計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 第1章 緒論

1、 第1章 緒 論 隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜性與集成度的提高，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展中的高級階段，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)分支。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件代替自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器，它以自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和生產(chǎn)過程等多方面的知識(shí)。由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，許多傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和方法被代替，工廠的信息利用率大大提高，控制質(zhì)量更趨穩(wěn)定，對改善人們的勞動(dòng)條件起著重要作用，因此，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)受到越來越廣泛的重視。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為許多大型自動(dòng)化生產(chǎn)線不可缺少的重要組成部分。生產(chǎn)過程自動(dòng)化的程度以及計(jì)算

2、機(jī)在自動(dòng)化中的應(yīng)用程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念1.1.1 常規(guī)控制系統(tǒng)n工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)控制系統(tǒng)因被控對象、控制算法及采用的控制器結(jié)構(gòu)的不同而有所區(qū)別。從常規(guī)來看，控制系統(tǒng)為了獲得控制信號(hào)，要將被控量y與給定值r相比較，得到偏差信號(hào)e=r-y。然后，利用e直接進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的偏差減小直到消除偏差，被控量接近或等于給定值。n由于控制量是控制系統(tǒng)的輸出，被控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，所以稱為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。測量元件被控對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)變送器控制器被控量y給定值r偏差e圖1-1 閉環(huán)控制系

3、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖n控制系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，該系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。被控對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器被控量y給定值r圖1-2 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖n該系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于它不需要被控對象的反饋信號(hào)。1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和被控對象兩大部分組成。n若把圖1-1和圖1-2中的控制器用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來代替，這樣就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。測量元件被控對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)變送器控制器被控量y給定值r 偏差eD/AA/D計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)過程圖1-3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上也可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

4、兩種。n在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)處理的輸入和輸出信號(hào)都是數(shù)字化量。因此，在這樣的控制系統(tǒng)中，需要有將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，以及將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器。n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制程序的過程如下。n實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對被控參數(shù)在一定的采樣間隔進(jìn)行測量，并將采樣結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)。n實(shí)時(shí)計(jì)算：對采集到的被控參數(shù)進(jìn)行處理后，按一定的預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行控制率的計(jì)算，或稱決策，決定當(dāng)前的控制量。n實(shí)時(shí)控制：根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，將控制信號(hào)送往控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。n信息管理：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)中。n上述測量、控制、運(yùn)算

5、、管理的過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠按照一定的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并且對被控參數(shù)或控制設(shè)備出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)監(jiān)督并迅速作出處理。 1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由兩大部分組成：一部分為計(jì)算機(jī)及其輸入輸出通道，另一部分為工業(yè)生產(chǎn)對象（包括被控對象與工業(yè)自動(dòng)化儀表）。1.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要包括：n微處理器或微控制器、存儲(chǔ)器（ROM/RAM）、數(shù)字I/O接口通道、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器接口通道、人機(jī)接口設(shè)備（如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等）、網(wǎng)絡(luò)通信接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源等。它們通過微處理器或微控制器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線（亦稱系統(tǒng)總線）構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，

6、其硬件框圖如圖1-4所示。微控制器或微處理器ROMRAM人機(jī)接口網(wǎng)絡(luò)通信接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘電源接口接口接口接口A/DD/A數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出模擬開關(guān)傳感器傳感器變送器模擬開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)總線工業(yè)生產(chǎn)對象圖1-4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖n1主機(jī)（計(jì)算機(jī)）n主機(jī)由CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成。它通過過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)生產(chǎn)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息的處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出通道，及時(shí)發(fā)出控制命令。主機(jī)中的程序和控制數(shù)據(jù)是人們預(yù)先根據(jù)被控對象的特征編制的控制算法。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制程序和系統(tǒng)程序，完成事先確定的控制任務(wù)。n2常規(guī)外部

7、設(shè)備n常規(guī)外部設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。n常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)等，主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)等。n常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)等。輸出設(shè)備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。n存儲(chǔ)設(shè)備用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤等。n3輸入輸出通道n計(jì)算機(jī)的輸入輸出通道，又稱過程通道。工業(yè)生產(chǎn)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器（又稱一次儀表）變換為相應(yīng)的電信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程的控制，必須在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道，這就是過程輸入輸出通道。它是生產(chǎn)過程控制特殊要求的。n過

