摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越多的用計算機來實現(xiàn)控制。近年來，計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，給計算機控制技術(shù)帶來了巨大的發(fā)展。然而，設(shè)計一個性能好的計算機控制系統(tǒng)是非常重要的。計算機控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，一個完整的控制系統(tǒng)還需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，系統(tǒng)的抗干擾性能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：計算機控制技術(shù)；系統(tǒng)；應(yīng)用

一、計算機控制系統(tǒng)簡介

1.采用計算機進行控制的系統(tǒng)稱為計算機控制系統(tǒng)，也稱它為數(shù)字控制系統(tǒng)。若不考慮量化問題，計算機控制系統(tǒng)即為采樣系統(tǒng)。進一步，若將連續(xù)的控制對象和保持器一起離散化，那么采樣控制系統(tǒng)即為離散控制系統(tǒng)。所以采樣和離散系統(tǒng)理論是研究計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

2.計算機控制系統(tǒng)的控制過程

（1）實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行數(shù)據(jù)分析和處理，并按已定的控制規(guī)律決定進一步的的控制過程。

（3）實時控制：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。

3.計算機控制系統(tǒng)的特點

（1）結(jié)構(gòu)上。計算機控制系統(tǒng)中除測量裝置、執(zhí)行機構(gòu)等常用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計算機，所以計算機控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。

（2）計算機控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數(shù)字等多種信號形式。

（3）由于計算機控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號外，還包含有數(shù)字信號，從而使計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設(shè)計。

（4）計算機控制系統(tǒng)中，修改一個控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律和對控制方案進行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應(yīng)性。

（5）計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的運算能力，一個控制器（控制計算機）經(jīng)?？梢圆捎梅謺r控制的方式而同時控制多個回路。

（6）采用計算機控制，如分級計算機控制、離散控制系統(tǒng)、微機網(wǎng)絡(luò)等，便于實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進一步提高 。

4、計算機控制系統(tǒng)的組成

計算機控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，而一個完整的計算機系統(tǒng)應(yīng)由下列幾部分組成：被控對象、主機、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、自動化儀表和軟件系統(tǒng)。

（1）硬件：

a） 由中央處理器，時鐘電路，內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部分。

b） 通用外圍設(shè)備按功能可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲器三類。

c）過程I/O通道，又稱過程通道。

d） 通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中斷管理、

直接存取DMA管理、計數(shù)/定時等）。

e）傳感器的主要功能是將被檢測的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。變送器的

作用是將傳感器得到的電信號轉(zhuǎn)變成適用于計算機借口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號

f）計算機控制系統(tǒng)一般要有一套專供運行操作人員使用的控制臺稱為運行操作臺，操作臺一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲信器、數(shù)字顯示器或CRT顯示器等。

（2）軟件：軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計算和自診斷等功能的程序。整個系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

二、計算機控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用方式

計算機控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的要求，應(yīng)有不同的控制方案。計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式。它們是：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)；直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC），DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用方式；監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）；分散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)機構(gòu)簡單，控制靈活安全，但由于要人工操作，速度受到限制， 不能控制多個對象。

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

DDC系統(tǒng)是面向生產(chǎn)過程的底層應(yīng)用功能。計算機通過自動化儀表、輸入通道、輸出通道，采集現(xiàn)場參數(shù)，經(jīng)過處理和按一定控制規(guī)律的控制算法運算后，向生產(chǎn)過程輸出控制信號，直接參與對過程參DAS系統(tǒng)的監(jiān)視功能?？刂品桨赣绍浖崿F(xiàn)，修改靈活、方便，除能實現(xiàn)PID控制規(guī)律外，還能實現(xiàn)多回路的串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制及自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、最優(yōu)控制和智能控制等復(fù)雜控制規(guī)律的控制。DDC系統(tǒng)一個是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）

