第一篇：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的改善措施

Hefei University

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

課程題目： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的改良措施

姓 名： 111 學(xué) 號(hào): 11111

指導(dǎo)老師： 11111

摘要：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是能夠在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行計(jì)算或處理事務(wù)并對(duì)外部事件作出響應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。對(duì)很多嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以讓開(kāi)發(fā)工程師掌握系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或響應(yīng)任何關(guān)鍵事件的時(shí)間，滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。為了理解RTOS如何通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核、優(yōu)先級(jí)繼承和中斷處理等概念。

Abstract: real-time system is able to the determination of the time or processing performs calculations and a response to external affairs events of the computer system.For many embedded systems for, a design good real-time operating system(RTOS)can let the development engineers grasp the system to carry out any task or response to any of the key events of the time, meet the system in real-time.In order to understand how RTOS through the system to realize real-time scheduling strategy, this paper introduces the pre-emptive scheduling, but the core of preemption, priority concepts such as inherit and interrupt handling.關(guān)鍵字：計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)性、措施

正文：

1.RT-Linux的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RT-Linux的基本思想就是使Linux運(yùn)行在實(shí)時(shí)核心之下，見(jiàn)圖1。RT—Linux是一個(gè)可加載的核心模塊。一個(gè)小的RT-Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核同原來(lái)的Linux內(nèi)核共同控制處理器。實(shí)時(shí)內(nèi)核直接管理硬件中斷，因此實(shí)時(shí)內(nèi)核操縱著機(jī)器的響應(yīng)時(shí)間，原來(lái)的Linux就無(wú)法影響實(shí)時(shí)任務(wù)了。在RT-Linux中設(shè)計(jì)了兩類(lèi)中斷。軟中斷是正常的Linux中斷，硬中斷則是真正的實(shí)時(shí)中斷，執(zhí)行時(shí)幾乎沒(méi)有任何延遲。實(shí)現(xiàn)時(shí)，RT-Linux是通過(guò)在 Linux核心和中斷處理器之間設(shè)計(jì)一個(gè)仿真軟件來(lái)達(dá)到其目的的。

實(shí)時(shí)中斷不經(jīng)過(guò)中斷仿真器，標(biāo)準(zhǔn)Linux的所有硬件中斷首先被中斷仿真器捕獲，所以也根本無(wú)法影響實(shí)時(shí)進(jìn)程的處理。當(dāng)實(shí)時(shí)內(nèi)核禁止中斷時(shí)，仿真器中的一個(gè)標(biāo)志位被置0。當(dāng)有其它非實(shí)時(shí)中斷產(chǎn)生時(shí)，仿真器檢查那個(gè)標(biāo)志位，如果為0，說(shuō)明不允許中斷，否則可以立即執(zhí)～Linux中斷處理程序。筒而言之，Linux不能中斷自身，但是RT-Linux可以中斷Linux，這也就達(dá)到了所謂的”RT—Linux的核心可搶占機(jī)制”。實(shí)時(shí)任務(wù)與普通進(jìn)程之間的通信是通過(guò)封鎖，釋放隊(duì)列來(lái)完成的。具體地說(shuō)就是當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)要完成時(shí)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)內(nèi)核下的任務(wù)；當(dāng)沒(méi)有實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度 Linux運(yùn)行。所以Linux是實(shí)時(shí)內(nèi)核中優(yōu)先級(jí)最低的一個(gè)任務(wù)。

目前為止，在RT-Linux中采用兩種調(diào)度策略。一種是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法；另一種是lsmaelRipoll實(shí)現(xiàn)的 EDF（EarliestDeadlineFirst）算法。對(duì)于周期性任務(wù)可以采用單調(diào)率調(diào)度算法，即周期短的任務(wù)能夠獲得較高的優(yōu)先級(jí)。調(diào)度策略將 Linux視為賦予最低優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)任務(wù)。

Linux僅僅在實(shí)時(shí)系統(tǒng)沒(méi)有其它任務(wù)時(shí)運(yùn)行。Linux和實(shí)時(shí)任務(wù)之間的轉(zhuǎn)換依據(jù)上述提及的軟中斷狀態(tài)而定。RT-Linux通過(guò)這樣一種設(shè)計(jì)方法，將標(biāo)準(zhǔn)的Linux核心改成一個(gè)可搶占的、具有低延遲中斷處理的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2.提高實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和可靠性策略

對(duì)很多嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以讓開(kāi)發(fā)工程師掌握系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或響應(yīng)任何關(guān)鍵事件的時(shí)間，滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。為了理解RTOS如何通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，本文介紹了搶占式調(diào)度、可搶占的內(nèi)核、優(yōu)先級(jí)繼承和中斷處理等概念。在設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)或醫(yī)療設(shè)備時(shí)，大部分工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師會(huì)認(rèn)為采用RTOS是必需的。然而，網(wǎng)際路由器、車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)和多媒體設(shè)備等普通應(yīng)用還需要采用RTOS嗎？像Linux或Windows這樣的通用操作系統(tǒng)是否就能勝任呢？通常，這些產(chǎn)品需要采用RTOS，但是這個(gè)問(wèn)題常常直到設(shè)計(jì)階段的后期才能意識(shí)到。RTOS對(duì)于很多嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不但是有益的，而且也是必要的，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)很重要。例如，一個(gè)播放如MPEG格式電影的設(shè)備，如果依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)其整個(gè)內(nèi)容傳輸，可能會(huì)出現(xiàn)用戶(hù)難以接受的高丟幀率。然而，通過(guò)使用RTOS，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠準(zhǔn)確地控制軟件過(guò)程的執(zhí)行順序，從而保證按照給定的媒體速率進(jìn)行播放。上述大部分情況適用于用戶(hù)希望對(duì)輸入做出立即響應(yīng)的系統(tǒng)。通過(guò)RTOS，開(kāi)發(fā)人員能夠保證由用戶(hù)的操作總能得到及時(shí)的響應(yīng)，除非一個(gè)更重要的操作(如一項(xiàng)有助于保障用戶(hù)安全的操作)必須首先執(zhí)行。總之,一個(gè)好的RTOS支持開(kāi)發(fā)人員控制系統(tǒng)執(zhí)行任何任務(wù)或?qū)θ魏沃匾录龀龇磻?yīng)的時(shí)間，并且能夠以一種可以預(yù)測(cè)并且完全一致的形式滿(mǎn)足任務(wù)執(zhí)行的最終期限要求。但是，如果RTOS崩潰，這些最終期限就不能被滿(mǎn)足。因此，RTOS必須提供高度的可靠性。特別是它必須提供在不需要重啟的情況下，從軟件故障中快速并智能恢復(fù)的機(jī)制。

3.搶占式調(diào)度

在像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)中，在對(duì)線程和進(jìn)程的CPU占用上采用了“公平”調(diào)度策略。這樣的策略能夠提供良好的整體表現(xiàn)，但是不能保證高優(yōu)先級(jí)、對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程將優(yōu)先于低優(yōu)先級(jí)的線程執(zhí)行。事實(shí)上，操作系統(tǒng)有時(shí)甚至?xí)袛喔邇?yōu)先級(jí)的線程來(lái)為低優(yōu)先級(jí)線程提供CPU時(shí)間。其結(jié)果可能造成對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的線程很容易地錯(cuò)過(guò)它們的最終期限，甚至在一個(gè)高速的高端處理器上運(yùn)行時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。而在RTOS中，線程按照其優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行。如果一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的線程準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，它將在一個(gè)短的、有限時(shí)間間隔內(nèi)從任何可能正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程接管CPU。另外，高優(yōu)先級(jí)的線程能夠不被中斷地運(yùn)行，直到它已經(jīng)完成了需要做的事情－當(dāng)然是在不被更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程搶占的前提下。這種方法就是搶占式調(diào)度，保證了高優(yōu)先級(jí)線程始終滿(mǎn)足其最終期限，而不管有多少其它線程正在競(jìng)爭(zhēng)CPU時(shí)間。通過(guò)合理地控制線程優(yōu)先級(jí)，開(kāi)發(fā)者能顯著地提高很多對(duì)用戶(hù)非常重要的應(yīng)用響應(yīng)速度。然而，控制優(yōu)先級(jí)可能是一把雙刃劍，當(dāng)使用不當(dāng)時(shí)它可能會(huì)潛在地導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不能得到CPU時(shí)間。保證高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程和線程的同時(shí)確保不會(huì)使其它進(jìn)程處于“饑餓”狀態(tài)的關(guān)鍵是要對(duì)它們的執(zhí)行進(jìn)行限制，通過(guò)對(duì)執(zhí)行進(jìn)行調(diào)整或在響應(yīng)加載的過(guò)程中進(jìn)行控制，開(kāi)發(fā)人員能夠限制這些活動(dòng)消耗的CPU時(shí)間比例，并支持低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程獲得對(duì)CPU的共享。優(yōu)先級(jí)控制能夠使很多應(yīng)用受益，包括像前面提到的媒體播放器(MP3、WAV、MPEG2等格式)。媒體播放器需要實(shí)現(xiàn)正常播放所要求的速率(例如44kHz的音頻、30fps的視頻)。在這種限制之下，一個(gè)讀線程和一個(gè)顯示線程可以被設(shè)計(jì)成依靠一個(gè)可編程的定時(shí)器來(lái)喚醒，緩沖或顯示一幀后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個(gè)定時(shí)觸發(fā)。這提供了一種調(diào)整機(jī)制，支持高于正常用戶(hù)活動(dòng)而又低于關(guān)鍵系統(tǒng)功能的優(yōu)先級(jí)設(shè)置。換句話說(shuō)，如果沒(méi)有更重要的任務(wù)準(zhǔn)備運(yùn)行，媒體播放將始終以給定的媒體速率執(zhí)行。