8、程通道一般可分為：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道。n4外部設(shè)備n過程通道是不能直接由主機(jī)控制的，必須由“接口”來傳送相應(yīng)的信息和命令。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口，根據(jù)應(yīng)用不同，有各種不同的接口電路。n5運(yùn)行操作臺(tái)n每個(gè)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)接口是用來直接與CPU對話的。程序員使用該人機(jī)設(shè)備（運(yùn)行操作臺(tái)）來檢查程序。當(dāng)主機(jī)硬件發(fā)生故障時(shí)，維修人員可以利用此設(shè)備判斷故障。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺(tái)的使用細(xì)節(jié)，否則會(huì)引起嚴(yán)重后果。n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行操作臺(tái)應(yīng)該具備如下功能：要有屏幕或數(shù)字顯示器，以顯示過程參數(shù)、狀態(tài)、畫面和報(bào)警；要有一組簡單功能鍵進(jìn)行控制操作；要有一組數(shù)字

9、鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)操作；采用硬保護(hù)和軟保護(hù)措施，保證鍵盤的誤操作不致引起嚴(yán)重的后果。n6網(wǎng)絡(luò)通信接口n當(dāng)多個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間需要相互傳遞信息或與更高層計(jì)算機(jī)通信時(shí)，每一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就必須設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信接口。如一般的RS-232C、RS-485通信接口；TCP/IP以太網(wǎng)接口；現(xiàn)場總線接口等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類為對等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Peer-to-Peer）；另一類為客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Server）。這種分類主要是按照各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系確定。n7實(shí)時(shí)時(shí)鐘n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要一個(gè)時(shí)鐘，用于確定采樣周期、控制周期及事件發(fā)生時(shí)間等。常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如美國Dal

10、las公司的DS12C887等。n8工業(yè)自動(dòng)化儀表n它是被控對象與過程通道發(fā)生聯(lián)系的設(shè)備。有測量儀表（包括傳感器和變送器）、顯示儀表（包括模擬和數(shù)字顯示儀表）、調(diào)節(jié)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手動(dòng)-自動(dòng)切換裝置等。手動(dòng)-自動(dòng)切換裝置在主機(jī)故障或調(diào)試程序時(shí)，可由操作人員從自動(dòng)切換到手動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，確保生產(chǎn)安全。1.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件是完成控制任務(wù)的設(shè)備基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序是履行控制系統(tǒng)任務(wù)的關(guān)鍵，通稱為軟件。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算機(jī)運(yùn)行和控制效果的好壞，影響硬件性能的充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的組成如圖1-5所示。圖1-5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件

11、的組成n1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的分類n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件按照其職能可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和支持軟件三部分。n 系統(tǒng)軟件n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用于組織和管理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，為應(yīng)用軟件提供基本的運(yùn)行環(huán)境，并為用戶提供基本的通信和人機(jī)交互方法。n系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)廠家提供。系統(tǒng)軟件分為操作系統(tǒng)、系統(tǒng)通信、網(wǎng)絡(luò)連接和管理及人機(jī)交互四部分。n 應(yīng)用軟件n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是面向生產(chǎn)過程的程序，用于完成計(jì)算機(jī)監(jiān)測和控制任務(wù)。應(yīng)用軟件一般由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員編寫，針對特定生產(chǎn)過程定制。n應(yīng)用軟件可分為檢測軟件、監(jiān)督軟件和控制軟件三類。n 支持軟件n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的支持軟件是系統(tǒng)的設(shè)

12、計(jì)工具和設(shè)計(jì)環(huán)境，用于為設(shè)計(jì)人員提供軟件的設(shè)計(jì)接口，并為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供功能更新的途徑。支持軟件包括程序設(shè)計(jì)語言、程序設(shè)計(jì)軟件、編譯連接軟件、調(diào)試軟件、診斷軟件和數(shù)據(jù)庫六部分。n2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件對操作系統(tǒng)有特定的要求，其中穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性是主要要求。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求操作系統(tǒng)長時(shí)間無故障運(yùn)行。n目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用Windows、Linux和定制系統(tǒng)三種操作系統(tǒng)。n Windows操作系統(tǒng)nWindows操作系統(tǒng)由微軟公司發(fā)布，經(jīng)過長時(shí)間更新和維護(hù)后的版本具有較高的穩(wěn)定性。用于工業(yè)控制領(lǐng)域的操作系統(tǒng)一般采用低版本W(wǎng)indows系統(tǒng)以獲得較完備、穩(wěn)定的系

