1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義與工作原理

1.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義

在工程實(shí)踐過程中，需要采取各種方法獲得反映客觀事物的量值，這種操作稱為測量或檢測；同時(shí)需要采取各種方法支配或約束某一客觀事物的進(jìn)程結(jié)果，達(dá)到一定的目的，這種操作稱為控制。

按照任務(wù)的不同，控制系統(tǒng)可以分為3大類，即檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。

●檢測系統(tǒng)：單純以檢測為目的的系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，又稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

●控制系統(tǒng)：單純以控制為目的的系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

●測控系統(tǒng)：測控一體化的系統(tǒng)，即通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸，使

控制對象實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求的系統(tǒng)。

所謂計(jì)算機(jī)控制，就是利用傳感器將被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、液位或速度等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（如電壓或電流等），再將這些代表實(shí)際物理參量的電信號(hào)送入輸入裝置中轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量，并且在計(jì)算機(jī)的顯示器中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而使操作人員能夠直觀而迅速地了解被監(jiān)控對象的變化過程。

計(jì)算機(jī)還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，隨時(shí)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和顯示，并制作各種報(bào)表。如果還需要對被監(jiān)控對象進(jìn)行控制，則由計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用軟件根據(jù)采集到的物理參量的大小和變化情況與工藝要求的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，然后在輸出裝置中輸出相應(yīng)的電信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行裝置（如調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)機(jī)）動(dòng)作，從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包含的內(nèi)容十分廣泛，它包括各種數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、自動(dòng)測量系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)等，廣泛用于航空、航天、科學(xué)研究、工廠自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)測量和控制，以及辦公自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域。

以工廠自動(dòng)化為例，計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，最初是用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，但那時(shí)只是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了簡單的程序控制。隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大量應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)過程控制的概念已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。計(jì)算機(jī)已經(jīng)大量進(jìn)入各個(gè)工業(yè)部門，承擔(dān)著生產(chǎn)過程的控制、監(jiān)督和管理等任務(wù)。

如圖1-1所示，在某工廠的計(jì)算機(jī)控制室里，操作員可以通過顯示器對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和操作。鍵盤和顯示屏替代了龐大的控制儀表盤以及大量的開關(guān)和按鈕，控制室已變得越來越小，只需很少幾個(gè)人就能完成對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和操作的任務(wù)。

圖1-1 某工廠計(jì)算機(jī)控制室

計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大了控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，使大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)入嶄新的階段。

1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

1.控制實(shí)例

下面以一個(gè)計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)為例簡要說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，圖1-2為該系統(tǒng)組成示意圖。

圖1-2 計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)組成示意圖

根據(jù)工藝要求，該系統(tǒng)要求加熱爐的爐溫控制在給定的范圍內(nèi)并且按照一定的時(shí)間曲線變化。在計(jì)算機(jī)顯示器上用數(shù)字或圖形實(shí)時(shí)地顯示溫度值。

假設(shè)加熱爐使用的燃料為重油，并使用調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用熱電偶來測量加熱爐內(nèi)的溫度。熱電偶把檢測信號(hào)送入溫度變送器，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)（15V），再將該電壓信號(hào)送入輸入裝置。輸入裝置可以是一個(gè)模塊也可以是一塊板卡，它將檢測得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)中的軟件根據(jù)該數(shù)字信號(hào)按照一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算出來的結(jié)果通過輸出裝置轉(zhuǎn)換為可以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的電流信號(hào)（4 20mA）。通過改變調(diào)節(jié)閥的閥門開度即可改變?nèi)剂狭髁康拇笮。瑥亩_(dá)到控制加熱爐爐溫的目的。

與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)中的軟件還可以將與爐溫相對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)以數(shù)值或圖形的形式在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出來。操作人員可以利用計(jì)算機(jī)的鍵盤和鼠標(biāo)輸入爐溫的設(shè)定值，由此實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控的目的。

上述計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)對生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制可以分解為以下4個(gè)步驟：

1）生產(chǎn)過程的被控參量（過程信號(hào)）通過測量環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量或電參數(shù)，再由變送器或放大器變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)。

2）電壓或電流信號(hào)經(jīng)過A—D轉(zhuǎn)換后變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并被轉(zhuǎn)換為人們易于理解的工程量（測量值）。

3）計(jì)算機(jī)根據(jù)測量值與給定值的偏差，輸出控制信號(hào)。

4）控制信號(hào)作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)物料流量或能量的大小來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)。

以上這4個(gè)過程是周而復(fù)始的。

2.工作流程

從上面的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的實(shí)例可以看出，一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程可以用圖1-3來表示。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)根據(jù)給定輸入信號(hào)、反饋信號(hào)與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)控制策略，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制被控對象，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

圖1-3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工作流程圖

由于生產(chǎn)過程的各種物理量一般都是模擬量，而計(jì)算機(jī)的輸入和輸出均采用數(shù)字量，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，對于信號(hào)輸入，需增加A—D轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信號(hào)；對于輸出，需增加D—A轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的連續(xù)模擬信號(hào)。

從本質(zhì)上講，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程可歸納為以下3個(gè)步驟。

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送器的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行采集和輸入。

2）實(shí)時(shí)控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按預(yù)定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策。

3）實(shí)時(shí)輸出控制：根據(jù)控制決策，實(shí)時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成系統(tǒng)控制任務(wù)或輸出其他有關(guān)信號(hào)，如報(bào)警信號(hào)等。

上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)正常穩(wěn)定地運(yùn)行，一旦被控量和設(shè)備本身出現(xiàn)異常狀態(tài)，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)督并做出迅速處理。