分布式控制系统参考习题(12.12.21)

分布式控制技术习题及答案1. 写出典型计算机控制系统的结构与类型。 答：典型计算机控制系统的结构如下图，由工业控制计算机和生产过程连部分组成。 常见的计算机控制系统类型有：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分布式控制系统、现场总线控制系统、综合自动化系统等。2. 常用的MCU类型和特点。答：常见的MCU类型有PLC、IPC、智能调节器、单片机、DSP、 ARM、FPGA等。（1）可编程逻辑控制器（PC/PLC） 一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，广泛应用于目前的工业控制领域。（2）总线式工控机（IPC） 一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机。（3）智能调节器 一种数字化的过程控制仪表，以微控制器或者单片微型计算机为核心，能完成14个回路的直接数字控制任务。（4）单片机 指将中央处理器、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路，目前已应用于各种电子信息领域。（5）DSP（数字信号处理器） 具有专门的硬件乘法器，是采用程序和数据分开的哈佛结构的微处理器。常用于需要大量计算的图像处理、运动控制应用领域。（6）ARM处理器 一种32位RISC架构，低功耗、高性价比的处理器，占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。（7）FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列。 是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，用户可定制和设计自己所需处理器的逻辑与接口。 3. 分布式控制系统三点一线和4C。答：“一线”是指DCS 的骨架计算机网络，可以是单层或多级网络结构。“三点”则是连接在网络上的三种不同类型的节点。这三种不同类型的节点是: 面向被控过程现场的现场I/O 控制站；面向操作人员的操作员站；面向DCS 监控管理人员的工程师站。DCS的设计思想：危险分散，控制功能分散，而操作和管理集中。4C指的是Computer、Communication、Control、CRT。4. 简述惠更斯电桥原理答：如下图所示：可得到：当发生变化，使得则有：由于在初始时可调整电桥平衡输出为0：且有则出现线性关系：5. 画出理想运放组成的加法电路和积分电路。 答：在实际运用中经常将运放理想化，即运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到：开环电压增益Aud=；输入阻抗ri=；输出阻抗ro=0；带宽fBW=；失调与漂移均为零等理想化参数。 输出电压UO与输入电压之间满足关系式：UOAud（U+U）,由于Aud=，而UO为有限值，因此，U+U0。即U+U，称为“虚短”。由于ri=，故流进运放两个输入端的电流可视为零，称为“虚断”。利用上述的虚断、虚短方法分析，很容易得到如下关系：，其中，作为匹配电阻。称之为反向比例电路，这是加减法电路的基础。如下图所示，可得到：，且，称之为反向加法电路。根据上述虚短虚断法则，则上图有如下的积分电路关系：根据上述虚短虚断法则，则上图有如下的微分电路关系：6. 温度变送器输入量程是200-500，输出量程范围是420mA，模数转换精度是12位，计算温度是350时模数转换的输出。答：假设输出和温度之间是线性关系，是常量。由得到，代入得到7. 单工、半双工、全双工的原理（画图）答：单工数据单向传输（例：无线电广播）。半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）。全双工数据可以双向同时传输（例：电话），需要具有两条物理上独立的传输线路；或 者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。8. 多路复用技术的分类及其描述答：频分复用整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行 传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。时分复用把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一 个时隙进行传输。波分复用整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进 行传输。码分复用每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码。不同用户发送的信 号在接收端被迭加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的 正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。9. OSI七层参考模型是什么？基于CAN总线的OBD系统网络结构是什么？答：OSI参考模型分为七层，各层的主要作用如下表所示。层次定义1物理层它是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据位信息从一台设备传送到另一台设备。2数据链路层它负责将传送的数据按帧结构格式化，组织成帧，实现差错控制和介质访问控制，实现对物理层的管理。3网络层它的主要功能是信息包的路径选择和链路的协调管理，防止链路的死锁和堵塞。4传输层它为会话层提供可靠而透明的端对端传送服务，使信息传送无差错。5会话层提供用户进程之间的一次会话，其目的在于通过进程之间连接的建立和调节，使得连接双方的交互活动变得简易。6表示层它的功能是实现用户与服务之间的翻译与转换。7应用层它为用户进程通信执行面向应用的任务，包括必要的监督和管理。OBD分为CAN物理层、CAN数据链路层、ISO17765网络层、ISO14229应用层。10. CAN总线的基本拓扑结构答：主要由节点和总线构成。11. CAN总线的数据帧格式描述答：分为标准帧和扩展帧两类12. 简述RFID系统的工作原理。 答：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。13. 连续控制系统性能指标答：如图所示，由超调量、稳态误差、峰值时间、调整时间、振荡次数、衰减比等组成。14. 给出典型闭环数字控制系统的结构和关系。答： 15. 写出增量型和位置型PID控制器表达式。 位置型增量型 16. 分析Smith预估器的原理。对于一个单回路系统，闭环传递函数的结构是其特征方程是超越方程。与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。则经补偿后的系统闭环传递函数为：17. 写出模糊控制器的结构与各部分原理。 模糊控制器包括模糊化接口、知识库（数据库、规则库）、推理机、解模糊接口。18. 写出几种常用的现场总线类型和场合。答：（1）Foundation Fieldbus基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。（2）PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。它由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA组成PROFIBUS现场总线系列。（3）CAN是控制局域网（Control Area Network）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。19. 写出物联网三层或四层结构体系。20. 结合自身研究领域，阐述DCS所起的作用和学科联系。DCS是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS具有各种参数的检测、控制、报警、联锁等作用。近几年来，生产行业进一步提高了工厂综合自动化水平，注重信息化的建设，特别是各地的火电厂纷纷提出适合自己工厂的厂级监控信息系统（SIS）以提高生产效率，实现工厂管理信息系统与各种分散控制系统之间的数据交换。厂级实时监控信息系统以分散控制系统为基础，以经济运行和提高发电企业整体效益为目的，采用先进、适用、有效的专业计算方法，实现整个电厂范围内信息共享，厂级生产过程的实时信息监控和调度，同时又提高了机组运行的可靠性。它为电厂管理层的决策提供真实、可靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。