探討計算機自動控制系統(tǒng)及應用

趙永生

【摘要】伴隨著我國社會經(jīng)濟水平的迅速提高，計算機技術在農(nóng)業(yè)、交通、工業(yè)、國防建設以及人們的日常生活中獲得了非常廣泛的應用。與此同時，計算機技術自動控制系統(tǒng)也逐漸得到完善，進一步為人們提供更為優(yōu)質的服務。本文通過闡述計算機自動控制系統(tǒng)概念，探討其自動控制過程及幾種控制系統(tǒng)類型。

【關鍵詞】計算機 自動控制系統(tǒng) 概念 應用 探討分析

1.計算機自動控制系統(tǒng)

在計算機技術與自動控制技術獲得良好發(fā)展的基礎上，將兩者有機結合起來就形成了計算機自動控制系統(tǒng)。以往控制理論雖然已經(jīng)獲得較為顯著的成果，而且能夠成功運用于多種領域，整體呈現(xiàn)較為成熟的發(fā)展狀態(tài)。但是傳統(tǒng)控制理論仍然存在無法克服的局限性，如果計算步驟及控制系統(tǒng)繁雜，那么在實際操作中并不能使用控制理論知識來克服遇到的困難， 無法滿足控制系統(tǒng)的潛在運行需求?，F(xiàn)行控制理論在逐漸發(fā)展的過程中，不斷為自動控制系統(tǒng)的分析、設計、綜合等方面提供充足的理論基礎，同時計算機技術的快速發(fā)展為掌握新型控制規(guī)律提供了一個時效性非常高的平臺，兩者的有機結合促進自動控制技術走上更為迅速的發(fā)展道路。

典型連續(xù)控制系統(tǒng)結構因素包括給定值、控制器、執(zhí)行器、被控對象、被控參數(shù)、檢測裝置、反饋值等，這個控制系統(tǒng)里所有信號都屬于連續(xù)信號。在控制過程中使用比較器來對反饋值和給定值進行比較，然后經(jīng)由控制器來調節(jié)計算出現(xiàn)的偏差，形成控制信號驅動執(zhí)行機構，最終將被控參數(shù)數(shù)值控制在預期范圍內(nèi)。使用計算機來替換連續(xù)控制系統(tǒng)中的控制器與比較器，并且發(fā)揮同樣的作用及功能，這樣就形成一個典型的計算機自動控制系統(tǒng)。在計算機自動控制系統(tǒng)中， 計算機的輸入和輸出信號都是數(shù)字信號， 而被控對象的被控參數(shù)一般都是模擬量， 執(zhí)行器的輸入信號也大都是模擬信號， 因此， 需要有將模擬信號轉換為數(shù)字信號的 A/D 轉換器， 以及將數(shù)字信號轉換為模擬信號的 D/A 轉換器。

2.計算機控制系統(tǒng)的控制過程

計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以劃分為數(shù)據(jù)采集處理及實時控制兩個部分。數(shù)據(jù)的采集處理是指及時檢測被控對象的被控參數(shù)并將其輸入到計算機中進行相關處理。實時控制是指按照已經(jīng)設計好的控制規(guī)律來計算得出控制量，并在有效時間內(nèi)將控制信號發(fā)送至控制器。

計算機自動控制過程必須要同時滿足實效性及實時性的潛在需求，信號輸入、計算、輸出時間都應該控制在設計允許范圍之內(nèi)。這個過程會在計算機自動控制作用下不斷重復，系統(tǒng)能夠契合預先設計的品質指標要求，而且在工作中還能實時監(jiān)測被控參數(shù)與設備可能出現(xiàn)的一系列異常狀態(tài)，并且在最短時間內(nèi)進行正確處理。

