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1、19.1 集散型控制系统概述功能分层体系及基本结构集散控制系统的组态性 第1页/共59页2概述 相关概念集中控制采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。分布式控制将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems，简称集散系统DCS）以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算机控制系统。实际需要管理要集中，控制要
2、分散第2页/共59页3DCS发展新趋势：(1)网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。(2)中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和PLC的发展更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系统。(3)电控、仪表与计算机（Electrical Instrumentation Computer，EIC）“机电一体化”将导致各公司的兼并，EIC集成已是大势所趋。(4)软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦控制、优化控制和智能控制。(5)系统集成化。集散控制系统作为CIMS（计算机集成化制造系统）
3、的基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途径。(6)以因特网（Internet）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通信网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控制网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将得到新的发展。第3页/共59页4功能分层体系及基本结构1.集散控制系统功能分层体系 集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。图9-2 集散控制系统体系结构的各层功能第4页/共59页52.集散控制系统基本结构(1)第一代集散控制系统以1975年由美国霍尼威尔（Honeywell）公司首
4、先推出的集散系统TDC-2000为第一代集散系统的标志。这一代集散系统主要解决当时过程工业控制应用中采用模拟电动仪表难以解决的有关控制问题。图9-3 第一代集散系统结构简图第5页/共59页62.集散控制系统基本结构（续）(2)第二代集散控制系统20世纪80年代，由于微机技术的成熟和局部网络技术的进入，使得集散系统得到飞速发展。第二代集散系统以局部网络为主干来统领全系统工作，系统中各单元都可以看作是网络节点的工作站，局部网络节点又可以挂接桥和网间连接器，并与同网络和异型网络相连。特点是系统功能扩大及增强。图9-4 第二代集散系统结构简图第6页/共59页72.集散控制系统基本结构（续）(3)第三代
5、集散控制系统其结构的主要变化是局部网络采用了MAP或者是与MAP兼容、或者局部网络本身就是实时MAP LAN。MAP是由美国GM（通用汽车公司）负责制定的，它是一种工厂系统公共的通信标准，已逐步成为一种事实上的工业标准。除了局部网络的根本进步之外，第三代集散控制系统的其它单元无论是硬件还是软件，都有很大的变化，但系统的基本组成变化不大，其主要特征为开放系统。图9-5 第三代集散系统结构简图第7页/共59页82.集散控制系统基本结构（续）(4)第四代集散控制系统20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，DCS厂家进一步提升了系统功能范围，将系统开发
6、的方式由原来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。共性：全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应用系统专业化。主要特征为：信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平台开放型与应用的专业化。第8页/共59页9图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构第9页/共59页103.集散控制系统特点(1)分散性和集中性系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。(2)自治性和协调性 各工作站独立自主地完成分配给自己任务
7、，并通过通信网络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。(3)友好性采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。(4)适应性、灵活性和可扩充性 采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的大小配置。第10页/共59页113.集散控制系统特点（续）(5)实时性 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的可用性。(6)可靠性
