《计算机控制技术》李江全-第3版 习题及答案 第1-5章 计算机控制系统概述- 计算机控制系统设计与调试

第1章计算机控制系统概述

习题与思考题

14测控系统计算机化的重要意义是什么？

1-2计算机控制系统能完成哪些任务？

1-3计算机控制系统有哪些特点？

1-4对计算机控制系统有哪些基本要求？

1-5为什么大多数控制系统采用闭环负反馈控制系统？

1-6如何理解计算机控制系统的实时性？

1-7按应用领域和设备形式，计算机控制系统可分为哪几种？

1-8什么是智能控制？有哪几种典型的智能控制方法？

1-9通过查阅文献，了解当前计算机控制技术中的现代控制理论。

参考答案

1-1测控系统计算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布值自动清零，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。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，计算机测控技术得到了迅速的发展。

1-2计算机控制系统能完成哪些任务？

答：下面以生产过程控制系统为例来说明计算机控制系统的任务，因为它比较集中地体现了计算机

控制系统的各种功能。如图I所示，计算机控制系统借助传感器从生产过程中收集信息，对被控对象进行

监视并提供控制信号。被收集的信息在不同层次上进行分析计算，得出生产装置的调节量，并驱动执行机

构动作来完成自动控制，或者为生产管理人员、工程师和操作员提供所需要的信息。

传感器——A模拟量输入通道

微

被

型

控人一机接口一操作员

执行器——模拟量输出通道,计

对

算

象

机

»传感器开关量输入通道

通信接口一►其它微机或设备

执行器——开关量输出通道4

图1某生产过程控制系统框图

由此可以看出，计算机控制系统应当完成下列任务：

1）检测

生产过程的参数大小是由传感器进行检测的。传感器产生与被测物理量（如温度、压力、流量、液位

等）成比例（一般为正比）的电信号。

传感器信号在进入计算机系统的接口之前，首先要转换成一种标准形式，通常是把传感器的输出信号

转换成4〜20mA电流或1〜5V电压。

另一类测最值是关于被控过程的状态信息。例如，阀门是否关闭，容器是否注满，泵是否打开等。这

些信息是以开关量的形式提供给计算机的，通过继电器触点的开闭或TTL电平的变化来表示.

