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)計(jì)算機(jī)化的重要意義是什么？1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能完成哪些任務(wù)？1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？1-4對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些基本要求？1-5為什么大多數(shù)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)？1-6如何理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性？1-7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？1-8什么是智能控制？有哪幾種典型的智能控制方法？1-9通過查閱文獻(xiàn)，了解當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中的現(xiàn)代控制理論。參考答案1-1測控系統(tǒng)計(jì)算機(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(chǔ)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(dòng)化、智能化程度，而且可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級(jí)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(dòng)清零功能。在每次采樣前對傳感器的輸出值自動(dòng)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(dòng)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。可對多種不同參數(shù)進(jìn)行快速測量和控制。4）數(shù)字濾波功能。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(hào)。5）自動(dòng)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)的多媒體技術(shù)，可以使儀器具有聲光、語音、圖像、動(dòng)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(dòng)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(huì)效益。正因?yàn)槿绱?，?jì)算機(jī)測控技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能完成哪些任務(wù)？答：下面以生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)為例來說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)，因?yàn)樗容^集中地體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各種功能。如圖1所示，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)借助傳感器從生產(chǎn)過程中收集信息，對被控對象進(jìn)行監(jiān)視并提供控制信號(hào)。被收集的信息在不同層次上進(jìn)行分析計(jì)算，得出生產(chǎn)裝置的調(diào)節(jié)量，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作來完成自動(dòng)控制，或者為生產(chǎn)管理人員、工程師和操作員提供所需要的信息。圖1某生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)框圖圖1某生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)框圖由此可以看出，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)完成下列任務(wù)：1）檢測生產(chǎn)過程的參數(shù)大小是由傳感器進(jìn)行檢測的。傳感器產(chǎn)生與被測物理量（如溫度、壓力、流量、液位等）成比例（一般為正比）的電信號(hào)。傳感器信號(hào)在進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口之前，首先要轉(zhuǎn)換成一種標(biāo)準(zhǔn)形式，通常是把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流或1～5V電壓。另一類測量值是關(guān)于被控過程的狀態(tài)信息。例如，閥門是否關(guān)閉，容器是否注滿，泵是否打開等。這些信息是以開關(guān)量的形式提供給計(jì)算機(jī)的，通過繼電器觸點(diǎn)的開閉或TTL電平的變化來表示。計(jì)算機(jī)也可通過串行或并行通信口直接接收數(shù)字量信息。目前，很多傳感器都帶有微處理器（例如智能儀表），可以直接給出數(shù)字量信息。2）控制對生產(chǎn)裝置的控制通常是通過對閥門或伺服機(jī)構(gòu)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對泵和馬達(dá)進(jìn)行控制來達(dá)到的。計(jì)算機(jī)可以產(chǎn)生一串脈沖去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到所需要的位置，可以通過繼電器接點(diǎn)閉合或產(chǎn)生某個(gè)電平的跳變?nèi)?dòng)或停止某個(gè)電動(dòng)機(jī)，也可通過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)正比于某設(shè)定值的電壓或電流去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在收到控制信號(hào)之后，通常還要反饋一個(gè)測量信號(hào)給計(jì)算機(jī)，以便檢查控制命令是否被執(zhí)行。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中常用的控制方案有3種類型：直接數(shù)字控制、順序控制和監(jiān)督控制。大多數(shù)生產(chǎn)過程的控制需要其中一種或幾種控制方案的組合。3）人一機(jī)交互計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須為操作員提供關(guān)于被控過程和控制系統(tǒng)本身運(yùn)行情況的全部信息，為操作員直觀地進(jìn)行操作提供各種手段，例如改變設(shè)定值、手動(dòng)調(diào)節(jié)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、在發(fā)生報(bào)警的情況下進(jìn)行處理等。因此，它應(yīng)當(dāng)能顯示各種信息和畫面，打印各種記錄，通過專用鍵盤對被控過程進(jìn)行操作等。此外，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還必須為管理人員和工程師提供各種信息。例如，生產(chǎn)裝置每天的工作記錄以及歷史情況的記錄，各種分析報(bào)表等，以便掌握生產(chǎn)過程的狀況和做出改進(jìn)生產(chǎn)狀況的各種決策。4）通信現(xiàn)今的工業(yè)過程控制系統(tǒng)一般都采用分級(jí)分散式結(jié)構(gòu)，即由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，共同完成上述的各種任務(wù)。因此，各級(jí)計(jì)算機(jī)之間必須能及時(shí)地交換信息。此外，有時(shí)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)還需要與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（例如，全廠的綜合信息管理系統(tǒng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和一般常規(guī)控制系統(tǒng)相比，有如下突出特點(diǎn)：1．技術(shù)集成和系統(tǒng)復(fù)雜程度高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、控制、通信、電子等多種高新技術(shù)的集成，是理論方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。由于信息量大、速度快和精度高，因此能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，從而達(dá)到較高的控制質(zhì)量。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了常規(guī)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的多變量控制、智能控制、參數(shù)自整定等功能。2．實(shí)時(shí)性強(qiáng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，立即采取相應(yīng)的動(dòng)作。例如，檢測到化學(xué)反應(yīng)罐的壓力超限，可以立即打開減壓閥，這樣就避免了爆炸的危險(xiǎn)。實(shí)時(shí)性是區(qū)別于普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵特點(diǎn)，也是衡量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。