《集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線》教學(xué)大綱、習(xí)題答案

《集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線》教學(xué)大綱

一'課程基本信息

課程中文名：集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線

課程英文名：DistributedControlSystemandFieldBus

課程代碼：課程學(xué)分：2總學(xué)時(shí)數(shù)：32

課程類別：選修課程性質(zhì)：專業(yè)方向課程

開課學(xué)院：電氣信息工程學(xué)院適用專業(yè)：自動(dòng)化

先修課程：計(jì)算機(jī)原理與基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理

后續(xù)課程:

選用教材：集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線（第3版），劉國海等，機(jī)械工業(yè)出版社，2023

二、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)

（-）課程性質(zhì)

《集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線》是自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的專業(yè)方向課程，它建立在數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制

原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等課程知識(shí)的基礎(chǔ)上，為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生掌握集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等新

技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程基本任務(wù)是：掌握集散控制系統(tǒng)操作的基本原理，典型系統(tǒng)的構(gòu)造、

性能及操作原理，以及工程設(shè)計(jì)規(guī)范；掌握集散控制典型控制算法；典型現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用。

本課程將目前控制領(lǐng)域中的兩大技術(shù)熱點(diǎn)一一集散控制和現(xiàn)場(chǎng)總線有機(jī)結(jié)合，從集散控制系統(tǒng)

的硬件結(jié)構(gòu)、軟件體系、人機(jī)接口、控制算法，以及典型現(xiàn)場(chǎng)總線等方面進(jìn)行介紹。重點(diǎn)介紹了集

散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)、控制算法工程設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)技術(shù)，全面分析了CAN、LonWorks.FF、

PROFIBUS、ControlNet.EtherCAT等現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)、協(xié)議規(guī)范及通信接口的設(shè)計(jì)方法，并給

出典型集散與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例。本課程在人才培養(yǎng)方面強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)際

的結(jié)合，以提高學(xué)生分析問題和解決實(shí)際工程問題的能力。

（二）課程目標(biāo)

課程目標(biāo)1：掌握集散控制中蘊(yùn)含的馬克思主義辯證法知識(shí)，達(dá)到運(yùn)用集中分散辯證統(tǒng)一的

思想分析設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力.

課程目標(biāo)2：掌握集散控制系統(tǒng)的基本概念、發(fā)展歷史與基本結(jié)構(gòu)，達(dá)到理解集散控制系統(tǒng)

的能力。

課程目標(biāo)3：掌握集散控制系統(tǒng)的基本控制算法，達(dá)到能運(yùn)用基本控制算法實(shí)現(xiàn)集散控制的

能力。

課程目標(biāo)4：掌握集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本概念與結(jié)構(gòu)，達(dá)到理解集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通

信方法的能力。

課程目標(biāo)5：掌握典型現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議、特點(diǎn)以及功能，達(dá)到理解現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控

制的方法。

課程目標(biāo)6：掌握集散控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)和工程設(shè)計(jì)規(guī)范，達(dá)到運(yùn)用這些指標(biāo)和規(guī)范分析

評(píng)估集散控制系統(tǒng)性能的能力。

三'課程內(nèi)容與教學(xué)要求

第0章緒論

（-）課程內(nèi)容

1.集散控制系統(tǒng)的概念；

2.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的概念。

（二）教學(xué)要求

1.了解本課程的性質(zhì)、研究對(duì)象與方法、任務(wù)；

2.了解集散控制系統(tǒng)基本概念和發(fā)展；

3.了解現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的概念與發(fā)展。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

了解集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的概念。

2.難點(diǎn)

集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)系。

第一章集散控制系統(tǒng)

（~）課程內(nèi)容

1.集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；

2.集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；

3.集散控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)；

4.集散控制系統(tǒng)的操作和顯示方式；

5.集散控制所蘊(yùn)含的馬克思主義辯證法內(nèi)容。

（二）教學(xué)要求

1.了解研究集散控制系統(tǒng)基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)；

2.了解集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；

3.了解集散控制系統(tǒng)的操作和現(xiàn)實(shí)方式；

4.理解集散控制所蘊(yùn)含的馬克思主義辯證法內(nèi)容。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

了解集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

2.難點(diǎn)

集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

第二章集散控制系統(tǒng)的控制算法

（-）課程內(nèi)容

1.PID控制算法；

2.前饋控制；

3.解耦控制；

4.時(shí)滯補(bǔ)償控制；

5.自適應(yīng)控制；

6.順序控制；

7.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

（二）教學(xué)要求

了解集散控制系統(tǒng)常用控制算法的原理，適用范圍以及主要算法的特點(diǎn)，要求根據(jù)控制任務(wù)正

確選擇控制算法。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

幾種典型控制算法的基本原理。

2.難點(diǎn)