4.最壞情形

搶占式調(diào)度僅在高優(yōu)先級(jí)的線程在一個(gè)短的、有限時(shí)間段內(nèi)搶占低優(yōu)先級(jí)線程的情況下有效。否則，系統(tǒng)將不可能預(yù)測(cè)要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)執(zhí)行一個(gè)給定的操作。因此，任何銷(xiāo)售進(jìn)程模式的RTOS的供應(yīng)商都必須提供針對(duì)下面兩種時(shí)間間隔提供最壞情形：線程切換時(shí)間，即當(dāng)兩個(gè)線程處于同一進(jìn)程的情況下，從執(zhí)行一個(gè)線程的最后一條指令到執(zhí)行下一個(gè)被調(diào)度線程的第一條指令所經(jīng)過(guò)的時(shí)間；前后關(guān)系切換(context switch)時(shí)間，其定義同上，但僅針對(duì)兩個(gè)線程處于不同進(jìn)程的情況。可以將線程看作是最小的“執(zhí)行單元”，而將進(jìn)程看作是一個(gè)或多個(gè)線程的“容器”，進(jìn)程定義了線程將要在其中執(zhí)行的地址空間。顯然，最壞情形的前后關(guān)系切換時(shí)間將比最壞情形的線程切換時(shí)間要慢，盡管在一個(gè)好的RTOS設(shè)計(jì)中差別可能是微不足道的。將所有的線程放在幾個(gè)大的進(jìn)程中將是錯(cuò)誤的，因?yàn)榫€程提供的切換速度更快。雖然線程能實(shí)現(xiàn)并行處理優(yōu)勢(shì)因而適合于某些設(shè)計(jì)，但將一個(gè)應(yīng)用分成多個(gè)內(nèi)存保護(hù)的進(jìn)程使得代碼更容易調(diào)試，提供了更好的錯(cuò)誤隔離和恢復(fù)能力，并允許系統(tǒng)進(jìn)行新功能的動(dòng)態(tài)升級(jí)。

5.可搶占的內(nèi)核

在大部分通用操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核是不可搶占的。其結(jié)果是，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不可能搶占一個(gè)內(nèi)核調(diào)用，而是必須等待整個(gè)調(diào)用完成，即使這個(gè)調(diào)用是由系統(tǒng)中的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程發(fā)起的。另外，當(dāng)經(jīng)常在內(nèi)核調(diào)用中執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)程序或其它系統(tǒng)服務(wù)代表一個(gè)客戶(hù)線程執(zhí)行的時(shí)候，所有的優(yōu)先級(jí)信息常常會(huì)丟失，這導(dǎo)致了不可預(yù)測(cè)的延遲并阻止了關(guān)鍵活動(dòng)的準(zhǔn)時(shí)完成。而在RTOS中,內(nèi)核操作是可搶占的。盡管仍然會(huì)存在一些時(shí)間窗口，在這些時(shí)間窗口中可能沒(méi)有搶占，但是這些時(shí)間間隔應(yīng)該是相當(dāng)短暫的，通常在幾百納秒。另外，必須有一個(gè)關(guān)于搶占被推遲或中斷被禁止的時(shí)間上限，這樣開(kāi)發(fā)者可以確定最壞情形下的等待時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，操作系統(tǒng)內(nèi)核必須盡可能簡(jiǎn)潔，只有具有較短執(zhí)行路徑的服務(wù)才被包含在內(nèi)核中，任何需要大量工作(如進(jìn)程加載)的操作必須被安排到外部進(jìn)程或線程。這種方法有助于通過(guò)內(nèi)核確保最長(zhǎng)的不可搶占代碼路徑具有一個(gè)時(shí)間上限。

6.優(yōu)先級(jí)繼承

然而，為一個(gè)進(jìn)程設(shè)定一個(gè)高優(yōu)先級(jí)并不總能保證該進(jìn)程能夠搶占低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程。有時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一種稱(chēng)為優(yōu)先級(jí)倒置(priority inversion)的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程將在“無(wú)意中”阻止較高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程占用CPU。優(yōu)先級(jí)倒置可能會(huì)表現(xiàn)為幾種形式，為了防止發(fā)生這種情況，RTOS必須提供一種稱(chēng)為優(yōu)先級(jí)繼承的功能。假定系統(tǒng)有三個(gè)進(jìn)程：A(低優(yōu)先級(jí))，B(中等優(yōu)先級(jí))，Z(高優(yōu)先級(jí))。這里Z是一個(gè)為A和B提供服務(wù)的“服務(wù)器”進(jìn)程。現(xiàn)在假定A已經(jīng)請(qǐng)求Z來(lái)執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，而在這期間，突然B需要Z的服務(wù)。因?yàn)锽擁有比A更高的優(yōu)先級(jí)，一般會(huì)認(rèn)為Z將立即掛起A的請(qǐng)求并將轉(zhuǎn)向?yàn)锽服務(wù)。但是實(shí)際情況并非如此，因?yàn)閆比B具有更高的優(yōu)先級(jí)。其結(jié)果是，B不能阻止Z完成它當(dāng)前的工作，即對(duì)A做出響應(yīng)。從效果上看，低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程A占用了更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程B的CPU時(shí)間，這是引入優(yōu)先級(jí)繼承的原因。通過(guò)使用RTOS提供的優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制，系統(tǒng)可以在A發(fā)出請(qǐng)求的情況下，讓Z繼承A的低優(yōu)先級(jí)。通過(guò)這種方式，B能夠在任何時(shí)候搶占A的請(qǐng)求。如果一個(gè)應(yīng)用程序分布于幾個(gè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的處理器，那么RTOS也應(yīng)該支持分布式優(yōu)先級(jí)繼承，這樣可以按照優(yōu)先級(jí)的順序處理來(lái)自多個(gè)處理器的請(qǐng)求。如果沒(méi)有優(yōu)先級(jí)繼承，一個(gè)多處理器系統(tǒng)可能會(huì)落入無(wú)限的優(yōu)先級(jí)倒置和死鎖中。7.中斷處理

為了獲得對(duì)外部事件的及時(shí)響應(yīng)，最小化硬件中斷發(fā)生到執(zhí)行該中斷的第一條代碼的時(shí)間很重要。這個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)為中斷延遲，為了保證中斷延遲盡可能小，一個(gè)好的RTOS應(yīng)該在幾乎所有時(shí)間內(nèi)都支持產(chǎn)生中斷。正如在關(guān)于內(nèi)核搶占部分提到的那樣，一些重要的代碼段的確需要暫時(shí)屏蔽中斷。這種最大的屏蔽時(shí)間通常被定義為最大的中斷延遲。在某些情況下，硬件中斷處理器必須調(diào)度并運(yùn)行一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的線程(例如在一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中)。在這樣的情況下，中斷處理器將返回并指示一個(gè)事件將被處理。這樣的處理將引入了第二種形式的延遲－調(diào)度延遲，這個(gè)延時(shí)必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。調(diào)度延遲是介于用戶(hù)的中斷處理器的最后一條指令和驅(qū)動(dòng)程序線程第一條指令的執(zhí)行之間的時(shí)間。在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)硬件中斷。例如，在一個(gè)病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)傳感器記錄了病人心跳的一次變化并且網(wǎng)卡接收到網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)的同時(shí)，護(hù)士按了觸摸屏。很明顯，一些中斷(如心率的變化)應(yīng)該立即得到處理，而其他的則可以延緩。通過(guò)提供對(duì)嵌套中斷的支持，RTOS支持嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先處理更高優(yōu)先級(jí)的中斷。

8.如何提高可靠性

我們已經(jīng)明白怎樣使RTOS具有可以預(yù)測(cè)性，但是如何實(shí)現(xiàn)其可靠性呢？答案在很大程度上取決于RTOS的架構(gòu)。例如在實(shí)時(shí)執(zhí)行模式架構(gòu)中，大部分或所有軟件組件都在一個(gè)單一的內(nèi)存地址空間中運(yùn)行，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等。雖然很有效率，但這種架構(gòu)有兩個(gè)明顯的缺陷：1.在任何組件中的一個(gè)指針錯(cuò)誤，不論這個(gè)錯(cuò)誤多么細(xì)微，都可能破壞操作系統(tǒng)內(nèi)核或任何其它組件，導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的行為和整個(gè)系統(tǒng)的崩潰；2.很難動(dòng)態(tài)修復(fù)或替換任何有故障的組件。在大多數(shù)情況下，出現(xiàn)這些問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)復(fù)位是唯一的選擇。一些RTOS，也像Linux一樣，試圖通過(guò)使用單內(nèi)核架構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在這種架構(gòu)中，用戶(hù)的應(yīng)用程序在隔離的、受保護(hù)內(nèi)存地址空間中運(yùn)行。如果一個(gè)應(yīng)用程序試圖訪問(wèn)其地址空間之外的數(shù)據(jù)，內(nèi)存管理單元(MMU)將通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可能會(huì)采取保護(hù)措施，例如終止出錯(cuò)進(jìn)程。然而，這樣的操作系統(tǒng)需要將大多數(shù)或所有驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和其它系統(tǒng)服務(wù)綁定到內(nèi)核中。因此，任何組件中的一個(gè)錯(cuò)誤都可能帶來(lái)災(zāi)難性的內(nèi)核故障。第三種方法是采用微內(nèi)核(mricokernel)架構(gòu)來(lái)提供更精確的故障隔離，像QNX Neutrino這樣的操作系統(tǒng)都基于微內(nèi)核架構(gòu)。

