（计算机应用技术专业论文）基于分布式计算机控制系统的无振颤变结构控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文首先简略介绍了分布式计算机控制系统d c s 和滑模变结构控制的特点、发展趋 势等，从中引出了本课题d c s 系统体系结构和主要研究内容，即一种小型d c s 控制系统 的构建和组成，其中被控对象是新奥托公司的e f p t l 型过程控制装置。 接着从监控层和现场控制层两个方面讨论了如何实现该d c s 。 监控层采用i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 的关键组件i f i x 2 6 进行初步的组态开发，实现 上位机的监控、数据采集以及友好的人机界面功能；现场控制层采用h o n e y w e l l 公司的 通用多回路控制器u m c 8 0 0 和其组态软件c o n t r o lb u i l d e r ，实现对过程信号的采集和处 理。上位机与u m c 8 0 0 之间采用m o d b u s 通信协议实现串行通信。 然后从控制系统的角度出发，研究被控对象模型的建立和控制算法。 将机理演绎方法和利用i h a t l a b 遗传算法工具箱g a c r r 进行系统辨识的方法结合起 来，研究并建立了被控对象的数学模型。以该被控对象为基础，研究了三种二阶的变结 构轨迹跟踪控制算法一常规的s m c 、具边界层的s m c b 和新型的无振颤的s m c s ，并在 m a t l a b 中仿真了这三种控制算法。仿真结果表明s m c s 响应时间更短，并且更能有效地 削弱抖振。 最后，在现场组态软件i f i x 中用s m c b 、s m c s 控制算法编程进行现场控制，得到了 输出的实时趋势图。实验结果表明s m c s 的系统响应时间更短。 关键词：分布式计算机控制系统；变结构控制；无振颤；u m c 8 0 0 ；i f l x l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sb r i e f l yt h ea t t r i b u t e s , d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fd i s t r i b u t e d c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e md c s m a ds l i d i n gm o d ev a r i a b l es i 玎m 鹏c o n t r o le t c f r o mw h i c h e l i c i t i n gt h ed c ss y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dm a i nr e s e a r c ho f t h i st a s k , t h a ti sh o w t oc o u s t m e ta s m a l ld c sc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m , i nw h i c ht h ec o n t r o l l e do b j e c ti s p r o c e s sc o n t r o l e q u i p m e n te f 盯一1o f n e w a u t oc o r p o r a t i o n t h e n , f r o mt h ep o i n to f t h es u p e r v i s o ra n dc o n t r o ll a y e ra n dt h ef i e l dc o n t r o ll a y e r , h o w t o i m p l e m e n tt h ed c s i sd i s c u s s e d i nt h es u p e r v i s o ra n dc o n t r o ll a y e r , t h ec r i t i c a lc o m p o n e n ti f i x 2 6o fi n t e l l u t i o n d y n a m i c si su s e dt oc a r l yt h r o u g he l e m e n t a r yc o n f i g u r a t i o nd e v e l o p m e n t ，t oc a r r yo u tt h e f u n c t i o no fs u p e r v i s o ra n dc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a n df r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei n t h eu p p e rc o m p u t e r s ；i nt h ef i e l dc o n t r o ll a y