思维导图在控制系统分析中的应用

(重庆电力高等专科学校，重庆 400053)

近年来，随着火电机组单机容量的迅速增大及电力企业自动化控制水平的逐渐提高，我国已进入大机组、高参数、高度自动化的时代[1]。由于600 MW、1 000 MW等大容量机组的监控参数越来越多，集散控制系统(DCS)中由功能块搭接的控制回路越来越庞大，控制系统也越来越复杂，给电厂热工维护人员及时进行事故分析带来了不便，容易造成故障[2]，同时也给学生学习控制系统分析带来极大困难。

思维导图(mind mapping)是直观的知识组织与表征工具。它运用图文并重的技巧，把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级图表现出来[3]，思路明朗，条理清晰，已广泛应用于教育领域，并取得了卓越的成效[4]。将思维导图应用于热工控制系统分析，可帮助学生和热工人员理清分析思路、找准关键点，从而有效引导其分析控制系统，增强学习效果。

1 控制系统发展现状及特点

控制系统起始于20世纪40年代，其前身由早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成。到70年代中期，随着“4C ”(计算机、控制、通信、CRT )技术的兴起，火电厂热工自动化技术得到了相应的发展，其中最有代表性的是集散控制系统(DCS)。DCS 自诞生伊始，便展示出蓬勃生机，日益发展完善，并广泛应用于国内外大型机组[5]。近年来，随着火力发电机组向高参数、大容量发展，火电厂热工自动化控制也朝着高速化、智能化方向快速发展，陆续出现现场总线控制技术(FCS)、智能控制技术等[6]。虽然FCS在结构、性能上优于传统 DCS，但面对控制对象非常复杂且运行可靠性要求又极高的火电厂，FCS的优势不一定能充分发挥，其在火电厂大范围推广应用还需要很长一段时间。而DCS控制系统却在不断采用新技术和先进控制策略等来完善自己，发展至今已相当成熟和实用，故其仍为现代火电厂控制系统的主流[5]。

目前，火电厂集散控制系统(DCS)已实现了模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、数据采集系统(DAS)以及汽轮机电液调节系统(DEH)等方面的功能。其中，MCS主要对锅炉、汽轮机以及辅助系统的有关模拟量参数进行连续闭环控制，使被控模拟量参数值维持在设定范围或按预期目标变化。其主要特点表现为功能庞大、结构复杂，各子控制系统之间相互关联、相互影响，抽象难懂、逻辑性强。

对于模拟量控制系统SAMA图，尚未见相关文献资料阐述其分析方法，热工人员普遍根据经验来读图识图。热工学徒和学生在面对控制系统时普遍认为晦涩难懂、无从着手，在分析控制系统时则缺乏条理、思路混乱、毫无逻辑。

2 思维导图概念及其结构

思维导图又叫心智图，是由英国著名心理学家、教育学家托尼·博赞(Tony Buzan)于19世纪70年代提出的[7]。其把思维导图定义为“放射性思维的表达，也是人类思维的自然功能。它是一种非常有用的图形技术，是打开大脑潜力的万用钥匙。思维导图可以用于生活的各个方面，应用它改进后的学习能力和清晰的思维方式会改善人的行为表现和思维习惯”[8]。思维导图通常从一个主题开始，对彼此间有关联的信息进行分层、分类管理，逐步建立一个有序的发散思维图，对思维过程进行导向和记录。从知识表示的能力看，思维导图呈现的是一个思维过程，是知识和思维过程的图形化表征，学习者可以通过思维导图迅速掌握整个知识架构，从而有利于直觉思维的形成、促进知识的迁移[4]。

思维导图的特点是易读形象性、联想发散性。它强大的图形工具和非线性的记录方式容易活跃思维，从而创造出比较有价值、有意义的设想和想象，有助于问题的研讨，并得以顺利解决[9]。它有利于构造一种积极交流、生动有趣、轻松活泼的学习氛围。现代教学应用中，“思维导图普遍作为一种可视化教学辅助工具，利用文字、符号、图像等呈现教学内容的核心概念与逻辑关系，帮助教师设计教学流程、优化教学结构，促进学生形成良好的知识体系和思维能力”。[10]

