計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

1、第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述習(xí)題與思考題1-1 測控系統(tǒng)微機(jī)化的重要意義是什么？1-2 對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些基本要求？1-3 閉環(huán)控制與開環(huán)控制有什么不同？1-4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的在線方式與離線方式的含義是什么？1-5 按應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)備形式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可分為哪幾種？1-6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪幾種輸入與輸出信號？各有什么特點(diǎn)和應(yīng)用場合？1-7 針對不同行業(yè)、不同被控對象，可以選擇哪些計(jì)算機(jī)控制裝置（主機(jī)）？1-8 以定位減速和工件加工為例，說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理。1-9 什么是實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？1-10 什么是智能控制？有哪幾種形式的智能控制系統(tǒng)

2、？1-11 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)軟、硬件的發(fā)展趨勢是什么？參考答案1-1 測控系統(tǒng)微機(jī)化的重要意義是什么？ 答：傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)主要由“測控電路”組成，所具備的功能較少，也比較弱。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的 迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)發(fā)生了根本性變革，即采用微型計(jì)算機(jī)作為測控系統(tǒng)的主體和核心，替代 傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的常規(guī)電子線路，從而成為新一代的微機(jī)化測控系統(tǒng)。由于微型計(jì)算機(jī)的速度快、精度高、 存儲容量大、功能強(qiáng)及可編程等特點(diǎn)，將微型計(jì)算機(jī)引入測控系統(tǒng)中，不僅可以解決傳統(tǒng)測控系統(tǒng)不能解 決的問題，而且還能簡化電路、增加或增強(qiáng)功能、提高測控精度和可靠性，顯著增強(qiáng)測控系統(tǒng)的自動化、 智能化程度，而且可以縮短系統(tǒng)

3、研制周期、降低成本、易于升級換代等。因此，現(xiàn)代測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別 是高精度、 高性能、 多功能的測控系統(tǒng)， 目前已很少有不采用計(jì)算機(jī)技術(shù)的了。 在當(dāng)今， 完全可以這樣說， 沒有微處理器的儀器就不能稱為儀器，沒有微型計(jì)算機(jī)的測控系統(tǒng)就更不能稱其為現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，為測控系統(tǒng)帶來以下一些新特點(diǎn)和新功能：1）自動清零功能。在每次采樣前對傳感器的輸出值自動清零，從而大大降低因測控系統(tǒng)漂移變化造 成的誤差。2）量程自動切換功能?？筛鶕?jù)測量值和控制值的大小改變測量范圍和控制范圍，在保證測量和控制 范圍的同時(shí)提高分辨率。3）多點(diǎn)快速測控?？蓪Χ喾N不同參數(shù)進(jìn)行快速測量和控制。4）數(shù)字濾波功能

4、。利用計(jì)算機(jī)軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可抑制各種干擾和脈沖信號。5）自動修正誤差。許多傳感器和控制器的特性是非線性的，且受環(huán)境參數(shù)變化的影響比較嚴(yán)重，從而給儀器帶來誤差。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以依靠軟件進(jìn)行在線或離線修正。6）數(shù)據(jù)處理功能。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜的處理和運(yùn)算功能，比如 統(tǒng)計(jì)分析、檢索排序、函數(shù)變換、差值近似和頻譜分析等。7）復(fù)雜控制規(guī)律。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的PID 控制，還可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，例如，自適應(yīng)控制、模糊控制等；同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)控制方案和控制規(guī)律的在線修改，使整個(gè)系統(tǒng)具有很大 的靈活性與適應(yīng)性。8）多媒體功能。利用計(jì)算機(jī)的多媒體技

5、術(shù)，可以使儀器具有聲光、語音、圖像、動畫等功能，增強(qiáng) 測控系統(tǒng)的個(gè)性或特色。9）通信或網(wǎng)絡(luò)功能。利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能，可以大大增強(qiáng)測控系統(tǒng)的外部接口功能和數(shù)據(jù)傳 輸功能。采用網(wǎng)絡(luò)功能的測控系統(tǒng)則將拓展一系列新穎的功能。10）自我診斷功能。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)后，可對控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即進(jìn)行報(bào)警，并 可顯示故障部位或可能的故障原因，對排除故障的方法進(jìn)行提示。通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)測控技術(shù)，可以穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源和原材料消耗，降低 生產(chǎn)成本； 更為重要的是通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)測控技術(shù)還可以降低勞動者的生產(chǎn)強(qiáng)度， 提高領(lǐng)導(dǎo)者的管理水平， 從而帶來極大的社會效益。正因?yàn)槿绱?，?jì)

6、算機(jī)測控技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。1-2 對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些基本要求？答： 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的測控對象是生產(chǎn)過程，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高生產(chǎn)效率， 降低能耗，減輕工人的勞動強(qiáng)度，同時(shí)，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)還應(yīng)綜合考慮自動化、計(jì)算機(jī)、檢測及網(wǎng)絡(luò)通訊 等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和系統(tǒng)之間的互聯(lián)技術(shù)需求。一般說來，對計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的基本要求如下：1）具有良好的實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是控制對象按規(guī)定工藝運(yùn)行的必要條件之一。對于不同的控制對象、不同的控制參數(shù)，其對系 統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有不同的要求。例如，流量、壓力的控制周期小于溫度的控制周期，也就是說，流量和壓力 控制對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高于溫度控制對系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求

7、。2）具有高可靠性和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性 可靠性是控制對象或生產(chǎn)過程連續(xù)運(yùn)行的根本保證，許多生產(chǎn)過程是連續(xù)運(yùn)行的，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的 故障將導(dǎo)致生產(chǎn)過程的中斷。要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，能迅速指出故障點(diǎn)和處理辦法，便于立即修 復(fù)。有的測控對象或生產(chǎn)過程所處的環(huán)境是非常惡劣的，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)往往安裝在控制對象的附近（如 各種變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等） ，這就要求系統(tǒng)能較強(qiáng)的適應(yīng)高溫、腐蝕、振動、沖擊、灰塵等環(huán)境；工業(yè)環(huán) 境電磁干擾嚴(yán)重，供電條件不良，要求計(jì)算機(jī)有較高的電磁兼容性，以確保系統(tǒng)的可靠性不會因環(huán)境的變 化而受影響。3）采用標(biāo)準(zhǔn)化部件，便于擴(kuò)充、升級和維護(hù)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化部件， 以免