13、統(tǒng)功能，避免未知漏洞和頻繁的系統(tǒng)更新。n目前計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域采用的Windows操作系統(tǒng)以Windows XP、Windows Server 2003和Windows 7三個(gè)版本為主，服務(wù)器上使用Windows Server 2003系統(tǒng)便于發(fā)揮服務(wù)器的性能，微型計(jì)算機(jī)上的Windows XP和Windows 7系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性。n Linux操作系統(tǒng)nLinux操作系統(tǒng)基于POSIX和UNIX開發(fā)，具備開源、免費(fèi)和穩(wěn)定的特點(diǎn)。Linux操作系統(tǒng)采用GPL協(xié)議，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)或其他途徑免費(fèi)獲得。n目前被計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域廣泛采用的Linux操作系統(tǒng)包括RHEL（Red Hat Enterpri

14、se Linux）、Debian stable release和Ubuntu，其中RHEL多作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，Debian和Ubuntu系統(tǒng)在微型計(jì)算機(jī)上使用較多。n 定制操作系統(tǒng)n特殊用途下的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于特有的操作系統(tǒng)開發(fā)，達(dá)到了從系統(tǒng)軟件到應(yīng)用軟件的深度定制。定制操作系統(tǒng)一般基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)過程需要對系統(tǒng)的功能和策略進(jìn)行修改和刪減，以滿足生產(chǎn)過程的需要。定制操作系統(tǒng)一般用于過程控制、通信和嵌入式等領(lǐng)域，以VxWorks、QNX和RT-Linux為代表的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在多個(gè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域中有出色表現(xiàn)，定制操作系統(tǒng)在安全性和效率上具有獨(dú)特優(yōu)勢。n3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟

15、件開發(fā)技術(shù)n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)技術(shù)可分為軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃、軟件設(shè)計(jì)模式、軟件設(shè)計(jì)方法和軟件開發(fā)工具四個(gè)類別。n 軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃n軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃包括軟件開發(fā)基本策略、軟件開發(fā)方案和軟件過程模型三部分。n軟件開發(fā)基本策略是軟件開發(fā)的基本思想和整體脈絡(luò)，貫穿軟件開發(fā)的整體流程中。n軟件開發(fā)方案是對軟件的構(gòu)造和維護(hù)提出的總體設(shè)計(jì)思路和方案。n軟件過程模型是在軟件開發(fā)技術(shù)發(fā)展過程中形成的軟件整體開發(fā)策略，這種策略從需求收集開始到軟件壽命終止針對軟件工程的各個(gè)階段提供了一套范形，使工程的進(jìn)展達(dá)到預(yù)期的目的。n 軟件設(shè)計(jì)模式n為增強(qiáng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的代碼可靠性和可復(fù)用性，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性，在計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)

16、展過程中，代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)和分類編目，形成了軟件設(shè)計(jì)模式。軟件設(shè)計(jì)模式一般可分為創(chuàng)建型、結(jié)構(gòu)型和行為型三類。n 軟件設(shè)計(jì)方法n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì)方法主要由面向過程方法、面向數(shù)據(jù)流方法和面向?qū)ο蠓椒?，分別對應(yīng)不同的應(yīng)用場景。n 軟件開發(fā)工具n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程中常用到的軟件開發(fā)工具有程序設(shè)計(jì)語言、程序編譯器、集成開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫軟件和分布式編程模型等。n編程語言是用來定義計(jì)算機(jī)程序的標(biāo)準(zhǔn)化形式語言，可分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三種。n高級語言并不是特指某一種具體的語言，而是包括了很多編程語言，如目前流行的Fortran、Pascal、C、C+、Java、C#和PH

17、P等。n程序編譯器是把高級語言代碼翻譯為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的低級語言代碼的程序，編譯器對代碼執(zhí)行預(yù)處理、編譯和鏈接，并對代碼進(jìn)行分析和優(yōu)化，生成精簡、高效的可執(zhí)行程序。C+語言常用的程序編譯器有g(shù)cc/g+和Microsoft C/C+編譯器，Java語言常用的程序編譯器是javac。隨著軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，編譯器一般都被包含在集成開發(fā)環(huán)境中。n集成開發(fā)環(huán)境是用于提供程序開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用程序，一般包括代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面工具。n常用的集成開發(fā)環(huán)境有Microsoft Visual C+、Microsoft Visual Studio、Eclipse、Keil uVision4等。

