集散控制系統(tǒng)基本原理與其應用

1、集散控制系統(tǒng)基本原理與其應用學習目標掌握計算機控制系統(tǒng)的組成原理知識點：了解計算機控制系統(tǒng)的應用類型掌握集散控制系統(tǒng)的基本組成掌握計算機控制系統(tǒng)的信號處理原理掌握計算機控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道的組成掌握理想PID控制算法技能點：利用計算機控制系統(tǒng)實訓裝置，培養(yǎng)以下技能熟練掌握計算機控制系統(tǒng)的構成方法了解模擬信號、開關信號的處理方法理解和掌握理想PID控制算法計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)是用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機)來實現(xiàn)工業(yè)過程自動控制的系統(tǒng)。什么是自動控制?自動控制系統(tǒng)由哪些部分組成?基本概念設定值控制器D/A執(zhí)行機構被控對象A/ D計算機被控變量+圖1.1 計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)結

2、構圖執(zhí)行機構計算機控制系統(tǒng)的工作原理(1)實時數(shù)據(jù)采集 對測量變送裝置輸出的信號經(jīng)A/D轉換后進行處理。(2)實時控制決策 對被控變量的測量值進行分析、運算和處理，并按預定的控制規(guī)律進行運算。(3)實時控制輸出 實時地輸出運算后的控制信號，經(jīng)D/A轉換后驅動執(zhí)行機構，完成控制任務。上述過程不斷重復，使被控變量穩(wěn)定在設定值上?？蓺w納為以下三個步驟：什么是實時控制?生產(chǎn)過程工業(yè)控制機圖1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成框圖生產(chǎn)過程指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求而設計的計算機它包括硬件和軟件兩部分。包括被控對象，測量變送、執(zhí)行機構、電氣開關等裝置。硬件系統(tǒng)接收輸入的指令和工業(yè)對象的信息，向系統(tǒng)各部分發(fā)送命令

3、和數(shù)據(jù)。包括顯示操作臺、屏幕顯示器(CRT)或數(shù)碼顯示器、鍵盤、打印機、記錄儀等。從被控對象采集的模擬量或數(shù)字量信號轉換為計算機能夠接收的數(shù)字量生產(chǎn)過程包括被控對象，測量變送、執(zhí)行機構、電氣開關等裝置。圖1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成框圖包括磁盤、光盤、磁帶，主要用于存儲大量的程序和數(shù)據(jù)。將計算機的處理結果轉換成可以對被控對象進行控制的信號。工業(yè)控制機硬件：硬件是指計算機本身及工業(yè)控制機硬件：硬件是指計算機本身及外圍設備。外圍設備。計算機硬件過程輸出接口計算機過程輸入接口存儲器人機接口軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和.軟件系統(tǒng)軟件應用軟件是專門用來使用和管理計算機的程序，包括操作系統(tǒng)、監(jiān)

4、控管理程序、語言處理程序和故障診斷程序等。應用軟件是用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。1.1.3 軟件系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的應用類型計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)根據(jù)應用特點、控制功能和系統(tǒng)結構，計算機控制系統(tǒng)主要分為六種類型1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機承擔數(shù)據(jù)的采集和處理工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對生產(chǎn)過程各種工藝變量進行巡回檢測、處理、記錄以及變量的超限報警。同時對變量進行累計和實時分析。計算機通過過程輸入通道對變量作巡回檢測直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）根據(jù)變量，按照一定的控制規(guī)律進行運算其結果經(jīng)過輸出通道，作用到控制對

5、象。模擬量輸入微型計算機模擬量輸出生產(chǎn)過程數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出顯示打印磁盤磁盤采用計算機代替模擬儀表控制，只要改變程序就可以對控制對象進行控制，因此計算機可以控制幾百個回路，并可以對上下限進行監(jiān)視和報警。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機的可靠運行。因此，必須采取抗干擾措施。直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)DDC級微機完成生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制；SCC級微機進行優(yōu)化分析計算，產(chǎn)生最優(yōu)化設定值。用數(shù)字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉換器和D/A轉換器、輸出掃描器，便是SCC加數(shù)字控制器的SCC系統(tǒng)。當SCC計算機出現(xiàn)故障時，由數(shù)字控制

