集散系统阶段练习二

集散系统阶段性练习 2 （第三章～第四章）：
一、填空题
1、集散控制系统性能评估的指标有可靠性、可组态性，实时性和经济性等。

2、衡量集散控制可靠性的指标有可靠度，MTBF，MTTF和失效率等。

3、为了提高集散控制系统的实时性，对减少无效通信量常采取的措施有例外报告、广播式通信和压缩数据的包装等。

4、横河公司对集散系统的可靠性设计提出三个准则，分别是：系统运行不受故障影响的准则、系统不易发生故障的准则和迅速排除故障的准则。

5、在集散控制系统，常采用冗余结构的部件或系统有供电系统、过程控制装臵、
通信系统和操作站等。

（至少列出3个）
6、对于扰动可测、不可控，扰动变化频繁且幅值较大的场合宜采用前馈控制（哪类控制算法构成的系统）。

7、生产过程中的被控变量有时不能直接测量，如果扰动也不能直接测得，则应采用推断控制（哪类控制算法构成的系统）。

8、针对一个生产装置的控制回路之间存在相互关联、相互耦合的存在，常采用解耦控制来减少和解除耦合（哪类控制算法构成的系统）。

9、系统数学模型参数未知，常采用自适应控制通过相应地改变控制器的参数，以适应系统特性的变化，从而可以保证系统的性能（哪类控制算法构成的系统）。

10、离散PID控制算法包括位臵算法，增量算法和速度算法等三种算法。

11、在集散系统的评估过程中常采用的方法有偏离表法和矩阵表法。

12、假设单机系统的可靠度是99.9%，那用这样的系统组成冗余的双机系统，其可靠度可达到99.9999%。

二、选择题
1、下面属于衡量DCS系统的性能指标有①③④。

①可靠性；②分散性；③可组态性；④实时性。

2、衡量DCS系统可靠性的指标有①②③④。

①可靠度；② MTBF；③失效率（故障率）；④有效度。

3、提高集散控制系统可靠性的措施有①②③④。

①冗余设计技术；②系统运行不易发生故障的设计；③提高系统的自诊断功能；④采用专门的诊断、检修设备。

4、集散控制系统的操作功能包括②③④。

①过程显示功能；②过程组态功能；③过程画面调用功能；④过程操作功能
5、在集散控制系统中，为了满足过程控制的要求，常设计出一些包含子功能的专用的功能模块，而子功能的有无则通过设置功能模块的①来确定。

①功能参数；②连接参数；③系统参数；④设置参数。

6、在DCS中为了减少无效通信量常采用的措施有②③④。

①减少网络通信的吞吐量；②例外报告；③改进数据的包装；④采用广播式的发送方式；
7、集散控制系统常用的控制算法有①②③④。

① PID；②前馈控制；③串级控制；④选择控制。

8、在离散PID控制算法中常采用三种形式，分别是①②④。

①位置算法；②增量算法；③减量算法；④速度算法。

9、在DCS中组态操作通常包括①②③④。

①系统组态；②控制组态；③画面组态；④操作组态。

10、日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了三个准则，分别是①②④。

①系统运行不受故障影响；②系统不易发生故障；③采用标准化产品；④迅速排除故障。

三、简答题
1、已知某连续系统的控制器的传递函数为
D(s) =
s s
1.018 .0
1
用计算机数字实现时，采样周期设定为T=1s。

写出增量型PID算法的表达式。

答：D(s) = 10.180.1s s + = 1.8 + s 1.01
与控制器的理想PID 表达式比较
)11()()(s T s
T Kp s E s U D I ++= 得 Kp =1.8, Kp/T I = 1/0.1, T D = 0
解得：Kp = 1.8， T I = 0.18s
最后得增量型PID 算法的表达式为：
2、简述前馈控制系统的设计思想，以及为什么前馈要与反馈结合起来使用。

答：前馈控制系统是根据扰动来调节的开环控制系统。

其特点是当扰动产生后，被控变量还未发生变化之前，根据扰动作用大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。

特别适合扰动可测、不可控，扰动频繁且幅值较大的场合。

从以上前馈控制装臵的传递函数形式表明其与被控对象的模型有很大关系，而且与扰动的数量有关。

在实际工业过程中，要获得精确的数学模型是十分困难的，而且扰动也往往不止特定的一种或数种，因此为了保证有更大的适应性，要求前馈控制与反馈控制相结合，前馈克服主要扰动的影响，而反馈控制克服其余扰动及前馈补偿不完全部分。