8、受到部件供應(yīng)商的制約， 同時(shí)便于對系統(tǒng)進(jìn)行輸入 /輸出 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)充和系統(tǒng)的功能性擴(kuò)充。4）具有良好的人機(jī)界面和豐富的監(jiān)視畫面 根據(jù)目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)，一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的測控軟件應(yīng)基于Win NT/Win 98/Win XP 操作系統(tǒng)平臺或具有圖形界面的多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺。測控軟件應(yīng)提供豐富的操作畫面，既要滿足操作人員的 操作習(xí)慣和較高的操作成功率，又要保證操作人員能夠迅速處理生產(chǎn)過程的突發(fā)事件。5）具有良好的系統(tǒng)組態(tài)和可選的各種控制策略計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)分為專用和通用兩種類型。一個(gè)通用的工業(yè)測控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往具有靈活的系統(tǒng)組態(tài)功能和豐富的控制策略。所謂系統(tǒng)組態(tài)，是指系統(tǒng)工程師可以根據(jù)不同的控

9、制對象或生產(chǎn)過程，配置輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、過程板卡類型及設(shè)備地址、畫面種類形式和畫面數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議等?？刂撇呗杂址Q為控制算法，一個(gè)產(chǎn)品化的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有數(shù)十種控制算法，包括常規(guī)控制算法、模糊控制算法和專 家系統(tǒng)等。6）具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，便于實(shí)現(xiàn)工廠自動化和信息化工廠信息化是信息技術(shù)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)信息化的必然要求。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往采用分層體系結(jié)構(gòu)，其低層網(wǎng)絡(luò)使用實(shí)時(shí)性較高的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，保證控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性；其高層網(wǎng)絡(luò)使用計(jì)算機(jī)通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，便于信息的互通、互聯(lián)和共享。1-3 閉環(huán)控制與開環(huán)控制有什么不同？答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)本體 （包括硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ）和受

10、控對象兩大部分組成。工 業(yè)生產(chǎn)中的自動控制系統(tǒng)隨控制對象、控制算法和采用的控制器結(jié)構(gòu)的不同而有所差別。從常規(guī)來看，控 制系統(tǒng)為了獲得控制信號，要將被控量y和給定值W相比較，得到偏差信號 e=w-y。然后直接利用e來進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的偏差減小直到消除偏差使被控量等于給定值。這種控制，由于控制量是控制系統(tǒng)的輸出，被控制量的變化值又反饋到控制系統(tǒng)的輸入端，與作為系統(tǒng)輸入量的給定值相減，信號傳遞形成了閉合回 路，所以稱為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如習(xí)題圖O-Ia所示。習(xí)題圖0-1控制系統(tǒng)的般形式a）閉環(huán)揑制系址報(bào)圖；b）開環(huán)控制系繚框皚。從圖O-Ia可知，該系統(tǒng)通過測量傳感器對被控對象的被控參數(shù)（如溫度、

11、壓力、流量、速度等物理量）進(jìn)行測量，再由變送單元將這些量變換成一定形式的電信號，反饋給控制器。控制器將反饋信號對應(yīng)的工 程量與系統(tǒng)給定的設(shè)定值工程量比較，形成偏差輸入，控制器就產(chǎn)生控制信號按一定控制規(guī)律驅(qū)動執(zhí)行機(jī) 構(gòu)進(jìn)行工作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的操縱變量使被控參數(shù)的值與給定值保持一致。此類負(fù)反饋控制是自動控制的 基本形式，也是大多數(shù)控制系統(tǒng)具備的結(jié)構(gòu)。圖O-Ib是另一種控制結(jié)構(gòu)，即開環(huán)控制系統(tǒng)。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于它不需要控制對象的反饋 信號。它的控制是直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象工作的。這種信號的傳遞是單方向的。被 控制量在整個(gè)控制過程中對控制量不產(chǎn)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動消

12、除被控參數(shù)與給定值之間的偏差，控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差全部反映在被控參 數(shù)上。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，控制結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差，常用在一些特殊的控制場合。 因此，大多數(shù)控制系統(tǒng)即定值控制系統(tǒng)均采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。1-4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的在線方式與離線方式的含義是什么？ 答：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接相連，并接受計(jì)算機(jī)直接控制的方式稱稱為 在線方式或聯(lián)機(jī)方式：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不相連，或雖受連接但過程不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人 工進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱離線方式或脫機(jī)方式。1-5 按應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)備形式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可分為哪幾種？答： 按應(yīng)用領(lǐng)域分類：1）專用

13、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是應(yīng)用領(lǐng)域比較專一， 或者是專門為某項(xiàng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)、 開發(fā)的， 如各種智能儀器儀表、 數(shù)控機(jī)床控制器等。帶有智能控制功能的家電產(chǎn)品也可屬這類系統(tǒng)。這些系統(tǒng)偏重于某幾項(xiàng)特定的功能， 系統(tǒng)的軟硬件比較簡單和緊湊，常用于批量的定型產(chǎn)品中。硬件完全按系統(tǒng)的要求進(jìn)行配置，軟件固化于 芯片中，一般可采用單片機(jī)系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫目刂菩酒瑏韺?shí)現(xiàn)，開發(fā)完成后一般不做較大的改動。對于功能要求較高，但應(yīng)用領(lǐng)域及目的相當(dāng)明確的系統(tǒng)，一般也可配置檔次較高的硬件和專用軟件， 構(gòu)成高性能專用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2）通用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)較多應(yīng)用于功能較全的數(shù)據(jù)采集和過程控制。例如，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、

