上海工程技术大学分布式控制技术与应用复习重点总结

第一章

1.从历史沿革来谈为什么采用DCS?

由常规模拟仪表组成的控制系统在工业过程控制中曾长期占据统治地位，但随着生产规模和复杂程度的不断增加，其局限性越来越明显。而最初的计算机控制（直接计算机控制DDC)系统虽然克服了常规模拟仪表的局限性，但由于一台计算机控制着几十甚至几百个回路，同时对几百、上千个变量进行监视、操纵、报警，危险高度集中。

分布式控制系统（DCS）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和制造过程的日益复杂应运而生的综合控制系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。它采用分散递阶结构，体现了集中管理、分散控制的思想，实现了系统的功能分散、危险分散，具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点。它既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术。

2. 分布式控制的组成，每部分的功能

DCS主要包括：控制站（完成过系统的运算处理控制，是DCS的核心部分，系统主要的控制由他完成）、操作站（完成人机界面功能、供操作员操作监视）、工程师站（对DCS 进行应用组态和编程用于离线组态、在线修改和操作系统开发）、通讯系统（包括系统网络和现场总线）、高层管理网络。

3. 分布式控制的主要特点：集中管理、分散控制。

4. 分布式控制的体系结构

现场仪表和执行机构层、装置控制层、工厂监控与管理层、企业经营管理层

5.为什么采用递阶控制结构

1）网络结构，将各个子系统通过总线连接起来

2）分层结构，由工程师站、操作站、控制站和操作系统组成

3）主从结构，集中操作、分散控制

6. OSI模型

共7层，自上而下：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。原则：①每一层都必须有一个完整的功能，②每层的通信协议都应该以国际标准化的眼光来看，③所选的层边界应尽量将通过接口的信息流减至最低，④层次的数目不要多的使结构大而不当、也不要少的让不同功能合并在同一阶层中。

7、开放系统的基本特征

可移植性、可操作性、可适宜性、可得到性。

第二章

1.数字/模拟PID结构图

数字PID闭环系统结构图：

2. 比例调节的功能/缺陷

优点：反应快 缺点：不能完全消除静差。 3. 积分器/微分器的作用

积分器：积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分器的输出还在增加，直至使误差e=0。积分器的加入相当于能自动调节控制常量u0，消除静差，使系统趋于稳定。微分器：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性。 4. 数字PID 调节器的优点/原理图

优点：①技术成熟，结构灵活，不仅可以用常规的PID 调节，还可以根据系统的要求，采用各种PID 的变种，如PI 、PD 控制、不完全微分控制、积分分离式PID 控制、带死区的PID 控制、变速积分PID 控制、比例PID 控制等；②易被人们熟悉和掌握；③不需要求出数学模型；④控制效果好。原理：根据输入的偏差信号，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果用于输出控制。 5. 位置式/增量式的PID 控制算法

位置式算法：

k 6. 为什么采用增量式的PID 控制算法

位置算法易产生积分饱和现象，同时难以手/自动切换。

增量算法和速度算法可消除积分饱和现象，易实现手/自动切换。

()d k t S j o

j e t t T e

=≈∑⎰1d ()d k k S e e e t t T --≈100

[()]k S D

k P k j k k j I S

T T u K e e e e u T T

-==++-+∑

100

[()]k

s

D k P k j

k k j I

s T T u K e e e e u T T -==+

+-+∑111120

0[()]k s D k P k j k k j I s

T T

u K e e e e u T T -----==++-+∑[]1112[(2)]

()()()2(1)(2)s D k k k P k k k k k k I s

p I D T T

u u u K e e e e e e T T K e k K e k K e k e k e k ----∆=-=-++-+=∆++--+-

7. 积分饱和是如何产生的

如果由于负载突变等原因，引起误差的阶跃，若根据PID算法公式计算出的控制量u 超出了控制范围，例如，u>umax，那么实际上控制变量u就只能取上界值umax，而不是计算值，此时系统变量Y输出值虽在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有受限制时慢，误差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而使公式中的积分项有较大的累积值，当过程变量输出值Y超出给定值后，开始出现负差，但由于积分项的累积值很大，还要经过一段时间t后，控制变量u才脱离饱和区，这样就使系统出现明显的超调，这种饱和作用是由积分项引起的，故称为积分饱和。

8. 积分分离的方法

①一种办法是只在U I与U P同方向时，才把积分引入；而在U I与U P反方向时，把U I 切除，这在计算机上是很容易办到的。

②是只在小于某一界限（例如|e|<ε为某一常数）时，即被控变量相当接近设定值时，才把UI引入，而在其余情况下（|e|>ε），把UI切除

9. 带有逻辑运算规律的选择性控制系统--锅炉蒸汽系统图

10. 前馈控制

所谓前馈控制，实质上是一种按扰动进行调节的开环控制系统。特点：当扰动产生后，被控变量还未显示出变化以前，根据扰动作用大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。

11.分布式控制系统如何实现前馈控制与反馈控制相结合控制模式？

前馈控制实质是一种按扰动进行调节的开环控制系统，其作用是使被控制变量不受主要扰动作用而产生偏差，其特点是当扰动产生后，被控制变量还未显示出变化以前，根据扰动大小进行调节，以补偿扰动对被控对象的影响。而反馈控制是误差控制，其作用是克服其余扰动以及前馈补偿不完全的部分。要实现完全补偿并非易事，因为要得到工业过程的精确数学模型是十分困难的；同时扰动也不是特定的一种。为保证系统有更大的适应性，工业过程的许多场合把前馈控制和反馈控制结合起来，实现前馈控制与反馈控制相结合的控制模式。

反馈、前馈取长补短，形成前馈—反馈控制方案（FFC—FBC）

对主要干扰进行前馈控制——校正及时

对其它干扰进行反馈控制——反馈校正，多干扰控制