針對(duì)實(shí)際對(duì)象，靈活選擇控制算法并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。

第三章集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)特性

（-）課程內(nèi)容

1.數(shù)據(jù)通信的基本概念；

2.集散控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)；

3.集散控制系統(tǒng)中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

（二）教學(xué)要求

了解集散控制系統(tǒng)通信原理、0S1模型結(jié)構(gòu)。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

控制系統(tǒng)通信原理。

2.難點(diǎn)

OSI模型結(jié)構(gòu)。

第四章控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線

（-）課程內(nèi)容

1.現(xiàn)場(chǎng)總線的定義；

2.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的分類；

3.現(xiàn)場(chǎng)總線的核心與基礎(chǔ)；

4.現(xiàn)場(chǎng)總線與1T計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的區(qū)別；

5.現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議模型；

6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（二）教學(xué)要求

了解控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線定義，現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議模型。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

控制用現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)。

2.難點(diǎn)

控制用現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議模型。

第五章幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線

（一）課程內(nèi)容

1.CAN總線；

2.LonWorks總線；

3.FF總線；

4.PROFIBUS協(xié)議；

5.ControlNet總線；

6.DeviceNet總線；

7.EtherCATo

（二）教學(xué)要求

了解幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)，典型應(yīng)用領(lǐng)域。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

典型現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)與技術(shù)規(guī)范。

2.難點(diǎn)

針對(duì)典型案例，靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)總線。

第六章集散控制系統(tǒng)性能指標(biāo)與工程設(shè)計(jì)規(guī)范

（一）課程內(nèi)容

1.集散控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)；

2.集散控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)規(guī)范；

3.集散控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)與選擇

4.按照集中分散辯證統(tǒng)一的思想設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。

（二）教學(xué)要求

1.了解集散控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)規(guī)范；

2.了解按照集中分散辯證統(tǒng)一的思想設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方法。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

集散控制系統(tǒng)的可靠性計(jì)算。

2.難點(diǎn)

集散控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)與選擇。

第七章工程應(yīng)用舉例

（一）課程內(nèi)容

1.集散控制系統(tǒng)在自來水廠中的應(yīng)用；

2.CTN2000發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

3.集散控制系統(tǒng)在發(fā)電廠350MW機(jī)組中的應(yīng)用；

4.實(shí)際工程中集中分散概念辯證統(tǒng)一的體現(xiàn)。

（二）教學(xué)要求

1.了解幾種典型的集散和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；

2.了解按照集中分散概念辯證統(tǒng)一的思想分析設(shè)計(jì)實(shí)際工程系統(tǒng)的方法。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.重點(diǎn)

通過工程案例了解工程設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.難點(diǎn)

通過典型案例，靈活掌握本課程知識(shí)。

四、本課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,

編號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)類型要求支撐的課程目標(biāo)

1集散控制算法仿真實(shí)驗(yàn)2設(shè)計(jì)性選做3

2集散控制系統(tǒng)應(yīng)用案例2驗(yàn)證性必做2,3

3現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)應(yīng)用案例2驗(yàn)證性必做4,5

注：L“類型”填驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性等;

2.“要求”填必做、選做。

實(shí)驗(yàn)1:集散控制算法仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：采用MATLAB軟件，針對(duì)典型對(duì)象數(shù)學(xué)模型，選擇合適的控制算法，并設(shè)計(jì)控制器。

實(shí)驗(yàn)要求：（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)學(xué)對(duì)象模型涉及單輸入單輸出系統(tǒng)、雙輸入雙輸出系統(tǒng)以及單輸入

單輸出時(shí)滯系統(tǒng)；（2）給出詳細(xì)的控制器推導(dǎo)過程；（3）針對(duì)階躍和斜坡輸入，給出MATLAB仿真結(jié)

果；（4）將推導(dǎo)過程、仿真結(jié)果以及分析，寫過詳細(xì)的報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)2：集散控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：針對(duì)多容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用組態(tài)軟件，完成下列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）數(shù)據(jù)庫組態(tài)；（2）

設(shè)備組態(tài)；（3）算法組態(tài)；（4）畫面組態(tài)；（5）系統(tǒng)組態(tài)。

實(shí)驗(yàn)要求：（1）熟悉集散控制系統(tǒng)（DCS）的組成；（2）掌握MACS組態(tài)軟件的使用方法；（3）

培養(yǎng)靈活組態(tài)的能力；（4）掌握系統(tǒng)組態(tài)與裝置調(diào)試的技能；（5）分析所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中蘊(yùn)含的

