微型计算机技术

微型计算机技术第1页，共91页，2023年，2月20日，星期六第9章分布式计算机控制系统9.1概述9.2分布式控制的技术发展

9.3分布式计算机控制系统的基本控制器9.4分布式计算机控制系统和先进控制9.5分布式计算机控制系统的应用

第2页，共91页，2023年，2月20日，星期六9.1概述分布式控制系统概念各类控制系统的特点与比较分布式计算机控制的发展

第3页，共91页，2023年，2月20日，星期六(1)系统要有优越的控制性能(2)良好的性能／价格比(3)高可靠性(4)灵活的构成方式和简易的操作方法(5)良好的可维护性对一个规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的工程大系统，用模拟仪表控制系统，计算机直接数字控制系统很难满足这些要求。1.现代工业对自动化控制系统提出更高要求一分布式控制系统概念第4页，共91页，2023年，2月20日，星期六

工程大系统要解决的是整体总目标函数最优化问题，也就是要解决生产过程中产量要高、质量要好，能耗和成本要低、对环境污染要小等问题。

2.工程大系统第5页，共91页，2023年，2月20日，星期六整体总目标函数最优化可分成动态最优化和静态最优化两个方面。动态最优化解决生产进行过程的最优化。静态最优化则解决生产的规划、组织、决策、管理的最优化。称为“离线”最优化。称为“在线”最优化。3整体总目标函数最优化第6页，共91页，2023年，2月20日，星期六采用了“分解”和“协调”的设计原则分解：将高阶对象大系统划分为若干个低阶小系统，并解除小系统之间的耦合，使它们之间相互独立，以便使用一般最优控制理论，设计局部控制器，分别控制各个小系统，使之最优化。

系统分解包括两个方面的内容：数学模型的分解和目标函数的分解。4.工程大系统设计原则第7页，共91页，2023年，2月20日，星期六协调：在局部最优化的基础上考虑各子系统之间的相互影响和相互耦合作用，设计协调控制器，使各局部控制器之间协调起来，达到整个系统的最优化。工程大系统的结构理想方案。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（大系统综合控制理想方案——递阶分解控制）4.工程大系统设计原则（续）第8页，共91页，2023年，2月20日，星期六分层控制分层控制是一种按控制任务进行分解的结构方案，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。分级控制分级控制是一种按对象结构进行分解的结构方案，它把对象划分成若干个子系统，由各局部控制器完成现场控制任务，协调控制器通过控制递阶控制器完成局部控制器之间的协调。分段控制分段控制则是按控制过程的时序进行分解的结构方案，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器的切换控制。5.递阶控制的形式第9页，共91页，2023年，2月20日，星期六

分级分布式控制系统是一种典型结构图。从结构图上看；它同时具有分级和分层两种形式，而实用上直接控制器往往在不同时刻有不同形式，由上层递阶控制器控制切换时间。像这种同时具有多种递阶控制形式的控制结构，有时称为分级分布式控制。分级分布式控制系统结构图第10页，共91页，2023年，2月20日，星期六

为满足生产过程综合自动化的要求，美国Honeywell公司于1975年公布的新型控制系统TDC2000，开创了分级分布式控制在过程控制领域内的应用先例，接着世界各国对分布式控制系统不断发展和完善。下图是分布式控制系统的组成框图。6.分布式计算机控制系统第11页，共91页，2023年，2月20日，星期六(1)分布式控制系统概念

◆分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称DCS（DistributedControlSystem），它是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按功能分散、管理集中的原则，采用多层分级、合作自治的结构形式设计而成。分布式计算机控制系统包含了计算机（Computer）、通信（Communication）、终端显示（CRT）和控制（Control）技术而发展起来的新型控制系统第12页，共91页，2023年，2月20日，星期六(2)分布式控制系统组成框图第13页，共91页，2023年，2月20日，星期六管理级

管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财务理、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。监控级

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。基础级

基本控制器完成过程的现场控制任务。

CRT操作站是显示操作装置，完成人—控制系统—过程的接口任务。数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。第14页，共91页，2023年，2月20日，星期六(3)DCS的发展阶段◆

第一阶段（1975年—1980年）

—代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等

—主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成

第15页，共91页，2023年，2月20日，星期六◆

第二阶段（1980年—1985年）

—

主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的CentumA，B，D等

—

主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站US、网间连接器GW、系统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成