e r , t h eu n i v e r s a lm u l t i - l o o pc o n t r o l l e ru m c 8 0 0o f h o n e y w e l lc o r p o r a t i o na n di t sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec o n t r o lb u i l d e ra r eu s e dt oc a r r yo u t t h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fp r o c e s ss i g n a l m o d b u sc o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o ni s a d o p t e d i nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e rc o m p u t e r sa n du m c s 0 0 t h e n ，f r o mt h ep o i n to fc o n t r o ls y s t e m ，t h es e tu po fc o n t r o l l e do b j e c tr n a t h e m a t i e a l m o d e la n dc o n t r o la l g o r i t h ma r es t u d i e d c o m b i n e dt h em e t h o do f m e c h a n i s md e d u c t i o nw i t ht h em e t h o do f s y s t e md i f f e r e n t i a t i o n u s i n gg e n e r i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o nt o o l b o x ( g a o t ) i nm a t l a b ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n t r o l l e do b j e c ti ss t u d i e da n ds e tu p b a s e do nt h ec o n t r o l l e do b j e c t , t h r e et w o o r d e r v a r i a b l es t r u c t u r et r a c kc o n t r o la l g o r i t h m - r o u t i n es m c ，w i t hb o u n d a r yl a y e rs m c b ，n e w t y p ec h a t t e r i n g f r e es m c sa r es t u d i e da n ds i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a ts m c sh a ss h o r t e rr e s p o n s et i m ea n dc a nr e d u c et h ec h a t t e rm o r e e f f e c t i v e l y h lm ce n d , s m c b s m c sc o n t r o la l g o r i t h ma r ep r o g r a m m e dt oc o n t r o lf i e l dd e v i c ei n t h ef i e l dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei f i xa n dr e a lt i m eo u t p u tc h a r t sa r eg a i n e d e x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a ts m c sh a ss h o r t e r r e s p o n s et i m e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ， c h a t t e r i n g f r e e ，u m c 8 0 0 ，i f i x 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：d 够年l | 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 学位论文作者签名：刊呶 导师签名： 禹l 习考l 签字日期：2 畸年1 1 月孑日 签字目期：z 以年i t 月g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：江焉、欠蕈 通讯地址：讧舷鞭生罪墓、翻罨晕院 电话：胃订7 7 7 8 、l 掰q q 邻6 竭 邮编：2 j 2 0 i 弓 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 分布式计算机控制系统d c s 的产生和发展趋势 1 1 1d c s 的产生 分布式计算机控制系统是随着计算机技术与控制技术的发展而产生的，它出现在7 0 年代初期。