微內(nèi)核有兩個(gè)明確的特征：

1.在操作系統(tǒng)內(nèi)核中只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含了基本OS服務(wù)的小內(nèi)核(如信號(hào)量、定時(shí)器、任務(wù)調(diào)度等)。包括驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧和用戶(hù)應(yīng)用程序在內(nèi)的所有其它的組件在內(nèi)核外部分離的、保護(hù)內(nèi)存的進(jìn)程中運(yùn)行。有問(wèn)題的系統(tǒng)服務(wù)不再作為孤立的故障點(diǎn)，而是在它破壞其它服務(wù)或操作系統(tǒng)內(nèi)核之前被終止并重啟。2.所有的組件能夠通過(guò)消息傳遞進(jìn)行通信，一個(gè)定義良好的通信機(jī)制保障了程序在保持彼此安全隔離的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。適當(dāng)實(shí)現(xiàn)的消息傳遞也可以作為一個(gè)虛擬的“軟件總線”，允許幾乎任何的軟件組件，甚至是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被動(dòng)態(tài)地加入或替換，對(duì)于必須提供連續(xù)服務(wù)的系統(tǒng)而言這是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)架構(gòu)相比，微內(nèi)核支持嵌入式設(shè)備贏得明顯更快的平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)。例如，如果一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序失敗將可能出現(xiàn)以下情況：操作系統(tǒng)可以終止該驅(qū)動(dòng)程序，回收其正在使用的資源，并對(duì)其進(jìn)行重新啟動(dòng)，這個(gè)過(guò)程通常這只需要幾個(gè)毫秒時(shí)間。

盡管和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)相比，基于消息傳遞的微內(nèi)核RTOS通常提供了更好的容錯(cuò)性和動(dòng)態(tài)升級(jí)能力，也有一些觀點(diǎn)認(rèn)為消息傳遞增加了開(kāi)銷(xiāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果實(shí)現(xiàn)正確，消息傳遞的性能可以接近底層硬件的內(nèi)存帶寬。例如，一個(gè)微內(nèi)核RTOS可以采用多段式(multipart)消息和線程到線程的消息數(shù)據(jù)直接拷貝等各種技術(shù)，來(lái)確保系統(tǒng)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)的進(jìn)程間通信(IPC)方法的水平。由一些組織如Dedicated Systems(網(wǎng)址：www.omimo.be)等進(jìn)行的獨(dú)立測(cè)試證實(shí)，和傳統(tǒng)的RTOS相比，微內(nèi)核RTOS在一系列的實(shí)時(shí)指標(biāo)方面表現(xiàn)良好，在很多情況下甚至有更好的表現(xiàn)。

9.策略決策

RTOS有助于使一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序具有可預(yù)測(cè)性和可靠性。當(dāng)然，選擇一個(gè)合適的RTOS本身就是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，而RTOS的底層架構(gòu)是選擇的重要依據(jù)，此外還有一些其它因素，包括：

1.調(diào)度算法的靈活選擇。RTOS應(yīng)該支持調(diào)度算法的選擇(先入先出(FIFO)、輪詢(xún)(round robin)、零星調(diào)度等)并支持以線程為單位設(shè)定這些算法。這樣，工程師就可以不必將一個(gè)算法用到系統(tǒng)中的所有線程。

2.圖形用戶(hù)界面(GUI)。RTOS使用的是原始的圖形庫(kù)還是能支持多層界面、多路顯示、3D渲染以及其它高級(jí)的圖形功能的真正的窗口系統(tǒng)？能很容易定制GUI的外觀嗎？GUI支持同時(shí)顯示和輸入多種語(yǔ)言(漢語(yǔ)、韓語(yǔ)、日語(yǔ)、英語(yǔ)、俄語(yǔ)等)嗎？

3.遠(yuǎn)程診斷工具。因?yàn)閷?duì)很多嵌入式系統(tǒng)而言，中斷系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)是無(wú)法接受的。RTOS供應(yīng)商應(yīng)該提供診斷工具，這些工具能夠在不中斷系統(tǒng)服務(wù)的前提下分析系統(tǒng)的行為。要尋找能提供代碼覆蓋、應(yīng)用測(cè)評(píng)、跟蹤分析和內(nèi)存分析工具的供應(yīng)商。

4.開(kāi)發(fā)平臺(tái)。RTOS提供商提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境是基于像Eclipse那樣的開(kāi)放平臺(tái)，允許工程師嵌入所喜愛(ài)的第三方工具來(lái)進(jìn)行建模、版本控制嗎？還是開(kāi)發(fā)環(huán)境基于專(zhuān)利技術(shù)？

5.互聯(lián)網(wǎng)功能。RTOS支持預(yù)集成最新的IPv4、IPv6、IPsec、SCTP和具有NAT功能的IP過(guò)濾等協(xié)議棧套件嗎？它支持嵌入式網(wǎng)絡(luò)瀏覽器嗎？瀏覽器應(yīng)該具有可擴(kuò)展的封裝模式，并能夠在很小的屏幕上繪制網(wǎng)頁(yè)。它也應(yīng)該支持像HTML 4.01、XHTML 1.1、SSL 3.0和 WML 1.3這樣的標(biāo)準(zhǔn)。

6.標(biāo)準(zhǔn)API。RTOS將你限定到專(zhuān)有的API之中了嗎？還是它對(duì)于像POSIX這樣的標(biāo)準(zhǔn)API提供了完全的支持，這使得將代碼移植到其它操作系統(tǒng)，或者從其它操作系統(tǒng)移植代碼變得更容易？另外，所用的RTOS提供完全一致性的API還是僅僅支持被定義接口的一個(gè)子集？例如，POSIX.1的最新版本包含了大約1,300個(gè)接口。

7.多處理技術(shù)。RTOS能支持對(duì)稱(chēng)多處理和分布式多處理技術(shù)來(lái)提高應(yīng)用性能和容量嗎？如果這樣，是必須重新設(shè)計(jì)你的應(yīng)用程序呢，還是RTOS能夠?qū)?yīng)用程序透明的分配到多個(gè)處理器上去呢？

8.源代碼工具包。RTOS供應(yīng)商提供了能使RTOS滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的具有詳細(xì)文檔的定制工具包嗎？供應(yīng)商提供了方便開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)定制硬件的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具包嗎？

9.對(duì)于很多公司而言，選擇一款RTOS是一項(xiàng)戰(zhàn)略性決策。RTOS供應(yīng)商在對(duì)上述問(wèn)題提供了清楚的回答后，你將選擇出一個(gè)在現(xiàn)在和將來(lái)都適合你的RTOS。

第二篇：計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的改善措施

《計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的改善措施》

摘要：

實(shí)時(shí)系統(tǒng)在工業(yè)、商業(yè)和軍事等領(lǐng)域都有非常廣泛的用途，并且已經(jīng)有很多實(shí)際的應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常是比較復(fù)雜的，因?yàn)樗仨毺幚砗芏嗖l(fā)事件的輸入數(shù)據(jù)流，這些事件的到來(lái)次序和幾率通常是不可預(yù)測(cè)的，而且還要求系統(tǒng)必須在事先設(shè)定好的時(shí)限內(nèi)做出相應(yīng)的響應(yīng)。因此，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是第一要求，需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)好實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，了解實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的改善措施對(duì)我們非常重要。

關(guān)鍵字：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；特點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)技術(shù)；改善措施。

一、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)。因而，提供及時(shí)響應(yīng)和高可靠性是其主要特點(diǎn)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)之分，硬實(shí)時(shí)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)保證的；軟實(shí)時(shí)則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)一定改變之后就可以變成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

二、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)

計(jì)時(shí)精度是影響實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要因素。在實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常需要精確確定實(shí)時(shí)地操作某個(gè)設(shè)備或執(zhí)行某個(gè)任務(wù)，或精確的計(jì)算一個(gè)時(shí)間函數(shù)。這些不僅依賴(lài)于一些硬件提供的時(shí)鐘精度，也依賴(lài)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的高精度計(jì)時(shí)功能。

2、多級(jí)中斷機(jī)制

一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)通常需要處理多種外部信息或事件，但處理的緊迫程度有輕重緩急之分。有的必須立即作出反應(yīng)，有的則可以延后處理。因此，需要建立多級(jí)中斷嵌套處理機(jī)制，以確保對(duì)緊迫程度較高的實(shí)時(shí)事件進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和處理。

