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  • 本文从计算机控制系统的硬件与软件两方面来分析其体系结构。在硬件系统方面,分析了直接数字控制系统DDC体系结构;集散控制系统DCS体系结构;现场总线控制系统FCS体系结构;可编程控制器系统PCS或PLC体系结构这四类...

    计算机控制系统的体系结构

    摘要:

    计算机控制系统是计算机与控制理论相结合的产物,它经历了一个不断演变发展的过程:从简单的计算机控制系统逐步发展为多级分布式计算机控制系统。本文从计算机控制系统的硬件与软件两方面来分析其体系结构。在硬件系统方面,分析了直接数字控制系统DDC体系结构;集散控制系统DCS体系结构;现场总线控制系统FCS体系结构;可编程控制器系统PCS或PLC体系结构这四类系统。在软件方面,是从系统软件和应用软件两个方面来进行分析的。

    关键字:计算机,控制系统,体系结构

    一、计算机控制系统简介

    随着科学技术的进步,人们越来越多地用计算机来实现控制系统。即用计算机的硬件和软件来实现控制器的功能。这是用计算机取代模拟控制器的初衷,其特点是:(1)用软件可以实现复杂的控制规律。(2)可以显示、存储、打印系统的运行状态。具有报警功能;人机接口功能。(3)控制规律可以很方便的改变。(4)通讯组网功能。自动控制技术、计算机技术、检测和传感技术、网络和通信技术、显示技术等的高速发展,给计算机控制技术带来了巨大的变革。随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展,计算机控制技术水平必将大大提高。

    计算机控制系统:应用计算机(控制计算机)来实现生产过程自动控制的系统。

    二、计算机控制系统硬件体系结构

    计算机控制系统的体系结构主要分为四大类:直接数字控制系统DDC体系结构;集散控制系统DCS体系结构;现场总线控制系统FCS体系结构;可编程控制器系统PCS或PLC体系结构。这四种体系结构有其各自不同的发展背景和特点,自然也有着不同的适用范围。

    2.1 直接数字控制系统DDC体系结构

    DDC是Direct Digital Control,即直接数字控制的缩写,它是计算机进入控制和自动化领域以来最早应用的体系结构。DDC控制系统以微机为核心,并配以一定数量的外围设备,使系统具有丰富的控制、显示和数据处理功能。

    DDC控制系统的主要工作过程是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测,检测结果与给定值进行比较,并按预定的数学模型(如PID控制规律)进行运算,其输出直接控制被控对象,使被控参数稳定在给定值上。

    DDC控制系统具有如下优点:

    1、控制功能十分复杂,可以采用高级的控制算法和控制策略,构成更复杂的控制系统;

    2、DDC控制器提高了控制的灵活性,如想改变或者增加控制功能,不需要改变现场连线和增加控制仪表,而仅仅通过改变控制组态(软连接),即通过改变控制算法类型及连接就可满足要求;

    3、DDC控制器除了具有控制功能外,还具有丰富显示和数据处理功能。

    但是DDC系统的软件是比较复杂的,因为所有的功能都集中在一台计算机中完成,因此需要一个相当庞大复杂的软件系统,这个系统要实现各种功能,而且要很好地协调各个功能之间的关系,所以目前DDC体系结构只用在规模较小、功能比较单一的控制场合,特别是一些嵌入式控制领域。一般来说,嵌入式控制的现场I/0数量很少,相应的功能也比较单一,因此不需要庞大而复杂的数据库,特别是人机界面HMI非常简单甚至没有。在这种应用场合,正好发挥了DDC构造简单,成本低廉的优势。

    2.2 集散控制系统DCS体系结构

    集散控制系统(DCS)又名分布式计算机控制系统,是利用计算机技术对生产过程进行集中

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  • 计算机系统结构简述.doc

    千次阅读 2021-07-18 02:35:44
    计算机系统结构简述.doc计算机系统结构简述摘 要:计算机系统结构是一个有多个层次组合而成的有机整体,随着科技的不断发展,未来的计算机将会朝着微型化、网络化和智能化的方向发展,为了使大家对计算机系统结构有...