在计算机控制与管理系统发展的初期，几乎全是集中式系统。这是有客观原 因的，因为当时计算机比较昂贵，购置一台要较多的投资，人们总希望它能承担较多的 任务，尤其是当时一些大型生产装置或过程的测控点比较多，需要集中在操作室由一两 个人全面监视，这种集中式控制就显出一定的优越性，在管理方面也有类似需要集中、 汇总的情况。但在使用了一段时间后，发现了许多缺点，一是由于集中式系统主机过于 庞大，所以可靠性较差，而一旦失效会影响全局，造成很大损失；二是在同一台计算机 上完成不同任务，无效开销太大，反应不及时；三是缺乏扩展的灵活性；四是如果被控 设备或信息源距主机过远，所用线缆过多过长会造成投资的大量增加。后来由于小型机 特别是微型机的出现，使得系统总成本中主机所占比重降低了很多，这样就对一些被控 对象或管理对象分处各地的系统采取了分散式的结构。这种分散式系统比集中式系统要 优越得多。在分散式系统中，每台计算机只控制或管理一个子系统，各有各的目标与 运行方式，整个系统的可靠性有了很大的提高，其原因是子系统规模小，所用计算机也 较小，涉及的电子器件与装置较少，可靠性就相对较高；另一方面，一个子系统失效只 影响局部，不会波及全局。反应也比较及时。因为计算机分处各地，不需要象集中式那 样，用过多的通信电缆。系统的扩展也比较容易。但是对一个系统整体来说，各子系统 之间总要有联系，系统要有总的目标，各子系统要按总目标加以协调。为了完成这一任 务，就产生了所谓分布式系统 所谓分布式系统，也和分散式系统一样，各个子系统都由各自的计算机来控制或管 理，但它和分散式系统不同的地方是整个系统的目标和任务事先按一定方式分配给子系 统，而子系统之间必然有较多的信息交换。所有计算机可能处于平等地位，也可能有主 从之分。 1 1 2d c s 的发展趋势 随着生产规模、经济活动范围的日益扩大，信息往来e l 益频繁，许多原来孤立的单 位也渐渐联成一体，这样就使得分布式系统得n t ：p 大的发展。特别是d c s 在工业现场 应用的深入及所取得的巨大经济与管理效益，一方面人们对d c s 的信任感增加；另一方 1 ； 江苏大学硕士学位论文 面，也对控制系统提出了更高的期望和要求，使得d c s 的发展出现了如下特征： ( 1 ) 完备的开放系统：d c s 系统具有标准化的网络和数据库保证高层互联并采用通 用的设备和成熟的软件，与智能仪表和p l c 相连。 ( 2 ) 采用先进的计算机技术：高性能的微处理器已经大量应用到d c s 中 ( 3 ) 具有综合性和专业性：过去的d c s 系统最多为用户提供一个控制系统平台， 用户可以通过组态实现过程控制功能。当今的d c s 系统几乎都增加了综合管理功能，大 多采用w i n d o w s n t 操作平台以实现全厂综合自动化。目前在火电厂广泛应用的几大d c s ， 如i n f i 一9 0 、m a x 3 0 0 0 以及最近西屋公司推出的o v t i o n 系统等，都已经采用了n t 操作 平台。 ( 4 ) d c s 不断提高自己向下接口的能力：多数d c s 提供与各种标准的智能仪表通讯 ( 如现场总线等) 和通用p l c 的通信接口。 ( 5 ) d c s 目前有两种发展趋势：一种是大型的c i m s ( 计算机集成制造系统) ；另外 一种是小型的f c s ( 现场总线) 1 2 分布式计算机控制系统d g s 的结构 d c s 系统中各计算机之间的拓扑结构关系，主要有树形，共享总线、环形、点至点 互连、星形等五种结构“。，下面分别对它们进行讨论。 1 2 1 树形系统( 分级分布式系统) 一 分级分布式系统的拓扑结构呈树状结构。在这种结构中。各计算机之间存在着较明 显的层次关系，通常最下级的计算机执行数据的采集功能；中间级计算机执行数据的加 工和控制功能；而高层计算机则根据下级计算机所提供的信息，执行综合处理功能，进 行管理决策。图1 1 是一典型的三级分布式系统。 分级分布式系统具有结构简单的优点，并且常常与实际控制与管理系统中的层次关 系相对应。其缺点是计算机之间的信息传送必须经过高层计算机进行转发；通信线路的 数目较多，影响到系统的经济性和响应时间；最高层计算机的故障会对系统产生严重影 响。通常在计算机数目较少以及层次不多时( 例如2 至3 级) ，可考虑采用这种结构。 若和其它结构结合起来，则可适用于更复杂的多种控制与管理系统。 从可靠性角度考虑，有两个故障因数对系统可靠性的影响较大。一个是最高层计算 机发生故障，则整个系统将失去控制。最高层计算机在系统中称为“金字塔顶”，是一 2 江苏大学硕士学位论文 、 ： 薄弱环节，即“瓶颈”。另一个是如果某条通信线路发生故障，则会使得某些计算机与 l 。o 系统失去联系。对于那些可靠性要求较高的应用系统，可以采用冗余技术来克服这两方 面的问题，将重要计算机采用双机形式，一用一备。 