6、器獨立完成控制任務，比較安全可靠。分級控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也存在大生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。量的管理問題。 由若干臺微處理器或微機分別承擔部分由若干臺微處理器或微機分別承擔部分控制任務，代替了集中控制的計算機?？刂迫蝿眨媪思锌刂频挠嬎銠C。 這種系統(tǒng)的特點是將控制功能分散，用這種系統(tǒng)的特點是將控制功能分散，用多臺計算機分別完成不同的控制功能，管理則采多臺計算機分別完成不同的控制功能，管理則采用集中管理。用集中管理。 (3)工廠集中控制級 它可根據(jù)上級下達的任務和本廠情況，制定生產(chǎn)計劃、安排本廠工作、進行人員調(diào)配及各車間的協(xié)調(diào)，并及時向上級報告

7、。 (4)企業(yè)管理級 制定長期發(fā)展現(xiàn)劃、生產(chǎn)銷計劃，發(fā)命令至各工廠，并接受反饋信息，實現(xiàn)全企業(yè)的總調(diào)度。 （2)車間監(jiān)督級(SCC級) 它根據(jù)廠級計算機下達的命令和通過裝置控制級獲得的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，進行最優(yōu)化控制。 (1)裝置控制級(DDC級) 對生產(chǎn)過程進行直接控制，使所控制的生產(chǎn)過程在最優(yōu)工作狀況下工作。集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) 協(xié)調(diào)各控制站的工作達到過程的動態(tài)最優(yōu)化人機接口裝置，完成操作、顯示和監(jiān)視任務集散控制系統(tǒng)是分布式結構系統(tǒng)。完成過程的現(xiàn)場控制任務實現(xiàn)了地理上和功能上分散的控制，將各個分散的信息集中起來，進行集中的監(jiān)視和操作。采集非控制過程信息集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級分布式控制

8、集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級分布式控制結構。結構。集散控制系統(tǒng)有計算機控制系統(tǒng)控制算法先集散控制系統(tǒng)有計算機控制系統(tǒng)控制算法先進、精度高、響應速度快的優(yōu)點又有儀表控進、精度高、響應速度快的優(yōu)點又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護方便的優(yōu)點。制系統(tǒng)安全可靠、維護方便的優(yōu)點。集散控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，系集散控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)是積木式結構，結構靈活，可大可小，易于統(tǒng)是積木式結構，結構靈活，可大可小，易于擴展。擴展。1.2.6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，是新一代分布式控制結構，采用工作站-現(xiàn)場總線智能儀表的二層結構模式?，F(xiàn)場數(shù)字執(zhí)行器現(xiàn)場數(shù)字控制

9、功能模塊服務器工作站現(xiàn)場數(shù)字傳感器信號處理 在連續(xù)量控制系統(tǒng)中，控制信號、反饋信號和偏差信號都是連續(xù)型的時間信號；而在計算機控制系統(tǒng)中，計算機的輸入、輸出都是離散型的時間函數(shù)。CPUD/A執(zhí)行器對象采樣器A/D輸入信號處理輸入信號處理 為了實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程的控制，需要將被控對為了實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程的控制，需要將被控對象的各種測、控變量按要求的方式送入計算機，以便象的各種測、控變量按要求的方式送入計算機，以便運算和處理。運算和處理。 被控對象所提供的信息是紛繁復雜的，其種類、性被控對象所提供的信息是紛繁復雜的，其種類、性質及大小等各不相同，因此需要通過某種裝置將生產(chǎn)質及大小等各不相同，因此

