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1. 连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？(1)(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。
(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规(4)(5) 一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进2. 简述计算机控制系统的一般控制过程。
答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。
(2) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。
3. 简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。
答：(1)连续信号连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。
(2)模拟信号模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。
模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。
(3) 离散信号离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。
(4) 采样信号采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。
在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。
(5) 数字信号数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。
4. 线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。
除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。
5. 增量型PID控制算式具有哪些优点？答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小。
(2)在i时刻的输出u i，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻、前两时刻的偏差e i-1、e i-2和前一次的输出值u i-1，这大大节约了内存和计算时间。
自动化控制系统设计总则一、引言自动化控制系统是利用先进的电子技术和计算机技术，实现对生产过程、工业设备或其他系统的自动化控制的系统。
自动化控制系统的设计是一个复杂且关键的过程，它直接影响着生产效率、质量和安全性。
因此，设计自动化控制系统时，必须遵循一些总则，以确保系统的稳定性、可靠性和高效性。
二、系统需求分析在设计自动化控制系统之前，首先需要进行系统需求分析。
通过与用户和相关专业人员的沟通，了解用户的实际需求和系统的功能要求。
在需求分析阶段，需要详细考虑系统的输入、输出、控制逻辑、安全性要求等方面的需求，为后续的系统设计提供基础。
三、系统设计原则1. 系统可靠性原则自动化控制系统设计应注重系统的可靠性。
在设计过程中，应采用可靠的硬件设备、合理的软件算法和可靠的通信网络，以确保系统的稳定运行。
同时，应考虑备份和冗余措施，以防止单点故障对系统的影响。
2. 系统安全性原则自动化控制系统设计应注重系统的安全性。
在设计过程中，应考虑系统的安全要求，包括对人员、设备和环境的保护。
必要时，应采用安全传感器、安全控制器和安全执行器等设备，以确保系统的安全运行。
3. 系统可扩展性原则自动化控制系统设计应注重系统的可扩展性。
在设计过程中，应预留足够的硬件接口和软件接口，以便将来对系统进行功能扩展或升级。
同时，应考虑到系统的兼容性和互操作性，以便与其他系统进行无缝集成。
4. 系统可维护性原则自动化控制系统设计应注重系统的可维护性。
