集散控制系统的控制算法应用

合肥学院

HEFEI UNIVERSITY

集散控制与现场总线课程设计

设计名称：集散控制系统的控制算法应用班级： 08自动化（2）班

姓名：李宏灶

学号： 00

指导教师：丁健

摘要:

现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展较快的两个分支，工业自动化根据生产过程的特点可分为过程控制和制造工业自动化及自动化测量系统。过程控制自动化是以流程工业为对象，流程工业自动化控制一般采用集散控制系统(DCS)。

本文主要介绍了集散控制系统概念、组成（现场控制级、过程控制级、过程管理级、经营管理级）、特点（系统构成灵活、操作管理便捷、控制功能丰富、信息资源共享、安装调试方便）、硬件结构、控制算法以及其在常减压装置中的应用。

关键词：

构成与特点硬件结构控制算法应用流程介绍

一、集散控制系统构成与特点

1.1 集散控制系统概念

集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。

1.2 集散控制系统的组成

集散控制系统一般有以下四部分组成：

1）现场控制级

又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。

2）过程控制级

又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。

3）过程管理级

DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、

这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。

4）经营管理级

又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。

1.3 集散控制系统的特点

DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点：1）系统构成灵活

2）操作管理便捷

3）控制功能丰富

4）信息资源共享

5）安装、调试方便

1.4 集散控制系统的硬件结构

DCS 的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。

通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及

管理等功能。

现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式DCS 直接与生产过程进行

信息交互的IO 处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈

控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元

构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一

个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现

场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。

二、集散控制系统的控制算法

1）比例控制器（P 调节）

控制器的输出信号u 与偏差e 成正比：U=K P e K P 称为比例增益。从减少偏差的角度，

应该增加K P ，但是K P 还影响系统的稳定性，过大的K P 往往会使得系统产生激烈的振荡和不

稳定。因此在设计中应该合理优化K P ，在满足精度要求下，选取合适的K P 值。

2）积分控制器（I 调节）

在积分控制器中，调节规律是偏差e 经过积分控制器的积分作用得到控制器的输出信号

u ： 传递函数为： 积分控制器的显著特点是误差调节，就是说当系统达到平衡后，阶跃信号稳态设定值和

被调量无差，偏差e=0.即：积分的作用实际上是将偏差e 累计起来得到u ，如果偏差e 不为

0，积分作用将使积分控制器的输出u 不断增加或减小，系统将无法平衡，故而只有e 为0，

积分控制器的输出r 才不发生变化。

3）微分控制器（D 调节）

在微分控制器中，调节规律是偏差e 经过微分控制器的积分作用得到控制器的输出信号

u ： 传递函数为： 积分控制器的显著特点是当出现了偏差才进行调节，而微分控制器则针对被调量的变化

率来进行调节，而不需要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，即微分调节器可以

对被调量的变化趋势进行调节，即使避免出现大的偏差。

一般情况，实现微分作用不是直接对检测信号进行微分操作，这样会如很大的冲击，造

成元器件的不正常，对于噪声干扰信号，由于其突变性， 直接微分将引起很大的输出，从

而忽略实际信号的变化趋势，故而对于性能要求较高的系统，往往使用检测信号的速率传感

0t I u K edt =?()I j K G s s =D de

u K dt =()c D G s K s =

器来避免对信号的直接微分。

4）比例-积分-微分控制器（PID 调节）

比例、积分、微分控制器各有优缺点，对于性能要求高的系统，单独使用其中一种控制

器有时候不能达到预想的效果，就可对其进行组合。PID 调节器的方程如下：

传递函数为： 取其中的3个K 值不同值，可以构成不同的组合。

三、集散控制系统在常减压装置中的应用

3.1常减压系统流程介绍

