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1、自动控制理论和DCS发展历程,Yokogawa Training Centre,Beijing,Page.2,目录,1.自动控制基本理论2 DCS发展历程,1.自动控制基本理论,Page 3,Confidential,重点1.自动控制和自动控制系统的含义；2.反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点；3.控制系统的组成和分类和特点。,自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的、具有一定功能的整体。,一、
2、自动控制系统的概念,1.1控制系统的基本原理,反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。,例 水温自动控制系统,系统中增加了：,控制器,电机,加入给定信号,工作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.,Page.8,要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示:,自动控制系统概念：,1.结构上必须有反馈装
3、置并按负反馈的原则构成系统。2.由偏差产生控制作用。控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。,自动控制系统的特征：,是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体。,自动控制系统的基本控制方式,1.开环控制 2.闭环控制 3.复合控制,开环控制,结论：开环控制优点结构简单，缺点无抗干扰能力,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。,开环控制系统的特点：,结构简单、造价低
4、。系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。,应用场合：,控制量的变化规律可以预知。可能出现的干扰可以抑制。被控量很难测量。,应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。,闭环控制,控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。,Page.14,例 转速负反馈直流电动机调速系统,直流电机,测速发电机,电源和放 大装置,负载,系统组成：,Un,Uf,给定电压,反馈电压,转速取决于给定电压与反馈电压的差值。,Page.15,调速系统结构图,由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所
5、引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。,减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。,闭环控制系统的特点：,系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。,注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。,Page.19,复合控制
6、,按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制。,前馈补偿控制,复合控制具有两种基本形式.,复合控制：,反馈控制,+,Page.20,(a)按输入前馈补偿的复合控制,Page.21,(b)按扰动前馈补偿的复合控制,反馈控制系统的基本组成,控制系统,被控对象,控制装置,测量元件 比较元件 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,控制系统的组成,测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件用来比较输人信号与反馈信号。放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性
7、能。,执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量。,常用的名词术语,输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件)输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简
8、称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。,Page.27,1.2 自动控制系统的分类,按给定信号的形式 恒值系统/程序系统/随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性系统/非线性系统按系统参数是否随时间变化 定常系统/时变系统按信号传递的形式 连续系统/离散系统按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统,Page.28,一、按输入信号形式,1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克
9、服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。,Page.29,2、过程控制系统（或称程序控制系统）这类系统的特点是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。,Page.30,3、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如雷达天线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星