14、工業(yè)過程控制計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)等。絕大多數(shù)的工業(yè)部門都會遇到這類系統(tǒng)。盡管隨行業(yè)的不同對系統(tǒng)會有不同的具體要求，但在 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和過程控制方面都有很多共性要求。為了降低開發(fā)費(fèi)用，縮短開發(fā)周期，一般是選用通用的 軟硬件資源來構(gòu)成用戶自己的應(yīng)用系統(tǒng)。為此，一般采用如下的途徑來實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)一般選用工業(yè)級總線 式計(jì)算機(jī)，其具體配置可選； I/O 通道多選用工業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)板卡或模塊；軟件平臺一般采用較為流行 的操作系統(tǒng)，如 Windows NT、 Windows XP 等；也可購置通用的數(shù)據(jù)采集 /過程控制軟件包，功能較好的 軟件包一般都可根據(jù)用戶需求進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)和系統(tǒng)生成；利用通信網(wǎng)絡(luò)將單個(gè)的計(jì)算機(jī)系

15、統(tǒng)組成規(guī)模更 大、功能更全的集散型控制系統(tǒng)。大型的系統(tǒng)可有上千個(gè)回路，有數(shù)千個(gè)測控點(diǎn)，可用于大型企業(yè)的數(shù)據(jù) 采集、監(jiān)控管理、閉環(huán)控制、分級優(yōu)化管理等多種場合。按設(shè)備形式分類： 無論是簡單的控制系統(tǒng)還是復(fù)雜的控制系統(tǒng)，根據(jù)其系統(tǒng)控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式或設(shè)備形式，均可將其 分解成儀表調(diào)節(jié)器、可編程序控制器、微型計(jì)算機(jī)等幾種基本的控制設(shè)備。一個(gè)大型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)可能由這些基本控制設(shè)備中的某幾種組成。隨著技術(shù)的發(fā)展，幾種基本控制設(shè)備之間已經(jīng)互相滲透，如 大型 PLC 系統(tǒng)具有集散型系統(tǒng)的某些功能，集散型系統(tǒng)具有 PLC 的功能，儀表調(diào)節(jié)器可以和微型計(jì)算機(jī) 組成中小型 DCS 等。對于最終用戶來說，

16、了解工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備類型往往勝過了解設(shè)備的技術(shù) 規(guī)格。因此，對工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備分類具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。1）基于儀表調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器 （調(diào)節(jié)儀表）組成，如圖2所示，適用于輸入點(diǎn)數(shù)和控制回路較少的生產(chǎn)過程。n#調(diào)節(jié)儀表圖2儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器分為單回路調(diào)節(jié)器和多回路調(diào)節(jié)器。單回路調(diào)節(jié)器只有一個(gè)控制回路。多回路調(diào)節(jié)器提供兩個(gè)以上 的控制回路，常用的多回路調(diào)節(jié)器有雙回路調(diào)節(jié)器、四回路調(diào)節(jié)器和八回路調(diào)節(jié)器。隨著單片機(jī)技術(shù)、通 信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器技術(shù)也在不斷地發(fā)展，目前仍在生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域占有一定的市場。調(diào) 節(jié)器或調(diào)節(jié)儀表的發(fā)展為現(xiàn)場總線設(shè)備的發(fā)展奠定了基

17、礎(chǔ)，同時(shí)，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)儀 表的發(fā)展提供了更廣闊的發(fā)展空間。2）基于可編程序邏輯控制器的控制系統(tǒng)可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller ,簡稱PLC）,是由繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的， 最初是專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。PLC的發(fā)展十分迅速，當(dāng)今的 PLC除了執(zhí)行傳統(tǒng)的順序控制和邏輯控制外，也具有過程控制功能，大中型 PLC還具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能和DCS系統(tǒng)的某些功能。目前，三菱、歐姆龍、西門子以及羅克韋爾等幾大公司的PLC在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的使用。PLC具有以下優(yōu)點(diǎn)：可靠性特別高、抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境；采用模塊化

18、結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)組成靈活方便；主要采用梯形邏輯圖，編程簡單，易學(xué)、易懂；安裝簡便、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小 等。盡管PLC具有上述的一些優(yōu)點(diǎn)，但PLC主要是為現(xiàn)場控制而設(shè)計(jì)的，其人機(jī)界面主要是開關(guān)、按鈕、指示燈等。為此，20世紀(jì)90年代后，許多的PLC都配備有計(jì)算機(jī)通信接口，通過總線將一臺或多臺PLC相連接，將 PLC的高控制性能與個(gè)人計(jì)算機(jī)的友好人機(jī)界面相結(jié)合，這種類型的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)稱為 PLCS。PLCS的組成示意圖如圖 3所示。圖3 PLCS的組成原理圖計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)可以提供良好的人機(jī)界面，進(jìn)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理；而PLC作為下位機(jī)，執(zhí)行可靠有效的分散控制。計(jì)算機(jī)與PLC,PLC與PLC之

19、間通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的傳送和交換。所有的現(xiàn)場控制都是由PLC完成的，上位機(jī)只是作為程序編制、參數(shù)設(shè)定和修改、數(shù)據(jù)采集所用。因此，即使是上位 機(jī)出了故障，也不會影響生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，這就大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。3）基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)是目前世界上數(shù)量最多、應(yīng)用最廣泛的機(jī)型，因而將個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用于控制也是很自然的 事情。特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，技術(shù)開放，并且擁有極為豐富的應(yīng)用軟件資源，從而深得 人們的青睞?；趥€(gè)人計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是，輸入輸出裝置制作為板卡的形式，并將板卡直接與個(gè)人計(jì) 算機(jī)的系統(tǒng)總線相連，即直接插在計(jì)算機(jī)主機(jī)的擴(kuò)展槽上，如圖4所示。這些輸入

