自动控制论文

计算机过程控制系统 摘要：过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。 而将计算机应用于过程系统，则称之为计算机过程控制系统。计算机过程控制在控制、管理功能、经济效益等方面的显著优点,使之在石油、化工、冶金、航天、电力、纺织、印刷、医药、食品等众多工业领域中得到广泛的应用。 本文将主要通过计算机控制系统的原理、组成、应用、发展趋势等来深入了解它。

关键字：过程控制、计算机、智能楼宇、化学合成

（一）计算机过程控制系统的原理、组成及功能:计算机过程控制系统主要由被控对象、 传感变送器 、计算机装置和 执行机构四部分组成；计算机过程控制系统控制功能主要可分为常规PID控制 、 最优控制、自适应控制和智能控制。

1、常规PID控制：常规PID控制是比例积分微分控制，它是历史最久、应用最广、适应性最强的控制方式，在工程生产过程中PID控制算法占85%—90%。

2、 最优控制：最优控制是在规定的限度下，使被控系统的性能指标达到最佳状态的控制；最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。

3、自适应控制：自适应控制任何一个实际系统都具有不同

程度的不确定性， 而自适应控制系统是能自行调整参数或产生控制作用，使系统仍能按某一性能指标运行在最佳状态的一种控制方法。

4、、智能控制：智能控制在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。 智能控制器是以自动控制技术和计算机技术为核心，集成微电子技术、电力电子技术、信息传感技术、显示与界面技术、通讯技术、电磁兼容技术等诸多技术而形成的高科技产品。

（二）计算机过程控制系统基本结构图及控制方式： 常用的系统控制方式有：集中式控制和集散式控制：

集中式控制

集中式控制系统的特点是管理与控制都集中进行，即：计算机监控主机设置在控制机房中，全部现场仪表及传感器的信号通过电缆集中送至控制机房，监控主机对现场的检测信号进行数据采集，对多个参数进行集中显示、记录、打印、越限报警经及各种自动控制计算，并输出信号到现场的执行机构对选定参数进行控制。

集散式控制

集散式控制系统的特点是集中管理、分散控制，即：计算机监控采用多级系统，计算机机监控主机设置的控制机房中，数据采集和控制部分可设置在主机房、其他机房或被测被控对象附近的现场，通过数据通信的方式和

计算机监控主机构成完整的计算机过程控制系统。现场仪表及传感器的信号

送至数据采集和控制设备对现场的执行机构进行控制。

分布式控制

分布式控制系统是集散式控制系统的一种形式，其特点是管理集中、控制设备小型化并彻底分布在被测被控对象附近进行安装。分布式控制系统价格低廉，常用于参数少、安装位置分散、系统可靠性要求相对较低的小型过程控制系统中。

（三）计算机过程控制系统的分类：

1）按控制装置结构类型分类：

仪表装置型控制系统

分布式控制系统（集散型控制系统）

工业控制机型控制系统

远程I/O型控制系统

现场总线型控制系统

现场总线集散型控制系统

2）按被控参数分类：

温度控制系统

压力控制系统

流量控制系统

液位控制系统等

3）按照系统功能分类 ：

（1）数据处理系统(DAS),对生产过程参数作巡检、分析、记录和报警处理。

(2)操作指导控制系统(OGC),计算机的输出不直接用来控制生产过程,而只是对过程参数进行收集,加工处理后输出数据,操作人员据

此进行必要的操作。

(3)直接数字控制系统(DDC),计算机从过程输入通道获取数据,运算处理后,再从输出通道输出控制信号,驱动执行机构。

(4)监督控制系统(SCC),计算机根据生产过程参数和对象的数字模型给出最佳工艺参数,据此对系统进行控制。

(5)多级控制系统,企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制,一般是三级系统,即经营管理级(MIS)、监督控制级(SCC)和直接数字控制级(DDC)。

(6)集散控制系统(DCS),以微处理器为核心,实现地理和功能上的分散控制,同时通过高速数据通道将分散的信息集中起来,实现复杂的控制和管理。

(7)监控与数据采集系统(SCADA),SCADA是以计算机、控制、通讯与CRT技术为基础的一种综合自动化系统,更适用于/点多、面广、线长0的生产过程。

(8)现场总线控制系统(FCS),是新一代分布式控制系统,与DCS的三层结构不同,其结构模式为/工作站)现场总线智能仪表0两层结构,降低了总成本,提高了可靠性,系统更加开放,功能更加强大。在统一的国际标准下,可实现真正的开放式互连系统结构。