在设计过程中，应考虑到系统的易用性和维护性，以便用户能够方便地进行操作和维护。
同时，应提供完善的故障诊断和排除工具，以便快速定位和修复系统故障。
5. 系统性能优化原则自动化控制系统设计应注重系统的性能优化。
在设计过程中，应充分考虑系统的实时性、响应性和稳定性，以满足用户对系统性能的要求。
同时，应合理利用系统资源，优化算法和调度策略，提高系统的运行效率和效果。
四、系统设计步骤自动化控制系统设计通常包括以下步骤：1. 系统需求分析：明确系统的功能需求、性能需求和安全需求。
操作系统设计方案摘要：本文旨在探讨操作系统的设计方案，以提供一个高效可靠的操作系统。
操作系统是计算机系统中的核心软件之一，负责管理计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供一个友好和可靠的环境。
通过本文的设计方案，我们将详细介绍操作系统的组成部分、功能和关键设计原则，旨在帮助开发人员构建出一个高性能和可靠的操作系统。
1. 引言操作系统是计算机系统中的重要组成部分，其主要目标是管理和控制计算机系统的各种资源，以提供一个友好和高效的工作环境。
操作系统设计与开发涉及多个方面，如资源管理、进程调度、内存管理、文件系统等。
在设计操作系统时，需要考虑到系统的可靠性、性能、安全性和可扩展性等方面的需求。
2. 操作系统的组成部分- 内核（Kernel）：操作系统的核心部分，负责管理硬件资源和提供系统调用接口。
内核通常分为微内核和宏核两种类型，微内核将核心功能模块化，以提高系统的可靠性和扩展性，而宏核则将所有功能都集成在一个内核中，以提高系统的性能。
- 设备驱动程序：负责管理计算机系统的各类硬件设备，包括输入设备、输出设备、存储设备等。
设备驱动程序通过与硬件设备进行交互，实现对硬件设备的控制和管理。
- 文件系统：提供对文件和目录的管理和访问，包括文件的创建、删除、读取和写入。
文件系统还需要提供文件的共享和保护机制，以确保多个用户或应用程序可以安全地访问文件。
- 进程管理：负责进程的创建、撤销和调度。
进程管理还需要提供进程间通信的机制，以实现进程之间的数据交换和共享。
- 内存管理：负责对计算机系统的内存资源进行管理和分配。
内存管理需要实现虚拟内存和物理内存的映射，以提高内存的利用率和系统的性能。
- 网络协议栈：负责计算机系统中网络通信的协议栈，包括网络传输协议、网络路由协议、网络安全协议等。
3. 操作系统的功能- 资源管理：操作系统负责管理计算机系统的各类资源，包括处理器、内存、硬盘、网络等。
资源管理需要实现资源的分配和回收，以满足不同用户或应用程序的需求。
DCS和PLC实现、设计案例分析04083134 张晓辉一、DCS控制系统A）DCS控制系统：DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。
首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。
由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。
对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。
这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。
因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。
系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。
为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。
这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。
在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。
计算机系统结构的八个重要方法计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构和组织方式。
它是计算机科学中的一个重要领域，研究如何设计和组织计算机系统，以实现高效、可靠、安全的计算和信息处理。
计算机系统结构的研究方法有很多，下面将介绍八个重要的方法。
