計算機過程控制系統(tǒng)

前言

第一章 緒論

第一節(jié) 計算機過程控制系統(tǒng)及其組成

一、計算機過程控制系統(tǒng)簡介

二、計算機過程控制系統(tǒng)的組成

第二節(jié) 計算機過程控制系統(tǒng)的類型

一、按控制裝置結構類型分

二、按被控對象的特點和要求分

三、按控制功能類型分

第二章 計算機常規(guī)控制系統(tǒng)

第一節(jié) 單回路控制系統(tǒng)

一、過程的數(shù)學模型

二、控制系統(tǒng)的性能指標

三、數(shù)字PID控制系統(tǒng)的整定

第二節(jié) 串級控制系統(tǒng)

一、串級控制系統(tǒng)的概念

二、串級控制系統(tǒng)的特點

三、串級控制系統(tǒng)的設計

四、串級控制系統(tǒng)的整定

第三節(jié) 純遲延補償系統(tǒng)

一、純遲延過程的常規(guī)控制

二、采用補償原理克服大遲延的影響

三、純遲延補償控制器的計算機實現(xiàn)（數(shù)字式Smith預估器）

四、大林算法

第四節(jié) 前饋控制系統(tǒng)

一、基本概念

二、靜態(tài)前饋控制

三、動態(tài)前饋控制

四、前饋-反饋控制系統(tǒng)

第五節(jié) 均勻控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)

一、均勻控制系統(tǒng)

二、比值控制系統(tǒng)

第六節(jié) 多變量解耦控制系統(tǒng)

一、系統(tǒng)的關聯(lián)和耦合

二、關聯(lián)（耦合）程度分析

三、耦合性質

四、解耦控制系統(tǒng)的設計

第七節(jié) 最少拍無紋波系統(tǒng)設計

一、最少拍設計概述

二、最少拍無紋波隨動系統(tǒng)設計

第三章 計算機現(xiàn)代控制系統(tǒng)

第一節(jié) 基于狀態(tài)空間模型的設計

一、問題分析

二、系數(shù)矩陣F、G的計算

三、控制規(guī)律設計

四、觀測器設計

五、控制器設計的進一步討論

第二節(jié) 基于輸入輸出模型的設計

一、設計分析

二、丟番圖方程及其最小階解

三、控制器設計

四、進一步討論

第三節(jié) 最優(yōu)控制設計

一、最優(yōu)控制原理與最優(yōu)控制規(guī)律設計

二、最優(yōu)狀態(tài)估計器設計

第四節(jié) 自適應控制系統(tǒng)

一、模型參考自適應控制

二、參數(shù)自適應控制系統(tǒng)

第五節(jié) 預測控制系統(tǒng)

一、預測模型

二、參考軌跡模型

三、控制算法

四、應用舉例

第六節(jié) 模糊控制系統(tǒng)

一、模糊控制基本原理

二、模糊控制器設計

三、模糊控制器性能改進

第七節(jié) 智能控制系統(tǒng)

一、分級遞階智能控制系統(tǒng)

二、專家控制系統(tǒng)

三、基于神經網絡的控制系統(tǒng)

第四章 計算機控制系統(tǒng)設計

第一節(jié) 概述

一、計算機控制系統(tǒng)的類型

二、計算機控制系統(tǒng)設計工作的類別

三、系統(tǒng)設計原則

四、系統(tǒng)開發(fā)周期

第二節(jié) 系統(tǒng)設計技術

一、規(guī)范化設計技術

二、結構化設計技術

三、系統(tǒng)的功能規(guī)范

四、系統(tǒng)的總體設計方案

第三節(jié) 硬件體系結構

一、實時工業(yè)控制計算機系統(tǒng)結構類別

二、總線結構型工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的組成

三、總線的分類

四、內部總線

第四節(jié) 計算機控制系統(tǒng)軟件技術

一、操作系統(tǒng)

二、數(shù)據(jù)庫

三、系統(tǒng)組態(tài)

第五節(jié) 軟件調試與系統(tǒng)測試

第五章 分散控制系統(tǒng)

第一節(jié) 分散控制系統(tǒng)及發(fā)展

一、分散控制系統(tǒng)的基本概念

二、分散控制系統(tǒng)的基本結構

三、典型分散控制系統(tǒng)

