《过程控制仪表及控制系统 第2版 教学课件 ppt 作者 林德杰 第9章 先进控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制仪表及控制系统 第2版 教学课件 ppt 作者 林德杰 第9章 先进控制系统（135页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、09BX9,第9章 先进控制系统,9.1 模糊控制系统 9.1.1 概述 9.1.2 模糊控制器设计 9.1.3 模糊控制系统实例 9.2 集散控制系统 9.2.1 概述 9.2.2 集散控制系统的特点 9.2.3 集散控制系统的硬件结构 9.2.3.1 过程控制级 9.2.3.2 控制管理级,09BX9,第9章 先进控制系统,9.2.3.3 生产管理级和经营管理级 9.2.4 集散控制系统的软件及其组态 9.2.4.1 集散控制系统的软件 9.2.4.2 控制算法组态 9.2.4.3 软件组态应用示例 9.2.5 集散控制系统的网络通信 9.2.5.1 LAN的拓扑结构 9.2.5.2 通信
2、协议 9.2.5.3 数据分类和分类通信 9.2.6.1 DCS工程化设计的步骤,09BX9,第9章 先进控制系统,9.2.6.2 集散控制系统的工程实施 9.2.7 DCS工业应用示例 9.2.8 集散控制系统的发展趋势 9.3 现场总线控制系统 9.3.1 现场总线的结构及组成 9.3.1.1 结构模型 9.3.1.2 系统组成 9.3.2 典型总线性能比较 9.3.3 现场总线控制系统的特点 9.3.4 现场总线控制系统,09BX9,第9章 先进控制系统,9.3.5 现场总线控制系统应用实例 9.3.6 现场总线控制系统的发展趋势,09BX9,9.1 模糊控制系统,各类系统控制方案，都必
3、须建立被控过程的数学模型。由于被控过程的多样性、复杂性、时变性与非线性等因素，要建立精确的数学模型仍是困难的。1974年英国E.H.Mamdani根据1965年由美国自动控制理论专家L.A.Zadeh首次提出的模糊集合(Fuzzy Sets)理论，用Fuzzy控制语句级制成Fuzzy控制器，用于锅炉和蒸汽机自动控制，并在实验室获得了成功。随着模糊数学与计算机控制技术的发展，模糊控制在工业生产和日常生活各个领域，得到了愈来愈多的成功应用和发展。,09BX9,9.1.1 概述,1)以现场人员或有关专家的经验、知识或操作数据作为基础用于控制。 2)模糊控制是语言变量控制，其控制规则只用语言变量的形式
4、定性地表达。 3)根据不同的目标函数，设计模糊控制器进行控制，其语言控制规则分别独立。 4)系统的鲁棒性强，尤其适用于时变、非线性、时延系统的控制。,09BX9,图9-1 模糊控制系统原理框图,09BX9,9.1.2 模糊控制器设计,1)精确量的Fuzzy化，就是将精确量偏差E及偏差变化率C模糊化成模糊变量和； 2)Fuzzy控制规则的构成(Fuzzy算法器)，就是由及构成模糊变量； 3)输出信息的Fuzzy判决，就是将模糊变量决策判断成精确的控制量U。 1.精确量的Fuzzy化 2.Fuzzy控制规则的构成 3.输出信息的Fuzzy判决,09BX9,9.1.2 模糊控制器设计,图9-2 模糊
5、控制器的示意图,09BX9,1.精确量的Fuzzy化,表9-1 隶属度表,09BX9,2.Fuzzy控制规则的构成,(1)输入输出均为一维。 (2)输入的是二维、输出的是一维,09BX9,2.Fuzzy控制规则的构成,图9-3 Fuzzy控制器的常用工作模式 a)单输入、单输出工作模式 b)双输入、单输出工作模式,09BX9,表9-2 模糊变量的赋值表,09BX9,表9-3 模糊变量的赋值表,09BX9,表9-4 模糊变量的赋值表,09BX9,3.输出信息的Fuzzy判决,1)最大隶属度法，根据模糊变量的赋值表，按控制规则运算可求出各相应输出控制量。 2)取中位数方法。 3)加权平均判决法。,
6、09BX9,表9-5 模糊控制表,09BX9,9.1.3 模糊控制系统实例,1.系统的组成 2.速度环Fuzzy-PID控制算法,09BX9,9.1.3 模糊控制系统实例,图9-4 BDCM交流伺服控制系统框图,09BX9,1.系统的组成,基于Fuzzy-PID控制的无刷直流电动机(Brushless DC Montor-BDCM)交流伺服系统主要由主电路、控制电路和伺服电动机组成，见图9-4。 主电路包括桥式整流、滤波电路、IGBT逆变器及其驱动电路和过电压、欠电压保护电路。为了提高逆变器的工作频率，减小谐波损耗和降低电动机转矩波动，本系统采用了IGBT逆变器，其驱动电路采用了EXB841驱
