[科普中国]-控制用计算机

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目前在计算机控制系统中常用的主机有工业控制计算机(微机)、单片机和数字信号处理器DSP等。

工业控制计算机工业控制计算机，简称工控机。工控机是在个人计算机的基础上加以改造，使其系统结构及功能模块的划分更适合工业过程控制的要求。工控机除了具有一般微机的丰富软件资源、开发方便的特点外，由于进行了必要的改造，还具有可靠性高、实时性好、硬件配置有较好的可装配可扩展性、可维护性好的特点，更适合工业应用。1

单片微型计算机单片微型计算机简称单片机，是在工业控制和智能化系统中应用最多的模式。单片机是在一个集成电路中集成了数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM和I/O接口)，具有价格廉、体积小、小而全、面向控制的特点，可满足很多场合的应用。1

数字信号处理器DSP数字信号处理器是一种具有特殊结构的微处理器芯片，其内部采用程序和数字分开的结构[称为哈佛结构(Harvard)]，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。与通常微处理器相比，它可实现的采样速度要高，算法的运算速度要快，因此，主要用于频带宽的快速伺服控制系统中。1

除此之外，能充当计算机控制系统主机的还有可编程控制器、嵌入式系统等。

主要功能控制用计算机在飞控系统中的运用即是飞行控制用计算机，它是现代飞控系统的核心部件，其主要功能是：

采集驾驶员输入指令及飞机运动的反馈信号，并对其进行必要的交换与处理；

飞行控制系统工作模式的管理与控制；

计算不同工作模式中的控制律，并生成必要的控制指令；

对各种控制指令的输出与管理；

对飞控系统中各传感器及伺服作动器进行余度管理；

对飞控计算机本身的硬件及软件进行余度管理与检测；

完成飞行前地面及飞行中机内对系统各子系统及部件的自动检测；

完成与机内其它任务计算机及电子部件信息交换的管理(包括座舱显示、报警信息管理)。2

基本硬件配置计算机过程控制系统必须有一个性能良好的硬件作为支持才能有效运行。右图给出了含有计算机系统描述的计算机过程控制系统组成框图。3

图中点画线所示部分是计算机过程控制系统所必需的实时控制计算机系统的最小配置。中央处理器(CPU)是计算机系统的核心，随机存储器(RAM)可做数据处理的暂存单元及堆栈，也可存放用户的应用程序。只读存储器(ROM)、可编程存储器(PROM)、电可擦除存储器(EPROM)、闪存(FLASH)等可用于存放系统的监控程序、某些固定子程序以及用户程序。由CPU、RAM、ROM(或EPROM、PROM、FLASH)等组成的计算机系统是计算机控制过程系统的核心。3

定时器用作实时控制的计时标准。当被控对象需响应紧急事件时，就向CPU发出中断申请；要求进行实时处理时，可以通过输入中断信号，使CPU转向相应的中断服务程序。

为使计算机主机与外部设备之间能正确交换信息，计算机系统中还配置有不同的接口适配器。

为了进行控制，现代计算机过程控制系统通常需要与相距较远的执行机构、传感器或其他计算机控制系统进行数据和信息交换。为了规范信息的传输，在计算机过程控制系统内部或计算机之间都采用了不同的总线。3

特点任何一台可用的计算机都是由硬件和软件构成的，这是所有计算机的共性。控制用计算机有如下特点。

较高的可靠性对于生产过程来说，由于生产的连续性，计算机发生任何故障都将对生产过程发生严重的影响。由于微处理器和微型计算机的可靠性比较高，而且价格较低，可以在关键部位采用冗余措施提高可靠性。例如采用双机备用，或用多个CPU，各CPU互为备用等冗余措施。采用分布式结构也是提高可靠性的措施之一，因为在分散控制系统中，每个功能单元只负责一个局部工作，缩小了故障所产生的影响范围。如果在正常工作的功能单元发生故障时，系统能自动将备用的功能单元投入运行，并将失效的功能单元切除，则全系统的工作可靠性将会更高。4

实时控制实时的意思就是“及时”，是计算机术语。实时控制要求在一定的时问内，对被控对象及时进行控制。超过一定的时间就失去了控制的时机，被控对象就会脱离计算机的控制而造成不可预期的后果。这里的“一定时间”将与被控对象的具体特性有关。例如对加热炉的炉温控制，如果延时一秒到数秒，仍可以认为是实时的；而一个飞行器控制系统，若延时超过几十毫秒，就可能失去对飞行器的控制时机，从而丧失对飞行器的控制能力，这是因为不同的控制对象的运行规律各不相同。炉温的变化过程很慢，而飞行器的变化过程很快。对这两种过程的计算机控制都要求“及时”，但允许的延时是不同的。

为了实现实时控制，要求计算机除了配备优先级中断处理电路和相应的中断处理程序外，还应有完善的时钟管理程序和实时操作系统，实现对各种“任务”按优先级进行调度，使计算机能按照所发生事件的轻重缓急，占用CPU的处理时间。4

与外部世界的紧密联系控制用计算机首先必须对生产过程进行数据采集，各种信号的形态各不相同，有电流信号、电压信号、脉冲信号、数字信号。电压信号有毫伏信号，也有0~5 V直流电压等，所以许多控制用计算机配备各种接口模板和信号调理模板。此外，还有模-数和数-模转换接口板等。其次，工业控制计算机往往配有通信模板，使各台工业控制机能在监控计算机的统一指挥下，协调工作。4

对环境的适应性控制用计算机往往安装在离生产现场不远的地方，工作环境恶劣，温度和湿度可能很高，还可能有粉尘、腐蚀性气体、外界震动等不利因素。生产现场还可能有高电压、大电流电气设备的电磁干扰，高频电器干扰和由于接地电位不相等而形成的共模干扰等。有的控制用微型机甚至被装在插入式线路板上，直接装在被控制的装置或机器设备上，在这些恶劣条件下，要求计算机仍能正常工作。4

不同的软件配置控制用计算机，尤其是直接数字控制机，往往配置对被控的生产过程进行控制的专用性很强的控制算法和控制策略，这些程序大部分写入EPROM中，并周而复始地循环工作。

计算机分级控制系统中的企业管理级、工厂管理级和车间管理级计算机，就比较接近于办公室自动化所用的计算机。所配置的软件分为系统软件和应用软件两种类型。系统软件是为专门的计算机系统或一个计算机系统系列所设计的软件，例如操作系统、编译程序、各种外部设备(如显示器、磁盘、打印机、光盘等)的驱动程序。应用软件是完成某种特定功能而专门研制的软件，例如生产过程监控、生产计划编制和调度、管理等软件。4