计算机也可通过串行或并行通信口直接接收数字最信息。目前，很多传感器都带有微处理器（例如智

能仪表），可以直接给出数字量信息。

2）控制

对生产装置的控制通常是通过对阀门或伺服机构等执行机构进行调节，对泵和马达进行控制来达到

的，计算机可以产生一串脉冲去驱动执行机构达到所需要的位置，可以通过继电器接点闭合或产生某个电

平的跳变去启动或停止某个电动机，也可通过D/A转换产生一个正比于某设定值的电压或电流去驱动执行

机构。执行机构在收到控制信号之后，通常还要反馈一个测量信号给计算机，以便检查控制命令是否被执

行,

在工业过程控制系统中常用的控制方案有3种类型：直接数字控制、顺序控制和监督控制。大多数生

产过程的控制需要其中一种或几种控制方案的组合。

3）人一机交互

计算机控制系统必须为操作员提供关于被控过程和控制系统本身运行情况的全部信息，为操作员直观

地进行操作提供各种手段，例如改变设定值、手动调节各种执行机构、在发生报警的情况下进行处理等。

因此，它应当能显示各种信息和画面，打印各种记录，通过专用键盘对被控过程进行操作等。

此外，计算机控制系统还必须为管理人员和工程师提供各种信息。例如，生产装置每天的工作记录以

及历史情况的记录，各种分析报表等，以便掌握生产过程的状况和做出改进生产状况的各种决策。

4）通信

现今的工业过程控制系统•般都采用分级分散式结构，即日多台计算机组成计算机网络，共同完成上

述的各种任务。因此，各级计算机之间必须能及时地交换信息。此外，有时生产过程控制系统还需要与其

它计算机系统（例如，全厂的综合信息管理系统）进行数据通信。

1-3计算机控制系统有哪些特点？

答：计算机控制系统和一般常规控制系统相比，有如下突出特点：

1.技术集成和系统复杂程度高

计算机控制系统是计算机、控制、通信、电子等多种高新技术的集成，是理论方法和应用技术的结合。

由于信息量大、速度快和精度高，因此能实现复杂的控制规律，从而达到较高的控制质量。计算机控制系

统实现了常规系统难以实现的多变量控制、智能控制、参数自整定等功能。

2.实时性强

计算机控制系统是•个实时系统，可以根据采集到的数据，立即采取相应的动作。例如，检测到化学

反应罐的压力超限，可以“.即打开减压阀，这样就避免了爆炸的危险。实时性是区别于普通计算机系统的

关健特点，也是衡量计算机控制系统性能的一个重要指标。

3.可靠性高和可维护性好

这两个因素决定系统的可用程度。由于采取有效的抗干扰、冗余、可靠性技术和系统的自诊断功能，

计算机控制系统的可靠性高且可维护性好。如有的工控机一旦出现故障，能迅速指出故障点和处理办法，

便于立即修复。

4.环境适应性强

工业环境恶劣，要求工业控制机能适应高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘等工业环境。一般的工

业控制机有较高的电磁兼容性。

5.控制的多功能性

计算机控制系统具有集中操作、实时控制、控制管理、生产管理等多种功能。

6.应用的灵活性

由于软件功能丰富、编程方便和硬件体积小、重量轻以及结构设计上的模块化、标准化，使系统配置

上有很强的灵活性。如一些工控机有操作简易的结构化、组态化控制软件，硬件的可装配性、可扩充性也

很好。

另外，技术更新快，信息综合性强，内涵丰富，操作便利等也都是计算机控制系统的一些特点。

1-4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连技术需求。

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

统的实时件具有不同的要求。例加,流量、压力的捽制周期小干温度的控制周期，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。

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WinNT/Win98/WinXP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最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。

1-5为什么大多数控制系统采用闭环负反馈控制系统？

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，由尸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-la所示。

b）

习题图0-1控制系统的一般形式

a）闭环控制系统框图；b）开环控制系统框图。

从图O-la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、压力、流量、速度等物理量）

进行测量，再由变送单元将这些最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-lb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，大多数控制系统均采用带有负反馈的闭环控制系统。

1-6如何理解计算机控制系统的实时性？

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仃测量与处理，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”一般是指几亳秒或更短时间。

“实时”的概念不能脱离具体过程，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，或者进行一

些必要的处理，那么该系统就称为一个实时计算机系统。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作出反应（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，也可是飞行器的速度及仰角，或数控机床的坐标等,

因比，在不同的作业过程中，计算机系统的反应时间差异悬殊，从亳秒级到小时级不等。

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,

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最输入通道，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。

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、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最，并通过过程输巴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刀，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和操作所需的

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，以允许多道任务并行运行。

1-7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）专用计算机控制系统

这类系统的特点是应用领域比较专••，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、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WindowsNT、WindowsXP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统组成规模更

大、功能更全的集散型控制系统c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发杂的控制系统，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

统可能由这曲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，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.

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（ProgrammableLogicController,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儿大公司的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LI,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

PLCsoPLCs的组成示意图如图3所示。

图3PLCs的组成原理怪

计算机作为上位机可以提供变好的人机界面，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PLCPLC与PLC之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F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。这些输入输出板卡往往按照某种

标淮由第三方批量生产，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PCI总线，且PCI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,1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，

1-8什么是智能控制？有哪几种典型的智能控制方法？

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“智能控制是一和无需人的干

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乂一重要领域。

1）模糊控制

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广知识（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。

2）专家控制

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c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。比外，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。

