1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 微机控制系统的特征
从模拟控制系统过渡到微机控制系统，控制器结构、控制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念等均发生了重大变化。微机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容，在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势，在工作过程与方式等方面存在其必须遵循的规则。因此，通过了解微机控制系统的特征可以建立起微机控制系统的基本概念。
1．结构特征
控制器和执行机构是任何控制系统都不可缺少的内容。执行机构是系统用来操作、改变、管理被控对象的工具，而控制器为执行机构提供执行方式和执行量值等。
模拟控制系统的控制器通过以运算放大器为基本运算电路的模拟电路计算执行量值，决策执行方式。通常一套决策方案、一种计算方法对应一组专用生成电路，改变决策方案和计算方法就必须改变生成电路。计算机控制系统用计算机作为控制器，执行量值的计算、执行方式的决策等都是通过计算机程序来实现的。将控制器用微型计算机来代替，便构成了微机控制系统，即其结构特征主要表现为系统控制器由微型计算机担当，系统参数分析和控制量值计算等均由微机完成。
微机控制系统的抽象结构和作用在本质上与其他控制系统没有什么区别，同样存在微机开环控制系统、微机闭环控制系统等不同类型的微机控制系统。模拟系统控制器中的信号形式是连续量，而微机作为控制器只能处理离散量。因此，当微机要给模拟执行机构提供控制量时，要将离散量或数字量转换为连续量或模拟量，即要进行D/A（数字/模拟）转换；为了将被控制的模拟量变为计算机能接受，并可进行处理的数字信号形式，在闭环反馈通道上要设置A/D（模拟/数字）转换环节。以微机为控制器的闭环控制系统抽象结构如图1.1所示。
图1.1 微机闭环控制系统抽象结构
按微机控制系统中信息的传输方向，系统包含三条基本信息通道：第一条是含D/A转换环节的通道，称之为后向通道或输出过程通道；第二条是含有A/D转换环节的通道，称之为前向通道或输入过程通道；第三条是人机对话或交互通道。微机通过输出过程通道向被控对象或工业现场提供控制量，通过输入过程通道获取被控对象或工业现场信息。系统操作者通过人机交互通道向微机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等；微机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对象控制效果等。
当微机控制系统没有输入过程通道时，称之为微机开环控制系统。在微机开环控制系统中，微机的输出只随给定值而变化，不受被控参数影响，通过调整给定值达到调整被控参数的目的。但当被控对象出现扰动时，微机无法自动获得扰动信息，因而无法消除扰动，导致控制性能较差。当微机控制系统仅有输入过程通道时，称之为微机数据采集系统。在微机数据采集系统中，微机的作用是对采集来的数据进行处理、归类、分析、储存、显示与打印等，而微机的输出与系统输入过程通道输出的参数有关，但不影响或改变生产过程的参数，所以这样的系统可认为是开环系统，但不是开环控制系统。
2．功能特征
与模拟控制系统相比，微机控制系统的重要功能特征表现为以下几方面。
（1）以软件代替硬件
以软件代替硬件的功能主要体现在两方面：一方面是改变控制对象，微机及其相应的过程通道硬件只需少量的变化，甚至不需任何变化，而面向新对象重新设计一套新控制软件便可；另一方面是可以用软件来代替逻辑部件的功能实现，从而降低系统成本，减小设备体积。
（2）数据保存
现代微机已具备多种数据保存方式，例如，脱机保存方式有软盘、U盘、移动硬盘、磁带、光盘、纸质打印、纸质绘图等，联机保存方式有固定硬盘、EEPROM、RAM休眠等，其工作特点是系统断电不会丢失数据。正是由于有了这些数据保护措施，使得人们在研制微机控制系统中，可以从容对付突发问题，在分析解决问题时可以大量减少盲目性，从而提高了系统的研发效率，缩短研发周期。
（3）状态、数据显示
微机具有强大的显示功能。显示设备类型有CRT显示器、LED数码管、LED矩阵块、LCD显示器、LCD模块、LCD数码管、打印机、绘图仪等；显示模式包括数字、字母、符号、图形、图像、虚拟设备面板等；显示方式有静态、动态、二维、三维等；显示内容涵盖给定值、当前值、历史值、修改值、状态值、系统工作波形、系统工作轨迹仿真图等。人们通过显示内容可以及时了解系统的工作状态、被控对象的变化情况、控制算法的控制效果等。
