集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線試題習題及答案

1、本答案僅供參考。第1章 緒論1.1 什么是過程計算機控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？通過具體示例說明。答：它是指由被控對象、測量變送裝置、計算機和執(zhí)行裝置構(gòu)成，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程閉環(huán)控制的系統(tǒng)，它綜合了計算機過程控制和生產(chǎn)工藝過程。例如溫度控制系統(tǒng)。1.2 計算機控制工業(yè)生產(chǎn)過程有哪些種類型？答：計算機控制工業(yè)生產(chǎn)過程一般有五種類型：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)；直接數(shù)字控制系統(tǒng)；監(jiān)督控制系統(tǒng)；集散控制系統(tǒng)；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。1.3 計算機控制系統(tǒng)的硬件一般有哪幾大主要組成部分？各部分是怎樣互相聯(lián)系的？其中過程通道有幾種基本類型？它們在系統(tǒng)中起什么作用？答：計算機控制系統(tǒng)的硬件一般包括：主機、外部設(shè)備、過程輸入輸

2、出設(shè)備。兩個過程通道，一個是輸入通道，另一個為輸出過程通道。輸入過程通道包括：A/D通道-把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再輸入； DI通道-直接輸入開關(guān)量信號或數(shù)字量信號。輸出過程通道包括：D/A通道-把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后再輸出； DO通道-直接輸出開關(guān)量信號或數(shù)字量信號。1.4 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？答：直接數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件主要有計算機（主機）、過程輸入輸出通道、操作臺和計算機輔助設(shè)備組成。如下圖所示。1.5 數(shù)字控制算法有幾種形式？各有什么特點？答：數(shù)字控制算法有位置式、增量式、速度式三種形式。位置式根據(jù)偏差計算閥門的位置，增量式根據(jù)偏差計算閥門的變化；速度式根據(jù)偏差變

3、化程度計算閥門的變化。1.6 試推導(dǎo)計算機控制系統(tǒng)控制算法的位置式、增量式和速度式。答：模擬控制算法為其中，-比例增益 -積分時間常數(shù)在采樣周期相當短暫時，用矩形法近似代替積分項，其中為采樣周期，為采樣序號。位置式算法為：增量式算法為：速度式算法為：其中， -偏差（它是初始閥門位置） -第次輸出的偏差校正值 -第次采樣值的偏差校正值1.7 試推導(dǎo)計算機控制系統(tǒng)控制算法的位置式、增量式和速度式。答：模擬控制算法為其中，-比例增益 -微分時間常數(shù)在采樣周期相當短暫時，用后向差分法近似代替微分項，其中為采樣周期，為采樣序號。位置式算法為：增量式算法為：速度式算法為：其中， -偏差（它是初始閥門位置）

4、 -第次輸出的偏差校正值 -第次采樣值的偏差校正值1.8 集散型控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因是什么？為什么集散型控制系統(tǒng)能得到廣泛應(yīng)用？答：隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度的提高，使像DDC這樣集中控制系統(tǒng)無法滿足諸如控制回路增多、實現(xiàn)集中顯示和操作、實現(xiàn)多變量相關(guān)聯(lián)對象的控制要求，導(dǎo)致集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。DCS吸取了操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點，實現(xiàn)功能分散化，危險分散化，而管理和顯示集中，靈活的應(yīng)用使DCS得到廣泛應(yīng)喲功能和發(fā)展。1.9 與直接數(shù)字控制系統(tǒng)相比較，集散型控制系統(tǒng)的優(yōu)點是什么？答：與直接數(shù)字控制系統(tǒng)相比，集散控制系統(tǒng)具有控制功能分散、危險分散，而參數(shù)顯示和操作高度集中

5、的優(yōu)點。1.10 集散型控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是什么？答：集散控制系統(tǒng)的發(fā)展方向表現(xiàn)在兩個方向上：一個方向是向上發(fā)展，即向CIMS計算機集成制造系統(tǒng)、CIPS計算機集成過程系統(tǒng)方向發(fā)展；另一個方向是向下發(fā)展，即向FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方向發(fā)展。1.11 寫出下列縮略詞的中、英文名稱。SCC DDC DCS CIMS FCS答：SCC：Supervisory Computer Control 計算機監(jiān)督控制 DDC：Direct Digital Control 直接數(shù)字控制 DCS：Distributed Control System 集散控制系統(tǒng) CIMS：Computer Integrated