3）学习控制

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。

3）神经网络控制

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。

1-9通过查阅文献，了解当前计算机控制技术中的现代控制理论。

答：自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、预测控制等。

第2章总线接口与过程通道

习题与思考题

2-1总线有哪些基本操作？

2-2总线有哪些性能指标？

2-3I/O接口的功能是什么？

2-4I/O接口有哪几种实现方式？

2-5串口通信有哪几种工作模式？

2-6如何查看计算机上的串口信息？

2-7查阅文献，了解PCI总线标准及其特点。

2-8查阅文献，了解RS-232总线标准及其特点。

2-9查阅文献，了解RS・485总线标准及其特点。

参考答案

2-1总线有哪些基本操作？

答：广义上说，总线就是传输信息的公共通路，挂在总线上的所有设备都可以发出信息传输命令,

进行信息传送，此时这个设备称为总线主设备，而其它则被称为总线从设备。挂在总线上的每个设备都可

以成为总线主设备，都可以发出信息传输命令，这就有可能发生信息传输时的冲突。显然，为了保证信息

传输的正确性，某一时刻只允许一个主设备发布命令，这就需要一个仲裁机构解决某时刻总线的占有权问

题，当仲裁机构决定某设备作为总线主设备占有总线时，其它挂在总线上的设备此刻为从设备。主设备将

其地址信息放在总线上，以选择与其通信的从设备。从设备应具备识别地址的功能，当主设备地址被某一

从设备认可，该从设备即可与主设备进行信息交换，被读或被写。任何设备都不能长期占用总线，当进行

一次或几次信息交换之后，必须放弃总线占有权。

为了解决总线的占有权，就需要有一套总线规约以管理总线。多数总线操作都采用定时信号进行同步,

定时信号用以指明总线上的数据和地址什么时候是有效的。几乎所有的总线都有中断处理机构，以处理总

线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者注意并进行某种服务。还需要提及的是，为了减少总

线信号的数目，有些总线系统采用复用技术，如地址线与数据线分阶段在同样的数据一地址线上传输。显

然，复用技术降低r总线的传输速度及性能，但也同样降低了总线的造价。以下就上述总线的基本操作加

以说明。

1）总线仲裁

一般挂在总线上的每一个主设备都设有专用的总线请求及总线允许线作为应答信号，用以决策总线占

有权。总线仲裁有三种方案：集中仲裁、链路方式及分布式仲裁方式。集中仲裁方式利用优先级方案进行

仲裁，优先级方案则有多种选择，如有一种方案允许优先级高的设备长期占用总线；另一种方案则可按时

间仲裁，不允许某设备长期“霸占”总线，这种方案的总线仲裁及数据传送操作并行工作，互不影响，但

拄在总线上的设备越多，那么，总线请求，允许线数目也越多，结构越更杂。链路方式中总线请求，允许

线是公用的，主设备占用总线的优先级按其在链路中的位置决定。某一设备占用总线，总线允许信号就不

下传，从而避免了总线冲突，但最大的问题是无法满足中断请求优先处理问题，离开仲裁电路越远的设备,

总线占有率越低。分布式仲裁方案的特点是仲裁过程在每一个主设备中完成，当某一主设备在总线上置起

它的优先级代码时，即开始了一个仲裁周期。仲裁周期结束，只有最高优先级仍放置在总线上，当某一主

设备检测到总线上的优先级与自己的级别一致，即认为自己为下一个总线主设备。

2）总线定时

主设备获得总线控制权以后，即进入总线操作周期，进行主设备间的信息交换（包括地址信息和数据

信息的交换）。定时信号即用于指明这些信息何时有效。定时信号有异步与同步两种。在异步总线系统中，

命令者与响应者之间有一对选通/应答定时信号进行握手，以表示信息的有效和接收。在大多数的同步总

线系统中，定时时钟是由系统统一提供的，总线状态的改变只出现在固定的时刻。总线周期的持续时间通

常根据挂在总线上最慢的设备速率决定。为了保证总线的通信速率，在总线标准中规定「插入等待周期，

