基本控制系統

計算機基本控制系統是指用計算機參與控制並藉助一些輔助部件與被控對象相聯繫，以獲得一定控制目的而構成的系統。

基本介紹

• 中文名：基本控制系統
• 外文名：BCS
• 步驟：實時數據採樣、判斷、實時控制
• 分類方法：控制形式、調節規律、參與方式
• 組成：硬體和軟體
• 套用學科：控制科學、儀器科學、電氣工程

基本介紹

計算機基本控制系統是指用計算機參與控制並藉助一些輔助部件與被控對象相聯繫，以獲得一定控制目的而構成的系統。其中輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執行裝置等。它與被控對象的聯繫和部件間的聯繫通常有兩種方式：有線方式、無線方式。控制目的可以是使被控對象的狀態或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最最佳化目標。在計算機控制系統中，計算機包括嵌入式的單片機（MCU或DSP）構成的數字調節器、工業控制計算機（IPC）、可程式序控制器（PLC）以及集散控制系統（DCS）等形態。

計算機基本控制系統的控制過程分為下列三個步驟：

1、實時數據採樣，測量被控量的當前值，為離散的數位化信號。

2、實時判斷，判斷被控量當前值與給定值的偏差。

3、實時控制，根據偏差，作為控制決策。即按照預定的算法對偏差進行運算，以及適時適量地向執行機構發出控制信號。

組成

基本控制系統的典型結構如圖所示。圖中控制器由計算機按一定的算法用軟體來實現。由於微機處理的是數位訊號，而被控制Y通常為模擬信號，所以要採用模/數轉換器A/D和數/模轉換器D/A實現兩種信號之間的轉換，γ為數字的給定量，μ為微機輸出的控制信號。

微機控制系統

任何一個微型計算機控制系統都是由硬體和軟體兩大部分有機結合而組成的，其中硬體是看得見摸得著的各部分器件和部件的總和，軟體是各種程式的總和。微機控制系統的動作是由軟體來控制的。

硬體組成

1、主機

主機是整個系統的核心，即由CPU和內部RAM、ROM以及其它有關電路組成。主機根據輸入通道所採集到的被控對象的工況參數，按程式的安排自動地進行信息的處理分析和計算，發出控制命令，通過輸出通道作用到被控對象，使被控對象系統按預定的規律有條不紊地工作。

2、外部設備

簡稱“外設”。計算機系統中輸入、輸出設備（包括外存儲器）的統稱。對數據和信息起著傳輸、轉送和存儲的作用。是計算機系統中的重要組成部分。外圍設備涉及到主機以外的任何設備。外圍設備是附屬的或輔助的與計算機連線起來的設備。外圍設備能擴充計算機系統。它一般分為輸入設備、輸出設備和外存儲器，外部設備是計算機系統中的重要組成部分，起到信息傳輸、轉入和存儲的作用。其中包括鍵盤、滑鼠、筆輸入設備、掃瞄器、數位相機、數字攝像機等。

3、輸出輸入通道

輸入輸出通道又稱為過程通道，用於微機與被控對象傳遞信息。一般分為模擬量輸入通道，模擬量輸出通道、數字量輸入通道，數字量輸出通道。

軟體組成

軟體是微型機系統的神經中樞，整個系統都是在軟體的統一指揮下協調工作的，軟體的優劣不僅關係到硬體功能的發揮，而且也關係到微機控制系統的控制質量和管理水平。按語言來分，軟體可分為機器語言，彙編語言和高級語言。按功能來分，軟體通常又可分為系統軟體和套用軟體兩大類。

1、系統軟體

系統軟體是指控制和協調計算機及外部設備,支持套用軟體開發和運行的系統，是無需用戶干預的各種程式的集合，主要功能是調度，監控和維護計算機系統；負責管理計算機系統中各種獨立的硬體，使得它們可以協調工作。系統軟體使得計算機使用者和其他軟體將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬體是如何工作的。

