1.1 項目一：計算機控制系統的組成

1.1.1 任務1：控制系統的概念

計算機控制系統由計算機（通常稱為工業控制計算機）和工業對象兩大部分組成。在工業領域中，自動控制技術已獲得了廣泛的應用。如圖1-1所示，常規儀表組成的自動控制系統根據不同的控制要求，一般分成閉環控制系統與開環控制系統兩種結構形式。

在圖1-1a閉環控制系統中，測量元件對被控對象的被控量（如溫度、壓力、流量、轉速、位移等）進行測量；變換發送單元（測量變送器）將被測量變成電壓（或電流）信號，反饋給控制器；控制器將反饋回來的信號與給定值進行比較，如有偏差，控制器就產生控制信號驅動執行器工作，使被控參數的值達到預定值。這種信號傳遞形成了閉合回路，因此稱其為按偏差進行控制的閉環反饋系統。

開環控制系統與閉環控制系統不同，如圖1-16所示，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據設定值驅動執行器去控制被控對象，被控量在整個控制過程中對控制量不產生影響，所以這種信號的傳遞是單向的。通常所說的程序（順序）控制系統，就屬于這類開環控制系統。顯然，開環控制系統不能自動消除被控量與設定值之間的偏差，控制性能不如閉環控制系統。

大多數控制系統（即所謂定值控制系統）均采用閉環控制系統，因此，通常意義下的自動控制系統也是指閉環控制系統。自動控制系統的基本功能是信號的傳遞、加工和比較。這些功能是由測量元件、變換發送單元、控制器和執行器來完成的?？刂破魇强刂葡到y中最重要的部分，它決定了控制系統的性能和應用范圍。

為了簡單和形象地說明計算機控制系統的工作原理，圖1-2給出典型的計算機控制系統原理組成。在計算機控制系統中，由于工業控制計算機的輸入和輸出是數字信號，而測量變送器輸出的以及大多數執行機構所能接收的都是模擬信號，故需要將模擬信號轉換為數字信號的A-D轉換器和將數字信號轉換為模擬信號的D-A轉換器。在實際的工業生產過程中，一般不會是圖1-2所示的單回路控制系統，而是利用計算機具有的高速運算處理能力，采用分時控制方式同時控制多個回路。它是把圖1-1中的控制器用控制計算機（即微型計算機）及A-D（模-數）轉換接口與D-A（數-模）轉換接口代替，由于計算機采用的是數字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，故需要有A-D轉換器將模擬量轉換為數字量作為其輸入信號，以及D-A轉換器將數字量轉換為模擬量作為其輸出信號。

計算機控制系統的監控過程可歸為以下三個步驟。

1）實時數據采集：對來自測量變送器的被控量的瞬時值進行采集和輸入。

2）實時數據處理：對采集到的被控量進行分析、比較和處理，按一定的控制規律運算，進行控制決策。

3）實時輸出控制：根據控制決策，適時地對執行器發出控制信號，完成監控任務。

上述過程不斷重復，使整個系統按照一定的品質指標正常穩定地運行，一旦被控量和設備本身出現異常狀態，計算機能實時監控并迅速處理。

計算機控制系統與普通計算機系統的主要區別在于系統的實時性。實時性是指工業控制計算機系統應該具有的能夠在限定的時間內對外來事件做出反應的特性。通俗地講，所謂“實時”是指信號的輸入、運算處理和輸出能在一定的時間內完成，超過這個時間，就會失去控制時機?！皩崟r”是一個相對概念，如大型水池的液位控制，由于時間慣性很大，延時幾秒乃至幾十秒仍然是“實時”的；而彩色印刷機的拖動電動機控制，“實時”一般是指幾毫秒或更短的時間。實時的概念不能脫離具體過程，一個在線的系統不一定是一個實時系統，但一個實時控制系統必定是在線系統。一個完整的計算機控制系統是由硬件和軟件兩大部分組成的。