内蒙古科技大学：《材料成型控制工程基础》课程授课教案（讲义）第7章 控制系统设计与集散控制系统

内 蒙 古科技大学教案 材料与冶金学院李振亮 课程名称：《材料成型控制工程基础》 (第7章，共11章) 编写时间：2010年8月30日 7控制系统设计与集散控制系统 授课章节 7.1控制系统设计基本原理7.2控制系统分类及其控制器7.3串级控制系统7.4前馈控制系统 7.5集散型控制系统 本章内容包括控制工程的“系统设计”和轧钢自动化的“计算机系统”两部分内容，两个知 识点都属于控制工程与轧钢生产自动化之间的衔接内容，故把它们安排在一章中来讲。 目的要求 通过本章学习，主要了解控制系统的设计原理和计算机系统的结构组成：熟悉控制系统的分 类、特点与计算机控制的发展历史。 重点：重点掌握Smith控制器、串级控制系统、前馈控制系统的相关特点、设计原则，集散 重点难点 型控制系统的特点等相关内容。 难点：串级控制系统

1 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案 材 料 与 冶 金 学 院 李 振 亮 课程名称：《材料成型控制工程基础》 （第 7 章，共 11 章） 编写时间：2010 年 8 月 30 日 授课章节 7 控制系统设计与集散控制系统 7.1 控制系统设计基本原理 7.2 控制系统分类及其控制器 7.3 串级控制系统 7.4 前馈控制系统 7.5 集散型控制系统 目的要求 本章内容包括控制工程的“系统设计”和轧钢自动化的“计算机系统”两部分内容，两个知 识点都属于控制工程与轧钢生产自动化之间的衔接内容，故把它们安排在一章中来讲。 通过本章学习，主要了解控制系统的设计原理和计算机系统的结构组成；熟悉控制系统的分 类、特点与计算机控制的发展历史。 重点难点 重点：重点掌握 Smith 控制器、串级控制系统、前馈控制系统的相关特点、设计原则，集散 型控制系统的特点等相关内容。 难点：串级控制系统

7控制系统设计与集散控制系统 系统设计通常包括如下三方面的内容：(1)确定控制系统的结构：(2)确定控制器（或 称调节器)的类型：(3)确定控制器的参数。 7.1控制系统设计基本原理 根据工艺要求和控制目标确定系统变量： 建立数学模型： 确定控制方案： 选择硬件设备： 选择控制算法，进行控制器设计： 软件设计。 熟悉 系统设计完成后，进行设备安装、调试与整定，再投入运行。 7.2控制系统分类及其控制器 过程控制系统从简单到复杂、低级到高级大致可分成如下四类： (1)在简单过程控制系统中，控制器主要以PD控制器为主。系统的控制器类型包括：继 电器型控制器、比例控制器、积分控制器、比例+积分控制器、比例+微分控制器、比例 积分+微分控制器。 (2)在高性能过程控制系统中，系统主要有串级控制系统、前馈控制系统、大滞后控制系 统（包括史密斯预估控制、改进型史密斯预估控制、内模控制）等等。 (3)在复杂过程控制系统中，系统主要包括多变量解耦控制系统、适应过程参数变化的控 制系统、推理控制系统、预测控制系统、模糊控制系统等。 (4)智能控制系统。 所谓智能控制，即设计一个控制器，使之具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据 环境信息的变化做出适应性的反应，从而实现由人来完成的任务。另一个通俗但不严格的 定义是：在一个控制系统中，如果控制器完成了分不清是机器还是人完成的任务，这样的 系统就称之为智能控制系统。 熟悉 内蒙古科技大学教案

