0.1 計算機測控系統的含義與特點

1.測控系統的含義

在工程實踐的過程中，需要采取各種方法以獲得反映客觀事物的量值，這種操作稱為測量或檢測；也需要采取各種方法支配或約束某一客觀事物的進程結果，達到一定的目的，這種操作稱為控制。

按照任務的不同，測控系統可以分為三大類，即檢測系統、控制系統和測控系統。

● 檢測系統：單純以檢測為目的的系統。主要實現數據的采集，又稱為數據采集系統。

● 控制系統：單純以控制為目的的系統。主要實現對生產過程的控制。

● 測控系統：測控一體化的系統，即通過對大量數據進行采集、存儲、處理和傳輸，使控制對象實現預期要求的系統。

工程上，大量的實際系統是測控系統，通常把測控系統也稱為控制系統。

所謂計算機測控，就是利用傳感器將被監控對象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度等）轉換為電參量（如電壓、電流），再將這些代表實際物理參量的電參量送入輸入裝置中并轉換為計算機可識別的數字量，在計算機的顯示器中以數字、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控對象的變化過程；除此之外，計算機還可以將采集到的數據存儲起來，隨時進行分析、統計和顯示并制作各種報表。如果需要對被監控的對象進行控制，則由計算機中的應用軟件根據采集到的物理參量的大小和變化情況與工藝要求的設定值進行比較判斷，然后在輸出裝置中輸出相應的電信號，推動執行裝置（如調節閥、電動機）動作從而完成相應的控制任務。

計算機測控系統包含的內容十分廣泛，它包括各種數據采集和處理系統、自動測量系統、生產過程控制系統等，廣泛用于航空、航天、核科學研究、工廠自動化、農業自動化、實驗室自動測量和控制以及辦公自動化、商業自動化、樓宇自動化、家庭自動化等人類活動的各個領域。

以工廠自動化為例，計算機在工業生產過程中的應用始于20世紀60年代初期，首先是用于化學工業生產過程的自動控制，當時，只是用計算機實現了簡單的程序控制。20世紀70年代以后，隨著微處理機的出現和大量應用，工業生產過程控制的概念已經發生了很大的變化。今天，計算機已經大量進入各個工業部門，承擔著生產過程的控制、監督和管理等任務。在工廠的控制室里，如圖0-1所示，操作員可以通過顯示終端對生產過程進行監督和操縱，鍵盤和顯示屏幕替代了龐大的控制儀表盤以及大量的開關和按鈕，控制室已變得越來越小，只需很少幾個人就能完成對生產過程進行監督和操縱的任務。

計算機在測控領域中的應用有力地推動了自動控制技術的發展，擴大了控制技術在工業生產中的應用范圍，使大規模的工業生產自動化系統發展到了嶄新的階段。

隨著科學技術的迅速發展，計算機測控技術的應用領域日益廣泛，在冶金、化工、電力、自動化機床、工業機器人控制、柔性制造系統和計算機集成制造系統等工業控制方面已取得了令人矚目的研究與應用成果，在國民經濟中發揮著越來越大的作用。

2.測控系統微機化的重要意義

傳統的測控系統主要由“測控電路”組成，所具備的功能較少，也比較弱。隨著計算機技術的迅速發展，使得傳統的測控系統發生了根本性的變革，即采用微型計算機作為測控系統的主體和核心，替代傳統測控系統的常規電子線路，從而成為新一代的微機化測控系統。由于微型計算機的速度快、精度高、存儲容量大、功能強及可編程等特點，將微型計算機引入測控系統中，不僅可以解決傳統測控系統不能解決的問題，而且還能簡化電路、增加或增強功能、提高測控精度和可靠性，顯著增強測控系統的自動化、智能化程度，可以縮短系統研制周期，降低成本，易于升級換代等。因此，現代測控系統設計，特別是高精度、高性能、多功能的測控系統，目前已很少有不采用計算機技術的了。在當今，完全可以這樣說，沒有微處理器的儀器就不能稱為儀器，沒有微型計算機的測控系統就更不能稱其為現代工業測控系統。