图1 1 三级分布式系统 1 2 2 共享总线系统 把数据处理设备( 计算机或外围设备) 通过公用数据通道连接起来，便形成共享总 线系统结构，如图1 2 所示。 图1 2 共享总线系统的结构 共享总线式结构简称总线式结构。通常，总线可以由双绞线、同轴电缆或光缆组成。 共享总线系统一般采用串行总线进行数据通信。当通信距离较近时也可采用并行总线， 可提高通信速率。 总线结构中的通信采用“广播式”，即一个设备发送，其余设备都可以接收。这是 由于总线只有一组，而挂在总线上的设备却有多台，在某一时刻系统只允许一台设备通 过总线发送信息。若两台以上的设备同时向总线发送信息就会导致通信出错，严重时甚 至会损坏设备。这就是总线冲突或总线竞争问题，因此必须对总线访问进行控制。 对总线访问的控制可以采取集中控制和分散控制两种方式。在集中控制方式中，访 问总线的控制功能集中于一处，所交换的信息首先传送至一个共享开关中，然后由它将 这些信息沿着公用总线再传送到指定的目的地。这种总线访问的控制功能可以包括在一 台计算机中，或者由一个专用总线控制器来完成。专用总线控制器可以按查询方式、中 断方式或特殊的分配方式工作。 在分散控制方式中，总线的控制逻辑分散在与总线相连的所有设备中，这是目前最 广泛采用的方法。时间分割多路访问和随机多路访问方式是比较流行的总线控制机理。 3 江苏大学硕士学位论文 总线式系统的性能主要取决于总线的“带宽”、总线上信息的最大传送速率、总线 上挂接设备数和总线的访问规程等。 总线式结构的主要优点在于它的结构简单，数据处理设备的挂接或摘除比较方便： 此外，系统初始建立的成本以及修改费用也比较低。某个处理设备发生故障不会对整个 系统造成严重威胁，系统仍可降级使用，继续工作。它的主要问题在于，如果总线出现 故障会造成整个系统瘫痪，当然可以采用冗余措旌进行补救。例如，双总线结构即可较 好地解决总线这一瓶颈问题，但这时要求总线及各设备的总线接口都必须是双份，使系 统的成本大大增加，一般用于可靠性要求特别高的系统中 1 2 3 环形系统 将系统中的计算机或数据设备连接到一条高速环形数据通道上，便形成环形系统。 典型的环形系统如图1 3 所示 图l - 3 环形系统的结构 环形数据通道的传输方向可以是单向的，也可以是双向的。某个数据处理设备为了 传送信息至其它设备，将信息通过环路的接口送到环形通信线路上，然后依次通过相邻 节点设备送到指定的数据处理设备中。节点是系统中的计算机或其它数据处理设备，它 们可通过其接口与系统中的其它设备连网通信。当然，在双向环形数据通道中，还需要 考虑路径控制问题。 所传送的信息可以是固定长度的，也可以是变长度的，这取决于不同的系统。在有 的环形系统中，允许若干个设备的信息同时在环形通道上传输。 环形结构与总线式结构的主要区别有： ( 1 ) 在拓扑结构上，“环”是封闭的，总线一般是非封闭的。 ( 2 ) 总线上信息的传送是“广播式”的，环上信息的传送是“接力棒式”的。 ( 3 ) 在同一时刻，总线上只允许传送一个信息，而在同一时刻，环形通路上有可 能传送多个信息。 4 ， t ， 江苏大学硕士学位论文 环形结构的突出优点是：它的结构简单，控制逻辑也并不复杂，挂接与摘除设备 比较容易。此外，系统的初始成本及修改费用也较低。环形系统在结构上的主要问题是 可靠性，当其节点设备( 包括其接口) 或环形数据通道出现故障时，会给整个系统的工 作造成威胁。为此，需要考虑提高可靠性的措施，例如采用双向环形数据通道，或在节 点设备上附加“旁路通道”等。 1 2 4 星形系统 在采用星形结构的多计算机系统中，对系统起控制作用的一台计算机( 主机) 作为 中心，用独立的通信线与所有其它计算机( 从机) 连接起来，如图1 4 所示。系统中的 主机只有一台，称为中心节点，其余的从机皆为卫星节点。卫星节点分别与中心节点相 连接，而互相并不连接。 图1 4 星形系统的一种典型结构 当计算机a 要把信息送到计算机b 时，则把请求发送信号( r t s ) 送到开关s ( 主机) ， 主机根据来自b 的准备接受信号( r t r ) 建立一条由a 到b 的通路。如果计算机c 也要把 一个信息送到b ，而a 和b 之间的传送正在进行之中，那么c 必须等待，直到s 到b 的 链揍对c 来说变成可用时为止。但是一般在a 和b 的传送正进行时，c 能把信息送到d 。 星形系统的工作方式与二级分布式系统十分类似，其中的中央开关可具有双重功 能，既作为信息开关又可作为通用的数据处理装置。当作为中央开关的计算机具有对整 个系统进行控制管理的功能时，星形结构实际上已扩展为分级分布式系统，其中心计算 机对于周围的卫星机来说既是主机又是上位机。但如果中央机仅作为信息开关使用，其 功能即相当于卫星机的中继站，而不是上位机，这时的星形系统与两极分布式系统是有 原则区别的。 星形系统的主要优点是结构简单，造价低，系统的模块性好。缺点是可靠性较差， 中心节点是瓶颈。必要时可采取冗余措施，增加一个中心节点及其通信线路。 5 江苏大学硕士学位论文 1 2 5 点至点互连系统 把两台以上的计算机通过通信线路彼此连接起来便形成点至点互连系统。如果在点 至点互连系统中，每台计算机都与其余的计算机有通信线路连接，则称为全互连系统， 否则称为部分互连系统。显然，环形结构是部分互连系统的一种特殊形式。图1 5 是由 6 台计算机组成的全互连系统。 