过程控制系统及其策略

 

摘要:根据过程控制系统在理论和工业实践上发提出了各种过程控制系统的基本概念、主要特点、系统类出了过程控制系统的发展方向和应用前景
1 前言
    过程控制系统一般是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分等变量的系统"据统计在产值和利润排名前20名中70%~80%属于过程工业(如石化、电力、冶金、造纸、化工、医药、食品等工业)。可见,过程工业对国民经济的重要性和意义。过程自动控制就是利用控制仪表、计算机、通信网络等技术工具,自动获取各种过程变量的信息,并对影响过程状况的变量进行自动调节和操作,以达到控制要求等目的"由于被控过程的多样性,而且多半属多变量,非线性变量分布参数和时变参数,因此过程控制中应用的控制方案的种类和内容十分丰富"过程控制系统的发展随着工业生产要求的提高和生产技术的进步经历了很长一段发展过程,大致可分为几个方面。

2 仪表化与局部自动化系统
    这一阶段的主要特点是:采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表,而且多数是气动式仪表,其结构方案大多数是单输

入-单输出的单回路定值系统"过程控制的主要工艺参数是温度、压力、流量、液位等热工参数的定值控制"控制的主要目的是保持工业生产的连续性和稳定性,减少扰动"单元组合式仪表以采样模拟技术和经典控制理论,实现了对生产过程的集中控制"以单回路PID(比例!积分!微分)策略为主,同时针对不同的对象与要求,创造了一些专门的控制系统:如按物件按比例配置的比值控制,克服大滞后的Smit预估器,克服干扰的前馈控制和串级控制等。仪表化与局部自动化系统运行设计分析的理论基础是以频域法和根轨迹法为主体的经典控制理论,它在控制性能上一般只能实现简单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制,主要任务是稳定系统,实现定值控制"无法实现如自适应控制,最优化控制等复杂的控制形式。

3 计算机集中式数字控制系统
由于生产过程的强化,控制对象的复杂和多样即高维、大时滞、严重非线性、耦合及严重不确定性对象,上述简单的控制系统已经无能为力"随着计算机技术的发展,人们试图用计算机控制系统,替代全部模拟控制仪表,即模拟技术由数字技术来替代计算机集中式数字控制系统主要经历了2个阶段:

(1)直接数字控制系统DDC(Direct Digital Con2trol)
    DDC系统是用1台计算机配以模数、数模转换器等输入输出设备,从生产中获得信息,按照预先规定的控制算法算出控制量,并通过输出通道,直接作用在执行机构上,实现对生产过程的闭环控制DDC系统不仅可以对一个回路进行控制,而且通过采样,可以实现对多个回路的控制。在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程,它不仅能完全取代模拟调节器,实现多回路的PID调节,而且不需改变硬件,只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律,如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。

(2)计算机集中监督控制系统SCC(Supervisor Computer Control System)
    在DDC系统中,其给定值是预先设定的,并存入微机内存中,它不能随生产负荷,操作条件和工艺信息变化而及时修正"因此,不能使生产处于最优工况"SCC系统是将操作指导和DDC综合起来的一种较高形式的控制系统"在SCC系统中计算机对生产过程中的参数进行巡检,按照所设计的控制算法进行计算,计算出最佳设定值直接传递给DD计算机,进而由DDC计算机控制生产过程"它实现了分级控制"SCC系统改进了DDC系统在实时控制时采用周期不能太长的缺点,能完成较为复杂的计算,可实时实现最优化控制"计算机集中式数字控制系统所采用的主要理论基础是现代控制理论"各种改进或复合PID算法大大提高了传统PID控制的性能与效果。对多输入-多输出的多变量控制理论,克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制,消除因模型失配而产生不良影响的预测控制,保证系统稳定的鲁棒控制等"新理论与策略的应用为计算机集中控制奠定了坚定的理论基础。

4 集散式控制系统DCS(Distributed Control System)
    集中式计算机控制系统在将控制集中的同时,也将危险集中,因此可靠性不高,抗干扰能力较差,随着现代工业生产的迅速发展,不仅要求完成生产过程的在线控制任务,而且还要求实现现代化集中式管理"DCS系统采用承担分散控制任务的/现场控制站0和具备操作、监视、纪录功能的/操作监视站0二级组成"它的主导思想是将复杂的对象化分为几个子对象,然后用局部控制器(现场控制站)作为一级,直接作用于被控对象,即所谓水平分散"第2

