集散系统

集散控制与现场总线课程设计

设计名称：集散控制系统的控制算法应用

班级： 10自动化（1）班

姓名：

学号： 1005073028 指导教师：丁健

摘要

集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS 系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。

关键词：监视操作管理控制

一、集散控制系统简介

1.1 集散控制系统简介

集散控制系统（Total Distributed Control System，DSC）是20世纪70年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机控制系统。它是控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、阴极射线管（CRT）图形显示技术和网络技术相结合的产物。该装置时利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。

1.2 集散控制系统的组成

一个基本的DCS应包括至少一台现场控制站、一台操作员站、一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站）、一条系统网络四大组成部分：

1.2.1现场控制站

现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量I/O或现场I/O。在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O 则被称为现场部分。

1.2.2操作员站

操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图像工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。

1.2.3工程师站

工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。

应用组态是DCS应用过程当中必不可少的一个环节，应为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是什么控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对具体控制应用的可运行系统。

1.2.4 DCS网络

DCS网络包括系统网络、现场总线网络和高层管理网络。系统网络是连接DCS 系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网路的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能。

1.2.5 DCS软件

DCS软件包括现场控制站软件、操作员站软件和工程师站软件。

现场控制站软件的主要功能是完成对现场的直接控制，包括回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。工程师站软件可分为两个大部分，其中一个部分是在线运行的，主要完成对DCS系统本身运行状态的诊断和监视，发现异常时进行报警，同时通过工程师站上的CRT屏幕给出详细的异常信息，如出现异常的位置、事件、性质等。工程师站软件的最主要部分是离线态的组态软件，这是一组软件工具，是为了将一个通用的、对多个应用控制工程有普遍适应能力的系统，变成一个针对某个具体应用控制工程的专门系统。

1.3 集散控制系统的发展

上世纪30年代40年代，工业自动化装置采用的是分散性控制系统。操作员根据生产需求进行计算后，将独立设备的特性调节到适合的程度，然后就开始工作。之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统，实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。

第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开始尝试将计算机用于过程控制。试图利用计算机所具有的功能特点，来克服常规模拟仪表的局限性。

直到上世纪70年代开始，随着计算机技术的日渐成熟，大规模集成电路及

微处理器的诞生后，人们开始思考是否能将“危险分散”。就是原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务，能否用几十台微处理来完成？这样的话，即使某一处理器坏了，也不至于会“牵一发而动全身”，从而使危险系数大大降低。答案是肯定的。至此DCS 就诞生了。

进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS 之中。PLC 是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS 将取代DCS 成为控制系统的主角。

1.4 集散控制系统的特点

DCS 控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点：

1）系统构成灵活

2）操作管理便捷

3）控制功能丰富

4）信息资源共享

5）安装、调试方便

二、集散控制系统的控制算法

2.1 比例控制器（P 调节）

控制器的输出信号u 与偏差e 成正比：U=K P e K P 称为比例增益。从减少偏

差的角度，应该增加K P ，但是K P 还影响系统的稳定性，过大的K P 往往会使得系

统产生激烈的振荡和不稳定。因此在设计中应该合理优化K P ，在满足精度要求下，

选取合适的K P 值。

2.2 积分控制器（I 调节）

在积分控制器中，调节规律是偏差e 经过积分控制器的积分作用得到控制器的输出信号u ： 传递函数为： 积分控制器的显著特点是误差调节，就是说当系统达到平衡后，阶跃信号稳

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