工业计算机

计算机在最近的几十年中，极大地改变了我们的生活。在工业生产中，计算机也得到了相应的应用，这就是工业计算机。所谓工业计算机，简单地说，就是把计算机应用在工业中，也正是因为应用在了工业中，才出现工业计算机和普通的计算机不同的特点。

（1）工业计算机的用途不同。它主要用于工业控制、测试等方面。一个工业计算机的典型应用是通过标准的串行口 （RS232／485等串口）获得外部的数据，经过计算机内部微处理器的计算，最后通过显示屏或者通过串行口输出。这样，在工业计算机上，我们就实现了一个计算的过程。很明显，这和普通计算机的娱乐、办公、编程方面的应用是完全不同的。

（2）工业计算机在控制领域中的应用。工业计算机的应用有力地推动了自动控制技术的发展，扩大了控制技术在工业生产中的应用范围，特别是使大规模的工业生产自动化系统发展到了崭新的阶段。

工业计算机控制系统是由计算机 （通常称为工业控制计算机）和工业对象两大部分组成的。

在工业控制领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。

在控制系统中为了得到控制信号，要将被控参数与给定值进行比较，然后形成误差信号。控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，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。在这种控制系统中，被控量是系统的输出，被控量又反馈到输入端，与输入量 （给定值）相减，所以称之为按误差进行控制的闭环控制系统，如图2－9所示。从图中可知，该系统通过测量元件对被控参数 （如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量，由变换发送单元将被测参数转变成一定形式的电信号，反馈给控制器。控制器将反馈回来的信号与给定信号进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一个控制信号并驱动执行机构工作，使被控参数与给定值保持一致。

图2－9（b）是开环控制系统。与闭环控制系统不同，它不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根据给定值去控制被控对象工作。这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差。与闭环控制系统相比，其控制性能显然要差。

图2－9 控制的一般形式

（a）闭环控制系统框图；（b）开环控制系统框图

由图2－9可见，自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工和比较。这些功能是由检测、变换发送装置、控制器和执行机构来完成的。其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系统的控制性能和应用范围。

若将图2－9中控制器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，其基本框图如图2－10所示。如果计算机是微型计算机，就称之为微机控制系统。简单来说，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统。

图2－10 计算机控制系统基本框图

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，控制规律是用软件实现的，计算机执行预定的控制程序，就能实现对被控参数的控制。因此，要改变控制规律，只要改变控制程序就可以了。

这就使控制系统的设计更加灵活方便。特别是可以利用计算机强大的计算、逻辑判断、记忆和信息传递能力，实现更为复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、自适应控制、自学习控制及智能控制等。

在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字量。因此，这样的系统需要将模拟量变成数字量的A／D转换器，以及将数字量转换成模拟量的D／A转换器。

计算机控制系统的控制过程一般可归纳为以下两个步骤：

（1）实时数据采集。对被控参数的瞬时值实时采集，并输入计算机。

（2）实时决策控制。对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按已确定的控制规律决定进一步的控制过程，适时地向执行机构发出控制信号。

以上过程不断重复，使整个系统能按照一定的动态品质指标工作。此外，计算机控制系统还应该能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时监督和处理。控制过程的两个步骤主要由计算机完成，虽然计算机实际上只进行算术、逻辑操作和数据传递等工作。

尽管连续控制系统具有性能可靠、电路简单、维护方便等特点，由其组成的常规仪表在工业生产中已获得了广泛的应用。但随着科学技术的发展，现代工业生产对自动化的要求越来越高，这种常规连续控制系统的应用受到了极大的限制，难于实现多变量复杂控制和自适应控制等。与连续系统相比，计算机控制系统除了能完成常规连续控制系统的功能外，还表现了以下一些独特的优点。

（1）运算速度快、控制精度高。由于计算机的运算速度快、精度高，具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，因此，能实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及自学习等，从而可达到较高的控制质量。

（2）性能价格比值高。尽管一台计算机最初投资较大，但增加一个控制回路的费用却很少。对于连续系统，模拟硬件的成本几乎和控制规律的复杂程度、控制回路的多少成正比；而计算机控制系统中的一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的性能价格比值较高。

（3）可实现柔性控制。由于计算机控制系统的控制规律是由软件实现的，并且计算机具有最强大的记忆和判断功能，所以，极易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。因此，它的适应性强，灵活性高。此外，计算机是一种可编程的智能元件，易于修改系统功能和特性，便于构成一种柔性 （弹性）系统。

（4）体积小、重量轻、成本低。随着微电子技术的发展、大规模集成电路的出现，计算机体积减小、重量轻、成本下降。

与连续控制系统相比，计算机控制系统也有一些缺点与不足。例如，抗干扰能力较低，特别是由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实现带来一定困难。但全面比较起来，随着对自动控制系统功能要求的不断提高，计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。现代控制系统不管是简单的还是复杂的，几乎都是采用计算机进行控制的。