[科普中国]-基本控制系统

简介

计算机基本控制系统是指用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。其中辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。它与被控对象的联系和部件间的联系通常有两种方式：有线方式、无线方式。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。在计算机控制系统中，计算机包括嵌入式的单片机（MCU或DSP）构成的数字调节器、工业控制计算机（IPC）、可编程序控制器（PLC）以及集散控制系统（DCS）等形态。

计算机基本控制系统的控制过程分为下列三个步骤：

1、实时数据采样，测量被控量的当前值，为离散的数字化信号。

2、实时判断，判断被控量当前值与给定值的偏差。

3、实时控制，根据偏差，作为控制决策。即按照预定的算法对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。1

组成基本控制系统的典型结构如图所示。图中控制器由计算机按一定的算法用软件来实现。由于微机处理的是数字信号，而被控制Y通常为模拟信号，所以要采用模/数转换器A/D和数/模转换器D/A实现两种信号之间的转换，γ为数字的给定量，μ为微机输出的控制信号。

任何一个微型计算机控制系统都是由硬件和软件两大部分有机结合而组成的，其中硬件是看得见摸得着的各部分器件和部件的总和，软件是各种程序的总和。微机控制系统的动作是由软件来控制的。1

硬件组成1、主机

主机是整个系统的核心，即由CPU和内部RAM、ROM以及其它有关电路组成。主机根据输入通道所采集到的被控对象的工况参数，按程序的安排自动地进行信息的处理分析和计算，发出控制命令，通过输出通道作用到被控对象，使被控对象系统按预定的规律有条不紊地工作。

2、外部设备

简称“外设”。计算机系统中输入、输出设备（包括外存储器）的统称。对数据和信息起着传输、转送和存储的作用。是计算机系统中的重要组成部分。外围设备涉及到主机以外的任何设备。外围设备是附属的或辅助的与计算机连接起来的设备。外围设备能扩充计算机系统。它一般分为输入设备、输出设备和外存储器，外部设备是计算机系统中的重要组成部分，起到信息传输、转入和存储的作用。其中包括键盘、鼠标、笔输入设备、扫描仪、数码相机、数字摄像机等。

3、输出输入通道

输入输出通道又称为过程通道，用于微机与被控对象传递信息。一般分为模拟量输入通道，模拟量输出通道、数字量输入通道，数字量输出通道。

软件组成软件是微型机系统的神经中枢，整个系统都是在软件的统一指挥下协调工作的，软件的优劣不仅关系到硬件功能的发挥，而且也关系到微机控制系统的控制质量和管理水平。2按语言来分，软件可分为机器语言，汇编语言和高级语言。按功能来分，软件通常又可分为系统软件和应用软件两大类。

1、系统软件

系统软件是指控制和协调计算机及外部设备,支持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预的各种程序的集合，主要功能是调度，监控和维护计算机系统；负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。

2、应用软件

应用软件（applicationsoftware）是和系统软件相对应的，是用户可以使用的各种程序设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合，分为应用软件包和用户程序。应用软件包是利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合，供多用户使用。较常见的如：

（1）文字处理软件;用于输入、存贮、修改、编辑、打印文字材料等。

（2）信息管理软件;用于输入、存贮、修改、检索各种信息，例如工资管理软件、人事管理软件、仓库管理软件、计划管理软件等。这种软件发展到一定水平后，各个单项的软件相互连系起来，计算机和管理人员组成一个和谐的整体，各种信息在其中合理地流动，形成一个完整、高效的管理信息系统，简称MIS;

（3）辅助设计软件;用于高效地绘制、修改工程图纸，进行设计中的常规计算，帮助人寻求好设计方案;

（4）实时控制软件;用于随时搜集生产装置、飞行器等的运行状态信息，以此为依据按预定的方案实施自动或半自动控制，安全、准确地完成任务。1

基本分类计算机控制系统的分类有三种方法。

按自动控制行式分类以自动控制方式可以分成如下几类：

1、计算机开环控制(ComputerOpenLoopControl)系统。若计算机开环控制系统的输出对生产过程能行使控制,但控制结果---生产过程的状态没有影响计算机控制的系统,计算机、控制器、生产过程等环节没有构成闭合环路,则称之计算机开环系统。

2、计算机闭环控制。计算机对生产对象或过程进行控制时,生产过程状态能直接影响计算机控制的系统,称之为计算机闭环控制系统。控制计算机在操作人员监视下,自动接受生产过程状态检测结果,计算并确定控制方案,直接指挥控制部件(器)的动作,行使控制生产过程作用。

3、在线控制。只要计算机对受控对象或受控生产过程,能够行使直接控制,不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统。

4、离线控制。控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程。

5、实时控制系统。控制计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程,每当请求处理或请求控制时,控制机能及时处理并进行控制的系统,常用在生产过程是间断进行的场。1

