1.2.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可簡單地歸納為三個過程。

（1）信息的獲取

計算機(jī)可以通過計算機(jī)的外部設(shè)備獲取被控對象的實(shí)時信息和人的指令性信息，這些信息是計算機(jī)進(jìn)行計算或決策的素材和依據(jù)。

（2）信息的處理

計算機(jī)可根據(jù)預(yù)先編好的程序?qū)耐獠吭O(shè)備獲取的信息進(jìn)行處理，這種數(shù)據(jù)處理應(yīng)包括信號的濾波、線性化校正、標(biāo)度的變換、運(yùn)算與決策等。

（3）信息的輸出

計算機(jī)將最終處理完的信息通過外部設(shè)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(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。硬件由計算機(jī)、接口電路、外部設(shè)備組成，是計算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；軟件是安裝在計算機(jī)中的程序和數(shù)據(jù)，它能夠完成對其接口和外部設(shè)備的控制，完成對信息的處理，它包括維持計算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件和為完成控制而進(jìn)行信息處理的應(yīng)用軟件兩大部分，軟件是計算機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

計算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和被控對象兩大部分組成。從圖1-1和圖1-2所示的控制系統(tǒng)可以看出，自動控制系統(tǒng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的。控制器是控制系統(tǒng)中最重要的部分，它從質(zhì)和量這兩個方面決定了控制系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。

若把圖1-1和圖1-2中的控制器用計算機(jī)系統(tǒng)來代替，就構(gòu)成了計算機(jī)控制系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

計算機(jī)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上也可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種。

圖1-3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)中引入計算機(jī)，就可以充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算、邏輯判斷和記憶等信息處理能力。運(yùn)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(guī)律的程序，執(zhí)行該程序，就可以實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。

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

計算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制程序的過程如下。

1）實(shí)時數(shù)據(jù)采集：以一定的采樣間隔對被控參數(shù)進(jìn)行測量，并將采樣結(jié)果輸入計算機(jī)。

2）實(shí)時計算：對采集到的被控參數(shù)進(jìn)行處理后，按預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行控制率的計算，或稱決策，決定當(dāng)前的控制量。

3）實(shí)時控制：根據(jù)實(shí)時計算結(jié)果，將控制信號送往控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4）信息管理：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入控制系統(tǒng)中。

上述測量、控制、運(yùn)算、管理的過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)能夠按照一定的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并且對被控參數(shù)或控制設(shè)備出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行及時監(jiān)督并迅速做出處理。

在前面所講的計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念中，計算機(jī)直接連接著工業(yè)設(shè)備，不通過其他介質(zhì)來間接進(jìn)行控制決策。這種生產(chǎn)設(shè)備直接與計算機(jī)控制系統(tǒng)連接的方式，稱為“聯(lián)機(jī)”或“在線”控制。如生產(chǎn)設(shè)備不直接與計算機(jī)控制系統(tǒng)連接，則稱為“脫機(jī)”或“離線”控制。

如果計算機(jī)能夠在工藝要求的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進(jìn)行測量、計算和控制輸出，則稱為實(shí)時控制。實(shí)時控制的概念與工藝要求緊密相連，如快速變化的壓力對象控制的實(shí)時控制時間要比緩慢變化的溫度對象的實(shí)時控制時間快。實(shí)時控制的性能通常受一次儀表的傳輸延遲、控制算法的復(fù)雜程度、微處理器或微控制器的運(yùn)算速度和控制量輸出的延遲等影響。

計算機(jī)控制系統(tǒng)分類方式繁多，按應(yīng)用場合可以分為過程控制系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)兩大類。

過程控制系統(tǒng)是指以溫度、壓力、流量、液位（或物位等）、成分和物性等為被控參數(shù)的流程工業(yè)中的一類控制系統(tǒng)。

運(yùn)動控制系統(tǒng)主要指以位移、速度和加速度等為被控參數(shù)的一類控制系統(tǒng)，如以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角為主的機(jī)床控制和跟蹤控制等系統(tǒng)。

這兩類控制系統(tǒng)雖然基于相同的控制理論，但因控制過程的性質(zhì)、特征和控制要求等的不同，帶來了控制思路、控制策略和控制方法上的區(qū)別。