8、广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。第11页/共59页124.集散控制系统数据通信(1)数据传输的介质 双绞线、光钎、同轴电缆等。(2)数据传输方式基带传输方式频带传输方式(3)数据通信网络的拓扑结构星型、环型和总线/树型等常见几种(4)网络的访问控制方法集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：CSMACD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）令牌环法令牌总线第12页/共59页13集散控制系统的组态性1.集散控制系统的组态类型系统组态完成组成系统的各设备间的连接；画面组态完成操作站的各种画面、画面间
9、的连接；控制组态 完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。第13页/共59页142.集散控制系统的组态软件指一些包括数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一级的软件平台和开发环境，以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，可以非常容易实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统的集成。组态软件的分类：国外专业软件厂商提供的产品，如美国Wonderware公司的INTOUCH、美国Intellution公司的FIX以及西门子公司的WINCC国内自行开发的国产化产品有Synall
10、、组态王、力控、MAGS、Controlx等。第14页/共59页15(1)组态软件需要解决的问题：如何与采集、控制设备间进行数据交换。使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。处理数据报警及系统报警。存储历史数据并支持历史数据的查询。各类报表的生成和打印输出。为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求。最终生成的应用系统运行稳定可靠。具有与第3方程序的接口，方便数据共享。第15页/共59页16(2)许多组态软件具有的突出特性：组态向导（软件助手）组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来进行或修改组态过程。库和模块已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中调
11、出。这样使用户可以开发公司、技术或部门专用的标准，有助于快速建立项目。交叉引用组态可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的组态工具，具有数据的导入/导出功能，可以导入和导出变量、导入和导出消息、导入和导出文本。测试、试运行和维护只需应用仿真器就可对一个组态进行测试。第16页/共59页179.1 集散型控制系统9.2 现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法第17页/共59页189.2 现场总线控制系统概述 现场总线类型典型应用系统构成第18页/共59
12、页19概述1.现场总线概述现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统FCS（fieldbus control system）第19页/共59页202.现场总线控制系统的体系结构FCS的体系结构主要表现在以下5个方面。(1)现场通信网络现场总线将通信一直延伸到生产现场或生产设备。(2)现场设备互连现场设备通过一对传输线（如双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等）互连。(3)控制功能分散输入/输出单元和控制站的部分功能分散给现场智能仪表，从而构成虚拟控制站。(4)通信线供电允许现场仪表直接从通信线上
13、获取能量。(5)开放式互连网络既可以与同层网络互连，又可以与不同层的网络互连，同时还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不同厂商的网络和设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。第20页/共59页213.现场总线技术特点(1)可靠性高、有较强的抗干扰能力(2)具有高度的控制功能分散性(3)现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能。(4)开放性 FCS对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。(5)互操作性和互用性互操作性指互连设备间、系统
14、间信息传送与沟通。互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。第21页/共59页224.现场总线的优点(1)节省硬件数量与投资(2)节省安装费用(3)节省系统维护开销(4)用户具有高度的系统集成主动权(5)提高了系统的准确性与可靠性第22页/共59页23现场总线类型几种较流行的现场总线基金会现场总线 CAN（控制器局域网络）LonWorks（局部操作网络）PROFIBUS（过程现场总线）PROFIBUSFMS（现场信息规范）PROFIBUSPA（Process Field Bus）PROFIBUSDP（Distributed Periphery）HART总线 可寻址远程传感器高速通