18、n數(shù)據(jù)庫軟件是一種操縱和管理數(shù)據(jù)庫的大型軟件，用于建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫。n數(shù)據(jù)庫可分為網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、樹狀數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫，常用的數(shù)據(jù)庫有Oracle、MS SQL Server、MySQL和Visual Foxpro等。n分布式編程模型是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件發(fā)展的最新成果，它為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程提供可參考的解決方案。n常用的分布式編程模型是DCOM模型和WEB編程模型。nDCOM是一種跨應(yīng)用和語言共享二進(jìn)制代碼的網(wǎng)絡(luò)編程模型，DCOM技術(shù)在工控領(lǐng)域拓展為OPC技術(shù)，為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了新的途徑。nWEB發(fā)布系統(tǒng)是分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的拓展和補(bǔ)充，WE

19、B編程模型分為客戶端模型和服務(wù)器模型，客戶端模型用于展現(xiàn)信息內(nèi)容，設(shè)計(jì)技術(shù)主要有HTML語言、腳本技術(shù)和插件技術(shù)等；服務(wù)端模型用于構(gòu)建策略與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)技術(shù)主要有PHP、ASP、Servlet等。n4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的技術(shù)指標(biāo)n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的技術(shù)指標(biāo)分為功能指標(biāo)和非功能指標(biāo)，功能指標(biāo)是軟件能提供的各種功能和用途的完整性，非功能指標(biāo)包括軟件的各種性能參數(shù)，包括安全性、實(shí)時(shí)性、魯棒性和可移植性四種。n 完整性n軟件的完整性包括需求完整性、概念完整性和數(shù)據(jù)完整性。n 安全性n軟件的安全性是軟件在受到惡意攻擊的情形下依然能夠繼續(xù)正確運(yùn)行，并確保軟件被在授權(quán)范圍內(nèi)合法使用的特性。軟件的安全性指標(biāo)要

20、求設(shè)計(jì)人員在軟件設(shè)計(jì)的整體過程中加以考慮，使用權(quán)限控制、加密解密、數(shù)據(jù)恢復(fù)等手段確保軟件的整體安全性。n 實(shí)時(shí)性n軟件的實(shí)時(shí)性是計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域?qū)浖奶厥庑枨螅瑢?shí)時(shí)性表現(xiàn)為軟件對外來事件的最長容許反應(yīng)時(shí)間，根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，軟件對隨機(jī)事件的反應(yīng)時(shí)間被限定在一定范圍內(nèi)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)性由操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和控制軟件實(shí)時(shí)性兩部分組成，一般通過引入任務(wù)優(yōu)先級和搶占機(jī)制加以實(shí)現(xiàn)。n 魯棒性n軟件的魯棒性即軟件的健壯性，是指軟件在異常和錯(cuò)誤的情況下依然維持正常運(yùn)行狀態(tài)的特性。軟件的魯棒的性強(qiáng) 弱由代碼的異常處理機(jī)制決定，健全的異常處理機(jī)制在異 常產(chǎn)生的根源處響應(yīng)，避免錯(cuò)誤和擾動(dòng)的連鎖反應(yīng)，確保軟

21、件的抗干擾性。n 可移植性n軟件的可移植性指軟件在不同軟硬件平臺(tái)之間遷移的能力，通常表現(xiàn)為軟件在不同操作系統(tǒng)之間遷移的工作量。n5常用的工控組態(tài)軟件n工控組態(tài)軟件是指在數(shù)據(jù)采集和過程控制中使用的專用軟件，即在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境下，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制、系統(tǒng)監(jiān)控功能的一種軟件工具。工控組態(tài)軟件廣泛支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通信及網(wǎng)絡(luò)、開放數(shù)據(jù)庫互連接口、I/On設(shè)備等，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件還將會(huì)不斷被賦予新的內(nèi)容。n目前，國際領(lǐng)域常用的工控股組態(tài)軟件有：n德國Simens公司的WinCCn美國Wonderware公司的In

