s i d e r mo r e a b o u t t h e a c t u a l s t r u c t u r e o f t h e n o n l i n e a r s y s t e m u s i n g t h i s m e t h o d . t - s m o d e l b as e d l o c a l i t e r a t i v e i d e n t i f i c a t i o n a n d g p c c o n t r o l i s a l s o d e v e l o p e d . a n o v e l m e t h o d o f l o c a l i t e r a t i v e l e as t s q u a r e ( l o i t l s ) i s b r o u g h t f o r w a r d t o i d e n t i f y t h e c o n s e q u e n c e s p a r a m e t e r s o f f u z z y r u l e r s . l e s s c o m p u t a t i o n i s g a i n e d f o r t h e r e as o n t h a t c o n s e q u e n c e s p a r a m e t e r s o f e a c h r u l e r a r e i d e n t i f i e d r e s p e c t i v e l y . t h e l i n e a r i z e d m o d e l c a n r e fl e c t t h e d y n a m i c c h a n g e o f s y s t e m a n d t h u s f it o n l i n e u s i n g , w i t h t h e r u l e r p a r a m e t e r s a d j u s t i n g i t e r a t i v e l y . 工业过程先进控制系统的设计与应用 一i v 一 d e s i g n o f a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m n e e d s k n o w l e d g e o f b r o a d a s p e c t . p r i n c i p l e o f c o m p o s i n g a n d d e s i g n o f a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m i s g i v e n i n t h i s a r t i c l e . i m p o r t a n t c o n t e n t s a r e d i s c u s s e d , s u c h a s d a t a s a m p l i n g a n d d e a l i n g , c o m p u t e r n e t w o r k s t e c h n o lo g y , d a t a b a s e d e s i g n . d e s i g n o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e o f a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m a r e a l s o i n v o l v e d . g e n e r a l a p p r o a c h o f d e s i g n a n d i m p l e me n t a t i o n o f a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m i s s u m u p i n t h e a rt i c l e . t w o e x a m p l e s o f a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m a r e g i v e n i n t h e e n d o f t h i s a rt i c l e , i n d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f w h i c h t h e a u t h o r a c t a s p r i m a r y p a r t i c i p a n t . t h e f i r s t o n e i s a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m o f p o l y s t e r f i l m a n d s h e e t s p r e a d l i n e . r e l i a b l e a n d e ff e c t i v e d i s t r i b u t e n e t w o r k - c o m p u t a t i o n - s y s t e m b a s e d o n i b m t o k e n r i n g s t a r - r i n g n e t w o r k i s e s t a b l i s h e d . r e a l t i m e m o n i t o r i n g o f m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s , s t o r e a n