计算机监控技术第1章计算机控制系统概述

1、第1章计算机控制系统概述习题与思考题1-1 测控系统微机化的重要意义是什么？1-2 对计算机控制系统有哪些基本要求？1-3 闭环控制与开环控制有什么不同？1-4 计算机控制系统中的在线方式与离线方式的含义是什么？1-5 按应用领域和设备形式，计算机控制系统可分为哪几种？1-6 计算机控制系统有哪几种输入与输出信号？各有什么特点和应用场合？1-7 针对不同行业、不同被控对象，可以选择哪些计算机控制装置（主机）？1-8 以定位减速和工件加工为例，说明计算机控制系统的工作原理。1-9 什么是实时计算机系统？在计算机控制系统中实时性体现在哪几个方面？1-10 什么是智能控制？有哪几种形式的智能控制系统

2、？1-11 计算机控制系统各环节软、硬件的发展趋势是什么？参考答案1-1 测控系统微机化的重要意义是什么？ 答：传统的测控系统主要由“测控电路”组成，所具备的功能较少，也比较弱。随着计算机技术的 迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，替代 传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。由于微型计算机的速度快、精度高、 存储容量大、功能强及可编程等特点，将微型计算机引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解 决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、 智能化程度，而且可以缩短系统

3、研制周期、降低成本、易于升级换代等。因此，现代测控系统设计，特别 是高精度、 高性能、 多功能的测控系统， 目前已很少有不采用计算机技术的了。 在当今， 完全可以这样说， 没有微处理器的仪器就不能称为仪器，没有微型计算机的测控系统就更不能称其为现代工业测控系统。计算机技术的引入，为测控系统带来以下一些新特点和新功能：1）自动清零功能。在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而大大降低因测控系统漂移变化造 成的误差。2）量程自动切换功能。可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围，在保证测量和控制 范围的同时提高分辨率。3）多点快速测控。可对多种不同参数进行快速测量和控制。4）数字滤波功能

4、。利用计算机软件对测量数据进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。5）自动修正误差。许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受环境参数变化的影响比较严重，从而给仪器带来误差。采用计算机技术，可以依靠软件进行在线或离线修正。6）数据处理功能。利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能，比如 统计分析、检索排序、函数变换、差值近似和频谱分析等。7）复杂控制规律。利用计算机技术不仅可以实现经典的PID 控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等；同时也能够实现控制方案和控制规律的在线修改，使整个系统具有很大 的灵活性与适应性。8）多媒体功能。利用计算机的多媒体技

5、术，可以使仪器具有声光、语音、图像、动画等功能，增强 测控系统的个性或特色。9）通信或网络功能。利用计算机的数据通信功能，可以大大增强测控系统的外部接口功能和数据传 输功能。采用网络功能的测控系统则将拓展一系列新颖的功能。10）自我诊断功能。采用计算机技术后，可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并 可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。通过应用计算机测控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料消耗，降低 生产成本； 更为重要的是通过应用计算机测控技术还可以降低劳动者的生产强度， 提高领导者的管理水平， 从而带来极大的社会效益。正因为如此，计

6、算机测控技术得到了迅速的发展。1-2 对计算机控制系统有哪些基本要求？答： 计算机测控系统的测控对象是生产过程，其最终目标是实现生产过程自动化，提高生产效率， 降低能耗，减轻工人的劳动强度，同时，计算机测控系统还应综合考虑自动化、计算机、检测及网络通讯 等技术领域的发展趋势和系统之间的互联技术需求。一般说来，对计算机测控系统的基本要求如下：1）具有良好的实时性 实时性是控制对象按规定工艺运行的必要条件之一。对于不同的控制对象、不同的控制参数，其对系 统的实时性具有不同的要求。例如，流量、压力的控制周期小于温度的控制周期，也就是说，流量和压力 控制对系统的实时性要求高于温度控制对系统实时性的要求

7、。2）具有高可靠性和较强的环境适应性 可靠性是控制对象或生产过程连续运行的根本保证，许多生产过程是连续运行的，计算机测控系统的 故障将导致生产过程的中断。要求计算机系统一旦出现故障，能迅速指出故障点和处理办法，便于立即修 复。有的测控对象或生产过程所处的环境是非常恶劣的，计算机测控系统往往安装在控制对象的附近（如 各种变送器、执行机构等） ，这就要求系统能较强的适应高温、腐蚀、振动、冲击、灰尘等环境；工业环 境电磁干扰严重，供电条件不良，要求计算机有较高的电磁兼容性，以确保系统的可靠性不会因环境的变 化而受影响。3）采用标准化部件，便于扩充、升级和维护计算机测控系统应尽量采用标准化部件， 以免