原油由原油罐输出，经过常压一线、常压二线和常压中段回流，经过换热器，把原油加

热，然后经过混合阀注水进入一级电脱盐罐，再经过二号混合阀注水，进入二级电脱盐罐，

使原油脱盐脱水，有利于产品质量的调节，便于以后的加工程序操作。从脱盐罐出来的原油

与二次常底油换热进入闪蒸塔，除去原油里面的剩余水分， 分馏出原油里面的轻油组分， 闪

顶油气通过闪顶油气线进入常压塔塔盘。闪蒸塔底油经过闪底油泵抽出，与一次常底油换热

后进入加热炉，把原油加热到合适的温度( 360～365℃)进入常压塔。常压的控制要分馏出合

格的侧线油(常一线，常二线) 还要取出常压塔的多余热量，这就要求侧线的馏出量和中段

回量要有合适的比例: 中段量太大，取热过多，侧线馏出量减少，降低了轻油的收率; 中段

量过小，取热少，侧线油质量重，不合格。侧线馏出的轻油成分还要经过汽提塔汽提， 同

时还要控制常底油外甩的量， 以控制常底的液位， 但是也不可以过多的减少常底的外甩量，

那样将影响后路的控制(减压塔)，控制难度大，要求使用串级控制。减压的流程类似于常压，

但控制比常压简单。

3.2常减压装置控制回路及控制规律

常压系统主要有塔顶温度调节系统、侧线抽出量调节系统、塔底液位调节系统等，还有

侧线产品质量调节系统、中段回流取热系统等。常压塔对产品质量有较高的要求，塔顶要求

分馏出合格汽油馏分，通常都在塔顶设置塔顶温度——回流量串级调节系统，以克服回流方

面的干扰。常用的控制规律有:比例控制，积分控制，比例积分控制，比例微分控制， 比

例积分微分控制。因为侧线质量要求高，要求对系统抗干扰能力强，在出现扰动时可以迅速

恢复，单独采用比例控制、积分控制、微分控制已经不能满足要求，这里采用比例、积分、

微分的组合控制。PID 控制器在控制开始时，微分先起作用，使输出信号发生突然的大幅变

化，同时比例也起作用进行控制，使偏差幅度减小，接着积分起作用，慢慢地消除静差。

0t

P I D de u K e K edt K dt =++?12(1)(1)()I j P D K K s s G s K K s s s ττ++=++=

3.2.2 比例、积分、微分控制规律

1）特性

具有比例( P) 、积分( I) 、微分(D) 三种控制规律的控制器，简称PID 控制器。其控制规律的数学表达式为:P=Pp+Pi+Pd=K ( △e+1 /T ∫△edt+TDd△e /dt)

2）传递函数

PID 控制器的传递函数Wpid ( S) 如下:

当K 很大时

W pid ( S) =( 1/δ)( T d s+T d s /T1s+1+1 /T1s)

图为控制原理框图。

3）控制规律对过程控制系统的影响

①比例控制作用

比例控制作用可表示为:Pp+Kp△e=1 /δ△e Kp 为比例放大倍数或比例控制器的增益，即:Kp=1 /δ=Pp /△e

由于比例控制器的比例运算没有动态元件，比例控制器的输入输出仅仅是一种比例放大关系，因此，使用比例控制器所产生的相移为- 180°，这个固有的- 180°相移是负反馈控制产生的，不是控制器本身产生的，比例控制器本身产生的相移为0。比例控制器的增益决定于比例带δ的大小，增益的大小也决定了反馈的强弱。比例增益可以改善控制特性，但若使用不当，也可能导致系统不稳定，并且可能产生振荡。

②积分控制作用

积分控制作用可以表示为:d△p /d t=△e /T1 积分作用产生了一个90°的相滞后，也即积分输出也落后输入90°。积分控制增益等于积分输出与输入幅值之比。

由于使用积分控制作用，产生了一个控制系统的相滞后，使系统稳定性降低。当积分时间短，积分作用强，积分增益也大时，也会使系统稳定性降低。

③微分控制作用

微分控制作用可以表示为: p=Td△e /dt 微分作用产生一个超前的90°相移，即输出超前了90°。

由于微分的控制作用，使得整个系统相滞后减小了，从而增加了系统的稳定性。如果微分时间短，微分作用弱，则对系统影响不显著。如果微分时间过长，虽然微分作用强，超前的角度有利于系统的稳定性，但是增益也变大，增益过大，反而会降低系统的稳定性。3.2.3 PID 参数的整定方法

为了使系统不仅静态特性好，而且要稳定性好，过程过渡短，正确的整定PID 参数数字控制器的参数Kp、T1、Td 是非常重要的。在连续控制系统中，模拟控制器的参数整定方法非常多，工程整定法就是其中之一，它由经典频率法化简而来，优点是整定参数时不必依赖控制对象的数学模型，简单易行。

3.3控制回路说明

为了保持常底液位在一定范围内波动，又要保证减压塔进料稳定，一般采取液面与流量组成的串级调节系统，在此系统中，允许液面在一定范围内变化，而保持流量相对不变。

减压塔的控制方案设置是根据装置产品方案是燃料型还是润滑油型来决定，产品为燃料型产品的侧线抽出均以减压塔中集油箱中液位为控制对象，集油箱抽出的另一物流返塔作为回流，减压塔的塔顶冷回流流量是由减压塔顶温度控制。而中段回流一般采用流量调节系统，产品为润滑油型时，由于侧线产品质量要求比较严格，其方案类似常压塔控制方案。

减压塔底介质黏度大、温度高，要求停留时间短，又是抽真空系统，容易造成塔底泵抽空，一般采用浮球或差压式液位调节器来控制塔底抽出量，采用塔底液位- 渣油外甩串级调节系统，保证塔底液位在一定范围内波动。

四、参考文献:

[ 1] 刘海国集散控制与现场总线机械工业出版社

[ 2] 袁任光集散型控制系统应用技术与实例机械工业出版社

[ 3] 常减压装置系统操作中国石化集团资料.

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