第16页，共91页，2023年，2月20日，星期六◆

第三阶段（1985年—1990年）

—DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题

—典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等第17页，共91页，2023年，2月20日，星期六◆

第四阶段（1990年以后）

—DCS以管控一体化出现，在硬件上采用了开放的工作站，采用了Client/Server的结构，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，在软件上采用UNIX和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中

—典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，日本横河公司的Centum-CS控制系统，Foxboro公司的I/AS50/51系统等第18页，共91页，2023年，2月20日，星期六(4)DCS的特点◆

分级递阶控制◆硬件积木化◆

软件模块化：工程师站组态软件、操作站实时监控软件以及过程控制站软件◆控制系统用组态方法生成◆

通信网络的应用◆

可靠性高：系统结构、冗余技术、自诊断技术、抗干扰技术和高性能的元件

◆

开放系统：可移植性、互操作性、可适宜性、可得到性第19页，共91页，2023年，2月20日，星期六1.常规仪表控制系统

在控制性能上有局限性。(1)在控制性能上，仪表系统一般只能实现单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制，无法实现复杂的控制形式，如自适应控制、最优化控制。各个系统不便进行通信联系，难于实现分级控制系统。

(2)在人机联系上，仪表系统通过安装在中央控制室仪表屏上的表盘实现人—计算机―生产过程的联系。而生产规模的扩大，使仪表屏越来越长，难于实现集中监视和集中操作。(3)在系统组成上，中央控制室式的结构给监视操作带来一定方便，同时也带来以下一些副作用，即系统的重构困难，控制风险集中等。二、各类控制系统的特点与比较第20页，共91页，2023年，2月20日，星期六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功能集中在一台计算机中的那种系统。集中式控制系统的优点是结构简单、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。2.计算机集中控制系统第21页，共91页，2023年，2月20日，星期六a.各种功能集中在一台计算机中，增大了计算机失效或故障对整个系统危害性。集中式的系统将所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上，大大增加了计算机失效或故障对整个系统造成的危害性，所有实时信息、历史数据和处理功能集于一身，一旦出现问题，造成的后果都是全局性的。b.集中式的系统需要庞大而复杂的软件体系，使得系统的软件可靠性下降，实际运行情况表明，集中式系统在现场运行时出现的故障有70％以上是由于设计不良或存在缺陷的软件造成的。c.系统的可扩性差，限于计算机硬件的配置与能力，一个系统在建立时基本上就已经确定了其最终能力，如果能预见到其规模的扩充，只有预留计算机的处理能力，这将造成很大的投资上的浪费。集中式控制系统的缺点第22页，共91页，2023年，2月20日，星期六分布式控制系统是先进的控制方案，其主要优点是：①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；②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；③实现分散控制、集中操作管理，降低了风险；④系统重构简单。3.分布式控制系统第23页，共91页，2023年，2月20日，星期六

随着自动控制理论的发展，新的自动控制技术的出现，特别是计算机工业的发展，使得包括热力发电厂热工自动控制系统在内的过程控制系统跨入了计算机控制时代。

DCS控制系统则在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系统，这是由于DCS采用多台计算机分担了控制的功能和服务，使处理能力大大提高，而风险性却分散的缘故。三.分布式计算机控制的发展第24页，共91页，2023年，2月20日，星期六1计算机控制系统硬件发展a.计算机硬件技术的发展计算机的发展（这里主要指硬件技术的发展）主要表现在两个方面：一是大规模、超大规模集成电路芯片的技术不断提高，使计算机性能得到大幅度提高；另一个是计算机体系结构的发展。两者的结合使计算机的产业发生了革命性的变化，这些变化必定会对DCS产生巨大影响。b.PC机的发展为DCS提供各种节点采用PC机作为DCS中的各种节点，特别是操作员站和工程师站已是自然的发展趋势。PC机在DCS中的应用，极大地提高了DCS的功能和性能，尤其是PC机广泛的软件资源和网络支持、图形处理能力等。.分布式计算机的发展

