第2章 集散型控制系統(tǒng)習(xí)題及答案

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(diǎn)是什么？答：集散控制系統(tǒng)又稱為分布式控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)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(jiǎn)稱4C技術(shù)）的發(fā)展產(chǎn)物，它是一個(gè)通過通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站、工程師站聯(lián)系起來，共同完成分級(jí)控制、集中管理的綜合控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是：①可靠性高②靈活的擴(kuò)展性③完善的自主控制性④完善的通信網(wǎng)絡(luò)。2.2集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是什么？答：集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：危險(xiǎn)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(jì)算機(jī)以及高速數(shù)據(jù)通路五部分組成。過程控制單元：實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS的一個(gè)或多個(gè)回路的較復(fù)雜閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采集器：針對(duì)生產(chǎn)過程中非控制變量而言，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步加工，供CRT操作站顯示和打印，實(shí)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(jī)接口，具有顯示控制過程中各種信息、監(jiān)視操作、輸出報(bào)表，還對(duì)DCS的PCU和PIU進(jìn)行組態(tài)，實(shí)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(jì)算機(jī)等設(shè)備連接成一個(gè)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(jì)算機(jī)：綜合監(jiān)視DCS的單元，管理DCS的所有信息，具有進(jìn)行大型復(fù)雜運(yùn)算的能力以及多輸入、多輸出控制功能，以實(shí)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(jì)算機(jī)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(dú)立功能的各個(gè)計(jì)算機(jī)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（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(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；MAP制造業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議；PROWAY過程數(shù)據(jù)高速公路。2.6試分別畫出數(shù)字量：（1）65H和（2）BAH的不歸零、歸零及差分曼徹斯特編碼的信號(hào)波形圖。答：65H轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制是：01100101BBAH轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制是：10111010B2.7已知數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)送端的碼元序列為01101101B，試求接收端碼元序列分別為01101100B和01100011B時(shí)的差錯(cuò)碼元序列。答：當(dāng)接收端的碼元序列為01101100B時(shí)的差錯(cuò)碼元序列為當(dāng)接收端的碼元序列為01100011B時(shí)的差錯(cuò)碼元序列為2.8已知信息碼=1011，要生成循環(huán)碼（8，4），設(shè)采用的循環(huán)碼生成多項(xiàng)式為：，求生成的循環(huán)碼。答：由題意，信息碼為=1011，對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為為了獲得循環(huán)冗余碼，將兩邊乘以，得利用余式定理，再除以生成多項(xiàng)式，得余式為于是，循環(huán)冗余碼所對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為對(duì)應(yīng)二進(jìn)制循環(huán)冗余碼為101110112.9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(shí)際傳輸能力。答：由題意，信噪比為，頻帶寬度為。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(shí)際傳輸能力為9600bit/s2.10OSI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(tái)設(shè)備傳送到另一臺(tái)設(shè)備。2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層它負(fù)責(zé)將傳送的數(shù)據(jù)按幀結(jié)構(gòu)格式化，組織成幀，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制和介質(zhì)訪問控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)話層提供可靠而透明的端對(duì)端傳送服務(wù)，使信息傳送無差錯(cuò)。5．會(huì)話層提供用戶進(jìn)程之間的一次會(huì)話，其目的在于通過進(jìn)程之間連接的建立和調(diào)節(jié)，使得連接雙方的交互活動(dòng)變得簡(jiǎn)易。6．表示層它的功能是實(shí)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(jìn)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。2.11IEEE802標(biāo)準(zhǔn)包括哪些內(nèi)容？答：IEEE802標(biāo)準(zhǔn)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：TokenPassingBus訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.5：TokenPassingRing訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.6：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(biāo)準(zhǔn)；IEEE802.8：光纖網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)；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(diǎn)？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(diǎn)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TokenPassingBus訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；IEEE802.5：用于TokenPassingRing訪問方法和物理層技術(shù)規(guī)范；2.13在DCS中，對(duì)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(TokenPassing)、帶有碰撞檢測(cè)的載波監(jiān)聽多重訪問(CSMA/CD:CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)。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(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、顯示技術(shù)、人機(jī)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)、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(hù)功能、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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：1．DCS的硬件采用宇航工藝，可靠性和性能價(jià)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(qiáng)烈電磁干擾；3．對(duì)DCS的管理計(jì)算機(jī)采取一系列安全保密措施，如設(shè)置各種權(quán)限，提高對(duì)數(shù)據(jù)庫和文件等資源的保護(hù)；4．對(duì)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(duì)關(guān)鍵性部件、系統(tǒng)要采用哪些冗余結(jié)構(gòu)？答：通常對(duì)DCS的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)均采用冗余化結(jié)構(gòu)。即多重化構(gòu)成的自動(dòng)備用方式，具體形式為同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式；待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式；后退運(yùn)轉(zhuǎn)方式。2.16串級(jí)控制技術(shù)的基本思想是什么？它有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：串級(jí)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(duì)象在各種干擾因素同時(shí)作用下，實(shí)現(xiàn)高精度的控制要求。為此，引進(jìn)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(gè)或多個(gè)控制內(nèi)回路，而且是相互串接，一個(gè)控制回路的輸出是另一個(gè)控制回路的設(shè)定值，以達(dá)到控制可能引起被控對(duì)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(biāo)，這就是串級(jí)控制技術(shù)的基本思想。串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路給系統(tǒng)帶來許多優(yōu)點(diǎn)：由于副回路的作用，串級(jí)控制比單回路控制更具有抑制各種干擾的能力，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把主要的干擾包含在副回路中；采用串級(jí)控制可以克服被控對(duì)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(duì)象，把非線性被控對(duì)象包含在副回路中，能夠適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化，自動(dòng)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(shí)質(zhì)上是一種按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后，被控變量還未顯示出變化前，根據(jù)擾動(dòng)作用大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。這種前饋?zhàn)饔眠\(yùn)用恰當(dāng)，可以使被控變量不會(huì)因擾動(dòng)作用而產(chǎn)生偏差，比反饋控制要及時(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。對(duì)于精確的控制對(duì)象和擾動(dòng)數(shù)學(xué)模型，如果補(bǔ)償?shù)卯?dāng)，對(duì)于某一特定擾動(dòng)，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(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償并非易事，因?yàn)楣I(yè)過程的數(shù)學(xué)模型是時(shí)變的、非線性的；同時(shí)，擾動(dòng)也是不可完全預(yù)見的，前饋控制只能在一定程度上補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)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(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，依然可以獲得良好的控制品質(zhì)。2.18試述Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)。答：Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想：在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)滯，克服大時(shí)間滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響。它的實(shí)現(xiàn)過程為：未加入Smith預(yù)估器時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中含有時(shí)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(shí)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(shí)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(bǔ)償作用后，系統(tǒng)的特征方程中不含項(xiàng)，消除了時(shí)滯項(xiàng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，僅將控制作用在時(shí)間坐標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)間，此時(shí)系統(tǒng)的過渡過程及控制品質(zhì)與