集散控制系统与现场总线精彩试题习题及问题详解

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

])(1

)([)(0

?+

=t

I

p dt t e T t e k t u

其中，p k ----比例增益 I T ----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∑?

=≈

k

i t

i Te dt t e 0

)()(，

其中T 为采样周期，k 为采样序号。

PI 位置式算法为：

x

k

i I

p u

i e k k e k k u ++=∑=0

)()()(

PI 增量式算法为：

)()()(k e k k e k k u I p +=??

PI 速度式算法为：

T

k e k T k e k T k u k v I p )

()()()(+

==

??

其中，x u -----偏差（它是初始阀门位置） )(k u ?---第k 次输出的偏差校正值 )(k e ?---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

])

()([)(dt

t de T t e k t u D

p += 其中，p k ----比例增益 D T ----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

T

k e k e dt

t de )

1()()(--≈

，其中T 为采样周期，k 为采样序号。

PD 位置式算法为：

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

PD 增量式算法为：

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

PD 速度式算法为：

T

k e k e k T k e k T k u k v D p ))

1()(()()()(--+

==???? 其中，x u -----偏差（它是初始阀门位置）

)(k u ?---第k 次输出的偏差校正值 )(k e ?---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。

2.6 试分别画出数字量：（1）65H和（2）BAH的不归零、归零及差分曼彻斯特编码

的信号波形图。

答：65H转换为二进制是：01100101B

BAH转换为二进制是：10111010B

2.7 已知数据传输中发送端的码元序列为01101101B ，试求接收端码元序列分别为

01101100B 和01100011B 时的差错码元序列。

答：当接收端的码元序列为01101100B 时的差错码元序列为

B R

C E 000000010110110001101101=⊕=⊕=

当接收端的码元序列为01100011B 时的差错码元序列为

B R

C E 000011100110001101101101=⊕=⊕=

2.8 已知信息码m =1011，要生成循环码（8，4），设采用的循环码生成多项式为：

1)(234+++=x x x x g ，求生成的循环码。

答：由题意，信息码为m =1011，对应的多项式为 1)(3++=x x x m

为了获得循环冗余码，将)(x m 两边乘以4x ，得 457344)1()(x x x x x x x m x ++=++?=?

利用余式定理，再除以生成多项式)(x g ，得余式)(x r 为 1)(3++=x x x r

于是，循环冗余码所对应的多项式为 1)(3457+++++=x x x x x x v

对应二进制循环冗余码为 10111011

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

10=N

S

，频带宽度为kHz H 3=。 无噪声信道上理论极限传输能力为

v H R 2log 2=

2log 103223???= k 6= bit/s 噪声信道上理论极限传输能力为 )1(log 2N

S H R +

= )101(log 10323+??= k 38.10= 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

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

)1)(()(0s c e s G s G τ--=

经过Smith 预估器的补偿作用后，系统的特征方程中不含s e τ-项，消除了时滞项对控制系统的影响，s e τ-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3章 国产集散型控制系统—HS2000

3.1 HS2000系统的基本特点是什么？

答：可靠性高、方便、直观的操作，维护方便，系统开放。

3.2 HS2000系统的结构组成有何特点？

答：HS2000系统由三层网络组成，即管理协调网络、系统网络、控制网络，可根据不同的系统规模、灵活配置成HS2000系统的大型、中型和小型系统。

3.3 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。

3.4 HS2000系统的I/O组件分为几种？它们有何区别？

答：HS2000系统的I/O组件分为两种，一种为主控组件；另一种为辅助组件，二者唯一区别：主控组件内包括主控制器CPU模板，而辅助组件内只包括

I/O功能模板，不包括主控制器CPU模板。

3.5 已知某HS2000系统的I/O现场控制站的AI信号如下；

（1）控制回路：4~20mA，12路，供电型

（2）检测回路：4~20mA，28路，供电型

（3）热电阻回路：16路，隔离型

试选择所需I/O功能模板的数量和型号，并配套选择I/O调理模板及其端子模板。

答：由教材第3章表3-1可知。

AI3 热电阻回路，隔离

型，16路

2F40×1 2T41×2 2T30×1 否

3.6 已知某HS2000系统的I/O现场控制站的AO信号为：4~20mA，18路。试选择所

需I/O功能模板、调理模板及其端子模板。

答：

类型数据点参数功能模板类型调理模板类型端子模板类型冗余AO4~20mA， 12路2F41 2T46 2T30 否3.7 已知前题I/O现场控制站的开关量信号如下：