以为慢速设备信息传送提供方便＜

3）寻址

寻址是主设备与从设备建立联系的一种总线操作，通常有以下方式。

（1）物理寻址。该寻址方式通常是用于选择挂在总线某一特定位置的从设备。大多数从设备都包含

若干个寄存器，这种寻址方式常伴有辅助寻址，最终选择的是某从设备的特定寄存器或某一功能。

（2）逻辑寻址。该寻址方式用于选择指定存储单元的某一通用区，而不考虑这些存储单元的物理位

置，即逻辑寻址是选择与位置无关的设备。

（3）广播寻址。该寻址方式用于选择多个从设备作为响应者。为了确保所选从设备都能响应，系统

应设这种操作的定时机构。

4）数据传输

通过寻址，一个主设备可以和一个或多个从设备通过总线沟通，然后进行数据的读/写操作。这个过

程根据总线的形式不I司，传输方法也各异，通常有并行和串行两种传送方式。并行传送速度较快，方法简

单；串行传送还应配置一定的应答信号，所传信息除有效信息外，还应有起始和结束的标志位、校验位等

用以保证信息传送的正确性。

5）出错检测

在总线上进行信息传送时常常会因噪声及串扰而出错。并行传送由于距离短、出错率低，不少总线没

设置检错纠错机构。但在串行传送时，一般距离都较远，发生错误的机会较多，在高性能的总线中都配有

奇偶校验码产生及校验电路，以监督传送是否有错，一般采用直发方式纠错，但在要求较高的场合，除总

线监督外，还应采用其它抗干扰措施，以保证数据的可靠传输。

6）中断

当挂在总线上的某设备需要进行信息传送或完成某种操作时，即向总线发出中断请求。总线采用中断

请求的方法是多样的，最简单的方法是采用菊花链方式。请求中断的设备置起此信号，准备响应的某设备

则监测此信号，当相符时即发出中断回答信号并禁止此信号下传，而把自己的识别码放在总线上以使中断

处理机构加以识别。这种方法连线简单，但灵活性和可靠性均较差，不宜用于系统具有多个能进行中断处

理的设备。另一种方法是把请求中断的设备变成总线命令者，然后把中断信息发给想知道的设备。这种处

理过程是分布式的，把设备指派为中断处理的设备是动态进行的。这种方法的缺点是所有申请中断的设备

都应具有主设备的能力，在高性能的总线标准中采用这种方法。

7）容错技术

当拄在总线上的设备之间进行信息传输时，不可避免地会有差错，因此如何减少故障对系统的影响，

提高系统的重新配置能力，提高总线的容错技术是必须考虑的，如动态重配逻辑地址、隔离故障或更换故

障单元等软件措施应受到总线支持。有些总线标准还规定了串行总线出故障时如何用备用路径宋代替的条

文，这种备用总线在主串行总线工作时，可以传送中断信息、监视主串行总线工作，随时准备替代出故障

的主串行总线。

8）控制信号

总线上的控制信号一般有三种类型：第一类是设备的初始化操作，如清零、启动、停止等，第二类用

「改变总线的操作方式，如改变数据流向、数据字段的宽度和字节的选择等；第三类用来指明地址和数据

的含义，如地址可指定某一地址空间等。

2-2总线有哪些性能指标？

答：由于用户往往存在选择总线标准的问题，不同的总线之间如何进行比较有着现实的意义。以下

几个参数可以作为衡量总线的指标：

1）总线时钟频率

总线的工作是在时钟脉冲的作用下进行的，一个任务的完成一般需要一个到几个时钟脉冲的周期。因

此，总线时钟频率可以作为衡量总线工作速度的一个指标。总线时钟频率用MHz来表示。

2）总线宽度

总线宽度用总线中数据总线的位数来表示。总线的宽度有8位、16位、32位和64位等。显然，在同

样的总线时钟频率下，总线宽度越大，数据传输的速度就越快。

3）总线（最大）传输速率

总线（最大）传输速率用总线上每秒钟所能传输的最大字节数来表示，单位为MB/S。若总线的时钟

频率为8MHz，总线的宽度为8位，则其总线传输速率为8MB/S。若总线的时钟频率为33.3MHz,总线的

宽度为32位，则其总线传输速率为133MB/s。

4）同步方式

总线上的主模块与从模块之间进行传输有同步和异步两种方式。在同步方式下，总线上的主模块与从

模块之间进行一次传输所需要的时间（即传输周期或总线周期）是固定的，并严格按照系统的时钟定时操