8、受到部件供应商的制约， 同时便于对系统进行输入 /输出 点数的扩充和系统的功能性扩充。4）具有良好的人机界面和丰富的监视画面 根据目前的计算机技术，一个良好的计算机测控系统的测控软件应基于Win NT/Win 98/Win XP 操作系统平台或具有图形界面的多任务操作系统平台。测控软件应提供丰富的操作画面，既要满足操作人员的 操作习惯和较高的操作成功率，又要保证操作人员能够迅速处理生产过程的突发事件。5）具有良好的系统组态和可选的各种控制策略计算机测控系统分为专用和通用两种类型。一个通用的工业测控计算机系统往往具有灵活的系统组态功能和丰富的控制策略。所谓系统组态，是指系统工程师可以根据不同的控

9、制对象或生产过程，配置输入/输出点数、过程板卡类型及设备地址、画面种类形式和画面数量以及网络通讯协议等。控制策略又称为控制算法，一个产品化的工业控制计算机系统具有数十种控制算法，包括常规控制算法、模糊控制算法和专 家系统等。6）具有网络通讯功能，便于实现工厂自动化和信息化工厂信息化是信息技术发展和国民经济信息化的必然要求。工业控制计算机系统往往采用分层体系结构，其低层网络使用实时性较高的工业控制网络协议，保证控制任务的实时性；其高层网络使用计算机通用网络协议，便于信息的互通、互联和共享。1-3 闭环控制与开环控制有什么不同？答：计算机控制系统由控制计算机本体 （包括硬件、软件和网络结构 ）和受

10、控对象两大部分组成。工 业生产中的自动控制系统随控制对象、控制算法和采用的控制器结构的不同而有所差别。从常规来看，控 制系统为了获得控制信号，要将被控量y和给定值W相比较，得到偏差信号 e=w-y。然后直接利用e来进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差使被控量等于给定值。这种控制，由于控制量是控制系统的输出，被控制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，信号传递形成了闭合回 路，所以称为闭环负反馈系统，其结构如习题图O-Ia所示。习题图0-1控制系统的般形式a）闭环揑制系址报图；b）开环控制系缭框皑。从图O-Ia可知，该系统通过测量传感器对被控对象的被控参数（如温度、

11、压力、流量、速度等物理量）进行测量，再由变送单元将这些量变换成一定形式的电信号，反馈给控制器。控制器将反馈信号对应的工 程量与系统给定的设定值工程量比较，形成偏差输入，控制器就产生控制信号按一定控制规律驱动执行机 构进行工作，执行机构产生的操纵变量使被控参数的值与给定值保持一致。此类负反馈控制是自动控制的 基本形式，也是大多数控制系统具备的结构。图O-Ib是另一种控制结构，即开环控制系统。它与闭环控制系统的区别在于它不需要控制对象的反馈 信号。它的控制是直接根据给定值驱动执行机构去控制被控对象工作的。这种信号的传递是单方向的。被 控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。开环控制系统不能自动消

12、除被控参数与给定值之间的偏差，控制系统中产生的误差全部反映在被控参 数上。它与闭环控制系统相比，控制结构简单，但性能较差，常用在一些特殊的控制场合。 因此，大多数控制系统即定值控制系统均采用闭环控制系统。1-4 计算机控制系统中的在线方式与离线方式的含义是什么？ 答：在计算机控制系统中，生产过程与计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制的方式称称为 在线方式或联机方式：在计算机控制系统中，生产过程与计算机系统不相连，或虽受连接但过程不受计算机控制，而是靠人 工进行联系并做相应操作的方式称离线方式或脱机方式。1-5 按应用领域和设备形式，计算机控制系统可分为哪几种？答： 按应用领域分类：1）专用

13、计算机控制系统 这类系统的特点是应用领域比较专一， 或者是专门为某项应用而设计、 开发的， 如各种智能仪器仪表、 数控机床控制器等。带有智能控制功能的家电产品也可属这类系统。这些系统偏重于某几项特定的功能， 系统的软硬件比较简单和紧凑，常用于批量的定型产品中。硬件完全按系统的要求进行配置，软件固化于 芯片中，一般可采用单片机系统或专用的控制芯片来实现，开发完成后一般不做较大的改动。对于功能要求较高，但应用领域及目的相当明确的系统，一般也可配置档次较高的硬件和专用软件， 构成高性能专用计算机控制系统。2）通用计算机控制系统 这类系统较多应用于功能较全的数据采集和过程控制。例如，实时数据采集系统、

