DCS自动控制系统

四 应用
▪ 基于DCS 系统的热水锅炉模糊PID 控制系统
基于DCS 系统的热水锅炉模糊PID 控制系统
▪ 在某热力公司46MW热水锅炉的燃烧控制改造 工作中, 在原有DCS 系统中采用了复合模糊PID 控制器进行锅炉出水温度的控制, 解决了外界 气温变化与锅炉燃烧实时调节的矛盾, 并在工 程中实际应用, 取得了较好的控制效果。
什么是 DCS自动化控制系统？
DCS，即所谓的分布式控制系统，或 在有些资料中称之为集散系统，是相对于 集中式控制系统而言的一种新型计算机控 制系统，它是在集中式控制系统的基础上 发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS 和集中式控制系统的区别不大，但在系统 功能的实现方法上却完全不同。
不同：
▪ 首先，DCS的骨架——系统网络，它是DCS的基 础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、 可靠性和扩充性，起着决定性的作用，它必须 满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完 成信息的传送。
if A then B 2 (A-B) V (A’- C)的结构
这种推理较之前一种复杂。这种蕴含关系在用语 言表达时叙述为“若A则B，否则C", 即有:
if A then B else C 3. ( A∩B--C)结构
这种推理的前件有两个零件，这种蕴含关系在语 言表达时叙述为:“若A且B，则C ", 即有:
if A and B else C
模糊控制规则的生成
模糊控制规则是对系统控制经验总结，这些 经验用模糊条件语句来表述。模糊控制规 则的生成有四种方法，如下: ▪ (1 )模拟专家经验或过程控制知识生成控制 规则。 ▪ (2 )根据过程的模糊模型生成控制规则。 ▪ (3) 根据对手工控制操作的观察和测量生成 控制规则。 ▪ (4) 根据学习算法生成控制规则。
其次，这是一种完全对现场I/O（输入和输出通道） 处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。 可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效， 提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集 和控制功能，有利于提高整个系统的性能。
DCS存在的前提：
▪ 系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行 离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控 制、维护的网络节点，其主要功能是提供对 DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态 软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS 网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可 以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统 参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态 之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都 要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态 功能的系统就不能称其为DCS。
2、从模拟电动仪表的操作习惯出发，开发人—机 间良好的操作界面，用于操作人员的监视操作。
3、为了使操作站与过程控制装置之间建立数据的 联系，建立数据的通信系统，使数据能在操作人员 和生产过程间相互传递。
集散控制系统的基本结构
▪ 1、分散过程控制装置
▪ 2、操作管理装置
▪ 3、通信系统
基本思想是
分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、 组态方便。
DCS的特点
▪ 1、分级阶梯结构 ▪ 2、分散控制 ▪ 3、自治和协调性
DCS功能设计
▪ 1、现场的数据采集功能 ▪ 2、监视报警功能 ▪ 3、日志管理服务器功能 ▪ 4、事故追忆功能 ▪ 5、时间顺序记录功能（SOE） ▪ 6、二次高级计算功能 ▪ 7、DCS的人机界面
DCS功能设计