6、Manufactured System 計算機集成制造系統(tǒng) FCS：Fieldbus Control System 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) CIPS：Computer Integrated Process System 計算機集成過程系統(tǒng)第2章 集散型控制系統(tǒng)（DCS）的導(dǎo)論2.1 什么是集散型控制系統(tǒng)？它的主要特點是什么？答：集散控制系統(tǒng)又稱為分布式控制系統(tǒng)，是計算機技術(shù)(computer)、通信技術(shù)(communication)、圖形顯示技術(shù)(CRT)、控制技術(shù)(control)（簡稱4C技術(shù)）的發(fā)展產(chǎn)物，它是一個通過通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站聯(lián)系起來，共同完成分級控制、集中管理的

7、綜合控制系統(tǒng)。 它的主要特點是：可靠性高 靈活的擴展性 完善的自主控制性 完善的通信網(wǎng)絡(luò)。2.2 集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計思想是什么？答：集散控制系統(tǒng)的設(shè)計思想是：危險分散、控制功能分散，而操作和管理集中。2.3 集散型控制系統(tǒng)一般由哪幾部分組成？各自主要功能是什么？答：集散控制系統(tǒng)一般由過程控制單元、數(shù)據(jù)采集器、CRT顯示操作站、管理計算機以及高速數(shù)據(jù)通路五部分組成。過程控制單元：實現(xiàn)對DCS的一個或多個回路的較復(fù)雜閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采集器：針對生產(chǎn)過程中非控制變量而言，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及實時數(shù)據(jù)的進一步加工，供CRT操作站顯示和打印，實現(xiàn)開環(huán)監(jiān)視。CRT顯示操作站：它是DCS與外界聯(lián)系的人機

8、接口，具有顯示控制過程中各種信息、監(jiān)視操作、輸出報表，還對DCS的PCU和PIU進行組態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的操作和管理。高速數(shù)據(jù)通路：它將過程控制單元、操作站、管理計算機等設(shè)備連接成一個完整的DCS，以一定速率在各單元之間完成數(shù)據(jù)、指令及其它信息的傳輸，一般設(shè)置成冗余結(jié)構(gòu)。管理計算機：綜合監(jiān)視DCS的單元，管理DCS的所有信息，具有進行大型復(fù)雜運算的能力以及多輸入、多輸出控制功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制和全廠的優(yōu)化管理。2.4 什么是計算機網(wǎng)絡(luò)？集散型控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)常采用什么類型的網(wǎng)絡(luò)形式？答：凡是將地理位置不同而且具有獨立功能的各個計算機系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路將它們連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件（

9、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信息交換方式、控制程序和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源（硬件、軟件、信息）共享。集散控制系統(tǒng)常用總線網(wǎng)和環(huán)形總線網(wǎng)絡(luò)。2.5 什么是通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？常用的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有哪幾種？答：由網(wǎng)絡(luò)全體“成員”共同遵守的一套“約定”，以實現(xiàn)彼此通信和共享資源，這就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有： 開放系統(tǒng)互連參考模型OSI；IEEE802標準局域網(wǎng)標準；MAP制造業(yè)自動化通信協(xié)議；PROWAY過程數(shù)據(jù)高速公路。 2.9 已知數(shù)據(jù)傳送的信噪比為10，頻帶寬度為3kHz，試求（1）無噪聲信道上理論極限傳輸能力；（2）噪聲信道上理論極限傳輸能力；（3）雙絞線噪聲信道實際傳輸能力。答：由題意，信噪比為，頻帶寬度

10、為。 無噪聲信道上理論極限傳輸能力為 bit/s 噪聲信道上理論極限傳輸能力為 bit/s 雙絞線噪聲信道實際傳輸能力為 9600 bit/s2.10 OSI參考模型分為幾層？各層的主要作用是什么？答：OSI參考模型分為七層，各層的主要作用如下表所示。層次定義1物理層它是通信網(wǎng)上各設(shè)備之間的物理接口，直接把數(shù)據(jù)位信息從一臺設(shè)備傳送到另一臺設(shè)備。2數(shù)據(jù)鏈路層它負責將傳送的數(shù)據(jù)按幀結(jié)構(gòu)格式化，組織成幀，實現(xiàn)差錯控制和介質(zhì)訪問控制，實現(xiàn)對物理層的管理。3網(wǎng)絡(luò)層它的主要功能是信息包的路徑選擇和鏈路的協(xié)調(diào)管理，防止鏈路的死鎖和堵塞。4傳輸層它為會話層提供可靠而透明的端對端傳送服務(wù)，使信息傳送無差錯。5會

11、話層提供用戶進程之間的一次會話，其目的在于通過進程之間連接的建立和調(diào)節(jié)，使得連接雙方的交互活動變得簡易。6表示層它的功能是實現(xiàn)用戶與服務(wù)之間的翻譯與轉(zhuǎn)換。7應(yīng)用層它為用戶進程通信執(zhí)行面向應(yīng)用的任務(wù)，包括必要的監(jiān)督和管理。2.11 IEEE802標準包括哪些內(nèi)容？答：IEEE802標準的內(nèi)容包括： IEEE802.1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互連；IEEE802.2：邏輯鏈路控制；IEEE802.3：CSMA/CD總線訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.4：Token Passing Bus訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.5：Token Passing Ring訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；I