14、工业过程控制计算 机系统等。绝大多数的工业部门都会遇到这类系统。尽管随行业的不同对系统会有不同的具体要求，但在 实时数据采集和过程控制方面都有很多共性要求。为了降低开发费用，缩短开发周期，一般是选用通用的 软硬件资源来构成用户自己的应用系统。为此，一般采用如下的途径来实现：计算机一般选用工业级总线 式计算机，其具体配置可选； I/O 通道多选用工业化生产的标准板卡或模块；软件平台一般采用较为流行 的操作系统，如 Windows NT、 Windows XP 等；也可购置通用的数据采集 /过程控制软件包，功能较好的 软件包一般都可根据用户需求进行相应的组态和系统生成；利用通信网络将单个的计算机系

15、统组成规模更 大、功能更全的集散型控制系统。大型的系统可有上千个回路，有数千个测控点，可用于大型企业的数据 采集、监控管理、闭环控制、分级优化管理等多种场合。按设备形式分类： 无论是简单的控制系统还是复杂的控制系统，根据其系统控制设备的结构形式或设备形式，均可将其 分解成仪表调节器、可编程序控制器、微型计算机等几种基本的控制设备。一个大型的工业控制计算机系 统可能由这些基本控制设备中的某几种组成。随着技术的发展，几种基本控制设备之间已经互相渗透，如 大型 PLC 系统具有集散型系统的某些功能，集散型系统具有 PLC 的功能，仪表调节器可以和微型计算机 组成中小型 DCS 等。对于最终用户来说，

16、了解工业控制计算机系统的设备类型往往胜过了解设备的技术 规格。因此，对工业控制计算机系统进行设备分类具有更重要的现实意义。1）基于仪表调节器的控制系统仪表调节系统由调节器 （调节仪表）组成，如图2所示，适用于输入点数和控制回路较少的生产过程。n#调节仪表图2仪表调节系统调节器分为单回路调节器和多回路调节器。单回路调节器只有一个控制回路。多回路调节器提供两个以上 的控制回路，常用的多回路调节器有双回路调节器、四回路调节器和八回路调节器。随着单片机技术、通 信技术和控制技术的发展，调节器技术也在不断地发展，目前仍在生产过程控制领域占有一定的市场。调 节器或调节仪表的发展为现场总线设备的发展奠定了基

17、础，同时，现场总线技术的发展为调节器或调节仪 表的发展提供了更广阔的发展空间。2）基于可编程序逻辑控制器的控制系统可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller ,简称PLC）,是由继电器控制系统发展而来的， 最初是专门为工业控制而设计的计算机。PLC的发展十分迅速，当今的 PLC除了执行传统的顺序控制和逻辑控制外，也具有过程控制功能，大中型 PLC还具有网络通讯功能和DCS系统的某些功能。目前，三菱、欧姆龙、西门子以及罗克韦尔等几大公司的PLC在我国的各行各业得到了广泛的使用。PLC具有以下优点：可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业环境；采用模块化

18、结构， 系统组成灵活方便；主要采用梯形逻辑图，编程简单，易学、易懂；安装简便、调试方便、维护工作量小 等。尽管PLC具有上述的一些优点，但PLC主要是为现场控制而设计的，其人机界面主要是开关、按钮、指示灯等。为此，20世纪90年代后，许多的PLC都配备有计算机通信接口，通过总线将一台或多台PLC相连接，将 PLC的高控制性能与个人计算机的友好人机界面相结合，这种类型的计算机监控系统称为 PLCS。PLCS的组成示意图如图 3所示。图3 PLCS的组成原理图计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行全系统的监控和管理；而PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制。计算机与PLC,PLC与PLC之

19、间通过通信网络实现信息的传送和交换。所有的现场控制都是由PLC完成的，上位机只是作为程序编制、参数设定和修改、数据采集所用。因此，即使是上位 机出了故障，也不会影响生产过程的正常进行，这就大大地提高了系统的可靠性。3）基于个人计算机的控制系统个人计算机是目前世界上数量最多、应用最广泛的机型，因而将个人计算机应用于控制也是很自然的 事情。特别是个人计算机结构简单，操作简便，技术开放，并且拥有极为丰富的应用软件资源，从而深得 人们的青睐。基于个人计算机的控制系统的基本特点是，输入输出装置制作为板卡的形式，并将板卡直接与个人计 算机的系统总线相连，即直接插在计算机主机的扩展槽上，如图4所示。这些输入