馬克思主義辯證法知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)3：現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：搭建一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要涉及S7-300、S7-200、PROFIBUS通訊

方法、MCGS組態(tài)軟件等。

實(shí)驗(yàn)要求：用一臺(tái)研華工控機(jī)作為上位機(jī)，并采用MCGS組態(tài)軟件作為監(jiān)控軟件。在工控機(jī)上安

裝一塊西門子CP5611卡后，MCGS組態(tài)軟件既可與S7-300通過MPI通訊方式進(jìn)行連結(jié)，實(shí)現(xiàn)MCGS

對(duì)S7-300的監(jiān)控，進(jìn)而達(dá)到對(duì)總線上的其他設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的目的。

五、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法及支撐課程目標(biāo)

章

教學(xué)形式及學(xué)時(shí)分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)

（按序填寫）

理論實(shí)上其小

授課驗(yàn)機(jī)它計(jì)

第0章1講授法1,2

第一章3講授法1,2

第二章42研究型教學(xué)法3

第三章6講授法4

第四章4講授法5

第五章2講授法5

第六章4講授法6

第七章24講授法、演示法123,4,5,6

合計(jì)266

注：1.課程實(shí)踐學(xué)時(shí)按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃列入表格；

2.主要教學(xué)方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學(xué)方法（基于問題、項(xiàng)目、案例

等教學(xué)方法）等。

六'課程考核

考核方式或考核考核對(duì)應(yīng)的

序號(hào)考核要求備注

途徑權(quán)重課程目標(biāo)

平時(shí)作業(yè)及作業(yè)按要求認(rèn)真完成，

120%1,2,3,4,5包含思政

課堂表現(xiàn)出勤率6（?方可得分

2實(shí)驗(yàn)達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%2,3,4,5

3期末考試考題覆蓋課程目標(biāo)70%1,2,3,4,5,6包含思政

總評(píng)成績(jī)100%

注：1.課程考核應(yīng)做到過程性考核與終結(jié)性考核相結(jié)合。

2.考核形式主要包括課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、階段測(cè)試、期中考試、期末考試、大作業(yè)、小

論文、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和作品等。

3.考核要求包括作業(yè)次數(shù)、考試方式（開卷、閉卷）、項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求等。

4.考核權(quán)重指該考核方式或途徑在總成績(jī)中所占比重。

5.考核內(nèi)容須包含課程思政成效考核。

七、課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)

在課程結(jié)束后，需對(duì)課程每一個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行計(jì)算與分析。課程目標(biāo)達(dá)成情況通過課

程過程性評(píng)價(jià)和課程終結(jié)性評(píng)價(jià)來綜合確定。

1.過程性評(píng)價(jià)，通過過程性考核提供評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，原則上一門課程的過程性考核形式種類不少于

2種（不包括考勤），次數(shù)不少于3次，考核形式與考核內(nèi)容須有效支撐課程目標(biāo)達(dá)成，過程性考核

須有成績(jī)?cè)u(píng)定，并作為學(xué)生成績(jī)構(gòu)成部分記入期末總評(píng)成績(jī)表。

2.課程終結(jié)性評(píng)價(jià)，通過課程終結(jié)性考核提供評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，課程考核形式與考核內(nèi)容須有效支撐

課程目標(biāo)達(dá)成，終結(jié)性考核須有成績(jī)?cè)u(píng)定，并作為學(xué)生成績(jī)構(gòu)成部分記入期末總評(píng)成績(jī)表。

3.課程過程性考核與終結(jié)性考核數(shù)據(jù)按照大綱要求的權(quán)重支撐課程目標(biāo)是否達(dá)成，課程目標(biāo)達(dá)

成目標(biāo)值由課程組確定，對(duì)于某一課程目標(biāo)，支撐其達(dá)成的各類考核的權(quán)重之和為1。課程考核采

用的不同考核方式，均須有詳細(xì)的評(píng)分說明。

4.課程結(jié)束后即進(jìn)行課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果是學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果的重要反映，也是

課程質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的重要依據(jù)。

課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算表如下:

實(shí)際評(píng)測(cè)結(jié)果(學(xué)生

對(duì)應(yīng)考核

課程目標(biāo)達(dá)到的平均水平，平總分AS達(dá)成度值

形式

均分)AR

達(dá)成度P=AR/AS,

①平時(shí)作業(yè)平均分；①平時(shí)作業(yè)總分；②

①平時(shí)作業(yè)；課程目標(biāo)1達(dá)成度

課程目標(biāo)1②期末考試對(duì)應(yīng)考期末考試對(duì)應(yīng)考核

②期末考試。值取2種考核方式

核試題的平均分。試題的總分。

達(dá)成度的加權(quán)和。

達(dá)成度P=AR/AS,

①平時(shí)作業(yè)平均分；①平時(shí)作業(yè)總分；②

①平時(shí)作業(yè)；課程目標(biāo)2,3,4,5達(dá)

課程目標(biāo)②實(shí)驗(yàn)平均分；③期實(shí)驗(yàn)總分；③期末考

②實(shí)驗(yàn)；成度值取3種考核

2,3,4,5末考試對(duì)應(yīng)考核試試對(duì)應(yīng)考核試題的

③期末考試。方式達(dá)成度的加權(quán)

題的平均分?？偡?。

和。

期末考試對(duì)應(yīng)考核期末考試對(duì)應(yīng)考核

課程目標(biāo)6期末考試達(dá)成度P=AR/AS

試題的平均分.試題的總分。

八'參考書目及學(xué)習(xí)資料

(1)集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線(第3版)，劉國海等，機(jī)械工業(yè)出版社，2023

(2)集散控制系統(tǒng)，周榮富，陶文英，北京理工大學(xué)出版社，2020

(3)DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，肖軍，清華大學(xué)出版社，2011

九、大綱說明

實(shí)驗(yàn)1可安排為課后完成。

制定人：

審定人：

批準(zhǔn)人：

年月日

集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線第3版習(xí)題答案

第1章

1.集散控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是什么？為什么集散控制系統(tǒng)要分散控制、集中管理？

集散控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是分散控制和集中管理。分散控制可以將危險(xiǎn)分散，避免

故障對(duì)系統(tǒng)其他部分的影響，集中管理可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、

操作，可以減少管理人員的數(shù)量和工作量。

2.開放系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是什么？集散控制系統(tǒng)為什么是開放系統(tǒng)？

開放系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：⑴可移植性(Portability),⑵可適宜性(Scalability),

(3)可得到性(Availability),(4)互操作性(Interconvertibility)

因?yàn)榧⒖刂葡到y(tǒng)符合這些特點(diǎn)。

3.集散控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是什么？

向集成化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。

4.為什么說現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)對(duì)控制的徹底分散？

按照傳統(tǒng)觀點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不屬于集散控制系統(tǒng)的范疇，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的飛速

發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)，微處理機(jī)已經(jīng)進(jìn)入變送器和執(zhí)行器，現(xiàn)場(chǎng)信息已經(jīng)成

為整個(gè)系統(tǒng)信息中不可缺少的一部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制的徹底分散。

5.集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是什么？

集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)自下而上分別是：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)。

6.如何組成集散控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)？

集散控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化的結(jié)構(gòu)。因?yàn)橛布K的選擇與系統(tǒng)的價(jià)格較

為密切，加上硬件的配置與現(xiàn)場(chǎng)的要求聯(lián)系較緊，因此硬件的基本配置在合同談判階段

就已確定。硬件配置包括下列幾個(gè)方面的內(nèi)容：工程師站的選擇；操作員站的選擇；現(xiàn)

場(chǎng)控制站的配置。

7.過程控制站、數(shù)據(jù)采集站、運(yùn)行員操作站、工程師站、計(jì)算站的主要功能是什么？

過程控制站接收由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如傳感器、變送器來的信號(hào)，按照一定的控制策略計(jì)

算出所需的控制量，并送回到現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器中去。過程控制站可以同時(shí)完成連續(xù)控制、

順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能。

數(shù)據(jù)采集站與過程控制站類似，也接收由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備送來的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行一些必

要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到集散型控制系統(tǒng)中的其他部分，主要是監(jiān)控主設(shè)備。數(shù)據(jù)采集

站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級(jí)設(shè)備傳遞給運(yùn)行人員。數(shù)據(jù)采集站不直接完成控

制功能，這是它與過程控制站的主要區(qū)別。

運(yùn)行員操作站是運(yùn)行員與集散型控制系統(tǒng)相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備。運(yùn)行人員

