計算機控制基礎介紹

計算機控制，又稱為計算機控制系統（Computer Control System, 簡稱CCS），是指應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯系，以獲得一定控制目的而構成的系統。這里的計算機通常指數字計算機，可以有各種規模，如從微型到大型的通用或專用計算機。

計算機控制的原理

計算機控制系統的基本工作原理是通過傳感器檢測被控對象的狀態，然后將檢測到的信息輸入到計算機中。計算機根據預設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行器作用于被控對象，從而實現對被控對象的控制。同時，計算機還會實時監控被控對象的狀態，以確保控制過程的準確性和穩定性。

計算機控制的性能

計算機控制系統的性能指標是衡量系統性能優劣的關鍵參數，主要包括以下幾個方面：

• 穩定性：反映系統在面對擾動時保持穩定的能力，包括穩定裕度和穩態誤差。
• 響應速度：包括上升時間、調節時間和超調量，這些指標共同決定了系統的動態性能。
• 控制精度：包括零偏量、頻率變化失真和總諧波畸變率，反映了系統對目標值的準確跟蹤能力。
• 抗干擾能力：衡量系統在面對外部干擾時的魯棒性。

計算機控制的優點

• 控制靈活：使用靈活，便于實現特殊的控制規律，如修改部分程序就能改變調節規律，而無需改變硬件設備，甚至可以在線改變控制方案。
• 適應性強：由于采用數字信號處理，可以消除常規模擬調節器的許多難以克服的缺點，如漂移問題，參數整定范圍寬，比例、積分和微分系數可以單獨調節。
• 功能豐富：可以實現打印、制表、報警、顯示等附加功能，提高系統的整體效能。
• 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，一旦計算機出現故障，整個控制系統可能無法正常工作。
• 復雜性：系統設計和維護需要較高的技術水平和專業知識。
• 實時性挑戰：在處理大量數據或進行復雜計算時，可能面臨實時性挑戰，影響控制效果。

計算機控制的發展歷史

計算機控制技術的發展經歷了多個階段：

• 起步階段：從1955年開始，計算機技術在工業生產中開始應用，提升了經濟效益。
• 試驗階段：大約在1960年，計算機控制技術開始在化工等領域替代原來的模擬控制。
• 推廣階段：20世紀70年代，隨著微型計算機的普及，計算機控制技術因其低價、體積小、可靠性高和速度快等優勢，被廣泛應用于各個行業。
• 現代階段：如今，計算機集成制造控制系統、基于嵌入式系統的計算機控制系統等新技術不斷涌現，為計算機控制技術的進一步發展提供了強大動力。

計算機控制的應用場景

計算機控制系統在多個領域發揮著重要作用，包括但不限于：

• 工業制造：實現對生產設備的精準控制，提高生產效率和產品質量。
• 智能家居：整合家電、照明、安防等設備，實現遠程監管和控制，提高居住的便利性和舒適度。
• 智能交通：應用于導航、停車、路燈等，緩解交通擁堵，提高行車效率。
• 智能醫療：管理醫療設備和醫療數據，提高治療效果和患者體驗。
• 智能農業：通過計算機控制溫度、濕度等參數，實現作物的精細化管理，提高作物質量和產量。

計算機控制的選購技巧

在選購計算機控制系統時，需要考慮以下幾個方面：

• 系統性能：包括數據處理速度、實時性、穩定性以及可擴展性等，確保系統能滿足實際需求。
• 兼容性與可維護性：系統是否能與現有設備兼容，以及其可維護性和易操作程度。
• 安全性：考察系統的安全性、數據保密性以及故障應對能力。
• 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。

計算機控制的硬件組成

計算機控制系統的硬件主要由計算機系統和過程輸入輸出系統等組成：

• 計算機系統：包括主機和外圍設備。主機由CPU和內存儲器（RAM、ROM）組成，是計算機控制系統的核心。外圍設備可分為輸入設備（如鍵盤、專用操作臺等）、輸出設備（如顯示器、打印機等）、通信設備和外存設備（如磁盤、磁帶、光盤等）。
• 過程輸入輸出系統：由輸入輸出通道及接口、信號檢測及變送裝置和執行機構等組成。輸入輸出通道負責計算機與外部設備的連接和數據傳輸；信號檢測及變送裝置用于將檢測到的物理量轉換為電信號，并轉換成適用于計算機輸入的標準信號；執行機構則用來驅動工業對象，完成相應的動作。

計算機控制的軟件組成

計算機控制系統的軟件主要包括系統軟件和應用軟件：

• 系統軟件：一般包括操作系統、語言處理程序和服務性程序等，它們通常由計算機制造廠為用戶配套，具有一定的通用性。
• 應用軟件：是為實現特定控制目的而編制的專用程序，如數據采集程序、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，由實施控制系統的專業人員自行編制。

計算機控制的分類

計算機控制系統可以按照不同的方式進行分類：

• 按自動控制方式分類：包括計算機開環控制系統、計算機閉環控制系統、在線控制系統和離線控制系統等。
• 按參與控制方式分類：如直接數字控制系統（DDC）、監督控制系統（SCC）等。
• 按調節規律分類：如程序與順序控制、比例積分微分控制（PID控制）、最少拍控制、復雜規律的控制、智能控制等。

計算機控制技術的未來展望

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

• 智能化：通過引入人工智能和機器學習技術，使計算機控制系統具備更強的自適應能力和優化能力。
• 網絡化：利用物聯網技術實現設備間的互聯互通，提高系統的整體效能和靈活性。
• 綠色化：注重節能減排和環境保護，推動計算機控制系統在綠色制造和可持續發展方面的應用。
• 標準化和模塊化：通過制定統一的標準和采用模塊化設計，降低系統開發和維護的復雜度，提高系統的可重用性和可擴展性。

總結

計算機控制作為現代工業與信息技術的核心組成部分，在提升生產效率、降低成本、提高產品質量等方面發揮著重要作用。通過深入了解計算機控制的基礎原理、性能特點、優缺點以及應用場景等方面的知識，我們可以更好地選擇和應用計算機控制系統，為企業的自動化和智能化發展提供有力支持。