计算机控制系统的架构与组成分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。计算机软件软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的、高质量的控制系统。计算机软件软件是指计算机控制系统中

将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图5－4所示。简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。

在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A／D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）再经过D／A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。

图5－4　计算机控制系统基本框图（闭环）

典型的机电一体化控制系统结构可用图5－5来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A／D转换和D／A转换为核心的模拟量I／O通道、数字量I／O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。

图5－4　计算机控制系统基本框图（闭环）

图5－5　典型计算机控制系统的组成示意

（1）计算机硬件的主要组成

①由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。

②操作台是人—机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或CRT显示器等。

③通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、软盘、硬盘及外存储器等。

④I／O接口与I／O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I／O接口有并行接口和串行接口。I／O通道有模拟量I／O通道和数字量I／O通道。其中模拟量I／O通道的作用有两个：一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道的作用除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。

⑤传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如0～10 mA DC）。

此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等。

（2）计算机软件

软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。

①系统软件：由计算机的制造厂商提供，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。

②应用软件：用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序等。通常是由用户或者用户委托专业人员根据需要自行编制的。

在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的、高质量的控制系统。

图5－5　典型计算机控制系统的组成示意

（1）计算机硬件的主要组成

此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等。

（2）计算机软件

计算机控制系统的架构与组成分析

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