計(jì)算機(jī)控制技術(shù)要點(diǎn)的探討

黃俐明

（首鋼貴陽(yáng)特殊鋼責(zé)任有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

引言

計(jì)算機(jī)控制就是用計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象或過(guò)程進(jìn)行控制。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)代替自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常規(guī)控制設(shè)備，對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，這是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)所使用的技術(shù)裝備的一種革新。這一革新，改變了自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也導(dǎo)致對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)發(fā)生較多的變化。在初步介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之后，分別介紹計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的特點(diǎn)和基本設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)將根據(jù)不同的對(duì)象有所不同，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟大體上相同，一般包括以下幾方面。

1.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。選擇系統(tǒng)的軟、硬件組成方式根據(jù)系統(tǒng)的價(jià)格和時(shí)間要求，選擇適當(dāng)?shù)姆绞浇M成系統(tǒng)。在時(shí)間要求比較緊的情況下，盡量選購(gòu)現(xiàn)成的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行組合；而在經(jīng)費(fèi)緊張的情況下可以考慮自己設(shè)計(jì)電路模塊。值得注意的是，軟、硬件工作比例的劃分也將對(duì)系統(tǒng)的價(jià)格和實(shí)現(xiàn)時(shí)間產(chǎn)生重要的影響。系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)大概包括選擇微處理器、確定存儲(chǔ)器容量、選擇外圍接口電路、選擇傳感器、選擇軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境、硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試六個(gè)基本內(nèi)容。

1.2 確定控制任務(wù)

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行深入調(diào)查、分析，熟悉工藝流程，了解具體的控制要求，確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，包括系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能、控制速度、控制精度、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、完成設(shè)計(jì)的時(shí)間要求等。根據(jù)這些任務(wù)寫(xiě)好設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書(shū)，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)要根據(jù)系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)要求，確定軟件所要完成的各種功能及完成這些功能的邏輯和時(shí)序關(guān)系，并用軟件流程圖表述出來(lái)。按軟件流程圖中不同的功能，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件功能模塊。如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通訊模塊和鍵盤(pán)處理模塊等。每一種模塊都可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試，各種模塊分別調(diào)試好后，再按流程圖邏輯和時(shí)序關(guān)系將他們正確組合、連接、調(diào)試。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試

首先要按工藝流程圖將系統(tǒng)正確安裝，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)和精確調(diào)試，根據(jù)實(shí)際對(duì)象確定各種控制參數(shù)，調(diào)整顯示值或保存數(shù)據(jù)等。硬件調(diào)試和軟件調(diào)試都可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行模擬的方式進(jìn)行，并進(jìn)行必要的聯(lián)合調(diào)試工作，半實(shí)物仿真是系統(tǒng)調(diào)試的雖要基礎(chǔ)，而最終的系統(tǒng)級(jí)調(diào)試要在現(xiàn)場(chǎng)完成。

2 概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成是由硬件和軟件兩大部分組成。而一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)由下列幾部分組成：被控對(duì)象、主機(jī)、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、自動(dòng)化儀表和軟件系統(tǒng)。

2.1 硬件部分

硬件部分用于一般數(shù)值計(jì)算和信息處理的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為通用計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)韻；通用機(jī)）。用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)控制機(jī)）。通用機(jī)由主機(jī)和外部設(shè)備組成，主機(jī)包括運(yùn)算器、控制器和主存貯器（俗稱(chēng)內(nèi)存貯器）；外部設(shè)備包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外部存貯器，如鍵盤(pán)、CRT顯示器、打印機(jī)、磁帶和磁盤(pán)等，起著人機(jī)聯(lián)系和擴(kuò)展主機(jī)存貯能力的作用。它們是主機(jī)正常工作和人們使用主機(jī)所必需的設(shè)備。'通用機(jī)主要是同使用機(jī)器的人交流信息，控制機(jī)除了同人交流信息外，要自動(dòng)地控制生產(chǎn)過(guò)程，它還必須與被控制的對(duì)象直接交流信息。這是控制機(jī)與通用機(jī)根本不同的地方。為此，控制機(jī)必須具備直接從生產(chǎn)過(guò)程獲取信息，經(jīng)過(guò)主機(jī)加工處理后，把控制信息饋送給生產(chǎn)過(guò)程的能力。這種能力表現(xiàn)在主機(jī)與被控對(duì)象之間直接進(jìn)行信息的變換和傳遞上，具有這種能力的設(shè)備稱(chēng)為生產(chǎn)過(guò)程通道。相對(duì)于外部設(shè)備，通常把生產(chǎn)過(guò)程通道稱(chēng)為主機(jī)的外圍設(shè)備。因此，可以簡(jiǎn)單地說(shuō)，通用計(jì)算機(jī)由主機(jī)和外部設(shè)備組成；控制計(jì)算機(jī)由通用計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備組成。

