上海工程技术大学分布式控制系统复习题要点

简答题1、典型的分布式控制系统主要包括哪几个部分？一个典型的DCS系统包括四大部分组成：至少一个现场控制站(完成系统的运算处理控制)，至少一个操作员站(完成人机界面功能、供操作员操作监视)，一台工程师站（用于离线组态、在线修改和操作系统开发。

也可以利用一台操作员站兼做工程师站）和一条通信系统2、分布式都有哪几种冗余结构？各有什么优缺点？为什么要采用冗余结构？1)分布式控制有两种冗余结构，一种是整体式冗余结构，另一种是分离式冗余结构。

2)整体式系统是由早期单回路调节器和PLC组成，因本身有操作器，常采用仪表盘备用方式；分离式冗余结构常采用多重化冗余结构：配备冷备用数据库，操作器热备用，CRT远程遥控备用等。

整体式冗余结构可以实现完全与系统分离备用，系统受干扰较小，但是系统成本较高，自动化水平较低；分离式冗余结构可以选择重要部件备用，投资较小。

3)分布式控制系统是实时在线控制系统，搞可靠性是评价分布式控制系统的主要指标，通常要求MTBF达到99.9999%以上，就必须对系统采用冷备用，热备用等方式。

通常通信系统全部冗余，控制站中主控部件热备用，电源N+1:N热备用，子模件和端子板N+1:N冷备用。

3、简述最小拍控制系统的特点。

1)若参数不变，可以实现时间最优控制；2)本质是开环控制；3)加反馈可实现闭环最优控制。

4、为什么说分布式控制是递阶控制系统？1)分布式控制系统具有以下特点：2)网络结构，将各个子系统通过总线连接起来；3)分层结构，有工程师站，操作站和控制站等构成；4)主从结构，集中操作、分散控制，控制站内部又分主从部件。

5)基于以上三点，分布式控制系统是递阶控制系统。

5、人机界面的要求主要包括哪些内容？人机接口主要是CRT的操作站。

对他们主要要求是环境要求，输入特性和图形特性的要求；1)化境要求首先指人机接口设备对环境的要求：有耐冲击和振动的特性；环境要求的第二部分是对供电的要求，它包括供电电压等级、类型和容量及允许的极限值等，也涉及到供电方式，冗余配置等内容；环境要求的第三部分是对互联设备的通信距离限制；2)输入特性的改善使操作员的操作内容和方式发生根本变化；3)图形特性是人机接口的重要特性：采用图形用户界面（GUI）、图形处理器（GP）和图形缓冲（GB）使人机接口的图形特性得到极大的提高。

人机接口的性能取决于所采用的硬件设备和软件系统。

采用多任务操作系统、关系数据库、高速数据查询语言及X窗口技术，使得操作人员可以很方便的监视和错做生产过程，使得控制工程师可以方便的组态和编程，使维护工程师能及时发现故障并正确处理。

6、报警的定义？答：7. 分布式控制系统为什么采用现场总线控制力式?采用现场总线控制方式具有如下优点：①消除4mA—20模拟仪表通讯的瓶颈现象：将传统的通讯是单向的模拟信号转变为双向的数字通讯：②降低现场安装费用和减少相应的设备；电缆和输入输山卡可以大幅度减少；③增强了系统的自治性；采用现场总线标准智能仪表后，操作人员可以方便地在控制室刑现场设备进行监控；④系统组态简单、安装、运行和维修方便。

8简述分布式控制系统的可扩展件、可移植性。

随着产品的完善和控制规模的扩人，分布式控制系统的硬件和应用软件可以增加。

硬件包括通讯系统、控制器和操作站等，应刖软件包括操作界面、控制功能和数模开发等。

一旦系统运行成功以后，可以被移植到任何相似的工艺过程中。

9、简述分布式控制系统的组态工作内容。

分布式控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态。

系统组态完成组成系统的各设备间的连接。

画面组态完成操作站的各种画面、画面间连接。

控制组态完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。

趋势显示、历史数据压缩、数据报表打印及画面拷贝等组态常作为画面组态或控制组态的一部分来完成。

10、对人机接口的要求主要包括哪些内容？人机接口主要是CRT的操作站。

对它们主要要求是环境要求、输入特性和图形特性要求：○1环境要求首先指人机接口设备对环境条件的要求；有耐冲击和震动的特性；环境要求的第二部分是对供电的要求；它包括供电电压等级、类型和容量及允许的极限值等，也涉及到供电方式，冗余配置等内容；环境要求的第三部分是对互联设备的通信距离的限制；○2输入特性的改善使操作员的操作内容和方式发生根本变化；○3图形特性是人机接口的重要特性；采用图形用户界面（GUI）、图形处理器（GP）和图形缓冲（GB）使人机接口的图形特性得到极大的提高。

人机接口的性能取决于所选用的硬件设备和软件系统。

采用多任务操作系统、关系数据库、高速数据查询语言及X窗口技术，使得操作人员可以很方便的监视和操作生产过程，使得控制工程师可以方便的组态和编程，使维护工程师能及时发现故障并正确处理。

11.什么叫动态显示？答：分布式控制系统对图形显示采用动态处理，得到动态的实感。

具体有如下方法：a. 升降式动态处理方法b. 推进式动态显示流体流动的方法c. 色彩动态显示温度的方法d. 填色动态显示设备状态的方法e. POPUP 动态操作的方法12.画出数字PID 闭环控制系统结构图，并阐述各部分特点。

