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计算机控制技术概论
计算机控制系统（简称CCS）是利用计算机参与控制，并通过一些辅助元件与被控对象相连接，以获得一定控制目的的系统。 这里的计算机通常指数字计算机，其尺寸可以是各种尺寸，从微型到大型通用或专用计算机。 辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置。 与待充电物体的连接以及部件之间的连接可以是有线的，例如通过电缆的模拟信号或数字信号； 也可以是无线的，如利用红外线、微波、无线电波、光波等进行通信。
02
计算机控制系统的组成
计算机控制系统是利用计算机（通常称为工业控制计算机）实现工业过程自动控制的系统。 在计算机控制系统中，由于工控机的输入输出均为数字信号，而现场采集或发送给执行机构的信号多为模拟信号，与传统的偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器两个环节。
计算机将测量元件、变送单元、模数转换器送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求根据偏差进行计算，得出获得的数字输出信号经过数模转换后送至执行机构控制被控对象，使被控变量稳定在设定值。 这样的系统称为闭环控制系统。
计算机控制系统由工控机和生产过程两部分组成。 工业控制计算机硬件是指计算机本身及其外围设备。 硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机界面、外部存储器等。软件系统是能够执行各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件。
被指控的对象范围非常广泛，包括各行业的生产过程、机械装置、车辆、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。 控制的目的可以是使被控对象的状态或运动过程满足某种要求，也可以是达到某种优化目标。 计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大、具有逻辑判断功能等特点，因此可以实现先进、复杂的控制方法，获得快速、精确的控制效果。 计算机技术的发展给整个人类社会带来了相当大的变化，它自然地应用到工业生产和企业管理中。 而且计算机的信息处理能力可以进一步将过程控制和生产管理（如CIMS）有机地结合起来，从而实现工厂企业的全面自动化管理。
与一般控制系统一样，计算机控制系统可以是闭环的。 这时，计算机需要不断采集被控对象的各种状态信息，并按照一定的控制策略进行处理后，输出的控制信息直接影响被控对象。 也可以是开环的，有两种方式：一种是计算机只按时间顺序或给定的规则影响受控对象； 另一种是计算机处理来自受控对象的信息，仅向操作人员提供操作指导信息，然后手动影响受控对象。
计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这与仅由硬件组成的模拟控制器组成的系统不同。 计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。 系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务程序。 它们通常由计算机制造商为用户提供，具有一定的通用性。 应用软件是为特定控制目的而编写的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等，它们涉及被控对象的特性和控制策略等，由实施控制系统的专业人员编写。
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计算机控制系统的硬件组成
计算机控制系统的硬件主要由计算机系统和过程输入输出系统等组成。
（一）计算机系统包括主机和外围设备；主机由CPU 和 内存储器 (RAM,ROM)组成，它是计算机控制系统的核心。主机根据过程输入设备送来的实时生产过程工作状况的各种信息以及预定的控制算法，自动的进行信息处理，及时的选定相应的控制策略，并实时地通过过程输出设备向生产过程发送控制命令。
外围设备可分为输入设备、输出设备、通信设备和外存设备。
常用的输入设备有键盘、专用操作台等，用来输入程序、数据和操作命令。
常用的输出设备有有显示器、打印机、绘图机和各种专用的显示台，他们以字符、表格、曲线、图形、指示灯等形式反映生产过程工况和控制信息、
常用的外存设备有磁盘、磁带、光盘等，有兼输入输出功能，存放程序和数据。
（二）过程输入输出系统 它由输入|输出通道及接口、信号检测及变送装置和执行结构等组成。
输入“输出通道及接口是计算机与外部连接的桥梁。常用的输入|输出接口有并行接口、串行接口等，输入|输出通道有模拟量输入|输出通道和数字量输入|输出通道。前者一方面将检测変送装置得到的工业对象的生产过程参数变成二进制代码送给计算机；另一方面通过计算机进行模数转换，以实现对生产过程的控制。数字量I|O通道除完成编码数字输入输出外，还将各种继电器、限位开关的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产过程中的各个开关、继电器等。
检测変送装置的功能为把检测到的各种物理量状变成电信号，并转换成适用于计算机输入的标准信号。
执行结构用来驱动工业对象，完成相应的动作。常见的有电动机、调节阀、电液伺服阀、各种开关等。
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计算机控制系统软件组成