SCC系統(tǒng)是一個分機的控制系統(tǒng)。上級的監(jiān)督計算機從生產(chǎn)過程采集反映工況的參數(shù)，進行尋優(yōu)計算，計算出當(dāng)時工況下的最佳給定值，提供給下級執(zhí)行DDC控制的計算機實現(xiàn)對過程的控制?？蓪崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制，使控制的目標(biāo)值達到最佳。SCC可以提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)上位機出現(xiàn)故障時，DDC計算機可以獨立完成控制操作；當(dāng)DDC計算機出現(xiàn)故障時監(jiān)督控制計算機可以取而代之，執(zhí)行控制任務(wù)。SCC是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4.分散控制系統(tǒng)（DCS）

DCS是將計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示技術(shù)（即所謂“四C”技術(shù)）結(jié)合起來的新型計算機控制系統(tǒng)。它通過數(shù)據(jù)高速公路（或計算機網(wǎng)絡(luò)）將分散在不同地方，執(zhí)行不同功能的計算機連接起來，按照信息共享，分散控制，集中管理，總體配置，各司其職的原則，構(gòu)成的高性能，高可靠性的計算機控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)安全，可靠，便于維護、擴展。是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它兼有以上幾種系統(tǒng)的功能。

5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是實現(xiàn)將自動化系統(tǒng)現(xiàn)場控制裝置與現(xiàn)場智能儀表互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是連接工業(yè)工程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表聯(lián)用組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，它是用新一代的現(xiàn)場FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)DCS，實現(xiàn)現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。

三、工業(yè)控制機

1.工業(yè)控制機的特點

（1）安全可靠

工業(yè)控制計算機不同于一般用于科學(xué)計算或管理的計算機，它的工作環(huán)境比較惡劣，周圍的各種干擾隨時地威脅著它的正常運行，而且它所擔(dān)當(dāng)?shù)目刂浦厝斡植辉试S它發(fā)生異?，F(xiàn)象。因此在設(shè)計過程中把安全可靠放在首位。

（2）作維護方便

操作方便體現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握計算機知識才能操作。既要體現(xiàn)操作的先進性，又要兼顧原有得操作習(xí)慣。維修方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。采用標(biāo)準(zhǔn)的功能沒，模板式結(jié)構(gòu)，便于更換故障模板。并在功能模板上安裝狀態(tài)指示燈 和監(jiān)測點，便于維修人員檢查。另外配制診斷程序用來查找故障。

（3）時性強

工業(yè)控制機的實時性表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時的響應(yīng)，并做出響應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類，一類是定時事件，如數(shù)椐的定時采集、運算控制等；另一類是隨機事件，如事故、報警等。對于定時事件，系統(tǒng)設(shè)置時鐘保證定時處理。對于隨機事件系統(tǒng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急，預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生保證優(yōu)先處理緊急故障。

（4）通用性好

工業(yè)控制計算機的通用靈活性體現(xiàn)在兩個方面，一是硬件模板設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板，以便在擴充功能時只需增加功能摸板就能實現(xiàn)；二是軟件模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。

（5）濟效益高

計算機控制應(yīng)該帶來高的經(jīng)濟效益，系統(tǒng)設(shè)計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經(jīng)濟效益表現(xiàn)兩個方面，一是系統(tǒng)設(shè)計的性能價格比要盡可能高；二是投入產(chǎn)出比要盡可能的低。

2.典型工業(yè)控制機介紹

（1）STD總線工業(yè)控制機

STD總線最早是由美國的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國際上工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一，也是我國優(yōu)先重點發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機總線之一，它的正式標(biāo)準(zhǔn)為IEEE-961標(biāo)準(zhǔn)。按STD總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的模塊式計算機系統(tǒng)，稱為STD總線工業(yè)控制機。