計算機技術的引入，為測控系統帶來以下一些新特點和新功能。

● 自動清零功能。在每次采樣前對傳感器的輸出值自動清零，從而大大降低因測控系統漂移變化造成的誤差。

● 量程自動切換功能?？筛鶕y量值和控制值的大小改變測量范圍和控制范圍，在保證測量和控制范圍的同時提高分辨率。

● 多點快速測控。可對多種不同參數進行快速測量和控制。

● 數字濾波功能。利用計算機軟件對測量數據進行處理，可抑制各種干擾和脈沖信號。

● 自動修正誤差。許多傳感器和控制器的特性是非線性的，且受環境參數變化的影響比較嚴重，從而給儀器帶來誤差。采用計算機技術，可以依靠軟件進行在線或離線修正。

● 數據處理功能。利用計算機技術可以實現傳統儀器無法實現的各種復雜的處理和運算功能，如統計分析、檢索排序、函數變換、差值近似和頻譜分析等。

● 復雜控制規律。利用計算機技術不僅可以實現經典的PID控制，還可以實現各種復雜的控制規律，如自適應控制、模糊控制等；同時也能夠實現控制方案和控制規律的在線修改，使整個系統具有很大的靈活性與適應性。

● 多媒體功能。利用計算機的多媒體技術，可以使儀器具有聲光、語音、圖像、動畫等功能，增強測控系統的個性或特色。

● 通信或網絡功能。利用計算機的數據通信功能，可以大大增強測控系統的外部接口功能和數據傳輸功能。采用網絡功能的測控系統則將拓展一系列新穎的功能。

● 自我診斷功能。采用計算機技術后，可對控制系統進行監測，一旦發現故障則立即進行報警，可顯示故障部位或可能的故障原因，并提示排除故障的方法。

通過應用計算機測控技術，可以穩定和優化生產工藝，提高產品質量，降低能源和原材料的消耗，降低生產成本；更為重要的是通過應用計算機測控技術還可以降低勞動者的生產強度，提高領導者的管理水平，從而帶來極大的社會效益。正因為如此，計算機測控技術得到了迅速的發展。

3.計算機測控系統的特點

計算機測控系統和一般常規測控系統相比，有如下突出特點。

● 技術集成和系統復雜程度高。計算機測控系統是計算機、控制、通信、電子等多種高新技術的集成，是理論方法和應用技術的結合。由于信息量大、速度快和精度高，因此能實現復雜的控制規律，從而達到較高的控制質量。計算機控制系統實現了常規系統難以實現的多變量控制、智能控制、參數自整定等。

● 實時性強。計算機控制系統是一個實時計算機系統，可以根據采集到的數據，立即采取相應的動作。例如，檢測到化學反應罐的壓力超限，可以立即打開減壓閥，這樣就可以避免爆炸的危險。實時性是區別于普通計算機系統的關鍵特點，也是衡量計算機控制系統性能的一個重要指標。

● 可靠性高和可維修性好。這兩個因素決定系統的可用程度。由于采取有效的抗干擾、冗余、可靠性技術和系統的自診斷功能，計算機測控系統的可靠性高且可維修性好。例如，有的工控機一旦出現故障，能迅速指出故障點和處理辦法，便于立即修復。

● 環境適應性強。工業環境惡劣，要求工業控制機能適應高溫、高濕、腐蝕、震動、沖擊、灰塵等工業環境。一般的工業控制機有較高的電磁兼容性。

● 控制的多功能性。計算機控制系統具有集中操作、實時控制、控制管理、生產管理等多種功能。

● 應用的靈活性。由于軟件功能豐富、編程方便和硬件體積小、重量輕以及結構設計上的模塊化、標準化、使系統配置上有很強的靈活性。例如，一些工控機有操作簡易的結構化、組態化控制軟件，硬件的可裝配性、可擴充性也很好。

另外，技術更新快，信息綜合性強，內涵豐富，操作便利等也都是計算機測控系統的一些特點。