计算机监控技术第1章 计算机控制系统概述

第1章计算机控制系统概述习题与思考题1-1 测控系统微机化的重要意义是什么？1-2 对计算机控制系统有哪些基本要求？1-3 闭环控制与开环控制有什么不同？1-4 计算机控制系统中的在线方式与离线方式的含义是什么？1-5 按应用领域和设备形式，计算机控制系统可分为哪几种？1-6计算机控制系统有哪几种输入与输出信号？各有什么特点和应用场合？1-7 针对不同行业、不同被控对象，可以选择哪些计算机控制装置（主机）？1-8 以定位减速和工件加工为例，说明计算机控制系统的工作原理。

1-9 什么是实时计算机系统？在计算机控制系统中实时性体现在哪几个方面？1-10 什么是智能控制？有哪几种形式的智能控制系统？1-11 计算机控制系统各环节软、硬件的发展趋势是什么？参考答案1-1 测控系统微机化的重要意义是什么？答：传统的测控系统主要由“测控电路”组成，所具备的功能较少，也比较弱。

随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，替代传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。

由于微型计算机的速度快、精度高、存储容量大、功能强及可编程等特点，将微型计算机引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等。

因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采用计算机技术的了。

在当今，完全可以这样说，没有微处理器的仪器就不能称为仪器，没有微型计算机的测控系统就更不能称其为现代工业测控系统。

计算机技术的引入，为测控系统带来以下一些新特点和新功能：1）自动清零功能。

在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而大大降低因测控系统漂移变化造成的误差。

2）量程自动切换功能。

可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提高分辨率。

3）多点快速测控。

可对多种不同参数进行快速测量和控制。

4）数字滤波功能。

利用计算机软件对测量数据进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。

5）自动修正误差。

许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受环境参数变化的影响比较严重，从而给仪器带来误差。

采用计算机技术，可以依靠软件进行在线或离线修正。

6）数据处理功能。

利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能，比如统计分析、检索排序、函数变换、差值近似和频谱分析等。

7）复杂控制规律。

利用计算机技术不仅可以实现经典的PID控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等；同时也能够实现控制方案和控制规律的在线修改，使整个系统具有很大的灵活性与适应性。

8）多媒体功能。

利用计算机的多媒体技术，可以使仪器具有声光、语音、图像、动画等功能，增强测控系统的个性或特色。

9）通信或网络功能。

利用计算机的数据通信功能，可以大大增强测控系统的外部接口功能和数据传输功能。

采用网络功能的测控系统则将拓展一系列新颖的功能。

10）自我诊断功能。

采用计算机技术后，可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。

通过应用计算机测控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料消耗，降低生产成本；更为重要的是通过应用计算机测控技术还可以降低劳动者的生产强度，提高领导者的管理水平，从而带来极大的社会效益。

正因为如此，计算机测控技术得到了迅速的发展。

1-2 对计算机控制系统有哪些基本要求？答：计算机测控系统的测控对象是生产过程，其最终目标是实现生产过程自动化，提高生产效率，降低能耗，减轻工人的劳动强度，同时，计算机测控系统还应综合考虑自动化、计算机、检测及网络通讯等技术领域的发展趋势和系统之间的互联技术需求。

一般说来，对计算机测控系统的基本要求如下：1）具有良好的实时性实时性是控制对象按规定工艺运行的必要条件之一。

对于不同的控制对象、不同的控制参数，其对系统的实时性具有不同的要求。

例如，流量、压力的控制周期小于温度的控制周期，也就是说，流量和压力控制对系统的实时性要求高于温度控制对系统实时性的要求。

2）具有高可靠性和较强的环境适应性可靠性是控制对象或生产过程连续运行的根本保证，许多生产过程是连续运行的，计算机测控系统的故障将导致生产过程的中断。

要求计算机系统一旦出现故障，能迅速指出故障点和处理办法，便于立即修复。

有的测控对象或生产过程所处的环境是非常恶劣的，计算机测控系统往往安装在控制对象的附近（如各种变送器、执行机构等），这就要求系统能较强的适应高温、腐蚀、振动、冲击、灰尘等环境；工业环境电磁干扰严重，供电条件不良，要求计算机有较高的电磁兼容性，以确保系统的可靠性不会因环境的变化而受影响。

3）采用标准化部件，便于扩充、升级和维护计算机测控系统应尽量采用标准化部件，以免受到部件供应商的制约，同时便于对系统进行输入/输出点数的扩充和系统的功能性扩充。

4）具有良好的人机界面和丰富的监视画面根据目前的计算机技术，一个良好的计算机测控系统的测控软件应基于Win NT/Win 98/Win XP操作系统平台或具有图形界面的多任务操作系统平台。

