上海工程技术大学分布式控制技术与应用复习重点总结.docx

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上海工程技术大学分布式控制技术与应用复习重点总结

第一章

1.从历史沿革来谈为什么采用DCS?

由常规模拟仪表组成的控制系统在工业过程控制中曾长期占据统治地位，但随着生产规模和复杂程度的不断增加，其局限性越来越明显。

而最初的计算机控制（直接计算机控制DDC）系统虽然克服了常规模拟仪表的局限性，但由于一台计算机控制着几十甚至几百个回路，同时对几百、上千个变量进行监视、操纵、报警，危险高度集中。

分布式控制系统（DCS）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和制造过程的日益复杂应运而生的综合控制系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

它采用分散递阶结构，体现了集中管理、分散控制的思想，实现了系统的功能分散、危险分散，具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点。

它既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术。

2.分布式控制的组成，每部分的功能

DCS主要包括：

控制站（完成过系统的运算处理控制，是DCS的核心部分，系统主要的控制由他完成）、操作站（完成人机界面功能、供操作员操作监视）、工程师站（对DCS进行应用组态和编程用于离线组态、在线修改和操作系统开发）、通讯系统（包括系统网络和现场总线）、高层管理网络。

3.分布式控制的主要特点：

集中管理、分散控制。

4.分布式控制的体系结构

现场仪表和执行机构层、装置控制层、工厂监控与管理层、企业经营管理层

5.为什么采用递阶控制结构

1）网络结构，将各个子系统通过总线连接起来

2）分层结构，由工程师站、操作站、控制站和操作系统组成

3）主从结构，集中操作、分散控制

6.OSI模型

共7层，自上而下：

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

原则：

①每一层都必须有一个完整的功能，②每层的通信协议都应该以国际标准化的眼光来看，③所选的层边界应尽量将通过接口的信息流减至最低，④层次的数目不要多的使结构大而不当、也不要少的让不同功能合并在同一阶层中。

7、开放系统的基本特征

可移植性、可操作性、可适宜性、可得到性。

第二章

1.数字/模拟PID结构图

数字PID闭环系统结构图：

2.比例调节的功能/缺陷

优点：

反应快缺点：

不能完全消除静差。

3.积分器/微分器的作用

积分器：

积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分器的输出还在增加，直至使误差e=0。

积分器的加入相当于能自动调节控制常量u0，消除静差，使系统趋于稳定。

微分器：

减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性。

4.数字PID调节器的优点/原理图

优点：

①技术成熟，结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，还可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制、不完全微分控制、积分分离式PID控制、带死区的PID控制、变速积分PID控制、比例PID控制等；②易被人们熟悉和掌握；③不需要求出数学模型；④控制效果好。

原理：

根据输入的偏差信号，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果用于输出控制。

5.位置式/增量式的PID控制算法

位置式算法：

增量式算法：

增量式控制算法提供执行机构的增量△uk，只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可。

6.为什么采用增量式的PID控制算法

位置算法易产生积分饱和现象，同时难以手/自动切换。

增量算法和速度算法可消除积分饱和现象，易实现手/自动切换。

7.积分饱和是如何产生的

如果由于负载突变等原因，引起误差的阶跃，若根据PID算法公式计算出的控制量u超出了控制范围，例如，u>umax，那么实际上控制变量u就只能取上界值umax，而不是计算值，此时系统变量Y输出值虽在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有受限制时慢，误差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而使公式中的积分项有较大的累积值，当过程变量输出值Y超出给定值后，开始出现负差，但由于积分项的累积值很大，还要经过一段时间t后，控制变量u才脱离饱和区，这样就使系统出现明显的超调，这种饱和作用是由积分项引起的，故称为积分饱和。

8.积分分离的方法

①一种办法是只在UI与UP同方向时，才把积分引入；而在UI与UP反方向时，把UI切除，这在计算机上是很容易办到的。

②是只在小于某一界限（例如|e|<ε为某一常数）时，即被控变量相当接近设定值时，才把UI引入，而在其余情况下（|e|>ε），把UI切除

9.带有逻辑运算规律的选择性控制系统--锅炉蒸汽系统图

10.前馈控制

所谓前馈控制，实质上是一种按扰动进行调节的开环控制系统。

特点：

当扰动产生后，被控变量还未显示出变化以前，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。

11.分布式控制系统如何实现前馈控制与反馈控制相结合控制模式？

前馈控制实质是一种按扰动进行调节的开环控制系统，其作用是使被控制变量不受主要扰动作用而产生偏差，其特点是当扰动产生后，被控制变量还未显示出变化以前，根据扰动大小进行调节，以补偿扰动对被控对象的影响。