20、输出板卡往往按照某种标准由第三方批量生产， 开发者或用户可以直接在市场上购买。早期使用比较多的是 STD总线，近年来占主导地位的是ISA总线和Pel总线，且Pel总线有取代ISA总线的趋势。构成基于个人计算机的控制系统的计算机可以用普通的商用机，也可以用DIY的计算机，还可以使用专门用于工业控制的计算机（简称工控机，IPC）。由第三方开发的输入输出板卡可以在市场上购买，也可以由开发者自行制作。一块板卡的点数（指测控信号的数量）少的有几点，多的可达16点、24点甚至更多。图4基于个人计算机的计算机测控系统PCS的操作系统早期都采用 DOS操作系统，20世纪90年代中期后，Windows和Wind

21、ows NT操作系 统开始流行。应用软件可以由开发者利用C、VC+、VB、DeIPhi等语言自行开发，也可以在市场上购买组态软件进行组态后生成。早期的PCS的最大问题就是其性能不够可靠。20世纪90年代中期后，随着计算机软硬件技术的发展，PCS的可靠性已越来越高，特别是工控机，其机箱、电源、主板等都进行了强化，可靠性直逼PLC。总之，由于PCS价格低廉、组成灵活、标准化程度高、结构开放、配件供应来源广泛、应用软件丰富 等特点，PCS是一种很有应用前景的计算机监控系统。1-6 计算机控制系统有哪几种输入与输出信号？各有什么特点和应用场合？答：工业生产过程实现计算机控制的前提是，必须将工业生产过程

22、的工艺参数、工况逻辑和设备运 行状况等物理量经过传感器或变送器转变为计算机可以识别的电信号（电压或电流）或逻辑量。传感器和 变送器输出的信号有多种规格，其中毫伏（mV ）信号、O5V电压信号、15V电压信号、O10mA电流信号、420mA电流信号、电阻信号是计算机控制系统经常用到的信号规格。在实际工程中，通常将这 些信号分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号三大类。1 模拟量信号许多来自现场的检测信号都是模拟信号，如液位、压力、温度、位置、PH值、电压、电流等，通常都是将现场待检测的物理量通过传感器转换为电压或电流信号；许多执行装置所需的控制信号也是模拟 量，如调节阀、电动机等。模拟信号是指随

23、时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一 个量变到下一个量时中间没有间断。模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的420mA的电流信号或15V的电压信号。这些模拟信号经过采样和 A/D转换输入计算机后， 常常要进行数 据正确性判断、标度变换、线性化等处理。模拟信号非常便于传送， 但它对干扰信号很敏感， 容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。 因此， 有时还要对模拟信号做零漂修正、滤波等处理。模拟信号的常用规格：1）15V 电压信号此信号规格有时称为 DDZ-川型仪表电压信号规格。15V电压信号规格通常用于计算机控制

24、系统的过程通道。工程量的量程下限值对应的电压信号为IV ,工程量上限值对应的电压信号为5V ,整个工程量的变化范围与4V的电压变化范围相对应。过程通道也可输出15V电压信号，用于控制执行机构。2）420mA 电流信号4 20mA 电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号。 工程量或变送器的量程下限值对应的 电流信号为4mA ,量程上限对应的电流信号为20mA ,整个工程量的变化范围与 16mA的电流变化范围相对应。过程通道也可输出 420mA 电流信号，用于控制执行机构。有的传感器的输出信号是毫伏级的电压信号，如K分度热电偶在I000 C时输出信号为41.296mV。这些信号要经过变送器

25、转换成标准信号（420mA ）再送给过程通道。热电阻传感器的输出信号是电阻值，一般要经过变送器转换为标准信号（420mA ）,再送到过程通道。对于采用 420mA电流信号的系统，只需采用250电阻就可将其变换为 15V直流电压信号。注意：以上两种标准都不包括零值在内，这是为了避免和断电或断线的情况混淆，使信息的传送更为 确切。这样也同时把晶体管器件的起始非线性段避开了，使信号值与被测参数的大小更接近线性关系，所 以在国际范围内受到推荐并被普遍采用。当计算机控制系统输出模拟信号需要传输较远的距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电 流信号在一个回路中不会衰减，因而抗干扰能力比电压信号好；当