7、动模块。,09BX9,2.速度环Fuzzy-PID控制算法,表9-6 模糊控制表,09BX9,2.速度环Fuzzy-PID控制算法,图9-5 速度调节器组成框图,09BX9,9.2 集散控制系统,集散控制系统(Total Distributed Control System，DCS)是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。自20世纪70年代中期集散控制系统问世以来，已在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的仪表和控制工程师已认识到集散控制系统必将成为工业自动控制的主流，在计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System )或计算机集
8、成作业系统CIPS(Computer Integrated Production System)中，集散控制系统将成为主角，发挥它们的优势。我国在石油、化工、冶金、炼油、建材、纺织、制药等各行各业获得广泛应用。,09BX9,9.2.1 概述,1.初始阶段 2.完善阶段 3.扩展阶段,09BX9,1.初始阶段,TDC-2000的推出，为其他的制造厂商指明了方向。在DCS初始阶段，产品仅仅是集散控制系统的雏形。但是，系统已经包括了DCS的三大组成部分，即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统。它也具有了DCS的基本特点，即集中管理、分散控制。,09BX9,2.完善阶段,随着半导体技术、显示技
9、术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制系统也得到了飞速发展。第二代集散控制系统的主要特点是系统的功能扩大或增强，例如，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量控制相结合；过程操作管理范围的扩大，功能的增加；显示屏分辨率的提高，色彩的增加；多微处理器技术的应用等。而一个明显的变化是数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信。,09BX9,3.扩展阶段,美国FOXBORO公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代。它的主要改变是在局域网络方面，I/AS系统采用了10Mbit/s的宽带网与5Mbit/s的载带网，符合国标准
10、组织ISO的OSI开放系统互联的参考模型。因此，在符合开放系统的各制造厂产品间可以相互连接、相互通信和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使集散控制系统进入了更高的阶段。,09BX9,9.2.2 集散控制系统的特点,1.分散控制，集中管理 2.采用局域网通信技术 3.完善的控制功能 4.采用模块化和开放性结构，系统扩展方便 5.管理能力强 6.安全可靠性高 7.高性能/价格比,09BX9,1.分散控制，集中管理,在计算机控制系统的应用初期，控制系统是集中的(DDC)，一台计算机完成全部过程控制和操作监视。一旦计算机故障，整个系统瘫痪，风险过于集中。 分散控制将控制任务分散到下层
11、的各个过程控制单元(PCU)完成，各过程控制单元(PCU)独自完成自己的工作，一旦现场控制单元故障，仅影响所管辖的控制回路，真正做到危险分散。分散的含义包括地域分散、功能分散、设备分散和操作分散，这样就提高了设备的可利用率。,09BX9,2.采用局域网通信技术,分布于各地域的现场控制单元与CRT操作站间的数据通信采用了局域网技术，传输实时信息，CRT操作站对全系统的信息进行综合管理。CRT操作站对现场控制单元进行操作、控制和管理，保证整个系统协调地工作。由于大多数集散控制系统的局域网采用光纤传输媒介，通信的安全性大大提高，这是集散控制系统优于一般计算机控制系统的重要特点之一。,09BX9,3.