四、分散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

第二節(jié) 分散控制系統(tǒng)的過程控制單元

一、過程控制單元的硬件系統(tǒng)

二、過程控制單元的軟件系統(tǒng)

三、Nettwork-90的過程控制單元

第三節(jié) 分散控制系統(tǒng)的操作接口

一、概述

二、Nettwork-90的操作接口

第四節(jié) 分散控制系統(tǒng)的通信網絡

一、概述

二、Nettwork-90的通信系統(tǒng)

第五節(jié) 分散控制系統(tǒng)的組態(tài)

一、概述

二、Nettwork-90組態(tài)語言（功能塊語言）

三、組態(tài)舉例

第六節(jié) 分散控制系統(tǒng)的設計與應用

一、分散控制系統(tǒng)設計的步驟

二、分散控制系統(tǒng)在電爐冶煉控制中的應用

三、用Nettwork-90系統(tǒng)實現(xiàn)雙交叉限幅燃燒控制

四、Nettwork-90在電廠的應用

第七節(jié) 可編程控制器

一、可編程控制器的組成原理及選擇

二、OMRON C200H

三、可編程控制器的應用

第六章 現(xiàn)場總線技術及現(xiàn)場總線系統(tǒng)

第一節(jié) 現(xiàn)場總線簡介

一、什么是現(xiàn)場總線

二、現(xiàn)場總線的特點與優(yōu)點

三、以現(xiàn)場總線為紐帶的網絡集成式全分布控制系統(tǒng)

第二節(jié) 幾種現(xiàn)場總線的通信模型與技術特點

一、OSI參考模型

二、OSI與現(xiàn)場總線通信模型

三、基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus簡稱FF）

四、LonWorks技術

五、Profibus技術

六、CAN總線

七、HART通信協(xié)議

第三節(jié) 基金會現(xiàn)場總線的通信模型與部分通信協(xié)議

一、基金會現(xiàn)場總線通信模型的主要組成

二、協(xié)議數(shù)據(jù)的構成與層次

三、基金會現(xiàn)場總線的物理層及其網絡連接

四、數(shù)據(jù)鏈路層與鏈路活動調度

五、應用層與虛擬通信關系

六、用戶層與功能塊應用

第四節(jié) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)

一、現(xiàn)場總線網絡系統(tǒng)

二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

附錄

附錄A EISA各排引腳分配與信號一覽表

附錄B VESA插槽引腳、聯(lián)接器引腳統(tǒng)計

附錄C PCI聯(lián)接器引腳分配

附錄D Network-90的功能塊及其功能碼

附錄E C200H PC的指令與功能表

參考文獻2100433B

本書為原機械工業(yè)部“九五”規(guī)劃重點教材，按照測控技術與儀器專業(yè)教學指導委員會制訂的專業(yè)培養(yǎng)方案和審定的課程大綱編寫的。

本書對計算機過程控制系統(tǒng)的原理、技術及設計方法進行了較全面的介紹。內容包括計算機常規(guī)控制系統(tǒng)、現(xiàn)代控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)設計、分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線系統(tǒng)等。

本書可作為高等院校自動控制類、儀表類相關專業(yè)的本科生教材，也可供研究生、工程技術人員和科研工作者自學與參考。

計算機過程控制系統(tǒng)的分類

計算機控制系統(tǒng)的應用領域非常廣泛,計算機可以控制單個電機、閥門,也可以控制管理整個工廠企業(yè);控制方式可以是單回路控制,也可以是復雜的多變量解耦控制、自適應控制、最優(yōu)控制乃至智能控制。因而,它的分類方法也是多樣的,可以按照被控參數(shù)、設定值的形式進行分類,也可以按照控制裝置結構類型、被控對象的特點和要求及控制功能的類型進行分類,還可以按照系統(tǒng)功能、控制規(guī)律和控制方式進行分類。常用的是按照系統(tǒng)功能分類,分為以下幾類:(1)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DAS),對生產過程參數(shù)作巡檢、分析、記錄和報警處理。

(2)操作指導控制系統(tǒng)(OGC),計算機的輸出不直接用來控制生產過程,而只是對過程參數(shù)進行收集,加工處理后輸出數(shù)據(jù),操作人員據(jù)此進行必要的操作。