（硬件和软件、总线、网络）第25页，共91页，2023年，2月20日，星期六

在传统的DCS中，I/O控制站是由一个CPU控制的，各种I/O板通过控制器总线相连，I/O控制站的CPU完成数据采集、控制回路计算和控制输出的功能。这种结构在一定程度上实现了分散的要求，可以用多个这样的控制器分担整个系统的采集控制功能，分散了危险性，但它本身仍然为集中式的结构，一旦这台控制器出现故障，其影响面还是很大的。另外系统规模的扩大仍然有赖于增加控制器的数量，灵活性仍然受到限制。随着微控制器技术的发展和成本的进一步降低，使得各个I/O板实现智能化并互相通过现场总线交换信息成为可能。DCS的进一步分散，使I/O控制站不再是一个集中式的结构，它本身也成了一和式结构。第26页，共91页，2023年，2月20日，星期六c.由于计算机技术的发展，使作为局部控制器的PLC也发展成为由PLC组成的DCS的形态。初期的PLC作为一个2位，一道道工序的局部控制。由于PLC在控制可靠性，控制的实时性和重新组态方便等优点，其应用范围扩大。随着PLC性能不断提高，尤其在通信。数据处理与计算性能提高，这样就使PLC有条件与其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统。d.工作站的形成和图形图像处理的发展2.分布式计算机的发展

硬件发展（续）第27页，共91页，2023年，2月20日，星期六

计算机软件技术的发展相对缓慢，因此软件的产品更注重积累。由于软件之庞大，特别注重积累，而软件的开发基本上还是一种依靠大量人力完成的工作，因此软件的界面标准就变得极其重要。有了界面标准，且各个软件制造商都遵循这些标准，才能使得各家的软件可以放在同一个系统中运行，互相共享软件资源，以实现更多的功能。2.分布式计算机的软件发展

计算机软件的发展第28页，共91页，2023年，2月20日，星期六系统软件的发展◆

采用多任务多用户的Unix操作系统或其改进版本

◆引入人工智能

—采用智能变送器、智能控制器和智能执行机构等智能仪表

—采用智能控制算法

—采用管理、调度等优化软件包◆采用GUI图形处理的各种应用软件◆交互式关系数据库的应用第29页，共91页，2023年，2月20日，星期六3现场总线技术发展。

—互操作性

—更低的安装费用

—更低的维护费用

—有助于维护

—改进功能第30页，共91页，2023年，2月20日，星期六4网络技术的发展。

—Client/Server网络结构

—标准网络通信接口◆

数字仪表综合化

—数字仪表可实现数据采集、控制功能运算、操作监视、报警和控制，一些仪表还包括高级的控制算法

—采用数字仪表可大大节约现场接线和安装费用，现场信号用同轴电缆传送到上一级第31页，共91页，2023年，2月20日，星期六9.2分布式计算机控制系统的组成和体系结构一.DCS设计的基本原则1.多台控制器来完成所有过程量的输入输出针对过程量的输入输出处理过于集中的问题，设想使用多台控制器（计算机或PLC）共同完成所有过程量的输入输出，每台控制器只处理一部分实时数据，而每台控制器的失效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成整个系统失去实时数据；2.针对每台控制器的处理尽量单一化采用不同的计算机去处理不同的功能，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；第32页，共91页，2023年，2月20日，星期六3.方便解决系统的扩充与升级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；

4.多台控制器同时工作对整个系统可靠性影响问题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依赖关系，以保证任一计算机的失效只影响自身。分布式控制系统的关键是计算机的网络技术，DCS的体系结构其使之就是一个网络结构。一.DCS设计的基本原则（续）第33页，共91页，2023年，2月20日，星期六1DCS的网络构成

DCS的基本构成可以简单地将其归纳为“三点一线”式的结构。一线是指计算机网络和现场总线。三点是指在网络上3种不同类型的节点：面向被控过程的现场I/O控制站、面向操作员的操作站和面向DCS监督管理人员的工程师站。

1.DCS的网络结构用于DCS的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络。首先，它是一个实时网络，也就是说，网络需要根据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。二.DCS的组成第34页，共91页，2023年，2月20日，星期六拓扑指网络中站或节点相连接的方法。

