《计算机控制技术》 机械第3版 习题及答案 第5章 计算机控制系统设计与调试.docx

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1、第5章计算机控制系统的设计与调试习题与思考题5-1设计一套计算机控制系统需要具备哪几方面的知识？5-2设计一套计算机控制系统一般可以采取哪几种途径？5-3计算机控制系统有哪些常用的设计方法？5-4何谓计算机控制系统的规范化设计？其具体内容是什么？5-5计算机控制系统的安装有哪些要求？5-6在计算机控制系统调试工作中应注意哪些事项？5-7计算机控制软件测试的方法和原则是什么？参考答案5-1设计一套计算机控制系统需要具备哪几方面的知识？答：微型机测控系统的设计既是一个理论问题，又是一个工程实际问题。它包括自动控制理论、计算技术、计算方法，也包括自动检测技术与数字电路，是一个多学科的应用。设计微型机

2、测控系统要具备以下几方面的知识和能力。首先必须具有一定的硬件基础知识。这些部件不仅包括各种微型机、单片机、存储器及I/O接口，而且还包括对仪器或装置进行信息设定的键盘及开关、检测各种输入量的传感器、控制用的执行装置、与微型机及各种仪器进行通信的接口，以及打印和显示设备等。其次，需要具备一定的软件设计能力。能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序，主要有数据采样程序、A/D、D/A转换程序、数码转换程序、数字滤波程序、标度变换程序、键盘处理程序、显示及打印程序、通信程序以及各种控制算法及非线性补偿程序等等。第三，具有综合运用知识的能力。必须善于将一台微型计算机化仪器或装置的复杂设计任务划分成

3、许多便于实现的组成部分。特别是对软件、硬件折中问题能够恰当地运用。设计微型机控制系统的一般原理是先选择和组织硬件，构成最小系统。其次是当硬件、软件之间需要折中协调时，通常解决的办法是尽量减少硬件(以便使系统的价格降到最低)，接着应满足设计中各方面对软件的要求。因此，就一台智能化仪器而言，衡量其设计水平时，往往看它在“软硬兼施”方面的运用能力。通常情况下，硬件实时性强，但将使系统增加投资，且结构复杂：软件可避免上述缺点，但是实时性比较差。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象动态、静态特性，有时甚至要求出被控对象的数学模型。微型机控制系统设计主要包括下面几方面内容：

4、(1)控制系统总体方案设计。包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等。(2)选择各参数检测元件及变送器；(3)建立数学模型及确定控制算法；(4)选择微型机，并决定是自行设计还是购买成套设备；(5)系统硬件设计，包括接口电路、逻辑电路及操作面板；(6)系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计；(7)系统的调试及实验。5-2设计一套计算机控制系统一般可以采取哪几种途径？答：设计一套计算机测控软件一般可以采取自行设计、委托设计以及委托设计和自行设计相结合等设计途径。D自行设计自行设计对设计者或设计单位的要求较高，具有设计能力的公司、科研院所一般采取这一方式。这些设计单位往往

5、根据市场的需要或用户的委托，设计出通用的测控软件或针对某一应用领域的测控软件。自行开发的周期相对较长，但设计费用最低。2)委托设计不具备设计、开发能力的公司、工厂用户一般采取这种途径设计测控软件。用户只需向设计方提出自己的要求和工艺需求，具体的设计工作则由设计单位去完成。这种途径的开发周期较短，但设计费用较高。3)委托设计和自行设计相结合有些用户自身具有一定的设计能力，他们所需的只是某一方面的技术支持，例如某个有特殊要求的功能模块不能自行设计；有些具有设计能力的单位，为了开发针对某个领域的测控系统或产品，需要行业技术的支持，这时候，设计单位又和相关领域的用户进行联合开发。5-3计算机控制系统有

6、哪些常用的设计方法？答：系统设计有很多方法。随着系统规模的增大和复杂性的增加，现在已越来越强调规范化和结构化的设计。这里主要介绍这两种方法，其它设计方法请读者查阅有关文献。1)规范化设计当系统规模和复杂程度不断地提高时，必须依靠许多人共同完成一项复杂的系统工程。这时，就必须依靠一系列的规范化技术文件来协调彼此之间的关系，保证多人参与的开发项目能顺利进行。首先，规范化设计要实现设计文件的规范化。设计文件的规范化不仅指硬件开发的设计结果是一系列的电气和机械图纸，而且也指软件设计中的一系列文档、数据和代码。对设计文件的基本要求是描述的正确性。它强调描述过程要严密，不能使人产生误解和歧义，同时，要有易

