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第1章绪论随着现代化工业生产过程复杂性与集成度的提高，计算机控制系统得到了迅速的发展。计算机控制系统是自动控制系统发展中的高级阶段，是自动控制系统中非常重要的一个分支。计算机控制系统利用计算机的软件和硬件代替自动控制系统中的控制器，它以自动控制理论和计算机技术为基础，综合了计算机、自动控制和生产过程等多方面的知识。由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和方法被代替，工厂的信息利用率大大提高，控制质量更趋稳定，对改善人们的劳动条件起着重要作用，因此，计算机控制技术受到越来越广泛的重视。当前，计算机控制系统已成为许多大型自动化生产线不可缺少的重要组成部分。生产过程自动化的程度以及计算机在自动化中的应用程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。1.1计算机控制系统的概念1.1.1常规控制系统工业生产过程中的自动控制系统因被控对象、控制算法及采用的控制器结构的不同而有所区别。从常规来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y与给定值r相比较，得到偏差信号e=r-y。然后，利用e直接进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差，被控量接近或等于给定值。由于控制量是控制系统的输出，被控量的变化值又反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减，所以称为闭环负反馈系统，其结构如图1-1所示。测量元件被控对象执行机构变送器控制器被控量y给定值r＋－偏差e图1-1闭环控制系统结构图控制系统的另一种结构如图1-2所示，该系统为开环控制系统。被控对象执行机构控制器被控量y给定值r图1-2开环控制系统结构图该系统与闭环控制系统的区别在于它不需要被控对象的反馈信号。1.1.2计算机控制系统计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网络结构）和被控对象两大部分组成。若把图1-1和图1-2中的控制器用计算机系统来代替，这样就构成了计算机控制系统，其典型结构如图1-3所示。测量元件被控对象执行机构变送器控制器被控量y给定值r＋－偏差eD/AA/D计算机系统生产过程图1-3计算机控制系统的典型结构计算机控制系统在结构上也可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种。在计算机控制系统中，计算机处理的输入和输出信号都是数字化量。因此，在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字控制信号转换为模拟输出信号的数/模（D/A）转换器。计算机控制系统执行控制程序的过程如下。实时数据采集：对被控参数在一定的采样间隔进行测量，并将采样结果输入计算机。实时计算：对采集到的被控参数进行处理后，按一定的预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定当前的控制量。实时控制：根据实时计算结果，将控制信号送往控制的执行机构。信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。上述测量、控制、运算、管理的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数或控制设备出现的异常状态及时监督并迅速作出处理。1.2计算机控制系统的组成计算机控制系统由两大部分组成：一部分为计算机及其输入输出通道，另一部分为工业生产对象（包括被控对象与工业自动化仪表）。1.2.1计算机控制系统的硬件计算机控制系统的硬件主要包括：微处理器或微控制器、存储器（ROM/RAM）、数字I/O接口通道、A/D与D/A转换器接口通道、人机接口设备（如显示器、键盘、鼠标等）、网络通信接口、实时时钟和电源等。它们通过微处理器或微控制器的地址总线、数据总线和控制总线（亦称系统总线）构成一个系统，其硬件框图如图1-4所示。微控制器或微处理器ROMRAM人机接口网络通信接口实时时钟电源接口接口接口接口A/DD/A数字量输入数字量输出模拟开关传感器传感器变送器模拟开关执行机构……………系统总线工业生产对象图1-4计算机控制系统硬件框图1．主机（计算机）主机由CPU和存储器构成。它通过过程输入通道发送来的工业生产对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令。主机中的程序和控制数据是人们预先根据被控对象的特征编制的控制算法。计算机控制系统执行控制程序和系统程序，完成事先确定的控制任务。2．常规外部设备常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。常用的输入设备有：键盘、鼠标等，主要用来输入程序和数据等。常用的输出设备有：显示器、打印机等。输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情况。存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘等。3．输入输出通道计算机的输入输出通道，又称过程通道。工业生产对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（又称一次仪表）变换为相应的电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入输出通道。它是生产过程控制特殊要求的。过程通道一般可分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。4．外部设备过程通道是不能直接由主机控制的，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。计算机控制系统的接口，根据应用不同，有各种不同的接口电路。5．运行操作台每个计算机的标准人机接口是用来直接与CPU对话的。程序员使用该人机设备（运行操作台）来检查程序。