集散控制习题解答.doc

知识要点和部分习题解答 DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等。DCS又称分布式或集散式控制系统。 常见的通信传输介质有：同轴电缆双绞线光缆 DCS的软件构成包括控制层软件,监控层软件，组态软件。 DCS中，一般可根据工艺报警要求设置一到四个报警限值，分别是报警上限、上上限或下限、下下限。 离散的PID的两种基本算法形式是_和_。 世界上第一台DCS系统是美国HONEYWELL公司推出的，型号为TDC2000。 数据通信中的三种传输介质是 双绞线，同轴电缆 和 光缆 。 DCS发展是以4C技术为基础，4C指 计算机技术(computer)，通信技术(communication)，图形显示技术(CRT) 和 控制技术(control)。 常用的通信网络协议有： 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。 DCS中对通信网络的存取控制技术包括：轮询（Poll），令牌传送 和 带有碰撞检测的载波监听多重访问(CSMA/CD）。 在PID连续算法的离散过程中，对微分采用 向后差分法 ，对积分采用 矩形法 进行近似计算。 OSI参考模型的七层分别是: 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层 控制策略的实现。各种在组态中定义的回路控制算法、顺序控制算法、计算功能均在现场控制站中实现。例如：串级PID调节、复杂P1D调节Smith预估器，智能控制算法，包括智能PID、模糊PID、自整定PID、预估控制等。 操作站的基本功能包括 ：显示、操作、报警、系统组态、系统维护、报告生成 现场总线是一种 数字式、双向传输、多分支结构、计算机局部网络的底层控制网络。 计算机网络的拓扑结构主要有 总线型、星型、环型、树型、网状型 集散型控制系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。 一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站，一台工程师站(也可利用一台操作员站兼做工程师站)，一条系统网络。 DCS的软件构成包括控制层软件，监控软件，组态软件。 DCS的软件构成包括控制层软件，监控软件，组态软件。 把连续取N个采样值看成一个队列。队列的长度固定为N。每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)。把队列中的N个数据进行算术平均运算，这种滤波方法被称作：递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)。 5种数字滤波方法：算数平均滤波法，递推平均滤波法，中位值滤波法，限幅滤波法，一阶滞后滤波法。 几种常见的工业现场总线 Profibus总线 ， FF总线 ， CAN总线 。 系统的可靠性指标通常用概率来定义，常用的有可靠度R(t)、失效率(t)、平均故障间隔时间(MTBF)、平均故障修复时间(MTTR)、利用率等。 串联系统的可靠度用公式表示为： ，并联系统的可靠度用公式表示为： 失效率l(t)与时间t的关系图就是著名的浴盆曲线。该曲线可分为3个部分：初期失效区、偶然失效区、耗损失效区。 集散控制系统的安全性包含三方面的内容：功能安全、人身安全和信息安全。 接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地两大类。 一个集散控制系统工程设计可分为方案论证、方案设计、工程设计3个阶段。 现场控制站的基本功能包括：反馈控制、逻辑控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、数据通信 集散控制系统又称为分布控制， 英文简称 DCS，现场总线控制系统简称为 FCS 。 一些常用名词名词： SCC， DDC， DCS， FCS， DCS SCC：Supervisory Computer Control 计算机监督控制DDC：Direct Digital Control 直接数字控制DCS：Distributed Control System 集散控制系统CIMS：Computer Integrated Manufactured System 计算机集成制造系统FCS：Fieldbus Control System 现场总线控制系统CIPS：Computer Integrated Process System 计算机集成过程系统 组态：利用软件工具将计算机的软硬件及各种资源进行配置，使其按预定的功能实现特定的目的。 基带传输；所谓基带传输，就是直接将数字数据信号通过信道进行传输。基带传输不适用于远距离的数据传输。当传输距离较远时，需要进行调制。 载带传输；用基带信号调制载波后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。 宽带传输；如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路信号以不同的载波频率区别，每路信号以载波频率为中心占据一定的频带宽度，整个信道的带宽为各路载波信号共享，实现多路信号同时传输，这就是宽带传输。 归零传输；根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。归零传输是指在每一位二进制信息传输之后均让信号返回零电平；不归零传输是指在每一位二进制信息传输之后让信号保持原电平不变。 半工方式；信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式，如图 半双工方式；信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式，如图 全双工方式；信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式，如图所示。 