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v操作监控层是DCS的中心,其主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关。
v操作员站:
供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理v工程师站:
主要功能是组态、绘图和编程v监控计算机站:
用来建立生产过程的数学模型,实施高等过程控制策略,实现装置级的优化控制和协调控制;并对生产过程进行故障诊断、预报和分析,保证安全生产v计算机网关(CGI)用作控制网络(CNET)和生产管理网络(MNET)之间相互通信。
vDCS的直接控制层,其主要设备是过程控制站(PCS),PCS主要由输入输出单元(IOU)和过程控制单元(PCU)两部分组成。
v输入输出单元(IOU)由各种类型的输入输出处理板(IOP)组成,如模拟量输入板,热电偶输入板、热电阻输入板、脉冲量输入板、数字量输入板、模拟量输出板,数字量输出板和串行通信接口板等。
与每块输入输出处理板配套的还有信号调整板和信号端子板,其中SCC用作信号隔离、放大或驱动,STC用作信号接线。
v控制站的软件可分为系统软件和应用软件两部分,应用软件的用户表现形式是各类功能模块,一般有输入模块、输出模块、运算模块、连续控制模块、逻辑控制模块、顺序控制模块和程序模块。
v工程师站的组态分为系统组态和应用组态两类v系统组态软件是建立网络、登记设备、定义系统信息和分配系统功能,从而将一个物理的DCS系统构成一个逻辑的DCS系统,便于系统管理、查询、诊断和维护。
v应用组态软件是建立功能模块,将这些功能模块构成控制回路,从而实现各种控制功能。
应用组态方式可分为填表式、图形式、窗口式及混合式。
v绘图功能供用户绘制专用操作画面,包括工艺流程图画面、操作指导画面、操作面板画面、控制回路画面和特殊画面等。
绘图软件提供了多种绘图工具和各类标准图素,用来绘制静态图形和动态图形,建立动态点,实时显示过程变量(PV)和参数。
v系统设备组态的是将物理的DCS系统构成一个逻辑的DCS系统,便于系统管理、查询、诊断和维护。
本节叙述操作监控层设备组态和直接控制层设备组态。
v操作监控层的主要设备有操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关,不同DCS的设备组态方式有所差异。
v直接控制层的主要设备是控制站(CS),其设备组态内容包括登记控制站节点、定义控制站的处理周期和处理容量、给I/O插槽分配I/O模板,不同DCS的设备组态方式有所差异。
v干扰的来源v被控对象和被测信号往往分布在各个不同的地方,并且计算机与它们之间也有相当长的距离,因此,信号线和控制线均可能是长线。
其次,现场往往有许多强电设备,它们的启动和工作过程将对计算机产生强烈的干扰。
这些电磁场的存在和变化都将以不同的途径和不同的方式混入被测信号中,因为被测信号往往是一种微弱的直流或变化缓慢的交变信号。
v干扰的传播途径,静电偶合,磁场偶合,公共阻抗偶合v干扰类型,串模干扰,产生串模干扰的原因有分布电容的静电藕合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场藕合以及50Hz的工频干扰等。
v共模干扰,长线传输干扰v
(1)如果常态干扰频率比被测信号频率高,则采用输入低通滤波器来抑制高频常态干扰;如果常态干扰频率比被测信号频率低,则采用输入高通滤波器来抑制低频常态干扰;如果常态干扰频率落在被测信号频谱的两侧,则应用带通滤波器较为适宜。
v
(2)当尖峰型常态干扰成为主要干扰源时,用双斜率积分式AD转换器可以削弱常态干扰的影响。
v(3)在常态干扰主要来自电磁感应的情况下,对被测信号应尽可能早地进行前置放大,从而达到提高回路中的信号噪声比的目的;或者尽可能早地完成AD变换或采取隔离和屏蔽等措施。
v(4)从选择逻辑器件入手,利用逻辑器件的特性来抑制常态干扰。
v(5)如果常态干扰的变化速度与被测信号相当,则一般很难通过以上措施来抑制这种干扰。
此时可采取下述方法:
v从根本上消除产生常态干扰的原因。