12、完善的控制功能,集散控制系统的控制单元具有连续、分散、批量控制等功能，其算法功能模块多达上千种，可实现各种高级控制，例如，串级控制、前馈反馈控制、Smith预估控制、自适应控制、推理控制以及多变量解偶控制等。此外，还为用户提供了丰富的功能软件，例如，控制软件包、操作、显示软件包和打印报表软件包等。,09BX9,4.采用模块化和开放性结构，系统扩展方便,由于采用模块化结构和局域网技术，用户可根据实际控制需要进行硬件组态和软件组态，组成各种控制回路和规模不同的各类控制系统。由于采用局域网技术，系统具有较强的开放性，通过网络连接器(GW)将网络结点接入相应的结点工作站或其他网络，系统的扩展十分方便。
13、,09BX9,5.管理能力强,目前，集散控制系统的管理水平已达到：生产过程自动化以及过程监控、节能控制、安全监控、环境监测和生产计划管理等；工厂自动化，实现加工、装配、检查、挑选、设备故障诊断及产品质量管理等；实验室自动化；办公室自动化。,09BX9,6.安全可靠性高,由于集散控制系统采用了多微处理器分散控制结构，且广泛采用冗余技术、容错技术，各单元具有自检查、自诊断、自修理和电源保护功能，大大提高了系统的安全可靠性。,09BX9,7.高性能/价格比,集散控制系统功能齐全，技术先进，安全可靠。大规模集散控制系统的投资与相同控制回路和功能的传统仪表控制系统相比将更低廉,09BX9,9.2.3 集
14、散控制系统的硬件结构,集散控制系统采用分层结构模式。图9-6a可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级，各级功能见图9-6b。,09BX9,9.2.3.1 过程控制级,1.过程控制单元(PCU) 2.过程输入输出单元(PIOU),09BX9,9.2.3.1 过程控制级,图9-6 集散控制系统的结构框图 a)原理框图 b)功能框图,09BX9,1.过程控制单元(PCU),(1)微机硬件结构 其构成简图见图9-7。 (2)I/O口与通用卡硬件结构 该类硬件结构的PCU见图9-8。 (3)串行通信总线加模件结构 该类硬件结构的PCU由在串行通信模件总线上再挂接模件方式构成，见图9-9。
15、(4) 节点工作站结构 现代集散控制系统大多数采用这种“节点”结构PCU，见图。,09BX9,1.过程控制单元(PCU),图9-7 微机结构PCU,09BX9,图9-8 I/O口与通用卡硬件结构PCU,09BX9,图9-9 串行通信总线加模件PCU,09BX9,图9-10 节点工作站结构,09BX9,2.过程输入输出单元(PIOU),(1)高电平过程输入单元(HLPIU) 其输入是来自过程的高电平信号(DC 420mA和DC 15V)、高电平的数字信号和脉冲信号(TTL电平)。 (2)低电平过程输入单元(LLPIU) 其输入是来自热电偶、热电阻和其他传感器的直流毫伏信号(DCmV)，该类低电平
16、信号可经程控可变增益放大器放大到与A/D转换器输入电平相匹配的电平。 (3)低能量过程输入单元(LEPIU) 该单元的输入端装有齐纳二极管，用于安全防爆。,09BX9,9.2.3.2 控制管理级,1)总貌画面用来了解所有内部仪表的工作状态。 2)组画面或点画面用来显示改变传统仪表系统的给定值、控制参数和控制方式等。 3)流程画面用来模拟生产工艺流程及其运行的动态过程，并以鲜艳的颜色显示图形和数字。 4)趋势画面显示记录各种过程参数的变化曲线，掌握各种工艺参数变化趋势，供操作员进行合理的操作。 5)操作指导画面是指导操作员进行准确、及时的操作，并记录众多的操作项目。,09BX9,9.2.3.2 控制管理级,6)报警画面及时记录各种参数上、下限和异常事件报警的时间和地点，以便操作员及时采取相应的措施。,09BX9,9.2.3.2 控制管理级,图9-11 过程输入 输出单元的结构,09BX9,9.2.3.2 控制管理级,图9-12 操作站结构框图,09BX9,9.2.3.2 控制管理级,图9-13 MXL系统的CRT画面调用示例,09BX9,9.2.3.3 生产管理级和