d q u e r y o f c o r e t e c h n i c a l p a r a m e t e r s a r e r e a l i z e d i n t h e s y s t e m . r e l a t i o n m o d e l b e t w e e n n u m b e r o f 0 p a rt i c l e o f e a c h s u b a r e a fr o m t h i c k n e s s - m e a s u r e a p p a r a t u s a n d t h i c k n e s s o f p o l y s t e r i s s e t u p . s i n g l e a n d s e r i e s g p c i s d e s i g n e d t o c o n t r o l t h e a v e r a g e l e n g t h w a y s t h i c k n e s s o f p o l y s t e r . w e b u i l d u p e l e v e n g r o u p o f t h r e e - in p u t - t h r e e - o u t p u t n e u r a l n e t w o r k m o d e l f o r h e a t i n g u p r a t i o o f e x p a n d b o lt s a n d t h i c k n e s s o f p o l y s t e r . s i n g l e a n d s e r i e s n e u r a l n e t w o r k a d a p t i v e c o n t r o l i s d e s i g n e d t o c o n t r o l t h e t r a n s v e r s e t h i c k n e s s o f p o l y s t e r . a n o t h e r e x a m p l e i s a d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l f o r p r o d u c t l i n e o f d r i l l s t e m s j o i n t i n g a n d h e a t t r e a t m e n t . a c t u a l t e m p e r a t u r e o f q u e n c h i n g a n d k e e p i n g s t a g e i s g a i n e d , u s i n g l a g r a n g e a r i t h m e t i c t o c o m p e n s a t e d a t a o f t e m p e r a t u r e . t - s m o d e l b a s e d f u z z y g e n e r a l i z e d p r e d i c t iv e c o n t r o l i s d e s i g n e d t o c o n t r o l w i n d a g e a d j u s t i n g o f d r i l l s t e m s , i n w h i c h d i r e c t i o n a l t i m e i s d e f i n e d a s c o n t r o l v a l u e . c l o s e l o o p c o n t r o l f o r p r o c e s s o f h e a t t r e a t m e n t , u s i n g 8 in c r e m e n t g p c . ke y wo r d sa d v a n c e d p r o c e s s c o n t r o l , p r e d i c t i v e c o n t r o l , fu z z y l o g i c c o n t r o l , a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k c o n t r o l ，c o m p u t e r c o n t r o l , p r o c e s s c o n t r o l , p o l y s t e r f i l m a n d s h e e t s p r e a d l i n e , p r o d u c t l i n e o f d r i l l s t e m s j o i n t i n g a n d h e a t t r e a t m e n t 上 业过程先进控制系统的设计与应用 本文用到的缩略语 a / d ( a d c ) ann ap c cari ma ccs ci m s cp u cr t c s m a / c d d / a ( d a c ) dcs dcs di dl s dmc dnnc do e hac e p s ac f cs gp c v 0 i n i dnnc i p i p c l c d l ed 模数转换 人工神经元网络 先进控制 受控自回归积分滑动 平均 集中控制系统 计算机集成制造系统 中央处理器 阴极射线管 带有冲突检测的载体 监听多重访问 数模转换 分布控制系统 集散控制系统 数字量输入 d a v i d o n 最小二乘 动态矩阵控制 直接神经网络控制器 数字量输出 扩展步限自 适应控制 扩展预测自 适应控制 现场总线控制系统 . 