26、计算机控制系统输出模拟信号需要传输 给多个其他仪器仪表或控制对象时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。2开关量信号 有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开；电动机的起动和停 止；指示灯的亮和灭；继电器或接触器的释放和吸合；晶闸管的通和断；阀门的打开和关闭等，可以用开 关输出信号去控制或者对开关输入信号进行检测。开关信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字 组成，其中每位数字不是 0 就是 1。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。开 关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。开关量信号反映了生

27、产过程、设备运行的现行状态、逻辑关系和动作顺序。例如：行程开关可以指示 出某个部件是否达到规定的位置， 如果已经到位， 则行程开关接通， 并向工控机系统输入 1 个开关量信号； 又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出 1 个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出 声光报警。如果开关量信号的幅值为 TTL/CMOS 电平，又可将一组开关量信号称之为数字量信号。开关量输入信号有触点输入和电平输入两种方式。触点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反， 犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理的，因此工控机系统 必须为输入触点提供电源，将触点输入转换为电平

28、输入。开关量输出信号也有触点输出和电平输出两种方 式。输出触点也有常开和常闭之分。数字（开关）信号输入计算机后，常常需要进行码制转换的处理，如BCD 码转换成 ASCII 码，以便 显示数字信号。对于开关量输出信号，可以分为两种形式：一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是 通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。电压 输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输入， 又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值可以有5V 、12V、24V 和 48V 等。3脉冲量信号脉冲量信号和电平形式的开关

29、量类似，当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉冲量， 也就是说脉冲量具有周期性。测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的方式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送 器，也是以脉冲频率为输出信号。在运动控制中，编码器送出的信号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，可 以获得电动机角位移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉冲来控制步进电机转角或速度。脉冲量信号的幅值通常有 TTL 电平、 CMOS 电平、 24VDC 电平和任意电平等几种规格。实际上，数 据采集卡的逻辑部件都是 TTL/CMOS 规格，其中的过程通道将不同幅值的脉冲量信号转换成了 TTL/CMOS 电平。脉冲量通道或脉冲

30、输入 /输出板卡对脉冲量的上升时间和下降时间有一定的要求，对于上升时间和下降时间较长的脉冲信号，必须增加整形电路，改善脉冲信号的边沿，以确保脉冲量通道能有效识别所输入的 脉冲量信号。针对某个生产过程设计一套计算机控制系统，必须了解输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、 量程范围、线性关系、工程量换算等诸多要素。1-7 针对不同行业、不同被控对象，可以选择哪些计算机控制装置（主机）？答：为适应不同行业、不同被控对象的需求，自动化装置厂家制造出多种独立于生产过程的计算机 控制装置。归纳起来，有可编程控制器、可编程调节器、总线式工控机、单片微型计算机1）可编程控制器 可编程逻辑控制器，简称可编程控

31、制器，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设定。它采用可编程序的存储器，用来 在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都按易于与工业控制系统联成一整 体、易于扩充其功能的原则设计。PLC 具有系统构成灵活、扩展容易、编程简单、调试容易、抗干扰能力强的优点，不仅在顺序程序控 制领域中

32、具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色。2）可编程调节器可编程调节器又称单回路调节器， 还可称为智能调节器、 数字调节器。 它主要由微处理单元、 过程 I/O 单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。可编程调节器实际上是一种仪表化了的微型控制计算机，它既保留了仪表面板的传统操作方式，易于 为现场人员接受；又发挥了计算机软件编程的优点，可以方便灵活地构成各种过程控制系统。但是，它又 不同于一般的控制计算机，系统设计人员在硬件上无需考虑接口问题、信号传输和转换等问题，在软件编 程上也只需使用一种面向问题的组态语言。这种组态语言为用户提供了几十种常用的运算和控制

33、模块。其中，运算模块不仅能实现各种组合的四 则运算，还能完成函数运算，而通过控制模块的组态编程更能实现各种复杂的控制过程。这种系统组态方 式简单易学，便于修改与调试。因此，极大地提高了系统设计的效率。可编程调节器还有其他功能。诸如：具有断电保护和自诊断功能、通信功能，可以组成多级计算机控 制系统，实现各种高级控制和管理。因此，可编程调节器不仅可以作为大型分散控制系统中最基层的控制单元，而且可以在一些重要场合 下单独构成复杂控制系统，完成 1 个-4 个控制回路。它特别适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中。3）总线式工控机 总线式工控机是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算