思维导图主要由图像、关键词、分支、颜色4个要素构成。构建思维导图时，首先用图像或关键词将中心主题描述出来，并置于图像中央；然后，根据中心主题联想相关次级分支主题，依次添加并将其连接起来；最后，使用符号、文字、图像等内容充实各分支主题。若次级分支主题还有子主题，则继续延伸添加，以此类推。本文以“思维导图”为中心主题，构建思维导图如图1所示。该思维导图主要介绍了“思维导图”相关概念，包括思维导图的创始人、定义、特征、构成要素、用途及基本软件等。

3 思维导图在控制系统分析中的应用

传统分析系统的原则：从上往下，从左往右。但对于电厂模拟量控制系统来说，若按照以上原则分析，则往往抓不住核心关键，思维混乱，毫无逻辑可言。显然，该原则不再适用。

模拟量控制系统抽象且逻辑性强，其核心所在为PID控制器，只有理清控制系统中PID控制器之间的关系并确定其结构、分析出PID控制器的输入输出等，才能实现对模拟量控制系统的有效分析。本文结合模拟量控制系统特点以及教学所得控制系统分析方法，使用MindManager绘制出分析模拟量控制系统的思维导图，如图2所示。

图2 模拟量控制系统思维导图

依据图2所示的思维导图分析模拟量控制系统时，主要从控制系统的“控制任务”“系统结构”“PID控制器”“前馈控制”“超驰控制”“其他功能”6个方面进行分析。

控制任务：在面对一个待分析的模拟量控制系统时，首先应弄清这个控制系统的控制任务或控制目的是什么。

系统结构：准确分析控制系统的关键是通过PID控制器确定系统的结构。即理清控制系统中PID控制器的个数以及其相互之间的关系，以确定系统的结构。

如果控制系统中只有一个PID控制器，那么该系统就一定是单回路控制系统。

如果有两个，则分析其之间有无联系。若一个控制器的输出作为另一个控制器的输入，则系统为串级控制系统；若两个PID控制器输入输出之间毫无关联，则系统就由两个单回路控制系统构成。对于系统中含有3个或3个以上控制器的，采用上述同样的方法去判断。

无论系统是单回路控制还是串级控制，只要其含有前馈信号(没有经过PID控制器直接作用在执行机构上的信号)，该系统就属于复合控制系统。

比值控制系统是指含有两种或两种以上物质量保持一定比例关系的控制系统，对于电力行业热工控制系统，汽包锅炉燃烧控制系统的风煤比或直流锅炉的水燃比均属于比值控制系统。

PID控制器：确认控制系统中各PID控制器的给定值和测量值分别是什么。

前馈控制：若系统中含有前馈信号，确定前馈信号是什么。前馈信号通常在M/A 站之前、PID控制器之后引入，多数控制系统含有前馈。

超驰控制：是指当自动控制系统接到事故报警、偏差越限、故障等异常信号时，超驰逻辑将根据事故发生的原因立即执行自动切手动MRE、优先增PLA、优先减PLW、禁止增BI、禁止减BD等逻辑功能，将系统转换到预先设定好的安全状态，并发出报警信号。超驰控制逻辑信号来自顺序控制系统SCS，一般用虚线表示，其优先级高于模拟量控制系统。

其他功能：查看控制系统中是否含有其他功能，如增益调整与平衡(BALANCER)、联锁切换等。

显然，基于以上思维导图法对模拟量控制系统进行分析，思路清晰、条理分明，方法简便，有助于学生和热控人员对控制系统的理解和掌握。

4 小结

本文依据热工控制系统特点和教学经验，将思维导图引入热工控制系统分析中，提出了一种新的基于思维导图的热工控制系统分析方法。该方法从“控制任务”“系统结构”“PID控制器”“前馈控制”“超驰控制”“其他功能”等6个方面对控制系统进行分析和梳理，直观明了，富有条理性，易被广大学生和热控人员理解和掌握，可有效指导其对火电厂热工控制系统的分析和理解。