第一章 计算机控制系统概述

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基础模块 集散控制系统必备知识
1 、简述计算机控制系统的组成，并画出系统框图。
答：计算机控制系统由控制器、 A/D 、 D/A 转换器、执行机构、测量变送单元、被控对象等部分组成。其系统框图如下
2 、简述计算机控制系统的分类。
答：计算机控制系统按其 应用特点、控制功能和系统结构主要可分为六种类型：数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、分级控制系统、集散型控制系统及现场总线控制系统。
3 、简述直接数字控制系统的特点。
答： 直接数字控制系统与模拟系统相比较其特点是：
（ 1 ）在 DDC 中，在信号出入计算机时必须经 D/A 、 A/D 转换
（ 2 ）其控制方式比常规控制系统灵活且又经济。
直接数字控制系统的性能特点：
由于 DDC 系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。
4 、简述集散控制系统的组成与特点。
答： 集散控制系统分为多个层次，每层由多个计算机组成，分别行使不同的功能，主要由数据采集站、控制站、数据通信系统、操作站、工程师站、监控计算机、输入输出通道等部分组成。其特点是集中监视、集中操作，分散控制、分散危险。
5 、简述现场总线控制系统的组成与特点。
答：现场总线控制系统由工作站、服务器、现场总线通信网络、智能仪表等组成；
现场总线控制系统特点：
（ 1 ）全数字化
（ 2 ）彻底分散化
6 、计算机控制系统输入输出通道各有什么作用？
答：输入通道包括数字量输入通道和模拟量输入通道，其中数字量输入通道 是将生产现场的状态量 ( 如开关、电平高低、脉冲量等 ) 信号转变为数字量送入计算机。 模拟量输入通道 对现场的各种模拟信号进行采集、然后通过 A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，送到计算机进行运算和处理。
输出通道 包括数字量输出通道和模拟量输出通道，其中 数字量输出通道的任务是根据计算机输出的数字信号去控制接点的通、断或数字式执行器的启、停等； 模拟量输出通道 的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号．以便驱动相应的执行机构、达到控制的目的。
7 、简述什么是常规 PID 算法。
答：常规 PID 算法也就是理想 PID 控制算法， 是控制系统中应用最广泛的一种控制规律。在系统中引入偏差的比例控制，以保证系统的快速性，引入偏差的积分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制来消除系统惯性的影响。在时间连续的情况下，理想 PID 常用以下形式表示：
式中 —— 控制器比例增益；
—— 积分时间；
—— 微分时间。
8 、什么叫积分分离？

什么叫微分先行？
答：积分分离是指在 PID 控制中，当被控制量开始跟踪时，取消积分作用；而当被控制量接近给定值时，才将积分作用投入以消除静差。
微分先行是指在 PID 控制中，只对被控变量求导，而不对设定值求导。这样，在改变设定值时，输出不会突变，而被控变量的变化，通常总是比较和缓的。
9 、什么是集散控制系统 ? 其基本设计思想是什么 ?
答： 集散控制系统是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、局部网络通信的计算机综合控制系统。其基本设计思想是集中管理、分散控制。
10 、简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能。
答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能， 自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。
现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。
过程控制级功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O 卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。
过程管理级功能：一是监视和控制生产过程；二是控制方式的无扰动切换，修改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预；三是打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等。
11 、操作站主要包括哪些设备 ? 操作站的功能有哪些 ?
答：操作站主要包括操作台、微处理机系统、外部存储设备、图形显示设备、操作站键盘、打印输出设备。
操作站的主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。
12 、 构成现场控制站的主要设备有哪些 ? 它具有哪些功能 ?
答：现场控制站的主要设备有 机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等。主要功能：进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、批量控制和顺序控制。
13 、 集散控制系统的软件系统包括哪些 ?
答：集散控制系统的软件系统由系统软件、应用软件、通信管理软件、组态生成软件等组成。
14 、现场控制站的基本功能有哪些 ?
答： 现场控制站 是多功能型的，其基本功能包括反馈控制、逻辑控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理和数据通信等功能