34、机，一般称为工业控制机或工业计算机（IPC）。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模 板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控机的外形类似普通计算机，不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱，机箱 密封并加正压送风散热，机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主板分解成几 块 PC 插件，采用工业级抗干扰电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软件。总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准化的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的 需要，

35、又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是十几个到几十个 回路的中等规模的控制系统中。4）单片微型计算机 随着微电子技术与超大规模集成技术的发展，计算机技术的另一个分支超小型化的单片微型计算机，简称单片机诞生了。它是将 CPU、存储器、串行/并行I/O 口、定时/计数器，甚至 A/ D转换器、 脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当 控制功能的微控制器。单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识，而且汇编语言 的通用性与可移植性差。随着高效率结构化语言的发展，其软件开发环境正在逐

36、步改善。目前，市场上已 推出面向单片机结构的高级语言， 如早期的 Archimedes C 和 Franklin C ，现在的 KeilC51 、 Dynamic C 等语 言。由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化 等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、 军事装置等方面得到了极为广泛的应用。单片机的应用从 4 位机开始，历经 8 位、 16 位、 32 位四种。但在小型测控系统与智能化仪器仪表的 应用领域里， 8 位单片机因其品种多、功能强、价格廉，目前仍然是单片机系列的主流机种。1-8

37、 以定位减速和工件加工为例，说明计算机控制系统的工作原理。答： 1）定位减速控制系统工作原理 电动机与一个多齿凸轮连动，电动机拖动的传送带上输送待加工的材料，用一个接近开关来检测 多齿凸轮，产生脉冲信号送到计算机进行计数。当电动机转动5000 个脉冲时，切刀下降将材料切断，并将脉冲计数器复位；当电动机转动至 4900 个脉冲时减速，到 5000 个脉冲时停机。其工作示意图如 图 l 所示。该控制系统接收的外部输入信号有电机启动、停止按钮信号和接近开关发出的脉冲信号，输出信号是接近开捋M 冲序机會令ll >计算机控制电机高速、减速运转和停止信号，通常以电磁继电器的触点 通断为输出信号的形式

38、。计算机根据外部启停按钮信号控制电机的启动或停止，同时，对接近开关发出的脉冲进行计数，计到4900个脉冲时，发减速信号，再到5000个脉冲时，发停机信号并使计数器清零。在使电机 停机之前减速，是为了机械能够准确停机定位。2）自动磨削控制系统工作原理图1定惟及减速控制工作赤意阳当代检测系统越来越多地使用计算机或微处理器来控制执行 机构的工作。检测技术、计算机技术与执行机构等配合就能构成 某些工业控制系统。图2所示的自动磨削控制系统就是自动检测的一个典型例子。图中的传感器快速检测出工件的直径参 数D ,计算机一方面对该参数作一系列的运算、比较、判断等工作，然后将有关参数送到显示器显示出来,另一方面

39、发出控制信号，控制研磨盘的径向位移X,直到工件加工到规定要求为止。很显然，该系统是一个自动检测与控制的闭环系统。1-9 什么是实时计算机系统？在计算机控制系统中实时性体现在哪几个方面？答：所谓“实时”是指信号的输入、运算处理和输出都要在一定的时间间隔内完成，即要求计算机 对输入信号能以足够快的速度进行测量与处理，并在一定时间内作出反应或产生相应的控制。超出了这个 时间，就会失去控制的时机，控制也就失去了意义。“实时”是一个相对的概念，如大型水池的液位控制，由于时间惯性大，延时几秒乃至几十秒仍然是“实时”的；而套色印刷机的拖动电机控制，“实时”一般是指几毫秒或更短时间。“实时”的概念不能脱离具体

40、过程，一个在线的系统不一定是实时系统，但一个实时系统必定是在线 系统。所谓在线是指在计算机控制系统中，生产过程与计算机直接连接并受计算机的控制，有时也称为联 机方式；如果生产过程不和计算机连接，不受计算机直接控制，而是依靠人工联系并作相应操作控制的方 式称为离线方式或脱机方式。所谓实时计算机系统，是指在规定时间内能够对外来事件做出反应的系统。因此，若一个计算机系统 需要在确切的时间内从外部环境输入数据并向它输出数据，或执行一些其他的处理，则这个系统就是实时 计算机系统。也就是说，如果一个计算机系统需要在确切的时间内从外部环境输入/输出数据，或者进行些必要的处理，那么该系统就称为一个实时计算机系