网络的拓扑结构有五种，即星型、树型、总线型、环型、分散型。目前应用最广的网络结构是环形和总线形网。在这两种结构的网络中，各个节点可以说是平等的，任意两个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需其它节点的介入。为了实现传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时的方法，以避免信息在网络上的碰撞。2网络的拓扑结构。第35页，共91页，2023年，2月20日，星期六第36页，共91页，2023年，2月20日，星期六a.令牌方法划分各个节点的时间片，使每一瞬间只有一个节点使用物理传输介质，即所谓TokenRing（对于环形网）或TokenPassing（对于总线形网）方式。令牌实际是一个标识信号，它规定了要使用物理传输介质的节点标识，只有符合标识的节点（节点的标识号在系统中是唯一的）才能使用网络。这样就避免了某个节点传送信息时被其它节点干扰，当传送信息的节点完成传送之后，即刻释放网络，并产生一个令牌，将网络让给其它节点。b.另一种解决碰撞的技术是载波侦听与碰撞检测技术，即CSMA／CD方式。这种方式不规定时间片，需要使用网络的节点。首先需要对网络线进行侦听，检测网络是否忙，如果忙，则等待，直到网络空闲。解决网络技术碰撞的办法有两种第37页，共91页，2023年，2月20日，星期六现场I/O控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）的网络节点，主要功能有3个：①将各种现场发生的过程量（流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等）进行数字化，并将这些数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新的现场过程量的实时数据；②将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站及其它现场I／O控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场I／O控制站还可接收由操作员站、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；现场I/O控制站第38页，共91页，2023年，2月20日，星期六③在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。对于分布式控制系统，现场I/O控制站应该是一个独立运行单位，它具备了直接数字控制ODC所需的一切条件，因此现场I/O控制站应具备不依赖DCS其它部分独立运行的能力，这样在DCS其它部分失效的情况下，仍能对现场执行最基本的控制。现场I/O控制站功能（续）第39页，共91页，2023年，2月20日，星期六

操作员站主要功能就是为系统的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了解现场运行状态和各种运行参数的当前值。人机界面上显示的内容包括如下（1）生产过程的模拟流程图（2）报警窗口（3）关键数据的常驻显示（4）实时趋势显示（5）检测及控制仪表的模拟显示（6）灵活方便的画面调用（7）音响报警装置操作员站第40页，共91页，2023年，2月20日，星期六工程师站提供的功能有（1）硬件配置组态功能（2）数据库组态功能（3）控制回路组态功能（4）逻辑控制及批控制组态（5）控制算法语言的组态（6）操作员站显示画面的生（7）报表生成组态（8）组态数据的编译和下装（9）操作安全保护组态工程师站第41页，共91页，2023年，2月20日，星期六

图9-4表示集散系统基本控制器的构成，它是功能模块组件组装式的，各模块以插件形式插在机箱中，以便于维修和扩展。

基本控制器采用总线结构，所有插件都直接挂在总线上。其中CPU单元和存储器部分是核心部件。图9-4基本控制器结构9.3分布式计算机控制系统的基本控制器一.基本控制器构成第42页，共91页，2023年，2月20日，星期六CPU单元

CPU单元按预定的周期和程序，对信号进行运算、处理，并对基本控制器内部各单元执行操作控制和故障诊断。存储器存储器可分成程序存储器和工作存储器两部分。程序存储器一般由ROM组成，用于存放基本控制器的管理、监控程序和标准算法程序。工作存储器中存放一个分散的过程数据库，用来保存现场信号信息。工作存储器通常由RAM和EPROM组成（EPROM中通常存放类似控制组态字之类的对控制关系重大且相对稳定的参数）。存储器通常是可以扩展的，用户可以根据特殊需要编写专门的应用程序。一.基本控制器构成（续）第43页，共91页，2023年，2月20日，星期六操作员接口完成基本控制器和数据输入板DEP、模拟显示单元（选用）之间的信息交流。通信接口单元完成基本控制器和数据高速通道之间的信息发送和接收，并进行检错、串/并互换、DMA控制等。输入通道将模拟信号经模拟滤波、采样、放大、A／D转换后的数字信号送入CPU。该信号经数字滤波、标度变换以后存入数据区。一.基本控制器构成（续）第44页，共91页，2023年，2月20日，星期六输出通道将CPU输出的数据进行D／A转换，经保持电路以后控制执行机构。终端板与过程变送器和执行器直接相连接，起到基本控制器与过程的接口作用，板上配有电平转换电路，可将输入信号转换成标准信号。一.基本控制器构成（续）第45页，共91页，2023年，2月20日，星期六1.以模拟控制为主，带有简单的程序控制功能；2.以顺序控制、程序控制为主，兼有模拟控制功能。二.基本控制器有两种形式第46页，共91页，2023年，2月20日，星期六三.基本控制器的功能基本控制器具有控制和接口的双重功能。

