計算機控制系統(tǒng)實時性的改善措施

計算機控制系統(tǒng)實時性的改善措施摘要：隨著科學的進步，人們越來越多地用計算機來實現(xiàn)控制系統(tǒng)，因此，充分理解計算機控制系統(tǒng)是十分重要的。近年來，自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡與通信技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、電子技術(shù)的高速發(fā)展，給計算機控制技術(shù)帶來了巨大的變革。隨著現(xiàn)代測控技術(shù)的廣泛應用與深入發(fā)展，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的實時性要求也越來越高，高實時性能有效地提高了系統(tǒng)性能，尤其在航空和航天系統(tǒng)中，實時性不僅關(guān)乎到系統(tǒng)的性能，還與系統(tǒng)的可靠性和安全性密切相關(guān)。通過對計算機控制系統(tǒng)實時性的分析，指出影響計算機控制系統(tǒng)實時性的主要因素，并提出提高計算機控制系統(tǒng)實時性應采取的方法。關(guān)鍵詞：計算機控制系統(tǒng)；實時性；硬件；軟件一、計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。近年來，計算機已成為自動控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，并為自動控制技術(shù)的發(fā)展和應用開辟了廣闊的新天地。1.1計算機控制系統(tǒng)的工作原理為了簡單和形象地說明計算機控制系統(tǒng)的工作原理，圖1給出了典型的計算機控制系統(tǒng)原理框圖。在計算機控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機地輸入和輸出是數(shù)字信號，因此需要有A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟：（1）實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。（3）實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務。上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標進行工作，并對被控量和設配本身的異常及時做出處理。1.2在線方式和離線方式在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。1.3實時的含義所謂實時，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。實時的概念不能脫離具體過程，一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。1.4計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)由計算機（工業(yè)控制機）和生產(chǎn)過程兩大部分組成。圖2給出了計算機控制系統(tǒng)的組成框圖。（1）工業(yè)控制機工業(yè)控制機是指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求而設計的計算機，它包括硬件和軟件兩個組成部分。（2）生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程包括被控對象和測量變送、執(zhí)行機構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置，這些裝置都有各種類型的標準產(chǎn)品，在設計計算機控制系統(tǒng)時，跟據(jù)需要合理地選型即可。圖2計算機控制系統(tǒng)的組成框圖二、實時性的改善措施2.1硬件措施可以采用多串口數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其具有連接簡單、使用方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點。即將一個通信過程分成多個串行通信過程，通過使用多串口通訊卡由軟件對各個通訊口同時掃描，實現(xiàn)多串口通信的并行工作方式。因為Windows支持多任務管理，可以同時對多個串口進行讀寫操作。假設有許多儀表，使用5個串口通信所需要的時間僅是用1個串口通信所用時間的1/5,這樣可以大大提高通信的速度，是通信這一環(huán)節(jié)所需要的時間大大降低對實時性的改善有著很大的幫助。使用多串口智能通信技術(shù)，它是一種自帶微處理器和雙口RAM的高速通信卡，可以插在計算機的擴展槽內(nèi)。主要作用是減輕上位計算機處理工作的量，使上位機與底層儀表的通信速度加快，提高整個系統(tǒng)的刷新速度。采用多線程技術(shù)。隨著速度的提高可以使計算機的實時性得到很好的改善。可以這么的說現(xiàn)在的計算機的運行速度已經(jīng)遠遠超出了底層數(shù)據(jù)硬件的傳輸速度。