广义预测控制 输入/ 输出 电流/ 电压 间接神经网络控制器 网际协议 工业控制计算机 液晶显示器 发光二级管 l oi t l s l ol i mot l q g mac map m a u mi mo mi s o mp c mp hc nnc ol s p ca p i d p l c p l s p ro way r am redl s rl s rom s cs i s i s o t cp ts u p s w t o r- gp c 局部递推最小二乘法 局部线性模型树 最优控制 模型算法控制 制造自 动化协议 多路访问单元 多输入多输出 多输入单输出 模型预测控制 模型预测启发式控制 神经网络控制器 正交最小二乘法 主元分析 比例积分微分 可编程逻辑控制器 部分最小二乘 工业过程数据公路 随机访问存储器 鲁棒的扩展 d a v i d o n 最小二乘 最小二乘 只读存储器 小型计算机系统接口 单输入单输出 传输控制协议 t a k a g i - s u g e n o 不间断电源 世界贸易组织 16 增量型广义预测控 制 第一章绪论 1 . 1先进控制系统的背景和特点 过程控制的发展是与控制理论、 仪表、 计算机、 计算机通信与网络以及有关学 科 ( 例如生产工艺机理研究)的发展紧密相关的。 传统的过程控制系统以单变量技术为基础， 同时受当时计算机发展水平、 通讯 与网络技术的限制， 控制的目标主要局限于对某一个变量或几个变量的乎稳操作， 保证生产平稳和少出事故。以p i d控制为代表的传统过程控制系统在工业过程控 制中得到了广泛的应用。 随着过程工业日 益走向 大型化、 集成化、 连续化、 复杂化， 对过程控制的品质 提出了更高的要求，一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的 安 全， 满足一定的 约束条件， 而且 应该带来一定的 经 济效益 和社会效益i 俞金寿， 2 0 0 0 。然而， 在设计这样的控制系统时会遇到诸多困 难， 特别是复杂工业过程往 往具有不确定性 ( 环境结构和参数的未知性、 时变性、 随机性、 突变性) 、 非线性、 变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等特点，要想获得精确的数学 模型是十分困难的。因此，此类过程系统的设计已不能采用单一的基于定量的数 学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高 级的过程控制系统， 研究 先进的过程控制规律，以及将现有的控制理论和方法向过程控制领域移植和改造 等，这些方面也越来越受到控制界的关注。 先进控制 ( a p c ) 的目 标就是为了解决那些采用常规控制效果不佳， 甚至无法 控制的复杂工业过程控制问题。由于先进控制的内涵丰富，同时带有较强的时代 特征，至今对先进控制还没有严格、统一的定义。现代控制理论和人工智能近几 十年来取得了长足的发展，己为先进控制系统的实施奠定了强大的理论基础;而 控制计算机尤其是集散控制系统 ( d c s )的普及，计算机网络与通讯技术的突飞 猛进，则为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。 总而言之， 企业的需要、 控制理论和计算机及网络技术的发展强有力地推动了 先进控制的发展。 与控制理论、 仪表、 计算机、 计算机通信与网络等技术密切相关的先进控制系 工业过程先进控制系统的设计与应用 一2 统具有以下特点: ( i )先进控制系统的理论基础主要是基于模型的 控制策略， 如: 模型预测控制 和推断控制等， 这些控制策略充分利用工业过程输入输出有关信息建立系 统模型，而不必依赖对反应机理的深入研究。目前，基于知识的控制，如 专家控制和模糊逻辑控制正成为先进控制的一个重要发展方向。 ( 2 )先进控制系统通常用于处理复杂的多变量过程控制问 题，如大时滞、多变 量祸合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。 采用的先进控制策略是 建立在常规单回路控制基础之上的动态协调约束控制， 可使控制系统适应 实际工业生产过程动态特性和操作要求。 ( 3 )先进控制系统的实现需要较高性能的计算机作为支持平台。由 于先进控制 受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，复杂系统的先进控 制算法通常是在上位机上实施的。随着 d c s功能的不断增强和先进控制 技术的发展，部分先进控制策略可以与基本控制回路一起在d c s 上实现。 后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性。 先进控制的应用的确能为企业带来极大的经济效益。例如，美国v a l e r o炼油 公司采用动态矩阵多变量预测控制器后，生产能力提高4 . 6 %; 我国齐鲁石化公司 炼油厂催化裂化反应再生系统引进美国s e t p o i n t 公司的多变量预测控制i d c o mm 技术，系统投运后，再生烟气氧含量降到 2 . 3 %,轻质油收率提高2 . 8 %，年经济 效益超过3 8 7 万元人民币 孙德 敏等， 2 0 0 1 。 据统计， 一个石油化工生产装置先进 控制系统的年经济效益在百万元以上，先进控制系统投资回收期短，一般在一年 以内，很多项目的投资回收期要短得多，只需几个月，采用先进控制系统成为企 业提高经济效益的一个重要途径。在国内、国际市场竞争日益激烈的二十一世纪， 先进控制系统的开发和应用越来越受到企业界和控制界的重视。 发达国家的过程工业装置已普遍采用了 d c s ，早在二十世纪九十年代已把注 意力集中在先进控制与优化软件的应用和 c i ms上。但我国工程界的情况则差距 较大，应用先进控制与优化软件的只是个别的情况。