。
15 、反馈控制功能有哪些 ?
答： 反馈控制功能主要包括输入信号处理、报警处理、控制运算、控制回路组态和输出信号处理等。
16 、输入输出处理功能主要包括哪些方面 ?
答： 输入信号处理对于过程的模拟量信号，一般要进行采样、模 / 数转换、数字滤波、合理性检验、规格化、工程量变换、零偏修正、 非线性 处理 、补偿运算等。对于 数字信号则进行状态报警及输出方式处理。对 于 脉冲序列 ， 需进行瞬时值变换及累积计算。
输出信号处理功能有输出开路检验，输出上下限检验、输出变化率限幅、模拟输出、开关输出、脉冲宽度输出等功能。
17 、简述报警功能。
答： 集散控制系统具有完备的报警功能 ， 可选择 各种 报警类型、报警限值和报警优先级。
① 报警类型 报警类型通常可分为 仪表异常 报警 、 绝对值报警 、 偏差报警 、 速率报警以及累计值报警 等 。
② 报警限值 为了实现预报警 ， DCS 中通常还设置了多重报警限 ， 如上限、上上限、下限、下下限等。
③ 报警优先级 常用的报警优先级控制参数有报警优先级参数、报警链中断参数和最高报警选择参数等 。 设置这些参数 ， 主要是为了使操作管理人员能从众多的报警信息中分出轻重缓急 ， 便于报警信号的管理和操作。
18 、集散控制系统为什么能实现无扰动切换 ?
答：通过测量值跟踪和输出值跟踪来实现无扰动切换（ 1 ）测量值跟踪 增量型和速度型 PID 算法通常具有测量值跟踪功能。即在手动方式时，使本回路的设定值不再保持原来的值，而跟踪测量值。这样，从手动切换到自动时，偏差总是零，即使比例度较小， PID 输出值也不会产生波动动。切到自动后，再逐步把设定值调整到所要求的数值。
(2) 输出值跟踪 混合型 PID 算法，在设置测量值跟踪的同时，还需要设置输出值跟踪功能。即在手动方式时，使内存单元中 PID 输出值跟踪手操输出值。这样，从手动切换到自动时，由于内存单元中的数值与手操输出值相等，从而实现了无扰动切换。
在自动方式时，手操器的输出值是始终跟踪控制器的自动输出值的，因此，从自动切换到手动时，手操器的输出值与 PID 的输出值相等，切换是无扰动的。
19 、什么是组态 ? 简述组态过程。
答 ： 组态是指根据实际生产过程控制的需要，利用 DCS 所提供的硬件和软件资源，预先将这些硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。
组态过程是先系统组态，后应用组态。组态主要针对过程控制级和过程管理级。设备组态的顺序是自上而下，先过程管理级，后过程控制级；功能组态的顺序恰好相反，先过程

控制级，后过程管理级。
20 、数据通信系统是由哪些部分组成的？
答： 数据通信系统由信号、发送装置、接收装置、信道和通信协议等五部分组成。
21 、简述数据传输方式、串行传输与并行传输、基带传输与宽带传输、异步传输与同步传输、信息编码、数据交换方式。
答： 信息按其在信道中的传输方向分为单工、半双工和全双工三种传输方式 (l) 单工方式 信息只能沿一个方向传输，而不能沿相反方向传输的通信方式称为单工方式。
(2) 半双工方式 信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式。
(3) 全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输的通信方向称为全双工方式。
串行传输与并行传输
(1) 串行传输是把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。如图 2.4(a) 所示。
(2) 并行传输是把数据多位同时在信道上进行传输的方式。
基带传输与宽带传输
(1) 基带传输 所谓基带，是指电信号所固有的频带。 基带传输就是直接将 代表数字信号 的 电 脉冲信号 原样 进行传输。 其优点是安装、维护投资小，缺点是信息传送容量小，每条传输线只可传送一路信号且传送距离较短。
(2) 宽带传输 当传输距离较远时，需要用基带信号调制载波信号。在信道上传输调制信号，就是载带传输。
异步传输与同步传输
在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。
在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。
信息编码
数字信息的电脉冲表示过程，将信息转换为信号需要对信息进行编码。常用编码方法是幅移键控 ( ASK ) 、频移键控 ( FSK ) 和相移键控 ( PSK ) ，此外还有振幅与相位变化结合的正交调幅 ( QAM ) 。
数据交换方式
(1) 线路交换方式 所谓线路 交换 方式是在需要通信的两个节点之间，事先建立起一条实际的物理连接，然后再在这条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接。因此，线路交换方式将通信过程分为三个阶段，即线路建立、数据通信和线路拆除阶段。
(2) 报文交换方式 报文交换方式是经 由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。因此 , 有时又将其称为存储转发方式。报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文，这个报文是由要发送的数据加上目的地址、源地址和控制信息所组成的。
(3)