    计算机系统结构简述.doc

    计算机系统结构简述

    摘 要:计算机系统结构是一个有多个层次组合而成的有机整体,随着科技的不断发展,未来的计算机将会朝着微型化、网络化和智能化的方向发展,为了使大家对计算机系统结构有一个大概的了解,本文主要介绍了计算机系统结构的一些基本概念、计算机系统结构的发展、计算机系统结构的分类方法和计算机系统设计的方法。

    关键词:计算机系统结构;冯?诺依曼结构;Flynn分类法;冯氏分类法

    中图分类号:TP303

    世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年,在问世将近70年的时间里,计算机共历经电子管计算机时代、晶体管计算机时代、中小规模集成电路计算机时代、大规模和超大规模集成电路计算机时代和巨大规模集成电路计算机时代,计算机更新换代的一个重要指标就是计算机系统结构。

    1 计算机系统结构的基本概念

    1.1 计算机系统层次结构的概念

    现代计算机系统是由硬件和软件组合而成的一个有机整体,如果继续细分可以分成7层。L0:硬联逻辑电路;L1:微程序机器级;L2:机器语言级;L3:操作系统级;L4:汇编语言级;L5:高级语言级;L6:应用语言级。其中L0级由硬件实现;L1级的机器语言是微指令级,用固件来实现;L2级的机器语言是机器指令集,用L1级的微程序进行解释执行;L3级的机器语言由传统机器指令集和操作系统级指令组成,除了操作系统级指令由操作系统解释执行外,其余用这一级语言编写的程序由L2和L3共同执行;L4级的机器语言是汇编语言,该级语言编写的程序首先被翻译成L2或L3级语言,然后再由相应的机器执行;L5级的机器语言是高级语言,用该级语言编写的程序一般被翻译到L3或L4上,个别的高级语言用解释的方法实现;L6级的机器语言适应用语言,一般被翻译到L5级上。

    1.2 计算机系统结构的定义

    计算机系统结构较为经典的定义是Amdahl等人在1964年提出的:由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性。由于计算机具有不同的层次结构,所以处在不同层次的程序设计者所看到的计算机的属性显然不同。

    2 计算机系统结构的发展

    2.1 传统系统结构

    当Amadahl在1964年提出计算机系统结构的定义时,也提出了采用系列机的思想,它的出现被誉为计算机发展史上的一个重要里程碑。当人们普遍采用系列机思想后,较好的把硬件技术飞速发展与软件环境要求相对稳定的矛盾解决了,这就要求系列机的系统结构需要在相当长的时间内保持基本不变。其中,最重要的是保持它的数据表示、指令系统以及其他概念性的结构保持不变。

    2.2 冯?诺依曼结构

    冯?诺依曼结构(也称普林斯顿结构)是美国数学家冯?诺依曼在1946年提出的,他将计算机分为五大部件:运算器;控制器;存储器;输入设备;输出设备。其基本思想是存储程序,主要特点是:(1)单处理机结构,机器以运算器为中心;(2)采用程序存储思想;(3)指令和数据一样可以参与运算;(4)数据以二进制表示;(5)将软件和硬件完全分离;(6)指令由操作码和操作数组成;(7)指令顺序执行。

    2.3 对冯?诺依曼结构的改进

    为了更好的优化计算机系统结构,人们不断对冯?诺依曼结构进行改进,总的来说,共采用两种方法。一种是在冯?诺依曼结构的基础上进行“改良”;另一种是采用“革命”的方法,即脱离冯?诺依曼结构,和其工作方式完全不同,统成为非冯?诺依曼结构。

    2.4 哈佛结构

    哈佛结构的计算机分为三大部件:(1)CPU;(2)程序存储器;(3)数据存储器。它的特点是将程序指令和数据分开存储,由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线,因而较大的提高了存储器的带宽,使之数字信号处理性能更加优越。

    2.5 其他系统结构

    冯?诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河,但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈,因此各国科学家仍然在探索各种非冯?诺依曼结构,比如,数据流计算机,函数式编程语言计算机等都是较为著名的非冯?诺依曼结构。

    3 计算机系统结构的分类方法

    研究计算机系统结构的分类方法可以帮助我们加深对计算机系统结构和组成特点的认识以及对系统工作原理和性能的理解。下面简单介绍2种比较常用的分类方法:Flynn分类法;冯氏分类法。

    3.1 Flynn分类法

    由于计算机系统结构由多级层次构成,因此在设计计算机系统结构时就可以有三种方法:(1)“从下往上”设计;(2)“从上往下”设计;(3)“从中间开始”设计。

    4.1 “从下往上”设计

    首先根据能够得到的硬件,参照已经生产出来的各种机器的特点,开发出将微程序机器级和传统机器级设计出来,然后依次往上设计,最后将面向机器的虚拟机器级设计出来。在硬件

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  • 自动控制原理02 数学模型自动控制原理02 数学模型在经典控制理论当中有三个理论基石:时域分析法,根轨迹法、频域分析法。这三种方法只是我们分析系统的一种手段,不管采用哪种方法,都离不开系统的数学模型。一 ...