随着二十一世纪的到来，经 济全球化的步伐不断加快，如何提高生产效率和产品的质量已成为我国过程工业 面临的一个严峻挑战。2 0 0 1 年中国加入 wt o后，国内企业面临的国内、国际竞 争压力与日俱增，国内企业的当务之急就是要大力引进、开发和应用先进控制系 统和优化软件，并进而推广 c i ms使硬件的效益充分发挥出来，提高生产效率和 经济效益。 第一章绪论 一3 一 目前先进控制系统的需求和应用要求越来越多，这样，先进控制系统设计的 重要性越来越受到控制界和工程界的重视。先进控制系统的设计是一门综合技术， 它要求多方面的知识，要求从事自 动控制的研究人员和工程技术人员在掌握生产 工艺流程和自 动控制理论的同时，必须掌握计算机控制系统的有关硬件、软件、 控制策略、数据通讯、网络技术、数据库等诸多方面的专业知识与技术，从而不 仅能能够分析与应用，而且能够设计并实施满足工业生产过程需要的先进控制系 统。 1 . 2先进控制理论的发展现状 从4 0 年代开始，在过程工业界，采用p i d控制规律的单输入单输出简单反馈 控制回路已成为过程控制的核心系统。 其理论基础是经典控制理论。目 前， p i d控 制仍广泛应用，即便是在大量采用d c s 控制的最现代化装置中，这类回路仍占总 回路数的8 0 % 9 0 %。这是因为 p i d控制算法是对人的简单而有效操作方式的总 结与模仿，足以维持一般工业过程的平稳操作与运行;而且，这类算法简单且应 用时间长，工业界比较熟悉且容易接受。 然而，单回路p i d控制并不能适用于所有过程的不同要求。从5 0 年代开始， 逐渐发展了串级、比值、 前馈、 均匀和s m i t h 预估控制等复杂控制系统， 即当时的 先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊控制要求。它们 从理论上看仍是经典控制理论的产物，但在结构和应用上各有特色，目 前仍在继 续不断地被改进和应用。 在工业生产过程中， 仍有1 0 % 2 0 % 的 控制问题采用上述控制策略无法奏效， 所涉及的被控过程往往具有强祸合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯 滞后等特征，并存在苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心 部分，直接关系到产品的质量、产率和消耗等有关指标。随着过程工业日益走向 大型化、集成化、连续化、复杂化，对过程控制的品质提出了更高要求，控制目 标已不再局限于对某一个变量或几个变量的平稳操作，而是越来越多地加入了以 经济效益为代表的其它控制要求，传统的以单变量技术为基础的控制技术己无法 满足这些需求，迫切需要一类合适的先进控制策略。 5 0年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带 来了状态反馈、输出反馈、解棍控制、自 适应控制等一系列多变量控制系统设计 方法;对于状态不能直接测量的情形，也有观测器和估计器等工具。然而，当现 代控制理论真正应用于工业过程控制时，却遇到了前所未有的困难。究其原因如 业过程先进控制系统的设计与应用 一4 一 下: ( 1 )上述多变量控制策略有自 身的不足，例如， 解祸控制在约束处理和控制变 更时缺乏灵活性; ( 2 )工业过程的复杂性使得建立其精确数学模型比 较困难; ( 3 )现代控制理论所需的数学基础也在一定程度上限制了它被过程控制界所 熟悉和了解。 与此同时， 计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广 泛应用， 强大的计算能力可以 用来求解许多过去认为是无法求解计算的问题。 1 9 8 0 年前后， 来自 过程控制界两位探索者j . r i c h a le t 和c .r . c u l t e r 分析报道了 其各自 研 究的有关解决实时动态环境下带约束多变量祸合系统控制问题的成果。这就是著 名的 模型预测启发式控制( m p h c ) r i c h a l e t , 1 9 7 8 和动态矩阵控制( d m c ) c u t l e r e t . a , 1 9 8 0 。从此预测控制在工业过程控制得到广泛应用。 整个8 0 年代，出 现了 许多有约束模型预测控制的工程化软件包。通过模型识别、优化算法、控制结构 分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理论 体系已基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最具有前途的先进控制策 略。 近年来， 人工智能技术有了长足的进步并在许多科学与工程领域中取得了较广 泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊逻辑是最具有潜力的三 种工具【 王树青等， 1 9 9 9 。 专家系 统可 望 在过 程故 障诊断、 监督 控制、 检测仪表和 控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可为复杂非线性过程的建模提 供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊逻辑不仅是行 之有效的模糊控制理论的基础，而且有望成为表达确定性和不确定性两类混合知 识、改善己有控制的主要方法，也将是先进控制的重要内容。 此外， 鲁棒控制、h . 控制等先进控制策略的 研究也取得了 一定的 进展。 上述各种控制策略各有其特长， 但都在某方面存在某些问 题。 因此， 一种必然 的趋势是各种控制策略互相渗透，取长补短，互济优势，结合成复合的控制策略， 从而获得过去难以 达到的 控制效果 袁南儿等， 1 9 9 8 。 