3、實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不僅要及時(shí)響應(yīng)實(shí)時(shí)事件中斷，同時(shí)也要及時(shí)調(diào)度運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)。但是，處理機(jī)調(diào)度并不能隨心所欲的進(jìn)行，因?yàn)樯婕暗絻蓚€(gè)進(jìn)程之間的切換，只能在確保“安全切換”的時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行，實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制包括兩個(gè)方面，一是在調(diào)度策略和算法上保證優(yōu)先調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)；二是建立更多“安全切換”時(shí)間點(diǎn)，保證及時(shí)調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)。

三、實(shí)時(shí)性能主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是第一要求，需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間在微秒、毫秒和秒級(jí)的不同，可分為強(qiáng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)和弱實(shí)時(shí)三種。強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須是對(duì)即時(shí)的事件作出反應(yīng)，絕對(duì)不能錯(cuò)過(guò)事件處理時(shí)限。例如測(cè)控領(lǐng)域就是要求強(qiáng)或接近強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在機(jī)頂盒、PDA、信息家電等應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)負(fù)荷較重的時(shí)候，允許發(fā)生錯(cuò)過(guò)時(shí)限的情況而且不會(huì)造成太大的危害，準(zhǔn)和弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)就可滿(mǎn)足應(yīng)用。一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)通常使用以下技術(shù)：

1、占先式內(nèi)核

當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能立即得到CPU 的控制權(quán)，而CPU 的控制權(quán)是可知的。使用占先式內(nèi)核使得任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間得以最優(yōu)化。

2、調(diào)度策略分析

任務(wù)調(diào)度策略是直接影響實(shí)時(shí)性能的因素。強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)區(qū)別主要在選擇調(diào)度算法上。選擇基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的算法足以滿(mǎn)足準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，而 且可以提供高速的響應(yīng)和大的系統(tǒng)吞吐率。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)有同樣優(yōu)先級(jí)，通常用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法進(jìn)行調(diào)度。對(duì)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，需要使用的算法就應(yīng)該是調(diào)度 方式簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)調(diào)度算法了。盡管調(diào)度算法多種多樣，但大多由單一比率調(diào)度算法(RMS)和最早期限優(yōu)先算法(EDF)變化而來(lái)。前者主要用于 靜態(tài)周期任務(wù)的調(diào)度，后者主要用于動(dòng)態(tài)調(diào)度，在不同的系統(tǒng)狀態(tài)下兩種算法各有優(yōu)劣。在商業(yè)產(chǎn)品中采用的實(shí)際策略常常是各種因素的折中。

3、任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配

每個(gè)任務(wù)都有其優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中諸任務(wù)優(yōu)先級(jí)不變，則稱(chēng)之為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。在靜態(tài)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時(shí)間約束在程序編譯時(shí)是已知的。反之，應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的，則稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。

4、時(shí)間的可確定性

強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)具有可確定性。系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴(lài)于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。系統(tǒng)完成某個(gè)確定任務(wù)的時(shí)間是可預(yù)測(cè)的。

四、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中遇到的問(wèn)題

1、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

這是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)得最多的問(wèn)題。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是指一個(gè)任務(wù)等待比它優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)釋放資源而被阻塞，如果這時(shí)有中等優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，阻塞會(huì)進(jìn)一步惡化。它嚴(yán)重影響了實(shí)時(shí)任務(wù)的完成。

2、任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的抖動(dòng)

各種實(shí)時(shí)內(nèi)核都有將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的功能。優(yōu)先級(jí)的不同、延時(shí)請(qǐng)求發(fā)生的時(shí)間、發(fā)出延時(shí)請(qǐng)求的任務(wù)自身的運(yùn)行延遲，都會(huì)造成被延時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間不同程度的提前或滯后，稱(chēng)之為任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的抖動(dòng)。

3、任務(wù)劃分

程序在CPU 中是以任務(wù)的方式在運(yùn)行，所以我們要將系統(tǒng)的處理框圖轉(zhuǎn)化為多任務(wù)流程圖，對(duì)處理進(jìn)行任務(wù)劃分。任務(wù)劃分存在這樣一對(duì)矛盾：如果任務(wù)太多，必然增加系統(tǒng)任 務(wù)切換的開(kāi)銷(xiāo)；如果任務(wù)太少，系統(tǒng)的并行度就降低了，實(shí)時(shí)性就比較差。

五、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)改善措施

跟據(jù)上述討論的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中遇到的問(wèn)題我們提出相應(yīng)的改善措施，如下所示：

1、對(duì)于優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的改善措施

為防止發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，一些商業(yè)內(nèi)核(如VxWorks)使用了優(yōu)先級(jí)繼承技術(shù)，當(dāng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)被暫時(shí)地提高它的優(yōu)先級(jí)，使得該任務(wù)能盡快執(zhí)行，釋放出優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)所需要的資源。但它也不能完全避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，只能稱(chēng)其減輕了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的程度，減輕了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)完成的影響。

優(yōu)先權(quán)極限是另一種解決方案，系統(tǒng)把每一個(gè)臨界資源與1個(gè)極限優(yōu)先權(quán)相聯(lián)系，這個(gè)極限優(yōu)先權(quán)等于系統(tǒng)此時(shí)最高優(yōu)先權(quán)加1。當(dāng)這個(gè)任務(wù)退出臨界區(qū)后，系統(tǒng)立即把它的優(yōu)先權(quán)恢復(fù)正常，從而保證系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)的情況。采用這種方案的另一個(gè)有利之處，是僅僅通過(guò)改變某個(gè)臨界資源的優(yōu)先級(jí)就可以使多個(gè)任務(wù)共享這個(gè)臨界資源。

2、對(duì)于任務(wù)時(shí)間抖動(dòng)的改善措施 可能的解決方案有：

a．增加微處理器的時(shí)鐘頻和時(shí)鐘節(jié)拍的頻率； b．重新安排任務(wù)的優(yōu)先級(jí)； c．避免使用浮點(diǎn)運(yùn)算等。

強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，我們必須綜合考慮，充分利用各種手段，盡量減少任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的抖動(dòng)。

3、對(duì)于任務(wù)劃分的改善措施

在任務(wù)劃分時(shí)要遵循H.Gomma 原則： a． I/O原則：不同的外設(shè)執(zhí)行不同任務(wù)；

b． 優(yōu)先級(jí)原則：不同優(yōu)先級(jí)處理不同的任務(wù)； c． 大量運(yùn)算：歸為一個(gè)任務(wù)； d． 功能耦合：歸為一個(gè)任務(wù)； e． 偶然耦合：歸為一個(gè)任務(wù)；

f． 頻率組合：對(duì)于周期時(shí)間，不同任務(wù)處理不同的頻率。

如果我們?cè)诰唧w分析一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候發(fā)生原則沖突的話，則要為每一個(gè)原則針對(duì)具體的系統(tǒng)設(shè)定“權(quán)重”，必要的時(shí)候可以通過(guò)計(jì)算“權(quán)重”來(lái)最終確定如何去劃分任務(wù)。

第三篇：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)論文

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

xx（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧省 沈陽(yáng)市110000）

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)與傳感器技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，給計(jì)算機(jī)控制技術(shù)帶來(lái)了巨大的發(fā)展，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件、軟件和控制算法3個(gè)方面，一個(gè)完整的設(shè)計(jì)還需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，使系統(tǒng)能長(zhǎng)期有效地運(yùn)行。本文的主要目的就是在淺析計(jì)算機(jī)控制技術(shù)原理的同時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行描述。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；原理；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：

The application of computer control technology

xxxxx(Shenyang University of Technology Shenyang 110000)

Abstract: with the development of science and technology, more and more people use computer to realize control.In recent years, computer technology, automatic control technology, measurement and sensor technology, the CRT display technology, communication and network technology and the rapid development of modern microelectronics technology, computer control technology on the development, therefore, to design a good performance of the computer control system is very important.Computer control system includes three aspects: hardware, software and control algorithm, a complete design also need to consider the anti-jamming performance of the system, the system can run effectively for a long time.The main purpose of this article is on the principle of computer control technology of shallow at the same time, the development trend of computer control system is described.Key words: computer control technology;The principle;application

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。而一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)由下列幾部分組成：被控對(duì)象、主機(jī)、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、自動(dòng)化儀表和軟件系統(tǒng)。1.1硬件部分

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成將自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(工業(yè)控制機(jī))和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過(guò)程包括被控對(duì)象、測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。1.2 軟件部分

軟件系統(tǒng)是控制機(jī)不可缺少的重要組成部分。只有在適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)支持下，控制視才能按設(shè)計(jì)的要求正常地工作。控制機(jī)的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)

用軟件兩大類(lèi)。系統(tǒng)軟件是用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的各種資源管理、信息處理相對(duì) 外進(jìn)行聯(lián)系及提供服務(wù)的軟件。例如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、語(yǔ)言加工系統(tǒng)和診斷 程序等。應(yīng)用軟件是用來(lái)使被控對(duì)象正常運(yùn)行的控制程序、控制策略及其相應(yīng)的 服務(wù)程序。例如過(guò)程監(jiān)視程序、過(guò)程控制程序和公用服務(wù)程序等。應(yīng)用軟件是在 系統(tǒng)軟件的支持下編制完成的，它隨被控對(duì)象的特性和控制要求不同而異。通常 應(yīng)用軟件由用戶(hù)根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)過(guò)程控制技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用 軟件正向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方向發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)的基本控制模塊由制造廠家提供給用 戶(hù)，用戶(hù)只需根據(jù)控制的要求，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)過(guò)程即可生成滿(mǎn)足具體要求的專(zhuān) 用應(yīng)用軟件，大大方便了用戶(hù)，縮短了應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)周期。提高了應(yīng)用軟件的 可靠性。