一、层次化结构方法层次化结构方法是计算机系统设计中最基本和最重要的方法之一。
它将计算机系统划分为若干层次，每一层次都有特定的功能和接口。
这种层次化的结构设计可以使系统模块化，方便维护和升级，提高系统的可靠性和可扩展性。
二、模块化设计方法模块化设计方法是指将计算机系统的功能划分为若干相对独立的模块，并通过接口进行连接和交互。
模块化设计可以使系统结构清晰，各个模块之间的依赖关系明确，方便并行开发和测试。
同时，模块化设计还可以提高系统的可重用性，方便对系统进行扩展和定制。
三、并行计算方法并行计算方法是指通过将计算任务分解成若干子任务，并行执行，以提高计算速度和效率。
在计算机系统结构中，可以通过设计多核处理器、并行计算架构和分布式系统等方式实现并行计算。
并行计算方法可以充分利用计算资源，提高系统的整体性能。
四、流水线技术流水线技术是一种将计算任务划分为若干阶段，并且每个阶段可以并行执行的方法。
流水线技术可以有效提高计算机系统的吞吐量和响应速度。
在流水线技术中，各个阶段之间需要进行数据传递和控制，因此需要设计合理的接口和协议。
五、缓存技术缓存技术是指在计算机系统中添加一层高速存储器，用于暂时存储经常访问的数据和指令。
通过缓存技术，可以减少对主存的访问次数，提高系统的运行速度。
缓存技术需要设计合理的缓存算法和替换策略，以保证数据的一致性和正确性。
六、虚拟化技术虚拟化技术是指将一台物理计算机划分为多个虚拟计算机，并且每个虚拟计算机可以独立运行不同的操作系统和应用程序。
虚拟化技术可以提高计算机资源的利用率，降低系统的维护和管理成本。
在虚拟化技术中，需要设计虚拟机监控器和虚拟机管理器等软件组件。
计算机控制系统席爱民编著第1章绪论1.1 概述可以这样说，没有计算机的参与，现代化的自动化系统是不可能实现的。
随着微电子学、计算机技术革命性的发展，当今所构成的自动控制系统都是建立在计算机基础之上的。
要获得比模拟控制系统更好的控制性能，使控制系统具备新的功能，只有使用计算机控制系统。
计算机具有信息储存记忆、逻辑判断推理和快速数值计算功能，是一种强大的信息处理工具，其应用己经渗透到人类活动的各个领域，强有力地推动着技术与科学的全面进步。
随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。
如今计算机控制已广泛应用于各行各业技术工程和各类工业生产制造过程的控制中。
学习本书的目的：本书将侧重系统讲述有关计算机控制系统的分析及设计的基本理论和方法，以及一些较为实用的计算机先进控制算法。
实际上目前全部的控制系统都是基于计算机控制，因此懂得计算机控制是很重要的。
如果将计算机控制系统仅仅看作模拟控制系统的近似是很不够的。
因为那是没有看到计算机控制的全部潜在能力。
很好地掌握计算机控制系统，就能够充分发挥计算机控制的全部潜能。
计算机控制系统存在着一些模拟控制系统所没有的相应现象，本书的主要目标就提供了解、分析和设计计算机控制系统扎实的基础理论知识，这对于从事控制系统方面的工程技术人员来说是很重要的。
本章概述：计算机控制系统的组成、类型、特点、任务以及计算机控制的发展概况及趋势；了解过程自动化的任务，进一步明确计算机控制系统的类型、特点。
1.1.1计算机控制系统典型计算机反馈控制系统如图1.1所示。
系统中存在着两种截然不同的信号，即模拟连续信号及数字离散信号。
因而对于计算机控制系统的分析和设计就不能完全采用连续控制理论，需要有相应的离散控制理论与之相适应。
不同类型信号混合的分析有时是困难的，然而，在大多数的情况下，描述系统在采样点上的表现就足够了。
1.1.2计算机控制系统组成计算机控制系统是由硬件和软件两部分组成的。
计算机控制系统可靠性设计 班级：机制1202班 姓名：杨鹤青 学号：U201210570 摘要：随着计算机控制系统广泛、深入地渗透到人们的生活中，因其可靠性题
而潜在的巨大危害日益凸显。因此，设计具有高可靠性能的计算机控制系统成为必然。目前，针对复杂环境中计算机控制系统的可靠性研究设计已经获得了某些研究成果，且其具有广泛的应用前景。本文就提高计算机控制系统可靠性理论进行了分析，阐述了一些通用的可靠性设计方法。 关键词：计算机控制系统；高可靠性；系统设计
