計算機工程控制技術應用探究

摘要：隨著科學技術的發展，人們越來越多的用計算機來實現控制。近年來，計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感器技術、CRT顯示技術、通信與網絡技術和微電子技術的高速發展，給計算機控制技術帶來了巨大的發展。然而，設計一個性能好的計算機控制系統是非常重要的。計算機控制系統主要由硬件和軟件兩大部分組成，一個完整的控制系統還需要考慮系統的抗干擾性能，系統的抗干擾性能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。

關鍵詞：計算機控制技術；系統；應用

一、計算機控制系統簡介

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

2.計算機控制系統的控制過程

（1）實時數據采集：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據分析和處理，并按已定的控制規律決定進一步的的控制過程。

（3）實時控制：根據控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。

3.計算機控制系統的特點

（1）結構上。計算機控制系統中除測量裝置、執行機構等常用的模擬部件之外，其執行控制功能的核心部件是數字計算機，所以計算機控制系統是模擬和數字部件的混合系統。

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

（3）由于計算機控制系統中除了包含連續信號外，還包含有數字信號，從而使計算機控制系統與連續控制系統在本質上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設計。

（4）計算機控制系統中，修改一個控制規律，只需修改軟件，便于實現復雜的控制規律和對控制方案進行在線修改，使系統具有很大靈活性和適應性。

（5）計算機控制系統中，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?？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、微機網絡等，便于實現控制與管理一體化，使工業企業的自動化程度進一步提高 。

4、計算機控制系統的組成

計算機控制系統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應由下列幾部分組成：被控對象、主機、外部設備、外圍設備、自動化儀表和軟件系統。

（1）硬件：

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

b） 通用外圍設備按功能可分為輸入設備、輸出設備和外存儲器三類。

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/定時等）。

e）傳感器的主要功能是將被檢測的非電學量參數轉變成電學量。變送器的

作用是將傳感器得到的電信號轉變成適用于計算機借口使用的標準的電信號

f）計算機控制系統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、數字鍵、功能鍵、指示燈、聲信器、數字顯示器或CRT顯示器等。

（2）軟件：軟件是指計算機控制系統中具有各種功能的計算機程序的總和，如完成操作、監控、管理、控制、計算和自診斷等功能的程序。整個系統在軟件指揮下協調工作。從功能區分，軟件可分為系統軟件和應用軟件。

二、計算機控制系統的典型應用方式

計算機控制系統所采用的形式與它所控制的生產過程的復雜程度密切相關，不同的被控對象和不同的要求，應有不同的控制方案。計算機控制系統大致可分為以下幾種典型的形式。它們是：操作指導控制系統；直接數字控制系統（DDC），DDC系統屬于計算機閉環控制系統，是計算機工業生產過程中最普遍的一種應用方式；監督控制系統（SCC）；分散控制系統（DCS）和現場總線控制系統。

1.操作指導控制系統

操作指導控制系統機構簡單，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.直接數字控制系統（DDC）

DDC系統是面向生產過程的底層應用功能。計算機通過自動化儀表、輸入通道、輸出通道，采集現場參數，經過處理和按一定控制規律的控制算法運算后，向生產過程輸出控制信號，直接參與對過程參DAS系統的監視功能?？刂品桨赣绍浖崿F，修改靈活、方便，除能實現PID控制規律外，還能實現多回路的串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制及自適應、自學習、最優控制和智能控制等復雜控制規律的控制。DDC系統一個是閉環控制系統。

3.監督控制系統（SCC）

SCC系統是一個分機的控制系統。上級的監督計算機從生產過程采集反映工況的參數，進行尋優計算，計算出當時工況下的最佳給定值，提供給下級執行DDC控制的計算機實現對過程的控制?？蓪崿F生產過程的最優控制，使控制的目標值達到最佳。SCC可以提高系統的可靠性，當上位機出現故障時，DDC計算機可以獨立完成控制操作；當DDC計算機出現故障時監督控制計算機可以取而代之，執行控制任務。SCC是閉環控制系統。

4.分散控制系統（DCS）

DCS是將計算機技術、控制技術、通信技術和顯示技術（即所謂“四C”技術）結合起來的新型計算機控制系統。它通過數據高速公路（或計算機網絡）將分散在不同地方，執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，構成的高性能，高可靠性的計算機控制系統。DCS系統安全，可靠，便于維護、擴展。是一個閉環控制系統，它兼有以上幾種系統的功能。