近几年来，复合控制取得了 较大的进展，其中 应用广泛的复合控制策略有:模糊 p i d复合控制、模糊变结构 控制、自 适应模糊控制，模糊预测控制、模糊神经网络控制、专家 p i d控制、专 家模糊控制等。 第一章 绪 论一 为了更好地理解和认识先进控制在整个控制领域中的地位， 我们引用著名过程 控制专家d . e . s e b o r g 给出的一张有关过程控制策略分类的详情表，见 表1 . 2 . 1 : 表1 . 2 . 1 按应用程度分类的过程控制策略 第一类:传统控制策略 手动控制 p i d控制 比值控制 串级控制 前馈控制 第二类:先进控制经典技术 增益调整 时滞补偿 解祸控制 选择性超驰控制器 第三类:先进控制流行技术 模型预测控制 统计质量控制 内模控制 自 适应控制 第四类:先进控制潜在技术 最优控制 ( l q g ) 专家系统 第五类:先进控制研究中的策略 鲁棒控制，h ， 控制和 。 综合 非线性控制 神经控制器 模糊控制 1 . 3计算机挂制系统的发展现状 仪表、 计算机及网络技术是先进控制系统实施的硬件和软件基础， 它们在工业 生产过程中构成人们常说的计算机控制系统。计算机控制系统的发展经历了三个 阶段:集中控制系统 c c s ( c e n t r a l i z e d c o n t r o l s y s t e m ) ，分布控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) ， 现场总 线控制系 统f c s ( f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) t 张 占 龙， 1 9 9 9 。 计算机控制系统的发展从一定程度上体现和促进了 先进控制的发展， 其现状体现了先进控制系统应用实施的软、硬件基础。 1 . 3 . 1集中控制系统c c s 最初的生产过程自 动化是采用基地式仪表， 实现就地控制。 这种方法虽然取代 了 人员手工操作，但其控制功能十分有限。随着生产规模不断扩大，对自 动化的 要求也就越来越高。 从1 9 5 9 年在美国t e x a c o 炼油厂投入运行的第一套计算机控制 系统，一直到7 0 年代中期以前，各个计算机控制系统均采用集中式体系结构。 集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的1 1 0设备和c r t , 键盘、 打印机 等外部设备即可完成系统功能。也就是说，集中控制系统中所有功能和对所有被 控对象实施的控制均由一台计算机来完成。集中控制系统的优点是整体性好、协 调性好。由于采取集中的方式，现场状态集中在一台计算机处理，故中央计算机 仁 业 过 程 先 进 控 制 系 统 的 设 计 j ti-y jfl一一 一一一一一兰二 可根据全面情况进行控制计算和判别，在控制方式选择上可以 进行统一的调度和 安排。另外，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。但其缺点 也很多: ( 1 )由于各种功能 集中在一台 计算机， 被控对象不同， 软件完成的任务也不同， 当被控对象的任务数量增加时，系统的运行效率将下降; ( 2 )软件的可靠性不高。大量而复杂的软件由于设计不良 或本身的缺陷， 致使 实际运行时出现的故障率增加; ( 3 )由 于所有的 处理功能集中 在一台计算机， 所以一旦出 现故障， 其影响面涉 及到各部分，产生全局性后果。 1 . 3 . 2分布式控制系统d c s 鉴于 集中 控 制系 统 存 在的 种 种问 题， 在1 9 7 5 年率 先由h o n e y w e l l 公司 推出 第 一个分布式控制系统d c s - t d c 2 0 0 0 型集散控制系统。它是对集中式计算机控 制系统进行合理的分解，形成了单回路、多回路分散控制与集中监视操作相结合 的分布式体系结构，能够运用现代控制理论和大系统理论实现优化控制、分级协 调控制和管理自 动化功能。典型的d c s 的体系结构如图 1 . 3 . 1 所示。 系统网络 图1 . 3 . 1典型的d c s 系统结构 分布式控制系统的核心思想是 “ 信息集中， 控制分散” 。它一般由四个基本部 分组成，即系统网络、 现场1 心控制站、 操作员站和工程师站。 其中现场u o控制 站，操作员站和工程师站都是由独立的计算机构成 ( 这些完成特定功能的计算机 被称为节点) ，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、系统组态、系统管理 等功能。它们通过系统网络连接在一起，成为一个完整统一的系统，以此来实现 分散控制和集中监视、集中操作的目 标。 第一章绪论 一7 一 i / 0控制站的功能是将各种现场发生的过程量进行数字化， 并储存在存储器中， 形成一个与现场过程量一致、能一一对应、并按实际运动情况实时地改变和更新 的现场过程量的实时映象;其次是将本站采集到的实时数据通过系统网络送到操 作员站、工程师站及其它v 0控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制;同时 现场u o控制站还可接受操作员站、 工程师站下发的信息， 以实现对现场的人工控 制或对本站的参数设定。 操作员站是处理一切与运算操作有关的人机界面功能的网络节点。 其主要功能 是为系统运行提供人机界面，使操作员及时了解现场运行状态、参数当前值以及 是否有异常情况等。操作员站除了可以监视控制系统本身各个设备的运行状态， 同时又可以提供系统的管理功能。 工程师站是对 d c s进行离线配置、组态工作和在线监督、控制的网络节点。 其主要功能是提供对d c s 进行组态、 配置组态软件， 并在d c s 在线运行时实时地 监视d c s 网络上各个节点的运行情况，使d c s 随时处在最佳工作状态。 