这样在大而频繁的扰动下，仍然能获得优良的控制品质。

3、简述离散PID 控制的优缺点，为什么与等效参数下的连续PID 相比会产生控制性能的差异？
答： 1）对离散PID 控制来说，P 、I 、D 三种控制作用是独立的，没有控制器0()[()()()]()
f d Y s G s G s G s F s =+0()()()0
f d G s G s G s +=在扰动 f 的作用下，输出y 的偏差等于0
[][]()()(1)()()2(1)(2)11.8()(1)()0.181.8()(1)10()
T Td u n Kp e n e n e n e n e n e n Ti T e n e n e n e n e n e n ⎧⎫∆=--++----⎨⎬⎩⎭
⎧⎫=--+⎨⎬⎩⎭
=--+
0()()()f d G s G s G s =-
参数之间的关联。

2）离散PID 控制的参数不受硬件的制约，可以在更大范围内设臵。

3）采用离散PID 控制，引入了采样周期T s ，这样会产生一个T /2s 的滞后环节，使控制品质变差。

也因此导致在等效参数情况下，不如连续PID 的控制性能
4、试以串、并联为例来分析系统结构给系统可靠度带来的影响。

答：1、串联系统的可靠性
若每个子系统的可靠度分别为(1,...,)i R i n =，那么串联系统的可靠度为
1231n
s n i i R R R R R R ===∏ 。

在串联系统中，任一子系统失效都将导致整个系统的失效。

若每个子系统的可靠度分别为(1,...,)i R i n =，那么并联系统的可靠度为
1211(1)(1)(1)1(1)n
s n i i R R R R R ==----=--∏
在并联系统中，只要有一个子系统正常工作，那么整个系统就能正常工作。

5、集散控制系统中采用哪些措施来提高实时性？
答：系统的实时性主要与通信速率、媒体存取控制、减小无效通信率、实时控制的数据结构和多任务应用等因素有关。

因此从这几个方面采取以下措施可以提高实时性：
1、选用较高通信速率的集散系统；
2、采用合适的媒体存取控制方式；
3、减小无效通信量；
4、采用如分布式数据库结构实时控制的数据结构和多任务应用软件。

四 组态题
1、以TPS 系统为例完成一个单回路PID 控制系统的组态至少要使用哪些功能模块？画出组态的框图。

答：完成一个单回路PID 控制系统的组态至少需要：输入/输出模块和PID 模块
五、论述题
试述集散控制系统可靠性设计的准则有哪些？提高集散控制系统的可靠性可采取哪些措施？
答： DCS的可靠性是评估集散系统的一个重要性能指标。

除了系统制造时应该保证符合设计要求外，还可以从可靠性设计和维修性两个方面进行分析。

在可靠性设计时一般遵循下列准则：
1）、有效地利用以前的经验；
2）、尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数；
3）、采用标准化的产品；
4）、检查、调试和互换容易实现；
5）、零件互换性好；
6）、可靠性特殊设计方法，如可靠度合理分配、冗余设计等。

提高集散系统主要从硬件和软件两个方面着手。

提高集散系统硬件可靠性的措施可从下面几个方面考虑：
1）冗余结构设计。

冗余结构设计可以保证系统运行时不受故障的影响。

设计冗余结构的范围应与系统的可靠性要求、自动化水平以及经济性一起考虑。

为了便于多级操作，实现分散控制、集中管理的目标，在集散系统的应用时，越是处于下层的部件、装臵或系统越需要冗余，而且冗余度也越高。

一般对过程控制装臵、供电系统、通信系统等都需采用合适的冗余结构。

2）不易发生故障的硬件设计。

为了提高使用寿命，可从下面几个方面考虑硬件的设计和系统的选型。

对于运动部件多选用电子元器件；而对接插卡件则考虑计算机控制的自动流水线上通过先进的制造工艺生产的卡件；另外对电路优化设计采用大规模和超大规模的集成电路芯片，尽可能减少焊接点。

3）迅速排除故障的硬件设计
为了迅速排除故障，减小MTTR，除了具有足够的备品备件以及提高维修人员技能外，在硬件设计方面可采取下述措施：自诊断，通常由硬件和软件共同来完成自诊断功能；采用易检修、更换、不易发生故障的硬件设计；制造专用
的诊断和检修设备以及具有良好的售后服务和足够的备品备件。

提高集散系统软件可靠性的措施主要从下面几个方面考虑：
1）分散结构设计；把整体的软件设计分散成个子系统的设计，各自独立，又共享资源。

这种分散结构的软件设计既有利于设计工作的开展也有利于软件的调试。

2）容错设计；在软件设计中的容错技术是指在软件设计时，对误操作不予响应的技术是指对于操作人员的误操作，如不按设计顺序则软件不会去输出操作指令，或者输出有关提示操作出错的信息。

3）标准化；采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性。

还为其他软件公司的软件产品移植、应用提供条件。