按调节规律分类如果按调节规律分类,计算机对工业生产过程进行控制所构成的系统可分成如下几种:

1、程序控制.如果计算机控制系统是按着预先规定的时间函数进行控制,这种控制称之为程序控制。如炉温按着一定的时间曲线进行控制就为程序控制。

2、顺序控制。在程序控制的基础上产生了顺序控制,计算机如能根据随时间推移所确定对应值和此刻以前的控制结果两方面情况行使对生产过程控制的系统,称之为计算机的顺序控制。1

按参与控制方式来分类按控制机参与控制方式来分类，可分成如下几种：

1、直接数字控制系统(DDC)。

“直接数字控制”是为了强调计算机直接控制生产过程这一特性,其系统组成如图。计算机控制系统中首先是把反映过程状态的参数经过采样,并经过模数转换装置转换为相应的数字量。计算机根据一定的控制算法进行计算,将控制作用经数模转换装置转换为相应的模拟量,通过执行机构去控制生产过程,以达到预期的目的。同时,也可根据需要将必要的信息在终端机的屏幕上显示或用打印机打印出来。当前以单片机为主体的DDC控制仪用量最大,如控制温度、流量等。这种微机控制仪表的功能已大大超过以模拟电子元件为基础的测量仪表,而且有了处理工艺参数的功能,但它们需要与中间继电器、交流接触器、晶闸管、电磁阀、比例阀等执行机构形成完善的控制系统。多数DDC控制仪采用PID和模糊控制算法,但自身调整和在线优化能力仍较弱。最新推出的DDC控制系统均配有通信接口,可方便地进行联机。

这类控制系统的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护,有较高的抗干扰能力和控制精度,操作方便。主要问题是受运行速度和内存容量的限制,难于进行动态控制生产工艺过程和产品质量预测,因此还是初级微机控制系统。国产的这类控制仪种类多,但目前仍存在着抗干扰自复位能力较差,可靠性差等问题。

2、计算机监督控制系统。

监督控制(SCC)系统又称设定值控制系统,它是将操作指导和DDC综合起来的一种较高级形式的控制系统。它和DDC一样属于闭环控制。在这类系统中,生产过程的闭环自动调节是领先模拟调节器或DDC计算机来完成的。SCC计算机对生产过程的工艺参数进行巡检,并根据生产过程的数学模型,计算出最佳给定值,直接对模拟调节器或DDC计算机进行设定,使生产过程在最优工况下运行,此外,还可以通过在线的模型辩识,随时对现有模型进行修改,实现最优控制和自适应控制。SCC系统组成原理框图见图。

模拟调节器或DDC计算机直接面向生产过程,SCC计算机则面向模拟调节器或DDC计算机,也就是说,含有SCC的系统至少是一个两级控制系统。1台SCC计算机可监督控制多台DDC或模拟调节器。SCC系统具有较高的运行性能和可靠性。

采用SCC系统的原因是由于DDC系统在进行实时控制时,采样周期不能太长。而较短的采样周期又难以完成较为复杂的运算与控制,SCC系统则可以完成较为复杂的计算,如优化计算、自适应算法等,而将计算出的最佳设定值送给DDC系统或模拟调节器去执行,因此,可实时实现优化控制。但是,DDC系统和SCC系统都属于集中型控制系统,当这种系统集中了很多的控制回路时,就必然会带来“危险高度集中”的问题,从而使系统的可靠性大为降低。

3、多级控制系统.

在现代生产企业中,不仅需要解决生产过程的在线控制问题,而且还要求解决生产管理问题,每日生产品种、数量的计划调度以及月季计划安排,制定长远规划、预报销售前景等,于是出现了多级控制系统。1

4、集散控制系统(DCS)

集散控制系统(DCS)又称为分散控制系统或分布式控制系统。目前所使用的集散控制系统有环形、总线形和分级式几种。现以分级式为例介绍该系统的组成。分级式控制系统通常由分散过程控制级(DDC级)、监督控制(SCC级)和生产管理级(MIC级)等3级。

分散过程控制级是DCS的基础,用于直接控制生产过程。它由各工作站组成,每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集的数据供监控级调用,各工作站接收监控级发送的信息,并依此而工作。可见分散过程控制级基本上属于DDC系统的形式,但将DDC系统的职能由各工作站分别完成。因此局部的故障不会影响整个系统的工作,从而避免了集中控制系统中“危险集中”的问题。监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。

管理级则是整个系统的中枢,它根据监控级提供的信息及生产任务的要求,编制全面反映整个系统工作情况的报表,审核控制方案,选择数学模型,制定最优控制策略,并对下一级下达命令。集散型控制系统实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。能够适应工作生产过程的各种需要,提高生产自动化水平和管理水平。3