图1 5 点至点全互连系统 互连系统的复杂程度主要取决于所挂接的节点数日，特别是对于全互连系统来说， 随着节点数目的增加，所需通信线路及其接口的数目将大大增加对于n 台计算机组成 的全互连系统来说，需要( n 一1 ) 2 条通信线路，每台计算机需要( n - 1 ) 个接口，整个 系统则需要n * ( n - 1 ) 个通信接1 3 。显然，当计算机之间距离较远，计算机数目又较多时， 这种系统的造价是相当昂贵的。当然，对于全互连系统来说，可靠性是很高的，部分通 信线路的故障对整个系统的性能仅略有影响，全系统照样可以正常工作。为了克服全互 连系统造价过高的缺点，又兼顾该系统可靠性高的优点，可以采用部分互连结构。 互连系统可用于大型计算机网络信息系统( 通常是全国性的，甚至是国际性的信息 系统) 。其中，部分互连结构是目前广泛采用的系统结构。 k 苒氧 图1 6 立方体结构的部分互连系统图1 7 二维方阵结构的部分互连系统 有两种主要技术用于实现系统的互连，它们是线路转接和存储转发技术 点至点互连系统的主要优点是可靠性高，特别是全互连系统无瓶颈，可实现节点间 的互检和系统的动态重构。其主要缺点是成本高，系统扩展的费用随节点数增加而急剧 6 封n 江苏大学硕士学位论文 上升。因此一般系统中常采用部分互连结构，典型的是立方体结构，如图l 。6 所示，在 立方体结构中，系统中每一节点有3 6 条通路与其它节点相连。 另一种典型的点至点部分互连系统是二维方阵结构，如图1 7 所示。二维方阵结构 中，任意节点可以有2 4 条通信线路与其它节点相连。 1 3 分布式计算机控制系统d c s 结构的选择 1 3 1 结构选择的一般原则 上面已分别讨论了适用于分布式计算机控制与管理系统的互连结构，这些结构从性 能上看各有特色。 从可靠性角度来看，点至点的全互连结构可靠性最高，其次是点至点部分互连结构， 再次是树形结构、总线式结构与环形结构，而星形结构的可靠性在同等条件下最差。对 于树形结构来说，某个节点计算机和通信线路发生故障，仅会引起系统性能有所降低， 整个系统仍可照常工作，当然出现故障的层次愈高，对系统造成的影响也愈大，当最高 层节点计算机发生故障时，对整个系统造成的影响将是较为严重的。对于环形结构来说， 通信线路的故障会使单向环路系统无法正常工作，但对双向环路结构则不会造成严重影 响；环路中的某个节点计算机的故障会给整个系统带来较大影响，为了弥补这一弱点， 可采用旁路的方法进行补救。对于总线式结构来说，某个节点故障不会对整个系统造成 严重影响，但是，如果总线本身出现故障，则会使系统瘫痪。对于这三种结构，都可以 采取一定的冗余措施来提高系统的可靠性。 从成本的角度看，系统的成本与所采用的计算机数目，通信线路的种类、长度，以 及通信网络和控制系统的硬件、软件的复杂程度有关。一般来说，全互连结构的成本最 高，在计算机的位置比较分散且相距较远时，树形与星形结构的成本要比总线式与环形 结构高。 从灵活性和可扩充性来看，总线式与环形结构显得比较灵活，其次是星形与树形结 构，再次是部分互连结构，而全互连结构的灵活性与可扩充性则最差。 从上面的分析可以看出，几种互连结构在性能上各有千秋。在一个具体的应用环境 下，究竞选用何种分布式系统结构，是一个比较复杂的问题，涉及因数较多。一般来说， 主要取决于具体应用环境的特点和在该环境下哪些性能是应该侧重考虑的。通常对于一 个具体应用环境来说，可能同时有几个可供选择的互连结构方案，这时往往要综合权衡 7 江苏大学硕士学位论文 各方面的因数，从中再进行取舍。 例如从可靠性角度考虑，固然全互连或部分互连结构占有一定优势，但在许多兼顾 控制与管理的应用场合，特别是系统又局限在一个建筑物内的情况下，这两种结构通常 并不是优选的方案。在许多企事业中，生产控制与管理的功能呈现比较明显的层次性， 因而树形的分级分布式计算机控制与管理系统便是一种很自然的选择方式。尤其是在一 些数据采集与控制系统中，各传感器与输入设备互相之间通常没有数据通信要求，在这 种情况下，采用分级分布式结构是比较合适的。此外，当传感器数目比较多以及数据传 输量较大时，分级分布式结构也比较经济实用。在有些要求可靠性、可用性比较严格的 应用场合，可以采用冗余技术来提高分级分布式系统的性能。 此外，上面分析的也只是几种常用的系统结构，实际上还有其它许多不同类型或派 生出来的系统结构。在有的应用系统中，还把几种不同的互连结构综合在一起，形成一 种新型的或组合式的系统结构，使它兼顾几种结构的优点。例如有的分级分布式系统中 采用了多层次的总线式结构，各层次的上位机与多台下位机之间的通信由共享总线来完 成，从而使系统兼有树形结构与总线式结构的长处。 1 3 2 本课题选用的系统结构 因为本课题所研究的是数据采集与控制系统，由上小节的分析可知，从总的方面看， 使用分级分布式结构较好，又因为本课题采集与控制点不多，所以采用二级分级分布式 结构，把d c s 从功能上简单的分成两层即现场控制层和过程监控层“1 。 过程监控层主要功能一是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以及时 了解现场运行状态，各种运行参数的当前值，是否有异常情况发生等。