计算机过程控制系统

前言

第一章 绪论

第一节 计算机过程控制系统及其组成

一、计算机过程控制系统简介

二、计算机过程控制系统的组成

第二节 计算机过程控制系统的类型

一、按控制装置结构类型分

二、按被控对象的特点和要求分

三、按控制功能类型分

第二章 计算机常规控制系统

第一节 单回路控制系统

一、过程的数学模型

二、控制系统的性能指标

三、数字PID控制系统的整定

第二节 串级控制系统

一、串级控制系统的概念

二、串级控制系统的特点

三、串级控制系统的设计

四、串级控制系统的整定

第三节 纯迟延补偿系统

一、纯迟延过程的常规控制

二、采用补偿原理克服大迟延的影响

三、纯迟延补偿控制器的计算机实现（数字式Smith预估器）

四、大林算法

第四节 前馈控制系统

一、基本概念

二、静态前馈控制

三、动态前馈控制

四、前馈-反馈控制系统

第五节 均匀控制系统与比值控制系统

一、均匀控制系统

二、比值控制系统

第六节 多变量解耦控制系统

一、系统的关联和耦合

二、关联（耦合）程度分析

三、耦合性质

四、解耦控制系统的设计

第七节 最少拍无纹波系统设计

一、最少拍设计概述

二、最少拍无纹波随动系统设计

第三章 计算机现代控制系统

第一节 基于状态空间模型的设计

一、问题分析

二、系数矩阵F、G的计算

三、控制规律设计

四、观测器设计

五、控制器设计的进一步讨论

第二节 基于输入输出模型的设计

一、设计分析

二、丢番图方程及其最小阶解

三、控制器设计

四、进一步讨论

第三节 最优控制设计

一、最优控制原理与最优控制规律设计

二、最优状态估计器设计

第四节 自适应控制系统

一、模型参考自适应控制

二、参数自适应控制系统

第五节 预测控制系统

一、预测模型

二、参考轨迹模型

三、控制算法

四、应用举例

第六节 模糊控制系统

一、模糊控制基本原理

二、模糊控制器设计

三、模糊控制器性能改进

第七节 智能控制系统

一、分级递阶智能控制系统

二、专家控制系统

三、基于神经网络的控制系统

第四章 计算机控制系统设计

第一节 概述

一、计算机控制系统的类型

二、计算机控制系统设计工作的类别

三、系统设计原则

四、系统开发周期

第二节 系统设计技术

一、规范化设计技术

二、结构化设计技术

三、系统的功能规范

四、系统的总体设计方案

第三节 硬件体系结构

一、实时工业控制计算机系统结构类别

二、总线结构型工业控制计算机系统的组成

三、总线的分类

四、内部总线

第四节 计算机控制系统软件技术

一、操作系统

二、数据库

三、系统组态

第五节 软件调试与系统测试

第五章 分散控制系统

第一节 分散控制系统及发展

一、分散控制系统的基本概念

二、分散控制系统的基本结构

三、典型分散控制系统

四、分散控制系统的发展趋势

第二节 分散控制系统的过程控制单元

一、过程控制单元的硬件系统

二、过程控制单元的软件系统

三、Nettwork-90的过程控制单元

第三节 分散控制系统的操作接口

一、概述

二、Nettwork-90的操作接口

第四节 分散控制系统的通信网络

一、概述

二、Nettwork-90的通信系统

第五节 分散控制系统的组态

一、概述

二、Nettwork-90组态语言（功能块语言）

三、组态举例

第六节 分散控制系统的设计与应用

一、分散控制系统设计的步骤

二、分散控制系统在电炉冶炼控制中的应用

三、用Nettwork-90系统实现双交叉限幅燃烧控制

四、Nettwork-90在电厂的应用

第七节 可编程控制器

一、可编程控制器的组成原理及选择

二、OMRON C200H

三、可编程控制器的应用

第六章 现场总线技术及现场总线系统

第一节 现场总线简介

一、什么是现场总线

二、现场总线的特点与优点

三、以现场总线为纽带的网络集成式全分布控制系统

第二节 几种现场总线的通信模型与技术特点

一、OSI参考模型

二、OSI与现场总线通信模型

三、基金会现场总线（Foundation Fieldbus简称FF）

四、LonWorks技术

五、Profibus技术

六、CAN总线

七、HART通信协议

第三节 基金会现场总线的通信模型与部分通信协议

一、基金会现场总线通信模型的主要组成

二、协议数据的构成与层次

三、基金会现场总线的物理层及其网络连接

四、数据链路层与链路活动调度

五、应用层与虚拟通信关系

六、用户层与功能块应用

第四节 现场总线系统

一、现场总线网络系统

二、现场总线控制系统

附录

附录A EISA各排引脚分配与信号一览表

附录B VESA插槽引脚、联接器引脚统计

附录C PCI联接器引脚分配

附录D Network-90的功能块及其功能码

附录E C200H PC的指令与功能表

参考文献2100433B

本书为原机械工业部“九五”规划重点教材，按照测控技术与仪器专业教学指导委员会制订的专业培养方案和审定的课程大纲编写的。

本书对计算机过程控制系统的原理、技术及设计方法进行了较全面的介绍。内容包括计算机常规控制系统、现代控制系统、计算机控制系统设计、分散控制系统、现场总线及现场总线系统等。

本书可作为高等院校自动控制类、仪表类相关专业的本科生教材，也可供研究生、工程技术人员和科研工作者自学与参考。

计算机过程控制系统的分类

计算机控制系统的应用领域非常广泛,计算机可以控制单个电机、阀门,也可以控制管理整个工厂企业;控制方式可以是单回路控制,也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而,它的分类方法也是多样的,可以按照被控参数、设定值的形式进行分类,也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类,还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类,分为以下几类:(1)数据处理系统(DAS),对生产过程参数作巡检、分析、记录和报警处理。