1.控制功能（1）PID控制（2）远方／本地设定值功能（3）数字逻辑功能（4）程序控制功能（以时间或逻辑为基础）第47页，共91页，2023年，2月20日，星期六（5）远方调整参数功能（6）远方／本地手动功能（7）报警功能（多种）（8）数字滤波功能和算术运算功能（多种）并能根据以上功能用组态方式组合成相当复杂的控制算式。1.控制功能（续）第48页，共91页，2023年，2月20日，星期六

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，以供上级计算机直接查用。2.接口功能第49页，共91页，2023年，2月20日，星期六

◆基本控制器的工作方式

—自动控制：由操作员在数据输入板DEP上设定本地设定值

—串级控制：其给定值是其它某一个回路的输出值，由组态字指定

—上级计算机控制：由监控计算机代替基本控制器进行控制，它经高速数据通道输出基本控制器的给定值或输出幅值

—手动：操作员在DEP或CRT上直接调整回路的输出

—回路手动：在选用的模拟显示器上通过增/减键调整输出，基本控制器处于保持状态四.基本控制器的工作方式第50页，共91页，2023年，2月20日，星期六五.基本控制器的工作原理1.基本控制器的工作原理基本控制器的CPU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，其流程图如图9-5（a）所示。用户可以通过DEP或CRT操作站选择标准算法，构成不同的控制回路。第51页，共91页，2023年，2月20日，星期六

◆控制流程图第52页，共91页，2023年，2月20日，星期六◆典型控制回路第53页，共91页，2023年，2月20日，星期六①管理程序包括监控程序、诊断程序、运行管理程序等；②输入／输出处理程序包括数字滤波程序、线性化程序、标度变换程序、防积分饱和程序、偏差报警程序、变化率报警程序、绝对值报警程序等；③运算处理程序包括乘法程序、除法程序、累加程序、开方程序、高值选择、低值选择、动态补偿（超前／滞后）等；④控制处理程序包括过程变量跟踪和预置、自动加偏置、自动加比率、开关控制、自动／手动后备处理、设定值自动提量等；⑤控制算法程序包括P、PI、PD、PID、间隙控制、跟踪控制等。2.基本控制器标准算法的组成部分第54页，共91页，2023年，2月20日，星期六

◆控制软件包的结构第55页，共91页，2023年，2月20日，星期六采用了冗余手段和自诊断措施1.冗余手段若干台基本控制器有一个备用控制器，再加上一个备用切换指挥器就构成所谓的无中断控制系统。备用切换指挥器连续不断地监视各主控制器的运行工况，一旦主控制器发生故障，它在识别故障之后向操作者报警的同时，便将故障的主控制器内的存储器信息经专用电缆快速复制到备用控制器内，将故障主控制器的输入／输出信号切换至备用控制器，并禁止故障主控制器高速数据通道接口工作。这样，就用备用控制器取代了主控制器，保证了不间断执行过程控制任务。同时，它还可在主控制器解除故障后再作逆切换。由于切换过程的数据传送是经过专用电缆实现的，故整个切换过程不影响系统其它部分的工作。六.基本控制器的可靠性第56页，共91页，2023年，2月20日，星期六六.基本控制器的可靠性（续）2.自诊断措施自诊断首先是对CPU单元的指令进行检查，然后是RAM读写检查、ROM和数的校验检查、A／D和D／A精度检查，最后是输出插板的检查。

第57页，共91页，2023年，2月20日，星期六七.基本控制器的特征①带有固化的软件；

②算法可以组态，形成相对高级的控制算法；

③可以与上级计算机配合，完成高级控制功能；

④功能可变，改变控制方案不必更换硬件；

⑤可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数；⑥具有自诊断功能。第58页，共91页，2023年，2月20日，星期六9.4分布式计算机控制系统和先进控制