对测量仪表(如热电偶、压力变送器、差压变送器等)进行良好的电磁屏蔽。
测量仪表到计算机的信号线应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆线,并应有良好的接地系统。
v利用数字滤波技术对已经进入计算机的带有常态干扰的数据进行处理,从而可以较理想地滤掉难以抑制的常态干扰。
v共模干扰的抑制vl)利用双端输入的运算放大器作为AD转换器前面的前置放大器。
v2)利用变压器或光电藕合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来,也就是把“模拟地”与“数字地”断开。
此被测信号通过变压器偶合或光电偶合获得通路,而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。
v(3)采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干v(4)用仪表放大器提高共模抑制比。
v长线传输干扰的抑制:
终端匹配,始端匹配v应用者的任务是选择满足控制对象所需的硬件和软件,设计控制方案,并用监控组态软件构成可实际运行的控制回路及操作显示画面,通过现场投运调试,满足操作监控要求。
v应用设计的过程按顺序可以分为可行性研究、初步设计、详细设计、组态设计、应用组态、安装调试、现场投运7个阶段。
v炉温并行串级控制系统实验所用的温度对象、空气流量和燃料流量对象特性式分别为v例计算机控制系统如图所示,采用数字PI校正试分析积分作用及参数的选择。
v广义对象的z传递函数v系统的开环z传递函数v为了确定Ki可使积分校正的零点抵消极点(Z-0.905)vv得v由与上式连立可解vKi、Kp,若Kp=1则Ki=0.105v数字调节器的传函为v系统经过PI校正以后的闭环Z传递函数v系统在单位阶跃输入时,输出量的z变换v系统在单位阶跃输入时、输出量的稳态值例例设单位反馈线性离散系统的连续部分及零阶保持器的传递函数分别为其中T为采样周期;已知T1秒,试求取在等速输入信号r(t)=t作用下,能使给定系统成为最少拍系统的数字控制器的脉冲传递函数D(z)。
解解根据给定的传递函数G0(s)及Gh(s)求取开环脉冲传递函数G(z),即依据原则选取与r(t)t对应的最少拍系统的闭环脉冲传递函数为则可求得数字控制器的脉冲传递函数D(z),即经过数字校正后,最少拍系统的开环脉冲传递函数为该系统反应典型输入r(t)=t的过渡过程c*(t)如图1-33所示。
过渡过程在两个采样周期就可结束。
v例2.43设线性离散系统如图2.28所示,试作T为0.05s,0.1s,1s,5s时的根轨迹图,并求出相应的临界放大倍数Kc1.T=1s时,Go(z)=HG(z)=开环零点z=-0.722,开环极点p1=1,p2=0.368,根据绘制法则可在Z平面上作出根轨迹图。
v由法则1:
根轨迹的起点为p1=1,p2=0.368,v根轨迹的终点为z=-0.722,-v由法则2:
根轨迹的分支数为2,对称于实轴v由法则4:
实轴上的根轨迹为0.3681,-0.722v由法则5:
分离点的坐标d1=-2.09,d2=0.648v由法则10:
2个极点和1个有限零点的根轨迹是以零点为圆心,零点到分离点距离为半径的圆v求临界放大倍数Kc,可列出特征方程v设临界点的闭环极点为p1c=ej,p2c=e-j,p1c,p2c共轭,模为1vp1cp2c=eje-j=1v特征方程的常数项即为0.368+0.266K=1vKc=2.38根轨迹设计法用根轨迹法来设计线性离散系统v例计算机控制系统如图所示,采样周期T=0.1s,试用根轨迹法设计数字调器D(z),使系统的阻尼比=0.7,K=0.5v系统校正前的开环Z传递函数v可得系统的临界放大倍数Kc=13.2。
在图上作=0.7的等阻尼比线,根轨迹与等阻尼比线的交点的放大倍数为2.6。
v由速度误差系数公式v可见,校正前的系统,若=0.7时,Kv只有0.26,不满足指标要求,为了改善系统性能,添加合适的零、极点,使根轨迹弯向Z平面的左半面。
v添加合适的零、极点,使根轨迹弯向Z平面的左半面。
根据开环零、极点分布对根轨迹的影响,应该引入一个新的零点,以抵消原来的极点0.368。
同时,附加一个新的极点-0.950,以使根轨迹弯向左边。
