淺談計算機控制系統(tǒng)的應用及其運算速度

曾顯偉

[摘 要]信息技術引起全面而深刻的社會變革，計算機及其相關技術已經影響到人類生活的各個領域。使人的思維方式和生活方式發(fā)生了巨大的變化。如今，計算機的應用能力是對現(xiàn)代社會對職業(yè)技術人才的一項基本要求。本文就計算機控制系統(tǒng)的應用及其運算速度做了淺談。

[關鍵詞]計算機 ； 控制系統(tǒng) ； 運算

一、計算機控制系統(tǒng)

計算機控制技術及工程應用是把計算機技術與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學問，是以計算機為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。從計算機應用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應用領域；而從自動化控制工程來看，計算機技術又是一個主要的實現(xiàn)手段。 計算機控制系統(tǒng)的概述計算機控制系統(tǒng)（Computer Control System，簡稱CCS）是應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構成的系統(tǒng)。工業(yè)上定義為利用計算機實現(xiàn)工業(yè)生產過程的自動控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：向國產DCS 系統(tǒng)轉移，向PLC 轉移，向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 轉移，而以 PC 為基礎的控制系統(tǒng)（PC-Based Control System， PCBCS）也呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。

"過程控制"是現(xiàn)代工業(yè)自動化的一個重要領域.隨著各類生產工藝技術的不斷改進提高，生產過程的連續(xù)化、大型化不斷強化，隨著對過程內在規(guī)律的進一步了解，以及儀表、計算機技術的迅猛發(fā)展，生產過程控制技術獲得了更大的進展?！哆^程控制系統(tǒng)》是過程控制自動化及相關專業(yè)的一門主要專業(yè)課程。過程控制系統(tǒng)可分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)與計算機過程控制系統(tǒng)兩大類。前者在生產過程自動化中應用最早，已有六十余年的發(fā)展歷史，后者是自20世紀70年代發(fā)展起來的以計算機為核心的控制系統(tǒng)。

1.計算機控制系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)控制功能強通過強大的數(shù)字、邏輯計算能力實現(xiàn)復雜運算；通過通訊實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的控制； 通過數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)人工智能。工業(yè)上隨著生產規(guī)模的擴大，模擬控制盤越來越長，這給 集中監(jiān)視和操作帶來困難；而計算機采用分時操作，用一臺計算機可以代替許多臺常規(guī)儀 表，在一臺計算機上操作與監(jiān)視則方便了許多。 操作的靈活性強（人機對話功能強）、界面友好常規(guī)模擬式控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和方案修改比較困難，常需要進行硬件重新配置調 整和接線更改；而計算機控制系統(tǒng)，由于其所實現(xiàn)功能的軟件化，復雜控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 或控制方案的修改可能只需修改程序、重新組態(tài)即可實現(xiàn)。另外硬件和軟件的通用型強， 便于系統(tǒng)的開發(fā)和修改，如：軟件通用級（ANSYS）、硬件系統(tǒng)通用級（PC 平臺）、芯片通 實現(xiàn)資源共享性2011 年05 中原工學院機電學院常規(guī)模擬控制無法實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的通訊，不便全面掌握和調度生產情況；計算機 控制系統(tǒng)可以通過通信網(wǎng)絡而互通信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，能使操作人員及時了解 生產情況，改變生產控制和經營策略，使生產處于最優(yōu)狀態(tài)。 計算機的智能控制計算機具有記憶和判斷功能，它能夠綜合生產中各方面的信息，在生產發(fā)生異常情 況下，及時做出判斷，采取適當措施，并提供故障原因的準確指導，縮短系統(tǒng)維修和排 除故障時間，提高系統(tǒng)運行的安全性，提高生產效率，這是常規(guī)儀表所達不到的。