级是操纵各现场控制站的协调控制器(操作监视站),它使各子系统协调配合,共同完成系统的总任务"DCS既有计算机控制系统控制算式先进,精度高、响应速度快的优点,又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的特点"集散式控制系统的数据通信网络是连接分级递阶结构的纽带,是典型的局域网"它传递的信息以引起物质!能量的运动为最终目的"因而,它强调的是可靠性、安全性、实时性和广泛的实用性"对于那些工艺复杂,建模困难的过程控制对象,传统控制理论难以解决"而对于知识、仿人脑推理、学习、记忆能力的智能控制系统,可不需要建立对象模型,而通过获取有关信息,模仿人智能直接进行决策与控制。此外,还可利用智能技术的特征提取,模式分类和聚类分析,建立较精确的对象模型,再用传统的控制方法实施控制"智能控制方法有以下几种:分级递阶智能控制、专家控制、人工神经网络控制、拟人智能控制理论等。

5 现场总线控制系统FCS(Field Control System)
    集散系统大多采用网络通信体系结构,采用本公司专用的标准和协议,加之受到现场仪表在数字化!智能化方面的限制,它没能将控制功能彻底地分散到现

场"现场总线控制系统是计算机技术!通信技术!控制技术的综合与集成"通过现场总线,将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统"连接在总线上的设备之间可直接进行数据传输和信息交换"同时,现场设备和远程监控计算机也可实现信息传输"这样,将现场控制站中的控制功能下移到网络的现场智能设备中,从而构成虚拟控制站,通过现场仪表就可构成控制回路,故实现了分散控制FCS系统较好地解决了过程控制的两大基本问题即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信"它不仅实现了智能下移,数据传输从/点到点0发展到采用/总线0方式"而且用大系统的概念来看整个过程控制系统,即整个控制系统可看作是一台巨大的/计算机0按总线方式运行"故全数字化、全分散式全开放、可互操作和开放式互连网络是其主要特点和发展方向。基于人工神经网络!模式识别!模糊理论基础而开发的软测量技术,为FCS系统提供了强大的信息检测功能"过程优化即稳态优化和最优控制等各种先进控制理论以及多学科和技术的交叉和融合,为FCS系统提供了坚实的理论基础"而计算机网络技术的发展和成熟又为FCS系统的实现提供了技术。

6 计算机集成过程系统CIPS(Computer Integrate Process System)
    尽管各种先进的控制系统能明显提高控制质量和经济效益,但是它们仍然只是相互孤立的控制系统"从过程控制系统发展的必要性和可能性来看过程控制系统必将朝综合化、智能化的方向发展因此,以智能控制理论为基础,以计算机及网络为主要手段对企业的经营计划、调度、管理和控制全面综合,实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化"整个系统由生产管理层高级控制与优化层,基础控制层3部分组成"这种集控制、优化、调度!管理等于一体并将信号处理技术!数据库技术!通讯技术以及计算机网络技术进行有机结合而发展起来的所谓综合自动化系统称为计算机集成过程系统CIPS(Computer Integrated Procos System)"作为一种全集成自动化系统,既是对设备的集成,也是对信息的集成"CIPS覆盖操作层、管理层、决策层,涉及企业生产全过程的计算机优化它的最大特点是多种技术的综合与全企业信息的集成"它表现的最大特征是仿人脑功能,这一点在某种程度上是回复到初级阶段的人工控制,但更多是在人工控制基础上的进步和飞跃"计算机集成过程系统的实现与发展依赖于计算机网络技术,数据库管理系统,各种接口技术,过程操作优化技术,先进控制技术,远测量技术等的发展"分布式控制系统,先进过程控制以及网络技术,数据库技术是实现CIPS的重要技术和理论基础。

7 结语
    综观过程控制系统的发展,从仪表化与局部自动化系统到方兴未艾的计算机集成系统CIPS,过程控制系统无论是在结构组成上,还是控制策略与方法上都有了质的变革和飞跃"过程控制系统的最新发展(如CIPS)代表着信息时代企业自动化的总方向"它的发展必将带动各种学科理论的交叉，综合与发展,必将大大促进自动化水平和生产技术的进步!