答：在生产过程计算机控制系统中，采用图2.5所示的PID 控制，其算式为1()c d i de u K e edt T T dt=++⎰ 或写成传递函数形式()1(1)()c d i U s K T s E s T s=++其中，c K 为比例增益，c K 与比例带δ成倒数关系，即1c K =，i T 为积分时间，d T 为微分时间，u 为控制量，e 为被控量y 与给定值r 的偏差。

13、简述选择性控制的基本原理 ：1）适应不同的工况，即设备在不同状态下，采用不同的控制方式。

通常的自动控制系统在遇到不正常工况或特大扰动时，很可能无法适应，只好从自动改为手动。

2）基于安全考虑。

在手动操作的一段时间里，操作人员为确保生产安全，适应特殊情况，有另一套操作规律，若将这一任务交给另一控制器来实现，那就可扩大自动化应用范围，使生产更加安全。

3）基于热备用考虑，一台控制器在线，另一台控制器热备用论述题1.国内常用的分布式控制系统构成：中国CONTEC公司的CONTEC-9000系统由管理级，监控级，控制级，和现场级组成。

管理级：中央管理机支持1024个站；监控级：操作站和工程师站；控制级：16个控制站，320个回路，6400个控制点；现场级：RS—485现场总线，32个RTU;（附图看下课本P2）2、试描述在分布式控制系统中如何实现前馈控制与反馈控制相结合的控制模式?解：前馈控制实质是一种按扰动进行调节的开环控制系统，其作用是使被控制变量不受主要扰动作用而产生偏差。

其特点是当扰动产生后，被控制变量还未显示出变化以前，根据扰动大小进行调节，以补偿扰动对被控对象的影响。

而反馈控制是误差控制，其作用是克服其余扰动以及前馈补偿不完全的部分。

要实现完全补偿并非易事，因为要得到工业过程的精确数学模型是十分困难的；同时扰动也不是特定的一种。

为保证系统有更大的适应性，工业过程的许多场合把前馈控制与反馈控制结合起来，实现前馈控制与反馈控制相结合的控制模式。

3在数字PID 控制中，为什么常采用增量算法?因为数字系统是在各个采样点上读入过程值，而积分环节是将系统过去时刻符采样值(n 个)累加起来，即需要在系统中开辟n 个存储空问，并在各个采样周期内完成累加工作。

随着时间的推移，n 值逐步增人，其存储空间运算量越来越大，直至系统瘫痪。

为此，采样增量算法，使系统存储空间和运算量变成固定的两步运算即：()0()()[()(1)]kk p I D i U K e k K e i K e k e k ==++--∑变化为：()[()(1)]()[(1)(2)]k p I D U K e k e k K e k K e k e k =--++--- 4绘制PLC 的工作原理图并简述其工作过程工作原理目：工作过程：PLC 作过程实际上周而复始地执行读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU 自诊断和写输出地扫描过程。

5.设被控对象传递函数为Gp(s),其前后均有较强干扰，采用复式控制（前馈和反馈），请画出系统框图并给出调节器。

解：因为被控对象前后均有较强干扰，所以在被控对象前后干扰通道的传递环节G f 和干扰补偿环节G d 。

()()Gp s Gc PID Gp s smith ∴被控对象的传递函数已给出，可使用调节器；若含纯滞后环节，可用预估器。

6.判断该梯形图画法正确与否？7、如何在分布式控制系统中实施解耦控制方式？这类耦合可以转化为串级耦合，对这类串级解耦，可以用对角线、单位矩阵法，消除耦合元素。

如对角线矩阵法：()()()Y S G S U S =()()()U S D S P S =()()()()Y S G S D S P S ∴=欲使系统间无关联，只需G(S)D(S)相乘后成为对角阵。

即1122()0G(S)D(S)=0G (S)G S ⎡⎤⎢⎥⎣⎦原理题设计题1.圆弧插补法1）M 点偏差22222m m m m F R R X Y R =-=+-若m F =0，则M 点在圆弧上；若m F >0，则M 点在圆弧外；若m F <0，则M 点在圆弧内。

对逆向第二象限圆弧插补（假设步长为1）： 当0m F ≤时，沿-X 方向移动一步，即111,m m m m X X Y Y ++=-=122121m m m m F R R F X ++=-=-+ 当0m F >时，沿-Y 方向移动一步， 即11,1m m m m X X Y Y ++==-121m m m F F Y +=-+2）算步数（以X =1） X 方向：0X e N X X X =-=5Y 方向：0Y e N Y Y Y =-=5 3）路径推断表2、简述选择性控制的基本原理，并用流程图形式画出锅炉蒸汽系统中蒸汽流量变小时系统调节过程3、设计行车（正反转）控制逻辑图。

符号说明：QF：空气开关；KH：热继电器；KM1，KM2：正反转接触器；SB2，SB3：正反转按钮；SB1：停止按钮梯形图；SB1接I0.0；SB2接I0.1；SB3接I0.2；KH接Q0.1；KM1接Q0.0；KM2接Q0.1。

Q0.1综合题1、信号灯循环点亮1）硬件选择本系统对PLC的I/O总要求为：2个开关量输入点，3个开关量输出点。

综合考虑各方面因素及进一步发展的要求，设计选择西门子S7—300系列PLC为控制核心，CPU模块可选用CPU314C—2DP 。

电源选择PS 307 5A。

2）I/O分配其中M0.0为启动按钮，M0.1为停止按钮，Q0.0、Q0.1、Q0.2分别控制三只灯。

此程序可以实现当M0.0接通一个脉冲时，Q0.0接通1s后断开，然后接着Q0.1接通1s后断开，再接着Q0.2接通1s后断开，如此循环。