41、统。例如，在一个锅炉计算机控制系统中，无论计算 机要显示多么复杂的操作画面，打印多么复杂的报表，都要保证在规定的时间内巡回采集各个过程信号和 输出控制信号，确保系统的控制效果满足工艺需求。同时，如果有重要的信号超过报警极限，例如锅炉的 主蒸汽压力越限，则计算机要及时将报警信息显示在屏幕上，进行联锁保护和声光报警，提醒操作人员进 行必要的处理，避免恶性事故的发生。实时计算机系统的实时性是指它对输入数据即时做出反应（响应 ）的能力，可以用反应（响应）时间这个术语对实时性作定量描述。所谓反应时间是指一个系统对输入数据产生反应所需要的时间。实时计算机 系统中的测控对象，可以是温度、压力、液位、流量，也

42、可是飞行器的速度及仰角，或数控机床的坐标等， 因此，在不同的作业过程中，计算机系统的反应时间差异悬殊，从毫秒级到小时级不等。一般而言，实时 计算机系统是指在某一环境下对现场监测、控制对象的量值变化、状态变化等，能够在整个系统运作所允 许的时间间隔内对之进行监测、数据处理、即时地改变其控制参数并导致影响上述环境的计算机系统。实 时计算机系统的例子很多，例如导弹飞行测量控制系统，程控交换机的计算机控制系统，化工生产过程监 控系统，数控机床的控制系统，高速公路的监控系统，各种家用电器的电脑控制系统等。实时计算机系统的关键是系统具有实时性。所谓实时性，是指系统中的不同操作的优先级不是平等的 而是有高低

43、之分的，具有高优先级的操作，由调度程序安排使它先执行，即先获得 CPU 的处理服务。此 外，有的实时计算机系统具有抢占调度的功能，即在正常的工作情况下，若某一优先级高的任务的激活条 件得到满足，系统将中断正常运行，转去执行优先级高的任务，待结束后，再返回执行原先的任务。在计算机控制系统中实时性主要体现在下述四个方面：1）实时数据采集微型计算机测控系统通过其过程模拟量输入通道，将系统的模拟测控对象，例如温度、压力、液位、流量、成分、转速、位移量等，在当前采样时刻的瞬时值经模拟数字转换后进行扫描采样，将采样结果存入内存，并依据需要对采样数据进行数字滤波及工程量换算等数据处理及加工。采样周期需依照工

44、艺要求所允许的时间确定，通常采用经验推荐值（流量：5s ,优先选用l2s;压力数据：310s ,优先选用68s;液位数据：68s;温度数据：1520s;成分数据：1520s）°若测控对象为脉冲量及频率量信号，例如普通模拟传感器、测速发电机等模拟传感器输出的模拟信号经V / F（电压/频率）转换后形成的数字信号以及数字式传感器直接输出的信号，例如积累式仪表（如电量计、流量计 ）的变送器输出信号等均需通过数字量输入通道以 TTL 电平信号送入微型计算机测控系统的计 数器接口，以实现开关量的实时测量。2）实时决策微型计算机测控系统对采集到的样本数据（即反映当前生产过程状态的信息）进行比较、

45、 分析、判断后，即可确定哪些生产过程参数偏离了预定值或者超过安全极限值，据此给出下一步的处理指令。例如，进行 越限报警或按预定的控制规律 （ggPID 控制算法 ）进行运算后给出控制决策。3）实时控制 测控系统及时地将控制决策转化为控制量，并通过过程输出接口作用于受控对象的控制机构，例如调节器、执行器、步进电机等，用来校正被控参数。4）实时报警及故障处理通常这一步骤是在实时数据采集后紧接着进行的，也可以是由故障设备主动向CPU 请求中断处理后进行的。在这种情况下，微型计算机及时给出声光报警信号，在需要时由CPU 执行中断服务程序进行故障处理。通常情况下，以上四项操作反复执行就可以使系统按照所期

