1.1 计算机控制系统的含义与工作原理

1.1.1 计算机控制系统的含义

在工程实践过程中，需要采取各种方法获得反映客观事物的量值，这种操作称为测量或检测；同时需要采取各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果，达到一定的目的，这种操作称为控制。

按照任务的不同，控制系统可以分为3大类，即检测系统、控制系统和测控系统。

●检测系统：单纯以检测为目的的系统，主要实现数据的采集，又称为数据采集系统。

●控制系统：单纯以控制为目的的系统，主要实现对生产过程的控制。

●测控系统：测控一体化的系统，即通过对大量数据进行采集、存储、处理和传输，使

控制对象实现预期要求的系统。

所谓计算机控制，就是利用传感器将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、液位或速度等）转换为电信号（如电压或电流等），再将这些代表实际物理参量的电信号送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示器中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。

计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示，并制作各种报表。如果还需要对被监控对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况与工艺要求的设定值进行比较判断，然后在输出装置中输出相应的电信号，推动执行装置（如调节阀、电动机）动作，从而完成相应的控制任务。

计算机控制系统包含的内容十分广泛，它包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统等，广泛用于航空、航天、科学研究、工厂自动化、农业自动化、实验室自动测量和控制，以及办公自动化、商业自动化、楼宇自动化、家庭自动化等人们工作生活的各个领域。

以工厂自动化为例，计算机在工业生产过程中，最初是用于化学工业生产过程的自动控制，但那时只是用计算机实现了简单的程序控制。随着微型计算机的出现和大量应用，工业生产过程控制的概念已经发生了很大的变化。计算机已经大量进入各个工业部门，承担着生产过程的控制、监督和管理等任务。

如图1-1所示，在某工厂的计算机控制室里，操作员可以通过显示器对生产过程进行监督和操作。键盘和显示屏替代了庞大的控制仪表盘以及大量的开关和按钮，控制室已变得越来越小，只需很少几个人就能完成对生产过程进行监督和操作的任务。

图1-1 某工厂计算机控制室

计算机在控制领域中的应用，有力地推动了自动控制技术的发展，扩大了控制技术在工业生产中的应用范围，使大规模的工业生产自动化系统进入崭新的阶段。

1.1.2 计算机控制系统的工作原理

1.控制实例

下面以一个计算机温度控制系统为例简要说明计算机控制系统的工作原理，图1-2为该系统组成示意图。

图1-2 计算机温度控制系统组成示意图

根据工艺要求，该系统要求加热炉的炉温控制在给定的范围内并且按照一定的时间曲线变化。在计算机显示器上用数字或图形实时地显示温度值。

假设加热炉使用的燃料为重油，并使用调节阀作为执行机构，使用热电偶来测量加热炉内的温度。热电偶把检测信号送入温度变送器，将其转换为标准电压信号（15V），再将该电压信号送入输入装置。输入装置可以是一个模块也可以是一块板卡，它将检测得到的信号转换为计算机可以识别的数字信号。计算机中的软件根据该数字信号按照一定的控制算法进行计算。计算出来的结果通过输出装置转换为可以推动调节阀动作的电流信号（4 20mA）。通过改变调节阀的阀门开度即可改变燃料流量的大小，从而达到控制加热炉炉温的目的。

与此同时，计算机中的软件还可以将与炉温相对应的数字信号以数值或图形的形式在计算机显示器上显示出来。操作人员可以利用计算机的键盘和鼠标输入炉温的设定值，由此实现计算机监控的目的。

上述计算机温度控制系统对生产过程实现的自动控制可以分解为以下4个步骤：

1）生产过程的被控参量（过程信号）通过测量环节转化为相应的电量或电参数，再由变送器或放大器变换成标准的电压或电流信号。

2）电压或电流信号经过A—D转换后变成计算机可以识别的数字信号，并被转换为人们易于理解的工程量（测量值）。

3）计算机根据测量值与给定值的偏差，输出控制信号。

4）控制信号作用于执行机构，通过调节物料流量或能量的大小来实现对生产过程的调节。

以上这4个过程是周而复始的。

2.工作流程

从上面的计算机温度控制系统的实例可以看出，一个计算机控制系统的工作流程可以用图1-3来表示。在计算机控制系统中计算机根据给定输入信号、反馈信号与系统的数学模型进行信号处理，实现控制策略，通过执行机构控制被控对象，达到预期的控制目标。

图1-3 计算机控制系统工作流程图

由于生产过程的各种物理量一般都是模拟量，而计算机的输入和输出均采用数字量，因此在计算机控制系统中，对于信号输入，需增加A—D转换器，将连续的模拟信号转换成计算机能接收的数字信号；对于输出，需增加D—A转换器，将计算机输出的数字信号转换成执行机构所需的连续模拟信号。

从本质上讲，计算机控制系统的工作过程可归纳为以下3个步骤。

1）实时数据采集：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入。

2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按预定的控制规律运算，进行控制决策。

3）实时输出控制：根据控制决策，实时地向执行机构发出控制信号，完成系统控制任务或输出其他有关信号，如报警信号等。

上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标正常稳定地运行，一旦被控量和设备本身出现异常状态，计算机能够实时监督并做出迅速处理。