▪ ·硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方 便、工艺先进。底层汉化的软件平台具备强大的处理功 能，并提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主 开发专用高级控制算法的支持能力；易于组态，易于使 用。支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。
▪ 输入量模糊化 ▪ 建立模糊规则 ▪ 进行模糊推理 ▪ 输出量反模糊
模糊控制的特点
▪ 适用于不易获得精确数学模型的被 控对象
▪ 是一种语言变量控制器 ▪ 从属于智能控制的范畴。该系统尤
其适于非线性，时变，滞后系统的 控制 ▪ 抗干扰能力强，响应速度快，并对 系统参数的变化有较强的鲁棒性
模糊控制规则及控制算法
▪ ·标准的Client/Server结构。有的DCS的操作层采用 Client/Server结构
▪ ·开放并且可靠的操作系统。系统的操作层采用 WINDOWS NT操作系统；控制站采用成熟的嵌入式实 时多任务操作系统QNS以确保控制系统的实时性、安 全性和可靠性。
▪ ·标准的控制组态软件。系统采用IEC61131－3标准的控 制组态工具，可以实现任何监测、控制要求。
为什么采用模糊控制？
▪ 传统的自动控制控制器的综合设计都要建 立在被控对象准确的数学模型(即传递函数 模型或状态空间模型)的基础上，但是在实 际中，很多系统的影响因素很多，，很难 找出精确的数学模型。这种情况下，模糊 控制的诞生就显得意义重大。因为模糊控 制不用建立数学模型不需要预先知道过程 精确的数学模型。
工作原理
▪ 把由各种传感器测出的精确量转换成为适 于模糊运算的模糊量,然后将这些量在模糊 控制器中加以运算, 最后再将运算结果中的 模糊量转换为精确量, 以便对各执行器进行 具体的操作控制。
▪ 在模糊控制中, 存在着一个模糊量和精确量 之间相互转化的问题
模糊控制原理图
x1
X1
S
模糊
控制 U
x2 量化 X2 规则
散控制系统)是随着现代大型工业生产自动化的不
断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综
合控制系统。
▪ 即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中
称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言 的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制 系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过 程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带 的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示 和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中 操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
▪ ·“域”的概念。把大型控制系统用高速实时冗余网络分 成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，各 域共享管理和操作数据，而每个域内又是一个功能完整 的DCS系统，以便更好的满足用户的使用。
DCS功能设计
▪ ·网络结构可靠性、开放性及先进性。在系统操作层， 采用冗余的100Mbps以太网；在控制层，采用冗余的 100Mbps工业以太网，保证系统的可靠性；在现场信 号处理层，12Mbps的PROFIBUS总线连接中央控制单 元和各现场信号处理模块。
▪ 这种 语 言 的控制经验很容易用“if- --then”这 种条件语句夹表示。
结论：
实行模糊控制要进行三个方面的工作: ▪ 精确量的模糊化,把语言变量的语言值化为
某适当论域上的模糊子集; ▪ 模糊控制算法和设计,通过一组模糊条件语
句构成模糊控制规则,并计算模糊控制规则 决定的模糊关系; ▪ 输出信息的模糊判决,并完成由模糊量到精 确量的转化
作为生产过程自动化领域的计算机控制 系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。 而现在不仅包括过去DCS中所包含的各种内 容，还向下深入到了现场的每台测量设备、 执行机构，向上发展到了生产管理，企业经 营的方方面面。
DCS——集散控制系统的工作原理
▪
DCS控制系统(DIstributed Control System，分
锅炉出水温度控制的方法和要求
▪ 根据锅炉运行的控制要求, 在原有DCS 系统SUPMAX500 集散控制系统中实现锅炉燃烧的智能控制, 在炉排 转速控制中结合模糊控制与PID 控制的优点, 采用模糊 PID 算法实现锅炉出水温度的控制。
设计思路
