35、工业系统的分布式控制与滤波：网络控制架构解析

工业系统的分布式控制与滤波：网络控制架构解析

1. 工业控制现状与挑战

在当今工业领域，化学过程操作面临着安全、环境可持续性和盈利性等多方面的要求，高度自动化的控制系统变得至关重要。过去40年里，人们广泛研究先进的操作和控制策略，旨在通过调节过程变量至合适值，实现工厂的经济最优运行。

传统的过程控制系统采用专用的点对点有线通信链路，利用少量传感器和执行器将过程变量调节到期望值。这种模式虽然取得了一定成功，但化学工厂运营若能将现有的点对点控制网络与廉价且易于安装的联网（有线或无线）执行器或传感器设备有效集成，将获得显著益处。这种集成能增加传感器信息、提升执行能力，并实现有线和无线数据的网络共享，有望大幅提高单过程和全厂模型控制系统优化过程和工厂性能的能力。

然而，在现有控制网络中加入实时有线或无线传感器和执行器网络，给传统过程控制方法带来了诸多挑战。在网络控制系统中，设计时需谨慎处理的关键问题包括：
- 数据丢失 ：由现场干扰导致。
- 时间延迟 ：源于网络流量以及额外测量的潜在异构性。
- 异构测量处理 ：由于新增传感器测量的多样性（如浓度与温度测量），以及信息通过实时网络传输带来的连续、异步和延迟等特性。

在控制体系结构方面，将专用的本地控制系统与利用实时传感器和执行器网络的控制系统相结合，需要协调多个在同一过程中运行的独立控制系统。设计非线性过程的协作分布式控制架构是一项具有挑战性的任务，传统的集中控制系统设计方法难以应对。设计协作分布式控制系统（DCS）时，需要解决的关键基本问题包括各个控制系统的设计及其通信策略，以确保