当主机硬件发生故障时，维修人员可以利用此设备判断故障。生产过程的操作人员必须了解控制台的使用细节，否则会引起严重后果。计算机控制系统的运行操作台应该具备如下功能：要有屏幕或数字显示器，以显示过程参数、状态、画面和报警；要有一组简单功能键进行控制操作；要有一组数字键进行数据操作；采用硬保护和软保护措施，保证键盘的误操作不致引起严重的后果。6．网络通信接口当多个计算机控制系统之间需要相互传递信息或与更高层计算机通信时，每一个计算机控制系统就必须设置网络通信接口。如一般的RS-232C、RS-485通信接口；TCP/IP以太网接口；现场总线接口等。计算机控制系统的网络结构可以分为两大类：一类为对等式网络结构（Peer-to-Peer）；另一类为客户/服务器结构（Client/Server）。这种分类主要是按照各网络节点之间的关系确定。7．实时时钟计算机控制系统的运行需要一个时钟，用于确定采样周期、控制周期及事件发生时间等。常用的实时时钟电路如美国Dallas公司的DS12C887等。8．工业自动化仪表它是被控对象与过程通道发生联系的设备。有测量仪表（包括传感器和变送器）、显示仪表（包括模拟和数字显示仪表）、调节设备、执行机构和手动-自动切换装置等。手动-自动切换装置在主机故障或调试程序时，可由操作人员从自动切换到手动，实现无扰动切换，确保生产安全。1.2.2计算机控制系统的软件计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计算机的操作系统和各种应用程序是履行控制系统任务的关键，通称为软件。软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏，影响硬件性能的充分发挥和推广应用。计算机控制系统软件的组成如图1-5所示。计算机控制系统软件系统软件应用软件支持软件操作系统系统通信网络管理人机交互通用操作系统实时操作系统检测软件人机界面实时数据采集多媒体信息采集数据处理和存储信息融合监督软件实时和历史数据库数据分析事故分析和处理操作指导输出、打印、显示控制软件运动控制常用控制现代控制智能控制网络与现场总线现场总线网络通信专家控制模糊控制神经网络控制聚类融合控制自适应控制最优控制预测控制随机控制解耦控制非线性控制串级控制前馈控制最少拍控制滞后补偿控制PID控制程序控制各种电机控制顺序控制程序设计语言程序设计软件编译连接软件调试软件诊断软件数据库图1-5计算机控制系统软件的组成1．计算机控制系统软件的分类计算机控制系统的软件按照其职能可分为系统软件、应用软件和支持软件三部分。①系统软件计算机控制系统的系统软件用于组织和管理计算机控制系统的硬件，为应用软件提供基本的运行环境，并为用户提供基本的通信和人机交互方法。系统软件一般由计算机厂家提供。系统软件分为操作系统、系统通信、网络连接和管理及人机交互四部分。②应用软件计算机控制系统的应用软件是面向生产过程的程序，用于完成计算机监测和控制任务。应用软件一般由计算机控制系统的设计人员编写，针对特定生产过程定制。应用软件可分为检测软件、监督软件和控制软件三类。③支持软件计算机控制系统的支持软件是系统的设计工具和设计环境，用于为设计人员提供软件的设计接口，并为计算机控制系统提供功能更新的途径。支持软件包括程序设计语言、程序设计软件、编译连接软件、调试软件、诊断软件和数据库六部分。2．计算机控制系统软件的开发与运行环境计算机控制系统软件对操作系统有特定的要求，其中稳定性和实时性是主要要求。计算机控制系统要求操作系统长时间无故障运行。目前计算机控制系统采用Windows、Linux和定制系统三种操作系统。①Windows操作系统Windows操作系统由微软公司发布，经过长时间更新和维护后的版本具有较高的稳定性。用于工业控制领域的操作系统一般采用低版本Windows系统以获得较完备、稳定的系统功能，避免未知漏洞和频繁的系统更新。目前计算机控制领域采用的Windows操作系统以WindowsXP、WindowsServer2003和Windows7三个版本为主，服务器上使用WindowsServer2003系统便于发挥服务器的性能，微型计算机上的WindowsXP和Windows7系统具备较高的稳定性。②Linux操作系统Linux操作系统基于POSIX和UNIX开发，具备开源、免费和稳定的特点。Linux操作系统采用GPL协议，用户可以通过网络或其他途径免费获得。目前被计算机控制领域广泛采用的Linux操作系统包括RHEL（RedHatEnterpriseLinux）、Debianstablerelease和Ubuntu，其中RHEL多作为服务器的操作系统，Debian和Ubuntu系统在微型计算机上使用较多。③定制操作系统特殊用途下的计算机控制系统基于特有的操作系统开发，达到了从系统软件到应用软件的深度定制。定制操作系统一般基于Linux系统开发，根据生产过程需要对系统的功能和策略进行修改和删减，以满足生产过程的需要。定制操作系统一般用于过程控制、通信和嵌入式等领域，以VxWorks、QNX和RT-Linux为代表的嵌入式实时操作系统在多个计算机控制领域中有出色表现，定制操作系统在安全性和效率上具有独特优势。3．计算机控制系统软件开发技术计算机控制系统的软件开发技术可分为软件设计规划、软件设计模式、软件设计方法和软件开发工具四个类别。①软件设计规划软件设计规划包括软件开发基本策略、软件开发方案和软件过程模型三部分。软件开发基本策略是软件开发的基本思想和整体脉络，贯穿软件开发的整体流程中。软件开发方案是对软件的构造和维护提出的总体设计思路和方案。软件过程模型是在软件开发技术发展过程中形成的软件整体开发策略，这种策略从需求收集开始到软件寿命终止针对软件工程的各个阶段提供了一套范形，使工程的进展达到预期的目的。②软件设计模式为增强计算机控制系统软件的代码可靠性和可复用性，增强软件的可维护性，在计算机软件的发展过程中，代码设计经验经过实践检验和分类编目，形成了软件设计模式。软件设计模式一般可分为创建型、结构型和行为型三类。③软件设计方法计算机控制系统中软件的设计方法主要由面向过程方法、面向数据流方法和面向对象方法，分别对应不同的应用场景。④软件开发工具计算机控制系统软件的开发过程中常用到的软件开发工具有程序设计语言、程序编译器、集成开发环境、数据库软件和分布式编程模型等。编程语言是用来定义计算机程序的标准化形式语言，可分为机器语言、汇编语言和高级语言三种。高级语言并不是特