22、touch和Intellution公司的FIX系列等n國內(nèi)主要有：n三維力控公司的eForceConn亞控公司的KingView組態(tài)王n紫金橋公司的RealInfo等。n這些組態(tài)軟件大都運(yùn)行于32位Windows平臺(tái)上，提供對工業(yè)控制設(shè)備中的各種資源的編輯和配置功能，并提供多種數(shù)據(jù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使用腳本語言進(jìn)行二次開發(fā)。工控組態(tài)軟件使生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)以圖形和報(bào)表的形式進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存，為生產(chǎn)流程的調(diào)整和優(yōu)化提供了事實(shí)依據(jù)。1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與其所控制的生產(chǎn)對象密切相關(guān)，控制對象不同，控制系統(tǒng)也不同。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制方案、控制目標(biāo)和系統(tǒng)構(gòu)成，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般可分為以下

23、幾種類型。1.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早的一種類型。把需要采集的過程參數(shù)經(jīng)過采樣、A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對這些輸入量進(jìn)行計(jì)算處理（如數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、越限報(bào)警等），并按需要進(jìn)行顯示和打印輸出，如圖1-6所示。n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對大量的過程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警及對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。這種應(yīng)用方式，計(jì)算機(jī)不直接參與過程控制，對生產(chǎn)過程不直接產(chǎn)生影響。 顯示打印報(bào)警A/D轉(zhuǎn)換器采樣并行接口圖1-6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)工業(yè)對象測量元件1.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）n直接

24、數(shù)字控制系統(tǒng)DDC是計(jì)算機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用最普遍的一種方式。它是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，檢測結(jié)果與給定值進(jìn)行比較，并按預(yù)定的數(shù)學(xué)模型（如PID控制規(guī)律）進(jìn)行運(yùn)算，其輸出直接控制被控對象，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上，如圖1-7所示。圖1-7 直接數(shù)字控制系統(tǒng)nDDC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的一種最典型的系統(tǒng)，在熱工、化工、機(jī)械、建材、冶金等領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。給定值顯示打印記錄接口輸入通道(AI,DI)工業(yè)對象執(zhí)行器接口輸出通道(AO,DO)檢測計(jì)算機(jī)1.3.3 監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）n在監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC中，計(jì)算機(jī)按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出最佳給定值送給模擬調(diào)節(jié)器或DD

25、C計(jì)算機(jī)，模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。SCC系統(tǒng)較DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況，它不僅可以進(jìn)行給定值控制，而且還可以進(jìn)行順序控制、自適應(yīng)控制及最優(yōu)控制等。n監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。n1SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)n該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1-8所示。n2SCC+DDC控制系統(tǒng)n該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1-9所示。工藝數(shù)據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)測量記錄顯示打印SCC計(jì)算機(jī)工藝數(shù)據(jù)設(shè)定值測量控制記錄顯示打印SCC計(jì)算機(jī)圖1-8 SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)圖1-9 SCC+DDC系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器工業(yè)對象DDC工業(yè)對象

26、n總之，SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性，它能始終使生產(chǎn)過程在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行，從而避免了不同的操作者用各自的辦法去調(diào)節(jié)控制器的給定值所造成的控制差異。SCC的控制效果主要取決于數(shù)學(xué)模型，當(dāng)然還要有合適的控制算法和完善的應(yīng)用程序。因此對軟件要求較高。用于SCC的計(jì)算機(jī)應(yīng)有較強(qiáng)的計(jì)算能力和較大的內(nèi)存容量以及豐富的軟件系統(tǒng)。n集散控制系統(tǒng)（DCS），又稱分布式控制系統(tǒng)。它以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上的控制，同時(shí)通過高速數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。DCS的設(shè)計(jì)原則是分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。1.3.4 集散控制

27、系統(tǒng)（DCS）n世界上許多國家，包括中國都已大批量生產(chǎn)各種型號(hào)的集散控制系統(tǒng)。雖然它們型號(hào)不同，但其結(jié)構(gòu)和功能都大同小異，均是由以微處理器為核心的基本數(shù)字控制器，高速數(shù)據(jù)通道、CRT操作站和監(jiān)督計(jì)算機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。圖1-10 集散控制系統(tǒng) 管理計(jì)算機(jī)工業(yè)對象基本控制器CRT操作站監(jiān)督計(jì)算機(jī) 工業(yè)對象基本控制器 高速數(shù)據(jù)通道n集散控制系統(tǒng)較之過去的集中控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：n1控制分散、信息集中n采用大系統(tǒng)遞階控制的思想，生產(chǎn)過程的控制采用全分散的結(jié)構(gòu)，而生產(chǎn)過程的信息則全部集中并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，利用高速公路或通信網(wǎng)絡(luò)輸送到有關(guān)設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的危險(xiǎn)分散，提高了可靠性。n2系

