計(jì)算機(jī)工程控制技術(shù)應(yīng)用探究

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)帶來(lái)了巨大的發(fā)展。然而，設(shè)計(jì)一個(gè)性能好的計(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)主要由硬件和軟件兩大部分組成，一個(gè)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(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；系統(tǒng)；應(yīng)用

一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱它為數(shù)字控制系統(tǒng)。若不考慮量化問(wèn)題，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即為采樣系統(tǒng)。進(jìn)一步，若將連續(xù)的控制對(duì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。

（2）實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并按已定的控制規(guī)律決定進(jìn)一步的的控制過(guò)程。

（3）實(shí)時(shí)控制：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。

3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)上。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除測(cè)量裝置、執(zhí)行機(jī)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(jì)算機(jī)，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。

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

（3）由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號(hào)外，還包含有數(shù)字信號(hào)，從而使計(jì)算機(jī)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(lái)分析和設(shè)計(jì)。

（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律和對(duì)控制方案進(jìn)行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應(yīng)性。

（5）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn)算能力，一個(gè)控制器（控制計(jì)算機(jī)）經(jīng)常可以采用分時(shí)控制的方式而同時(shí)控制多個(gè)回路。

（6）采用計(jì)算機(jī)控制，如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制、離散控制系統(tǒng)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高 。

4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，而一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)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)。

（1）硬件：

a） 由中央處理器，時(shí)鐘電路，內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)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(chǔ)器三類。

c）過(guò)程I/O通道，又稱過(guò)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(jì)數(shù)/定時(shí)等）。

e）傳感器的主要功能是將被檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)借口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)

f）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般要有一套專供運(yùn)行操作人員使用的控制臺(tái)稱為運(yùn)行操作臺(tái)，操作臺(tái)一般包括各種控制開(kāi)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計(jì)算和自診斷等功能的程序。整個(gè)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用方式

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對(duì)象和不同的要求，應(yīng)有不同的控制方案。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)對(duì)象。

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

DDC系統(tǒng)是面向生產(chǎn)過(guò)程的底層應(yīng)用功能。計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)化儀表、輸入通道、輸出通道，采集現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)處理和按一定控制規(guī)律的控制算法運(yùn)算后，向生產(chǎn)過(guò)程輸出控制信號(hào)，直接參與對(duì)過(guò)程參DAS系統(tǒng)的監(jiān)視功能?？刂品桨赣绍浖?shí)現(xiàn)，修改靈活、方便，除能實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律外，還能實(shí)現(xiàn)多回路的串級(jí)控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)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(gè)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(gè)分機(jī)的控制系統(tǒng)。上級(jí)的監(jiān)督計(jì)算機(jī)從生產(chǎn)過(guò)程采集反映工況的參數(shù)，進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)時(shí)工況下的最佳給定值，提供給下級(jí)執(zhí)行DDC控制的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的控制。可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)控制，使控制的目標(biāo)值達(dá)到最佳。SCC可以提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，DDC計(jì)算機(jī)可以獨(dú)立完成控制操作；當(dāng)DDC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(lái)的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它通過(guò)數(shù)據(jù)高速公路（或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）將分散在不同地方，執(zhí)行不同功能的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)安全，可靠，便于維護(hù)、擴(kuò)展。是一個(gè)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是實(shí)現(xiàn)將自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)工程現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表聯(lián)用組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)DCS，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。

三、工業(yè)控制機(jī)

1.工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)

（1）安全可靠

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)不同于一般用于科學(xué)計(jì)算或管理的計(jì)算機(jī)，它的工作環(huán)境比較惡劣，周圍的各種干擾隨時(shí)地威脅著它的正常運(yùn)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(jì)過(guò)程中把安全可靠放在首位。

（2）作維護(hù)方便

操作方便體現(xiàn)在操作簡(jiǎn)單、直觀形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)才能操作。既要體現(xiàn)操作的先進(jìn)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(méi)，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(cè)點(diǎn)，便于維修人員檢查。另外配制診斷程序用來(lái)查找故障。

（3）時(shí)性強(qiáng)