并可通过输入设 备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。二是对d c s 进行离线的配置和组态工作。在d c s 进行配置和组态之前，只是一个硬件、软件的集合 体，它对于实际应用来说是毫无意义的，只有在经过对应用过程进行了详细透彻的分析、 并按设计要求正确地完成了组态工作之后，d c s 才成为一个适于某个生产过程使用的实 际控制系统。 现场控制层是完成对过程现场i o 处理并实现直接数字控制( d d c ) 的网络节点， 首先要实现现场过程量的输入输出。由于计算机的处理是以二进制数字为基础的，因此 第一步是实现现场过程量的数字化处理，这是实现其它功能的基础。 对于状态量数字化的过程比较简单，一般都是用电气接点表示各种状态，通过数字 8 江苏大学硕士学位论丈 量的输入、输出即可实现数字量和状态之间的转换。而对于其它物理量，就需要一些特 殊的转换，并且物理量往往存在非线性，这就需要通过非线性补偿算法对其进行修正， 以得到正确的物理量。 除了上述过程量输入输出的基本功能外，现场控制层还需要实现下述功能： ( 1 ) 为一些无源的测量元件提供电源，最常用的是2 4 v 直流电源。 ( 2 ) 由于现场情况复杂，环节很多，现场信号的输入线上稍有不慎就会串入高电 压或感应干扰，因此现场信号的输入输出回路必须配备完善良好的隔离电路和保护电 路，常用的隔离电路有光电隔离，通道开关隔离、采样电容隔离，隔离放大器隔离等， 常用保护电路包括熔丝，压敏电阻等。 ( 3 ) 对于一些重要的控制输出量，必须具备断电保护和上电跟随特性，而不致因 断电和上电或由于偶然故障而对现场发出错误的控制信号，造成生产过程的失稳甚至事 故。 ( 4 ) 由于现场控制层是与现场直接打交道的部分，因此其可靠性显得尤为重要， 一般要求其平均无故障时间m t b f 要长，出现故障后的故障修复时间m t t r 应尽量短。 ( 5 ) 对于集散控制系统来讲，现场控制层应该是一个独立运行单位，它具备了直 接数字控制( d d c ) 所需的一切条件，因此现场控制层应具备不依赖d e s 其它部分独立运 行的能力，这样在系统其它部分失效的情况下，仍能对现场执行最基本的控制。 1 4 滑模变结构控制的特点及发展概述 变结构控制( 又称滑动模态控制s m c ) ，产生于5 0 年代末，由俄罗斯的叶米里亚诺 夫倡导，其后由乌特金等追随，8 0 年代中期，此理论引起了我国学者的重视。如今， 经过4 0 余年的发展，已形成了一种学科体系。 由于滑模变结构系统中的滑动模态具有不变性，同时有对所控对象模型精度要求较 低和快速性好等优点，已得到了广泛应用，适用于线性与非线性系统、连续与离散系 统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、同步与时滞系统、集中控制与 分散控制系统等，适用的控制任务有镇定、运动跟踪、模型跟踪等。但同时由于被控对 象的惯性和控制能量有限，不能实现理想切换，因此滑模变结构控制存在抖动，而如果 能削弱或甚至消除其抖动，则应当具有更大的应用价值和学术意义。 变结构系统的综合一般有两大内容：一是切换面的选择；二是控制的求取。 切换面的选择已从传统线性平面发展到用两个切换面s 1 = 0 和s 2 = o 构成滑动 9 江苏大学硕士学位论文 扇面、旋转( 时变斜率) 和移动( 时变截距) 滑动面、随机超平面、带指数的切换面等。 控制的求取也从需用状态构成控制发展为在一定条件下仅用输入和输出信号就可 实现。 此外，近年来研究把变结构控制与智能方法相结合，引入模糊规则或神经网络。还 有与其他控制如自适应控制、灰色估计、p i 相结合等等。 不论何种方法，其目的均是在确保s m c 鲁棒性的前提下加快系统响应、减少系统抖 动等。 1 5 本课题研究的目的和意义 由于d c s 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向的发展，一经推出后 就成为了全球工业自动化技术的热点，并带来了巨大的经济、社会效益。 同时随着社会生产的发展，人们对被控量精度、系统性能的要求越来越高。但常规 的p i d 等控制方法在对象参数大范围变化时，控制效果是无法保证的，而滑模变结构控 制是一种能用来实现线性，非线性系统鲁棒控制的方法，而如果能削弱或甚至消除其抖 动，则应当具有更大的应用价值和学术意义。 本课题基于e f p t 一1 型过程被控对象，集成并实现了分布式控制系统，实现了系统 组态。在此基础上，针对典型的过程控制双容容器液位控制，设计了一种无振颤交结构 控制算法。把变结构控制理论运用到生产实际中，本课题做了有益的尝试。 1 6 系统体系结构及主要研究内容 、 本课题基于e f p t 一1 型过程被控对象，设计并实现了一种小型d c s ，其结构框图如 图i 8 所示”。本系统采用两级结构，过程监控层采用研华工业控制计算机并配以 i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 组态软件，现场控制层采用霍尼威尔公司生产的u m c 8 0 0 。 现代控制系统是一个开放的系统。