28、統(tǒng)模塊化n在集散控制系統(tǒng)中，有許多不同功能的模塊，如CPU模塊、AI和AO模塊、DI和DO模塊、通信模塊、CRT模塊、存儲(chǔ)器模塊等。選擇不同數(shù)量和不同功能的模塊可組成不同規(guī)模和不同要求的硬件環(huán)境。同樣，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件也采用模塊化結(jié)構(gòu)，用戶只需借助于組態(tài)軟件，即可方便地將所選硬件和軟件模塊連接起來組成控制系統(tǒng)。n3數(shù)據(jù)通信能力較強(qiáng)n利用高速數(shù)據(jù)通道連接各個(gè)模塊或設(shè)備，并經(jīng)通道接口與局域網(wǎng)絡(luò)相連，從而保證各設(shè)備間的信息交換及數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)資源的共享。 n4友好而豐富的人機(jī)接口n操作員可通過人機(jī)接口及時(shí)獲取整個(gè)生產(chǎn)過程的信息，如流程畫面、趨勢顯示、報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)表格等。同時(shí)，操作員還可以通過功能鍵直接

29、改變操作量，干預(yù)生產(chǎn)過程、改變運(yùn)行狀況或做事故處理。n5可靠性高n在集散控制系統(tǒng)中，采用了各種措施來提高系統(tǒng)的可靠性，如硬件自診斷系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、高速公路、電源以及輸入輸出接口等關(guān)鍵部分的雙重化（又稱冗余），還有自動(dòng)后援和手動(dòng)后援等。n監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADASupervisory Control And Data Acquisition）它包含兩個(gè)層次的功能：數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。nSCADA系統(tǒng)是一類功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它綜合利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信1.3.5 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成了對測控點(diǎn)分散的各種過程或設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、本地或遠(yuǎn)程的控制

30、，以及生產(chǎn)過程的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為安全生產(chǎn)、調(diào)度、優(yōu)化和故障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及技術(shù)支持。nSCADA系統(tǒng)包括三個(gè)組成部分：n第一個(gè)是一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；n第二個(gè)是過程監(jiān)控與管理系統(tǒng)；n第三個(gè)是通信網(wǎng)絡(luò)。nSCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。圖1-11 SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)nSCADA系統(tǒng)這三個(gè)組成部分的功能不同，但三者的有效集成，則構(gòu)成了功能強(qiáng)大SCADA系統(tǒng)，完成了對整個(gè)過程的有效監(jiān)控。nSCADA系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于城市排水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、城市煤氣管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、電力行業(yè)調(diào)度自動(dòng)化等領(lǐng)域。n現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System-FCS）是20世紀(jì)80

31、年代中期在國際上發(fā)展起來的新一代分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。n采用了不同于DCS的“工作站現(xiàn)場總線智能儀表”結(jié)構(gòu)模式，降低了系統(tǒng)總成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此它是一種具有發(fā)展前途的真正分散控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1-12所示。1.3.6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS ）現(xiàn)場總線計(jì)算機(jī)工 業(yè) 對 象智能執(zhí)行器智能傳感器智能變送器現(xiàn)場總線通信適配器圖1-12 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.3.7 工業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（流程CIMS）n流程工業(yè)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)按其功能可以自下而上地分為若干層，如過程直接控制層、過程優(yōu)化監(jiān)控層、生產(chǎn)調(diào)度層、企業(yè)管理層和經(jīng)營決策層等，其結(jié)構(gòu)

32、如圖1-13所示?？刂撇呗詢?yōu)化參數(shù)調(diào)度指令生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)品策略生產(chǎn)自動(dòng)化管理自動(dòng)化直接控制層過程監(jiān)控層生產(chǎn)調(diào)度層企業(yè)管理層 經(jīng)營決策層決策信息經(jīng)營決策系統(tǒng)歷 史 數(shù) 據(jù) 庫監(jiān)視操作模 型 信 息調(diào)度信息管理信息生產(chǎn)過程企業(yè)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)過程監(jiān)控系統(tǒng) 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 庫圖1-13 流程工業(yè)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)n這類系統(tǒng)除了常見的過程直接控制、先進(jìn)控制與過程優(yōu)化功能之外，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟(jì)信息、計(jì)劃調(diào)度和產(chǎn)品訂貨、銷售、運(yùn)輸?shù)确莻鹘y(tǒng)控制的諸多功能。1.3.8 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）n通過網(wǎng)絡(luò)形成的反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS(Network Control System