通過運(yùn)行員操作站來監(jiān)視和控制整個(gè)生產(chǎn)過程。運(yùn)行人員可以在運(yùn)行員操作站上觀察生

產(chǎn)過程的運(yùn)行情況，讀出每一個(gè)過程變量的數(shù)值和狀態(tài)，判斷每個(gè)控制回路是否工作正

常，并且可以隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制方式的切換，修改給定值，調(diào)整控制量，操作現(xiàn)場(chǎng)

設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的干預(yù)。另外還可以打印各種報(bào)表，拷貝屏幕上的畫面和曲線

等。

工程師工作站是為了控制工程師對(duì)集散控制系統(tǒng)進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)所設(shè)

置的工作站。工程師工作站的另一個(gè)作用是對(duì)各種設(shè)計(jì)文件進(jìn)行歸類和管理，形成各種

設(shè)計(jì)文件，例如，各種圖紙、表格等。工程師工作站一般由PC機(jī)配置一定數(shù)量的外部

設(shè)備所組成，例如打印機(jī)、繪圖機(jī)等。

計(jì)算站的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)督控制，例如機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和性能計(jì)算，

先進(jìn)控制策略的實(shí)現(xiàn)等。由于計(jì)算站的主要功能是完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算功能，因

此，對(duì)它的要求主要是運(yùn)算能力和運(yùn)算速度。一般，計(jì)算站由超級(jí)微型機(jī)或小型機(jī)構(gòu)成。

8.集散控制系統(tǒng)的軟件體系包括哪些軟件？

一個(gè)基本的過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件可以分成兩個(gè)部分：系統(tǒng)軟件（又稱計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)軟件）和應(yīng)用軟件（又稱過程控制軟件）。集散控制系統(tǒng)的軟件體系中包括了上述

兩種軟件，但由于其分布式結(jié)構(gòu)，又增加了諸如通訊管理軟件、組態(tài)生成軟件及診斷軟

件等。

9.如何設(shè)計(jì)集散控制系統(tǒng)顯示畫面？

集散控制系統(tǒng)的顯示畫面主要指操作站、工程師站的顯示畫面，還包括管理站或上

位機(jī)的顯示畫面。為了有效地進(jìn)行管理和操作，操作站的顯示畫面是分層次的。集散控

制系統(tǒng)的顯示畫面大致可分為四層：區(qū)域顯示，單元顯示，組顯示和細(xì)目顯示。

第2章

1.集散控制系統(tǒng)中采用的PID控制算法與常規(guī)模擬儀表中采用的控制算法有什么區(qū)別?

在集散控制系統(tǒng)中，要把PID控制算式進(jìn)行離散化處理，以便實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。集

散控制系統(tǒng)的PID控制算法可分為三類：位置算法、增量算法、速度算法。

2.為什么前饋控制常與反饋控制結(jié)合起來使用？

前饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)十分理想，要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償并非易事。因?yàn)橐玫焦I(yè)過程的

精確數(shù)學(xué)模型是十分困難的，同時(shí)，擾動(dòng)也往往不止特定的一種或數(shù)種。為了保證有更

大的適應(yīng)性，因此工業(yè)過程的許多場(chǎng)合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)。前饋克服主要擾動(dòng)的影響，反饋控制克服其余擾動(dòng)及前饋補(bǔ)償不完全部分。

這樣，系統(tǒng)即使在大而頻繁的擾動(dòng)下，依舊可以獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。

3.前饋控制系統(tǒng)的控制規(guī)律如何確定？在實(shí)施前饋控制時(shí)要注意什么問題？

下圖所示是換熱器的前饋控制系統(tǒng)及其方框圖。

設(shè)擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為G/(s),控制通道的傳遞函數(shù)為G0(s),則如把擾動(dòng)測(cè)量出

來，并通過前饋補(bǔ)償裝置G4(s)的控制作用，使擾動(dòng)控制作用變?nèi)?，此時(shí)系統(tǒng)的輸出為:

y(s)=[G/(s)+Gd(s)Go(s)]尸(s)

為了使系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下，輸出y的偏差等于零。則應(yīng)滿足下列條件:

G/(s)+G,/(s)Go(s)=O

即

在實(shí)施前饋控制時(shí)要注意兩個(gè)問題:

1)偏置值的設(shè)置

前饋反饋控制系統(tǒng)中引入偏置值十分必要。總控制信號(hào)”是前饋控制信號(hào)與和反饋

控制信號(hào)分之和，如正常工況下，前饋控制信號(hào)=12mA,則反饋控制信號(hào)人只能在

4?12mA變化，使反饋控制信號(hào)被壓縮，同時(shí)，使總控制信號(hào)輸出不能在全范圍內(nèi)(4?