20、輸出板卡往往按照某種標(biāo)準(zhǔn)由第三方批量生產(chǎn)， 開發(fā)者或用戶可以直接在市場上購買。早期使用比較多的是 STD總線，近年來占主導(dǎo)地位的是ISA總線和Pel總線，且Pel總線有取代ISA總線的趨勢。構(gòu)成基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可以用普通的商用機(jī)，也可以用DIY的計(jì)算機(jī)，還可以使用專門用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)（簡稱工控機(jī)，IPC）。由第三方開發(fā)的輸入輸出板卡可以在市場上購買，也可以由開發(fā)者自行制作。一塊板卡的點(diǎn)數(shù)（指測控信號的數(shù)量）少的有幾點(diǎn)，多的可達(dá)16點(diǎn)、24點(diǎn)甚至更多。圖4基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)PCS的操作系統(tǒng)早期都采用 DOS操作系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代中期后，Windows和Wind

21、ows NT操作系 統(tǒng)開始流行。應(yīng)用軟件可以由開發(fā)者利用C、VC+、VB、DeIPhi等語言自行開發(fā)，也可以在市場上購買組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)后生成。早期的PCS的最大問題就是其性能不夠可靠。20世紀(jì)90年代中期后，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，PCS的可靠性已越來越高，特別是工控機(jī)，其機(jī)箱、電源、主板等都進(jìn)行了強(qiáng)化，可靠性直逼PLC?？傊?，由于PCS價(jià)格低廉、組成靈活、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)開放、配件供應(yīng)來源廣泛、應(yīng)用軟件豐富 等特點(diǎn)，PCS是一種很有應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。1-6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪幾種輸入與輸出信號？各有什么特點(diǎn)和應(yīng)用場合？答：工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的前提是，必須將工業(yè)生產(chǎn)過程

22、的工藝參數(shù)、工況邏輯和設(shè)備運(yùn) 行狀況等物理量經(jīng)過傳感器或變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識別的電信號（電壓或電流）或邏輯量。傳感器和 變送器輸出的信號有多種規(guī)格，其中毫伏（mV ）信號、O5V電壓信號、15V電壓信號、O10mA電流信號、420mA電流信號、電阻信號是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)常用到的信號規(guī)格。在實(shí)際工程中，通常將這 些信號分為模擬量信號、開關(guān)量信號和脈沖量信號三大類。1 模擬量信號許多來自現(xiàn)場的檢測信號都是模擬信號，如液位、壓力、溫度、位置、PH值、電壓、電流等，通常都是將現(xiàn)場待檢測的物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號；許多執(zhí)行裝置所需的控制信號也是模擬 量，如調(diào)節(jié)閥、電動機(jī)等。模擬信號是指隨

23、時(shí)間連續(xù)變化的信號，這些信號在規(guī)定的一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，其幅值為連續(xù)值，即從一 個(gè)量變到下一個(gè)量時(shí)中間沒有間斷。模擬信號有兩種類型：一種是由各種傳感器獲得的低電平信號；另一種是由儀器、變送器輸出的420mA的電流信號或15V的電壓信號。這些模擬信號經(jīng)過采樣和 A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)后， 常常要進(jìn)行數(shù) 據(jù)正確性判斷、標(biāo)度變換、線性化等處理。模擬信號非常便于傳送， 但它對干擾信號很敏感， 容易使傳送中的信號的幅值或相位發(fā)生畸變。 因此， 有時(shí)還要對模擬信號做零漂修正、濾波等處理。模擬信號的常用規(guī)格：1）15V 電壓信號此信號規(guī)格有時(shí)稱為 DDZ-川型儀表電壓信號規(guī)格。15V電壓信號規(guī)格通常用于計(jì)算機(jī)控制

24、系統(tǒng)的過程通道。工程量的量程下限值對應(yīng)的電壓信號為IV ,工程量上限值對應(yīng)的電壓信號為5V ,整個(gè)工程量的變化范圍與4V的電壓變化范圍相對應(yīng)。過程通道也可輸出15V電壓信號，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2）420mA 電流信號4 20mA 電流信號通常用于過程通道和變送器之間的傳輸信號。 工程量或變送器的量程下限值對應(yīng)的 電流信號為4mA ,量程上限對應(yīng)的電流信號為20mA ,整個(gè)工程量的變化范圍與 16mA的電流變化范圍相對應(yīng)。過程通道也可輸出 420mA 電流信號，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。有的傳感器的輸出信號是毫伏級的電壓信號，如K分度熱電偶在I000 C時(shí)輸出信號為41.296mV。這些信號要經(jīng)過變送器

25、轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號（420mA ）再送給過程通道。熱電阻傳感器的輸出信號是電阻值，一般要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號（420mA ）,再送到過程通道。對于采用 420mA電流信號的系統(tǒng)，只需采用250電阻就可將其變換為 15V直流電壓信號。注意：以上兩種標(biāo)準(zhǔn)都不包括零值在內(nèi)，這是為了避免和斷電或斷線的情況混淆，使信息的傳送更為 確切。這樣也同時(shí)把晶體管器件的起始非線性段避開了，使信號值與被測參數(shù)的大小更接近線性關(guān)系，所 以在國際范圍內(nèi)受到推薦并被普遍采用。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出模擬信號需要傳輸較遠(yuǎn)的距離時(shí)，一般采用電流信號而不是電壓信號，因?yàn)殡?流信號在一個(gè)回路中不會衰減，因而抗干擾能力比電壓信號好；當(dāng)

26、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出模擬信號需要傳輸 給多個(gè)其他儀器儀表或控制對象時(shí)，一般采用直流電壓信號而不是直流電流信號。2開關(guān)量信號 有許多的現(xiàn)場設(shè)備往往只對應(yīng)于兩種狀態(tài)，例如，按鈕、行程開關(guān)的閉合和斷開；電動機(jī)的起動和停 止；指示燈的亮和滅；繼電器或接觸器的釋放和吸合；晶閘管的通和斷；閥門的打開和關(guān)閉等，可以用開 關(guān)輸出信號去控制或者對開關(guān)輸入信號進(jìn)行檢測。開關(guān)信號是指在有限的離散瞬時(shí)上取值間斷的信號。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，數(shù)字信號是由有限字長的數(shù)字 組成，其中每位數(shù)字不是 0 就是 1。數(shù)字信號的特點(diǎn)是，它只代表某個(gè)瞬時(shí)的量值，是不連續(xù)的信號。開 關(guān)信號的處理主要是監(jiān)測開關(guān)器件的狀態(tài)變化。開關(guān)量信號反映了生