报文分组交换方式 这种方式 交换 的基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。由于报文分组比报文短得多，传输时比较灵活。特别是当传输出错需要重发时， 只需 重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。
22 、什么是信息传输速率？它的单位怎样表示？
答： 信息传输速率又称为比特率，是指单位时间内通信系统所传输的信息量。一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，记为 R b 。其单位是比特 / 秒，记为 bit/s 或 bps 。
23 、什么是局部网络？它的拓扑结构、传输介质、网络控制方法分别有哪几种？
答： 局部区域网络 (Local Area Network ， LAN) ，简称为局部网络或局域网 ，是一种分布在有限区域内的计算机网络，是利用通信介质将分布在不同地理位置上的多个具有独立工作能力的计算机系统连接起来，并配置网络软件的一种网络，广大用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据等资源。
拓扑结构主要是星型、环型、总线型、树型和菊花链型。
传输介质主要有主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。
网络控制方法与所使用的网络拓扑结构有关，常用的方法有查询、令牌传送、自由竞争、存储转发等。
24 、什么是通信协议？
答：通信协议是指在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则。
25 、开放系统互连参考模型 ( OSI) 是怎样的？简述 “ 包封 ” 和 “ 拆封 ” 过程。
答：开放系统互连参考模型 ( OSI) 是信息处理领域内的最重要标准之一。它为协调研制系统互连的各种标准提供共同基础，为保持所有相关标准的相容性提供共同的参考，为研究、设计、实现和改造信息系统提供了功能上和概念上的框架。标准将开放系统的通信功能分为七层，描述了分层的意义及各层的命名和功能。在分层结构中，每一层执行部分通信功能，它依靠相邻的低一层完成较原始的功能，并和该层的具体细节分离，同样，它为相邻的高一层提供服务。分层结构使各层的实现对其他层次来说是透明的，使各层的设计和测试相对独立。
“ 包封 ” ： 从某一个站 S1 把数据传送到另一个站 S2 ，在图 2.13 中，首先把数据送到应用层口，把一个报头 H7 加到数据前面，相当于包装一个信封。然后传到表示层，又加一个报头 H6 ，相当于第二层信封。如此类推，传到第 2 层，即链路层口之后，除了加报头 H2 之外还要加报尾 T2 ，然后送到物理层。
“ 拆封 ” ： 到达接收站之后，按照相反的顺序逐层向上，每经过一层就去掉一个报头，到应用层之后， 所有的报头报尾都去掉了

，因为这些附加的标记已经完成了识别的任务，最后只剩数据或报文本身。至此，站 S1 到站 S2 的通信结束。
26 、什么是现场总线？
答：现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。
27 、基金会现场总线 FF H1 模型是怎样的？简述其拓扑结构。
答：基金会现场总线 FF H1 模型如下图的右侧一列所示。它采用了 ISO/OSI 参考模型中的物理层、链路层和应用层三层，隐去了 3 ～ 6 层。其中物理层、链路层采用了 IEC/ISA 标准。应用层分为两个子层，即现场总线访问子层 FAS 和现场总线报文规范子层 FMS 。 FMS 为系统的用户层提供通信服务。 FMS 提供不同类型的通信信道，称为虚拟通信关系 VCR 。 FAS 把 VCR 映射到底层网络，从而把用户的应用进程同网络技术的发展隔离开来。链路层、访问子层和报文规范子层的全部功能集成在一起称为通信栈 (Communication stack) 。
28 、什么是 HART 总线？ HART 总线有什么特点？
答： HART (Highway Addressable Remote Transducer) 是可寻址远程传感器总线的简称 ， HART 总线具有与其他现场总线类似的体系结构 ， 它以 ISO/OSI 模型为参考 ， 采用第 1 、 2 、 7 三层。其传输速率较低，为 1200 bps ，新版本的协议已将传输速率提高到 9600 bps ，通信距离最远可达 3000m 。
其最重要的特点是保持了模拟的 4 ～ 20mADC 信号 ， 数字通信可以叠加在 两 根相同的双绞上 ， 而不干扰模拟电流回路。