测控软件应提供丰富的操作画面，既要满足操作人员的操作习惯和较高的操作成功率，又要保证操作人员能够迅速处理生产过程的突发事件。

5）具有良好的系统组态和可选的各种控制策略计算机测控系统分为专用和通用两种类型。

一个通用的工业测控计算机系统往往具有灵活的系统组态功能和丰富的控制策略。

所谓系统组态，是指系统工程师可以根据不同的控制对象或生产过程，配置输入/输出点数、过程板卡类型及设备地址、画面种类形式和画面数量以及网络通讯协议等。

控制策略又称为控制算法，一个产品化的工业控制计算机系统具有数十种控制算法，包括常规控制算法、模糊控制算法和专家系统等。

6）具有网络通讯功能，便于实现工厂自动化和信息化工厂信息化是信息技术发展和国民经济信息化的必然要求。

工业控制计算机系统往往采用分层体系结构，其低层网络使用实时性较高的工业控制网络协议，保证控制任务的实时性；其高层网络使用计算机通用网络协议，便于信息的互通、互联和共享。

1-3 闭环控制与开环控制有什么不同？答：计算机控制系统由控制计算机本体(包括硬件、软件和网络结构)和受控对象两大部分组成。

工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制算法和采用的控制器结构的不同而有所差别。

从常规来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y和给定值w相比较，得到偏差信号e=w-y。

然后直接利用e来进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差使被控量等于给定值。

这种控制，由于控制量是控制系统的输出，被控制量的变化值又反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减，信号传递形成了闭合回路，所以称为闭环负反馈系统，其结构如习题图0-1a所示。

从图0-1a可知，该系统通过测量传感器对被控对象的被控参数(如温度、压力、流量、速度等物理量)进行测量，再由变送单元将这些量变换成一定形式的电信号，反馈给控制器。

控制器将反馈信号对应的工程量与系统给定的设定值工程量比较，形成偏差输入，控制器就产生控制信号按一定控制规律驱动执行机构进行工作，执行机构产生的操纵变量使被控参数的值与给定值保持一致。

此类负反馈控制是自动控制的基本形式，也是大多数控制系统具备的结构。

图0-1b是另一种控制结构，即开环控制系统。

它与闭环控制系统的区别在于它不需要控制对象的反馈信号。

它的控制是直接根据给定值驱动执行机构去控制被控对象工作的。

这种信号的传递是单方向的。

被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。

开环控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的偏差，控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上。

它与闭环控制系统相比，控制结构简单，但性能较差，常用在一些特殊的控制场合。

因此，大多数控制系统即定值控制系统均采用闭环控制系统。

1-4 计算机控制系统中的在线方式与离线方式的含义是什么？答：在计算机控制系统中，生产过程与计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制的方式称称为在线方式或联机方式：在计算机控制系统中，生产过程与计算机系统不相连，或虽受连接但过程不受计算机控制，而是靠人工进行联系并做相应操作的方式称离线方式或脱机方式。

1-5 按应用领域和设备形式，计算机控制系统可分为哪几种？答：按应用领域分类：1）专用计算机控制系统这类系统的特点是应用领域比较专一，或者是专门为某项应用而设计、开发的，如各种智能仪器仪表、数控机床控制器等。

带有智能控制功能的家电产品也可属这类系统。

这些系统偏重于某几项特定的功能，系统的软硬件比较简单和紧凑，常用于批量的定型产品中。

硬件完全按系统的要求进行配置，软件固化于芯片中，一般可采用单片机系统或专用的控制芯片来实现，开发完成后一般不做较大的改动。

对于功能要求较高，但应用领域及目的相当明确的系统，一般也可配置档次较高的硬件和专用软件，构成高性能专用计算机控制系统。

2）通用计算机控制系统这类系统较多应用于功能较全的数据采集和过程控制。

例如，实时数据采集系统、工业过程控制计算机系统等。

绝大多数的工业部门都会遇到这类系统。

尽管随行业的不同对系统会有不同的具体要求，但在实时数据采集和过程控制方面都有很多共性要求。

为了降低开发费用，缩短开发周期，一般是选用通用的软硬件资源来构成用户自己的应用系统。

为此，一般采用如下的途径来实现：计算机一般选用工业级总线式计算机，其具体配置可选；I/O通道多选用工业化生产的标准板卡或模块；软件平台一般采用较为流行的操作系统，如Windows NT、Windows XP等；也可购置通用的数据采集/过程控制软件包，功能较好的软件包一般都可根据用户需求进行相应的组态和系统生成；利用通信网络将单个的计算机系统组成规模更大、功能更全的集散型控制系统。

大型的系统可有上千个回路，有数千个测控点，可用于大型企业的数据采集、监控管理、闭环控制、分级优化管理等多种场合。

按设备形式分类：无论是简单的控制系统还是复杂的控制系统，根据其系统控制设备的结构形式或设备形式，均可将其分解成仪表调节器、可编程序控制器、微型计算机等几种基本的控制设备。

一个大型的工业控制计算机系统可能由这些基本控制设备中的某几种组成。

随着技术的发展，几种基本控制设备之间已经互相渗透，如大型PLC系统具有集散型系统的某些功能，集散型系统具有PLC的功能，仪表调节器可以和微型计算机组成中小型DCS等。

对于最终用户来说，了解工业控制计算机系统的设备类型往往胜过了解设备的技术规格。

因此，对工业控制计算机系统进行设备分类具有更重要的现实意义。