20mA)變化，為此，需引入偏差信號(hào)“〃，其值正好抵消正常工況下前饋控制信號(hào)輸出Q，

即〃=U(.+Ud—Ubo

2)前饋補(bǔ)償裝置的參數(shù)選擇

在許多工業(yè)過程控制中，靜態(tài)前饋控制已可以獲得滿意的控制效果。所以靜態(tài)增益

心的選擇十分重要。觴的選擇可以通過物料平衡或熱量平衡的計(jì)算獲得，也可以依據(jù)

操作參數(shù)計(jì)算。如果擾動(dòng)量為力時(shí)，輸出為由,可使被控變量保持在設(shè)定值。而在擾動(dòng)

為人時(shí)，輸出應(yīng)為〃，，才能使被控變量維持在設(shè)定值，則K"應(yīng)為：％=萼=

關(guān)于力和心的選擇，一般最好進(jìn)行測(cè)試得到，或按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，觀測(cè)過渡過程曲線，

進(jìn)行選擇和判斷。

4.為什么要實(shí)現(xiàn)解耦控制？具體有哪些方法？

一個(gè)生產(chǎn)裝置往往要設(shè)置若干個(gè)控制回路來穩(wěn)定各個(gè)被控變量?；芈分g可能相互

耦合，相互影響。為消除各回路間的影響，需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂坡剩瑢?shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的解耦控

制。具體方法有：串接解耦控制，逆系統(tǒng)解耦控制。其中串接解耦控制又可分為：對(duì)角

線矩陣法，單位矩陣法和前饋補(bǔ)償法。

5.試述Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

實(shí)際系統(tǒng)中存在時(shí)滯為了克服e"帶來的效應(yīng)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)通過

引入適當(dāng)?shù)姆答伃h(huán)節(jié)，使系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中(即特征方程中)不含時(shí)滯項(xiàng)。

6.自適應(yīng)控制有哪幾類？模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)？

自適應(yīng)控制一般有以下幾類：簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制系統(tǒng)，模型參考型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，

自校正控制系統(tǒng)。

典型的模型參考型自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖所示。圖中參考模型表示了控制系統(tǒng)的性能

要求。輸入『⑴一方面送到控制器，產(chǎn)生控制作用，對(duì)過程進(jìn)行控制，系統(tǒng)的輸出為y(f);

另一方面，r⑺送往參考模型，其輸出為為⑺，體現(xiàn)了預(yù)期的品質(zhì)要求。把y⑺和加⑺進(jìn)

行比較，偏差送往適應(yīng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而改變控制器參數(shù)，使y⑺能更好地接近%，⑺。

7.順序控制分為哪幾類？

順序控制系統(tǒng)可分為時(shí)間順序、邏輯順序和條件順序控制三類。

8.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制的基本原理是什么？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制的基本原理是：采用由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和若干積分器組成的動(dòng)態(tài)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造被控多輸入多輸出連續(xù)非線性系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行“線性化”

并解耦，然后對(duì)線性化解耦后的各線性子系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，從而獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)

態(tài)特性與抗干擾能力。

第3章

1.為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)？常用的調(diào)制方法有哪些？

基帶傳輸不適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)制。用基帶信

號(hào)調(diào)制載波之后，在信道上傳輸調(diào)制后的載波信號(hào)，這就是載帶傳輸。從調(diào)制后的信號(hào)

中恢復(fù)原來的二進(jìn)制信號(hào)，這就需要用到解調(diào)。常用的調(diào)制方法有：調(diào)幅方式、調(diào)頻方

式和調(diào)相方式。

2.同步和異步通信的主要特點(diǎn)是什么？

在異步傳輸中，信息以字符為單位進(jìn)行傳輸，每個(gè)信息字符都具有自己的起始位和

停止位，一個(gè)字符中的各個(gè)位是同步的，但字符與字符之間的時(shí)間間隔是不確定的。

在同步傳輸中，信息不是以字符而是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｍㄐ畔到y(tǒng)中有專

門用來使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步的時(shí)鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續(xù)工作，并且

保持一定的相位關(guān)系。在這一組數(shù)據(jù)或一個(gè)報(bào)文之內(nèi)不需要啟/停標(biāo)志，所以可以獲得較

高的傳輸速度。

3.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中通常采用哪幾種數(shù)據(jù)交換方式？報(bào)文分組交換方式中的虛電路和數(shù)

據(jù)報(bào)交換方式有什么區(qū)別？

4.集散控制系統(tǒng)中對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)有什么要求？

集散控制系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求，也就是工業(yè)控制用通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