33、)。n該類系統(tǒng)中，被控制對象與控制器以及控制器與驅(qū)動(dòng)器之間是通過一個(gè)公共的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)連接的。這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式具有信息資源能夠共享、連接線數(shù)大大減少、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)、高效率、高可靠性及靈活等優(yōu)點(diǎn)，是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展模式。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介的不同，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以是有線、無線或混合網(wǎng)絡(luò)。n網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種空間分布式系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將分布于不同地理位置的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器連接起來，形成閉環(huán)的一種全分布式實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。控制器通過網(wǎng)絡(luò)與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交換信息，并實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程被控對象的控制網(wǎng)絡(luò)控制器casc執(zhí)行器被控對象傳感器圖1-14 典型NCS結(jié)構(gòu)n其中sc表示數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂破鞯臅r(shí)

34、延，ca表示數(shù)據(jù)從控制器傳輸?shù)綀?zhí)行器的時(shí)延。典型NCS結(jié)構(gòu)如圖1-14所示1.3.9 復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)n隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、電力、交通運(yùn)輸業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)大量涌現(xiàn)。n復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)、環(huán)境、功能和過程的復(fù)雜化，系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、信息流交互作用復(fù)雜，多層次、多結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)特征使得系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理不明確。n傳統(tǒng)復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)的金字塔式人工調(diào)控方式如圖1-15所示。實(shí)際值實(shí)際值圖1-15傳統(tǒng)復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)的金字塔式人工調(diào)控方式n金字塔式人工調(diào)控造成復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量低、能耗高，不符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。目

35、前，復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)朝著多層次發(fā)展，復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)運(yùn)行控制與管理的多層次結(jié)構(gòu)如圖1-16所示。圖1-16復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)運(yùn)行控制與管理的多層次結(jié)構(gòu)n在多層次機(jī)構(gòu)中需要解決以下問題：n能量流的建模n物質(zhì)流的建模n物質(zhì)流和能量流的交互作用n信息化的作用（即自動(dòng)化）對物質(zhì)流，能量流時(shí)空配置的定量影響n復(fù)雜流程工業(yè)控制系統(tǒng)過程調(diào)控的手段是控制各個(gè)控制回路的設(shè)定值，使得在信息流的控制下，能量流和物質(zhì)流形成最優(yōu)耦合，從而實(shí)現(xiàn)全廠運(yùn)行的優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能減排。n20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Embedded Control System）向著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，

36、促進(jìn)了嵌入式控制系統(tǒng)的誕生。n嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）的一般定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。n嵌入式系統(tǒng)符合目前發(fā)展現(xiàn)狀的定義是：硬件以一個(gè)高性能的微處理器或微控制器（目前通常是32位處理器或微控制器）為基礎(chǔ)，軟件以一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的處理能力是以往的單片機(jī)所無法比擬的，它涵蓋了軟件和硬件兩個(gè)方面，因此稱之為“嵌入式系統(tǒng)”。1.3.9 嵌入式控制系統(tǒng)（ECS）n嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型如圖1-17所示。圖1-17 嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型n嵌入式控制系統(tǒng)是

37、嵌入式系統(tǒng)與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，即應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的嵌入式系統(tǒng)。n嵌入式控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：n 面向具體控制過程，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際控制系統(tǒng)的要求和環(huán)境進(jìn)行合理的裁剪。n 適用于實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件一體化，具有軟件代碼小、自動(dòng)化程度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)任務(wù)。n 是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。n 系統(tǒng)本身不具備自開發(fā)能力，設(shè)計(jì)完成之后用戶通常不能對其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。n嵌入式控制系統(tǒng)的核心是嵌入式微控制器和嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式微控制器具備多任務(wù)的處

38、理能力，且具有集成度高、體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化，提高軟件的診斷能力，提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)具備可定制、可移植、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，用戶可根據(jù)需要自行配置。總之，嵌入式控制系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，必將獲得廣闊的發(fā)展空間。1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用的技術(shù)和發(fā)展趨勢n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制理論的結(jié)合。由于計(jì)算機(jī)具有大量存儲(chǔ)信息的能力、強(qiáng)大的邏輯判斷能力及其快速運(yùn)算的能力，使計(jì)算機(jī)控制能夠解決常規(guī)控制所不能解決的難題，能夠達(dá)到常規(guī)控制達(dá)不到的優(yōu)異的性能指標(biāo)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化為特