27、產(chǎn)過程、設(shè)備運(yùn)行的現(xiàn)行狀態(tài)、邏輯關(guān)系和動作順序。例如：行程開關(guān)可以指示 出某個(gè)部件是否達(dá)到規(guī)定的位置， 如果已經(jīng)到位， 則行程開關(guān)接通， 并向工控機(jī)系統(tǒng)輸入 1 個(gè)開關(guān)量信號； 又如工控機(jī)系統(tǒng)欲輸出報(bào)警信號，則可以輸出 1 個(gè)開關(guān)量信號，通過繼電器或接觸器驅(qū)動報(bào)警設(shè)備，發(fā)出 聲光報(bào)警。如果開關(guān)量信號的幅值為 TTL/CMOS 電平，又可將一組開關(guān)量信號稱之為數(shù)字量信號。開關(guān)量輸入信號有觸點(diǎn)輸入和電平輸入兩種方式。觸點(diǎn)又有常開和常閉之分，其邏輯關(guān)系正好相反， 猶如數(shù)字電路中的正邏輯和負(fù)邏輯。工控機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是按電平進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理的，因此工控機(jī)系統(tǒng) 必須為輸入觸點(diǎn)提供電源，將觸點(diǎn)輸入轉(zhuǎn)換為電平

28、輸入。開關(guān)量輸出信號也有觸點(diǎn)輸出和電平輸出兩種方 式。輸出觸點(diǎn)也有常開和常閉之分。數(shù)字（開關(guān)）信號輸入計(jì)算機(jī)后，常常需要進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換的處理，如BCD 碼轉(zhuǎn)換成 ASCII 碼，以便 顯示數(shù)字信號。對于開關(guān)量輸出信號，可以分為兩種形式：一種是電壓輸出，另一種是繼電器輸出。電壓輸出一般是 通過晶體管的通斷來直接對外部提供電壓信號，繼電器輸出則是通過繼電器觸點(diǎn)的通斷來提供信號。電壓 輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，但帶負(fù)載能力弱；繼電器輸出方式則與之相反。對于電壓輸入， 又可分為直流電壓和交流電壓，相應(yīng)的電壓幅值可以有5V 、12V、24V 和 48V 等。3脈沖量信號脈沖量信號和電平形式的開關(guān)

29、量類似，當(dāng)開關(guān)量按一定頻率變化時(shí)，則該開關(guān)量就可以視為脈沖量， 也就是說脈沖量具有周期性。測量頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的傳感器都是以脈沖頻率的方式反映被測值的，有一些測流量的傳感器或變送 器，也是以脈沖頻率為輸出信號。在運(yùn)動控制中，編碼器送出的信號也是脈沖信號，根據(jù)脈沖的數(shù)目，可 以獲得電動機(jī)角位移以及轉(zhuǎn)速的信息。另外，也可以通過輸出脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角或速度。脈沖量信號的幅值通常有 TTL 電平、 CMOS 電平、 24VDC 電平和任意電平等幾種規(guī)格。實(shí)際上，數(shù) 據(jù)采集卡的邏輯部件都是 TTL/CMOS 規(guī)格，其中的過程通道將不同幅值的脈沖量信號轉(zhuǎn)換成了 TTL/CMOS 電平。脈沖量通道或脈沖

30、輸入 /輸出板卡對脈沖量的上升時(shí)間和下降時(shí)間有一定的要求，對于上升時(shí)間和下降時(shí)間較長的脈沖信號，必須增加整形電路，改善脈沖信號的邊沿，以確保脈沖量通道能有效識別所輸入的 脈沖量信號。針對某個(gè)生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，必須了解輸入輸出信號的規(guī)格、接線方式、精度等級、 量程范圍、線性關(guān)系、工程量換算等諸多要素。1-7 針對不同行業(yè)、不同被控對象，可以選擇哪些計(jì)算機(jī)控制裝置（主機(jī)）？答：為適應(yīng)不同行業(yè)、不同被控對象的需求，自動化裝置廠家制造出多種獨(dú)立于生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī) 控制裝置。歸納起來，有可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器、總線式工控機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)1）可編程控制器 可編程邏輯控制器，簡稱可編程控

31、制器，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它主要由CPU、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)定。它采用可編程序的存儲器，用來 在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和 輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一整 體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC 具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活、擴(kuò)展容易、編程簡單、調(diào)試容易、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，不僅在順序程序控 制領(lǐng)域中

32、具有優(yōu)勢，而且在運(yùn)動控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色。2）可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器又稱單回路調(diào)節(jié)器， 還可稱為智能調(diào)節(jié)器、 數(shù)字調(diào)節(jié)器。 它主要由微處理單元、 過程 I/O 單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。可編程調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一種儀表化了的微型控制計(jì)算機(jī)，它既保留了儀表面板的傳統(tǒng)操作方式，易于 為現(xiàn)場人員接受；又發(fā)揮了計(jì)算機(jī)軟件編程的優(yōu)點(diǎn)，可以方便靈活地構(gòu)成各種過程控制系統(tǒng)。但是，它又 不同于一般的控制計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在硬件上無需考慮接口問題、信號傳輸和轉(zhuǎn)換等問題，在軟件編 程上也只需使用一種面向問題的組態(tài)語言。這種組態(tài)語言為用戶提供了幾十種常用的運(yùn)算和控制