2.2 軟件部分

軟件系統(tǒng)是控制機(jī)不可缺少的重要組成部分。只有在適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)支持下，控制視才能按設(shè)計(jì)的要求正常地工作?？刂茩C(jī)的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。系統(tǒng)軟件是用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的各種資源管理、信息處理對(duì)外進(jìn)行聯(lián)系及提供服務(wù)的軟件。例如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、語(yǔ)言加工系統(tǒng)和診斷程序等。應(yīng)用軟件是用來(lái)使被控對(duì)象正常運(yùn)行的控制程序、控制策略及其相應(yīng)的服務(wù)程序。例如過(guò)程監(jiān)視程序、過(guò)程控制程序和公用服務(wù)程序等。應(yīng)用軟件是在系統(tǒng)軟件的支持下編制完成的，它隨被控對(duì)象的特性和控制要求不同而異。通常應(yīng)用軟件由用戶(hù)根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)過(guò)程控制技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用軟件正向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方向發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)的基本控制模塊由制造廠家提供給用戶(hù)，用戶(hù)只需根據(jù)控制的要求，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)過(guò)程即可生成滿(mǎn)足具體要求的專(zhuān)用應(yīng)用軟件，大大方便了用戶(hù)，縮短了應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)周期。提高了應(yīng)用軟件的可靠性。

3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

由于計(jì)算機(jī)本身的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與一般常規(guī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)。精度高：通過(guò)多字長(zhǎng)的數(shù)值運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)調(diào)節(jié)器難以達(dá)到的控制精度，而且不存在零點(diǎn)漂移、熱噪聲及元件老化對(duì)控制精度的影響。計(jì)算機(jī)具有分時(shí)處理能力。一臺(tái)計(jì)算機(jī)（嚴(yán)格說(shuō)是一個(gè)CPU）可以對(duì)多個(gè)控制回路進(jìn)行控制。

計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的貯存和邏輯判斷能力，能夠根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境的變化，及時(shí)作出判斷，選擇最合理的控制對(duì)策；可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，以達(dá)到理想的控制效果。使用方便靈活。計(jì)算機(jī)的控制功能是通過(guò)硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的。在不增加硬件的情況下，可以通過(guò)修改軟件來(lái)改變控制方案和控制機(jī)的功能。計(jì)算機(jī)除了能實(shí)現(xiàn)控制功能以外，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的管理，如生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度，經(jīng)濟(jì)核算等。

4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

DCS和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)正在相互滲透發(fā)展，并擴(kuò)大各自的應(yīng)用領(lǐng)域。原來(lái)一般流程工業(yè)的控制多選用集散型控制系統(tǒng)（DCS），離散型制造業(yè)的控制多采用可編程控制器（PLC）。隨著DCS和PLC相互滲透發(fā)展繼而擴(kuò)大自己的應(yīng)用領(lǐng)域，將出現(xiàn)DCS和PLC融合于一體的集成過(guò)程控制系統(tǒng)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無(wú)線相結(jié)合的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了基于無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。這種基于無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)無(wú)線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。工業(yè)控制軟件己向組態(tài)化方向發(fā)展，工業(yè)控制軟件主要包括人機(jī)界面軟件、控制軟件以及生產(chǎn)管理軟件等。

結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制越來(lái)越深入地滲透于生產(chǎn)之中。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件、軟件和控制算法3個(gè)方面，一個(gè)完整的設(shè)計(jì)還需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，使系統(tǒng)能長(zhǎng)期有效地運(yùn)行。在綜述部分對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

近年來(lái)我國(guó)在控制規(guī)律、控制方案、實(shí)施技術(shù)以及大規(guī)模的集中控制方面，有一定數(shù)量的成功典型，經(jīng)濟(jì)效益也比較顯著。近年來(lái)，還開(kāi)始運(yùn)用數(shù)學(xué)模型方法，探討和推廣現(xiàn)代控制理論在化工過(guò)程控制中的應(yīng)用，結(jié)合微型計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，不少項(xiàng)目開(kāi)展了計(jì)算機(jī)控制和調(diào)度管理的研究，使生產(chǎn)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益都有較大的提高。

[1]耿宏偉.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)自動(dòng)化教育學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，1994.

[2]于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]顧德英.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：郵電大學(xué)出版社，2007.