根据锅炉运行的控制要求, 在原有DCS 系统 SUPMAX- 500集散控制系统中进行改造, 将 原来的PID 控制改进为模糊PID 复合控制, 采用模糊PID 切换控制策略, 在误差大于最 大误差量程的7%时, 采用模糊控制算法, 误 差小于7%时, 采用PID 控制算法。这样既克 服了传统PID 控制响应慢的缺点, 又克服了 模糊控制不精确的缺点, 使系统稳定可靠, 提高了系统的整体性能。
▪ ·系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊 断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障， 均不会影响整个系统的工作。
▪ ·C上系R真T统上正的显分参示散数和，、在D报C打S警印·整、机个自上C(C系诊Ra打T统t断h是印o的及一d，e可其种控R利他a使制y用管T用系u率理b阴统e至功）极在少能的射功为高显线能9度示管9和.集9物%中；理在 系统平均无故障时间为器10万小时，实现了核电、火电、 热电、石化、化工、冶金、建材诸多领域的完整监控。
原有集中供热自控系统存在的问题
▪ 此集中供热中心始建于1997 年, 有5 台设计总容量为 275T/H 的热水锅炉, 其中3 台65T/H, 2 台40T/H, 新增1 台 90T/H。控制系统以出水温度信号为被调量, 通过单台热 水锅炉的燃烧控制系统的炉排给煤控制、送风控制和负 压控制系统, 以及补水定压控制系统, 达到出水温度的控 制。使用至今, 已不能满足供热的要求, 特别是温度控制 系统温控精度低, 消耗煤炭量大。
▪ 模糊控制规则是人们用于描述其控制 经验的语句，这种语句采用形式逻辑 所采用的传统格式，但是在这些条件 语句中，前件和后件都是模糊词。所 以，这些条件语句就成了模糊条件语 句。从而也较恰当地反映了人们的控 制经验。用于 叙 述 人们经验的基本语 句结构有三种形式;它们分别反映了三 种基本的推理。
1. (A--B)结构 这种推理是一种最简单的蕴含关系，在语言表达 时表示为“若A则B"，即有:
集散控制系统及应用
▪ 一、集散控制系统的基本概念 ▪ 二、集散控制系统的基本结构 ▪ 三、DCS的基本组成部分 ▪ 四、DCS的特点 ▪ 五、DCS功能设计
集散控制系统的基本概念
集散控制系统是以微处理为基础的集中分散控制 系统，它的主要特征是集中管理和分散控制。 基本思路：（霍尼韦尔公司）
1、把集中的计算机控制系统分解为分散的控制系 统，有Βιβλιοθήκη Baidu门的过程分散控制装置，在过程控制级各 自完成过程中的部分控制和操作。
▪ ·可扩展性和可裁剪性，保证经济性。
模糊PID
一 模糊控制概论 二 经典PID控制 三 模糊PID控制 四 应用--基于DCS 系统的热水锅炉模
糊PID 控制系统
一、模糊控制概论
▪ 什么叫模糊控制？ 所谓模糊控制，就是对难以用已有规律描 述的复杂系统，采用自然语言（如大、中、 小）加以叙述，借助定性的、不精确的及 模糊的条件语句来表达，模糊控制是一种 基于语言的一种智能控制
电脑控制 电脑在线监控
DCS的发展历程
▪ DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多 年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然 在系统的体系结构上没有发生重大改变，但 是经过不断的发展和完善，其功能和性能都 得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向 着更加开放，更加标准化，更加产品化的方 向发展。
模糊 u 对象 y
判决
x1
X1
S
模糊
x2 量化 X2
控制 U
规则
模糊 u
判决
对象 y
s:系统的设定值。
x1, x2:模糊控制的输入(精确量)。
X1 , X2:模糊量化处理后的模糊量。 U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的 模糊控制量。 u:经模糊判决后得到的控制量(精确量)。 y:对象的输出。
工作步骤：
DCS的基本组成部分
▪ 1、面向被控制现场的现场I/O控制站。 ▪ 2、面向操作人员的操作员站。 ▪ 3、面向DCS监督管理的工程师站。
▪ DCS操作员站主要功能是为系统的运行 操作提供人机界面，使操作员可以通过操 作员站及时了解现场运行状态、各种运行 参数、是否有异常情况发生。
DCS操作员站
系统具备开放的体系结构，可以提供 多层开放数据接口。
▪ 因为这种方法较为简单，应用较广，行之有效 专家经验是以语言描述一个控制过程的。例如 对于一个空调制冷控制系统，专家经验可表示 为下列模糊规则:
▪ 如果 温 度 过高，则马达置于快速档上;
▪ 如 果温 度 较高，则马达置于较快速档上:
▪ 如果 温 度 恰当，则马达置于中速档上;
▪ 如 果 温 度 凉 ，则马达置于低速档上。