随着综合自动化的发展，企业的经营决策、管理、 计划、调度都与现场控制紧密联系在一起，为了对企业的综合信息处理，就要求将自动 控制、办公自动化、经营管理等各层次的计算机连成网络，实现信息共享为此，d c s 的上位机预留了i n t e r n e t 接口，可以根据需要接入企业的i n t r a n e t 。 主要研究内容包括以下几个方面： 1 ，基于i f i x 的系统组态 1 0 江苏大学硕士学位论文 利用组态软件在集散控制系统的上位机上进行组态开发，实现上位机的监控功能和 数据采集功能以及友好的人机界面以建立过程监控层。 2 现场控制层的建立 采用h o n e y w e l l 公司的通用多回路控制器u m c 8 0 0 作为过程硬件实现对多路过程信号 的采集和处理，并以m o d b u sr t u 通信协议实现过程监控层和现场控制的数据通信。 图1 8 系统体系结构 3 过程模型的建立 根据对象的实际机理，推导出被控对象( 新奥托公司的e f f r r l 型过程控制装置的锅 炉串连水箱液位控制) 的数学模型表达式，然后通过实验测定参数，利用遗传算法和其在 m a t l a b 中的工具箱g a o t 辨识对象的数学模型。 4 控制算法的研究 研究滑模变结构控制方法的基本原理，利用其思想设计滑模变结构轨迹跟踪控制算 法。为了削弱控制的抖动，从理论上分析了三种滑模变结构轨迹跟踪控制算法，即常规 的s m c ，具边界层的s m c b ，新型的无振颤的s m c s ，并以二阶系统为对象在m a t l a b 中仿 真了这三种控制算法以比较它们的特性和优劣。 5 用7 b a 实现控制算法 ， 介绍了支持自动化的开发工具v b a ，然后以m b ii o 驱动器为对象，介绍了各种自 动化开发工具与现场过程硬件之间通信的机理，最后在i f i x 中用v b a 实现了本文一直 论述的部分控制算法，并通过m b ii o 驱动器取得实时数据，得到了它们的实时趋势图 并比较控制算法优劣。 1 1 江苏大学硕士学位论文 第2 章基于i f i x 的系统组态 2 1i n t e i i u t i o nd y n a m i c s 简介 2 1 1i n t e il u t i o nd y n a m i o s 概述 i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 是第一个开放式的，基于组件技术的，完全一体化的自动化 软件产品家族。具有许多重要功能，包括： ( 1 ) 强大的即插即用结构5 ( 2 ) 组件化的对象结构； ( 3 ) 集成化的i n t e l l u t i o nw o r k s p a c e 开发环境； 。 ( 4 ) m i c r o s o f tv b a 脚本； 。 ( 5 ) 全面支持o p c 、o l e 和a c t i v e x ； ( 6 ) 增强了的安全性和可靠性； ( 7 ) 高级图形； ( 8 ) 可扩展的配置向导结构； ( 9 ) 广泛的i n t e r n e t 支持； ( 1 0 ) 增强的报警； ( 1 1 ) 增强的网络性能。 这些重要功能可明显减小自动化工程设计时间，允许更快的和简化的系统升级和维 护，在i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 和第三方的应用程序之间提供了无缝的集成功能，并且 大大的增加了生产率。 i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 的开放式结构通过集成第三方组件和应用程序，可以让你白 定义系统。这种即插即用结构允许你使用自己的应用和对象，很快并且很容易地增强、 或在某种情况下替换i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 内嵌功能。这种强大的、灵活的结构有助 于对连续过程的改善。 2 1 2in t e ii u t i o no y n a m i c s 组件 i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 的主要核心是i c o r e ，能提供一个兼容的分布式结构。i c o r e 是建立在标准技术上的，如a c t i v e x ，o p c ，v b a 和对象组件模式( c o m ) ，可提供对网 江苏大学硕士学位论文 络和因特网的上第三方应用集成。i c o r e 提供的l a n 冗余可明显的增强系统性能，i c o r e 平台包括了一些i n t e l l u t i o n 和第三方的应用程序组件。 一个最主要的i c o r e 组件是i n t e l l u t i o n 的工作间，直观的赛面把所有的系统组件 都集成在一个单独的开发环境( i d e ) 中并且提供了一个单点组态，i n t e l l u t i o n 工作间 可以允许你很容易的通过访问和使用所有系统集成组件，它提供了一个强大的浏览功 能、查找及替换选项和对第三方集成功能 i n t e l l u t i o n 工作间包括两个完整的集成环境：组态环境和运行环境。这些环境为 你提供了所需要的开发和查看图形显示、调度、报表和脚本的一切内容，帮助你与实时 数据交互。 