集散控制系统与现场总线试题习题及答案

本答案仅供参考。

第1章 绪论

1.1 什么是过程计算机控制系统？它由哪几部分组成？通过具体示例说明。

答：它是指由被控对象、测量变送装置、计算机和执行装置构成，以实现生

产过程闭环控制的系统，它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。例如温度控制系统。

1.2 计算机控制工业生产过程有哪些种类型？

答：计算机控制工业生产过程一般有五种类型：

操作指导控制系统；直接数字控制系统；监督控制系统；集散控制系统；现场总线控制系统。

1.3 计算机控制系统的硬件一般有哪几大主要组成部分？各部分是怎样互相联系

的？其中过程通道有几种基本类型？它们在系统中起什么作用？

答：计算机控制系统的硬件一般包括：主机、外部设备、过程输入输出设备。

两个过程通道，一个是输入通道，另一个为输出过程通道。

输入过程通道包括：A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入； DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。

输出过程通道包括：D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出； DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。

1.4 直接数字控制系统的硬件由哪几部分组成？

答：直接数字控制系统的硬件主要有计算机（主机）、过程输入输出通道、操作台和计算机辅助设备组成。如下图所示。

1.5 数字PID 控制算法有几种形式？各有什么特点？

答：数字PID 控制算法有位置式、增量式、速度式三种形式。PID 位置式根

据偏差计算阀门的位置，PID 增量式根据偏差计算阀门的变化；PID 速度式根据偏差变化程度计算阀门的变化。

1.6 试推导计算机控制系统PI 控制算法的位置式、增量式和速度式。

答：模拟PI 控制算法为

u (t ) =k p [e (t ) +1

T I ⎰e (t ) dt ] 0t

其中，k p ----比例增益

T I ----积分时间常数

在采样周期相当短暂时，用矩形法近似代替积分项e (t ) dt ≈0⎰t ∑Te (i ) ，i =0k

其中T 为采样周期，k 为采样序号。

PI 位置式算法为：

u (k ) =k p e (k ) +k I ∑e (i ) +u

i =0k x

PI 增量式算法为：

∆u (k ) =k p ∆e (k ) +k I e (k )

PI 速度式算法为：

v (k ) =∆u (k ) k p ∆e (k ) k I e (k ) =+ T T T

其中，u x -----偏差（它是初始阀门位置）

∆u (k ) ---第k 次输出的偏差校正值

∆e (k ) ---第k 次采样值的偏差校正值

1.7 试推导计算机控制系统PD 控制算法的位置式、增量式和速度式。

答：模拟PD 控制算法为

u (t ) =k p [e (t ) +T D de (t ) ] dt

其中，k p ----比例增益

T D ----微分时间常数

在采样周期相当短暂时，用后向差分法近似代替微分项

de (t )

dt ≈e (k ) -e (k -1)

T ，其中T 为采样周期，k 为采样序号。

PD 位置式算法为：

u (k ) =k p e (k ) +k D (e (k ) -e (k -1)) +u x

PD 增量式算法为：

∆u (k ) =k p ∆e (k ) +k D (∆e (k ) -e (k -1))

PD 速度式算法为：

∆u (k ) k p ∆e (k ) k D (∆e (k ) -∆e (k -1)) v (k ) ==+ T T T

其中，u x -----偏差（它是初始阀门位置）

∆u (k ) ---第k 次输出的偏差校正值

∆e (k ) ---第k 次采样值的偏差校正值

1.8 集散型控制系统产生的原因是什么？为什么集散型控制系统能得到广泛应用？

答：随着生产规模的扩大，生产过程的复杂程度的提高，使像DDC 这样集中

控制系统无法满足诸如控制回路增多、实现集中显示和操作、实现多变量相关联对象的控制要求，导致集散控制系统的产生。DCS 吸取了操作指导控制系统和直接数字控制系统的优点，实现功能分散化，危险分散化，而管理和显示集中，灵活的应用使DCS 得到广泛应哟功能和发展。

1.9 与直接数字控制系统相比较，集散型控制系统的优点是什么？

答：与直接数字控制系统相比，集散控制系统具有控制功能分散、危险分散，

而参数显示和操作高度集中的优点。

1.10 集散型控制系统的发展方向是什么？

答：集散控制系统的发展方向表现在两个方向上：一个方向是向上发展，即

向CIMS 计算机集成制造系统、CIPS 计算机集成过程系统方向发展；另一个方向是向下发展，即向FCS 现场总线控制系统方向发展。

1.11 写出下列缩略词的中、英文名称。

SCC DDC DCS CIMS FCS

答：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

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。

2.9 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S =10，频带宽度为H =3kHz 。 N

无噪声信道上理论极限传输能力为

R =2H log 2v

=2⨯3⨯103⨯log 22

=6k bit/s

噪声信道上理论极限传输能力为 R =H log 2(1+S ) N

=3⨯103⨯log 2(1+10)

=10. 38k bit/s

双绞线噪声信道实际传输能力为

9600 bit/s

2.10 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 Access with 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

G B (s ) 分母中含有时滞e -τs ，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e -τs ， 则要求Smith 预估器的传递函数为

G c (s ) =G 0(s )(1-e -τs )

经过Smith 预估器的补偿作用后，系统的特征方程中不含e -τs 项，消除了时滞项对控制系统的影响，e -τs 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。

第6章 现场总线技术与应用

6.1 什么是现场总线？

答：根据国际电工委员会IEC （International Electrotechnical Commision）

标准和现场基金会FF(Fieldbus Foundation)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。

6.2 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。

6.3 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

6.4 现场总线有哪几种典型类型？它们各有什么特点？

答：常用的现场总线有5种类型，它们的特点如下表所示。

6.5 现场总线系统（FCS ）与传统的集散型控制系统（DCS ）相比较，有哪些特点？

答：1． 数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4~20mA，0~5V等信号）和开

关量信号。

2． 在车间级与设备级通信的数字化网络。

3． 现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命。 4． 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底

层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。

5． 在CIMS 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是

支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

6.6 现场设备有哪些部分组成？它们的各自作用是什么？

答：现场设备或现场仪表是指变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备以及

监控设备等。这些设备可通过双绞线、同轴电缆、光缆和电源线等传输线进行互联。

（1）变送器 常用的变送器有温度、压力、流量、物位和分析五大类，

它既有检测、变换和补偿功能，又有PID 控制和运算功能。

（2）执行器 常用的执行器有电动和气动两大类。执行器的基本功能是

控制信号的驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、PID 控制和运算功能，另外有阀门特性自动校验和自诊断功能。

（3）服务器和网桥 服务器下接H1和H2，上接局域网LAN （Local Area

Network ）；网桥上接H2，下接H1。

（4）辅助设备 辅助设备有H1/气压转换器、H1/电流转换器、电流/H1

转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。

（5）监控设备 监控设备主要有工程师站、操作员站和计算机站，工程

师站提供现场总线控制系统组态，操作员站实现工艺操作与监视，计算机站用于优化控制和建模。

6.7 什么叫系统集成？现场总线系统集成的方法有哪些？

答：现场总线系统的集成就是采用现场总线技术为用户提供一体化的自动化方

案，以集检测、采集、控制和执行以及信息的传输、交换、存储与利用的一体化为目标，广泛采用现场总线技术、局域网和因特网技术，发展了实现各种物理“设备集成”的系统互连技术以及实现“信息集成”的软件集成技术和数据集成技术，从而满足企业综合自动化的要求。