计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。 系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务程序。 它们通常由计算机制造商为用户提供，具有一定的通用性。 应用软件是为特定控制目的而编写的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等，它们涉及被控对象的特性和控制策略等，由实施控制系统的专业人员编写。
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计算机控制系统的分类
计算机控制系统的分类有三种方法：按自动控制分类、按参与控制方法分类或按调节规律分类。
1、按自动控制线分类
自动控制方法可分为以下几类：
(1)计算机开环控制(Open Loop)系统 如果计算机开环控制系统的输出可以对生产过程进行控制，但控制结果——生产过程的状态并不影响计算机受控系统，计算机\控制器\生产如果过程等环节不形成闭环，则称为计算机开环控制系统。 从图中可以看出，生产过程的状态并没有反馈到计算机，而是操作员监视生产过程的状态，确定控制计划，并告诉计算机进行控制。
(2)计算机闭环控制当计算机对生产对象或过程进行控制时，生产过程的状态能直接影响计算机控制的系统，称为计算机闭环控制系统。 控制计算机在操作人员的监督下自动接受生产过程状态的检测结果，计算并确定控制方案，指挥控制元件（装置）的动作，发挥控制生产过程的作用。 在这样的系统中，控制部件一方面根据控制机发送的控制信息来控制运行设备，另一方面将运行设备系统的运行状态作为输出，通过检测来测量部分然后反馈到控制计算机作为输入； 从而使控制计算机\控制部分\生产过程\检测部分形成闭环。 我们将这种控制形式称为控制计算机闭环控制。 计算机闭环控制系统利用数学模型设定生产过程的最优值与测试结果的反馈值之间的偏差，控制生产过程运行在最佳状态。
(3)在线控制只要计算机能对被控对象或被控生产过程进行直接控制而无需人工干预的，就称为控制计算机在线控制或在线控制系统。
(4)离线控制控制计算机不直接参与被控对象或被控生产过程。 它只完成对被控对象或被控过程的状态检测，并对检测到的数据进行处理； 然后制定控制方案并输出控制指令，操作人员参照控制指令，手动操作控制元件来控制被控对象或被控过程。 这种控制形式称为计算机离线控制系统。
(5)实时控制系统
控制计算机的实时控制系统是指被控对象或被控过程。 每当请求处理或请求控制时，控制功能都可以及时处理和控制系统。 常用于生产过程间歇的场合。 比如炼钢，每熔炼一炉钢就是一个过程； 另一个例子是轧钢过程。 每一块轧出来的钢材都是一个工序，每一个工序都是重复进行的。 只有进入该过程时才需要计算机对其进行控制。 一旦计算机掌握了控制权，就需要计算机。 生产过程的信息在规定时间内响应或控制。 这种系统通常使用完整的中断系统和中断处理程序来实现。 综上所述，在线系统不一定是实时系统。 但实时系统必须是在线系统。
2、按参与控制方式分类
按控制机的控制方式分类，可分为以下几类：
(1)直接数字控制系统用控制计算机代替传统的模拟调节仪表，直接控制生产过程。 由于计算机发出的信号是数字量，故称为DDC控制。 实际控制生产过程的控制部分，接收到的控制信号可以通过控制机过程输入/输出通道中的数字/模拟（D/A）转换器将计算机的数字控制输出转换为模拟值； 输入的模拟量还通过控制机过程输入/输出通道的模拟/数字（A/D）转换器转换为数字量，进入计算机。 在DDC控制系统中，常采用小型计算机或微机的分时系统来实现多点的控制功能。 实际上，它属于控制机利用离散采样来实现离散多点控制。 这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机控制系统中的主要控制形式之一。 DDC控制的优点是灵活。 集中式可靠性高，价格便宜。 几个回路，甚至几十个回路的生产过程，可以通过比例积分微分（PID）以数字运算的形式进行控制，使工业被控对象的状态保持在给定值上，偏差体积小且稳定。 并且只要改变控制算法和应用程序，就可以实现更复杂的控制。 如前馈控制和最优控制。 一般来说，DDC级控制常被用作较复杂的高级控制 控制的执行级。
(2)计算机监控系统计算机监控系统针对一定的生产过程，根据生产过程的各种状态，根据生产过程的数学模型，计算出生产设备应运行的最佳给定值，并计算出最佳值自动或手动调整到DDC执行级的计算机或模拟调节仪表，以调整或设定控制的目标值。 DDC或调节仪表控制生产过程的每个点（操作设备）。 SCC系统的特点是能够保证受控生产过程始终运行在最佳状态，从而获得最大效益。 首先直接影响SCC效果的就是它的数学模型。 因此，有必要改进运行过程中的数学模型并相应修改控制。 算法和应用控制程序。
(3)多级控制系统在现代生产企业中，不仅要解决生产过程的在线控制问题，还要解决生产管理问题、日常生产品种的计划调度问题和数量，以及玫瑰花的规划和排列，制定长期规划和预测销售前景等，于是出现了多级控制系统。 DDC级主要用于直接控制生产过程进行PID或前馈控制； SCC级主要用于最优控制或自适应控制或自学习控制计算，并指挥DDC级控制并向MIS级报告情况。 DDC级通常采用微型计算机，SCC级一般采用小型计算机或高端微型计算机。 车间管理MIS的主要功能是根据厂级下达的生产品种、数量订单以及汇总的产量。 可以随时合理调度过程状态信息，实现最优控制和直接SCC级监督控制。 工厂管理层MIS的主要功能是接受公司分配的生产任务和工厂的实际情况，进行优化计算，制定工厂生产计划和短期（十周或每日）安排，然后将生产任务分配到车间级别。 公司管理层MIS的主要功能是预测和计算市场需求，制定战略性长期发展计划，并根据订购合同、原材料的供应情况和企业的生产状况，比较和选择最优的生产计划，制定全公司长期（一个月或十天）的生产计划和销售计划，并向各工厂管理层下达任务。 MIS层的主要功能是实现信息的实时处理，为各级决策者提供有用的信息，为生产计划、调度和管理制定计划，使计划协调和运行管理处于最佳状态。 该级别可根据企业规模和管理范围确定。 大小分为几个等级。 每个级别根据要处理的信息量确定所使用的计算机类型。 一般车间级MIS采用小型计算机或高档微型机，工厂管理层MIS采用中型计算机，公司管理层MIS采用中型计算机。 MIS 使用大型计算机或超大型计算机。