33、模塊。其中，運(yùn)算模塊不僅能實(shí)現(xiàn)各種組合的四 則運(yùn)算，還能完成函數(shù)運(yùn)算，而通過控制模塊的組態(tài)編程更能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制過程。這種系統(tǒng)組態(tài)方 式簡單易學(xué)，便于修改與調(diào)試。因此，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率?？删幊陶{(diào)節(jié)器還有其他功能。諸如：具有斷電保護(hù)和自診斷功能、通信功能，可以組成多級計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種高級控制和管理。因此，可編程調(diào)節(jié)器不僅可以作為大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元，而且可以在一些重要場合 下單獨(dú)構(gòu)成復(fù)雜控制系統(tǒng)，完成 1 個(gè)-4 個(gè)控制回路。它特別適用于連續(xù)過程中模擬量信號的控制系統(tǒng)中。3）總線式工控機(jī) 總線式工控機(jī)是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制的通用性計(jì)算

34、機(jī)，一般稱為工業(yè)控制機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）。通常，計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)廠家是按照某個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造出若干符合總線標(biāo)準(zhǔn)、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程與技術(shù)要求，選用相應(yīng)的功能模 板組合成自己所需的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？偩€式工控機(jī)的外形類似普通計(jì)算機(jī)，不同的是它的外殼采用全鋼標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)加固型機(jī)架機(jī)箱，機(jī)箱 密封并加正壓送風(fēng)散熱，機(jī)箱內(nèi)的原普通計(jì)算機(jī)的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主板分解成幾 塊 PC 插件，采用工業(yè)級抗干擾電源和工業(yè)級芯片，并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件?？偩€式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能滿足不同層次、不同控制對象的 需要，

35、又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行。因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場合，尤其是十幾個(gè)到幾十個(gè) 回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。4）單片微型計(jì)算機(jī) 隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的另一個(gè)分支超小型化的單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)誕生了。它是將 CPU、存儲器、串行/并行I/O 口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器，甚至 A/ D轉(zhuǎn)換器、 脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的具有相當(dāng) 控制功能的微控制器。單片機(jī)的應(yīng)用軟件可以采用面向機(jī)器的匯編語言，但這需要較深的計(jì)算機(jī)軟硬件知識，而且匯編語言 的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展，其軟件開發(fā)環(huán)境正在逐

36、步改善。目前，市場上已 推出面向單片機(jī)結(jié)構(gòu)的高級語言， 如早期的 Archimedes C 和 Franklin C ，現(xiàn)在的 KeilC51 、 Dynamic C 等語 言。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、性能可靠、價(jià)格低廉、功能擴(kuò)展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化 等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是強(qiáng)大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、 軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)的應(yīng)用從 4 位機(jī)開始，歷經(jīng) 8 位、 16 位、 32 位四種。但在小型測控系統(tǒng)與智能化儀器儀表的 應(yīng)用領(lǐng)域里， 8 位單片機(jī)因其品種多、功能強(qiáng)、價(jià)格廉，目前仍然是單片機(jī)系列的主流機(jī)種。1-8

37、 以定位減速和工件加工為例，說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理。答： 1）定位減速控制系統(tǒng)工作原理 電動機(jī)與一個(gè)多齒凸輪連動，電動機(jī)拖動的傳送帶上輸送待加工的材料，用一個(gè)接近開關(guān)來檢測 多齒凸輪，產(chǎn)生脈沖信號送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動5000 個(gè)脈沖時(shí)，切刀下降將材料切斷，并將脈沖計(jì)數(shù)器復(fù)位；當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動至 4900 個(gè)脈沖時(shí)減速，到 5000 個(gè)脈沖時(shí)停機(jī)。其工作示意圖如 圖 l 所示。該控制系統(tǒng)接收的外部輸入信號有電機(jī)啟動、停止按鈕信號和接近開關(guān)發(fā)出的脈沖信號，輸出信號是接近開捋M 沖序機(jī)會令ll >計(jì)算機(jī)控制電機(jī)高速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)和停止信號，通常以電磁繼電器的觸點(diǎn) 通斷為輸出信號的形式

38、。計(jì)算機(jī)根據(jù)外部啟停按鈕信號控制電機(jī)的啟動或停止，同時(shí)，對接近開關(guān)發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)到4900個(gè)脈沖時(shí)，發(fā)減速信號，再到5000個(gè)脈沖時(shí)，發(fā)停機(jī)信號并使計(jì)數(shù)器清零。在使電機(jī) 停機(jī)之前減速，是為了機(jī)械能夠準(zhǔn)確停機(jī)定位。2）自動磨削控制系統(tǒng)工作原理圖1定惟及減速控制工作赤意陽當(dāng)代檢測系統(tǒng)越來越多地使用計(jì)算機(jī)或微處理器來控制執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的工作。檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等配合就能構(gòu)成 某些工業(yè)控制系統(tǒng)。圖2所示的自動磨削控制系統(tǒng)就是自動檢測的一個(gè)典型例子。圖中的傳感器快速檢測出工件的直徑參 數(shù)D ,計(jì)算機(jī)一方面對該參數(shù)作一系列的運(yùn)算、比較、判斷等工作，然后將有關(guān)參數(shù)送到顯示器顯示出來,另一方面

39、發(fā)出控制信號，控制研磨盤的徑向位移X,直到工件加工到規(guī)定要求為止。很顯然，該系統(tǒng)是一個(gè)自動檢測與控制的閉環(huán)系統(tǒng)。1-9 什么是實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？答：所謂“實(shí)時(shí)”是指信號的輸入、運(yùn)算處理和輸出都要在一定的時(shí)間間隔內(nèi)完成，即要求計(jì)算機(jī) 對輸入信號能以足夠快的速度進(jìn)行測量與處理，并在一定時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)或產(chǎn)生相應(yīng)的控制。超出了這個(gè) 時(shí)間，就會失去控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義?！皩?shí)時(shí)”是一個(gè)相對的概念，如大型水池的液位控制，由于時(shí)間慣性大，延時(shí)幾秒乃至幾十秒仍然是“實(shí)時(shí)”的；而套色印刷機(jī)的拖動電機(jī)控制，“實(shí)時(shí)”一般是指幾毫秒或更短時(shí)間。“實(shí)時(shí)”的概念不能脫離具體

