1.1 计算机控制系统的结构与原理

在短短的三十几年的时间里，计算机以惊人的速度向前发展，今天，完全可以这样说，没有计算机的控制系统就谈不上现代工业控制系统。利用计算机快速强大的数学逻辑计算等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机技术和自动化技术的紧密结合有力地推动了自动控制技术的发展，大大扩展了控制技术在工业生产中的应用范围。

控制系统主要由被控制对象和控制装置所构成，能对被控制对象的工作状态进行遥控或自控。若将控制系统中控制装置的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统。

1.1.1 计算机控制系统基本结构

一般来说自动控制系统随着控制对象、控制规律、执行机构的不同而具有不同的特点，但总体上可归纳为闭环控制系统和开环控制系统两种基本结构，如图1-1所示。

在闭环控制系统中要将被控参数与给定值比较，然后形成误差信号，控制装置根据误差信号进行控制调节，使系统趋向误差减小，最终使误差为零，从而达到使被控参数趋于或等于给定值的目的。由图1-1（a）可知，该系统利用测量单元将被控对象的物理参数（如温度、压力、流量、速度、位移等）进行测量，由变换输入单元将被测参数转化为一定形式的电信号送入控制装置，控制装置将反馈回来的信号与给定信号进行比较，若有误差则按预定控制规律产生一个控制信号驱动执行机构工作，使被控参数与给定值保持一致。

开环控制系统与闭环控制系统不同，它没有被控对象的反馈信号，控制装置直接根据给定值去控制被控对象工作。与闭环控制系统相比，这种开环系统不能自动消除被控对象参数和给定值之间的误差，很明显其控制性能比闭环控制系统要差很多。

控制装置是控制系统的关键部分，若由计算机来做控制装置就称为计算机控制系统，其基本结构如图1-2所示。

在一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路产生的，要改变控制规律就要更改硬件电路。而在计算机控制系统中，控制规律是通过软件实现的，只需改变控制程序就可改变控制规律，这就使控制系统的设计更加灵活方便，而且用软件可以实现复杂的控制规律。由于生产过程中的各种物理量一般都是模拟量，而计算机的输入/输出信号均为数字量，因此在该系统中需要进行数模（D/A）和模数（A/D）信号的转换。输入时用A/D转换器将连续的模拟信号转换成数字信号输入计算机；输出时，将计算机输出的数字信号用D/A转换器转换成执行机构所需的连续模拟信号。

1.1.2 计算机控制系统基本原理

工程上，不但需要对被监控对象进行控制，而且需要以数字、图形或表格的方式将被控参数显示出来，从而使操作人员能够直观而迅速地了解被控对象的变化过程。这就需要有操作台、显示器、打印机等通用外部设备。一个典型的计算机控制系统的组成结构如图1-3所示。

1.计算机控制系统的工作原理

根据如图1-3所示的计算机控制系统的组成结构，计算机控制过程可归结为如下4个步骤：

（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入。

（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

（3）实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

（4）信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享与管理也是计算机控制系统必须完成的功能。

上述过程不断重复，使整个系统按照一定的指标要求进行工作，并对被控参数和设备本身的异常现象及时做出处理。

2.计算机控制系统的硬件组成

硬件是指计算机本身及其外部设备，包括主机、各种接口电路，以A/D转换器和D/A转换器为核心的模拟量输入/输出（I/O）通道、开关量输入/输出（I/O）通道，以及各种显示、记录设备、运行操作台等。

1）主机

主机是整个控制系统的指挥中心，通过I/O接口电路及软件可向系统各个部分发出各种命令，指挥整个系统有条不紊地协调工作。主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、报警处理等。常用的主机有单片机、PLC、工控机等。

2）I/O接口

I/O接口与I/O通道是主机与被控对象连接的桥梁。目前在工业控制中常用的接口有：并行接口（如8155和8255等）、串行接口（如8251）、直接存储器访问控制器（如8237）、中断控制接口（如8259）、定时/计数器（如8253）和A/D、D/A转换接口等。

I/O通道有模拟量I/O通道和开关量I/O通道。由于一般工业对象的生产过程参数都是模拟量，需要经过A/D转换，转换成数字量输入给输入接口，同样外部执行机构的控制量多为模拟量，所以计算机输出控制量后，需要经过D/A转换，把数字量变为模拟量控制执行机构；开关量I/O通道除完成编码数字输入/输出外，还可将各种继电器、限位开关等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由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。

3）通用外部设备

通用外部设备主要是为扩大计算机主机的功能而设置的。它们用来显示、打印、存储和传送数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、软盘和硬盘等。

4）检测元器件与执行机构

传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变为电学量，如热电偶把温度信号变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转换成适合计算机接口使用的电信号（如0～5V或4～20mA）。

此外，为了控制生产过程，还必须有执行机构。常用的执行机构有电动、液动、气动调节阀、开关，交、直流电动机，步进电动机等。

5）操作台

操作台是人机对话的联系纽带。通过它人们可以修改计算机内存的数据，显示被测参数及发出各种操作命令等。它主要由4部分组成，包括作用开关、功能键、显示器和数字键。

作用开关有电源开关、数据和地址选择开关及操作方式（自动/手动）选择开关等。通过这些开关，人们可以对主机进行启动、停止、设置数据及修改控制方式等操作。

功能键的主要作用是通过功能键向主机申请中断服务，如常用的复位键、启动键、打印键等。

显示器常用有LED数码管或LCD液晶显示器，用来显示被测参数及操作人员需要的内容。目前LCD显示的应用越来越普遍，它不但可以显示数据表格，而且能够显示各种图形。比如被控系统的流程总图、开关状态图、变量变化趋势图、调节回路指示图等。

数字键用来送入数据或修改控制系统的参数。

3.计算机控制系统的应用软件

整个计算机控制系统从数据采集显示到控制决策到控制输出，需要多个程序，包括A/D、D/A转换程序，数据采样程序、数据滤波程序、显示程序、过程控制程序等。过程控制程序中常用的控制算法有PID算法、最优化控制、串级调节、比值调节、前馈调节等。

本书主要介绍PLC，控制系统都是以PLC为核心的控制系统，控制算法多采用PID算法。