目前的 d c s 主要具有以下特点: ( i )标准化的 通信网 络:开放系统的网络应符合标准的通信协议和规程。 在 d c s中己 经采用的国际通信标准有:i e e e 8 0 2 . x 通信标准、p r o w a y 过程控制数据通信协议和ma p 制造自 动化协议。 这些标准使d c s 具有可 操作性，可以互相联接，共享系统的资源，运行第三方的软件等。 ( 2 )通用的软、 硬件: 目 前d c s 厂家纷纷采用专业厂家标准化、 通用化、 系 列化、商品化的产品。如在硬件方面，实现了机架、板件的标准化，降低 了系统价格，大大减轻了用户备品备件的压力和费用。功能软件和通用软 件包的开发，使其功能更加完善和增强。 ( 3 )完善的 控制功能: d c s 依靠运算单元和控制单元的灵活组态， 可实现多 样控制策略，如:串级比值、均匀、前馈、解祸等控制;还可实现先进控 制，如:状态反馈、预测控制、智能控制等。 ( 4 )安全性能进一步提高:d c s除采用高可靠性的软硬件及通信网络、 控制 站等冗余措施外，还使用了故障检测与诊断工程软件，可对生产工况进行 监测，从而及早发现故障，及时采取措施，提高了生产的安全性。 业过程先进控制系统的设计与应用 一s 一 分布式控制系统 d c s在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系 统。由于d c s 使用多台计算机分担控制的功能和范围，使处理能力大大提高，并 将危险性分散。d c s在系统扩充性方面比集中式控制系统更具有优越性。系统要 进行扩充，只要根据需要增加所需节点，并修改相应组态，即可实现系统扩充。 但这些年来，随着传感器技术、通信技术、计算机技术的发展，传统的d c s 却日 益显露出它的不足，例如:开放性差、分散不够，需要大量信号电缆及无法监控 现场一次仪表设备，传输信号仍采用 4 - 2 0 m a的模拟信号等。因此以工业现场总 线 ( f i e l d b u s )为 基础，以c p u为 处理核心，以 数字通信为变送方式的新一代过 程控制系统现场总线控制系统f c s 应运而生。 1 . 3 . 3现场总线控制系统f c s 现场总线控制系统的核心是现场总线。根据现场总线基金会 ( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) 的定义， 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开 放的、双向的通信网络。现场总线系统结构如图1 . 3 . 2 所示。 图1 . 3 . 2 现场总线系统结构 现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、 执行器等。 但不 是传统的单功能现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。如温度变送器不仅具 有温度信号变换和补偿功能，而且具有 p i d控制和运算功能。现场设备具有互换 性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。现在国际上流行的设备级的通 信网 络有多 种， 如c a n b u s , l o n wo r k s ; p r o f i b u s , h a r d , f f 等。 现场总线控制系统 f c s代表了一种新的控制观念现场控制。它的出现对 d c s 作了 很大的变革。主要表现在: ( 1 ) 信号传输实 现了全数字化，从最底层逐层向 最高层均采用通信网络互连: 第一章 绪 论一 ( 2 ) 系统结构采用全分散化， 废弃了 d c s的输入/ 输出单元和控制站，由 现场 设备或现场仪表取而代之; ( 3 ) 现场设备具有互操作性， 改变了d c s 控制层的封闭性和专用性， 不同厂家 的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态; ( 4 ) 通信网 络为开放式互连网 络， 可极其方便地实现数据共享; ( 5 ) 技术和标准实现了全开放，面向 任何一个制造商和用户。 与传统的分布式控制系统 d c s相比较，新型的全数字控制系统的出现，将能 充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，更容易构成 c i ms系统并更好地发 挥其作用;其次，将降低系统投资成本和减少运行费用，仅系统布线、安装、维 修费 用可比 现有系统减少约三 分之二， 节约电 缆导 线约三分 之一【 张占 龙，1 9 9 9 . 如果系统各部分分别选择合适的总线类型， 会更有效地降 低成本。 曾有专家预言:大约需 1 0年左右，f c s 将成为未来工业控制系统的主流，将 完全取代今天d c s的统治地位。 有的专家则持不同意见， 认为d c s 不会死亡。 但 可以肯定，在现场总线技术和智能仪表不断发展和完善的过程中，d c s将会向更 加分散化方向发展，同时可以兼容智能现场仪表，从而使其可靠性更高，控制功 能更完善，价格更低，以 期在未来工业过程控制中继续保持其主导地位【 常慧玲， 2 0 0 0 0 1 . 4先进控制系统工程化软件包的发展 8 0 年代以 来， 美国 、 英国、 加 拿大、 法国 等的s e t p o i n t . d m c . s p e e d u p . s i m c o n . a d e r s a 和t r e i b e r c o n t r o l 等专门从事控制与优化的软件公司， 纷纷推出了自己的多 变量控制与优化软件包，并在几百家大型石化、化工、炼油、钢铁等企业得到成 功地应用，取得了十分可观的经济效益。1 9 %年美国a s p e n t e c h 公司先后收