在科学技术不断发展的今天，为提高产品的质量和降低成本，从控制角度来看，单靠原来的常规方式进行生产是不够的。必须利用先进的控制和管理技术，以最大限度地提高生产产量，降低能耗，缩短生产周期，减少库存，使控制装置满负荷生产。为了实现整个企业的控制生产达到优化。这是一种对企业生产过程与生产管理进行优化的系统，这类系统采用了任务分层体系结构，其基本思想是采用递阶控制，该系统是在分布式控制系统基础上发展起来的更高一级控制系统，下面根据连续生产大型企业而设计的一种分布式计算机控制系统的层次结构和功能框图。每一层作为上一层的基础，接收上一层的控制指令，同时又将控制结果和各控制参数送上一层，各层完成的功能如图9-7所示。第59页，共91页，2023年，2月20日，星期六一.分布式控制系统的功能层次结构分布式控制系统的功能层次结构框图第60页，共91页，2023年，2月20日，星期六一.分布式控制系统的功能层次结构。1.直接控制层这是整个控制系统体系结构中的最低层，这一层直接与被控过程相连，完成以下功能。（1）过程数据采集直接采集现场的各种物理量测量值和状态开关值，对它们进行必要的滤波、转换等处理。（2）装置状态和设备运行状态监测与诊断对采集的各种信号进行处理，检查其是否是合格有效的数据、判断控制计算机的各模板是否运行正常，设备仪表及其连线是否正常，根据结果产生报警信号等。（3）闭环和开环控制接收上一级下达的控制指令（给定），实现DDC控制和顺序逻辑控制。第61页，共91页，2023年，2月20日，星期六2.监督控制层这一层主要是计算出装置优化的工作条件，以控制指令给定的形式给到其下一级（直接控制层）去执行，其主要工作如下：(1）优化控制应用数学模型和其它形式的模型，结合装置的约束条件和控制目标函数，计算出最优的操作条件，送下级执行。第62页，共91页，2023年，2月20日，星期六（2）自适应控制根据采集到的各种物理量，对系统的模型参数进行在线估计，然后根据自适应算法或自调节算法得出控制给定，送下一级。（3）协调控制对于复杂的被控对象，根据各部分的关系和运行状态，还有根据装置的生产要求，原材料、库存和能耗等数据，以及一些优化数据，产生控制指令，送下一级执行。（4）装置运行监视监视整个装置运行参数、状态，制定生产记录报表，报警显示，故障显示分析、记录，等等。第63页，共91页，2023年，2月20日，星期六3.计划调度这一层主要完成一系列的调度控制功能，这些调度控制主要是基于运筹学和资源管理的科学，而不是基于控制工程方法。这一层功能包括了根据用户定货单、库存量、能耗约束条件和能耗指标等进行生产调度的功能。较先进的计划调度层除了完成上述基本功能外，还可以进行最优调度柔性生产调度功能，以适应灵活的用户市场需求。此外，这一层还完成工厂级的数据监视、统计，制定各种统计报表。对于一些小型的企业（单个装置，或少数装置），计划调度层可能就是最高的控制功能层了。第64页，共91页，2023年，2月20日，星期六4.决策管理层这一层主要完成的功能有市场分析、用户信息搜集、定单统计分析、销售与生产计划、合同管理、生产工厂（装置）协调、制定价格、生产能力与定货平衡、生产和分销渠道的监督、生产、合同、定货的各种统计报表、生产效率、产值、经营额、利润／成本以及其它财政分析报表。第65页，共91页，2023年，2月20日，星期六◆

以上控制功能分层结构纯属是为了分析控制策略和制定控制算法方便和清楚而定的，这种控制功能层次划分与具体实现这些功能的DCS的体系划分不是等同的◆

在大多数情况下，DCS完成第一层、第二层的全部功能，并完成第三层的部分功能，第四层的功能则通过一层管理系统来完成第66页，共91页，2023年，2月20日，星期六