12、EEE802.6：城市網(wǎng)絡(luò)訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.7：寬帶網(wǎng)絡(luò)標準；IEEE802.8：光纖網(wǎng)絡(luò)標準；IEEE802.9：集成聲音數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。2.12 說明IEEE802.3，IEEE802.4 ，IEEE802.5通信協(xié)議主要解決網(wǎng)絡(luò)通信哪一層的問題？各有什么特點？答：IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5通信協(xié)議主要解決網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)鏈路層的問題。它們的特點為IEEE802.3：用于CSMA/CD總線訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.4：用于Token Passing Bus訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.5：用于Token Pass

13、ing Ring訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；2.13 在DCS中，對通信網(wǎng)絡(luò)訪問的存取控制技術(shù)主要有哪幾種？答：在DCS中，常用的存取訪問控制技術(shù)有：輪詢(Poll)、令牌傳送(Token Passing)、帶有碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問(CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。2.14 提高集散型控制系統(tǒng)的可靠性的途徑有哪些？在軟件、硬件方面各有什么措施？答：DCS充分利用計算機技術(shù)、通信技術(shù)、顯示技術(shù)、人機交換技術(shù)、硬件制造技術(shù)和其它電子技術(shù)上的一系列最新技術(shù)成果，為了提高DCS的可靠性，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、

14、CRT操作站的設(shè)置、通信系統(tǒng)的配置、系統(tǒng)的自診斷與在線維護功能、電源系統(tǒng)設(shè)計以及其它許多環(huán)節(jié)上均采取一系列措施。DCS在軟件、硬件方面采取如下措施以提高可靠性：1DCS的硬件采用宇航工藝，可靠性和性能價格比得到提高；2所有I/O卡具有良好的浪涌電壓吸收器及采取濾波、屏蔽等措施，能承受雷雨天氣的強烈電磁干擾；3對DCS的管理計算機采取一系列安全保密措施，如設(shè)置各種權(quán)限，提高對數(shù)據(jù)庫和文件等資源的保護；4對操作員鍵盤和工程師鍵盤加以區(qū)別，采用鍵鎖手段，防止人為造成的系統(tǒng)故障。2.15 集散型控制系統(tǒng)中，通常對關(guān)鍵性部件、系統(tǒng)要采用哪些冗余結(jié)構(gòu)？答：通常對DCS的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)均采用冗余化結(jié)構(gòu)。即多重化

15、構(gòu)成的自動備用方式，具體形式為同步運轉(zhuǎn)方式；待機運轉(zhuǎn)方式； 后退運轉(zhuǎn)方式。2.16 串級控制技術(shù)的基本思想是什么？它有哪些優(yōu)點？答：串級控制是在單回路單參數(shù)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。由于一般的單回路PID控制很難滿足被控對象在各種干擾因素同時作用下，實現(xiàn)高精度的控制要求。為此，引進了新的控制技術(shù)，即在原控制系統(tǒng)的控制回路中，增加一個或多個控制內(nèi)回路，而且是相互串接，一個控制回路的輸出是另一個控制回路的設(shè)定值，以達到控制可能引起被控對象發(fā)生變化的各種干擾因素，提高控制系統(tǒng)的性能指標，這就是串級控制技術(shù)的基本思想。串級控制系統(tǒng)中，副回路給系統(tǒng)帶來許多優(yōu)點：由于副回路的作用，串級控制比

16、單回路控制更具有抑制各種干擾的能力，因此設(shè)計時應(yīng)把主要的干擾包含在副回路中；采用串級控制可以克服被控對象的純滯后影響，改善系統(tǒng)的控制性能；若系統(tǒng)中含有非線性被控對象，把非線性被控對象包含在副回路中，能夠適應(yīng)操作條件和負荷的變化，自動改變副回路控制器的給定值，因而控制系統(tǒng)仍具有良好的自適應(yīng)能力。2.17 前饋控制的基本思想是什么？前饋和反饋相結(jié)合有什么好處？答：前饋控制實質(zhì)上是一種按擾動進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。當擾動產(chǎn)生后，被控變量還未顯示出變化前，根據(jù)擾動作用大小進行調(diào)節(jié)，以補償擾動作用對被控變量的影響。這種前饋作用運用恰當，可以使被控變量不會因擾動作用而產(chǎn)生偏差，比反饋控制要及時，并且不受系

