第2章 集散型控制系统习题及答案

第2章集散型控制系统（DCS）的导论2.1 什么是集散型控制系统？它的主要特点是什么？答：集散控制系统又称为分布式控制系统，是计算机技术(computer)、通信技术(communication)、图形显示技术(CRT)、控制技术(control)（简称4C技术）的发展产物，它是一个通过通信网络将现场控制站、操作员站、工程师站联系起来，共同完成分级控制、集中管理的综合控制系统。

它的主要特点是：①可靠性高②灵活的扩展性③完善的自主控制性④完善的通信网络。

2.2 集散型控制系统的设计思想是什么？答：集散控制系统的设计思想是：危险分散、控制功能分散，而操作和管理集中。

2.3 集散型控制系统一般由哪几部分组成？各自主要功能是什么？答：集散控制系统一般由过程控制单元、数据采集器、CRT显示操作站、管理计算机以及高速数据通路五部分组成。

过程控制单元：实现对DCS的一个或多个回路的较复杂闭环控制。

数据采集器：针对生产过程中非控制变量而言，实现数据采集、预处理以及实时数据的进一步加工，供CRT操作站显示和打印，实现开环监视。

CRT显示操作站：它是DCS与外界联系的人机接口，具有显示控制过程中各种信息、监视操作、输出报表，还对DCS的PCU和PIU进行组态，实现系统的操作和管理。

高速数据通路：它将过程控制单元、操作站、管理计算机等设备连接成一个完整的DCS，以一定速率在各单元之间完成数据、指令及其它信息的传输，一般设置成冗余结构。

管理计算机：综合监视DCS的单元，管理DCS的所有信息，具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制功能，以实现系统的最优控制和全厂的优化管理。

2.4 什么是计算机网络？集散型控制系统的通信网络常采用什么类型的网络形式？答：凡是将地理位置不同而且具有独立功能的各个计算机系统通过通信设备和线路将它们连接起来，由功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式、控制程序和网络操作系统）实现网络资源（硬件、软件、信息）共享。

集散控制系统常用总线网和环形总线网络。

2.5 什么是通信网络协议？常用的通信网络协议有哪几种？答：由网络全体“成员”共同遵守的一套“约定”，以实现彼此通信和共享资源，这就是网络协议。

常见的网络协议有：开放系统互连参考模型OSI；IEEE802标准局域网标准；MAP制造业自动化通信协议；PROWAY过程数据高速公路。

2.6 试分别画出数字量：（1）65H和（2）BAH的不归零、归零及差分曼彻斯特编码的信号波形图。

答：65H转换为二进制是：01100101BBAH转换为二进制是：10111010B2.7 已知数据传输中发送端的码元序列为01101101B ，试求接收端码元序列分别为01101100B 和01100011B 时的差错码元序列。

答：当接收端的码元序列为01101100B 时的差错码元序列为B RC E 000000010110110001101101=⊕=⊕=当接收端的码元序列为01100011B 时的差错码元序列为B RC E 000011100110001101101101=⊕=⊕=2.8 已知信息码m =1011，要生成循环码（8，4），设采用的循环码生成多项式为：1)(234+++=x x x x g ，求生成的循环码。

答：由题意，信息码为m =1011，对应的多项式为1)(3++=x x x m为了获得循环冗余码，将)(x m 两边乘以4x ，得457344)1()(x x x x x x x m x ++=++⨯=⨯利用余式定理，再除以生成多项式)(x g ，得余式)(x r 为1)(3++=x x x r于是，循环冗余码所对应的多项式为1)(3457+++++=x x x x x x v对应二进制循环冗余码为 101110112.9 已知数据传送的信噪比为10，频带宽度为3kHz ，试求（1）无噪声信道上理论极限传输能力；（2）噪声信道上理论极限传输能力；（3）双绞线噪声信道实际传输能力。

答：由题意，信噪比为10=NS ，频带宽度为kHz H 3=。

无噪声信道上理论极限传输能力为v H R 2log 2=2log 103223⨯⨯⨯=k 6= bit/s噪声信道上理论极限传输能力为)1(log 2NS H R += )101(log 10323+⨯⨯=k 38.10= bit/s双绞线噪声信道实际传输能力为9600 bit/s2.10 OSI 参考模型分为几层？各层的主要作用是什么？答：OSI 参考模型分为七层，各层的主要作用如下表所示。

2.11 IEEE802标准包括哪些内容？答：IEEE802标准的内容包括：IEEE802.1：系统结构和网络互连；IEEE802.2：逻辑链路控制；IEEE802.3：CSMA/CD总线访问方法和物理层技术规范；IEEE802.4：Token Passing Bus访问方法和物理层技术规范；IEEE802.5：Token Passing Ring访问方法和物理层技术规范；IEEE802.6：城市网络访问方法和物理层技术规范；IEEE802.7：宽带网络标准；IEEE802.8：光纤网络标准；IEEE802.9：集成声音数据网络。

2.12 说明IEEE802.3，IEEE802.4 ，IEEE802.5通信协议主要解决网络通信哪一层的问题？各有什么特点？答：IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5通信协议主要解决网络通信中的数据链路层的问题。