15、道的开放协议 第23页/共59页249.1 集散型控制系统9.2 现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法第24页/共59页259.3 以太控制网络系统工业以太网是指用于工业控制系统中的以太网技术，最初是为办公自动化发展起来的，因此这种商用主流的通信技术发展至今已有应用广泛、价格低廉、传输速率高、软硬件资源丰富等技术优势。相比之下，一般的以太网技术除了通信的吞吐量要求较高外，对其他性能没有特殊要求；而工业控制现场由于其环境的特殊性，对工业以太网的实时性、可
16、靠性、网络生存性、安全性等均有很高的要求。控制网络的技术基础以太控制网络系统的组成及其特点以太网用于工业现场的关键技术第25页/共59页26控制网络的技术基础1.控制网络的局域网技术局域网LAN（Local Area Network）的概念产生于20世纪60年代末。IEEE于1980年成立的局域网标准委员会制定了802标准。到20世纪80年代，局域网的产品已经大量涌现，其典型代表就是以太网。图9-26 IEEE 802参考模型第26页/共59页272.交换式控制网络技术(1)交换式控制网络的技术特点（与共享式控制网络相比）具有很高的传输带宽，且利用网络分段，增加每个端口的可用带宽，还可进一步缓
17、解共享式控制网络的拥塞状况。容量大，可支持几十至几百个接入设备，并具有组网方便的优点。一般可以提供无拥塞的服务与多对端口之间的同时通信，且交换设备具有低交换传输延时，一般可以满足实时控制要求。支持虚拟网络服务；可靠性高。(2)网络交换技术的工作方式直通方式存储转发方式第27页/共59页283.分布式控制网络技术图9-30 分布式控制网络结构第28页/共59页294.虚拟局域网(Virtual LAN，VLAN)技术图9-31 虚拟局域网结构示意图第29页/共59页30采用虚拟局域网在工业以太网的开放平台上做逻辑分割的作用：分割功能层VLAN可以有效将管理层与控制层、不同功能单元在逻辑上分割开，
18、使底层控制域的过程控制可以免受管理层的广播数据报的影响，以保证带宽。分割部门通过VLAN划分功能单元，各自的单元子网不受其他网段的影响，可以保证本部门之间的网络的实时性。提高网络的整体安全性不同VLAN之间的通信必须经过第三层路由，可以在核心层交换机配置路由访问列表，控制用户访问权限和数据流向，达到安全目的。简化网络管理如果对某些终端重新进行网段分配，在采用VLAN技术后，只需网络管理人员在网管中心进行VLAN网段的重新分配即可。第30页/共59页31以太控制网络系统的组成及其特点图9-32 以太控制网络系统组成第31页/共59页32以太控制网络系统的特点：(1)以交换式集线器或网络交换机为中
19、心，采用星型结构。系统中包括数据库服务器、文件服务器。以太网络交换机有多种带宽接口，以满足工业PC、PLC、嵌入式控制器、工作站等频繁访问服务器时对网络带宽的要求。(2)监视工作站用于监视控制网络的工作状态。(3)控制设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场总线控制网络、PLC、嵌入式控制系统等。(4)当控制网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的网络，每一个交换式集线器及控制设备构成相对独立的控制子网。若干个控制子网互联组成规模较大的控制网络。(5)以太控制网络的底层协议为IEEE 802.3、基本通信协议采用TCP/IP，高级应用协议为CORBA或DCOM，网络操作系统为Windows、
20、Linux或Unix。(6)实时控制网络软件是集实时控制、数据处理、信息传输、信息共享、网络管理于一体的庞大而复杂的软件工程。第32页/共59页33以太网用于工业现场的关键技术1.实时性通过限制总线上的站点数目、控制网络流量，使总线保持在轻负荷工作条件；通过全双工以太网交换技术可以完全避免CSMACD碰撞，通过半双工以太网交换技术可以极大降低碰撞的可能性，并提高网络带宽的利用率和实时性。2.工业以太网质量服务(QoS)目的是向用户提供端到端的服务质量保证。3.网络生存性 包括：可靠性、可恢复性和可管理性 4.网络安全性 5.总线供电与安全防暴技术 6.可互操作性和远距离传输 第33页/共59页
21、349.1 集散型控制系统9.2 现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法第34页/共59页359.4 控制网络与管理网络集成技术主要是实现信息交换和资源共享。图9-33 控制网络与信息网络的主要集成技术第35页/共59页36网络互联技术网络互联，是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，构成更大的互联网络系统。控制网络与信息网络互联要解决的两个问题：物理互联逻辑互联（即互联软件）网络连接方式：对于同构的控制网络与信息网络，可以通过网桥进行连接；对于异构
22、的控制网络与信息网络，则进行网络互联的两种主要部件为路由器和网关。第36页/共59页37动态数据交换技术动态数据交换（DDE）协议使用共享内存在应用程序之间传输数据，完成应用程序之间的数据交换。图9-34 应用DDE实现控制网络与信息网络集成第37页/共59页38远程通信技术当两个网络在地理上相距较远时，可应用远程通信技术来实现控制网络与信息网络的集成。远程通信技术：1.利用调制解调器的数据通信技术2.基于TCP/IP通信技术 第38页/共59页39数据库访问技术一般的信息网络采用开放式数据库系统，这样可以通过数据库访问技术来方便地实现控制网络与信息网络的集成。常用的访问数据库应用编程接口AP