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)上：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除測(cè)量裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計(jì)算機(jī)，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部 件的混合系統(tǒng)。

（2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號(hào)之外，還有離散模擬、離散數(shù)字等 多種信號(hào)形式。

（3）由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號(hào)外，還包含有數(shù)字信號(hào)，從而使 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同，需采用專(zhuān)門(mén)的理論來(lái)分析 和設(shè)計(jì)。

（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的 控制規(guī)律和對(duì)控制方案進(jìn)行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應(yīng)性。

（5）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn)算能力，一個(gè)控制器（控制 計(jì)算機(jī)）經(jīng)常可以采用分時(shí)控制的方式而同時(shí)控制多個(gè)回路。

（6）采用計(jì)算機(jī)控制，如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制、離散控制系統(tǒng)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于 實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。

3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。

（2）實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并按已定的控制 規(guī)律決定進(jìn)一步的的控制過(guò)程。

（3）實(shí)時(shí)控制：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任 務(wù)。

4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制體系的軟件和硬件的組織構(gòu)造是根 據(jù)它聯(lián)系的設(shè)備不一樣，有所改變的，他們的組織結(jié)構(gòu)大致是一樣地，可以涉及 到系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制任務(wù)，軟件設(shè)計(jì)等。4.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

我們依據(jù)體系設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)體系的軟件，硬件它們的構(gòu) 造再考察它的要求，推算出合適它的的系統(tǒng)，組成一個(gè)新的系統(tǒng)。再時(shí)間很緊張 的時(shí)候可以拿現(xiàn)場(chǎng)的配件組合，再設(shè)計(jì)費(fèi)用不到位的時(shí)候工作人員可以組織自己 設(shè)計(jì)的模式，但是要注意化風(fēng)好軟件和硬件的價(jià)格及時(shí)間，控制體系結(jié)構(gòu)它的概括微型的處理器、存儲(chǔ)器、選擇好接線口、傳感器、硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試的基本內(nèi)容。4.2控制任務(wù)

我們要對(duì)超控設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，研究，了解工作程序是再體系設(shè)計(jì)1前應(yīng)該做好的事，只有理解了它的要求，理解了它要接收的任務(wù)，涵蓋體系的終極目標(biāo)，數(shù)據(jù)流量還有準(zhǔn)確度，現(xiàn)場(chǎng)的要求，時(shí)間的控制，我們要嚴(yán)格按照計(jì)劃說(shuō)明操控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)操作。4.3軟件設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)要依據(jù)體系規(guī)劃的總意見(jiàn)，確定體系下所要完成的各種功能及完成這些系統(tǒng)性能的推理和時(shí)差序關(guān)系，并用合理組成部件表格畫(huà)出來(lái)。他們是根據(jù)體系組成表格不同的功能，分別規(guī)劃出相應(yīng)的控制體系所需要的軟件。例如仿真的量輸入和仿真量輸出及數(shù)據(jù)處理還有互聯(lián)和打字版處理格式等。每一種表格都可以單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，各種表格分別實(shí)驗(yàn)調(diào)試好以后，再按工作路線圖推理和時(shí)間順序關(guān)系將他們正確組合、互相連接、實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。

4.4現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試

首先要按設(shè)計(jì)計(jì)劃合理組裝裝，對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行大體的演練和比較準(zhǔn)確的演練，結(jié)合演練的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)重置體系的置和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)進(jìn)行軟硬件的調(diào)試，他們的構(gòu)件組成都可以在演練數(shù)據(jù)下用對(duì)演練數(shù)據(jù)進(jìn)行試研的辦法同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)他們要進(jìn)行統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)及推理，仿真物體是這個(gè)體系驗(yàn)證的最基本要求，而好的體系的數(shù)據(jù)調(diào)整實(shí)試要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

5.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器手臂的自動(dòng)化的沖壓生產(chǎn)線運(yùn)行循環(huán)路線可以簡(jiǎn)單概括為：上下料機(jī)構(gòu)板材沖壓。鋼板物料的傳送、線頭板料清洗涂油、鋼板板物料料位置校正、第一臺(tái)壓床沖壓、下料機(jī)器手臂提取物料、壓床再次沖壓、依設(shè)計(jì)流程傳到下一個(gè)工序、機(jī)器人收取物料并裁剪、把它輸送到下一臺(tái)壓床、下一臺(tái)機(jī)器人接著提取物料、把物料放到輸送裝置上，工人開(kāi)始按規(guī)定型號(hào)堆積板材。用工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化的生產(chǎn)線，會(huì)更加符合現(xiàn)再經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求及技術(shù)方面的創(chuàng)新。機(jī)器人手自動(dòng)的化生產(chǎn)線適用于現(xiàn)在大規(guī)模的生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，也適合已有生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的業(yè)再次更新，工程機(jī)器人自動(dòng)的生產(chǎn)線通過(guò)改變不同的軟件，它可應(yīng)用于很多車(chē)型生產(chǎn)，它的可控制性能很好，工業(yè)機(jī)器人體系組成包括上下料結(jié)構(gòu)、清洗涂油機(jī)體系對(duì)各種型號(hào)的沖床兼上下料體系、物料輸送體系。各個(gè)分體系連接間的電氣化操控是按照統(tǒng)一操做控制和刪減控制的原則，他們?cè)俨煌郊牟倏叵到y(tǒng)中，他們是應(yīng)用了機(jī)械與構(gòu)建操控的很有代表性的一個(gè)組成，他們每個(gè)級(jí)別都應(yīng)用不一樣的互聯(lián)網(wǎng)工程和軟硬件控制，以達(dá)到不同的設(shè)計(jì)效果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。各部分操控體系采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線形式的PtC操控方法，他有獨(dú)立操控和智能操控的特點(diǎn)。為確保控制體系正常運(yùn)轉(zhuǎn)，我們?cè)谲?chē)間總的線路全部采用西門(mén)子Proflbus總線及di數(shù)字化的局域計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式包交換技術(shù)體系。每個(gè)監(jiān)督控制結(jié)構(gòu)的PiC之間及PiC與上～個(gè)機(jī)械間的聯(lián)系全部采用了現(xiàn)代化的集成板的局域電腦互聯(lián)網(wǎng)的分布式包交換技術(shù)，供監(jiān)控體系相互聯(lián)系時(shí)應(yīng)用。沖床機(jī)的運(yùn)動(dòng)中樞應(yīng)連接Ethetnet csrd與機(jī)器人的操控體系聯(lián)網(wǎng)，操控體系與工業(yè)機(jī)器人的聯(lián)系方式是通過(guò)Proflbus．DP的總路線連接的他們實(shí)現(xiàn)了信息的互換和連接。連接體系采用了HMI SIEMENS的觸摸技術(shù)，在每一個(gè)可操控的部件上都放置一個(gè)顯示屏，它應(yīng)用了Proflbus的數(shù)據(jù)連接。各個(gè)部件都安裝了信息指示燈和緊急開(kāi)關(guān)，屏幕可看到系統(tǒng)信息及顯示錯(cuò)誤出現(xiàn)在那里，與這個(gè)設(shè)備有聯(lián)系的的i＼O 信號(hào)在HMi上顯示，他們以紅燈和黃燈區(qū)分。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)哪里有情況，將會(huì)鳴笛警報(bào)，顯示屏上將會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題出現(xiàn)在那里，以便維修人員查找。這個(gè)體系還有演練數(shù)字場(chǎng)景的能力，在磨擬演練中，它的壓力和轉(zhuǎn)動(dòng)速度可能會(huì)影響到生產(chǎn)還有可能會(huì)發(fā)生操作控制與機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不同步的可能，體系是通機(jī)器人的離線程序控制的機(jī)器人的運(yùn)行路線，來(lái)減少生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)休整周期。機(jī)器人沖壓設(shè)備再生產(chǎn)中使用面很廣，他改變了傳統(tǒng)的勞動(dòng)模式，改善了勞動(dòng)條件及強(qiáng)度，確保了生產(chǎn)的安全，提高生產(chǎn)的進(jìn)度及產(chǎn)品的合格率，它不但材料的生產(chǎn)流程還減少了浪費(fèi)，節(jié)約了時(shí)間，縮小了生產(chǎn)成本，隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試設(shè)備的周期設(shè)計(jì)時(shí)間不斷提前，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線越來(lái)越為汽車(chē)主機(jī)廠所接受，成為沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的主流。

6.豎爐球團(tuán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

結(jié)合球團(tuán)生產(chǎn)的特點(diǎn)，將豎爐球團(tuán)T藝分解為四組，即配料烘干組、潤(rùn)磨旁路組、造球組、豎爐組根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。系統(tǒng)的控制設(shè)備主要分布在總控室和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制站，其中豎爐組控制箱全部放在總控室。按照豎爐自動(dòng)系統(tǒng)的控制要求和各設(shè)備的功能，系統(tǒng)可分為四層，各層設(shè)備和功能如下。