40、過程，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必定是在線 系統(tǒng)。所謂在線是指在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程與計(jì)算機(jī)直接連接并受計(jì)算機(jī)的控制，有時(shí)也稱為聯(lián) 機(jī)方式；如果生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)連接，不受計(jì)算機(jī)直接控制，而是依靠人工聯(lián)系并作相應(yīng)操作控制的方 式稱為離線方式或脫機(jī)方式。所謂實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠?qū)ν鈦硎录龀龇磻?yīng)的系統(tǒng)。因此，若一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 需要在確切的時(shí)間內(nèi)從外部環(huán)境輸入數(shù)據(jù)并向它輸出數(shù)據(jù)，或執(zhí)行一些其他的處理，則這個(gè)系統(tǒng)就是實(shí)時(shí) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也就是說，如果一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要在確切的時(shí)間內(nèi)從外部環(huán)境輸入/輸出數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行些必要的處理，那么該系統(tǒng)就稱為一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系

41、統(tǒng)。例如，在一個(gè)鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，無論計(jì)算 機(jī)要顯示多么復(fù)雜的操作畫面，打印多么復(fù)雜的報(bào)表，都要保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)巡回采集各個(gè)過程信號和 輸出控制信號，確保系統(tǒng)的控制效果滿足工藝需求。同時(shí)，如果有重要的信號超過報(bào)警極限，例如鍋爐的 主蒸汽壓力越限，則計(jì)算機(jī)要及時(shí)將報(bào)警信息顯示在屏幕上，進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)和聲光報(bào)警，提醒操作人員進(jìn) 行必要的處理，避免惡性事故的發(fā)生。實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是指它對輸入數(shù)據(jù)即時(shí)做出反應(yīng)（響應(yīng) ）的能力，可以用反應(yīng)（響應(yīng)）時(shí)間這個(gè)術(shù)語對實(shí)時(shí)性作定量描述。所謂反應(yīng)時(shí)間是指一個(gè)系統(tǒng)對輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生反應(yīng)所需要的時(shí)間。實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)中的測控對象，可以是溫度、壓力、液位、流量，也

42、可是飛行器的速度及仰角，或數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)等， 因此，在不同的作業(yè)過程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間差異懸殊，從毫秒級到小時(shí)級不等。一般而言，實(shí)時(shí) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指在某一環(huán)境下對現(xiàn)場監(jiān)測、控制對象的量值變化、狀態(tài)變化等，能夠在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作所允 許的時(shí)間間隔內(nèi)對之進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、即時(shí)地改變其控制參數(shù)并導(dǎo)致影響上述環(huán)境的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí) 時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的例子很多，例如導(dǎo)彈飛行測量控制系統(tǒng)，程控交換機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，化工生產(chǎn)過程監(jiān) 控系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)，各種家用電器的電腦控制系統(tǒng)等。實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵是系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。所謂實(shí)時(shí)性，是指系統(tǒng)中的不同操作的優(yōu)先級不是平等的 而是有高低

43、之分的，具有高優(yōu)先級的操作，由調(diào)度程序安排使它先執(zhí)行，即先獲得 CPU 的處理服務(wù)。此 外，有的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有搶占調(diào)度的功能，即在正常的工作情況下，若某一優(yōu)先級高的任務(wù)的激活條 件得到滿足，系統(tǒng)將中斷正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行優(yōu)先級高的任務(wù)，待結(jié)束后，再返回執(zhí)行原先的任務(wù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在下述四個(gè)方面：1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集微型計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)通過其過程模擬量輸入通道，將系統(tǒng)的模擬測控對象，例如溫度、壓力、液位、流量、成分、轉(zhuǎn)速、位移量等，在當(dāng)前采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后進(jìn)行掃描采樣，將采樣結(jié)果存入內(nèi)存，并依據(jù)需要對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波及工程量換算等數(shù)據(jù)處理及加工。采樣周期需依照工

44、藝要求所允許的時(shí)間確定，通常采用經(jīng)驗(yàn)推薦值（流量：5s ,優(yōu)先選用l2s;壓力數(shù)據(jù)：310s ,優(yōu)先選用68s;液位數(shù)據(jù)：68s;溫度數(shù)據(jù)：1520s;成分?jǐn)?shù)據(jù)：1520s）°若測控對象為脈沖量及頻率量信號，例如普通模擬傳感器、測速發(fā)電機(jī)等模擬傳感器輸出的模擬信號經(jīng)V / F（電壓/頻率）轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字信號以及數(shù)字式傳感器直接輸出的信號，例如積累式儀表（如電量計(jì)、流量計(jì) ）的變送器輸出信號等均需通過數(shù)字量輸入通道以 TTL 電平信號送入微型計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的計(jì) 數(shù)器接口，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的實(shí)時(shí)測量。2）實(shí)時(shí)決策微型計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)對采集到的樣本數(shù)據(jù)（即反映當(dāng)前生產(chǎn)過程狀態(tài)的信息）進(jìn)行比較、

45、 分析、判斷后，即可確定哪些生產(chǎn)過程參數(shù)偏離了預(yù)定值或者超過安全極限值，據(jù)此給出下一步的處理指令。例如，進(jìn)行 越限報(bào)警或按預(yù)定的控制規(guī)律 （ggPID 控制算法 ）進(jìn)行運(yùn)算后給出控制決策。3）實(shí)時(shí)控制 測控系統(tǒng)及時(shí)地將控制決策轉(zhuǎn)化為控制量，并通過過程輸出接口作用于受控對象的控制機(jī)構(gòu)，例如調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、步進(jìn)電機(jī)等，用來校正被控參數(shù)。4）實(shí)時(shí)報(bào)警及故障處理通常這一步驟是在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集后緊接著進(jìn)行的，也可以是由故障設(shè)備主動向CPU 請求中斷處理后進(jìn)行的。在這種情況下，微型計(jì)算機(jī)及時(shí)給出聲光報(bào)警信號，在需要時(shí)由CPU 執(zhí)行中斷服務(wù)程序進(jìn)行故障處理。通常情況下，以上四項(xiàng)操作反復(fù)執(zhí)行就可以使系統(tǒng)按照所期