10、需要通過某種裝置將生產(chǎn)過程中的各種被測變量轉換成計算機能夠接受的信號，過程中的各種被測變量轉換成計算機能夠接受的信號，這種在計算機與生產(chǎn)過程之間，起著信號轉換并向計這種在計算機與生產(chǎn)過程之間，起著信號轉換并向計算機傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信算機傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號處理包括數(shù)字量輸入信號處理和模擬量輸入信號處號處理包括數(shù)字量輸入信號處理和模擬量輸入信號處理。理。 圖1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成框圖1 1數(shù)字量輸入信號處理數(shù)字量輸入信號處理數(shù)字量通道信號變換電路整形電路信號和接口電路電平變換電路計算機不能直接接受生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)量因此，必須通過輸入通道將狀態(tài)信

11、號轉變?yōu)閿?shù)字量送入計算機。2 2模擬量輸入信號處理模擬量輸入信號處理檢測各種非電量過程變量，并將其轉換為電信號。將多路模擬信號按要求分時輸出放大器將傳感器輸出的微弱電信號放大到A/D轉換器所需要的電平采樣保持器對模擬信號進行采樣，在模/數(shù)轉換期間對采樣信號進行保持將模擬信號轉換為二進制數(shù)字信號接口電路提供模擬量輸入通道與計算機之間的控制信號和數(shù)據(jù)傳送通路3 3模擬量輸入信號采樣過程模擬量輸入信號采樣過程計算機對某個隨時間變化的模擬量進行采樣，是利用定時器控制的開關，每隔一定時間使開關閉合而完成一次采樣。 開關重復閉合的時間間隔T稱為采樣周期，其倒數(shù) s=1/T稱為采樣頻率。采樣過程，是指將一個

12、連續(xù)的輸入信號經(jīng)開關采樣后，轉變?yōu)榘l(fā)生在采樣開關閉合瞬時0、T、2TnT的一連串脈沖輸出信號 *(t)，如圖所示。式中 *(t)輸出脈沖序列 (kT)輸出脈沖數(shù)值序列； (t-kT)發(fā)生在t=kT時刻上的單位脈沖0)()()(*kkTtkTftf（1-1）單位脈沖函數(shù)的定義為 1)(,0,)(dtkTtkttkttkTt（1-2）根據(jù)理想單位脈沖函數(shù)的定義式(1-2)，在采樣開關閉合時， (kT)與(t)的瞬時值相等，式(1-1)還可改寫成如下形式式(1-3)說明，數(shù)字控制系統(tǒng)中的采樣過程可以理解為脈沖調(diào)制過程。在這里，采樣開關只起著理想脈沖發(fā)生器的作用，通過它將連續(xù)信號(t)調(diào)制成脈沖序列*

13、(t)。0)()()(*tkTttftf（1-3）4 4香農(nóng)采樣定理香農(nóng)采樣定理采樣后的離散信號*(t)才能夠無失真地復現(xiàn)(t)一個連續(xù)時間信號(t)，設其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為max，如果在等間隔點上對該信號(t)進行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號*(t)能包含原信號(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關系s2max （1-4）式中 s 采樣頻率； max(t)最高頻率。在實際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數(shù)和采樣時間有關，一般根據(jù)具體情況選用。s（510）max采樣定理表明，采樣頻率s的選擇至少要比max高二倍，對于連續(xù)模擬信號(t)，我們并不需要有無限多個連續(xù)的時間點