它们的特点为IEEE802.3：用于CSMA/CD总线访问方法和物理层技术规范；IEEE802.4：用于Token Passing Bus访问方法和物理层技术规范；IEEE802.5：用于Token Passing Ring访问方法和物理层技术规范；2.13 在DCS中，对通信网络访问的存取控制技术主要有哪几种？答：在DCS中，常用的存取访问控制技术有：轮询(Poll)、令牌传送(Token Passing)、带有碰撞检测的载波监听多重访问(CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Detection)。

2.14 提高集散型控制系统的可靠性的途径有哪些？在软件、硬件方面各有什么措施？答：DCS充分利用计算机技术、通信技术、显示技术、人机交换技术、硬件制造技术和其它电子技术上的一系列最新技术成果，为了提高DCS的可靠性，在系统的结构、CRT操作站的设置、通信系统的配置、系统的自诊断与在线维护功能、电源系统设计以及其它许多环节上均采取一系列措施。

DCS在软件、硬件方面采取如下措施以提高可靠性：1．DCS的硬件采用宇航工艺，可靠性和性能价格比得到提高；2．所有I/O卡具有良好的浪涌电压吸收器及采取滤波、屏蔽等措施，能承受雷雨天气的强烈电磁干扰；3．对DCS的管理计算机采取一系列安全保密措施，如设置各种权限，提高对数据库和文件等资源的保护；4．对操作员键盘和工程师键盘加以区别，采用键锁手段，防止人为造成的系统故障。

2.15 集散型控制系统中，通常对关键性部件、系统要采用哪些冗余结构？答：通常对DCS的关键性环节均采用冗余化结构。

即多重化构成的自动备用方式，具体形式为同步运转方式；待机运转方式；后退运转方式。

2.16 串级控制技术的基本思想是什么？它有哪些优点？答：串级控制是在单回路单参数控制系统的基础上发展起来的一种控制技术。

由于一般的单回路PID控制很难满足被控对象在各种干扰因素同时作用下，实现高精度的控制要求。

为此，引进了新的控制技术，即在原控制系统的控制回路中，增加一个或多个控制内回路，而且是相互串接，一个控制回路的输出是另一个控制回路的设定值，以达到控制可能引起被控对象发生变化的各种干扰因素，提高控制系统的性能指标，这就是串级控制技术的基本思想。

串级控制系统中，副回路给系统带来许多优点：由于副回路的作用，串级控制比单回路控制更具有抑制各种干扰的能力，因此设计时应把主要的干扰包含在副回路中；采用串级控制可以克服被控对象的纯滞后影响，改善系统的控制性能；若系统中含有非线性被控对象，把非线性被控对象包含在副回路中，能够适应操作条件和负荷的变化，自动改变副回路控制器的给定值，因而控制系统仍具有良好的自适应能力。

2.17 前馈控制的基本思想是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？答：前馈控制实质上是一种按扰动进行调节的开环控制系统。

当扰动产生后，被控变量还未显示出变化前，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。

这种前馈作用运用恰当，可以使被控变量不会因扰动作用而产生偏差，比反馈控制要及时，并且不受系统滞后的影响。

对于精确的控制对象和扰动数学模型，如果补偿得当，对于某一特定扰动，前馈控制系统的品质十分理想，明显优于反馈控制系统。

但是，要实现完全补偿并非易事，因为工业过程的数学模型是时变的、非线性的；同时，扰动也是不可完全预见的，前馈控制只能在一定程度上补偿扰动对被控制变量的影响。

因此，为了保证有更大的适应性，在工业过程中经常把前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈-反馈控制系统。

前馈控制克服主要扰动的影响，反馈控制克服其余扰动及前馈补偿不完全部分。

这样，系统即使在大而频繁的扰动下，依然可以获得良好的控制品质。

2.18 试述Smith预估补偿控制系统的设计思想及其实现。

答：Smith预估补偿控制系统的设计思想：在控制系统设计时，为了提高系统的控制质量，应尽量减少处于闭合回路中的时滞，克服大时间滞后对控制系统的影响。

它的实现过程为：未加入Smith 预估器时，系统闭环传递函数的)(s G B 分母中含有时滞s e τ-，它降低了系统的稳定性。

如果τ足够大，则系统将不稳定，这就是时滞过程难以控制的原因。

为了改善系统的控制品质，引入Smith 预估器，使原闭环特征方程中不含时滞s e τ-， 则要求Smith 预估器的传递函数为)1)(()(0s c e s G s G τ--=经过Smith 预估器的补偿作用后，系统的特征方程中不含s e τ-项，消除了时滞项对控制系统的影响，s e τ-仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间τ，此时系统的过渡过程及控制品质与无时滞的完全一致。

2.19 常用的顺序控制系统编程方法有哪几种？其功能是什么？答：常用的顺序控制系统编程方法很多。

如梯形逻辑图、功能模块、助记符及编程语言等。

梯形逻辑图法是采用梯形逻辑图来描述顺序控制系统的逻辑顺序关系；功能模块法把逻辑运算作为功能模块处理，按功能块组态的方法连接起来完成编程；助记符方法在可编程逻辑控制器编程时经常采用，它通常由操作码、标识符和元素参数表示；编程语言采用集散型控制系统提供的语言或通用的高级语言来编程。