作主、从模块之间的传输。只要总线上的模块或设备都是高速的，总线的传输速率就会很高，当然，前提

是总线上的模块或设备要以比较高的速度运行。在异步方式下，主模块与从模块之间采用应答方式来传输

数据，允许从模块根据自己的工作速度来调整响应时间。显然，在异步方式下，对从模块的要求不是很高,

但总线的传输速率也会下降。

5）其它性能指标

负载能力：负载能力反映了一个总线允许挂接（插入）扩展模板的数目。负载能力越大，允许挂接的

模板的数目就越多。

信号线数目：总线的信号线数目反映了总线的技术复杂程度。信号线数目越大，总线就越复杂。

总线控制方式：总线控制方式包括：传输方式、并发方式、中断分配与仲裁方式等。

电源电压等级：一般来说，电源电压越低，总线的负载能力也就越高。

使用的普及程度：一种总线标准使用得越普及，在市场上支持该总线的模板也就越多，用户的选择面

就越大。

2-3I/O接口的功能是什么？

答：接口的基本功能就是根据CPU的要求对外设进行管理与控制，实现信号逻辑及工作时序的转

换，保证CPU与外设之间能进行可靠有效的信息交换。

具体来说，接口部件应该具有以下功能：

1.数据缓冲功能

计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的，为了避免因速度不一致

而丢失数据，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作。接口电路设置有数据寄存器或者锁存器，以

解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题。计算机工作时从寄存器取数据，而寄存器数据是由外

部电路或计算机定时刷新，所以计算机的工作不受寄存器数据和外部电路影响。

2.设备选择功能

一个接口往往会连接多个外部设备，而CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息，因此需要通过

接口的地址译码对外设进行寻址,一般来说，通过高位地址产生外设的片选信号，低位地址作为芯片内部

寄存器或锁存器寻址，以选定所需的设备，只有被选中的设备才能与CPU交换数据信息。

3.信号转换功能

由于外部设备所需的控制信号和所能提供的状态信号与计算机能识别的信号往往是不一致的，特别是

连接不同公司生产的芯片时，进行信号之间的转换是不可避免的。信号的转换包括：时序的配合、电平的

转换、信号类型的转换（模拟量变数字量或数字量变模拟量）、数据格式的转换（并行变串行或串行变并

行）等。

4.提供信息交换的握手信号

CPU对外设的各种命令和数据都是以代码的形式发送到接口电路，再由接口电路解读后，形成•系列

控制信号去控制外设。为了CPU与外设之间的联络，接I」电路要提供寄存器或锁存器“空”、“满”、”准

备好”、“忙”、“不忙”等状态信息，以便程序能够了解是否可以发送数据到外设或从外设读取数据。

5.驱动功能

由于计算机总线的信号驱动能力有限，当要连接多台外部设备时，总线资源可能不够。利用接口电路

可以提高总线的负载能力，使一个接I」与多台外部设备相连接，充分利用计算机的硬件资源。

6.中断管理功能

当外部设备需要及时得到计算机的服务时，特别是一些随机需要与CPU交换信息的外设，就要求接

口设备具有中断控制管理功能。此时，接口为CPU处理有关中断事务，如提出中断请求，中断优先级排

队，提供中断向量等。这样既加快了计算机对外部的响应速度，又使CPU与外部设备能并行工作，从而

提高了CPU的效率。

7.可编程功能

可编程是指用程序来改变接口的工作方式。目前大多数接口芯片是可编程的，这样在不改动硬件电路

的情况下通过修改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式，从而大大增强了接口的灵活性和适应性，使

接口向智能化方向发展。

总之，I/O接口的功能就是完成数据、地址和控制三总线的转换和连接任务。当然并非所有接口电路

都司时具备以上功能，需根据完成的任务而定。

2-4I/O接口有哪几种实现方式?