2 7 控制系统设计与集散控制系统 系统设计通常包括如下三方面的内容：（1）确定控制系统的结构；（2）确定控制器（或 称调节器）的类型；（3）确定控制器的参数。 7.1 控制系统设计基本原理 根据工艺要求和控制目标确定系统变量； 建立数学模型； 确定控制方案； 选择硬件设备； 选择控制算法，进行控制器设计； 软件设计。 系统设计完成后，进行设备安装、调试与整定，再投入运行。 7.2 控制系统分类及其控制器 过程控制系统从简单到复杂、低级到高级大致可分成如下四类： （1）在简单过程控制系统中，控制器主要以 PID 控制器为主。系统的控制器类型包括：继 电器型控制器、比例控制器、积分控制器、比例+积分控制器、比例+微分控制器、比例+ 积分+微分控制器。 （2）在高性能过程控制系统中，系统主要有串级控制系统、前馈控制系统、大滞后控制系 统（包括史密斯预估控制、改进型史密斯预估控制、内模控制）等等。 （3）在复杂过程控制系统中，系统主要包括多变量解耦控制系统、适应过程参数变化的控 制系统、推理控制系统、预测控制系统、模糊控制系统等。 （4）智能控制系统。 所谓智能控制，即设计一个控制器，使之具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据 环境信息的变化做出适应性的反应，从而实现由人来完成的任务。另一个通俗但不严格的 定义是：在一个控制系统中，如果控制器完成了分不清是机器还是人完成的任务，这样的 系统就称之为智能控制系统。 熟悉 熟悉 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案

7.3串级控制系统 7.3.1串级控制系统的工作原理 7.3.2串级控制系统的特点 (1)减小副控回路的等效时间常数。 (2)对二次干扰具有很强的克服能力。 (3)改善对象的动态特性，提高系统的工作频率。 (4)对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力。 7.3.3串级控制系统的设计 7.3.4串级控制系统的应用 了解 7.3.5多回路串级控制系统 7.4前馈控制系统 了解 7.5集散型控制系统 计算机过程控制系统按照功能进行分类有：巡回检测和数据处理系统、直接数字控制 掌握 系统(direct digital control,简称DDC)、监控控制系统(supervisory computer control,简 称SCC)入、集散型控制系统(distributed control systerm,简称DCS)、现场总线控制系统 (fieldbus control systerm,简称FCS)、现场总线集散控制系统六种。 集散型控制系统(DCS),就是集散型计算机控制系统的简称，也称分布式计算机控制 系统，是在吸收了模拟仪表控制系统和计算机控制系统优点的基础上发展起来的分布式控 制系统。它在实现控制功能分散的同时，实现了危险性的分散，并将参数显示和操作部分 进行集中。它不仅具有很高的可靠性、直接数字控制、顺序控制、批量控制、前馈控制等 功能，而且还具有预测控制、最优控制等先进控制功能。它是以计算机(computer)、控制 (control)、通信(communication)和屏幕(CTR-阴极射线管屏幕)显示相结合为特征的 系统，通常也将集散控制称为4C控制。其典型基本结构如图7-24所示。 7.5.1集散控制系统的结构 7.5.2集散控制系统的特点 (1)分级递阶结构。这种结构方案是从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高 可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备复杂性和投资成败，并且便于维修和技术更新等 优化选择而得出的。分级递阶结构通常分为4级，每一级由若干子系统组成，形成金字塔 重点掌握 结构。同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可通 过上级互相交换信息。 第一级为过程控制，根据上层决策直接控制生产过程，具有承担信号的变换、输入、运算 和输出的分散控制任务： 第二级为控制管理级，对生产过程实现集中操作和统一管理： 第三级为生产管理级，承担全工程或全公司的最优化： 第四级为经营管理级，根据市场需求、各种与经营有关的信息因素和生产管理的信息，做 出全面的综合性经营管理决策。 内蒙古科技大学教案 3