2、套用軟體

套用軟體（applicationsoftware）是和系統軟體相對應的，是用戶可以使用的各種程式設計語言，以及用各種程式設計語言編制的應用程式的集合，分為套用軟體包和用戶程式。套用軟體包是利用計算機解決某類問題而設計的程式的集合，供多用戶使用。較常見的如：

（1）文字處理軟體;用於輸入、存貯、修改、編輯、列印文字材料等。

（2）信息管理軟體;用於輸入、存貯、修改、檢索各種信息，例如工資管理軟體、人事管理軟體、倉庫管理軟體、計畫管理軟體等。這種軟體發展到一定水平後，各個單項的軟體相互連繫起來，計算機和管理人員組成一個和諧的整體，各種信息在其中合理地流動，形成一個完整、高效的管理信息系統，簡稱MIS;

（3）輔助設計軟體;用於高效地繪製、修改工程圖紙，進行設計中的常規計算，幫助人尋求好設計方案;

（4）實時控制軟體;用於隨時蒐集生產裝置、飛行器等的運行狀態信息，以此為依據按預定的方案實施自動或半自動控制，安全、準確地完成任務。

基本分類

計算機控制系統的分類有三種方法。

按自動控制行式分類

以自動控制方式可以分成如下幾類：

1、計算機開環控制(ComputerOpenLoopControl)系統。若計算機開環控制系統的輸出對生產過程能行使控制,但控制結果---生產過程的狀態沒有影響計算機控制的系統,計算機、控制器、生產過程等環節沒有構成閉合環路,則稱之計算機開環系統。

2、計算機閉環控制。計算機對生產對象或過程進行控制時,生產過程狀態能直接影響計算機控制的系統,稱之為計算機閉環控制系統。控制計算機在操作人員監視下,自動接受生產過程狀態檢測結果,計算並確定控制方案,直接指揮控制部件(器)的動作,行使控制生產過程作用。

3、線上控制。只要計算機對受控對象或受控生產過程,能夠行使直接控制,不需要人工干預的都稱之為控制計算機線上控制或稱在線上控制系統。

4、離線控制。控制計算機沒有直接參於控制對象或受控生產過程。

5、實時控制系統。控制計算機實時控制系統是指受控制的對象或受控過程,每當請求處理或請求控制時,控制機能及時處理並進行控制的系統,常用在生產過程是間斷進行的場。

按調節規律分類

如果按調節規律分類,計算機對工業生產過程進行控制所構成的系統可分成如下幾種:

1、程式控制.如果計算機控制系統是按著預先規定的時間函式進行控制,這種控制稱之為程式控制。如爐溫按著一定的時間曲線進行控制就為程式控制。

2、順序控制。在程式控制的基礎上產生了順序控制,計算機如能根據隨時間推移所確定對應值和此刻以前的控制結果兩方面情況行使對生產過程控制的系統,稱之為計算機的順序控制。

按參與控制方式來分類

按控制機參與控制方式來分類，可分成如下幾種：

1、直接數字控制系統(DDC)。

“直接數字控制”是為了強調計算機直接控制生產過程這一特性,其系統組成如圖。計算機控制系統中首先是把反映過程狀態的參數經過採樣,並經過模數轉換裝置轉換為相應的數字量。計算機根據一定的控制算法進行計算,將控制作用經數模轉換裝置轉換為相應的模擬量,通過執行機構去控制生產過程,以達到預期的目的。同時,也可根據需要將必要的信息在終端機的螢幕上顯示或用印表機列印出來。當前以單片機為主體的DDC控制儀用量最大,如控制溫度、流量等。這種微機控制儀表的功能已大大超過以模擬電子元件為基礎的測量儀表,而且有了處理工藝參數的功能,但它們需要與中間繼電器、交流接觸器、晶閘管、電磁閥、比例閥等執行機構形成完善的控制系統。多數DDC控制儀採用PID和模糊控制算法,但自身調整和線上最佳化能力仍較弱。最新推出的DDC控制系統均配有通信接口,可方便地進行在線上。