46、望的最佳方式運(yùn)行并對被控過程或裝置的 異常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督、處理，這是實(shí)時(shí)處理這一術(shù)語的主要含義。因此，一般來說，為使計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理的能力，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，具有滿足某一特 定生產(chǎn)工藝或控制過程所要求的數(shù)據(jù)測量、處理和即時(shí)控制的速度，并有能夠及時(shí)地響應(yīng)各種操作所需的 多級中斷系統(tǒng)?？貍€(gè)系統(tǒng)可以由一個(gè)計(jì)算機(jī)完成，也可以采用雙機(jī)冗余、多機(jī)冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或分布式測 控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從軟件的角度出發(fā)，要求系統(tǒng)軟件能實(shí)時(shí)調(diào)度、響應(yīng)。因此，一般地，應(yīng)有完備的實(shí)時(shí)管 理程序、 中斷管理程序。 在較為復(fù)雜的應(yīng)用場合中， 微型計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)還需要配備實(shí)時(shí)多任務(wù)管理軟件， 有時(shí)則需配備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以允許

47、多道任務(wù)并行運(yùn)行。1-10 什么是智能控制？有哪幾種形式的智能控制系統(tǒng)？答：經(jīng)典的反饋控制、現(xiàn)代控制和大系統(tǒng)理論在應(yīng)用中遇到不少難題。首先，這些控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 和分析都是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的，而實(shí)際系統(tǒng)一般難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型；其次，為 了提高控制性能，整個(gè)控制系統(tǒng)變得極其復(fù)雜，增加了設(shè)備的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。人工智能的出 現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)自動控制向更高的層次發(fā)展，即智能控制。智能控制是一種無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū) 動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程，也是用機(jī)器模擬人類智能的又一重要領(lǐng)域。1）分級遞階智能控制系統(tǒng)分級遞階智能控制系統(tǒng)是在研究學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并從工程控制論的角

48、度總結(jié)人工智能與自適 應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織控制的關(guān)系之后而逐漸形成的。由 Saridis 提出的分級遞階智能控制方法， 作為一種認(rèn)知和控制系統(tǒng)的統(tǒng)一方法論， 其控制智能是根據(jù) 分級管理系統(tǒng)中十分重要的“精度隨智能提高而降低”的原理而分級分配的。這種分級遞階智能控制系統(tǒng) 是由組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級三級組成的。2）模糊控制系統(tǒng)模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。一方面模糊控制提供一種實(shí)現(xiàn)基于知識（規(guī)則 ）的，甚至語言描述的控制規(guī)律的新機(jī)理；另一方面，模糊控制提供了一種改進(jìn)非線性控制器的替代方法，這種非 線性控制器一般用于控制含有不確定性和難以用傳統(tǒng)非線性控制理論處理的裝置。模糊控制具有多種控制

49、方案，包括 PID 模糊控制器、自組織模糊控制器、自矯正模糊控制器、自學(xué)習(xí) 模糊控制器、專家系統(tǒng)模糊控制器以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器等等。3）專家控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)所研究的問題一般都具有不確定性，是以模仿人類智能為基礎(chǔ)的。工程控制論與專家系 統(tǒng)的結(jié)合，形成了專家控制系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)至少有一點(diǎn)是共同的，即兩者都要建立人 類經(jīng)驗(yàn)和人類決策行為的模型。此外，兩者都有知識庫和推理機(jī)。而且其中大部分至今仍為基于規(guī)則的系 統(tǒng)。因此，模糊邏輯控制器通常又稱為模糊專家控制器。4）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)是人類的主要智能之一。用機(jī)器來代替人類從事體力和腦力勞動，就是用機(jī)器代替人的思維。學(xué) 習(xí)控制系統(tǒng)是一個(gè)

50、能在其運(yùn)行過程中逐步獲得被控對象及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，并在一定的 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行估值、分類、決策和不斷改善系統(tǒng)品質(zhì)的自動控制系統(tǒng)。隨著多媒體計(jì)算機(jī)和人工智能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，應(yīng)用自動控制理論和智能控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)，必將大大推動科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和提高工業(yè)自動化系統(tǒng)的水平。1-11 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)軟、硬件的發(fā)展趨勢是什么？答： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展動力來源于技術(shù)推動和市場需求兩個(gè)方面。在技術(shù)方面將跟隨自動化技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)集成化、智能化和協(xié)調(diào)化，這是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總的發(fā)展方向。不同種類的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其發(fā)展趨勢也有所不同。下

51、面從各個(gè)方面分別予以討論。1）單 /多回路調(diào)節(jié)儀表的發(fā)展趨勢20 世紀(jì) 80年代以來，以單 /多回路調(diào)節(jié)器為主的智能調(diào)節(jié)儀表在各行各業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，這和當(dāng) 時(shí)的工業(yè)自動化水平是相適應(yīng)的。 20 世紀(jì) 90 年代末期，隨著工業(yè) PC 的廣泛應(yīng)用，調(diào)節(jié)儀表的應(yīng)用略有 下降趨勢。 2000 年以來，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的逐漸成熟、調(diào)節(jié)儀表智能化水平的提高、工業(yè) PC 和調(diào)節(jié)儀 表構(gòu)成中小型 DCS 的逐漸采用，調(diào)節(jié)儀表又獲得了更為廣泛的應(yīng)用。調(diào)節(jié)儀表的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為： 整體的智能化和集成化、通信接口的現(xiàn)場總線化、人機(jī)界面的圖形化、測量與控制的品質(zhì)優(yōu)良化以及總體 成本的低廉化。2）可編程序邏輯控制器（ PLC ）的發(fā)展趨勢PLC 是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的， 初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)， 側(cè)重于開關(guān)量順序控制 方面。近年來，隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展， PLC 在技術(shù)上和 功能上發(fā)生了極大的變化。 在邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上， 增加了數(shù)值計(jì)算、 閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能； 增加了模擬量和 PID 調(diào)