3.計算機控制系統(tǒng)的組成及特點

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件包括： 計算機、過程輸X/輸出通道、外部設備、操作臺； 軟件由系統(tǒng)軟件和應用軟件組成。計算機通過接口可以向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令， 同時對被控對象的被控參數(shù)進行實時檢測及處理。過程輸入/輸出通道是在計算機和被控對象之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。過程輸入通道把被控對象的被控參數(shù)轉換成計算機可以處理的數(shù)字代碼。過程輸出通道把計算機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)， 轉換成可以對被控對象（或工作過程）進行控制的信號。過程輸入/輸出通道一般分為： 模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道、開關量輸出通道； 外部設備是用來實現(xiàn)計算機和外界交換信息的設備。操作臺是操作人員與計算機控制系統(tǒng)進行“對話”的設備； 軟件是指能夠完成各種功能的計算機控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有明顯的特點：在連續(xù)控制系統(tǒng)中， 各處的信號是模擬信號， 而計算機控制系統(tǒng)是有模擬信號和數(shù)字信號的混合系統(tǒng)； 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由模擬電路實現(xiàn)的， 控制規(guī)律越復雜， 所需的模擬電路往往越多， 要修改控制規(guī)律， 一般要改變原有的電路結構，而在計算機控制系統(tǒng)中，只需修改相應的程序， 就能達到改變控制規(guī)律的目的； 計算機控制系統(tǒng)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能， 能夠實現(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī)律； 計算機控制系統(tǒng)不是連續(xù)控制的， 而是離散控制的； 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， 一般是一個控制器控制一個回路， 而在計算機控制系統(tǒng)中， 由于計算機具有高速的運算處理能力， 一個數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r控制的方式， 同時控制多個回路； 采用計算機控制系統(tǒng)， 如分級計算機控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)等， 便于實現(xiàn)控制與管理一體化。

4.計算機控制系統(tǒng)類型及應用要點把握

4.1 操作指導控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是指計算機的輸出不直接控制被控對象， 只是每隔一定時間， 計算機進行一次數(shù)據(jù)采集， 將系統(tǒng)的一些參數(shù)經(jīng)A/D 轉換器轉換后送入計算機進行計算及處理， 然后進行報警、打印和顯示。操作人員根據(jù)這些結果去改變調節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機構。操作指導控制系統(tǒng)是一各開環(huán)控制結構。該系統(tǒng)結構簡單， 控制靈活和安全， 但是要人工操作， 速度受到限制， 故不適合于快速過程的控制和多個對象的控制。

4.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)又叫 DDC 系統(tǒng)， 它是計算機用于工業(yè)過程控制中最普遍的一種模式。計算機通過檢測元件對一個或多個系統(tǒng)參數(shù)進行巡回檢測， 并經(jīng)過輸入通道將檢測數(shù)據(jù)送人計算機， 計算機根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算， 然后， 發(fā)出控制信號直接控制執(zhí)行機構， 使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定的要求。在 DDC 系統(tǒng)中的計算機參與閉環(huán)控制過程， 它不僅能取代模擬調節(jié)器，實現(xiàn)多回路的 PID（比例、積分、微分）調節(jié)， 而且只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)較復雜的控制， 如前饋控制、非線性控制、自適應控制、最優(yōu)控制等。

4.3 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)又叫 SCC 系統(tǒng)。在 SCC 系統(tǒng)中， 計算機按著描述工作過程的數(shù)學模型， 計算出最佳給定值送入模擬調節(jié)器或者DDC 計算機， 最后由模擬調節(jié)器或者 DDC 計算機控制工作過程， 從而使工作過程始終處于最佳工作狀態(tài)。

4.4 分級計算機控制系統(tǒng)

就是由若干個微處理器或管理計算機分別承擔部分任務而組成的計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是將控制任務分散， 用多臺計算機分別執(zhí)行不同的任務， 既能進行控制又能實現(xiàn)管理。該系統(tǒng)是一個四級系統(tǒng)， 各級計算機分別承擔不同的任務。裝置控制級（DDC 級）對工作過程或單機直接進行控制； 部門都督級（SCC 級）根據(jù)管理級下達的命令和通過裝置控制級獲得的工作過程的數(shù)據(jù)， 進行最優(yōu)化控制； 管理集中控制級， 根據(jù)上級下達的任務和公司情況， 制定工作計劃、安排部門日常工作、進行人員調配及各部門的協(xié)調， 并及時將 SCC 級和 DDC 級的情況向上級反映； 經(jīng)營管理級， 制定長期發(fā)展規(guī)劃、發(fā)展計劃、工作計劃， 發(fā)命令至各分部， 并接受各部發(fā)回來的數(shù)據(jù)， 實行全局的總調度。

5.結束語

計算機控制技術已經(jīng)完全貫穿于人們的生活及學習中，社會經(jīng)濟每個層面都與計算機控制技術之間存在非常密切的聯(lián)系。計算機控制系統(tǒng)大小不同，有非常龐大且復雜的類型，也有體積較小的各種微型設備，計算機控制技術在這些系統(tǒng)中發(fā)揮著至為重要的作用。伴隨著計算機的迅速普及及計算機技術的快速發(fā)展，類型繁多、性能優(yōu)良、價格理想的控制器越來越多，為計算機應用于自動控制系統(tǒng)中提供了一個良好平臺，相關技術人員應該熟練了解并掌握計算機自動控制系統(tǒng)知識，確保在實際使用過程中取得令人滿意的控制效果。

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