    自动控制原理02 数学模型

    自动控制原理02 数学模型

    在经典控制理论当中有三个理论基石:时域分析法,根轨迹法、频域分析法。

    这三种方法只是我们分析系统的一种手段,不管采用哪种方法,都离不开系统的数学模型。

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    一 微分方程在时域当中的数学模型,叫做微分方程。

    我们首先列出原始平衡方程,对这些原始平衡方程进行化解得到标准形式,并且利用微分方程的求解得到微分方程的解,从这些解当中,我们分析控制系统的性能。

    二 传递函数在复频域当中的数学模型,叫做传递函数。

    传递函数有两种重要的表现形式:(1)零、极点的模型形式,在根轨迹法中常见到;

    (2)典型环节的形式,如传递函数等于由一些比例环节或者是一阶的微分环节或者是二阶的微分环节比上积分环节或者一阶惯性环节或者二阶的震荡环节等等,在频域分析法中常见到。传递函数定义的前提条件是:(1)传递函数针对的是线性的定常系统,非线性系统或者变系数系统都不能使用传递函数来表述它的数学模型;

    (2)要在零初始条件下。零初始条件是指:在时间t=0时刻,输出的各阶导数都等于0,并且t=0时刻,系统没有输入。

    满足两个前提条件的情况下,输出的拉氏变换与输入的拉氏变换的比值,定义为系统的传递函数。

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    将微分方程中的微分算子换成复频域中的变量s,即:

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    则可将微分方程转换为系统传递函数。

    传递函数这样的数学模型有着它自身的性质,这些性质对于分析系统而言非常重要。主要包括以下几种:

    1. 由于能量传递总是有限,所以微分方程输出端的阶次总是会高于输入端的阶次,其对应的传递函数分子多项式的阶次就小于或等于分母多项式的最高阶次,并且传递函数描述的是一个线性定常的系统,故其对应的所有系数都是实数 ;

    2. 传递函数是系统的一种固有属性,与外加激励及初始条件无关(这在传递函数的定义中可以了解到,传递函数是在零初始条件下定义的);

    3. 传递函数只是对系统的数学描述,并不反应系统的物理构成。

    系统开环传递函数

    如图,从A点断开由E(s)到Xf(s)之间各串联环节传递函数的乘积,就是系统的开环传函。

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    系统闭环传递函数

    对上图中的系统,闭环传递函数为:

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    系统对给定作用和扰动作用的传递函数

    对线性系统来说,可对每一个输入量分别求出输出量,然后进行叠加,得到系统的输出量。

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    三 动态结构图

    我们从抽象的物理系统中分析它的工作原理,建立它的动态结构图。动态结构图绘制出来之后,我们还需对其进行等效,得到系统最终的传递函数,从而分析它的性能。

    在动态结构图中的等效当中,我们会经常见到这样的几种等效原则:串联、并联、反馈以及引出点和比较点的移动。

    1. 比较点前移、后移

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    2. 引用点前移、后移

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    四 信号流图信号流图的绘制有两种方式:

    (1)从时域微分方程或者代数方程中绘制;

    (2)从动态结构图中绘制。

    信号流图的绘制并不重要,因为我们只要知道了动态结构图,再利用Mason增益公式,对于任何系统,它的传递函数都可以很容易获得。

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    举例说明梅森公式的使用

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    用MATLAB求解线性微分方程和化简系统方框图

    MATLAB中多项式用行向量表示,系数降幂排列,如:

    ec463f372083d20389af511bd67dc64d.png

    乘法处理函数调用格式为C=conv(A,B),其调用允许多级嵌套,如:

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    系统传递函数可由其分子分母多项式唯一确定,格式为sys=tf(num,den). num为分子多项式,den为分母多项式。

    多项式求根函数调用格式为roots(p),p为多项式系数向量。

    若特征根已求出,可调用poly(r)函数求多项式降幂排列的各项系数,r为已求出的特征根

    polyval()函数可用来求取给定变量值时多项式的值,其调用格式为polyval(p,a),p为多项式系数向量,a为给定变量值。零极点模型的构造函数调用格式为

    z=[z1;z2;...;zn];

    p=[p1;p2;...;pn];

    w=zpk(z,p,k)

    z为系统零点列向量,p为极点列向量,k为系统增益。

    求解线性微分方程

    residue()函数用于部分分式展开,直接求出展开式中的留数、极点和整数项。调用格式为[r,p,k]=residue(num,den), r和p分别为各部分分式的留数与极点,k为整数项。图

    方框图化简

    W1(s)和W2(s)串联,串联函数series(), 调用格式为[num,den]=series(num1,den1,num2,den2),其中

    ba202965a686ef22448e5e5ca89ed2b5.png

    并联函数parallel(), 调用格式为[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2),其中

    8d66b397f88cc0588d3ffacfdf4f7790.png

    反馈函数feedback(),调用格式为[num,den]=feedback(numw,denw,numh,denh,sign),其中W(s)为正向通道传函,H(s)为反向通道传函,sign为反馈极性,“1”为正反馈,“-1”为负反馈(不指明则默认为负)

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    图参考,仅作个人学习笔记使用。

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系统软件结构

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