组态环境提供了所有图形、文本、数据、动画和图表工具，这些创建显示所必须的 工具是吸引人的、有组织、易于使用和理解。 运行环境提供了在实时状态下查看这些显示所必须的工具。通过简单的鼠标点击操 作，你可以很容易的在两个环境下进行切换。通过在运行和组态环境中的切换，它允许 你在实时报警和数据读取不中断的情况下快速的测试显示的变化。最重要的要注意当在 组态环境时，过程控制不能受到干扰。所监控的系统功能，如报警、报表和调度，在后 台继续运行。 i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 插入式组件： ( 1 ) i f i x i f i x 的s c a d a 组件提供了监视、监控、报警和控制功能。它可以保证数据的完整性 并且提供完整的分布式网络功能。 i f i x 的h m i 组件为你所需要开发的供操作员监控过程的图片提供了所有的工具。 ( 2 ) i b a t c h i b a t c h 是一个高性能的自动化应用程序，它可以让你模仿你的工厂、管理配方、执 行批次、创建电子批次记录和基于在任何批次过程的报表生成。利用i b a t c h ，你有缩小 循环时间、增加灵活性、遵守查询规则和跟踪批次生产的工具。 ( 3 ) i w e b s e r v e r i w e b s e r v e r 是一个瘦客户端产品，它向授权的用户提供了使用标准的i n t e r n e t 浏 览器以只读方式访问指定工厂过程程序。它提供了一个安全结构防止你的s c a d a 节点收 江苏大学项士学住论文 到未经授权的访问，用i w e b s e r v e r 能从世界的任何地方都能查看你过程图形，而且确 保任何未经授权的更改将在任何情况下都不能影响系统。 2 1 3f n t e ii u t i o nd y n a m i c s 内嵌的技术 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 跚 o p c 是一个软件标准，目标是基于m i c r o s o f t 的组件对象建模( c o m ) 技术定义一个 标准接口，允许自动化和控制应用程序、控制设备、以及商业和办公应用软件之间相互 操作。 使用o p c ，i n t e l l u t i o n 工作台能与任何本地o p c 服务器直接通迅。通过使用数据 服务器安装程序，你能添加一个本地o p c 服务器给你的i f i x 结点。这个应用存放在你 的d y n a m i c s 目录下，从有效的i f i x 数据服务器列表中让你添加、修改和删除o p c 腮务 器。 工作间不能直接的与远程o p c 服务器通迅。如果需要一个远程的o p c 服务器通迅， 请使用o p c 客户端驱动程序。该驱动器让你与任何本地或远程服务器通信且把信息储存 在过程数据库中。当o p c 客户端驱动程序与一个远程o p c 服务器通迅时，它将使用 m i c r o s o f t 的分布式组件对象模型( d c o m ) 来建立连接，工作间不支持使用d c 0 m 直接与 一个远程o p c 服务器相连。 ；a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) 4 1 v b a 是i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 完全内置的一个强有力的编程工具，可以使你快速方 便地生成自动的操作任务和自动化解决方案。v b a 替代了以往f i x 的脚本语言，提供了 一个千百万v b 开发者非常熟悉的完整的集成开发环境。它提供了对i n t e l l u t i o n d y n a m i c s 组件和外部数据及对象无限制的读取和扩展能力。 v b a - f 具包括以下特性： ( 1 ) 可以访问所有列出的i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 对象的属性、方法和事件； ( 2 ) 支持多种数据源，包括i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 过程数据库、任何o p c 服务器、 其它对象的属性和s q l 数据库； ( 3 ) o d b c 的支持； ( 4 ) a c t i v e x 控件支持： ( 5 ) v b a 脚本生成向导及i n t e l l u t i o n d y n a m i c s 命令可以帮助你为常用任务自动生 1 4 江苏大学硕士学位论文 成程序代码； ( 6 ) 第三方a c t i v e x 控件的安全容器。 i n t e l l u t i o n 工作间提供了访问v i s u a lb a s i ce d i t o r ( v b e ) ，一个内置编辑器和 调试器，允许你观看，停止、暂停和恢复当前程序的运行。在v b e 中，你可以对所有的 i n t e l l u t i o nd y n a m i c s 对象生成v b a 形式，获得任何有效数据源，使用对象浏览器显示 并调试你的脚本。你可以使用v b a