答：计算机控制系统的结陶形式多种多样，相应的I/O接口装置也各不相同，归纳起来基本上有以

下3种形式。

1.整体方式

将控制系统制作成一个独立的装置，在这种方式中，计算机（CPU）与I/O接口是安装在同一块印制

电路板上的，例如，用单片机开发的系统。这种方式的特点是体积小、重量轻，成本也比较低。由于接口

装置与CPU是放在•起的，一旦系统开发完成，就不能轻易改变。这种方式一般用于小型的计算机控制

系统，特别是嵌入式系统中。

2.板卡方式

利用计算机的扩展功能，将1/0接口装置按照计算机扩展槽的标准开发，并根据实际需要制成多种类

型的板卡，有的板卡同时包含了A-D和D-A功能。板卡直接插在个人计算机的扩展槽上，通过总线与计

算机互连和传输信息。

这种方式与前一种方式相比，系统的构成相对要灵活得多，可靠性适中。但是，由于所有的板卡都插

在一个机箱内，不适合远程和大范围的监控，而且，由于计算机插槽的数目也有限，因此输入、输出的点

数也有限。这种方式一般用于中小型的计算机监控系统。

3.模块方式

这种方式将各种I/O功能以模块的形式来实现。I/O模块与计算机之间以及I/O模块与I/O模块之间的

物理连接可以很灵活，例如，可以采用双绞线或同轴电缆连接，也可以采用并行总线连接。

由于生产厂家己经生产了许多类型的I/O模块，因此，系统的构成与扩充非常方便。这种方式非常适

合于大、中型的计算机监控系统以及远程监控。目前，无论是臬散控制系统，还是可编程序控制器以及现

场总线都使用该方式。

2-5串口通信有哪几种工作模式？

答：通过单线传输信息是奉行数据通信的基础。数据通常是在两个站（点对点）之间进行传送，按

照数据流的方向可分成三种传送模式：单工、半双工、全双工。

1）单工形式

单工形式的数据传送是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方则固定为接收端。信息只能

沿一个方向传送，使用一根传输线，如图1所示。

图1单工形式

单工形式一般用在只向一个方向传送数据的场合。例如计算机与打印机之间的通信是单工形式，因为

只有计算机向打印机传送数据，而没有反方向的数据传送。还有在某些通信信道中，如单工无线发送等也

是采用单工形式。

2）半双工形式

半双工通信使用同一根传输线，既可发送数据又可接收数据，但不能同时发送和接收。在任何时刻只

能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工形式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数

据线，如图2所示。

地线

半双工通信中每端需有一个攻/发切换电子开关，通过切换来决定数据向哪个方向传输。因为有切换,

所以会产生时间延迟，信息传输效率低些。但是对于象打印机这样单方向传输的外围设备，用半双工方式

就能满足要求了，不必采用全双工方式，可省一根传输线。

3）全双工形式

全双工数据通信分别由两根可以在两个不同的站点同时发送和接收的传输线进行传送，通信双方都能

在司一时刻进行发送和接收操作，如图3所示。

在全双工方式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传送线，可在交互式应用和远程控制系统中使

用，信息传输效率较高。

图3全双工形式

2-6如何查看计算机上的串口设备信息？

进入Windows操作系统，右键单击“我的电脑"，如图2-11所示。在“系统属性”对话框中选择“硬

件”项，单击“设备管理器”按钿出现“设备管理器”对话框。在列表中有端口COM和LPT设备信息,

如图2-12所示。

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图2-11“我的电脑”属性图2-12查看串口设备

选择“通讯端口（C0M1）”,单击右键，选择“属性”，进入“通信端口（COMI）属性”对话框,

在这里可以查看端口的低级设置，也可查看其资源。

在“端口设置”选项卡中，可以看到缺省的波特率和其它设置，如图2-13所示，这些设置可以在这里

改变，也可以在应用程序中很方便地修改。

在“资源”选项卡中，可以看至I」，C0M1口的输入/输出范Bl(03F8-03FF)和中断请求号(04),如图

2-14所示。

图2-13查看端口设置图2-14杏看端口资源

2-7查阅文献，了解PCI总线标准及其特点。

答：PCI(PeiiphcinlCuiiipuiiciilInlcicuiiiiecl)是♦算机外围设备互连的意思。1992年由Inlcl发布,

很快就成为了商用计算机的总线标准。发展至今，PCI实际.1：已经不是•个简单的总线标准，而是•类标

准，

PCI总线的提出极大地扩展了PC机的数据传输能力，使PC机对高速外设如图形显示器、硬盘等的支

持能力极大提高，它是目前各种总线标准中定义最完善、性能价格比最高的一种总线标准，除在PC机中

广泛应用和普及外，在小型工作站等高档计算机中也得到日益推广。

归纳起来，PCI总线具有以下特点：总线传输速率高，可达528MB/S,不受处理器限制，兼容性强，

自动配置功能，支持即插即用，高性能价格比，是立足现在放眼未来的标准。

PCI总线的接口芯片将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路，耗用较小的电路板空间，使成本降