2.計算機控制系統(tǒng)的組成及分類 這里的計算機通常指數(shù)字計算機。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行 裝置等。被控對象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產過程、機械裝置、交通工具、機器 人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設施、家用電器和兒童玩具等?？刂颇康目梢允鞘?被控對象的狀態(tài)或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標。與一般控制 系統(tǒng)相同，計算機控制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的，也可以是開環(huán)的。 計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分和軟件部 分，這不同于模擬控制器 構成的系統(tǒng)只由硬件組 成。計算機控制系統(tǒng)軟件 包括系統(tǒng)軟件和應用軟 件。系統(tǒng)軟件一般包括操 作系統(tǒng)、語言處理程序和 服務性程序等，它們通常 由計算機制造廠為用戶 配套，有一定的通用性。 應用軟件是為實現(xiàn)特定 控制目的而編制的專用 程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等。它們涉及被控對象的自身特征和控制 策略等，由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。圖1 為計算機控制系統(tǒng)的一般組成框圖。 計算機控制系統(tǒng)主要有以下幾個類別：操作指導控制系統(tǒng)（OGC） 、直接數(shù)字控 制（DDC） 、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SCC）、分散控制系統(tǒng)（DCS） 等。目前微型計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有可編程控制器（PLC）、采用新型的控 制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)）、人工智能、神經網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)類型的多元化20 世紀后半葉，由于計算機、通信、控制、儀表、軟件等技術的飛速發(fā)展，不僅產生了多種多樣的自控產品，也豐富了人們進行自控設計的思路與方案。 2011 年05 中原工學院機電學院在工業(yè)生產過程中，1969 年問世的PLC 和1975 年問世的DCS 可能是兩類影響最 為深遠的計算機控制系統(tǒng)。PLC 的問世取代了繼電器之類的器件，實現(xiàn)了開關量的聯(lián)鎖 控制、程序控制；DCS 的問世取代了顯示儀、調節(jié)器之類的儀表，實現(xiàn)了模擬量的指示、 記錄和PID 回路調節(jié)等功能。隨著計算機、通信、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，PLC、DCS 互相融合，互相滲透，取長補短。另外，隨著其他計算機控制系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，控制系統(tǒng)的產 品早已呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展格局，而針對某一具體用戶來說，DCS+PLC 的控制方案不 再受青睞，控制系統(tǒng)設備一體化的呼聲越來越高。

二、計算機控制技術的發(fā)展動向

1 .控制設備的一體化 按我國的體制，工程設計、施工安裝、現(xiàn)場維護通常都是分成自控儀表、電氣兩個 專業(yè)采用兩套控制設備，構成兩個控制中心，帶來投資、操作、生產管理上的大量問題， 所以不少用戶迫切希望工藝過程的所有控制要求應該由一個控制系統(tǒng)來完成，這就是要 求實現(xiàn)控制設備一體化。

2.向國產DCS 轉移 在與國外 DCS 廠家的 競爭中，目前還不好說國產 DCS 全面占有優(yōu)勢，但至少 在一部分行業(yè)、在中小型企 業(yè)能打成平手甚至略占優(yōu) 勢。國產 DCS 從中小型企 業(yè)開始，從輔助工序開始， 現(xiàn)已逐步進入大型、特大型 企業(yè)，進入主體工序。

三、計算機中的運算速度

計算機技術水平發(fā)生著日新月異的變化，運算速度越來越快，每秒運算已經跨越了億次、萬億次級。2002年NEC公司為日本地球模擬中心建造的一臺"地球模擬器"，每秒能進行的浮點運算次數(shù)接近36萬億次。十年之后，即2012年6月18日，國際超級電腦組織公布最新的全球超級電腦500強名單，美國超級電腦（超級計算機"紅杉"）重奪世界第一寶座。"紅杉"持續(xù)運算測試達到每秒16324萬億次，其峰值運算速度高達每秒20132萬億次，令其他計算機望塵莫及。

"運算速度"是評價計算機性能的重要指標，其單位應該是每秒執(zhí)行多少條指令。而計算機內各類指令的執(zhí)行時間是不同的，各類指令的使用頻度也各不相同。計算機的運算速度與許多因素有關，對運算速度的衡量有不同的方法。

為了確切地描述計算機的運算速度，一般采用"等效指令速度描述法"。根據(jù)不同類型指令在使用過程中出現(xiàn)的頻繁程度，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，這時所指的運算速度是平均運算速度。

參考文獻：

[1] 何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及其應用；化學工業(yè)出版社2011 年05.