而反馈控制是误差控制，其作用是克服其余扰动以及前馈补偿不完全的部分。

要实现完全补偿并非易事，因为要得到工业过程的精确数学模型是十分困难的；同时扰动也不是特定的一种。

为保证系统有更大的适应性，工业过程的许多场合把前馈控制和反馈控制结合起来，实现前馈控制与反馈控制相结合的控制模式。

反馈、前馈取长补短，形成前馈—反馈控制方案（FFC—FBC）

对主要干扰进行前馈控制——校正及时

对其它干扰进行反馈控制——反馈校正，多干扰控制

12.解耦控制

13.串联解耦控制的原理

14.讨论时滞补偿控制在三个通道上对控制品质的影响（课上讲的重点）

15.史密斯补偿控制的补偿方案

16.推断控制结构图（重点）系统程序--反馈推断

用途：

推断控制是利用数学模型，由可测信息将不可测的输出变量或不可测扰动推算出来实现反馈控制。

特点：

第三章

1.PLC的用途和特点

用途：

顺序控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信和联网。

特点：

抗干扰能力强、可靠性高；控制系统结构简单、通用性强、应用灵活；编程方便、易于使用；功能完善、扩展能力强；PLC控制系统设计、安装、调试方便；维修方便、维修工作量小；体积小、重量轻、易于实现机电一体化。

2.PLC的结构形式

整体式结构、组合式结构

3.PLC的工作原理

PLC工作工程实际上周而复始地执行①读输入扫描过程②执行程序③与网络通讯的扫描过程④自诊断扫描过程⑤写输出扫描

4.PLC的组成

5.PLC的硬件/软件结构（PPT15页图）

硬件：

中央处理器（CPU），存储器（包括系统存储器和用户存储器），输入、输出接口，电源，扩展接口，通讯接口，智能I/O接口，智能单元，其他部件。

软件：

系统软件（系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用程序）、用户程序（它是PLC的使用者针对具体控制对象编制的应用程序。

）。

广义上的PLC程序构成：

用户程序、数据块、参数块。

6.系统程序（PPT117页）

7.PLC的编程语言

三种语言：

梯形图、指令表、顺序功能流程图。

8.I/O设备单元

I/O设备单元保证CPU与现场设备相互联系的通道，可实现电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换。

9.开关量输出单元：

继电器输出单元、晶体管输出单元、晶闸管输出单元

10.梯形图的设计和编程规则

Ladder编程规则①自上而下、从左到右，每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。

每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。

②一般情况下，在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点（常开/常闭）可重复出现。

③在一个逻辑行上，串联触点多的支路应放在上方，如果将串联触点多的支路放在下方，则语句增多，程序变长④在每一个逻辑行上，并联触点多的支路应放在左边。

如果将并联触点多的电路放在右边，则语句增多，程序变长。

⑤不允许一个触点上有双向“电流”通过⑥多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。

⑦设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开状态进行设计更为合适，不易出错。

因此，也建议尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接。

11.典型的梯形图起保停

①起动保持和停止电路②电动机正反转控制电路③延时接通/断开电路④定时范围的扩展⑤闪烁电路⑥报警电路

12.延时接通/断开

T37、T38为通电型延时继电器，分辨率为100ms，PT为设定值，其延时时间为：

分辨率*设定值。

所以T37延时时间=90*100=9sT38延时时间=60*100=6s。

当输入端为1时，开始计数，到延时时间，输出为高电平。

13.典型电路

故障信号I0.0接通时Q0.0（蜂鸣器）响；同时特殊存储器SM0.5（1s时钟脉冲）周期性通/断，使Q0.1也跟着周期性的通/断，使与之相连的报警指示灯发光闪烁。

待工作人员发现后，按下蜂鸣器复位按钮I0.1，使位存储器M0.1接通，其常开触点闭合自锁，另一常开触点闭合，使Q0.1持续接通，报警指示灯停止闪烁持续发光。

待故障排除后去掉故障信号使I0.0断开，报警指示灯熄灭。

第四章

1.CPU程序的块结构

2.程序循环执行

3.数据存储有哪几种类型

数据以用户程序变量的形式存储，且具有唯一性。

数据可以存储在输入过程映像存储器（PII）、输出过程映像存储器（PIQ）、位存储器（M）、局部数据堆栈（L堆栈）及数据块（DB）中。

可以采用基本数据类型、复杂数据类型或参数类型。

4.数据块分类

（1）共享数据块

（2）背景数据块（3）用户定义数据块

5.寄存器

CPU有两个数据块寄存器：

DB和DI寄存器。

这样，可以同时打开两个数据块。

6.结构化/如何定义

所谓结构化程序，就是处理复杂自动化控制任务的过程中，为了使任务更易于控制，常把过程要求类似或相关的功能进行分类，分割为可用于几个任务的通用解决方案的小任务，这些小任务以相应的程序段表示，称为块（FC或FB）。