46、望的最佳方式运行并对被控过程或装置的 异常状态进行监督、处理，这是实时处理这一术语的主要含义。因此，一般来说，为使计算机测控系统具有实时处理的能力，系统应设有实时时钟，具有满足某一特 定生产工艺或控制过程所要求的数据测量、处理和即时控制的速度，并有能够及时地响应各种操作所需的 多级中断系统。控个系统可以由一个计算机完成，也可以采用双机冗余、多机冗余系统的结构或分布式测 控系统的结构。从软件的角度出发，要求系统软件能实时调度、响应。因此，一般地，应有完备的实时管 理程序、 中断管理程序。 在较为复杂的应用场合中， 微型计算机测控系统还需要配备实时多任务管理软件， 有时则需配备实时操作系统，以允许

47、多道任务并行运行。1-10 什么是智能控制？有哪几种形式的智能控制系统？答：经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在应用中遇到不少难题。首先，这些控制系统的设计 和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上的，而实际系统一般难以获得精确的数学模型；其次，为 了提高控制性能，整个控制系统变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出 现和发展，促进自动控制向更高的层次发展，即智能控制。智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱 动智能机器实现其目标的过程，也是用机器模拟人类智能的又一重要领域。1）分级递阶智能控制系统分级递阶智能控制系统是在研究学习控制系统的基础上，并从工程控制论的角

48、度总结人工智能与自适 应、自学习和自组织控制的关系之后而逐渐形成的。由 Saridis 提出的分级递阶智能控制方法， 作为一种认知和控制系统的统一方法论， 其控制智能是根据 分级管理系统中十分重要的“精度随智能提高而降低”的原理而分级分配的。这种分级递阶智能控制系统 是由组织级、协调级、执行级三级组成的。2）模糊控制系统模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。一方面模糊控制提供一种实现基于知识（规则 ）的，甚至语言描述的控制规律的新机理；另一方面，模糊控制提供了一种改进非线性控制器的替代方法，这种非 线性控制器一般用于控制含有不确定性和难以用传统非线性控制理论处理的装置。模糊控制具有多种控制

49、方案，包括 PID 模糊控制器、自组织模糊控制器、自矫正模糊控制器、自学习 模糊控制器、专家系统模糊控制器以及神经网络模糊控制器等等。3）专家控制系统专家控制系统所研究的问题一般都具有不确定性，是以模仿人类智能为基础的。工程控制论与专家系 统的结合，形成了专家控制系统。专家控制系统和模糊控制系统至少有一点是共同的，即两者都要建立人 类经验和人类决策行为的模型。此外，两者都有知识库和推理机。而且其中大部分至今仍为基于规则的系 统。因此，模糊逻辑控制器通常又称为模糊专家控制器。4）学习控制系统学习是人类的主要智能之一。用机器来代替人类从事体力和脑力劳动，就是用机器代替人的思维。学 习控制系统是一个

50、能在其运行过程中逐步获得被控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的 评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动控制系统。随着多媒体计算机和人工智能计算机的发展，应用自动控制理论和智能控制技术来实现先进的计算机 控制系统，必将大大推动科学技术的进步和提高工业自动化系统的水平。1-11 计算机控制系统各环节软、硬件的发展趋势是什么？答： 计算机控制系统的发展动力来源于技术推动和市场需求两个方面。在技术方面将跟随自动化技 术、计算机技术、网络技术及其相关技术的发展，逐步实现集成化、智能化和协调化，这是计算机控制系统总的发展方向。不同种类的计算机控制系统，其发展趋势也有所不同。下

51、面从各个方面分别予以讨论。1）单 /多回路调节仪表的发展趋势20 世纪 80年代以来，以单 /多回路调节器为主的智能调节仪表在各行各业获得了广泛的应用，这和当 时的工业自动化水平是相适应的。 20 世纪 90 年代末期，随着工业 PC 的广泛应用，调节仪表的应用略有 下降趋势。 2000 年以来，随着现场总线技术的逐渐成熟、调节仪表智能化水平的提高、工业 PC 和调节仪 表构成中小型 DCS 的逐渐采用，调节仪表又获得了更为广泛的应用。调节仪表的发展趋势主要表现为： 整体的智能化和集成化、通信接口的现场总线化、人机界面的图形化、测量与控制的品质优良化以及总体 成本的低廉化。2）可编程序逻辑控制器（ PLC ）的发展趋势PLC 是由继电器逻辑控制系统发展而来的， 初期主要是代替继电器控制系统， 侧重于开关量顺序控制 方面。近年来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展， PLC 在技术上和 功能上发生了极大的变化。 在逻辑运算的基础上， 增加了数值计算、 闭环调节等功能； 增加了模拟量和 PID 调