第一層為處于系統(tǒng)底層—— 檢測(cè)元器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該層主要有電動(dòng)蝶閥、放散閥、各種儀器儀表、變頻器以及快切閥等。主要完成生產(chǎn)設(shè)備的操作和工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)，執(zhí)行來(lái)自PLC的程序指令，并做出相應(yīng)的操作或顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)。

第二層為PLC控制層，包括CPU模塊，PS模塊，DI、DO、AI、AO模塊，ET200M模塊和各種網(wǎng)絡(luò)通信接口適配器等 主要完成整個(gè)系統(tǒng)PLC站的控制網(wǎng)絡(luò)集成，負(fù)責(zé)接收從設(shè)備層傳送的信息、數(shù)據(jù)和上位機(jī)控制的命令，并將這些命令再反饋到設(shè)備層，完成中央信息層與設(shè)備層之間的信息、數(shù)據(jù)、命令傳輸及交換

第三層為中央信息層，即上位機(jī)控制層。監(jiān)控上位機(jī)是j臺(tái)研華IPC一610H工控機(jī)(配有Windowsxp操作系統(tǒng)，并安裝STEP75．4西門(mén)子編程軟件和組態(tài)軟件)，一臺(tái)為操作員站，一臺(tái)為T(mén)程師站，另外一臺(tái)作為操作員站和工程師站的熱備；兩臺(tái)彩色噴墨打印機(jī)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等組成。通過(guò)上位機(jī)，操作人員可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的控制，歷史數(shù)據(jù)的記錄、查看，報(bào)警與故障的提示和處理等功能

第四層為網(wǎng)絡(luò)和其他外部保護(hù)設(shè)備 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、不間斷電源(UPS)、信號(hào)避雷器和隔離器，用于發(fā)生斷電、雷擊或電磁干擾等情況，各種設(shè)備仍能安全穩(wěn)定地運(yùn)行且信號(hào)正確無(wú)誤傳送。

7.總結(jié)

計(jì)算機(jī)控制就是用計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象或過(guò)程進(jìn)行控制。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)代替自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常規(guī)控制設(shè)備，對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，這是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)所使用的技術(shù)裝備的一種革新。通過(guò)大量的閱讀關(guān)于計(jì)算機(jī)控制的文章，了解到了計(jì)算機(jī)控制與我們密切相關(guān)，無(wú)處不在。也隨著社會(huì)的發(fā)展，人們也越來(lái)使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制，對(duì)與一些企業(yè)來(lái)說(shuō)使用計(jì)算機(jī)控制，雖然技術(shù)或者一些儀器需要大量的資金，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)方面來(lái)看，它節(jié)省了人力物力。從算機(jī)控制的技術(shù)應(yīng)用的方面的考慮，我認(rèn)為計(jì)算機(jī)控制的技術(shù)發(fā)展?jié)摿€是很大的，值得我們?nèi)W(xué)習(xí)去研究。總之，隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的逐漸發(fā)展，計(jì)算機(jī)的操作控制正逐步的進(jìn)入到生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。所以我們要不斷創(chuàng)新改革，創(chuàng)作出一個(gè)更好的控制體系是非常有意義的。

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第四篇：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作業(yè)參考答案

《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》作業(yè)參考答案

作業(yè)一

第一章

1.1什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？畫(huà)出典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖。

答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱(chēng)數(shù)字控制系統(tǒng),是指計(jì)算機(jī)參與控制的自動(dòng)控制系統(tǒng),既:用算機(jī)代替模擬控制裝置,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制.控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)是由硬件和軟件兩部分組成的.硬件部分: 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要是由主機(jī)、外部設(shè)備、過(guò)程輸入輸出設(shè)備組成;軟件部分: 軟件是各種程序的統(tǒng)稱(chēng)，通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

被控制量 給定值偏差控制量被控對(duì)象 調(diào)節(jié)器

_

測(cè)量環(huán)節(jié) 計(jì)算機(jī)(數(shù)字調(diào)節(jié)器)

圖1.3-2 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)

1.2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪幾種典型的類(lèi)型？各有什么特點(diǎn)。

答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)一般可分為四種類(lèi)型：

①數(shù)據(jù)處理、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)對(duì)被控對(duì)象不起直接控制作用,計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器產(chǎn)生的參數(shù)巡回檢測(cè)、處理、分析、記錄和越限報(bào)警，由此可以預(yù)報(bào)控制對(duì)象的運(yùn)行趨勢(shì)。

②直接數(shù)字控制系統(tǒng)；一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以代替多臺(tái)模擬調(diào)節(jié)器的功能，除了能實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律外, 還能實(shí)現(xiàn)多回路串級(jí)控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償控制、多變量解藕控制，以及自適應(yīng)、自學(xué)習(xí),最優(yōu)控制等復(fù)雜的控制。

③監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；它是由兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：第一級(jí)DDC計(jì)算機(jī), 完成直接數(shù)字控制功能；第二級(jí)SCC計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程提供的數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行必要的運(yùn)算，給DDC計(jì)算機(jī)提供最佳給定值和最優(yōu)控制量等。

④分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。以微處理機(jī)為核心的基本控制單元，經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道與上一級(jí)監(jiān)督計(jì)算機(jī)和CRT操作站相連。

1.3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)主要區(qū)別是什么？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點(diǎn)？

答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)主要區(qū)別：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱(chēng)數(shù)字控制系統(tǒng),是指計(jì)算機(jī)參與控制的自動(dòng)控制系統(tǒng),既:用計(jì)算機(jī)代替模擬控制裝置,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。與采用模擬調(diào)節(jié)器組成的控制系統(tǒng)相比較，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)控制規(guī)律靈活，可以在線修改。(2)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo).(3)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。(4)可以得到比較高的控制精度。(5)能同時(shí)控制多個(gè)回路，一機(jī)多用，性能價(jià)格比高。

(6)便于實(shí)現(xiàn)控制、管理與通信相結(jié)合，提高工廠企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度.(7)促進(jìn)制造系統(tǒng)向著自動(dòng)化、集成化、智能化發(fā)展。

第二章

2.1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪四種形式的信號(hào)？各有什么特點(diǎn)? 答：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常既有連續(xù)信號(hào)也有離散信號(hào)，這些信號(hào)一般是信息流,而不是能量流。可分為四種形式：⑴ 連續(xù)模擬信號(hào)：時(shí)間和信號(hào)的幅值都是連續(xù)的。

⑵ 階梯模擬信號(hào)：時(shí)間是連續(xù)的，信號(hào)的幅值是階梯形的。⑶ 采樣信號(hào)：時(shí)間是離散的，信號(hào)的幅值是連續(xù)的脈沖信號(hào)。

⑷ 數(shù)字信號(hào)：信號(hào)的時(shí)間以及幅值都是離散的，且幅值經(jīng)過(guò)了量化處理。

2.2.采樣信號(hào)的頻譜和原連續(xù)信號(hào)的頻譜有何不同？

答：采樣信號(hào)的頻譜和原連續(xù)信號(hào)的頻譜的區(qū)別：

①通常，連續(xù)信號(hào)帶寬是有限的，頻率的極限值wmax, 它的頻譜是孤立的。采樣信號(hào)的頻譜是以ωs為周期的無(wú)限多個(gè)頻譜所組成。

②∣y(jw)∣和∣y*(jw)∣形狀相似。幅值只差一個(gè)比例因子1/T(又稱(chēng)為采樣增益)。

2.3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的保持器有何作用，簡(jiǎn)述零階保持器的特點(diǎn)。

答：保持器的原理是根據(jù)現(xiàn)在時(shí)刻或過(guò)去時(shí)刻輸入的離散值,用常數(shù)、線性函數(shù)或拋物函數(shù)形成輸出的連續(xù)值。零階保持器有如下特性：

①低通特性：保持器的輸出隨著信號(hào)頻率的提高，幅值迅速衰減。

②相位滯后持性：信號(hào)經(jīng)過(guò)零階保持器會(huì)產(chǎn)生相位滯后，它對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不利的。

2.4.試求下例函數(shù)的Z變換：(采樣周期為T(mén))答：

（1）f(t)?1(t?T)（2）f(t)???9t?0t?0t?0

F(z)?1z?1 F(z)?9Tz(z?1)?at2

?a（3）f(k)???0k?1k?1,2,3,???k?0?e（4）f(t)???0sin2tt?0t?0

F(z)?za(z?a)F(z)?zez?2ze2?aTsin2Tcos2T?e?2aT?aT

2.5.設(shè)函數(shù)的La氏變換如下，.試求它們的Z變換: 答：

（1）F(s)?s?3(s?2)(s?1)（2）F(s)?1(s?5)Tze(z?e2

F(z)??zz?e?2T?2zz?e?T?5T?5T F(z)?)2

（3）F(s)?1s3（4）F(s)?10s(s?1)2

F(z)?Tz(z?1)23 F(z)?10Tz2?10(1?e?T)z?T

2(z?1)（5）F(s)?10

s2?16F(z)?2.5zsin4T2

z?2zcos4T?12.6已知函數(shù)的Z變換如下，.試求它們的y(kT): 答：（1）Y(z)?zz2 ?1ky(kT)?12?(?1)2 2（3）Y(z)?2z(z?1)(z?2)y(kT)??2(?1)k?4(?2)k（5）Y(z)?0.6zz2 ?1.6z?0.6y(kT)?1.5(?0.6)k?1.5(?1)k（7）Y(z)?z?4(1?z?1)2 y(kT)?k?3 2.7求下列函數(shù)的初值和終值：