39、征的信息技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，其發(fā)展前景是非常廣闊的。1.4.1 采用可編程控制器（PLC）n可編程控制器（Programmable Logic Controller-簡稱PLC），是用于控制生產(chǎn)過程的新型自動(dòng)控制裝置。近年來，由于開發(fā)了具有智能I/O模塊的PLC，它可以將順序控制和過程控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，并具有很高的可靠性。目前，PLC的應(yīng)用非常廣泛，在冶金、機(jī)械、石化、過程控制等工業(yè)領(lǐng)域中均得到廣泛的應(yīng)用，n它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器完成開關(guān)量控制，如輸入、輸出、定量、計(jì)數(shù)等。不僅如此，高檔的PLC還可以和上位機(jī)一起構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，完成對溫度、壓力、流量、液位、成份等各參數(shù)的自

40、動(dòng)檢測和過程控制。1.4.2 采用新型的控制系統(tǒng)n1廣泛使用智能調(diào)節(jié)器n智能調(diào)節(jié)器不僅可以接受（420）mA電流信號(hào)，還具有RS-232或RS-485通信接口，可與上位機(jī)一起組成分布式測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。n2采用新型的DCS和FCSn發(fā)展以現(xiàn)場總線（Fieldbus）和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的DCS和FCS控制結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的控制策略，向低成本綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造/工程系統(tǒng)（CIMS/CIPS）。1.4.3 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制n在生產(chǎn)過程中，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)約原材料、降低成本，常會(huì)要求生產(chǎn)過程處于最佳工作狀況。最優(yōu)控制就是恰當(dāng)?shù)剡x擇控制規(guī)律，在控制系統(tǒng)的

41、工作條件不變以及某些物理?xiàng)l件的限制下，使得系統(tǒng)的某種性能指標(biāo)取得最大值或最小值，即獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。1.4.4 自適應(yīng)控制n在最優(yōu)控制系統(tǒng)中，當(dāng)被控對象的工作條件發(fā)生變化時(shí)，就不再是最優(yōu)狀態(tài)了。若系統(tǒng)本身工作條件變化的情況下，能自動(dòng)地改變控制規(guī)律，使系統(tǒng)仍能處于最佳工作狀態(tài)，其性能指標(biāo)仍能取得最佳，這就是自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制包括性能估計(jì)（系統(tǒng)辨識(shí)）、決策和修改三部分。1.4.5 人工智能n人工智能是用計(jì)算機(jī)來模擬人工所從事的推理、學(xué)習(xí)、思考、規(guī)劃等思維活動(dòng)，來解決需人類專家才能處理的復(fù)雜問題。其中具有代表性的兩個(gè)尖端領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。n1專家系統(tǒng)n專家系統(tǒng)即計(jì)算機(jī)專家咨詢系統(tǒng)，是一個(gè)

42、具有大量專門知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它將各領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)分類，以適當(dāng)?shù)男问酱娣庞谟?jì)算機(jī)中，根據(jù)這些專門知識(shí)系統(tǒng)，可以對輸入的原始數(shù)據(jù)做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢。n2機(jī)器人n機(jī)器人是一種能模擬人類智能和肢體工作的裝置，它不僅能提高工業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本，而且能完成有害地區(qū)的工作，從而具有實(shí)用價(jià)值。機(jī)器人可以分為兩類，工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人中常見的又有遙控機(jī)器人、程序機(jī)器人和示教再現(xiàn)機(jī)器人。其中應(yīng)用最多的是示教再現(xiàn)機(jī)器人，它是一種程序可變的自動(dòng)機(jī)構(gòu)，多半為計(jì)算機(jī)控制一只機(jī)械手，在人對它示教時(shí)，就把機(jī)械手應(yīng)完成的動(dòng)作編成程序存起來，再啟動(dòng)后，它便按此程序再現(xiàn)示教動(dòng)作，改變操作則要重新示教。工業(yè)機(jī)器人能準(zhǔn)確、迅速、精力集中和不知疲倦地執(zhí)行交給它的任務(wù)。n智能機(jī)器人有感知、推理、繪畫等能力。它們具有創(chuàng)造力