低，PCI总线采用地址/数据总线复用方式，使PCI总线上的接口引脚数减至50以下。

PCI局部总线既迎合了当今的技术要求，又能满足未来的发展需要，是计算机界公认的最具发展前景

的局部总线标准。PCI总线的高性能、高效率及与现有总线标准的兼容性和充裕的发展潜力，是其它总线

不可及的。

电气特性：

2-8查阅文献，了解RS・232总线标准及其特点。

答：

RS-232C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)于1962年公布，并于1969年修订

的串行接口标准。它已经成为国际上通用的标准。

RS-232c标准(协议)的全称是EIA-RS-232c标准，其中RS(recommendedstandard)代表推荐标准,

232是标识号，C代表RS-232的最新一次修改(1969),它适合于数据传输速率在。〜20000bit/s范围内

的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号电平、信号线功能、电气特性、机械特性等都作了

明确规定。

目前RS-232c已成为数据终端设备(DataTenninalEquipment,简称DTE,如计算机)和数据通信设

(DataCommunicationEquipment,简称DCE,如Modem)的接LI标准。

目前RS-232c是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，在IBMPC上的COM1、COM2接I」，

就是RS-232c接口。

利用RS-232c串行通信接口可实现两台个人计算机的点对点的通信；可与其它外设（如打印机、逻辑

分析仪、智能调节仪、PLC等）近距离串行连接；连接调制解调器可远距离地与其它计算机通信；将其转

换为RS-422或RS-485接口，可实现一台个人计算机与多台现场设备之间的通信。

RS-232c的每一支脚都有它的作用，也有它信号流动的方向。原来的RS-232c是设计用来连接调制解

调器作传输之用的，因此它的脚位意义通常也和调制解调器传输有关。

从功能来看，全部信号线分为三类，即数据线（TXD、RXD）、地线（GND）和联络控制线（DSR、

DTR、RkDCD、RTS>CTS）,各信号线的作用描述如下:

DCD：用米表示DCE已经接收到满足要求的载波信号，已经接通通信链路，告知LH匕准备接收数据。

RXD：作用是接收DCE发送的串行数据。

TXD：作用是将串行数据发送到DCE。在不发送数据时，TXD保持逻辑“1”。

DTR：当该信号有效时，表示DTE准备发送数据至DCE,可以使用。

GND：作用是为其他信号线提供参考电位。

DSR：当该信号有效时，表示DCE已经与通信的信道接通，可以使用。

RTS：该信号用来表示DTE请求向DCE发送信号。当DTE欲发送数据时，将该信号置为有效，向

DCE提出发送请求。

CTS：该信号是DCE对RTS的响应信号。当DCE己经准冬好接收DTE发送的数据时，将该信号置

为有效，通知DTE可以通过TXD发送数据。

RI：当Modem（DCE）收到交换台送来的振铃呼叫信号时，该信号被置为有效，通知DTE对方己经

被呼叫。

控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只有当DSR和DTR都处

于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作,若DTE要发送数据，则预先将DTR线置

成有效（ON）状态，等CTS线上收到有效（ON）状态的问答后，才能在TXD线上发送串行数据。这种顺序的

规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE—由接收方向改为发送方向，这时

线路才能开始发送。

EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

在TXD和RXD上：逻辑1为-3V〜-15V；逻辑0为+3〜+15V。

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）为-3V〜+15V；

信号无效（断开，OFF状态，负电压）为・3V〜・15V。

以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。

对于数据（信息码）：逻辑“1”的电平低于-3V,逻辑“0”的电平高于+3V。

对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V,断开状态（OFF）即信号无效的电平低

于-3V,也就是当传输电平的绝定值大于+3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3〜+3V之间的电压无

意义，低于-I5V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±（3〜15）V之间。

RS-232c是用正负电压来表示逻辑状态，与