17、統(tǒng)滯后的影響。對于精確的控制對象和擾動數(shù)學模型，如果補償?shù)卯?，對于某一特定擾動，前饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)十分理想，明顯優(yōu)于反饋控制系統(tǒng)。但是，要實現(xiàn)完全補償并非易事，因為工業(yè)過程的數(shù)學模型是時變的、非線性的；同時，擾動也是不可完全預(yù)見的，前饋控制只能在一定程度上補償擾動對被控制變量的影響。因此，為了保證有更大的適應(yīng)性，在工業(yè)過程中經(jīng)常把前饋控制與反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。前饋控制克服主要擾動的影響，反饋控制克服其余擾動及前饋補償不完全部分。這樣，系統(tǒng)即使在大而頻繁的擾動下，依然可以獲得良好的控制品質(zhì)。 2.18 試述Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)的設(shè)計思想及其實現(xiàn)。答：Smith預(yù)估補償

18、控制系統(tǒng)的設(shè)計思想：在控制系統(tǒng)設(shè)計時，為了提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，應(yīng)盡量減少處于閉合回路中的時滯，克服大時間滯后對控制系統(tǒng)的影響。它的實現(xiàn)過程為：未加入Smith預(yù)估器時，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中含有時滯，它降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果足夠大，則系統(tǒng)將不穩(wěn)定，這就是時滯過程難以控制的原因。 為了改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)，引入Smith預(yù)估器，使原閉環(huán)特征方程中不含時滯， 則要求Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)為 經(jīng)過Smith預(yù)估器的補償作用后，系統(tǒng)的特征方程中不含項，消除了時滯項對控制系統(tǒng)的影響，僅將控制作用在時間坐標上推移了一個時間，此時系統(tǒng)的過渡過程及控制品質(zhì)與無時滯的完全一致。 2.19 常用的順序控制系

19、統(tǒng)編程方法有哪幾種？其功能是什么？答：常用的順序控制系統(tǒng)編程方法很多。如梯形邏輯圖、功能模塊、助記符及編程語言等。梯形邏輯圖法是采用梯形邏輯圖來描述順序控制系統(tǒng)的邏輯順序關(guān)系；功能模塊法把邏輯運算作為功能模塊處理，按功能塊組態(tài)的方法連接起來完成編程；助記符方法在可編程邏輯控制器編程時經(jīng)常采用，它通常由操作碼、標識符和元素參數(shù)表示；編程語言采用集散型控制系統(tǒng)提供的語言或通用的高級語言來編程。 第6章 現(xiàn)場總線技術(shù)與應(yīng)用6.1 什么是現(xiàn)場總線？答：根據(jù)國際電工委員會IEC（International Electrotechnical Commision）標準和現(xiàn)場基金會FF(Fieldbus Fo

20、undation)的定義，現(xiàn)場總線的概念一般為：一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的底層通信總線。6.2 現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在哪些方面？答： 1現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)； 2現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)； 3互操作性； 4分散功能塊； 5通信線供電； 6開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。6.3 現(xiàn)場總線有哪些優(yōu)點？答：1全數(shù)字化； 2全分布； 3雙向傳輸； 4自診斷； 5節(jié)省布線及控制室空間； 6多功能儀表； 7開放性； 8互操作性； 9智能化與自治性6.4 現(xiàn)場總線有哪幾種典型類型？它們各有什么特點？答：常用的現(xiàn)場總線有5種類型，它們的特點如下表所示。特性現(xiàn)場總線類型FFProfibusHARTCA

21、NLonWorks開發(fā)公司Fisher-RosemountSiemensRosemountBocshEchelon應(yīng)用范圍儀表PLC智能變送器汽車樓宇自動化、工業(yè)自動化OSI網(wǎng)絡(luò)層次1、2、71、2、71、2、71、2、71-7通訊介質(zhì)雙絞線、光纜、同軸電纜雙絞線、光纜電源信號線雙絞線雙絞線、光纜、同軸電纜、無線和電力線介質(zhì)訪問方式令牌、主從令牌、主從令牌、查詢位仲裁的CSMA可預(yù)測P堅持CSMA（PP CSMA CRC）CSMA/CA糾錯方式CRCCRCCRCCRCCRC最大傳輸速率2.5Mbps12 Mbps12 Mbps1 Mbps1.25 Mbps最大節(jié)點數(shù)32（H1）124（H2）1281511032000優(yōu)先級有有有有有安全性是是是是是開發(fā)工具有有有有6.5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)（DCS）相比較，有哪些特點？答：1 數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級的模擬量（如420mA，05V等信號）和開關(guān)量信號。2 在車間級與設(shè)備級通信的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)。3 現(xiàn)場總線是工廠自動化過程中現(xiàn)場級通信的一次數(shù)字化革命。4 現(xiàn)場總線使自控系統(tǒng)