1.快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力

2.具有極高的可靠性

3.適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

5.ISO的OSI將網(wǎng)絡(luò)通信分為幾層?各層的主要作用是什么？

見表3-2

6.為什么要采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)?現(xiàn)場(chǎng)總線有什么特點(diǎn)？

當(dāng)微處理器進(jìn)入過程控制系統(tǒng)的檢測(cè)、變送及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)用

較少的線控制較多的設(shè)備，提出了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的精簡(jiǎn)

實(shí)時(shí)的總線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)分層采用了OSI模型的第一、二和七層。在應(yīng)用層分為現(xiàn)場(chǎng)總

線訪問子層FAS和現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范FMS兩個(gè)子層。在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中，把第二層和

第七層合并，稱為通信棧。

7、說明IEEE802.2、IEEE802.3、IEEE802.4和IEEE802.5通信協(xié)議主要是解決網(wǎng)絡(luò)通信

哪一層問題？

IEEE802.2對(duì)LLC作了規(guī)定。由于在同一LLC子層中，可以有多種媒體存取的方

式，采用單一的結(jié)構(gòu)不能滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要，因此，IEEE802委員會(huì)分別對(duì)帶有

沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取、令牌總線、令牌環(huán)等三種媒體存取方式規(guī)定了相應(yīng)的協(xié)

議，即IEEE802.3、IEEE802.4及IEEE802.5協(xié)議。為此，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層分

為LLC與MAC子層。

8.現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的基本特點(diǎn)是什么？

現(xiàn)場(chǎng)總線采用開放系統(tǒng)互連參考模型的第一、二和第七層，并把第二層和第七層合

并稱為通信棧。

H1現(xiàn)場(chǎng)總線采用的傳輸速率是31.25kbps。其前導(dǎo)碼在不采用中繼器時(shí)是一個(gè)字節(jié)，

即是10101010。幀開始定界碼和結(jié)束定界碼是由加有特定的無同步跳變編碼的N+和N-

編碼組成。

現(xiàn)場(chǎng)總線采用曼徹斯特編碼。當(dāng)高電平跳變到低電平時(shí)表示數(shù)字1,從低電平跳變

到高電平表示數(shù)字0。特殊碼沒有用于同步的跳變，在時(shí)鐘周期內(nèi)高電平表示N+,低電

平表示N-o

9.TCP/IP的基本特點(diǎn)是什么？

在Internet和Intranet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，TCP/IP協(xié)議是兩個(gè)最著名的Internet協(xié)議。

TCP(TransmissionControlProtocol)是傳輸控制協(xié)議，是對(duì)應(yīng)傳輸層的協(xié)議，它保證數(shù)據(jù)

可靠地被傳送。IP(InternetProtocol)是網(wǎng)際協(xié)議，是對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，它用于提供數(shù)

據(jù)傳輸?shù)臒o連接服務(wù)。由于TCP/IP更注重?cái)?shù)據(jù)發(fā)送的互聯(lián)，因此已成為當(dāng)前網(wǎng)際互聯(lián)

協(xié)議的最佳選擇。TCP用于提供應(yīng)用程序之間(端到端)的通信，主要包括提供格式化的

信息流，提供可靠的端到端的差錯(cuò)控制和流量控制，提供不同應(yīng)用程序的識(shí)別等。

第4章

1.試給出現(xiàn)場(chǎng)總線的定義。

根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC1158定義：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)

的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)分哪幾類？各有什么特點(diǎn)？

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以分為五大類：1）數(shù)字控制；2）機(jī)器人

控制；3）物料經(jīng)營控制；4）批量過程控制；5）連續(xù)過程控制。

或分為三大領(lǐng)域：1）模擬連續(xù)過程類；2）數(shù)字分立動(dòng)作類；3）監(jiān)控類。連續(xù)類要求

處理模擬能力與本安防爆；分立類要求總線有快速反應(yīng)；監(jiān)控類要求總線有大量節(jié)點(diǎn)。

3.為什么說現(xiàn)場(chǎng)總線的核心是總線協(xié)議？

由于現(xiàn)場(chǎng)總線是眾多儀表之間的接口，同時(shí)希望現(xiàn)場(chǎng)總線滿足可互操作性要求，因

此，對(duì)于一個(gè)開放的總線而言，總線協(xié)議，亦即標(biāo)準(zhǔn)化，顯得尤為重要。由于標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)

現(xiàn)場(chǎng)總線的意義重大，因此可以這樣說，每一種現(xiàn)場(chǎng)總線都是有標(biāo)準(zhǔn)的，它是現(xiàn)場(chǎng)總線

