1.2.2 計算機控制系統

計算機控制系統的控制過程可簡單地歸納為三個階段。

（1）信息的獲取

計算機可以通過其外部設備獲取被控對象的實時信息和人的指令性信息，這些信息是計算機進行計算或決策的素材和依據。

（2）信息的處理

計算機可根據預先編好的程序對從外部設備獲取的信息進行處理，這種數據處理應包括信號的濾波、線性化校正、標度的變換、運算與決策等。

（3）信息的輸出

計算機將最終處理完的信息通過外部設備送到控制對象，通過顯示、記錄或打印等操作輸出其處理或獲取信息的情況。

計算機控制系統包括硬件和軟件兩大部分。硬件由計算機主機、接口電路、外部設備組成，是計算機控制系統的基礎；軟件是計算機主機中的程序和數據，它能夠完成對接口和外部設備的控制，完成對信息的處理，包括維持計算機主機工作的系統軟件和為完成控制而進行信息處理的應用軟件兩大部分。軟件是計算機控制系統的關鍵。

計算機控制系統由工業控制計算機主體（包括硬件、軟件與網絡結構）和被控對象兩大部分組成。從圖1-1和圖1-2所示控制系統可以看出，自動控制系統的基本功能是信號的傳遞、處理和比較，這些功能是由傳感器的測量變送裝置、控制器和執行機構來完成的。控制器是控制系統中最重要的部分，它從質和量兩方面決定了控制系統的性能和應用范圍。

若把圖1-1和圖1-2中的控制器用計算機系統來代替，就構成了計算機控制系統，其典型結構如圖1-3所示。

計算機控制系統在結構上也可以分為開環控制系統和閉環控制系統兩種。

控制系統中引入了計算機，就可以充分利用計算機強大的計算、邏輯判斷和記憶等信息處理能力，運用微處理器或微控制器的豐富指令，就能編制出滿足某種控制規律的程序，執行該程序，就可以實現對被控量的控制。

在計算機控制系統中，計算機處理的輸入和輸出信號都是數字化量，因此，在這樣的控制系統中，需要有將模擬信號轉換為數字信號的模/數（A/D）轉換器，以及將數字控制信號轉換為模擬輸出信號的數/模（D/A）轉換器。

計算機控制系統執行控制程序的過程如下。

1）實時數據采集：對被控量以一定的采樣間隔進行測量，并將采樣結果輸入計算機。

2）實時計算：對采集到的被控量進行處理后，按預先規定的控制規律進行控制率的計算，或稱決策，決定當前的控制量。

3）實時控制：根據實時計算結果，將控制信號送往控制的執行機構。

4）信息管理：隨著網絡技術和控制策略的發展，信息共享和管理也介入到了控制系統中。

上述測量、控制、運算、管理的過程不斷重復，使整個系統能夠按照一定的動態品質指標進行工作，并且對被控量或設備出現的異常狀態及時監督并迅速做出處理。

前面所講的計算機控制系統的一般概念中，計算機直接連接著工業設備，不通過其他介質來間接進行控制決策。這種生產設備直接與計算機控制系統連接的方式，稱為“聯機”或“在線”控制。如生產設備不直接與計算機控制系統連接，則稱為“脫機”或“離線”控制。

如果計算機能夠在工藝要求的時間范圍內及時對被控量進行測量、計算和控制輸出，則稱為實時控制。實時控制的概念與工藝要求緊密相關，如快速變化的壓力對象的實時控制要比緩慢變化的溫度對象的實時控制快。實時控制的性能通常受到一次儀表的傳輸延遲、控制算法的復雜程度、微處理器或微控制器的運算速度和被控量的輸出延遲等因素的影響。

計算機控制系統分類方式繁多，根據應用場合可以分為過程控制系統與運動控制系統兩大類。過程控制系統是指以溫度、壓力、流量、液位（或物位等）、成分和物性等為被控量的流程工業中的控制系統。運動控制系統主要指以位移、速度和加速度等為被控量的控制系統，如以控制電動機的轉速、轉角為主的機床控制和跟蹤控制系統。這兩類控制系統雖然基于相同的控制理論，但因控制過程的性質、特征和控制要求等不同，導致了控制思路、控制策略和控制方法上的區別。