过程装备控制技术习题及参考答案（第二版已经整理）(10)

第五节 计算机控制系统

1.计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分有什么作用？ 答：计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成。工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分主要包括计算机主机，外部设备，外围设备，工业自动化仪表和操作控制台，软件是指计算机系统的程序系统，各部分作用参见课本P234-235。

2.计算机控制系统与常规的模拟控制系统相比，有哪些相同与不同点？

答：相同点：控制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程相同，即都是基于“检测偏差，纠正偏差”的控制原理。在系统的对象，执行元件，检测元件等环节内部的运动规律与模拟控制系统是相同的。

不同之处：在计算机控制系统中，控制里对控制对象的参数，状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的，并使用数字控制控制里代替了模拟控制里，并增加了模数转换元件和数模转换元件，给定值也从数字量形式输入计算机。

3.计算机控制系统按照目的不同分为哪些类型？各有什么特点？ 答：分为：数据采集和数据处理系统，直接数字控制系统DDC，监督控制系统SCC，分级计算机控制系统以及集散型控制系统。数据采集

和数据处理系统主要是对大量的过程状态参数进行巡回检测，数据存贮纪录，数据处理进行实时数据分析以及数据越限报警等功能，计算机不直接会与过程控制，对生产过程不产生直接影响。直接数字控制系统的特点：计算机完全代替了模拟调节里，实现了几十个甚至更多的单回路PID控制，并易于实现其他新型控制规律的控制，具有大纯滞后对象的控制等，他把显示，纪录，报警和给定值设定等功能都集中在操作控制台上，给操作人员带来了方便，修改程序即可实现上述各种形式的控制规律；缺点是：要求工业控制计算机的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常进行，P238-P242。

4.集散型控制系统是怎样构成的？有哪些主要特点？

答：集散型控制系统将生产过程按其系统结构纵向分成现场控制级，控制管理级，生产和经营管理级。级间相互独立又相互联系。再对每一级按其功能划分为若干小块，采取既分散又集中的设计原则，进行集散控制系统的硬件和软件设计特点：（1）硬件组装积木化（2）软件模块化（3）组态控制系统（4）应用先进的通信网络（5）具有开放性（6）可靠性高

故：集散型控制系统既有计算机控制系统控制算法先进，精度高，响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠，维护方便的优点，而且，集散型控制系统容易实现复杂的控制规律，成本低，施工周期短.

5.试自拟一个对象，画出计算机数据采集处理系统的方框图，并说明各部件的名称

解：工业对象——》多道开关——》A/D——》计算机——》显示/打印/报警

6 某被控对象有5个模拟量控制回路和3个模拟量检测监视回路，试为该对象设计一个监督计算机控制系统方框图。 解：方框图见： 测

7.什么是计算机直接数字控制系统？它有什么特点？

答：直接数字控制系统DDC分时的对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差值，按照预先制定的控制标法进行数字分析，运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。

特点：优点是1.计算机完全代替了模拟调节器，实现几个甚至更多的单回路PID控制。2。较易实现其他新型控制规律的控制，如串级控制，前馈控制，自动选择性控制。3。将显示，记录，报警和给定值设定等功能集中在操作控制台上，操作方便。

SCC2控机 生 产 过 程 测量量控制 模 拟 仪 表 缺点：要求工业控制计算机的可靠性提高，否则会直接影响生产的正常运行。

8．DDC的基本算法有哪些？各有什么优缺点？

答：DDC的基本算法分为两种：理想PID算法和实际PID算法。其中理想PID算法包括：位置式，增量式和速度式；实际PID算法有：位置式，增量式和速度式。

理想算法中，位置式算法容易产生累积误差，若该项值很大时，调节缓慢，发生积分饱和，对控制调节不利，且受到计算机字长的限制，当超过字长时，引起积分丢失现象。增量式算法无此缺点，而且系统进行手动和自动切换时，增量式PID由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小，即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用，仍可保存元件位，对被控制过程的影响较小。但是理想算法存在自身不足，而且具体工业过程的控制有一定的特殊性，故采用实际PID算法，有较强的干扰抑制能力。

9．试列出一些改进的PID算法，并分析其改进特点及适用场合 答：改进的PID算法有：（1）带有死区的PID控制——当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节；当超过这个阀值时，系统

?p(k)...当|e(k)|?B,PID控制动作?按照PID进行调节，表示为 p(k)???

0.........当|e(k)|?B，无控制输出值?? 式中B为阀值，O-B的区间称为死区。

该控制方式适用于要求控制作用尽可能少变动的场合，如在中间器皿的液面控制。（2）饱和作用的抑制（A）PID位置算法的积分饱和作用机器抑制——采用遇限削弱积分法和积分分离法。（B）PID增量算法的饱和作用及其抑制（C）干扰的抑制——四点中的差分

法。该控制方式适用于可能出现饱和效应的场合，即控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围以内，

Umax<=U<=Umax，控制器执行的控制量不再是计算值。︱△U︱<=△Umax.

10．在计算机控制系统中，采样周期是如何确定的？为什么执行器响应速度较慢时对采样周期可适当选大一些？

答：采样周期的选择主要从以下几个方面来考虑：1。从对控制质量的要求考虑，采样周期小一些，控制效果好。2。从被控制对象的动态特征考虑，若对象的反应速度快，选用较短的采样周期；如果对象的反应速度慢，则选用较长的采样周期。3。从执行机构的要求考虑，有时需要计算机输出的控制信号保持一定的时间宽度，为使执行机构能够按预期的调节规律运作，则采样周期可选长一些。4。从抗干扰的要求看，希望采样周期短些。5。从计算机的工作量和每个控制回路的成本看，希望采样周期大些。

综上所述，必须根据拘役情况和主要的要求作出选择，当执行器相应速度较慢时，采样周期应适当选大些，以保证执行器能够实现预期的调节规律。

11．已知模拟调节器的传递各数G（S）=（1+0.17S）/0.085S，现在要用数字PID算法来实现，试分别写出相应的位置式和增量式PID算法表达式，设采样周期为To=0.2S. 解：由G（S）=

1?0.17s，可得：Kp=1 TI=0.17 TD=0.085 0.085sT?位置式 u(k)= Kp{e(k)+

TI?e(i)?i?0kTD[e(k)?e(k?1)]} T