计算机控制系统第7章研讨.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;装置优化层cengcemh层;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。 ;需求;7.1.2计算机控制系统软件的功能和性能指标 ;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 ;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，实时操作系统是实时系统的核心。 2．实时操作系统 操作系统是计算机运行以及所有资源的管理者，包括任务管理、任务间的信息传递、I/O设备管理，内存管理和文件系统的管理等。从外部来看，操作系统提供了与使用者、程序及硬件的接口。操作系统与计算机I/O硬件设备的接口是设备驱动器，应用程序与操作系统之间的接口是系统调用。 ;通用计算机系统中运行的是桌面操作系统，Windows和UNIX或Linux。计算机控制系统主要使用实时操作系统。大多数实时操作系统的结构仿照UNIX操作系统的风格，所以它们又称为“类UNIX”操作系统。 现代的实时操作系统的内核（Kernel）通常采用客户/服务者方式，或称为微内核（Microkernel）方式，如图7-3所示。 ;微内核通常只保留任务调度和任务间通信等几项功能，它依据客户-服务者模型概念，把所有其它的操作系统功能都变成一个个用户态的服务器，而用户任务则被当作客户。客户要用到操作系统时，其实就是通过微内核与服务器通信而已，微内核验证消息的有效性，在客户和服务器之间传递它们并核准对硬件的存取，这样，微内核仅仅称为传递消息的工具。 ;7.2.2实时多任务系统 ;任务及任务切换 （1