14、上的瞬時值來決定其變化規(guī)律，而只需要有各個等間隔點上的離散抽樣值就夠了。5 5數(shù)字濾波數(shù)字濾波數(shù)字濾波優(yōu)點：數(shù)字濾波是用程序實現(xiàn)的，不需要硬件設備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。數(shù)字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點是模擬濾波難以實現(xiàn)的。數(shù)字濾波可以根據(jù)不同的信號采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。數(shù)字濾波是通過編制一定的計算或判斷程序，減少干擾在有用信號中的比重，提高信號真實性的濾波方法。常用的數(shù)字濾波方法有：數(shù)字濾波方法平均濾波程序判斷濾遞推中位值法濾波一階滯后濾波加權遞推平均濾波程序判斷濾波的具體方法是通過比較相鄰的兩個采樣值，如果它們的差值過大，超出了變量可能的變化范圍，則認為后一次采樣值是

15、虛假的，應予以廢除，而用前一次采樣值送入計算機。中位值法濾波就是將某個被測變量在輪到它采樣的時刻，連續(xù)采 3 次 ( 或 3 次以上 ) 值，從中選擇大小居中的那個值作為有效測量信號。管道中的流量、壓力或沸騰狀液面的上下波動，會使其變送器輸出信號出現(xiàn)頻繁的振蕩現(xiàn)象。若將此信號直接送入計算機，會導致控制算式輸出紊亂，造成控制動作極其頻繁。甚至執(zhí)行器根本來不及響應，還會使控制閥因過分磨損而影響使用壽命，嚴重影響控制品質。(3)遞推平均濾波如圖 1.12 所示。圖中的黑點表示各個采樣值。對于這類信號，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據(jù)是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第 n 次采樣的 N 項遞推平均

16、值是 n，(n-1)， ，(n-N+1) 次采樣值的算術平均。N 值的選擇對采樣平均值的平滑程度與反應靈敏度均有影響。遞推平均算式為：10)(1)(Nin-iyNny（1-6）)(ny式中第 n 次 N 項的遞推平均值；)(n-iy往前遞推第 i 項的測量值；N遞推平均的項數(shù)。也就是說，第 n 次采樣的 N 項遞推平均值的計算，應該由 n 次采樣往前遞推 ( N-1 )項。在實際應用中，可通過觀察不同 N 值下遞推平均的輸出響應來決定 N 值的大小。目前在工程上，流量常用 12 項平均，壓力取 4 項平均，溫度沒有顯著噪聲時可以不加平均。(4)加權遞推平均濾波 遞推平均濾波法的每一次采樣值，在

17、結果中的比重是均等的，這對時變信號會引入滯后。一個 N 項加權遞推平均算式為：10)(1)(NiiinyCNny（1-7）iC式中 加權系數(shù)，各項系數(shù)應滿足下列關系；101NiiC 0 Ci 1 且 為增加當前采樣值在結果中所占的比重，提高系統(tǒng)對本次采樣的靈敏度，可采用加權遞推平均方法。(5)一階慣性濾波一階慣性濾波器的動態(tài)方程式為：)()()()(tytytdtydT（1-8）t 濾波時間常數(shù)；式中 )(ty輸出值；)(ty 輸入值。在實際應用上述幾種數(shù)字濾波方法時，往往先對采樣信號進行程序判斷濾波，然后再用遞推平均、加權遞推平均或一階慣性濾波等方法處理，以保持采樣的真實性和平滑度。一階慣性

18、濾波對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻繁的變量濾波。(1-11)1.3.2 輸出信號處理輸出信號處理過程輸出通道:計算機和執(zhí)行器之間進行信息傳遞和變換的裝置.1數(shù)字輸出信號的處理 數(shù)字信號的輸出必須通過數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸出通道的任務是根據(jù)計算機輸出的數(shù)字信號去控制接點的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡稱 DO (Digital output)通道。 根據(jù)被控對象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號的形態(tài)及相應的配置也不相同。 其中最為常用的數(shù)字控制信號是開關量和脈沖量信號隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅動器將計算機輸出的信號進行功率放大，以滿足被控對象要求。繼電器