（1）DI：干结点输入，38点

（2）DO：电平输出，32点

试分别选择所需I/O功能模板、调理模板及其端子模板。

答：

类型数据点参数功能模板类型

及数量

调理模板类型

及数量

端子模板类型

及数量

冗余DI干结点，12路2F60×2 2T60×2 2T30×3 否

DO电平输出， 28路2F60×1 2T61×1 2T30×2 否3.8 某一中型HS2000系统的DCS硬件配置如下图所示。

已知各I/O现场控制站的信号如下表所示

注：表中含有“*”标志的各项均为冗余结构。

试选择__________站所需I/O功能模板、调理模板及其端子模板。答：依据题意，选择14#现场控制站进行配置。

1、选择I/O功能模板型号及数量

类型数据点参数功能模板型号及数

量

调理模板型号及数量端子模板型号及数

量

冗

余

AI1 控制回路

4~20mA 16路*

2F40×1×2 2T42×1×2 2T30×1 是

AI2 检测回路

1~5V 32路

2F40×2 2T42×2 2T30×2 否

AO1 控制回路

4~20mA 16路*

2F41×1×2 2T46×1×2 2T30×1 是

AO2 检测回路

1~5V 32路

2F41×2 2T46×2 2T30×2 否DI 干结点16点2F60×1 2T60×1 2T30×1 否

2、现场控制站机柜设备配置

HS2000系统规定：

站名：工程师站、操作员站、现场控制站。

站号： 01#~09#为工程师站1个、操作员站1~8个。 10#~31#为现场控制站。*为冗余标志。

第4章大型集散型控制系统—TDC3000

4.1TDC3000系统结构怎样？特点是什么？

答：TDC3000系统从结构上看主要由三种通信网络组成，它们是局域控制网络LCN、通用控制网络UCN、高速数据公路HW，其特点是每种网络上都挂有不

同功能的模件，实现控制系统的分散控制、集中管理。

4.2 TDC3000系统有哪些冗余措施？

答：TDC3000系统在结构上采用多级冗余措施，TDC3000的大多数关键性单元都采用带有自动切换的全冗余，局域控制网络LCN、通用控制网络UCN、高速

数据公路HW始终冗余；

TDC3000在结构上还提供了历史模件中的冗余盘和应用模件冗余来提高可靠性；

操作员控制台至少由三个通用工作站组成，对一操作员控制台，其冗余度由其它任何通用控制站来保证；

对于过程控制级，其冗余是由过程管理机中的过程管理模件来实现，标准做法是采用三重冗余。

4.3 CL程序与标准算法的关系怎样？图4.4中有几处用CL程序，解决什么问题？

答：TDC3000系统所提供的标准算法，几乎涉及所有控制情况，但对一些用户提出的控制方案，则由TDC3000系统提供的一套高级控制语言（CL）来完

成，它是适合于过程的语言，用来实现特殊的控制策略。图4。4中的几处

CL程序，解决两股燃料热量的波动和稳定烟道气的氧含量。

4.4 举例说明TDC3000标准算法。

答：TDC3000提供了许多标准算法，诸如算术运算、PID 、比率、超前/滞后、

选择器等。这里以算术运算为例，介绍标准算法和相应的图标。TDC3000的图标类型分为：检测类、控制类、算术类、程序类等。 检测类的图标为： 控制类的图标为： 算术类的图标为：