7、读性。其次，规范化设计要体现标准化。现在，开放式系统结构已成为国际上新产品设计的主流。不同公司的产品都按国际标准进行设计生产，使不同系统的产品能互连或兼容。国际标准组织ISO、IEC、IEEE等已在电气标准方面颁布了很多相应的标准供各国的工程技术人员参考执行。因此，我们在设计系统时，就要采用相应的标准，如总线标准、通信接口协议等，使设计出来的系统能符合相关的国际标准，增强产品竞争能力。规范化的技术文件是规范化设计结束后的产品。它的形成过程就是将以前无序的设计变成有序的规范化设计过程。有了规范化的设计文件，才能对系统的质量提供保证。规范化设计文件是系统实施时的指导性文件，同时也是系统维护和升级的

8、依据。另一方面，它对系统的测试和验收也是一个纲领性文件。规范化、标准化的设计开发过程是保证产品质量、提高产品开发效率的重要手段。只有采用了规范化的设计方法后，才有可能产生规范化、标准化的相关技术文件。这些文件是设计阶段结束后惟一可见的结果产品（严格地说，每一阶段设计都要产生相应阶段的规范化技术文件）。据此可以检查各工程部分（软硬件子系统）的进度，也是促进不同子系统研制人员合作交流，消除系统设计对具体人员的依附性的一个重要工具。随着集成电路工艺水平的不断进步，工控机控制系统的设计有一种趋向，即硬件设计逐步趋向标准化、模块化、产品化，使得硬件设计工作量有所减少，而软件系统的设计工作量却在不断地加大

9、，系统的复杂性也不断提高。软件设计曾经在很大程度上依靠设计人员的经验，设计过程又多集中在头脑中进行，旁人难于介入。因此，规范化、标准化设计强调的重点现在已移往软件设计方面，产生了新的学科一一软件工程学。有关软件工程的论述很多，国家也颁布了软件设计的规范化标准，建议读者设计时能参照执行。在规范化的设计文件中，根据系统的特点和不同要求可以采用文字、表格和图形等描述方式。一般情况下，系统的体系结构、机械结构等内容采用图形方式来表达；系统流程图、信息流图、控制回路图等内容采用图形及表格来表达；系统的数据名称、采样点、输出点则通常汇总后采用表格形式列出；通用技术要求采用文字加以表达。表达的形式随读者对象

10、的不同也有所不同。内部交流的技术性文件可使用专业性术语，需要与用户交流的文件则尽量采用通俗文字加以表达。2）结构化设计结构化设计是与规范化设计相辅相成的。规范化设计保证了结构化设计的顺利进行，而采用结构化设计后可促使系统进一步规范化和标准化。（1）硬件结构化设计硬件结构化是电气部件和集成电路规范化、标准化的结果。它是开放式系统设计的产物。工业化协作生产的发展加速了硬件结构化的形成，各种功能卡或模块的面市，为使用者提供了丰富的可选资源。因此,硬件结构化模式已被普遍采用。例如，一个以IPC为基础的控制系统采用PcI总线标准，将CPU卡、显示卡、存储设备及各种I/O接口板卡或模块连接起来，由CPU完

11、成控制功能，由显示卡完成显示功能，由存储设备完成数据的存储和读写，由I/O接口完成CPU和外围设备的数据交换。一台主机箱内的槽口数目有限，如果I/O板卡数目较多，则可选用专用的扩展机箱。这种扩展机箱同样带有独立的电源，拥有多个插槽，主机与扩展箱通过电缆线相连，扩展箱上的端子排与现场信号相连。如果一台扩展箱不能容纳下全部所需的I/O模板，还可再连第二台乃至更多的扩展机箱。这样的灵活方式扩大了1/0板的连接点数。如果系统规模进一步扩大，则可将系统分成不同的层次，每一层次内由多个IPC机构成节点站组成。采用结构化的分层模块体系结构就可组成规模不同、功能各异的应用系统。（2）软件的结构化设计软件的结构