5.現場總線控制系統（FCS）

現場總線控制系統（FCS）是實現將自動化系統現場控制裝置與現場智能儀表互連的實時網絡控制系統?，F場總線是連接工業工程現場儀表和控制系統之間的全數字化、雙向、多站點的串行通信網絡，與控制系統和現場儀表聯用組成現場總線控制系統?，F場總線不單單是一種通信技術，也不僅僅是用數字儀表代替模擬儀表，它是用新一代的現場FCS代替傳統的分散型控制系統DCS，實現現場總線通信網絡與控制系統的集成。

三、工業控制機

1.工業控制機的特點

（1）安全可靠

工業控制計算機不同于一般用于科學計算或管理的計算機，它的工作環境比較惡劣，周圍的各種干擾隨時地威脅著它的正常運行，而且它所擔當的控制重任又不允許它發生異?，F象。因此在設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。既要體現操作的先進性，又要兼顧原有得操作習慣。維修方便體現在易于查找故障，易于排除故障。采用標準的功能沒，模板式結構，便于更換故障模板。并在功能模板上安裝狀態指示燈 和監測點，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

工業控制機的實時性表現在對內部和外部事件能及時的響應，并做出響應的處理，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，系統設置時鐘保證定時處理。對于隨機事件系統設置中斷，并根據故障的輕重緩急，預先分配中斷級別，一旦事故發生保證優先處理緊急故障。

（4）通用性好

工業控制計算機的通用靈活性體現在兩個方面，一是硬件模板設計采用標準總線結構，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；二是軟件模塊或控制算法采用標準模塊結構，用戶使用時不需要二次開發，只需按要求選擇各功能模塊，靈活地進行控制系統組態。

（5）濟效益高

計算機控制應該帶來高的經濟效益，系統設計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經濟效益表現兩個方面，一是系統設計的性能價格比要盡可能高；二是投入產出比要盡可能的低。

2.典型工業控制機介紹

（1）STD總線工業控制機

STD總線最早是由美國的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國際上工業控制領域最流行的標準總線之一，也是我國優先重點發展的工業標準微機總線之一，它的正式標準為IEEE-961標準。按STD總線標準設計制造的模塊式計算機系統，稱為STD總線工業控制機。

（2）PC總線工業控制機

IBM公司的PC總線微機最初是為了個人或辦公室使用而設計的，它早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務處理。早期產品基于一塊大底板結構，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、內存擴充和軟盤驅動器接口卡等。

四、工業爐控制的典型情況

為了保證燃料在爐膛內正常燃燒，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?；也可防止當空氣太少時，由于燃料燃燒不完全而產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?？諝?，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，并用以指導燃燒控制。

五、計算機控制系統的發展方向

1.集散控制系統

目前，在過程控制領域，集散控制系統技術已日趨完善而逐步成為廣泛使用的主流系統。集散控制系統又稱為以微處理器為基礎的分散型信息綜合控制系統。集散控制在其發展初期以實現分散控制為主，因而國外一般沿用分散控制系統的名稱，即DCS（Distributed Control System）。進入80年代以后，分散控制系統的技術重點轉向全系統信息的綜合管理。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，一般簡稱為集散系統。

2.可編程序控制器

進入20世紀80年代，隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展PLC的功能已經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學計算、數據處理、故障自診斷、PID運算、聯網通信等。因此，把它們統稱為可編程序控制器PC（Programable Controller）。

3.計算機集成制造系統

計算機集成制造系統CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是在自動化技術、信息技術及制造技術基礎上，通過計算機及其軟件，將制造工廠全部生產環節，包括產品設計、生產規劃、生產控制、生產設備、生產過程等所需使用的各種分散的自動化系統有機地集成起來，消除自動化孤島，實現多品種、中小批量生產的總體高效益、高柔性的智能制造系統。

4.低成本自動化

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

5.智能控制系統

智能控制還沒有統一的定義，一般認為，智能控制是驅動智能機器自主地實現其目標的自動控制?；蛘哒f，智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機器實現其目標的自動控制。對自主機器人的控制就是一例。所謂智能控制系統就是驅動自主智能機器以實現其目標而無需操作人員干預的自動控制系統。這類系統必須具有智能調節和執行等能力。智能控制的理論基礎是人工智能、控制論、運籌學和系統學等學科。

六、結語

計算機控制技術是一門以電子技術、自動控制技術、計算機應用技術為基礎，以計算機控制技術為核心，綜合可編程控制技術、單片機技術、計算機網絡技術，從而實現生產技術的精密化、生產設備的信息化、生產過程的自動化及機電控制系統的最佳化的專門學科。目前，企業對具備較強的計算機控制技術應用能力專門人才需求很大，將來一定有很大的發展前景。

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