的核心。

4.現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議與ISO的通信協(xié)議有什么區(qū)別？

現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議在ISO七層模型的基礎(chǔ)上增加了面向用戶的第8層用戶層，取消

了ISO模型的3-6層，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層組成。

第5章

1.試敘述7種總線的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合？

CAN總線是開放系統(tǒng)，但沒有嚴(yán)格遵循ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)的7層參考模型(OSI),

出于對(duì)實(shí)時(shí)性和降低成本等因素的考慮，CAN總線只采用了其中最關(guān)鍵的兩層，即物

理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN是國際上應(yīng)用很廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。它作為一種串行通信

總線，現(xiàn)在已經(jīng)在汽車工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域的控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

LonWorks總線是一種基于嵌入式神經(jīng)元芯片的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有強(qiáng)勁的實(shí)力。

它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工程過程

控制等領(lǐng)域，低成本和高性能是它的最大優(yōu)勢(shì)。

FF總線系統(tǒng)是為了適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)，特別是過程自動(dòng)化系統(tǒng)在功能、環(huán)境與技術(shù)

上的需要而專門設(shè)計(jì)的。這種現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)是由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織開發(fā)的。它得到

了世界上一些主要自動(dòng)控制設(shè)備制造商的廣泛支持，在北美、亞太與歐洲等地區(qū)具有較

強(qiáng)的影響力，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的目標(biāo)是致力于開發(fā)出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。

PROFIBUS是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線。PROFIBUS產(chǎn)

品的市場(chǎng)份額占?xì)W洲首位，大約為40%。目前世界上許多自動(dòng)化設(shè)備制造商如西門子公

司都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS廣泛應(yīng)用于加工制造、過程

和樓宇自動(dòng)化。

ControlNet是面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時(shí)間

關(guān)鍵性I/O數(shù)據(jù)和報(bào)文數(shù)據(jù)，包括程序的上載/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和端到端的報(bào)文傳遞等通

信支持，是具有高度確定性、可重復(fù)的高速控制和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，I/O性能和端到端通

信性能都比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較大提高。ControlNet是開放的現(xiàn)場(chǎng)總線，截止1999年底在全世

界范圍內(nèi)已經(jīng)擁有近70家成員單位，由獨(dú)立性國際組織控制網(wǎng)國際負(fù)責(zé)管理，控制網(wǎng)

國際旨在維護(hù)和發(fā)行ControlNet技術(shù)規(guī)范，管理成員單位共同的市場(chǎng)推廣工作，同時(shí)提

供各個(gè)廠商產(chǎn)品之間的一致性和互操作性測(cè)試服務(wù)，保證ControlNet的開放性。

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術(shù)的，符合全球

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放型、低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。它通過一根電纜將諸如可編程序控制

器、傳感器、光電開關(guān)、操作員終端、電動(dòng)機(jī)、軸承座、變頻器和軟起動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)智能

設(shè)備連接起來，是分布式控制系統(tǒng)減少現(xiàn)場(chǎng)I/O接口和布線數(shù)量，并將控制功能下載到

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的理想解決方案。在制造領(lǐng)域里，設(shè)備網(wǎng)已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

EtherCAT(是一個(gè)開放架構(gòu)，是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。EtherCAT是確

定性的工業(yè)以太網(wǎng)，最早是由德國的Beckhoff公司研發(fā)。EtheQAT開發(fā)的目的就是讓

以太網(wǎng)可以運(yùn)用在自動(dòng)化應(yīng)用中，適用于在對(duì)資料更新時(shí)間短、資料同步時(shí)的通訊抖動(dòng)

量低，而且要求硬件成本低的場(chǎng)合。

2.7種總線的總線協(xié)議有什么不同？

(結(jié)合第4章P106-P107)

CAN總線是只有底層協(xié)議的總線標(biāo)準(zhǔn)。它適合于簡(jiǎn)單的位式總線(Bitbus)。由于它

受的約束較少，因此適用面較寬，但它并不保證符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品之間一定能通信。

LonWorks總線有底層和上層協(xié)議的總線標(biāo)準(zhǔn)。雖然其適用范圍窄一些，但它更容

易保證產(chǎn)品之間的通信。

FF總線具有底層、上層協(xié)議和行規(guī)的總線標(biāo)推。它的應(yīng)用對(duì)象往往很明確，具有

較好的可互操作性。

PROFIBUS協(xié)議的結(jié)構(gòu)定向是根據(jù)ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(OSI)