(2)操作指导控制系统(OGC),计算机的输出不直接用来控制生产过程,而只是对过程参数进行收集,加工处理后输出数据,操作人员据此进行必要的操作。

(3)直接数字控制系统(DDC),计算机从过程输入通道获取数据,运算处理后,再从输出通道输出控制信号,驱动执行机构。

(4)监督控制系统(SCC),计算机根据生产过程参数和对象的数字模型给出最佳工艺参数,据此对系统进行控制。

(5)多级控制系统,企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制,一般是三级系统,即经营管理级(MIS)、监督控制级(SCC)和直接数字控制级(DDC)。

(6)集散控制系统(DCS),以微处理器为核心,实现地理和功能上的分散控制,同时通过高速数据通道将分散的信息集中起来,实现复杂的控制和管理。

(7)监控与数据采集系统(SCADA),SCADA是以计算机、控制、通讯与CRT技术为基础的一种综合自动化系统,更适用于/点多、面广、线长0的生产过程。由于控制中心和监控点的分散而自然形成了两层控制结构。

(8)现场总线控制系统(FCS),是新一代分布式控制系统,与DCS的三层结构不同,其结构模式为/工作站)现场总线智能仪表0两层结构,降低了总成本,提高了可靠性,系统更加开放,功能更加强大。在统一的国际标准下,可实现真正的开放式互连系统结构。

(9)计算机集成过程控制系统(CIPS),利用DCS作基础,开发高级控制策略,实现各层次的优化,利用管理信息系统MIS进行辅助管理和决策,将企业中有关过程控制、计划调度、经营管理、市场销售等信息进行集成,经科学加工后,为各级领导、管理及生产部门提供决策依据,实现控制、管理的一体化。

31计算机过程控制系统国内外应用状况

近十几年,过程控制系统发展非常迅速,由于集散控制系统是这一领域的主导发展方向,各国厂商都在这一市场不断推陈出新。美国和日本的产品代表两个主要的发展方向:美国厂商重点推出开放型集散系统,加速研制现场总线产品,推广应用智能变送器;日本厂商则着重发展高功能集散系统,从软件开发入手,挖掘软件工作的潜力,强调控制功能和管理功能的结合。

20世纪80年代,比较著名的大型集散控制系统新产品有:美国Honeywell公司的TDC-3000,Foxboro公司的I/AS,Bailey公司的INFI-90,日本横河公司的CENTRUMXL,英国Oxford Automation公司的SYSTEM-86,德国Siemens公司的TELEPERM系统等等。这些都属于第三代DCS,控制点可达到一万点以上,系统结构接近标准化,采用局域网技术。它的主要改变是在局域网络方面,采用了符合国际标准化组织ISO的OSI开放系统互连的参考模型。因此,在符合开放系统的各制造厂商产品间可以互相连接、互相通讯和进行数据交换,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。

在20世纪90年代初,随着对控制和管理要求的不断提高,第四代集散控制系统以管控一体化的形式出现。它在硬件上采用了开放的工作站,使用RISC替代CISC,采用了客户机/服务器(Client/Server)的结构。在网络结构上增加了工厂信息网(Intranet),并可与国际信息网(Internet)联网。在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形用户界面,系统的软件更丰富。同时,在制造业,计算机集成制造系统(CIMS)得到了应用,使人们看到了应用信息管理系统的经济效益。随着现场总线技术的出现,在世界上引起了广泛重视,各大仪表制造厂商纷纷在自己的DCS系统中融入现场总线技术,推出现场总线控制系统及相应的现场总线仪表装置。第四代集散控制系统的典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统,横河公司CENTER-CS控制系统,Foxboro公司I/AS50/51系列控制系统,ABB公司Advant系列OCS开放控制系统等。这一代集散控制系统主要是为解决DCS系统的集中管理而研制,它们在信息的管理、通讯等方面提供了综合的解决方案。

我国的工业控制计算机技术起步于20世纪50年代末期,经历了巡回检测装置、小型工业控制机、可编程控制器等几个阶段以后,70年代中期研制了小型工业控制计算机网络系统。70年代末,有少数几家化工企业从国外引进了集散控制系统。20世纪80年代中期,集散控制系统进入冶金、电力等行业。1985年,济钢第一套控制系统-MODICON584系列PLC在济钢炼铁厂4#高炉上料系统应用获得成功。1991年,济钢炼钢3#板坯连铸机二冷配水改造工程和中板厂加热炉改造工程中,选用了美国德州仪器(TI)公司生产的TI-545系列PLC系统。

90年代初期,我国将集散控制系统与工业控制局部网络列入国家攻关计划,并取得了一些可喜的成果。我国石化行业/八五0期间新建和技改的石化生产装置大多数采用DCS系统,现已有300多套。同时,开展了计算机集成制造系统试点,近几年部分石化企业已开始实施CIMS。

CIMS在石油行业虽已开始应用,但尚属探索阶段。由于建立大型的控制与管理相接合的管理信息系统所需投资较大,一般企业无法承受,而且我国当前的生产过程与国际先进水平还有一定的差距,这对过程控制系统的发展产生了一定的影响。

我国自动化仪表行业通过引进技术和与外商合作,还合资组装生产了DCS,逐步实现了国产化。如上海的福克斯波罗、西安横河、北京贝利、四川仪表总厂等都有相应的DCS产品。我国独立自主开发的DJK-7500(重庆自动化研究所)、HS-2000(北京和利时自动化公司)、FB-2000(浙江威盛自动化公司)、友力-2000(航空航天部)、DCS-100(清华大学)和L-2000(上海调节器厂)集散控制系统,适合我国国情,有自己的特色,已投入生产和使用。

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