1 研究背景和意义 地球上第一台由多达一万八千只电子管构成的电子计算机 ENIAC，因其可靠性不能满足实际应用的需要，应用不是很广泛。然而，随着半导体技术的突飞猛进，计算机很快在银行存取款、座位预定、交通管制、生产及库存管理、医疗设备、通讯以及军事武器的应用等方面得到广泛应用。在现阶段，伴随着互联网应用的普及的及控制技术发展的进步，人类已经进入新的物联网时代。由此必然使计算机控制系统的应用更加深入的渗透到人们生活的各个领域，给我们的生活带来革命性的变化使人们生活更加舒适。 在物联网时代计算机控制系统已经深入的渗透到人们的生活中，例如：可以通过计算机控制系统实现如交通管理、远程视频监控、远程医疗等等。目前，计算机控制系统在人们的生产活动、经济活动和社会活动中已无处不在。在人们在享受到了计算机控制系统给我们带来的快捷舒适的同时也最大程度的整合了社会资源节约了人力财力，从而有效节约了成本。因而，计算机控制系统的普及应用已成为社会发展的必然趋势。在享受到计算机控制系统的普及应用所带来的巨大进步的同时也面临着由此带来的新挑战，即计算机控制系统的不可靠。由于计算机控制系统的不可靠性所带来的危害使其潜在巨大威胁，由此带来的担忧是正常的。例如：在被国际航天界称为“黑色 96”的 1996 年，俄罗斯质子号火箭、美国哥伦比亚航天飞机、法国阿里安火箭均在发射中遭到重创。2008年 6 月 22 日（星期三）当地时间下午 5:08，位于瑞士中部的连接瑞士东北部楚格州的罗特克罗伊茨和乌里州的阿姆施泰格之间的输电网发生短路，并造成连锁反应，使整个铁路网供电失衡。由此可见，由于计算机控制系统的不可靠而带来的灾难是十分巨大的。因此，设计具有高可靠性的计算机控制系统是计算机控制系统设计的必然趋势。
2 当前研究现状 在容错理论的研究上，冯.诺伊曼早在20世纪50年代中期，在其文章《概率逻辑及用不可靠元件设计可靠的结构》中曾对容错技术中关于复合容错方案进行了论述。他用概率论证可以用不太可靠的器件组成一个可靠的具有相同功能的组件，同期又出现了莫尔一香农冗余方法，这些研究奠定了容错系统理论的基础。此后，世界上第一台容错计算机SAPO在捷克斯洛伐克建造成功。伴随着故障诊断和自动恢复机制的发展，出现了很有效的测试组合电路算法，其中最著名的是D算法。此时开始采用微程序设计，一般采用徽码进行诊断程序设计，对内部逻辑可进行更有效的测试和诊断。目前在硬件冗余设计，及其隔离、故障定位等方面均有了一定的发展。在容错计算机系统方面出现了许多有重要意义的研究性系统和实用系统。在NASA 的支持下，美国斯坦福研究所(SRD)和麻省理工学院的Draper实验室，按同样的技术条件，分别开发了非常先进的研究性机器：FTMD容错多处理器和SIFT(软件实现容错)。 目前伴随着VLSI技术的发展，使计算机硬件成本大大降低这就使得商用容错计算机系统应运而生，容错计算机从军事航天等部门，逐步扩大到工业控制、实时系统和联机事务处理(主要是银行、交通部门)等领域。在新型计算机结构中采用硬件冗余越来越容易，未来容错技术将成为新一代计算机的特征。关于冗余容错的应用研究主要集中于容错的VLSI技术、基于人工智能的容错计算机故障随机诊断专家系统、基于神经网络容错技术。当前的主处理器一般采用的都是通用处理器，和通用处理器相关的容错技术研究已经比较成熟，从软件到硬件都已经有了很多理论与应用。主处理器和可重构逻辑器件间根本上就是彼此间互相通信的问题，也已经有了很多成熟的技术。因此，当前在可重构系统的容错研究中，最关键的就是研究可重构逻辑器件的容错技术。然而，当前最佳冗余容错方案是尽量走硬件冗余和软件冗余相结合的道路。硬件冗余时间开销小，技术相对成熟；软件冗余较硬件冗余更灵活，且具有动态特性。然而，在计算机控制系统的研究领域系统级的研究还比较少，只是少量理论基于控制系统中某个单元模块的研究。
3 计算机控制系统可靠性的主要影响因素与应对策略 3.1 计算机控制系统可靠性分析
图3.1 MTTF、MTTR、MTBF 关系 参照图 3.1，为精确描述计算机控制系统的可靠性，采用如下参数进行分析：平均无故障时间 MTF(Mean Time To Failure)指系统发生故障前运行的平均时间，表征系统可靠性（Realiability）；平均修复时间 MTTR(Mean Time To Repair)指用于修复系统和在修复后将它恢复到正常工作状态所用的平均时间，表征系统可维护性（Maintainability）；平均故障间隔时间 MTBF(Mean Time Between Failure)指两次故障时间间隔的平均时间。 实践表明，在一个系统的整个寿命周期中，系统的失效率随时间的变化规律可以用著名的浴盆曲线来描述，如图3.2所示。