（2）PC總線工業(yè)控制機

IBM公司的PC總線微機最初是為了個人或辦公室使用而設(shè)計的，它早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個I/O擴充槽。大底板上具有8088處理器，加上一些存儲器，控制邏輯電路等。加入I/O擴充槽的目的是為了外接一些打印機、顯示器、內(nèi)存擴充和軟盤驅(qū)動器接口卡等。

四、工業(yè)爐控制的典型情況

為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。它可以防止空氣太多時，過?？諝鈳ё叽罅繜崃浚灰部煞乐巩?dāng)空氣太少時，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧化碳或碳黑。

為了保持所需的爐溫，將測得的爐溫送入計算機計算，進而控制燃料和空氣閥門的開度。 為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過低時從爐墻的縫隙處吸入大量過剩空氣，或在壓力過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進而控制煙道出口擋板的開度。

為了提高爐子的熱效率，還須對爐子排出的廢氣進行分析，一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧，通過計算而得出其熱效率，并用以指導(dǎo)燃燒控制。

五、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.集散控制系統(tǒng)

目前，在過程控制領(lǐng)域，集散控制系統(tǒng)技術(shù)已日趨完善而逐步成為廣泛使用的主流系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)又稱為以微處理器為基礎(chǔ)的分散型信息綜合控制系統(tǒng)。集散控制在其發(fā)展初期以實現(xiàn)分散控制為主，因而國外一般沿用分散控制系統(tǒng)的名稱，即DCS（Distributed Control System）。進入80年代以后，分散控制系統(tǒng)的技術(shù)重點轉(zhuǎn)向全系統(tǒng)信息的綜合管理。因考慮其分散控制和綜合管理兩方面特征，故稱為分散型綜合控制系統(tǒng)，一般簡稱為集散系統(tǒng)。

2.可編程序控制器

進入20世紀80年代，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展PLC的功能已經(jīng)遠遠超出了邏輯運算、順序控制的范圍，高檔的PLC還能如微型計算機那樣進行數(shù)學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運算、聯(lián)網(wǎng)通信等。因此，把它們統(tǒng)稱為可編程序控制器PC（Programable Controller）。

3.計算機集成制造系統(tǒng)

計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)基礎(chǔ)上，通過計算機及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)控制、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等所需使用的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，消除自動化孤島，實現(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效益、高柔性的智能制造系統(tǒng)。

4.低成本自動化

近年來，隨著計算機向高速度、大容量發(fā)展，各種功能完善、價格昂貴的計算機綜合自動化系統(tǒng)日趨完善。與此同時，國際上的科技發(fā)展動態(tài)又向著低成本自動化——LCA（Low Cost Automation）的方向發(fā)展。國際自動控制聯(lián)合委員會（簡稱自控聯(lián)IFAC）已把LCA定為系列學(xué)術(shù)會議之一，第五屆LCA國際會議于1997年在中國召開。

5.智能控制系統(tǒng)

智能控制還沒有統(tǒng)一的定義，一般認為，智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制?；蛘哒f，智能控制是一類無需人的干預(yù)就能獨立驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。對自主機器人的控制就是一例。所謂智能控制系統(tǒng)就是驅(qū)動自主智能機器以實現(xiàn)其目標(biāo)而無需操作人員干預(yù)的自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)必須具有智能調(diào)節(jié)和執(zhí)行等能力。智能控制的理論基礎(chǔ)是人工智能、控制論、運籌學(xué)和系統(tǒng)學(xué)等學(xué)科。

六、結(jié)語

計算機控制技術(shù)是一門以電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機控制技術(shù)為核心，綜合可編程控制技術(shù)、單片機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的精密化、生產(chǎn)設(shè)備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學(xué)科。目前，企業(yè)對具備較強的計算機控制技術(shù)應(yīng)用能力專門人才需求很大，將來一定有很大的發(fā)展前景。

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作者簡介：遲靜（1978—）女，漢族，吉林長春人，大學(xué)本科學(xué)歷。工作單位長春潤德西站交通換乘運營管理有限公司。