10、的雷达天线控制系统(如图所示)等均属于随动控制系统。,Page.31,二、按系统是否满足叠加原理,(1)线性系统 当系统的运动规律用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则这类系统称为线性系 统。线性系统有两个重要特性：叠加性和齐次性。（a）叠加性两个不同的外作用同时作用于系统所产生的总响应，等于两个外作用单独作用时分别产生的响应之和。（b）齐次性表明，当外作用的数值增大若干倍时，其响应也相应增大同样的倍数。,Page.32,(2)非线性系统 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。如图:,P
11、age.33,（1）定常系统 如果系统中参数不随时间变化，则这类系统称为定常系统。在实践中遇到的系统，大多数属于这一类。（2）时变系统 如果系统中的参数是时间t的函数，则这类系统称为时变系统。,三、按系统参数是否随时间变化,Page.34,如果一个线性系统微分方程的系数为常数，那么系统称为线性定常系统。例如：,如果一个线性系统微分方程的系数为时间的函数，那么系统称为线性时变系统。例如:,Page.35,连续系统和离散系统 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。即系统中各元件的输入量和输出量均为时间的连续函数。连续系统的运动规律可以用微分方程来描述。系统内某处或数处信号是以脉
12、冲序列或数码形式传递的系统则称为离散系统，如下图所示，其运动方程只能用差分方程描述。,四、按信号传递的形式,Page.36,1.3对控制系统性能的要求,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,Page.37,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,稳定性：,如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,稳定系统的动态过程,1,r(t),c(t),不稳定系统的动态过程,(a)给定信号作用,c(t),(b)扰动信号作用,r(t),c(t),d(t
13、),不稳定的系统是无法正常工作的。,Page.38,通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,二、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,Page.39,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,三、准确性,r(t),c(t),ess,Page.40,稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。,1.4 典型外界干扰作用,P
14、age.41,（1）阶跃信号 阶跃信号的表达式为：(1-1)当A=1时，则称为单位阶跃信号，常用1(t)表示，如图1-11所示。,Page.42,（2）斜坡信号 斜坡信号在t=0时为零，并随时间线性增加，所以也叫等速度信号。它等于阶跃信号对时间的积分，而它对时间的导数就是阶跃信号。斜坡信号的表达式为：,Page.43,（3）抛物线信号 抛物线信号也叫等加速度信号，它可以通过对斜坡信号的积分而得。抛物线信号的表达式为：（3.3）当A=1时，则称为单位抛物线信号，如图3-3所示,Page.44,（4）脉冲信号 单位脉冲信号的表达式为：(1-3)其图形如图1-13所示。是一宽度为e，高度为1e 的矩
15、形脉冲，当e 趋于零时就得理想的单位脉冲信号(亦称d(t)函数)。(3.5),Page.45,（5）正弦信号 正弦信号的表达式为:（1-4）其中A为幅值，w=2p/T为角频率。,暂态过程特点:下图中,(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。,2.DCS发展历程和发展趋势,Page 47,Confidential,2.1 DCS发展历程,第一代DCS（初创期）第一代DCS是指从其诞生的19751980年间所出现的第一批系统，因为这是有史以来第一批DCS，因此控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的DCS的包括Yokogawa（横河）公司的CENTUM
16、系统、Honeywell公司的TDC-2000系统、Foxboro公司的Spectrum系统、Bailey公司的Network 90系统、Kent公司的P4000系统、Siemens公司的Teleperm M系统、东芝公司的TOSDIC系统等。特点：注重控制功能的实现，分散控制，集中监视；缺点：人机界面功能弱、通讯能力差、互换性差、成本高；组成：过程控制单元、数据采集单元、CRT操作站、上位管理计算机以及连接各个单元和计算机的高速数据通道,Page 48,Confidential,第二代DCS（成熟期）第二代DCS是在1980到1985年前后推出的各种系统，其中包括Yokogawa（横河）公司
17、的CENTUM V系统Honeywell公司的TDC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300、Westinghouse公司的WDPF等系统。特点：引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站、网关（Gate Way，用于兼容早期产品）第三代DCS（扩展期）第三代DCS采用了ISO标准MAP（制造自动化规约）网络。这一时期的系统包括Yokogawa公司的Centum-XL和XL，Foxboro I/A Series外，还有Honeywell公司的TDC3000UCN、Bailey 公司的INFI-90、Westin
18、ghouse公司的WDPF II、Leeds&Northrup公司的MAX1000、日立公司的HIACS系列等。第四代DCS（数字化、信息化和集成化）DCS 更加开放，支持各种智能总线仪表（FF，Hart),同时通过网络速度的扩展，提高系统规模化，代表为横河的CENTUM CS和CENTUM CS3000，Honeywell公司的，Westinghouse公司的Oviation等；第五代DCS（一体化、智能化）采用1G高速网络，实现控制系统的一体化、智能化，从而真正实现数字化工厂。代表产品为横河的CS3000R3和最新版的CENTUM VP，Honeywell公司的 PKS，以及EMERSON