12、化设计方法于20世纪70年代初提出，主要是随着系统规模的增大和复杂度的增加而提出的。为了保证软件开发的质量，应该采取工程化设计方法。它借鉴于硬件结构化设计的思想，将软件设计改为分阶段的工程化设计，并将软件体系同时划分为一个个独立的功能模块。每个模块间相互独立而又互有联系。所谓模块独立化是指每个功能模块具有相应独立的功能，若干个功能模块组合成功能更全的模块。各模块间通过一定的接口参数的传递实现互连，组合成一个应用系统。现在的结构化程序设计方法已广泛运用结构化模块设计技术。它是将一个复杂的软件系统分解成多层结构，每一层由一个或多个模块组成，上层的模块通过调用下层的功能模块实现其功能，如此逐层分解，

13、直至最底层的最小独立模块为止。层次结构设计也是以模块化设计为基础的。软件的模块是由代码行组成的功能块，模块的划分应尽量满足如下条件。（I）模块的内部结构对外界而言如同一个“黑匣子”，其内部结构的变化不影响模块的外部接口条件，一般只需要知道调用的输入输出参数和实现的功能，而不必关心其内部的实现过程。（2）将模块间的联系减至最小，一般只传递必要的数据（正如子程序、函数的入口参数和出口参数）而不传递状态参数，以减少相互依存的程度。（3）每个模块只实现一至两个基本功能，每个模块的源程序行不要过多，以便调试和查错。采用结构化的软件设计，大大降低了系统设计和系统实施的复杂程度。当硬件和软件的设计分开以后，

14、我们可以将复杂的软件系统分解成若干个子系统，再将一个个子系统逐层分解成一系列的层次型的模块，直至分解到最基本的模块为止。每一层次的结构都应该有相应的模块说明书。当软件系统完成之后，也产生一系列的规范化的技术文件。根据这些规范化的文件，我们可以进一步进行下列工作：（1）将这些不同模块的具体设计与实现交给不同的人员来承担，模块的具体设计者只要完成说明书规定的功能和接口规范，而不需要考虑其他部分的设计，这样，大大减少了多人平行开发时的相互牵制现象，有利于开发效率的提高。（2）可以考虑调试与开发的同步问题。模块的调试因关联程度的降低而变得容易进行，在各独立模块都调试通过的基础上，组合后进行联调，成功可

15、能性得以大大提高，系统调试的效率也相应得到了提高。（3）确认系统功能的调整限度。由于功能的修改已变得容易。当需要进行功能调整时，只需要修改其中某几个功能模块，或改变若干功能模块的组合方式，就能达到目的。（4）成熟的模块文档要完整并及时归库，以供不同的系统使用，可提高整体开发的效率。结构化模块设计方法已给系统设计带来了明显的好处，在大规模的软件系统设计中，更显其优越性。因此，近年来这种技术得到了迅速的发展，并有不少新的结构化设计方法出现。当一个系统中的软硬件都是由标准化、结构化的部件有机组合而成时，可以认为，这个系统的扩充性、可维护性等用户所关心的性能也必然是较好的。因此我们在进行系统设计时，应

16、尽量采用这种技术。5-4何谓计算机控制系统的规范化设计？其具体内容是什么？答：开发一套控制系统，首先要明确用户的要求，确立系统的功能和规范，以明确系统与外界的“接口”关系，规定系统该干些什么工作，交付的系统应是一个什么样的“模样”。至于系统内部的配置如何，控制流程如何则不在讨论之列。成功的功能规范应是各方认可，多次讨论协商后的最终文档。只有认真地做好了这一步工作，才能保证开发后期不至于出现较大的反复。同时，确切的功能规范的描述，也成为系统测试、验收的重要依据。一个较大的工控机控制系统的功能规范包括较多的内容，一般包括系统的各项功能与性能的描述，可靠性、操作界面、环境条件、维护方面的指标等内容。描述内容的多少由此系统的规模和它的复杂性决定。一般系统规模越大，复杂性越高，功能越丰富，则系统的功能规范也就越详尽，反之可以适当简化。但无