(9)计算机集成过程控制系统,利用DCS作基础,开发高级控制策略,实现各层次的优化,利用管理信息系统MIS进行辅助管理和决策,将企业中有关过程控制、计划调度、经营管理、市场销售等信息进行集成,经科学加工后,为各级领导、管理及生产部门提供决策依据,实现

控制、管理的一体化。

（四）计算机过程控制系统的应用

① 计算机过程控制系统在智能楼宇上的应用。

智能楼宇为高层建筑设备监控和管理自动化系统，高层建筑设备监控和管理自动化系统是一个由中央计算机站（可有多个工作站），及直接联结同一条通信线路上若干个分布所属受控对象附近现场直接数字控制器（DDC），以及传感器、执行器等现场设备所组成集散型计算机过程控制系统。它主对高层建筑内空调及冷冻水、冷却水、热水系统，给、排水系统，电梯、扶梯运行系统，送、排风系统等机电设备进行自动监控和管理。

优点：采用集散型计算机过程控制系统所产生效益 1. 节省能源； 2. 减少设备消耗，延长设备使用寿命； 3. 减少设备维护，维修费用； 4. 节约人力，加强人员管理； 5. 保障建筑物与人身安全。

② 计算机控制系统在汽车性能测试方面的应用。

在汽车性能的测试方面，最常见的计算机控制系统包括： 1 PLC控制系统

可编程序控制器PLC控制系统:PLC是重要的机电一体化产品，其主要功能是开关量控制。

2 面向对象控制系统

面向对象的控制系统是利用典型基础控制产品，针对特定应用对象进行系统设计和二次开发，二次开发的重点是系统结构、专用

系统或部件以及应用软件的开发。

3 DCS控制系统

分布式控制系统，DCS是当今汽车过程工业自动化的主控系统，特点是控制分散、操作显示集中、系统具有很高的可靠性和很强的功能。

4 模块化控制系统

近年来控制模块和模块化控制系统得到发展。模块化控制系统是以模块为基础，组成高度可配置的、分布式采集控制系统，这种系统当I/O出现故障时，只需要调换故障的模块，而不需替换整个系统。

③ 计算机过程控制系统在化学合成制药生产中的应用 在传统的化学合成制药生产中，由于工艺过程复杂、工艺路线长、生产防爆等特点一般采用独立的现场仪表进行简单的控制，控制水平较低。本文介绍了采用计算机过程控制系统对化学合成生产工艺过程进行控制的实例，系统提供了复杂控制能力、对生产过程实时数据进行监控和趋势曲线记录以及报警功能，满足安全性、易用性、易扩展性等使用要求，提高了对合成过程的控制精度和控制水平，从而达到了提高生产效率的目的。

（五）计算机过程控制系统发展趋势： (1)大力推广应用成熟的先进技术。普及应用具有智能I/O模块的、功能强、可靠性高的可编程控制器,广泛使用智能化调节器,采用

以位总线、现场总线技术等先进网络通讯技术为基础的新型DCS和FCS控制系统。

(2)大力研究和发展智能控制系统。智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程,也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。智能控制系统的类型主要包括:分级梯阶智能控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、学习控制系统、人工神经网络控制系统和基于规则的仿人工智能控制系统等。

(3)控制与管理结合,向低成本自动化方向发展。LCA是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能,而投资较低的自动化系统。在DCS和FCS的基础上,采用先进的控制策略,将生产过程控制任务和企业管理任务共同兼顾,构成计算机集成控制系统,可实现低成本综合自动化系统的方向发展。

参考文献： 孙文瑜，徐成贤，朱德通 《最优化方法》，高等教育出版社，2004

厉玉鸣.《化工仪表及自动化》4版 化学工业出版社,2006

刘宝坤 《计算机过程控制系统》机械工业出版社 2005

方康玲 《过程控制系统》 武汉理工大学出版社 2007