23、I：ODBC（Open Database Connectivity）API固有连接APIJDBC（Java Database Connectivity）API 第39页/共59页409.1 集散型控制系统9.2 现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法第40页/共59页419.5 网络控制系统及其时间同步网络控制系统定义及存在问题传输延迟的分析网络控制的时钟同步第41页/共59页42网络控制系统定义及存在问题1.网络控制系统的定义通过网络实时交换数据而形成
24、闭环的反馈控制系统。2.将传输网络引入闭环控制系统所带来的问题(1)大大增加系统分析和设计的复杂性。(2)网络传输存在传输延迟且是时变的。(3)网络传输中有数据包丢失等现象发生。第42页/共59页43传输延迟的分析传输延迟又可分为：处理延迟排队延迟传送延迟传播延迟图9-38 交换网络中的数据传输过程第43页/共59页44网络控制的时钟同步1.时钟同步的提出建立公共时钟基的过程就称为时钟同步。2.时钟同步的解决方法硬件同步利用时钟硬件设备（如GPS接收机等）进行局部时钟间的同步，其操作对象往往是计算机内部的或外接的硬件时钟。软件同步指利用软件同步算法进行节点局部时钟的同步。混合同步是硬件和软件相
25、结合的同步方法。主要思路是：在软件同步无法获得满意的同步精度的节点中引入硬件同步，从而提高整个系统的同步精度。第44页/共59页459.1 集散型控制系统9.2 现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法第45页/共59页469.6 闭环网络控制系统分析执行器的工作方式可以分为:时间驱动_执行器在采样时钟的作用下等周期对控制信号采样，然后施加到被控制对象上。事件驱动_控制信号到达执行器后，执行器立刻将控制信号施加到被控对象上。基于事件驱动的稳定性分析基于时间
26、驱动的稳定性分析图9-39 闭环网络控制系统结构图第46页/共59页47基于事件驱动的稳定性分析1.基于事件驱动的被控对象离散模型2.基于事件驱动的网络控制系统的稳定性分析考察每一采样延迟小于一个采样周期的简单系统模型周期为T的采样系统：扩展状态为 针对最简单一阶系统：根据离散系统稳定性要求，有图9-41 积分控制的稳定区域第47页/共59页48基于时间驱动的稳定性分析1.基于时间驱动的被控对象离散模型2.基于时间驱动的网络控制系统的稳定性分析k时刻控制信号的传输延迟 假设：采样周期恒定为T T、实际传输延迟整数化、省略周期T T的书写。被控对象方程 控制器方程 第48页/共59页49其中：系
27、统的稳定性由 决定矩阵集合 第49页/共59页509.1 集散型控制系统9.2 现场总线控制系统 9.3 以太控制网络系统9.4 控制网络与管理网络集成技术9.5 网络控制系统及其时间同步 9.6 闭环网络控制系统分析 9.7 闭环网络控制系统的控制器设计方法第50页/共59页51确定性控制设计方法基本思想：将随机延迟转化为固定延迟，然后针对转化后的固定延迟设计时延网络控制器，也就是将一个不确定性系统转化成一个定常系统。方法步骤：1.对网络控制系统的几点假设：控制器和执行器都采用时间驱动各部分延迟都有确定的上界执行器、被控对象和传感器在同一网络节点上，并统称为被控对象。第51页/共59页52方
28、法步骤（续）2.网络控制系统的被控对象状态方程第52页/共59页533.确定性控制设计方法：(1)实例证明对于具有随机传输延迟的闭环控制系统，若按最大传输延迟来设计控制器，虽然在最大传输延迟情况下系统是稳定的，但实际闭环控制系统却不一定稳定。(2)一类网络控制系统的状态观测器的设计方法是：针对得到最大确定延迟步数系统，建立多步观测器和（或）预测观察器，借鉴原有的理论和方法进行控制器设计。第53页/共59页543.确定性控制设计方法：(3)采用闭环网络控制系统的扩展回路传输恢复（LTR）综合方法，并将标准的LTR技术从一步预测推广到多步预测的情况，在设计过程中可以兼顾到闭环系统的性能和鲁棒稳定性
29、。(4)针对网络控制系统中普遍存在的通信延迟问题，在有动态噪声及测量噪声存在的情况下，采用适当的延迟补偿器结构，以实现对随机通信延迟的补偿和对信号的最小方差预测。第54页/共59页554.确定性控制设计方法的优点确定性控制设计方法将随机系统转化为定常系统，因此具有非常明显的优点：可以利用已有的确定性系统的设计和分析方法对闭环网络控制系统进行设计和分析，不受网络诸多因素变化的影响。因此在传输延迟相对固定或时延特性难以获取或变化较快的情况下使用确定性控制设计方法，可以得到良好的控制效果。第55页/共59页565.确定性控制设计方法的缺陷(1)在确定性控制系统设计方法中，控制器、执行器采用的都是时间
30、驱动的工作方式，导致新的信息得不到及时利用，不利于系统控制性能的进一步提高。(2)将每一步的传输延迟都转化为最大的传输延迟，相当于人为地将延迟扩大化，降低了系统应有的控制性能。第56页/共59页57存在问题(1)针对通信中存在的时间延迟、数据包丢失、甚至数据链暂时丢失等情况，所对应的延迟补偿技术和信息预测技术；(2)在已有的分析与设计方法中，都假设被控对象都是模型精确可知，没有考虑建模的不确定性。因此，在建模存在不确定性的情况下如何设计闭环网络控制系统，仍需要进一步深入研究。(3)对随机控制方案的研究，缺乏关于控制器设计的解析方法，控制器的鲁棒性问题尚未得到有效解决。(4)当被控对象为非线性对象时，如何进行闭环网络控制系统的分析和网络控制器设计。(5)如何对整个控制网络进行优化设计。第57页/共59页58第第9 9章章 内容结束！内容结束！第58页/共59页59感谢您的观看。第59页/共59页