计算机控制系统第7章详解.ppt

第7章 计算机控制系统的软件设计 计算机控制系统有了硬件设备之后，如果要实现其测量与控制功能，还需要有相应的软件支持。 软件是计算机控制系统的灵魂。在计算机技术发展的早期，系统相当简单，软件工作就是编程，软件工作被看做是一门艺术，所强调的是编程的技巧和诀窍。随着系统复杂性的增加，以艺术方式开发的软件变得越来越难以理解和维护，可靠性下降，软件开发和维护的成本急剧上升，在20世纪70年代初现了所谓的软件危机。此后，软件工作逐步从艺术走向工程，开始强调工程的基本特征：设计、施工和标准化。 时至今日，软件的开发、运行和维护，已经形成一门学科，即软件工程。软件工程的知识体系包括了软件的需求分析、设计、构造、测量、维护和管理以及软件工程等各个方面，许多内容所涉及的是工程及管理的知识。 7.1 计算机控制系统软件的组成和功能 7.1.1 计算机控制系统软件的组成 计算机控制系统软件可分为系统软件和应用软件两大部分。系统软件指的是计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台，而应用软件可按用途划分为监控平台软件、基本控制软件、先进控制软件、局部优化软件、操作优化软件、最优调度软件和企业计划决策软件等，计算机控制系统软件组成框图如图7-1所示。 从系统功能的角度划分，最基本的计算机控制系统应用软件由直接程序、规范服务性程序和辅助程序等组成。 直接程序是指与控制过程或采样/控制设备直接有关的程序，这类程序参与系统的实际控制过程，完成与各类I/O模板相关的信号采集、处理和各类控制信号的输出任务，其性能直接影响系统的运行效率和精度，是软件系统设计的核心部分。 规范服务性程序是指完成系统运行中的一些规范性服务功能的程序，如报表打印输出、报警输出、算法运行、各种画面显示等。 辅助程序包括接口驱动程序、检验程序等，特别是设备自诊断程序，当检测到错误时，启用备用通道并自动切换，这类程序虽然与控制过程没有直接关系，但却能增加系统的可靠性，是应用软件不可缺少的组成部分。 软件的设计过程如图7-2所示。 7.1.2计算机控制系统软件的功能和性能指标 1．软件的功能 计算机控制系统软件一般至少由系统组态程序，前台控制程序，后台显示、打印、管理程序以及数据库等组成。具体实现如下功能： 实时数据采集 完成现场过程参数的采集与处理。 控制运算 包括模拟控制、顺序控制、逻辑控制和组合控制等功能。 控制输出 根据设计的控制算法所计算的结果输出控制信号，以跟踪输入信号的变化。 报警监视 完成过程参数越界报警及设备故障报警等功能。 画面显示和报表输出 实时显示过程参数及工艺流程，并提供操作画面、报表显示和打印功能。 可靠性功能 包括故障诊断、冗余设计、备用通道切换等功能。 流程画面制作功能 用来生成应用系统的各种工艺流程画面和报表等功能。 管理功能 包括文件管理、数据库管理、趋势曲线、统计分析等功能。 通信功能 包括控制单元之间、操作站之间、子系统之间的数据通信功能。 OPC接口 通过OPC Server实现与上层计算机的数据共享和远程数据访问功能。 2．软件的性能指标 判断计算机控制系统软件的性能指标如下： （1）系统功能是否完善，能否提供足够多的控制算法（包括若干种高级控制算法）。 （2）系统内各种功能能否协调运行，如进行实时采样和控制输出的同时，又能显示画面、打印管理报表和进行数据通信。 （3）人机接口是否良好，要有丰富的画面和报表形式，有较多的操作指导信息，操作方便灵活。 （4）系统的可扩展性如何，能否不断的满足用户的新要求。 由于控制系统软件功能和指标的特殊性，因此对计算机控制系统软件的设计也提出了较高的要求，设计者不仅应具备一定的自动控制理论基础和工程实践经验，还需要掌握计算机系统软件技术，包括程序设计能力和数据结构、数据库、操作系统等方面的知识。  7.2.1 实时多任务系统 7.2.1 实时系统和实时操作系统 1．实时系统 实时计算机系统的定义是：能够在确定的时间内运行其功能并对外部异步事件作出响应的计算机系统。 应注意到，“确定的时间”是对实时系统最根本的要求，实时系统处理的正确性不仅取决于处理结果逻辑上的正确性，更取决于获得该结果所需的时间。 例如，一个在大多数情况下能在50?s作出响应，但是偶然需要50ms响应时间的系统，它的实时性要劣于一个能在任何情况下以1ms作出响应的系统。 高性能的实时系统，其硬件结构应该具有计算速度快、中断处理和I/O通信能力强的特点，但是应该认识到，“实时”和“快速”是两个不同的概念。计算机系统处理速度的快慢，主要取决于它的硬件系统，尤其是所采用的处理器的性能。对于一个特定的计算机系统，它的处理速度无论怎样高，如果采用的是普通操作系统，就没有实时性可言。在计算机控制系统中，实