分布式控制系统的分散结构具体体现在哪些方面？ 1)结构分散化。DCS的结构从纵向上看是分阶层的。管理计算机位于阶层的上层，对实时性要求较低；控制功能和现场I/O接口位于阶层的下层，对实时性要求较高。2）功能和地域分散化。从响应性、经济性角度考虑，控制功能和现场I/O接口在横向上进行分散配置。3）负荷分散化。主要将危险分散。4）数据库分散化。它包括分割型和重复型两种形式，以保证危险分散。 在一个典型的DCS体系结构中主要包含哪几个部分？ （1） 操作员站，操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等.（2） 现场控制站，现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。（3）工程师站，工程师站是DCS 中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS 进行应用组态。应用组态是DCS 应用过程当中必不可少的一个环节，因为DCS 是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量是什么，控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对一个具体控制应用的可运行系统。（4）系统网络，DCS 的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能. 几种常用的现场总线：基金会现场总线（FF）、控制局域网络（CAN）、局域操作网络（LonWorks）、过程现场总线（Profibus）和HART协议等。 简述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。 何谓DCS的“三站一线”结构。答：DCS的三站指：工程师站、操作员站、现场控制站；一线指：网络。DCS就是通过网络将工程师站、操作员站、现场控制站联系起来，实现控制功能分散、危险分散，参数显示和管理集中等复杂控制。 DCS的网络存取控制技术有哪些？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 Access with Collision Detection)。 Smith预估补偿控制系统的设计思想是什么？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。 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：可靠性高灵活的扩展性完善的自主控制性完善的通信网络。 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，还对系统进行组态，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，一般设臵成冗余结构。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。 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。 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TokenPassingBus访问方法和物理层技术规范；IEEE802.5：用于TokenPassingRing访问方法和物理层技术规范；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。 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分母中含有时滞，它降低了系统的稳定性。如果时滞足够大，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，经过Smith预估器的补偿作用后，系统的特征方程中不含时滞项，消除了时滞项对控制系统的影响，时滞环节的存在仅是将控制作用在时间坐标上推移了一个时间，此时系统的过渡过程及控制品质与无时滞的完全一致。 集散型控制系统的设计包括哪些阶段？答：集散控制系统的设计包括以下几个阶段：总体设计：是DCS设计的初期阶段。初步设计：介于总体设计与详细设计之间的设计，其基本任务是在总体设计的基础上，为DCS的每一个子系统提出控制方案。详细设计：是初步设计在DCS上的具体实现。 什么是现场总线？答：根据国际电工委员会IEC（InternationalElectrotechnicalCommision）标准和现场基金会FF(FieldbusFoundation)的定义，现场总线的概念一般为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。 现场总线的本质含义表现在哪些方面？答：1现场通信网络；2现场设备互联；3互操作性；4分散功能块；5通信线供电；6开放式互联网络 现场总线有哪些优点？答：1全数字化；2全分布；3双向传输；4自诊断；5节省布线及控制室空间；6多功能仪表；7开放性；8互操作性；9智能化与自治性 现场总线有哪几种典型类型？它们各有什么特点？ 画出典型DCS的体系结构图并说明各组成部分的作用解答：1)操作员站：操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。2)现场控制站：现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。