如果還是簡單的一發(fā)一收式簡單的順序控制，則計算機的大量時間將浪費在等待數(shù)據(jù)上，而不是數(shù)據(jù)處理上，這樣將會嚴重浪費計算機的資源。在Windows環(huán)境下，微軟基類庫（MFC）提供了多線程支持。這樣可以每一個串口的讀寫操作對應一個線程，與上成程序的通信也用一個獨立的線程，這樣上成對儀表的操作可以快速的放映出來。從宏觀的角度看程序在對多個任務進行操作,CPU的運行速度優(yōu)勢得到了最大限度的發(fā)揮，充分利用了計算機的資源。實踐證明，采用多線程技術(shù)可以可以充分利用計算機CPU的速度優(yōu)勢加快了整個系統(tǒng)上下層的通信速度，非常有助于提高系統(tǒng)的實時性。2.2容錯技術(shù)即在容忍和承認錯誤的前提下，考慮如何消除、抑制和減少錯誤的影響的技術(shù)。常用方法是利用各種冗余技術(shù)將可靠性較低的元件組成一個可靠的系統(tǒng)。實質(zhì)是利用資源來換取較高的可靠性。冗余技術(shù)一般包括：硬件冗余、軟件容錯、指令冗余和信息冗余。（1）冗余的三種方式：硬件堆積冗余、待命儲備冗余、混合冗余。硬件堆積冗余又稱靜態(tài)冗余。即通過原件的堆積來獲得可靠性的提高，當多個功能相同的模塊運行時，表決器接受個模塊的輸出作為其輸入，并將多數(shù)表決器的結(jié)果做為系統(tǒng)的輸出。待命儲備冗余又稱動態(tài)冗余。系統(tǒng)由S+1個相同功能的模塊組成，其中一個運行，其余的將作為冷備或者熱備。顯然待命儲備冗余要求不斷地進行故障檢測和故障恢復?；旌先哂嗉磳⑶皟煞N方法混合在一起運行的方法。即當硬件堆積冗余中的一個模塊發(fā)生故障時，立即將其撤出并用無故障的待命子系統(tǒng)代替，因此即可獲得較高的可靠度，有可獲得較長的MTBF。（2）軟件容錯軟件失效機理是：由于軟件錯誤引起的軟件缺陷，當缺陷被激發(fā)時產(chǎn)生軟件故障，嚴重時導致軟件失效。因此軟件容錯的作用是及時的發(fā)現(xiàn)故障，并及時的采取措施限制、減少乃至消除故障的影響，防止軟件失效影響產(chǎn)生。目前軟件容錯的基本方法有以下兩種：恢復塊法（動態(tài)冗余）和N文本法（靜態(tài)冗余）。實現(xiàn)軟件冗余的四項基本方法有：故障檢測、損壞估計、故障恢復和缺陷處理。（即確定有缺陷的軟件部分，并將其排除使軟件正常運行。排除軟件有兩種方法，替換和重構(gòu)，即缺陷軟件不能使用，系統(tǒng)降級使用）。程序的執(zhí)行過程可以看成有一系列的操作構(gòu)成，這些操作有可以由更小的操作構(gòu)成?；謴蛪K設計法就是選擇一組操作作為容錯設計單元，從而把普通程序塊變成恢復塊。這些恢復塊是軟件包含的一系列恢復塊。一個恢復塊包含若干個功能相同，設計差異的程序塊文本。每一時刻有一個文本處于運行狀態(tài)，一旦這一文本出現(xiàn)故障則由其他文本替換，從而構(gòu)成了動態(tài)冗余。N文本法就是設計N個功能相同，但內(nèi)部差異的文本程序，文本功能即為軟件功能，N個文本分別運行以靜態(tài)方式實現(xiàn)軟件容錯。每個文本程序中設置一個或多個交叉檢測點，每當文本執(zhí)行到一個交叉檢測點時，便產(chǎn)生一個比較向量，并將此向量交給驅(qū)動程序，自己便進入等待狀態(tài)，等待來至驅(qū)動程序的指令。驅(qū)動程序的任務就是管理N的文本的運行。因此軟件容錯必須以軟件部件差異設計為基礎。所謂差異設計就是對實某一功能的軟件部件采用不同的算法，由不同的程序員，甚至不同的編程語言來設計功能相同但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)盡可能不同的多個文本。使這些結(jié)構(gòu)迥異的軟件文本在運行過程中出現(xiàn)相同的設計缺陷的概率盡可能的減少，從而達到相互冗余的目的。一般工業(yè)過程也稱之為非相似余度系統(tǒng)。（3）冗余是利用消耗時間資源來達到對系統(tǒng)的容錯目的。（4）信息冗余計算機控制系統(tǒng)中的信息發(fā)生偏差的一般場合是：數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)對存儲器的讀寫、數(shù)據(jù)的運算。信息冗余就是利用增加所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息多余度來提高可靠性，即在數(shù)據(jù)信息中附加校驗段（驗錯碼或糾錯碼），以檢查數(shù)據(jù)是否發(fā)生偏差，并當有偏差時糾正偏差。常用的校驗碼有奇偶校驗碼、循環(huán)冗余碼、CRC、定比傳輸碼等。常用的糾正碼有海明碼和循環(huán)碼等。三、總結(jié)計算機控制系統(tǒng)（ComputerControlSystem，簡稱CCS）是應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。利用計算機及時搜集檢測數(shù)據(jù)，按最佳值對控制對象進行自動調(diào)節(jié)或自動控制，及時響應外部事件的請求在規(guī)定的嚴格時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時設備和實時任務協(xié)調(diào)一致地工作。計算機應用與生產(chǎn)過