(3)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC),計算機從過程輸入通道獲取數(shù)據(jù),運算處理后,再從輸出通道輸出控制信號,驅動執(zhí)行機構。

(4)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC),計算機根據(jù)生產過程參數(shù)和對象的數(shù)字模型給出最佳工藝參數(shù),據(jù)此對系統(tǒng)進行控制。

(5)多級控制系統(tǒng),企業(yè)經營管理和生產過程控制分別由幾級計算機進行控制,一般是三級系統(tǒng),即經營管理級(MIS)、監(jiān)督控制級(SCC)和直接數(shù)字控制級(DDC)。

(6)集散控制系統(tǒng)(DCS),以微處理器為核心,實現(xiàn)地理和功能上的分散控制,同時通過高速數(shù)據(jù)通道將分散的信息集中起來,實現(xiàn)復雜的控制和管理。

(7)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA),SCADA是以計算機、控制、通訊與CRT技術為基礎的一種綜合自動化系統(tǒng),更適用于/點多、面廣、線長0的生產過程。由于控制中心和監(jiān)控點的分散而自然形成了兩層控制結構。

(8)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS),是新一代分布式控制系統(tǒng),與DCS的三層結構不同,其結構模式為/工作站)現(xiàn)場總線智能儀表0兩層結構,降低了總成本,提高了可靠性,系統(tǒng)更加開放,功能更加強大。在統(tǒng)一的國際標準下,可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結構。

(9)計算機集成過程控制系統(tǒng)(CIPS),利用DCS作基礎,開發(fā)高級控制策略,實現(xiàn)各層次的優(yōu)化,利用管理信息系統(tǒng)MIS進行輔助管理和決策,將企業(yè)中有關過程控制、計劃調度、經營管理、市場銷售等信息進行集成,經科學加工后,為各級領導、管理及生產部門提供決策依據(jù),實現(xiàn)控制、管理的一體化。

31計算機過程控制系統(tǒng)國內外應用狀況

近十幾年,過程控制系統(tǒng)發(fā)展非常迅速,由于集散控制系統(tǒng)是這一領域的主導發(fā)展方向,各國廠商都在這一市場不斷推陳出新。美國和日本的產品代表兩個主要的發(fā)展方向:美國廠商重點推出開放型集散系統(tǒng),加速研制現(xiàn)場總線產品,推廣應用智能變送器;日本廠商則著重發(fā)展高功能集散系統(tǒng),從軟件開發(fā)入手,挖掘軟件工作的潛力,強調控制功能和管理功能的結合。

20世紀80年代,比較著名的大型集散控制系統(tǒng)新產品有:美國Honeywell公司的TDC-3000,Foxboro公司的I/AS,Bailey公司的INFI-90,日本橫河公司的CENTRUMXL,英國Oxford Automation公司的SYSTEM-86,德國Siemens公司的TELEPERM系統(tǒng)等等。這些都屬于第三代DCS,控制點可達到一萬點以上,系統(tǒng)結構接近標準化,采用局域網技術。它的主要改變是在局域網絡方面,采用了符合國際標準化組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互連的參考模型。因此,在符合開放系統(tǒng)的各制造廠商產品間可以互相連接、互相通訊和進行數(shù)據(jù)交換,第三方的應用軟件也能在系統(tǒng)中應用,從而使集散控制系統(tǒng)進入了更高的階段。

在20世紀90年代初,隨著對控制和管理要求的不斷提高,第四代集散控制系統(tǒng)以管控一體化的形式出現(xiàn)。它在硬件上采用了開放的工作站,使用RISC替代CISC,采用了客戶機/服務器(Client/Server)的結構。在網絡結構上增加了工廠信息網(Intranet),并可與國際信息網(Internet)聯(lián)網。在軟件上則采用UNIX系統(tǒng)和X-Windows的圖形用戶界面,系統(tǒng)的軟件更豐富。同時,在制造業(yè),計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)得到了應用,使人們看到了應用信息管理系統(tǒng)的經濟效益。隨著現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn),在世界上引起了廣泛重視,各大儀表制造廠商紛紛在自己的DCS系統(tǒng)中融入現(xiàn)場總線技術,推出現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及相應的現(xiàn)場總線儀表裝置。第四代集散控制系統(tǒng)的典型產品有Honeywell公司的TPS控制系統(tǒng),橫河公司CENTER-CS控制系統(tǒng),Foxboro公司I/AS50/51系列控制系統(tǒng),ABB公司Advant系列OCS開放控制系統(tǒng)等。這一代集散控制系統(tǒng)主要是為解決DCS系統(tǒng)的集中管理而研制,它們在信息的管理、通訊等方面提供了綜合的解決方案。