3)工程师站：工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。4)服务器及其他功能站：在现代的DCS结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。 DCS的现场控制站软件的功能有哪些？ 解答：(1) 现场I/O驱动，主要是完成I/O模块(模板)的驱动，完成过程量的输入/输出。采集现场数据，输出控制计算后的数据。(2) 对输入的数据进行预处理，如滤波处理、除去不良数据、工程量的转换、统一计量单位等，总之，是要尽量真实地用数字值还原现场值并为下一步的计算做好准备。(3) 实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作为原始数据参与控制计算，也可通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算。所有本地数据库的数据(包括原始数据和中间变量)均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋势及综合分析等监控功能的输入数据。(4) 按照组态好的控制程序进行控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量。 工程师站软件要作的组态定义包括哪些方面？解答：(1) 硬件配置，这是使用组态软件首先应该做的，根据控制要求配置各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场I/O站的I/O配置(如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等)及各个站的功能定义等。(2) 定义数据库，包括历史数据和实时数据，实时数据库指现场物理I/O点数据和控制计算时中间变量点的数据。历史数据库是按一定的存储周期存储的实时数据，通常将数据存储在硬盘上或刻录在光盘上，以备查用。(3) 历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义。(4) 控制层软件组态，包括确定控制目标、控制方法、控制算法、控制周期以及与控制相关的控制变量、控制参数等。(5) 监控软件的组态，包括各种图形界面(包括背景画面和实时刷新的动态数据)、操作功能定义(操作员可以进行哪些操作、如何进行操作)等。(6) 报警定义，包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义(如对报警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作)及报警列表的种类与尺寸定义等。(7) 系统运行日志的定义，包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等。(8) 报表定义，包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等。(9) 事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。 什么是积分分离PID，画出积分分离PID和常规PID过渡过程。解答： 一个常规的PI和PID控制器，只要被控变量与设定值之间有偏差，控制器的积分作用使控制器的输出不断变化。如果阀门已经关闭(或全开)，偏差不会被消除，控制器仍然试图消除偏差，如果时间足够长，由于积分作用的存在，控制器的输出停留在比阀门全开所需的信号还要大的多的值，这种情况称为积分饱和(wind up)。解决的办法是在e的值小于某一值，即控制输出接近于设定值时，才把积分引入，在其余情况下，把积分去掉，只作微分和比例运算。从而减低了控制输出的超调，过渡过程时间比只有微分和比例时缩短了。如图所示。积分分离PID和常规PID过渡过程 讲解下图二维PID控制系统的工作原理。解答：为了使控制系统能对设定值变化和扰动变化都有较好的控制品质，在DCS中采用的二维PID控制。图中G(s)为被控对象的传递函数。在计算机控制中，PID三项是独立的，图中的二维PID 控制系统是在PID功能块中增加两个参数，对偏差和过程变量分别计算，对过程变量进行微分先行的运算，即比例和微分作用，对偏差是比例和积分作用。当=0时，就是常规的PID，控制输出与偏差成常规的PID关系。=1时，得到积分和比例微分之和，只要调整、的值，可以使系统达到好的控制品质。 集散控制系统的通信网络系统的作用是互联各种通信设备，完成工业控制。因此，与一般的办公室用局部网络有所不同，它应具有的特点包括哪几个部分？解答：(1) 具有快速的实时响应能力。一般办公室自动化计算机局部网络响应时间为2s6s，而它要求的时间为0.01s0.5s。(2) 具有极高的可靠性。须连续、准确运行，数据传送误码率为10-1110-8。系统利用率在99.999%以上。(3) 适应于恶劣环境下工作。能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰。(4) 分层结构。为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构，例如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。集散系统中参加网络通信的最小单位称为节点。发送信号的源节点对信息进行编码，然后送到传输介质(通信电缆)，最后被接收这一信息的目的节点接收。网络特性的三要素是：要保证在众多节点之间数据合理传送；必须将通信系统构成一定网络；遵循一定的网络结构的通信方式。 什么是平均故障间隔时间(MTBF)，什么是平均故障修复时间(MTTR)？解答：1，平均故障间隔时间(MTBF)(Mean Time Between Failure，MTBF)是指各次