（4）联网管理
一般微机都具有串行通信或联网功能。利用这些功能，可实现多套微机控制系统的联网管理，资源共享，优势互补；可构成分级分布式集散控制系统，以满足生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，可靠性、灵活性更高，操作更简便可靠的大系统综合控制的要求；可实现生产进行过程（动态）的最优化和生产规划、组织、决策、管理（静态）的最优化的有机结合。
3．工作过程特征
图1.1表明，微机闭环控制系统在工作过程中，由检测装置将被控对象的模拟参数送至A/D转换环节，微机把从A/D转换环节获得的数据与给定值r(t)比较，然后对其偏差按某种控制算法进行计算，得出新的控制量数据，经D/A转换驱动执行机构改变被控对象。整个过程可归纳为三个步骤：数据采集，数据处理与决策，控制输出。当被控对象处于动态时，如果不能及时获得信息，及时给出决策，及时调整输出，就有可能失去控制效果和意义。而微机控制系统控制过程的三个步骤都是通过程序来实现的，因此微机控制系统的工作过程特征表现在对三个步骤都有实时性要求。
所谓“实时”，是指在规定的时间内完成规定的任务。实时又有及时、即时、适时的意思。就微机控制系统而言，要求微机能够在规定的时间内以足够快的速度进行数据采集、分析处理、对被控对象做出相应的控制操作，否则就会失去控制机会，微机在控制系统中也就没有存在的实际意义了。不同的对象实时时间是不相同的，如炼钢的炉温控制，由于时间惯性很大，输出延迟几秒仍然是实时的；而轧钢机的拖动电机控制，一般需在几毫秒或更短的时间内完成对电流的调节，否则电流失控将造成事故。
（1）实时数据采集
检测装置将被控对象（温度、湿度、黏度、压力、流量、速度、位移等）的信息转换成相应的模拟电信号，送到A/D环节输入端；微机按规定的时间启动A/D转换器对被控对象进行采样，并在规定的时间内完成采样，以数字信号形式将采样结果存入存储器。
（2）实时控制决策
采样数据反映被控对象的状态信息，微机必须在规定的时间内完成对它的前置处理（如有效性检查、数字滤波等），然后进行数据分析，判断被控参数是否偏离预定值，是否达到或超过安全极限值。如果被控参数处于可调范围，则按选定的控制算法程序进行控制量值计算。总之是按预定控制规律进行运算并做出控制决策。
（3）实时控制输出
实时控制输出有两方面内容：一是被控对象参数处于可调节范围内，微机将决策结果（新的控制量值）及时送至执行机构调整被控对象的被控参数；二是在决策环节分析出被控对象参数达到或超过安全极限值，这时应在最短的时间内启动报警装置，即进行实时报警。
系统的实时报警除来自被控对象的辨析结果外，若系统设备出现异常情况，微机也应能及时发出声光报警信号，并自动地或由人工进行必要的处理。
数据采样、运算决策、输出控制三个阶段占用时间之和若满足实时性要求，则该系统具有实时性。而系统是否满足实时性，最终体现在不影响系统的控制正确性。运算决策在三个阶段中占用时间最长，因此，要缩短控制的延时，应从合理选择控制算法、优化控制程序、选用运算速度较高的微机等方面加以解决。此外，在微机硬件方面应具备实时时钟和优先级中断信息处理电路；在软件方面应具备完善时钟管理和中断处理程序。实时时钟和优先级中断系统是保证微机控制系统实时性的必要条件。
4．工作方式特征
微机通过两种方式与通道、被控对象结合以组成微机控制系统，一种是在线工作方式，另一种是离线工作方式。
在线工作方式又称“联机”工作方式。以该方式工作的微机在控制系统中直接参与控制或交换信息，而不通过其他中间记录介质，如磁盘、U盘、光盘、磁带等。
离线工作方式又称“脱机”工作方式。以该方式工作的微机不直接参与对被控对象的控制，或不直接与被控对象交换信息，而仅是将有关控制信息记录或打印出来，再由人来联系，按照微机提供的信息完成相应的控制操作。
离线工作方式无实时性可谈。要使系统具有实时性，微机必须以在线方式工作，但在线不一定就具有实时性。例如，微机水温测试系统与微机水温测试控制系统，前者微机可以在线工作也可以离线工作，后者微机必须在线工作。对于前者，微机在线工作时也不一定要具有实时性，因为微机仅采集水温，不调节水温，从而对采集时间不需要进行严格要求；微机离线工作时，微机根据其他水温记录装置提供的数据进行分析，得出控制参数，然后由人依据微机提供的控制参数来实施水温调节。对于后者，由于存在自动控制目标，微机必须对水温的变化进行精确采集，及时调节，因此微机不但要在线工作，而且微机水温测试控制系统一定要具有实时性，否则达不到控制目标。