答：（1）F(z)?2.7z z?0.8y(0)?2.7y(?)?0

(z?1)(z?1)(z?e)2）Y(z)?z(z?1)2

(z?2)y(kT)?2k?1?k

（4）Y(z)?1

z(z?0.2)y(kT)?25(0.2)k

?1（6）Y(z)?1?3z?3z?1(1?0.5z?1)(1?0.8z?1)y(kT)??3530.5k?310.8k6

（8）Y(z)?Te?aTz

(z?e?aT)2y(kT)?kTe?akT

2（2）F(z)?1.6z?zz2

?0.8z?0.5y(0)?1.6y(?)?0

（

作業(yè)二

第三章

3.1 已知差分方程x(kT)?ax(kT?T)?1(kT)，又知x(kT)?0(k?0);?1?a?1.試用Z變換法求x(kT)和x(∞)。

x(kT)?1?a11?ak答：

x(?)?1?a

3.2 已知F(z)?z22z?1.2z?0.2?1 ,試用長(zhǎng)除法和Z反變換法求解f(kT)。

答：f(kT)?1?1.2z(?0.2)4?1.24z54?2?1.248z?3?1.2496z?4????

kf(kT)???(?1)

k3.3 已知差分方程y(k?1)?2y(k)?0,y(0)?1，⑴ 用遞推法求y(k)的前三項(xiàng)。⑵ 用反變換法求解y(k)。

答：（1）y(1)??2ky(2)?4y(3)??8

（2）y(kT)?(?2)

3.4 用Z變換法求解下例差分方程: 答：（1）f(k?1)?f(k)?ay(kT)?(?2)kk,f(0)?0

（2）f(k?2)?3f(k?1)?2f(k)?r(k)其中f(0)?f(1)?0，且k?0 時(shí)f(k)?0;?0r(k)???1k?0k?0,1,2,???k

f(kT)??k?1?2

（3）y(k)?2y(k?1)?k?1 其中 y(0)?1

10(?2)?1?3k9ky(kT)?

3.5 利用勞斯判據(jù)，決定下列單位負(fù)反饋系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定時(shí)，K的取值范圍。（1）Gk(z)?K(0.1z?0.08)(z?1)(z?0.7)K(0.1z?0.08)z(z?1)(z?0.7)答：0?K?3.75

(2)Gk(z)? 答：0?K?1.23

3.6 已知下列系統(tǒng)的特征方程，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（1）z?1.5z?9?0 答：系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）z?2z?2z?0.5?0 答：系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）z?1.5z?0.25z?0.4?0 答：系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.7 設(shè)離散系統(tǒng)的框圖如圖所示，試確定閉環(huán)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍.（其中T=1s,K1=2 T1=1)32322_題圖3.7 單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)框圖

答：

HG(z)?20.736(z?1.717)(z?1)(z?0.368)z?z(0.736K?1.368)?(0.368?1.264K)?0

0?K?0.5

3.8 用長(zhǎng)除法或Z反變換法或迭代法求下列閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。（1）Gc(z)?z?0.53(z?z?0.5)2

答：y(kT)?13r(kT?T)?1316r(kT?2T)?y(kT?T)?0.5y(kT?2T)56y(3T)?76??? 即：y(T)?

y(2T)?

（2）Gc(z)?答： 0.5zz?z?0.52

Y(z)?0.5z?1?z?2?1.25z?3?1.25z?4?1.125z?5?z?6?0.9375z?7????y(0)?0,y(T)?0.5,y(2T)?1,y(3T)?1.25,y(4T)?1.25,y(5T)?1.125 y(6T)?1,y(7T)?0.9375,???

（3）Gc(z)?0.05(z?0.904)(z?1)(z?0.819)?0.05(z?0.904)

答： y(kT)?0.05r(kT?T)?0.045r(kT?2T)?1.769y(kT?T)?0.864y(kT?2T)

y(0)?0,y(T)?0.05,y(2T)?0.183,y(3T)?0.376,???

3.9 開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)如圖所示，試求Y(z)、y(0)、y(∞).已知：E(s)?1s

（1）數(shù)字調(diào)節(jié)器: u(k)??u(k?1)?e(k?1)

被控對(duì)象： Gp(s)?1s

（2）數(shù)字調(diào)節(jié)器: u(k?1)?0.5e(k?1)?0.95e(k)?0.995u(k)

1(s?1)(s?2)被控對(duì)象： Gp(s)?答：（1）Y(z)?Tz(z?1)(z?1)z2(z?1)2

y(?)??y(0)?0

（2）Y(z)?[?zz?e?T?z2(z?e?2T)]0.5z?0.95z?0.995

y(?)??45y(0)?0

3.10 設(shè)系統(tǒng)如圖所示，試求系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。

_

答：

G(z)?G1(z)G2(z)1?G1(z)G2(z)

3.11 設(shè)系統(tǒng)如圖所示，試求:（1）系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。（2）判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）分別求系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入和單位斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。

_ 答：

（1）GB(z)?1.7z?0.3z?0.7z?0.32

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定。（3）單位階躍輸入

ess?0

單位斜坡輸入時(shí)

ess?0.5第四章

4.1 已知系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，試寫(xiě)出它們的狀態(tài)方程和輸出方程：（1）y(3)?5y(2)?y?2y?u?2u ??答：

??x1???0?????x2???0?????2??x3???y??1?10?10??1??5???x1??0?????x2?1u??????x3?????3??

0?x1???0?x2????x3??

（2）y(3)?3y(2)??2y?u

答：

??x1???0?????x2???0????0??x3???y??1?10?20??1??3???x1??0?????x2?0u??????x3????1??

0?x1???0?x2????x3?? ?2u?u

?（3）y(3)?3y(2)??2y?y?u(2)答：

??x1???0?????x2???0?????1? ?x3???y??1?10?20??1??3???x1??1?????x2??1u??????x3????2??

0?x1???0?x2????x3??

4.2 已知下列系統(tǒng)的傳遞函數(shù), 試寫(xiě)出它們的狀態(tài)方程和輸出方程：（1）G(s)?答：

??x1???0?????x2???0?????5? ?x3????5?3?23?s?2s?53s?6s?9s?15322

10?30??1??2???x1???x2????x3???x1??0?????x2?0u??????x3????1??

y?1?3??

（2）G(s)?答： 5s?2s?3s?2s?532

??x1???0?????x2???0?????5? ?x3???y??2?10?20??1??3???x1??0?????x2?0u??????x3????1??

5?x1???0?x2????x3??2s?1s?7s?14s?832

4.3 已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)?答：

??x1????1?????x2???0????0??x3????1y???3?32? , 試寫(xiě)出其狀態(tài)方程,使?fàn)顟B(tài)方程為對(duì)角陣。

0?200??0??4???x1??1?????x2?1u??????x3????1??

?x1?7????x2???6???x3??

4.4 已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)?答：

??x1????1?????x2???0????0??x3???y??1?2s?6s?5s?4s?5s?2322 , 試寫(xiě)出其狀態(tài)方程,使?fàn)顟B(tài)方程為若當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型。

1?100??0??2???x1??0?????x2?1u??????x3????1??

1?x1???1?x2????x3??

4.5已知下列離散系統(tǒng)的差分方程為：（1）y(k?2)?3y(k?1)?2y(k)?4u(k)

（2）y(k?2)?5y(k?1)?3y(k)?u(k?1)?2u(k)輸出為y(k)， 試分別寫(xiě)出它們的狀態(tài)方程和輸出方程。

答：

?x1(kT?T)??0?????x2(kT?T)???2y(kT)??11???3??x1(kT)??0??????u(kT)?x2(kT)??4?（1）

?x1(kT)?0????x2(kT)?

（2）

?x1(kT?T)??0?????x2(kT?T)???3y(kT)??11???5??x1(kT)??1??????u(kT)?x2(kT)???3?

?x1(kT)?0????x2(kT)?

4.6 已知離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)G(z)?態(tài)方程。

答：直接程序法

?x1(kT?T)??0????x2(kT?T)????6y(kT)???51???5??x1(kT)??0??????u(kT)x2(kT)???1?z?2z?1z?5z?622 ,試分別用直接程序法和分式展開(kāi)法求系統(tǒng)的離散狀

?x1(kT)??3????u(kT)x2(kT)??

分式展開(kāi)法

?x1(kT?T)???2????x2(kT?T)???0y(kT)??10???3??x1(kT)??1??????u(kT)x2(kT)???1?

?x1(kT)??4????u(kT)x2(kT)??

?4.7 求解下系統(tǒng)的時(shí)間相應(yīng)。已知：X??答：

1???x1(t)???????3?4t3?

e??x2(t)??44??0??30??1?X?????(t), 初始狀態(tài)X(0)=0 ?4??0?