3 7.3 串级控制系统 7.3.1 串级控制系统的工作原理 7.3.2 串级控制系统的特点 （1）减小副控回路的等效时间常数。 （2）对二次干扰具有很强的克服能力。 （3）改善对象的动态特性，提高系统的工作频率。 （4）对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力。 7.3.3 串级控制系统的设计 7.3.4 串级控制系统的应用 7.3.5 多回路串级控制系统 7.4 前馈控制系统 7.5 集散型控制系统 计算机过程控制系统按照功能进行分类有：巡回检测和数据处理系统、直接数字控制 系统（direct digital control，简称 DDC）、监控控制系统（supervisory computer control，简 称 SCC ）、集散型控制系统（distributed control systerm，简称 DCS）、现场总线控制系统 （fieldbus control systerm，简称 FCS）、现场总线集散控制系统六种。 集散型控制系统（DCS），就是集散型计算机控制系统的简称，也称分布式计算机控制 系统，是在吸收了模拟仪表控制系统和计算机控制系统优点的基础上发展起来的分布式控 制系统。它在实现控制功能分散的同时，实现了危险性的分散，并将参数显示和操作部分 进行集中。它不仅具有很高的可靠性、直接数字控制、顺序控制、批量控制、前馈控制等 功能，而且还具有预测控制、最优控制等先进控制功能。它是以计算机（computer）、控制 （control）、通信（communication）和屏幕（CTR-阴极射线管屏幕）显示相结合为特征的 系统，通常也将集散控制称为 4C 控制。其典型基本结构如图 7-24 所示。 7.5.1 集散控制系统的结构 7.5.2 集散控制系统的特点 （1）分级递阶结构。这种结构方案是从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高 可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备复杂性和投资成败，并且便于维修和技术更新等 优化选择而得出的。分级递阶结构通常分为 4 级，每一级由若干子系统组成，形成金字塔 结构。同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可通 过上级互相交换信息。 第一级为过程控制，根据上层决策直接控制生产过程，具有承担信号的变换、输入、运算 和输出的分散控制任务； 第二级为控制管理级，对生产过程实现集中操作和统一管理； 第三级为生产管理级，承担全工程或全公司的最优化； 第四级为经营管理级，根据市场需求、各种与经营有关的信息因素和生产管理的信息，做 出全面的综合性经营管理决策。 （4）丰富的功能软件包。集散控制系统具有丰富的功能软件包。它能提供 控制算法模块、控制程序软件包、过程监视软件包、显示软件包、报表打印和 信息检索程序包等，并至少提供一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软 件，如优化管理和控制软件。 （5）采用高可靠性技术。高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统发 展的生命。 了解 了解 掌握 重点掌握 掌握 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案

(2)采用微机智能技术。集散控制系统采用了以微处理器为基础的智能技术，凝聚了计算机最先进 技术，成为计算机应用最完善、最丰富的领域。这是集散控制系统有别于其他系统装置的最大特点。集 散控制系统中的现场控制单元、过程输入输出接口、显示操作站和数据通信装置等均采用微处理器，有 记忆、逻辑判断和数据运算功能，可以实现自适应、自诊断和自检测等“智能”。 (3)采用局部网络通信技术。集散控制系统的数据通信网络采用工业局域网技术进行通信，传输 实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理。 (4)丰富的功能软件包。集散控制系统具有丰富的功能软件包。它能提供控制算法模块、控制程 序软件包、过程监视软件包、显示软件包、报表打印和信息检索程序包等，并至少提供一种过程控制语 言，供用户开发高级的应用软件，如优化管理和控制软件。 (5)采用高可靠性技术。高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统发展的生命。 7.5.3集散控制系统的发展及各阶段典型产品 7.5.4集散控制系统在热处理车间应用 了解

4 （2）采用微机智能技术。集散控制系统采用了以微处理器为基础的智能技术，凝聚了计算机最先进 技术，成为计算机应用最完善、最丰富的领域。这是集散控制系统有别于其他系统装置的最大特点。集 散控制系统中的现场控制单元、过程输入输出接口、显示操作站和数据通信装置等均采用微处理器，有 记忆、逻辑判断和数据运算功能，可以实现自适应、自诊断和自检测等“智能”。 （3）采用局部网络通信技术。集散控制系统的数据通信网络采用工业局域网技术进行通信，传输 实时控制信息，进行全系统信息综合管理，并对分散的现场控制单元、人机接口进行控制和操作管理。 （4）丰富的功能软件包。集散控制系统具有丰富的功能软件包。它能提供控制算法模块、控制程 序软件包、过程监视软件包、显示软件包、报表打印和信息检索程序包等，并至少提供一种过程控制语 言，供用户开发高级的应用软件，如优化管理和控制软件。 （5）采用高可靠性技术。高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统发展的生命。 7.5.3 集散控制系统的发展及各阶段典型产品 7.5.4 集散控制系统在热处理车间应用 了解