v由此得到校正网络的Z传递函数为v校正后的计算机控制系统的开环Z传递函数为v由式可以作出校正以后,离散系统的根轨迹图,如图4.23所示。
v校正系统的根轨迹与单位圆交点的放大倍数即临界放大倍数Kc=61.8,根轨迹与0.7的等阻尼比线交点的放大倍数K=17.1。
根据静态速度误差的公式v由此可见经过校正以后的系统=0.7,Kc0.5,所以满足性能指标的要求。
v求系统经过校正以后的动态特性,可以计算校正以后系统的闭环Z传递函数。
v当输入单位阶跃序列时,系统输出的z变换v校正后系统的超调量=8,调节时间ts=5T=0.5s开环零点、极点的分布对根轨迹的影响v系统的开环Z传递函数为图2.35零点分布对二阶系统根轨迹的影响(极点不变)1.5.21.5.2差分方程求解差分方程求解常用方法有迭代法和z变换法。
迭代法非常简单。
可见例1-10。
Z变换法的实质是利用z变换的实数位移定理,将差分方程化为以z为变量的代数方程,然后进行z反变换,求出各采样时刻的响应。
Z变换法的具体步骤是:
对差分方程进行z变换;解出方程中输出量的z变换Y(z);求Y(z)的z反变换,得差分方程的解y(k)。
例例1-10已知差分方程y(k)=x(k)+5y(k1)6y(k2)输入序列x(k)=1,初始条件为y(0)=0,y
(1)=1,试用迭代法求出输出序列y(k),k=0,1,2,10。
解:
解:
根据初始条件及递推关系,得y(0)=0y
(1)=1y
(2)=x
(2)+5y
(1)-6y(0)=6y(3)=x(3)+5y
(2)-6y
(1)=25y(4)=x(4)+5y(3)-6y
(2)=90y(10)=x(10)+5y(9)-6y(8)=86526例例1-11用Z变换法解二阶差分方程解:
解:
对代入初始条件,得,图1-14例1-11的解2)部分分式展开法部分分式展开法在z变换表中,所有z变换函数F(z)在其分子上都普遍含有因子z,所以应将F(z)/z展开为部分分式,然后将所得结果每一项都乘以z,即得F(z)的部分分式展开式。
例例1-8设,试求f(kT)。
解:
解:
经计算有A=1,B=1所以有查z变换表得例1-2:
试求函数f(t)=e-at的z变换。
综上分析可见,通过级数求和法求取已知函数Z变换的缺点在于:
需要将无穷级数写成闭式。
这在某些情况下要求很高的技巧。
但函数Z变换的无穷级数形式却具有鲜明的物理含义,这又是Z变换无穷级数表达形式的优点。
Z变换本身便包含着时间概念,可由函数Z变换的无级数形式清楚地看出原连续函数采样脉冲序列的分布情况。
例例1-14设闭环离散系统结构如图1-19所示,试证其闭环脉冲传函为图1-19例1-14离散系统结构证明:
证明:
由图可得对E1(s)离散化,有考虑到离散化有即输出信号的采样拉氏变换进行Z变换,证得v比例调节作用的特点:
v
(1)动作快,对干扰能及时和和有很强的抑制作用。
v
(2)调节的结果是被调量存在静态偏差。
v积分调节作用的特点:
v
(1)优点是能消除静态偏差。
在偏差消除后,执行机构将停留在新的与负荷相适应的位置上。
v
(2)缺点是动作迟缓,动态品质恶化,过渡过程的振荡加剧,甚至造成系统不稳定。
所以,在实际生产过程中几乎不采用单纯的积分作用,只作为一个组成部分。
v微分调节作用的特点:
v
(1)超前的调节作用,有利于克服动态偏差。
缩短调节过程时间的效果v综上所述,比例调节作用是最基本的调节作用,而积分和微分作用为辅助调节作、用。
v比例作用贯彻于整个调节过程之中,积分作用则体现在调节过程的后期,用以消除静态偏差,v微分作用则体现在调节过程的初期。
实际应用中应根据具体情况选择调节规律,同时设置适当的比例带、积分时间、微分时间,才能收到满意的调节效果。
比例调节器的调节规律:
(1)比例调节器的调节是有差调节。
(2)调节器的比例带的选择有两面性:
比例带越大,调节器的动作幅度越小,调节过程越稳定,但被调量的静态偏差增大;反之,比例带越小,调节器的动作幅度越大,被调量的静态偏差越小,但调节过程易出现振荡,稳定性降低。
比例积分调节器的调节规律:
(1)比例积分调节器兼有比
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