图3.2 浴盆曲线 在图3.2中是描述的系统故障出现的概率 λ(t）与系统运行时间t之间的关系。如图所示，系统的寿命周期可以分为三个阶段：第一阶段是早期故障期“1”，通常又称为调试期。随着调试的进行，早期故障不断排除，接着进入第二阶段随机故障期“2”，这一时期是正常工作的时期，系统的失效率不随时间的变化而变化。随着系统运行时间的越来越长，失效率不断增大，系统进入耗损故障期“3”，此时系统同出现故障的概率会随着时间的延长有明显的增长。 计算机控制系统中随机故障期可以看做是实际使用期，该阶段是系统可靠性建模和分析最值得关注的。前人经验证明该阶段的失效率大多数满足如下关系： ()tRte
由上式可见，系统的可靠度函数服从指数分布规律，这是系统可靠性建模和分析中很重要的一个特性。 功能的时效性是指系统功能满足要求，并且其实时性能也在可以接受的范围内。计算机控制系统一旦某功能模块失常，可能造成无法挽救的灾难性后果。因此，要求做到确保计算机控制系统具有高可靠性。即使出现故障，也应有多种手段在短期内对数据处理并进行故障恢复，保证计算机控制系统的正常运行。 对于计算机控制系统而言，可用性主要是指系统的稳定性和功能的时效性等。稳定性指供用户使用的计算机控制系统能够提供持续不间断服务的能力，即在客户需要的任何时间都能满足客户的设计要求。一般来说计算机控制系统出现偶尔的故障是不可避免的。这种故障可能来自工作环境的干扰、自然灾害、人工操作失误等，也有可能由于操作系统、应用程序等软件故障，因而稳定性指标具体就是当设备发生故障时用户在合理的时间内将其重新恢复运行的能力。 定义系统的可用性(Availability)为一个系统可以为用户所正常使用时间的百分比，即正常运行时间的百分比，见下式：
可用性=MTTFMTTFMTTR 从可用性的定义可以看出，提高系统的可性，即提高系统可用性的方法有两类：增加 MTTF 或减少 MTTR。增加 MTTF 要求提高系统的稳定靠性好；减小 MTTR，即力求故障恢复时间缩短。例如，采用多控制器或计算机的集群结构可实现通过减少系统的MTTR 来提高可用性。 3.2 提高系统各单元的 MTBF 根据可靠性设计的有关理论，单元越简单，可靠性就越高。因此，计算机控制系统最好设计成集散控制系统，即将整个系统分解为多个独立单元，在不影响系统性能的前提下将每一单元都设计成简单的模块，可有效保障系统的可靠性。如此可以满足在系统运行过程中不会出现由于其中一个单元的异常导致整个系统不能正常工作。与此同时，将系统整体设计为非集成的单元有利于实现非集中的控制和独立的供电以及将系统负荷和干扰分散处理。显然该方法可以有效的减小外部干扰对系统的影响并且有利于系统调试，由此可以有效的减小系统出现故障后的修复时间，显著提高系统正常工作时的可靠性。 设计案例：在当前电梯通讯控制系统中，BITBUS 总线常常被用在实际的方案中。其通过 RS-485 总线实现通讯。然而，由于在该系统实际运行中，当某个控制节点出现异常时将会导致整个系统不能正常工作。为此，在实际方案设计中考虑对其进行改进，选用具有多主结构的 CANBUS 总线来克服上述缺点。在改进方案中，系统中各节点工作不分主从，任何时刻任意节点之间可以互相发送信息，由此可以构成互相冗余的系统。在 CAN 总线的通讯过程中，设置信息校验（CRC 校验等）用于保证系统通讯系统的可靠性。同时当有严重异常发生时，故障节点可以及时自动关闭其余系统总线间的通讯，从而保证了整个电梯控制系统的可靠性。显然利用 CANBUS 总线取代 BITBUS 总线可以很容易的构成“集中管理、分散控制”的复杂的计算机控制系统。可以预见在不远的将来，CANBUS 将逐渐取代 BITBUS，成为电梯串行通讯系统中的主流产品，并且将以其显著增强的可靠性优势占领市场。
3.3 降低各单元的 MTTR 为有效降低系统各单元的 NTTR，在计算机控制系统中采用模块化设计，使系统中各个模块具有单一的功能。如此以来，当故障出现时可以迅速定位，进行及时维护，从而可以有效缩短系统的 MTTR，有效的提高系统可正常使用的时间，使系统可靠性提高。同时，还可通过将系统设计成具有在线诊断故障功能的方法，采用硬件自诊断技术与故障部件的自动隔离、自动恢复和热插拨技术