随着计算机控制技术的发展，新的控制理论以及新的控制方法不断出现，下面介绍几种较多广泛应用的先进控制。

自适应控制

二.先进控制——自适应控制预测控制智能控制鲁棒控制第67页，共91页，2023年，2月20日，星期六1.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础上的，而随着系统行为的变化，自适应系统能相应地改变和调整控制器的参数，以适应系统特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意的结果。第68页，共91页，2023年，2月20日，星期六模型参考自适应控制系统由参考模型／对象或过程／反馈控制器和自适应控制回路组成。自适应控制的分类(1)模型参考自适应控制第69页，共91页，2023年，2月20日，星期六自校正控制系统是利用过程的输入和输出信号，在线地对过程的数学模型进行辨识，然后修正控制策略，改变调节器的控制作用，直到控制性能指标达到最优。自适应控制的分类（2）自校正控制第70页，共91页，2023年，2月20日，星期六PID算法的参数整定是不基于模型和参数的，它是一种根据过程对象的时间特性或频率特性来整定PID参数。PID调节器对于一些小的干扰和非线性方法一般是离线进行的，即在系统投运之前，先用一些整定方法，如Ziegler-Nichols方法，反应曲线整定法等得出各PID参数，再不断地到控制过程中去实验，反复调整，最后得出一套较理想的控制参数，这些参数一般在系统整个运行过程中是不变的，不会随着生产过程参数的变化而变化。为了提高整定效益，并克服生产过程参数的变化，人们提出了很多整定PID的方法，并且市场上已有很多成熟的PID自整定软件和调节器产品。20世纪70年代以来，自整定PID调节的发展相当迅速，特别是随着计算机技术、人工智能、专家系统技术的发展，很多系统利用专家经验规则来进行PID参数的整定。此外，在国内的很多文献中，相应地提出了一些应用专家系统和模糊控制的方法来实现模糊PID和专家系统自整定PID算法。随着DCS体系结构进一步分散和小型DCS的普及，自整定PID会得到越来越广泛的应用。自适应控制的分类

（3）自整定PID调节

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预测控制是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值之间的偏差，并采用“滚动式”的优化策略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，并对模型误差等具有较强的鲁棒性。预测控制是由法国和美国几家公司在20世纪70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、电力等工业中得到了十分广泛的应用。2预测控制★

预测控制算法的三条基本原理：预测模型、滚动优化、反馈校正第72页，共91页，2023年，2月20日，星期六★两种典型的预测控制算法：

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动态矩阵控制（DynamicMatrixControl，DMC）：基于对象阶跃响应的预测控制算法

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模型算法控制（ModelAlgorithmControl，MAC）：以对象的脉冲响应为前提第73页，共91页，2023年，2月20日，星期六3智能控制

预测控制和智能控制方法基本上都是用数学的方法，建立一个模拟过程对象反映特性的数学表达方法，然后根据这个表达方法（也可能是方程式，也可能是时间系列等）和一些确切的控制目标，用某种数学的方法求出控制解。在很多应用中，很难用数学的方法求出一个最佳或较好的控制策略，原因可能是因为对象太复杂，有很多非线性因素，或内有许多不固定因素等。于是，人们探索出第三种先进控制方法——智能控制方法来处理这些问题。第74页，共91页，2023年，2月20日，星期六智能控制类型（1）专家系统（2）模糊控制（3）神经元网络控制第75页，共91页，2023年，2月20日，星期六智能控制类型(1)专家系统

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，最后得出结论及结论的可信度以供用户决策之用。主要由知识库，推理机或推理机制，综合数据库，解释接口或人机界面几部分组成。结构图如下：第76页，共91页，2023年，2月20日，星期六(2)模糊控制（FuzzyControl）

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在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法，用计算机来实现的控制

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模糊控制器主要由模糊化接口、模糊推理机、知识库和解模糊接口四部分组成第77页，共91页，2023年，2月20日，星期六(3)

神经网络控制

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人工神经网络与自动控制相结合的一种控制方法

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几种有代表性的神经网络控制方案：监督控制、直接逆控制、内模控制、模型预报控制、模型参考控制第78页，共91页，2023年，2月20日，星期六第79页，共91页，2023年，2月20日，星期六4鲁棒控制（RobustControl）

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鲁棒控制的任务是设计一个固定的控制器，使得相应的闭环系统在指定不确定性的扰动作用下仍维持预期的性能，或相应的闭环系统在保持预期性能的前提下，能允许最大的不确定性扰动

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根据研究随基于的模型不同，系统鲁棒性研究方法主要有两类：

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代数方法：研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式

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频率域方法：研究对象是系统的传递函数第80页，共91页，2023年，2月20日，星期六

目前分布式计算机控制系统用于企业的实例很多，在这里我们介绍下面几个应用例子。一.分布式控制系统在水和水处理方面的应用这是一套水生产自动化监控系统。