4.8 設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程：X(k?1)?FX(k)?Gu(k)y(k)?CX(k)

?0F????0.161??1?,G????,C??1?1??1?0?

已知輸入：u(k)=1 ,(k≥0)?x1(0)??1?X(0)? 初始狀態(tài): ?????

?x2(0)???1?試求：（1）系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F；(2)狀態(tài)方程的解X(k)；(3)系統(tǒng)的輸出y(k)。

答：（1）

?4(?0.2)?(?0.8)?3??kk??0.8(?0.2)?0.8(?0.8)?3?kkk?(kT)?Fk5(?0.2)?5(?0.8)??3?

kk?(?0.2)?4(?0.8)??3?kk

（2）

?x1(kT)??3.185(?0.8)?2.83(?0.2)?1.389?? ????kkx2(kT)?1.956(?0.8)?0.567(?0.2)?0.389????kk（3）

y(kT)?x1(kT)?3.185(?0.8)?2.83(?0.2)?1.389

kk

?1X(k?1)??4.9 已知離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式，?0.2y(k)??10.5??1.2??X(k)???u(k)1?0.5，初始狀態(tài)X(0)=0 ??0?X(k)試求系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù): G(z)?答：

G(z)?Y(z)U(z)?Y(z)U(z)

1.2z?0.95z?2z?0.92

?0.44.10 已知離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程: X(kT?T)???0.6?0.6??0.6?試判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。?X(kT)???u(kT)，0.6?0.4??答：系統(tǒng)穩(wěn)定。

作業(yè)三

第五章

5.1已知連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù):（1）G(s)?2(s?1)(s?2)；（2）G(s)?s?as(s?b)，試用沖擊不變法﹑階躍不變法﹑零極點(diǎn)匹配法﹑雙線性變換法、差分變換法，將上述傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為等效的Z傳遞函數(shù).取采樣周期T=0.1s.答：

（1）沖擊不變法 G(z)?2zz?ea?T?2zz?e??2T

z(z?1)a?bb2（2）階躍不變法 G(z)?Tz2b?ab2b(z?1)?zz?e?bT

5.2 已知比例積分模擬調(diào)節(jié)器D(s)=Kp+Ki/s ,試用后向差分法和雙線性變換法求數(shù)字調(diào)節(jié)器D（z）及其控制算法。

答：后向差分法 D(z)?Kp?

雙線性變換法 D(z)?Kp?z?0.7z?0.2KiT(z?1)2(z?1)KiTzz?1

5.3 已知Z傳遞函數(shù)G(z)?答：

G(ej?T ,試分析其頻率特性，并判斷它是低通濾波器還是高通濾波器。)?eej?Tj?T?0.7?0.222

G(ej?T

?(?)??tg?1)?(cos?T?0.7)?sin?T(cos?T?0.2)?sin?T22sin?Tcos?T?0.7?tg?1sin?Tcos?T?0.2

具有高通特性。

5.4 已知系統(tǒng)的差分方程為: y(k)?0.8y(k?1)?x(k)?2x(k?1), 其中x(k)為輸入序列，y(k)為輸出序列.試分析其頻率特性.答：

G(ej?T)?eej?T?2?0.822j?T

G(ej?T

2)?(cos?T?2)?sin?T(cos?T?0.8)?sin?T2?(?)??tg?1sin?Tcos?T?2?tg?1sin?Tcos?T?0.8

具有高通特性。

5.5 已知低通濾波器D(z)?0.5266zz?0.4734 , 求D（z）的帶寬ωm..取采樣周期T=2ms。

答： ?m?695弧度/s

5.6 已知廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)HG(z)?0.05(z?0.7)(z?0.9)(z?0.8),試設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器D(z)=Kp+Ki/(1-z)，使

-1速度誤差ess=0.1，取采樣周期T=0.1s。答： D(z)?2.115?

5.7 已知D(s)?1?0.15s0.05s0.2351?z?1 ,寫(xiě)出與它相對(duì)應(yīng)的PID增量型數(shù)字控制算法。

答： ???u(kT)?20Te(kT)?3e(kT)?3e(kT?T)?u(kT)?u(kT?T)??u(kT)

第六章

6.1 試述在最少拍設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)和誤差Z傳遞函數(shù)Ge(z)的選擇原則。

答：最少拍設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)和誤差Z傳遞函數(shù)Ge(z)的選擇原則：（1）為了保證D(z)的可實(shí)現(xiàn)性，應(yīng)選擇Gc(z)含有HG(z)的Z-r因子。

（2）為了保證D(z)的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇Gc(z)具有與HG(z)相同的單位圓上(除Z＝l外)和單位圓外的零點(diǎn)。

?1（3）為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇Ge(Z)含有(1?piz)的因子，pi是HG(z)的不穩(wěn)定的極點(diǎn)。因?yàn)椋?Gc(z)?D(z)HG(z)Ge(z)只能用Ge(z)的零點(diǎn)來(lái)抵消HG(z)中不穩(wěn)定的極點(diǎn).m（4）為了使調(diào)節(jié)時(shí)間最短(最少拍)，應(yīng)選擇Ge(z)中含有(1-Z-1)因子(m＝l，2，3)是典型輸入信號(hào)Z變換R(z)中分母的因子。（5）保持Ge(z)與Gc(Z)有相同的階次。Gc(z)?1?Ge(z)

6.2 最少拍控制系統(tǒng)有哪幾種改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

答：最少拍控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法有：

調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法的改進(jìn):慣性因子法，延長(zhǎng)節(jié)拍法，換接程序法。

6.3 已知不穩(wěn)定的廣義對(duì)象：HG(z)?2.2z?1?11?1.2z, 試設(shè)計(jì)單位階躍作用下的最少拍調(diào)節(jié)器。

答：D(z)??0.2z?1.22.2(z?1)

6.4 已知的廣義對(duì)象Z傳遞函數(shù): HG(z)?最少拍無(wú)波紋調(diào)節(jié)器。

答：

D(z)?0.83(1?0.286z1?0.78z?1?10.265z?1(1?2.78z?1?1)(1?0.2z?1?1)(1?z)(1?0.286z)，試設(shè)計(jì)單位階躍作用下的)?2?0.12z

6.5 設(shè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，被控對(duì)象Wd(s)?位階躍作用下的最少拍調(diào)節(jié)器D(z)。

10s(1?0.1s)(1?0.05s),采樣周期T=0.2s , 試設(shè)計(jì)單_

答：

HG(z)?0.761z(1?z?1

(1?1.133z?1?1)(1?0.047z)(1?0.135z?1?1?1)?1

D(z)?)(1?0.018z?1)

0.616(1?0.018z(1?0.531z?1)(1?0.135z?1))(1?0.047z)

6.6 已知被控對(duì)象G(s)?1s(s?2),采用零階保持器，采樣周期 T=0.1s.試用W變換法設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求相位裕度γ=50°,幅值裕度Kg>10dB,速度穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)Kv=5s

-1。

_

答：

GK(z)?0.018K(z?1)(z?1)(z?0.819)5w(1?12w)?1GK(w)?D(w)?1?0.622w1?0.305w

D(z)?1.92(1?0.851z(1?0.714z?1))

6.7 已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)G(s)?e?10s100s?1e?10s，取采樣周期 T=5s.試用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Gc(s)?20s?1?1。

答： D(z)?

4.51(1?0.951z1?0.779z?1)?3?0.221z

第五篇：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)期末總結(jié)

流量：1~3s溫度：10~20s

液位：5~10s壓力：1~5s

成分：10~20s位置：10~50ms

電流環(huán)：1~5ms速度：5~20ms

1at/T

s?(1/T)lnaz z?a

s?az?at?aT ez?e

p單位階躍：limz→11+G(z)=K

單位速度：limz→1T

（1?Z?1）G(z)

T2

（1?Z?1）G(z)=K vT單位加速度：limz→1

前向差分：s=z?1T=T2Ka 后向差分：s=

1?Z?1

1+Z?11?Z?1T雙線性變換：s=?T2

沖擊不變D(Z)=Z[D(S)]

階躍響應(yīng)D Z = Z [1?e?TSS]D(S)

?1?1有紋波：Φ(Z)=Z?m u+cq+v?1z?（q+v?1））i=1 1?biz（c0+c1z

?1?1無(wú)紋波：Φ(Z)=Z?m w+cq+v?1z?（q+v?1））i=1 1?biz（c0+c1z

Smith補(bǔ)償器： 1?z?N G0(Z)補(bǔ)償后系統(tǒng)特征方程：1+D0 Z G0 Z = 0 狀態(tài)反饋：ZI-(A-BK)判可控Wc求K

全維 ：ZI-(A-HC)判可觀 WO T 求HT

G Z = C(zI?A)?1B+D

外部干擾：電網(wǎng)波動(dòng)、大功率用電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和電磁開(kāi)關(guān)形成的電磁場(chǎng)、傳輸電纜的共模干擾

內(nèi)部干擾：分布電容或分布電感的耦合、多點(diǎn)接地點(diǎn)的電位差、長(zhǎng)線傳輸?shù)牟ǚ瓷?作用途徑：傳導(dǎo)耦合、靜電耦合、電磁耦合、公共阻抗耦合共模干擾抑制：變壓器的隔離、光電隔離、浮地屏蔽