工業(yè)控制機(jī)的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能及時(shí)的響應(yīng)，并做出響應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計(jì)算機(jī)處理的事件一般分為兩類，一類是定時(shí)事件，如數(shù)椐的定時(shí)采集、運(yùn)算控制等；另一類是隨機(jī)事件，如事故、報(bào)警等。對(duì)于定時(shí)事件，系統(tǒng)設(shè)置時(shí)鐘保證定時(shí)處理。對(duì)于隨機(jī)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(jí)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(jì)算機(jī)的通用靈活性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是硬件模板設(shè)計(jì)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(kuò)充功能時(shí)只需增加功能摸板就能實(shí)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(shí)不需要二次開(kāi)發(fā)，只需按要求選擇各功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。

（5）濟(jì)效益高

計(jì)算機(jī)控制應(yīng)該帶來(lái)高的經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮性能價(jià)格比，要有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)兩個(gè)方面，一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能價(jià)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(jī)介紹

（1）STD總線工業(yè)控制機(jī)

STD總線最早是由美國(guó)的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國(guó)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(guó)優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)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(jì)制造的模塊式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為STD總線工業(yè)控制機(jī)。

（2）PC總線工業(yè)控制機(jī)

IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為了個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的，它早期主要用于文字處理或一些簡(jiǎn)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(gè)I/O擴(kuò)充槽。大底板上具有8088處理器，加上一些存儲(chǔ)器，控制邏輯電路等。加入I/O擴(kuò)充槽的目的是為了外接一些打印機(jī)、顯示器、內(nèi)存擴(kuò)充和軟盤驅(qū)動(dòng)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(shí)，過(guò)?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當(dāng)空氣太少時(shí)，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(cè)得的爐溫送入計(jì)算機(jī)計(jì)算，進(jìn)而控制燃料和空氣閥門的開(kāi)度。 為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過(guò)低時(shí)從爐墻的縫隙處吸入大量過(guò)?？諝?，或在壓力過(guò)高時(shí)大量燃料通過(guò)縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測(cè)得的爐膛壓力送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)而控制煙道出口擋板的開(kāi)度。

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

五、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.集散控制系統(tǒng)

目前，在過(guò)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(shí)現(xiàn)分散控制為主，因而國(guó)外一般沿用分散控制系統(tǒng)的名稱，即DCS（Distributed Control System）。進(jìn)入80年代以后，分散控制系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)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(jiǎn)稱為集散系統(tǒng)。

2.可編程序控制器

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展PLC的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯運(yùn)算、順序控制的范圍，高檔的PLC還能如微型計(jì)算機(jī)那樣進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運(yùn)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)控制、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等所需使用的各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái)，消除自動(dòng)化孤島，實(shí)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(dòng)化

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)向高速度、大容量發(fā)展，各種功能完善、價(jià)格昂貴的計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)日趨完善。與此同時(shí)，國(guó)際上的科技發(fā)展動(dòng)態(tài)又向著低成本自動(dòng)化——LCA（Low Cost Automation）的方向發(fā)展。國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合委員會(huì)（簡(jiǎn)稱自控聯(lián)IFAC）已把LCA定為系列學(xué)術(shù)會(huì)議之一，第五屆LCA國(guó)際會(huì)議于1997年在中國(guó)召開(kāi)。

5.智能控制系統(tǒng)

智能控制還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，一般認(rèn)為，智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制?；蛘哒f(shuō)，智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。對(duì)自主機(jī)器人的控制就是一例。所謂智能控制系統(tǒng)就是驅(qū)動(dòng)自主智能機(jī)器以實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)而無(wú)需操作人員干預(yù)的自動(dòng)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(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)學(xué)等學(xué)科。

六、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門以電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為核心，綜合可編程控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實(shí)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(guò)程的自動(dòng)化及機(jī)電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學(xué)科。目前，企業(yè)對(duì)具備較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用能力專門人才需求很大，將來(lái)一定有很大的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：遲靜（1978—）女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，大學(xué)本科學(xué)歷。工作單位長(zhǎng)春潤(rùn)德西站交通換乘運(yùn)營(yíng)管理有限公司。