19、的DELTA V系列。,Page 49,Confidential,Proprietary info goes here,CFFS,HF-Bus,CFCS,COPS,F-Bus,250 KBPSDual RedundantToken Pass,CENTUM,CFCD,1MBPSDual RedundantToken Pass,CENTUM-XL,EOPS,CFCS,EFCD,ENGS,PFCS,KFCS,LFCS,COPS2,CENTUM V,CFCS2,COPSV,CFCD2,ABC,CENTUM CS,ICS,EWS,PICS,V net,10 MBPSDual RedundantToken
20、 Pass,HIS,CENTUM CS 3000,AVR,FFCS,HIS,CENTUM CS 3000 R3,HIS,CENTUM VP,Vnet/IP,2008,1975,1983,1988,1998,2001,2005,1993,FFCS,1Gbps Dual Redundant,独特的”Pair&Spare”容错技术7个 9的(99.9999959)可靠性丰富的上位应用软件,横河Centum家族的发展,集成各种总线接口的一体化平台全球范围内20,000个用户,横河 DCS:Centum CS3000,类型,根据对控制功能及安全性的要求,现场控制站(field control stati
21、on)可分为双重化控制站(duplex control station),高分散控制站(advanced control station),以及只具有巡迥检测而无控制功能的现场监视站(monitoring station)等几种类型.,DCS 系统硬件,DCS 系统硬件,A.连续控制,控制流程,2.2 DCS控制系统的发展趋势,1、随着微型计算机技术及超大规模集成电路技术和通信网络技术的发展，为计算机用于工业生产过程创造了良好的条件，工业控制逐步地从模拟控制、单机的监控、直接数字控制（DDC）、集散型控制系统（DCS）发展到现场总线控制系统（FCS）和计算机集成制造系统（CIMS）。,2、DC
22、S、PLC和工业控制计算机正在相互渗透发展，扩大各自的应用领域。一般流程工业的控制一般选用集散型控制系统（DCS），离散型制造业的控制采用可统程序控制器（PLC）更为合适，随着DCS和PLC相互渗透发展继而扩大自己的应用领域，将出现DCS和PLC融合于一体的集成过程控制系统。,3、现代通信与网络技术在现代控制领域广泛渗透对计算机控制网络提出了新的技术要求。主要体现在，系统的开放性与数字式互连网络性，实现系统的全分散智能控制；现场设备的智能化与功能自治性；互操作与互用性；对现场环境的适应性；很高的实时性与良好的时间确定性；很强的容错能力与高可靠性、高安全性；高度的集成性（包括系统的集成与技术的集
23、成）。,工业控制网络采用Ethernet技术，将成为工厂底层控制网络的信息传输主干，用以连接系统监控设备和现场智能设备，最为典型的是 Ethernet+TCP/IP的传感器、变送器可以直接成为网络的节点。另外仪器仪表向智能化方向发展，将产生智能仪器仪表，仪器仪表网络化，将产生网络仪器与远程测控系统。,这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制
24、网络的通信性能。,4、计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。,5、工业控制软件正向先进控制方向发展，工业控制软件主要包括人机界面软件、控制软件以及生产管理软件等。目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件。作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。,发展趋势,Page 61,Confidential,Page 61,VigilantPlant&SE launch,AE
25、 launch,SE/AE evolutionPE/LE launch,CENTUM VP launch,2005,2006,2007,2009,2008,安全性 Excellence,Asset mgt,Production mgt,Safty mgt,Asset Excellence,Production Excellence,DCS优化,Safty Excellence,2011,2012,AE launchWireless productLE evolutionVigilantPlant Services,2014,Lifecycle Excellence,PE evolutionLE
26、 evolution,2010,大型化、一体化 用于工业的强化功能 高精度,增强的数据存储以APC为核心的生产优化,全数字化、现场仪表 产品线延伸 维护/通讯革新,SIL2,FF-SIS,PST 强化风险评估 预诊断,LE:VPS(持续性)强化用于操作改善的VPS 强化能源节约方案,2013,2015,Page 62,Confidential,Page.62,横河产品应用,横河 MAS,油品移动系统系统,横河ExaQuantum/SAP,操作数据管理系统,横河 PRM,资产管理系统,横河 Blending,油品调和系统,横河OmegaLand,操作仿真培训系统,Exapilot,操作导航系统、
27、PID整定,Yokogawa Centum CS3000,DCS 系统,中石油广西石化项目 2011年自控率和平稳率都超过95%,DCS 集成防毒系统GC 在线色谱系统,Page 63,Confidential,Page.63,横河在此项目上的供货范围,横河 MAS,终端自动化系统,横河ExaQuantum/SAP,操作数据管理系统,横河 PRM,资产管理系统,横河 Exaquantum,过程信息系统、MES,横河横河 FieldEye横河-16,000台(通过 EPC 供应商供货),操作仿真培训系统CCTV现场仪表,先进控制系统 横河壳牌 SMOC、RQE,Exapilot,操作导航系统、PID整定报警管理系统,Yokogawa Centum CS300041,000 硬接线 I/O 点(15,000 FF智能表)200,000 软点100 操作站103 DCS 系统柜AAM,DCS 系统,中海油-壳牌石化联合工厂项目 2011年自控率和平稳率都超过98%,