我國的工業(yè)控制計算機技術起步于20世紀50年代末期,經歷了巡回檢測裝置、小型工業(yè)控制機、可編程控制器等幾個階段以后,70年代中期研制了小型工業(yè)控制計算機網絡系統(tǒng)。70年代末,有少數(shù)幾家化工企業(yè)從國外引進了集散控制系統(tǒng)。20世紀80年代中期,集散控制系統(tǒng)進入冶金、電力等行業(yè)。1985年,濟鋼第一套控制系統(tǒng)-MODICON584系列PLC在濟鋼煉鐵廠4#高爐上料系統(tǒng)應用獲得成功。1991年,濟鋼煉鋼3#板坯連鑄機二冷配水改造工程和中板廠加熱爐改造工程中,選用了美國德州儀器(TI)公司生產的TI-545系列PLC系統(tǒng)。

90年代初期,我國將集散控制系統(tǒng)與工業(yè)控制局部網絡列入國家攻關計劃,并取得了一些可喜的成果。我國石化行業(yè)/八五0期間新建和技改的石化生產裝置大多數(shù)采用DCS系統(tǒng),現(xiàn)已有300多套。同時,開展了計算機集成制造系統(tǒng)試點,近幾年部分石化企業(yè)已開始實施CIMS。

CIMS在石油行業(yè)雖已開始應用,但尚屬探索階段。由于建立大型的控制與管理相接合的管理信息系統(tǒng)所需投資較大,一般企業(yè)無法承受,而且我國當前的生產過程與國際先進水平還有一定的差距,這對過程控制系統(tǒng)的發(fā)展產生了一定的影響。

我國自動化儀表行業(yè)通過引進技術和與外商合作,還合資組裝生產了DCS,逐步實現(xiàn)了國產化。如上海的?？怂共_、西安橫河、北京貝利、四川儀表總廠等都有相應的DCS產品。我國獨立自主開發(fā)的DJK-7500(重慶自動化研究所)、HS-2000(北京和利時自動化公司)、FB-2000(浙江威盛自動化公司)、友力-2000(航空航天部)、DCS-100(清華大學)和L-2000(上海調節(jié)器廠)集散控制系統(tǒng),適合我國國情,有自己的特色,已投入生產和使用。

《過程控制系統(tǒng)》以過程控制系統(tǒng)為研究對象，全面地介紹了相關過程的動態(tài)特性、建模方法、控制器原理、計算機過程控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)等內容。既介紹簡單控制系統(tǒng)，又闡述復雜控制系統(tǒng)與先進控制技術以及聚類融合控制，并分析控制系統(tǒng)方案，對控制器參數(shù)進行整定，對典型流程工業(yè)生產過程進行案例分析，并介紹應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

全書內容豐富，系統(tǒng)性和先進性都比較突出，強調理論聯(lián)系實際，有很多工業(yè)過程控制的案例，便于學生學習與理解。 讀者對象：該書可作為高等學校自動化專業(yè)的過程控制系統(tǒng)教材，也可供流程工業(yè)工程技術人員和管理人員自學，或作為高校相關專業(yè)師生的教學參考書。

該書從基本概念入手，系統(tǒng)地闡述了簡單過程控制系統(tǒng)和復雜過程控制系統(tǒng)的構成、基本原理、特點、設計方法及過程控制系統(tǒng)的計算機仿真。

內容包括MATLAB與Simulink技術、PID控制策略、單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)、補償控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)，以及典型控制系統(tǒng)的分析、設計、參數(shù)整定和計算機仿真。

《過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》內容深入淺出，概念清楚，各個章節(jié)的內容既相互聯(lián)系又相互獨立，讀者可以結合自己的專業(yè)領域深入地進行研究．《過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》適用于自動化、自動化儀表、計算機應用、機械電子及自動化等領域的本、?？粕把芯可鳛榻虒W參考書，也可以供從事生產過程自動化、機械電子及自動化、計算機應用等領域的工程技術人員參考。