計算機控制基礎(chǔ)介紹

計算機控制，又稱為計算機控制系統(tǒng)（Computer Control System, 簡稱CCS），是指應(yīng)用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。這里的計算機通常指數(shù)字計算機，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C。

計算機控制的原理

計算機控制系統(tǒng)的基本工作原理是通過傳感器檢測被控對象的狀態(tài)，然后將檢測到的信息輸入到計算機中。計算機根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法處理這些信息，并生成控制命令。這些控制命令通過執(zhí)行器作用于被控對象，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。同時，計算機還會實時監(jiān)控被控對象的狀態(tài)，以確保控制過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

計算機控制的性能

計算機控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括以下幾個方面：

• 穩(wěn)定性：反映系統(tǒng)在面對擾動時保持穩(wěn)定的能力，包括穩(wěn)定裕度和穩(wěn)態(tài)誤差。
• 響應(yīng)速度：包括上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量，這些指標(biāo)共同決定了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
• 控制精度：包括零偏量、頻率變化失真和總諧波畸變率，反映了系統(tǒng)對目標(biāo)值的準(zhǔn)確跟蹤能力。
• 抗干擾能力：衡量系統(tǒng)在面對外部干擾時的魯棒性。

計算機控制的優(yōu)點

• 控制靈活：使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設(shè)備，甚至可以在線改變控制方案。
• 適應(yīng)性強：由于采用數(shù)字信號處理，可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點，如漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，比例、積分和微分系數(shù)可以單獨調(diào)節(jié)。
• 功能豐富：可以實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能，提高系統(tǒng)的整體效能。
• 擴展性好：增加控制回路不會顯著增加費用，且易于維護和升級。

計算機控制的缺點

• 依賴性高：對計算機的依賴性強，一旦計算機出現(xiàn)故障，整個控制系統(tǒng)可能無法正常工作。
• 復(fù)雜性：系統(tǒng)設(shè)計和維護需要較高的技術(shù)水平和專業(yè)知識。
• 實時性挑戰(zhàn)：在處理大量數(shù)據(jù)或進行復(fù)雜計算時，可能面臨實時性挑戰(zhàn)，影響控制效果。

計算機控制的發(fā)展歷史

計算機控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段：

• 起步階段：從1955年開始，計算機技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中開始應(yīng)用，提升了經(jīng)濟效益。
• 試驗階段：大約在1960年，計算機控制技術(shù)開始在化工等領(lǐng)域替代原來的模擬控制。
• 推廣階段：20世紀(jì)70年代，隨著微型計算機的普及，計算機控制技術(shù)因其低價、體積小、可靠性高和速度快等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。
• 現(xiàn)代階段：如今，計算機集成制造控制系統(tǒng)、基于嵌入式系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為計算機控制技術(shù)的進一步發(fā)展提供了強大動力。

計算機控制的應(yīng)用場景

計算機控制系統(tǒng)在多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，包括但不限于：

• 工業(yè)制造：實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的精準(zhǔn)控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
• 智能家居：整合家電、照明、安防等設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制，提高居住的便利性和舒適度。
• 智能交通：應(yīng)用于導(dǎo)航、停車、路燈等，緩解交通擁堵，提高行車效率。
• 智能醫(yī)療：管理醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療數(shù)據(jù)，提高治療效果和患者體驗。
• 智能農(nóng)業(yè)：通過計算機控制溫度、濕度等參數(shù)，實現(xiàn)作物的精細(xì)化管理，提高作物質(zhì)量和產(chǎn)量。

計算機控制的選購技巧

在選購計算機控制系統(tǒng)時，需要考慮以下幾個方面：

• 系統(tǒng)性能：包括數(shù)據(jù)處理速度、實時性、穩(wěn)定性以及可擴展性等，確保系統(tǒng)能滿足實際需求。
• 兼容性與可維護性：系統(tǒng)是否能與現(xiàn)有設(shè)備兼容，以及其可維護性和易操作程度。
• 安全性：考察系統(tǒng)的安全性、數(shù)據(jù)保密性以及故障應(yīng)對能力。
• 成本效益：綜合考慮購買成本、運行維護成本以及投資回報，確保性價比最優(yōu)。

計算機控制的硬件組成

計算機控制系統(tǒng)的硬件主要由計算機系統(tǒng)和過程輸入輸出系統(tǒng)等組成：

• 計算機系統(tǒng)：包括主機和外圍設(shè)備。主機由CPU和內(nèi)存儲器（RAM、ROM）組成，是計算機控制系統(tǒng)的核心。外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備（如鍵盤、專用操作臺等）、輸出設(shè)備（如顯示器、打印機等）、通信設(shè)備和外存設(shè)備（如磁盤、磁帶、光盤等）。
• 過程輸入輸出系統(tǒng)：由輸入輸出通道及接口、信號檢測及變送裝置和執(zhí)行機構(gòu)等組成。輸入輸出通道負(fù)責(zé)計算機與外部設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸；信號檢測及變送裝置用于將檢測到的物理量轉(zhuǎn)換為電信號，并轉(zhuǎn)換成適用于計算機輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號；執(zhí)行機構(gòu)則用來驅(qū)動工業(yè)對象，完成相應(yīng)的動作。

計算機控制的軟件組成

計算機控制系統(tǒng)的軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件：

• 系統(tǒng)軟件：一般包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和服務(wù)性程序等，它們通常由計算機制造廠為用戶配套，具有一定的通用性。
• 應(yīng)用軟件：是為實現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等。這些程序涉及被控對象的自身特征和控制策略等，由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。

計算機控制的分類

計算機控制系統(tǒng)可以按照不同的方式進行分類：

• 按自動控制方式分類：包括計算機開環(huán)控制系統(tǒng)、計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)、在線控制系統(tǒng)和離線控制系統(tǒng)等。
• 按參與控制方式分類：如直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）等。
• 按調(diào)節(jié)規(guī)律分類：如程序與順序控制、比例積分微分控制（PID控制）、最少拍控制、復(fù)雜規(guī)律的控制、智能控制等。

計算機控制技術(shù)的未來展望

隨著科技的不斷進步和應(yīng)用需求的日益增長，計算機控制技術(shù)將繼續(xù)向更高水平發(fā)展。未來，我們可以期待以下幾個方面的發(fā)展：

• 智能化：通過引入人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，使計算機控制系統(tǒng)具備更強的自適應(yīng)能力和優(yōu)化能力。
• 網(wǎng)絡(luò)化：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，提高系統(tǒng)的整體效能和靈活性。
• 綠色化：注重節(jié)能減排和環(huán)境保護，推動計算機控制系統(tǒng)在綠色制造和可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用。
• 標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化：通過制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和采用模塊化設(shè)計，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可重用性和可擴展性。

總結(jié)

計算機控制作為現(xiàn)代工業(yè)與信息技術(shù)的核心組成部分，在提升生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用。通過深入了解計算機控制的基礎(chǔ)原理、性能特點、優(yōu)缺點以及應(yīng)用場景等方面的知識，我們可以更好地選擇和應(yīng)用計算機控制系統(tǒng)，為企業(yè)的自動化和智能化發(fā)展提供有力支持。