程序类的图标为：

算术算法分为：加法、乘法、除法，它们的表达式和图标分别为 加法： 2211x k x k c +=

其中21,k k 为刻度系数，工程单位。

乘法：21x kx c =

其中21k k k =为刻度系数，工程单位。

除法：21/x kx c =

其中21/k k k =为刻度系数，工程单位。

4.5 TDC3000的LCN 系统由哪几部分构成？简述各部分的作用。

答：TDC3000的LCN 系统包括：局域控制网络UCN 、高速通道接口HG 、通用操

作站US 、应用模块AM 、历史模块HM 、计算机接口CG 、LCN 扩展器接口NIM 、通用工作站UWS 、工厂信息网络接口PINM 、可编程控制器接口PLCG 。 LCN 网是TDC3000的主干网，是短程高速通信链，采用冗余结构，令牌存

取通信控制方式，符合IEEE802。4，传输速率为5Mbit/s ，总线拓扑

结构，传输距离不大于300m。其功能就是联接一系列内部模件。

通用操作站是TDC3000的主要人机接口。由操作员、工程师或维护人员用来完成不同的任务，例如生成全系统的管理调度图表画面，生成历史画面和趋势画面等等。

通用工作站是TDC3000的又一个人机接口，具有US的全部功能。它主要是为工厂办公室管理设计的，用做模块标准控制台或专门用户控制台，对生产过程进行集中监视、操作和管理，具有“触摸屏幕”和“开窗口”功能。

应用模块是用控制语言（CL：Control Language）来完成UCN和HW网络上所连接的模件不能完成的高级控制功能、复杂及多变量运算功能，提高过程控制及管理水平。

历史模块是TDC3000的存储单元，可以用来存储过程报警、操作员状态改变、操作员信息、系统状态改变、系统维护及提示信息、连续过程历史数据等。

NIM网络接口模块提供了UCN与LCN网络的通讯指标及协议间相互转换，它使LCN网上模块能访问UCN设备的数据，并将LCN上的程序与数据库装载到APM等UCN设备上；也可将NIM设备的报警及信息传递到LCN 网络。

HG高速通道接口是HW网与LCN网之间进行数据传输和格式变换的双向接口，主要作用是信息交换、匹配、诊断、报警和时间同步。

CG计算机接口提供了诸如DEC、IBM、HP等上位机与LCN网络相连接的接口。

PLCG可编程控制器接口是LCN网络与PLC可编程控制器进行通信的接口模件。

PINM工厂信息网络接口：是LCN与PIN（全厂信息网络：Plant Information

Network Module）网络进行通信的接口模件。

4.6 TDC3000的UCN系统由哪几部分构成？简述各部分的作用。

答：TDC3000的UCN系统包括：通用控制网络UCN、逻辑控制站LM、过程管理机PM、先进过程管理机APM。

通用控制网络是以MAP为基础的双冗余实时控制网络，采用令牌总线通讯方式，传输速率为5Mbit/s，支持32个冗余设备，应用层采用RS511标准。UCN

网是作为直接与过程相连接的数据采集和控制设备的通信通道。

逻辑控制站LM是用于逻辑控制的现场控制站。它具有PLC控制的特点，同时LM在UCN网络上可方便地与系统中各模件进行通信，使DCS与PLC更有机

地结合，并能使其数据集中显示、操作和管理。

过程管理站PM集多功能控制器和过程接口单元两者功能于一体，并在速度、容量和功能方面有更大改进和提高。

先进过程管理站APM是过程管理站（PM）的发展，它为用户提供一个可靠的输入/输出及控制技术，除了具有PM的相同功能外，APM还可以提供更密集

的连续控制和离散控制以及某一装置的子系统信息。

4.7 一冷却系统如图P4-7所示，已知液位传感器LI01在高限时触点“ON”，LI02

在低限时“ON”，温度传感器TI在降到规定温度时触点“ON”，，写出下列顺序控制的CL语言程序。

步骤：

1．进液操作：进液达到液面上限为止；

2．冷却：冷却到TI下限温度为止；

3．出液操作；出液到工作液面液面下降到下限液位为止。