直接數字控制系統組成框圖

這類控制系統的主要特點是結構緊湊、輕便靈活、便於維護,有較高的抗干擾能力和控制精度,操作方便。主要問題是受運行速度和記憶體容量的限制,難於進行動態控制生產工藝過程和產品質量預測,因此還是初級微機控制系統。國產的這類控制儀種類多,但目前仍存在著抗干擾自復位能力較差,可靠性差等問題。

2、計算機監督控制系統。

監督控制(SCC)系統又稱設定值控制系統,它是將操作指導和DDC綜合起來的一種較高級形式的控制系統。它和DDC一樣屬於閉環控制。在這類系統中,生產過程的閉環自動調節是領先模擬調節器或DDC計算機來完成的。SCC計算機對生產過程的工藝參數進行巡檢,並根據生產過程的數學模型,計算出最佳給定值,直接對模擬調節器或DDC計算機進行設定,使生產過程在最優工況下運行,此外,還可以通過線上的模型辯識,隨時對現有模型進行修改,實現最優控制和自適應控制。SCC系統組成原理框圖見圖。

監督控制( SCC)系統組成原理框圖

模擬調節器或DDC計算機直接面向生產過程,SCC計算機則面向模擬調節器或DDC計算機,也就是說,含有SCC的系統至少是一個兩級控制系統。1台SCC計算機可監督控制多台DDC或模擬調節器。SCC系統具有較高的運行性能和可靠性。

採用SCC系統的原因是由於DDC系統在進行實時控制時,採樣周期不能太長。而較短的採樣周期又難以完成較為複雜的運算與控制,SCC系統則可以完成較為複雜的計算,如最佳化計算、自適應算法等,而將計算出的最佳設定值送給DDC系統或模擬調節器去執行,因此,可實時實現最佳化控制。但是,DDC系統和SCC系統都屬於集中型控制系統,當這種系統集中了很多的控制迴路時,就必然會帶來“危險高度集中”的問題,從而使系統的可靠性大為降低。

3、多級控制系統.

在現代生產企業中,不僅需要解決生產過程的線上控制問題,而且還要求解決生產管理問題,每日生產品種、數量的計畫調度以及月季計畫安排,制定長遠規劃、預報銷售前景等,於是出現了多級控制系統。

4、集散控制系統(DCS)

集散控制系統(DCS)又稱為分散控制系統或分散式控制系統。目前所使用的集散控制系統有環形、匯流排形和分級式幾種。現以分級式為例介紹該系統的組成。分級式控制系統通常由分散過程控制級(DDC級)、監督控制(SCC級)和生產管理級(MIC級)等3級。

集散控制( DCS)系統組成原理框圖

分散過程控制級是DCS的基礎,用於直接控制生產過程。它由各工作站組成,每一工作站分別完成數據採集、順序控制或某一被控制量的閉環控制等。分散過程控制級收集的數據供監控級調用,各工作站接收監控級傳送的信息,並依此而工作。可見分散過程控制級基本上屬於DDC系統的形式,但將DDC系統的職能由各工作站分別完成。因此局部的故障不會影響整個系統的工作,從而避免了集中控制系統中“危險集中”的問題。監控級的任務是對生產過程進行監視與操作。

管理級則是整個系統的中樞,它根據監控級提供的信息及生產任務的要求,編制全面反映整個系統工作情況的報表,審核控制方案,選擇數學模型,制定最優控制策略,並對下一級下達命令。集散型控制系統實質是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術。它是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網路技術和人機接口技術相互發展、滲透而產生的。具有通用性強、系統組態靈活、控制功能完善、數據處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單規範化、調試方便、運行安全可靠的特點。能夠適應工作生產過程的各種需要,提高生產自動化水平和管理水平。