(4)集散控制或分散控制系统 分散控制或集散控制是将控制系统划分为若干个独立的本地控制子系统，以完成受控生产过程的自动控制任务。 由于微型计算机的出现和迅速发展，为实现分散控制提供了物质和技术基础。 近年来，分散控制异常发展，已成为计算机控制发展的重要趋势。 自20世纪70年代以来，出现了集中式和分散式控制系统，简称分布式系统。 它是一种采用分散就地控制的新型计算机控制系统。
3、按调节规律分类如果按调节规律分类，由计算机构成的控制工业生产过程的系统可分为以下几类：
(1)程序控制 如果计算机控制系统按照预定的时间函数进行控制，这种控制称为程序控制。 例如，按照一定的时间曲线控制炉温。 就是程序控制。 这里的程序是指随着时间的推移，有一定的相应变化值，而不是计算机运行的程序。
(2)顺序控制 顺序控制是在程序控制的基础上产生的。 如果计算机能够根据一段时间内确定的相应值和该时刻之前的控制结果来控制生产过程，则称为计算机的顺序。 控制。
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计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。 如果自动控制系统中控制器的功能由计算机来实现，就形成了典型的计算机控制系统。 它利用计算机参与控制，并借助一些辅助元件与被控对象相连接，以达到一定的控制目的。 其中，辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置。 其与受控对象以及部件之间的连接方式通常有两种：有线和无线。 控制的目的可以是使被控对象的状态或运动过程满足某种要求，也可以是达到某种优化目标。
计算机控制系统包括硬件部分和软件部分。 在计算机控制系统中，需要专用的数模转换设备和模数转换设备。 由于过程控制一般为实时控制，有时对计算机速度要求不高，但要求可靠性高、响应及时。 计算机控制系统的工作原理可概括为以下三个过程： (1)实时数据采集。 检测被控量的瞬时值并输入计算机。 (2)实时决策。 对采集到的代表被控参数的状态量进行分析，根据既定的控制律确定下一步的控制过程。 (3)实时控制。 根据决策，及时向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 这三个过程不断重复，使整个系统按一定的质量指标工作，并及时处理受控量和设备本身的异常现象。 当今国家，要想在综合国力上取得优势，就必须取得科技优势，特别是高新技术产品的创新设计和开发能力。 在以信息技术为代表的高新技术应用方面，要充分利用各种新兴技术、新材料、新能源，结合市场需求，实现世界又一次“工业革命”； 工业设计与工程设计的一致性在表现上，需要充分协调设计的功能与形式的关系，使两者逐步融合，最终实现以人为主体的智能集成设计系统。核心与人机一体化。 从工业设计本身来看，随着CAD、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展，必然对设计过程有更深入的了解，设计思维的模拟也必将达到一个新的水平。等级。 从整个产品设计制造的发展趋势来看，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。 随着技术的进一步发展，产品设计模式必然在信息化的基础上向数字化、集成化、网络化、智能化方向发展。
热门应用 可编程逻辑控制器（PLC）是专为工业环境应用而设计的微机系统。 它采用可编程存储器存储用户指令，通过数字或模拟输入输出完成一定的逻辑、顺序、定时、计数和计算功能。 近年来，几乎所有的PLC都采用微处理器作为主控制器，采用大规模集成电路作为存储器和I/O接口，因此其可靠性、功能、价格、体积都比较成熟和完善。 由于智能I/O模块的开发成功，PLC不仅具有逻辑运算、逻辑判断等功能，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、网络等功能，大大扩展了应用范围PLC的。 集散控制系统是以微机为核心，将微机、工业控制计算机、数据通讯系统、显示操作装置、输入输出通道、模拟仪表等有机结合起来的计算机控制系统，为生产条件创造了全面自动化。 如果采用先进的控制策略，自动化系统将向低成本、综合性、高可靠性方向发展，实现计算机集成制造系统。 智能控制是无需人工干预即可自主驱动智能机器实现目标的过程，是利用机器模拟人类智能的重要领域。 智能控制包括学习控制系统、分层智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。应用智能控制技术和自动控制理论实现的先进计算机控制系统将有效推动科学技术的进步提高工业生产系统的自动化水平。 计算机技术的发展加速了智能控制方法的研究。 智能控制方法在更深层次上模拟人脑的思维和判断过程，通过模拟人思维和判断的各种算法来实现控制。 计算机控制系统的优点、应用特点和发展前景将随着智能控制系统的发展而发展。 计算机控制技术正朝着智能化、网络化、集成化方向发展。 大规模和超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性价比，从而使计算机控制系统的应用越来越广泛。 前景越来越好，占据更加重要的地位。