OB1通过调用这些程序块来完成整个自动化控制任务。

结构化程序的特点是每个块（FC或FB）在OB1中可能会被多次调用，以完成具有相同过程工艺要求的不同控制对象。

这种结构可简化程序设计过程、减小代码长度、提高编程效率，比较适合于较复杂自动化控制任务的设计。

7.编程

第五章

1.最小拍控制特点：

（1）若参数不变，可实现时间最优控制

（2）本质是开环控制

（3）加反馈环节可实现闭环最优控制

2.定义（最小拍控制）

要求闭环系统对于某种特定的输入下在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且其闭环脉冲传递函数式

其中，N是可能情况下的最小正整数，即闭环脉冲响应φ（z）在N个周期后变为0。

3.零阶保持器的作用---恒值外推

零阶保持器的作用是保持离散信号各采样时刻的值不变直到下一个采样时刻止，从而形成由高度为各采样时刻值的矩形波组成的脉动序列，如上图再将各矩形波顶边的中点用一条光滑的曲线连接成上图中绿色虚线此绿色虚线就能较准确地复现由红色虚线表示的原连续信号，且采样周期越小，复现精度越高。

一阶保持器（线性外推）

4.Z变换（计算题）

5.脉冲传递函数的概念

6.φ（z）、D（z）公式PPT56

7.典型信号输入的响应

（1）单位阶跃输入信号

（2）单位斜坡输入信号

（3）单位抛物线输入信号

8.PPT59-60图

同上题

9.PPT63页：

响应的特点/差别在哪儿

输入为斜坡时

加速度输入时

10.最小拍控制器的适应性特点（结论）PPT66

★最少拍控制器的适应性特点：

对应同阶输入可以实现最小拍跟踪。

对于低阶输入，稳态误差为0，但动态特性较差，有100％超调，且不能最小拍跟踪。

对于高阶输入动态响应慢、且有稳态误差。

★结论：

一种典型的最少拍φ（z）只适用于该类型的输入。

11.D（z）如何求，PPT67

12.零阶保持器的处理方法PPT70

采样周期足够小时，可忽略保持器

双线性变换法

14.

15.最小拍控制系统的局限性

（1）系统的适应性差

（2）对参数变化过于灵敏

（3）控制作用易超过限定范围

（4）在采样点之间存在纹波

16.为什么存在纹波

17.纹波产生的原因PPT93

18.

第八章

1.DCS操作方式

①仪表盘的操作方式，指过程控制站的操作在仪表盘上进行，它通常包括盘装的单回路、多回路控制器、可编程逻辑控制器、模拟仪表和简易型操作终端的操作。

主要用于采用单回路控制器、可编辑逻辑控制器等模拟仪表盘的场合。

②CRT操作方式，它通过生产过程的集中监视和操作实现对生产过程的介入，通过操作站的CRT、触摸屏幕、鼠标或球标、键盘等设备或者语音等输入设备对生产过程的操作以及对系统进行控制和维护等操纵。

2.组态的内容

分布式控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态。

系统组态完成组成系统的各设备间的连接。

画面组态完成操作站的各种画面、画面间连接。

控制组态完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。

趋势显示、历史数据压缩、数据报表打印及画面拷贝等组态常作为画面组态或控制组态的一部分来完成。

3.CRT的操作方式

CRT操作方式指通过操作站的CRT、触摸屏幕、鼠标或球标、键盘等设备或者语音等输入设备对生产过程的操作以及对系统进行控制和维护等操纵。

4.人机接口的要求

在CRT操作方式中的人机接口装置主要是操作站及其外部设备。

对它们的要求主要有环境要求、输入特性和图形特性的要求。

（1）环境要求。

控温洁净；供电稳定；与互联设备近距离通信。

（2）输入特性。

输入设备逐渐由键盘向鼠标、机械式向光电式和屏蔽式的转变。

（3）图形特性。

要求不断提高色彩、分辨率、内存级和数据存储能力。

5.组态操作

分布式控制系统的组态操作包括分散过程控制装置和操作站的组态，可延伸到现场智能变送器、一体化安装的带控制器的执行机构的组态和上位管理机的组态。

组态操作包括系统组态、控制组态、画面组态和操作组态等。

系统组态操作是根据已有的分布式控制系统，确定各设备的可寻址的标志位、各设备之间的连接关系（部分硬件接线）、所包含的软件环境以及相应操作系统。

6.系统组态

系统组态包括硬件组态和软件组态。

硬件组态工作是对各设备规定唯一的标志号。

它可以通过跨界片、开关的位置分配来完成。

各设备之间的硬件接线以及插件板的安装都是硬件组态工作，它们通常是由制造厂商完成。

软件组态工作包括对有关设备送入相应的操作系统和软件、用软件的方式描述各设备之间的连接关系和安装位置等。

Z反变换求解方法：

长除法、部分分式法、留数法。

1、求响应D（z）