1.1 项目一：计算机控制系统的组成

1.1.1 任务1：控制系统的概念

计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。在工业领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。如图1-1所示，常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成闭环控制系统与开环控制系统两种结构形式。

在图1-1a闭环控制系统中，测量元件对被控对象的被控量（如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量；变换发送单元（测量变送器）将被测量变成电压（或电流）信号，反馈给控制器；控制器将反馈回来的信号与给定值进行比较，如有偏差，控制器就产生控制信号驱动执行器工作，使被控参数的值达到预定值。这种信号传递形成了闭合回路，因此称其为按偏差进行控制的闭环反馈系统。

开环控制系统与闭环控制系统不同，如图1-16所示，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据设定值驱动执行器去控制被控对象，被控量在整个控制过程中对控制量不产生影响，所以这种信号的传递是单向的。通常所说的程序（顺序）控制系统，就属于这类开环控制系统。显然，开环控制系统不能自动消除被控量与设定值之间的偏差，控制性能不如闭环控制系统。

大多数控制系统（即所谓定值控制系统）均采用闭环控制系统，因此，通常意义下的自动控制系统也是指闭环控制系统。自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。这些功能是由测量元件、变换发送单元、控制器和执行器来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。

为了简单和形象地说明计算机控制系统的工作原理，图1-2给出典型的计算机控制系统原理组成。在计算机控制系统中，由于工业控制计算机的输入和输出是数字信号，而测量变送器输出的以及大多数执行机构所能接收的都是模拟信号，故需要将模拟信号转换为数字信号的A-D转换器和将数字信号转换为模拟信号的D-A转换器。在实际的工业生产过程中，一般不会是图1-2所示的单回路控制系统，而是利用计算机具有的高速运算处理能力，采用分时控制方式同时控制多个回路。它是把图1-1中的控制器用控制计算机（即微型计算机）及A-D（模-数）转换接口与D-A（数-模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，故需要有A-D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D-A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。

计算机控制系统的监控过程可归为以下三个步骤。

1）实时数据采集：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入。

2）实时数据处理：对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策。

3）实时输出控制：根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务。

上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标正常稳定地运行，一旦被控量和设备本身出现异常状态，计算机能实时监控并迅速处理。

计算机控制系统与普通计算机系统的主要区别在于系统的实时性。实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。通俗地讲，所谓“实时”是指信号的输入、运算处理和输出能在一定的时间内完成，超过这个时间，就会失去控制时机。“实时”是一个相对概念，如大型水池的液位控制，由于时间惯性很大，延时几秒乃至几十秒仍然是“实时”的；而彩色印刷机的拖动电动机控制，“实时”一般是指几毫秒或更短的时间。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。一个完整的计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成的。