3．可靠性高和可維護(hù)性好這兩個(gè)因素決定系統(tǒng)的可用程度。由于采取有效的抗干擾、冗余、可靠性技術(shù)和系統(tǒng)的自診斷功能，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性高且可維護(hù)性好。如有的工控機(jī)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)。4．環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)工業(yè)環(huán)境惡劣，要求工業(yè)控制機(jī)能適應(yīng)高溫、高濕、腐蝕、振動(dòng)、沖擊、灰塵等工業(yè)環(huán)境。一般的工業(yè)控制機(jī)有較高的電磁兼容性。5．控制的多功能性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有集中操作、實(shí)時(shí)控制、控制管理、生產(chǎn)管理等多種功能。6．應(yīng)用的靈活性由于軟件功能豐富、編程方便和硬件體積小、重量輕以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使系統(tǒng)配置上有很強(qiáng)的靈活性。如一些工控機(jī)有操作簡易的結(jié)構(gòu)化、組態(tài)化控制軟件，硬件的可裝配性、可擴(kuò)充性也很好。另外，技術(shù)更新快，信息綜合性強(qiáng)，內(nèi)涵豐富，操作便利等也都是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。1-4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(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，減輕工人的勞動(dòng)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(dòng)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)之間的互連技術(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。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(dòng)、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(huì)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(jí)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WinNT/Win98/WinXP操作系統(tǒng)平臺(tái)或具有圖形界面的多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺(tái)。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(dòng)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。1-5為什么大多數(shù)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)？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))和受控對象兩大部分組成。工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)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(hào)，要將被控量y和給定值w相比較，得到偏差信號(hào)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(hào)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0-1從圖0-1圖0-1b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(hào)。它的控制是直接根據(jù)給定值驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象工作的。這種信號(hào)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(dòng)消除被控參數(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)均采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。1-6如何理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性？答：所謂“實(shí)時(shí)”是指信號(hào)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(hào)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(huì)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(dòng)電機(jī)控制，“實(shí)時(shí)”一般是指幾毫秒或更短時(shí)間?！皩?shí)時(shí)”的概念不能脫離具體過程，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)行一些必要的處理，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(hào)和輸出控制信號(hào)，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(hào)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)作出反應(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(jí)到小時(shí)級(jí)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。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。若測控對象為脈沖量及頻率量信號(hào)，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(hào)經(jīng)V／F(電壓／頻率)轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字信號(hào)以及數(shù)字式傳感器直接輸出的信號(hào)，例如積累式儀表(如電量計(jì)、流量計(jì))的變送器輸出信號(hào)等均需通過數(shù)字量輸入通道以TTL電平信號(hào)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、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(dòng)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(hào)，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(jí)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)，以允許多道任務(wù)并行運(yùn)行。1-7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(dòng)。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)、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(huì)遇到這類系統(tǒng)。盡管隨行業(yè)的不同對系統(tǒng)會(huì)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(jí)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(tái)一般采用較為流行的操作系統(tǒng)，如WindowsNT、WindowsXP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(jí)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，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)IPC1#調(diào)節(jié)儀表2IPC1#調(diào)節(jié)儀表2#調(diào)節(jié)儀表n#調(diào)節(jié)儀表······控制級(jí)監(jiān)控級(jí)圖2儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)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（ProgrammableLogicController，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。圖3PLCs圖3PLCs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(huì)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PCI總線，且PCI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