1.2.2 计算机控制系统

计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个阶段。

（1）信息的获取

计算机可以通过其外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息，这些信息是计算机进行计算或决策的素材和依据。

（2）信息的处理

计算机可根据预先编好的程序对从外部设备获取的信息进行处理，这种数据处理应包括信号的滤波、线性化校正、标度的变换、运算与决策等。

（3）信息的输出

计算机将最终处理完的信息通过外部设备送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。

计算机控制系统包括硬件和软件两大部分。硬件由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础；软件是计算机主机中的程序和数据，它能够完成对接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，包括维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件两大部分。软件是计算机控制系统的关键。

计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网络结构）和被控对象两大部分组成。从图1-1和图1-2所示控制系统可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、处理和比较，这些功能是由传感器的测量变送装置、控制器和执行机构来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它从质和量两方面决定了控制系统的性能和应用范围。

若把图1-1和图1-2中的控制器用计算机系统来代替，就构成了计算机控制系统，其典型结构如图1-3所示。

计算机控制系统在结构上也可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种。

控制系统中引入了计算机，就可以充分利用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息处理能力，运用微处理器或微控制器的丰富指令，就能编制出满足某种控制规律的程序，执行该程序，就可以实现对被控量的控制。

在计算机控制系统中，计算机处理的输入和输出信号都是数字化量，因此，在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字控制信号转换为模拟输出信号的数/模（D/A）转换器。

计算机控制系统执行控制程序的过程如下。

1）实时数据采集：对被控量以一定的采样间隔进行测量，并将采样结果输入计算机。

2）实时计算：对采集到的被控量进行处理后，按预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定当前的控制量。

3）实时控制：根据实时计算结果，将控制信号送往控制的执行机构。

4）信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到了控制系统中。

上述测量、控制、运算、管理的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控量或设备出现的异常状态及时监督并迅速做出处理。

前面所讲的计算机控制系统的一般概念中，计算机直接连接着工业设备，不通过其他介质来间接进行控制决策。这种生产设备直接与计算机控制系统连接的方式，称为“联机”或“在线”控制。如生产设备不直接与计算机控制系统连接，则称为“脱机”或“离线”控制。

如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控量进行测量、计算和控制输出，则称为实时控制。实时控制的概念与工艺要求紧密相关，如快速变化的压力对象的实时控制要比缓慢变化的温度对象的实时控制快。实时控制的性能通常受到一次仪表的传输延迟、控制算法的复杂程度、微处理器或微控制器的运算速度和被控量的输出延迟等因素的影响。

计算机控制系统分类方式繁多，根据应用场合可以分为过程控制系统与运动控制系统两大类。过程控制系统是指以温度、压力、流量、液位（或物位等）、成分和物性等为被控量的流程工业中的控制系统。运动控制系统主要指以位移、速度和加速度等为被控量的控制系统，如以控制电动机的转速、转角为主的机床控制和跟踪控制系统。这两类控制系统虽然基于相同的控制理论，但因控制过程的性质、特征和控制要求等不同，导致了控制思路、控制策略和控制方法上的区别。