19、、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開關量控制信號的執(zhí)行機構，通過這些開關器件的通、斷去控制被控對象。2 2模擬輸出信號的處理模擬輸出信號的處理 模擬信號的輸出必須通過模擬量輸出通道來完成。模擬量輸出通道是計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制的關鍵。它的任務是把計算機輸出的數(shù)字量轉換成模擬電壓或電流信號。以便驅動相應的執(zhí)行機構、達到控制的目的。模擬量輸出通道般由輸出接口電路、D/A轉換器、V/I變換等組成。（1）一個通路設置一個數(shù)/模轉換器:微處理器和通路之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點是轉換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉換器有故障也不會影響其它通路的工

20、作。缺點是使用了使用硬件較多，成本高。但隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，這個缺點正在逐步得到克服。這種方案較易實現(xiàn)。多路信號共用一個數(shù)模轉換器。（2）多個通路共用一個數(shù)模轉換器的形式因此它必須在微型機控制下分時工作。即依次把D/A轉換器轉換成的模擬電壓(或電流)，通過多路模擬開關傳送到下一級電路。這種結構節(jié)省了數(shù)模轉換器，但因是分時工作，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合。因多路共用一個D/A轉換器，所以可靠性較差。PID控制算法按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡稱PID控制)，是控制系統(tǒng)中應用最廣泛的一種控制規(guī)律。在系統(tǒng)中引入偏差的比例控制，以保證系統(tǒng)的快速性，引入偏差的積分控制以提高控

21、制精度，引入偏差的微分控制來消除系統(tǒng)慣性的影響。理想PID控制算法控制器將根據(jù)偏差esv-pv（設定值sv與測量值pv之差），給出控制信號u(t)。理想PID常用以下形式表示：式中 Kp 控制器比例增益；TI 積分時間； TD微分時間。 由于在計算機控制系統(tǒng)中，計算機只能每隔一定的時間(采樣周期T)才能完成一次檢測、計算并輸出控制，因此必須將原來的PID微分方程經(jīng)過差分處理后變成相應的差分方程。)()(1)()(dttdeTdtteTteKtuDIp（）11)()(sTsTsEKsUDIp（） 積分與求和的關系可用圖說明。tdtte0)(事實上就是e(t)曲線與橫軸在0 t之間所包圍的曲邊梯形

22、的面積，將此面積以采樣周期T為寬度分割成n段，當T很小時，每段面積近似為e(iT) T，按這種方法近似處理。則積分項 簡寫為)1()()()()(1neneTTieTTneKnuDniIp（1-16） nitTiTeTnTeTTeTTedttedtte10)()()2()()()(（1-14）設采樣周期為T，取 ,nTt Tdt )1()()(TnenTetde采用差分近似法分別代入式（1-12）中的TnenTeTTiTeTTnTeKnTuDniIp)1()()()()(1（1-15）niTiTe1)() 1()()(nununu 雖屬離散量，但隨著時間的增長，累積結果會無限加大，給實際計算機

23、計算帶來困難。所以常將式(1-16)進一步化簡成遞推形式，即令nn-1，代入式(1-16)得)2() 1()() 1() 1(11neneTTieTTneKnuDniIp（1-17）用式(1-17)減去式(1-16)，得控制器輸出的增量表達式為)() 1()(nununu)2() 1(2)()() 1()(neneneTTneTTneneKDIp（1-18）理想PID控制算法的改進 1 1積分分離積分分離在一般的PID控制中，當啟動、停車或大幅度改變給定值時，由于在短時間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會產(chǎn)生嚴重的積分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長時間的振蕩。為了克服這個缺點，可采用積分分離方法，即在被控制量開始跟蹤時，取消積分作用；而當被控制量接近給定值時，才將積分作用投入以消除靜差。BneneneneTTneTTneneKBneneneneTTneneKnuDIPDP)() 2() 1(2)()() 1()()() 2() 1(2)() 1()()(（1-20）理想PID控制算法的改進 1 1積分分離積分分離圖1.18 兩種控制效果比較a-積分分離式的PID控制過程；b-普通