计算机控制的基本方法详解

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：接口电路是将由被控装置或生产系统的信号经转换引入计算机及计算机发出指令去控制调整被控装置或生产系统的重要通道，在这个通道里必须设置“防火墙”，也就是隔离器才能使系统正常工作。

1.控制系统一般可分为闭环控制系统和开环控制系统，其基本结构见图1-1。

图1-1 自动控制系统的基本结构

a）闭环控制系统 b）开环控制系统

闭环控制系统一般由控制器、执行器、被控装置、变换器、测量元件组成，其中，测量元件是测量被控装置的被控参数的（如温度、压力、流量、物位、转速、位移、电流、电压等）。变换器是将测量元件测量到的参数变换成统一的电信号（如mV、mA等），并反馈给控制器。控制器是将反馈来的电信号与给定信号进行比较，其误差去调整执行器的工作状态，若是正差则减小，使被控装置工作在被控参数的状态上，若是负差则增大，使被控装置也工作在被控参数的状态上。

如一台电动机按设备要求应稳定工作在2000r/min上，系统才能生产合格产品。由于某种原因电动机的转速在下降，这时测量元件测量到的转速数值被变换器变成4mV电信号，而给定信号是5mV，是－1mV的负差，这个－1mV的信号则去调整执行器（变频器）的频率使其增大，增大后的电压频率与2000r/min转速相符，电动机即时工作在2000r/min上；反之是6mV，＋1mV的信号则去调整变频器的频率使其减小，减小后的频率同样与2000r/min转速相符，电动机即时工作在2000r/min上。我们把这个电路叫做负反馈电路。

开环控制没有测量元件和变换器组成的速度负反馈电路，因此不能自动调整变频器的频率，因此电动机的转速受到某种原因影响时，变频器不会自动调整转速，显然其控制性能精度较差。

2.计算机控制系统的负反馈控制见图1-2。

图1-2 计算机控制系统基本原理图

图1-2与图1-1是基本相同的，不同的是反馈回路由传感器和A-D转换器（模-数转换器）组成，传感器与测量元件基本相同，它能把被控参数变成电参量（如电阻/Ω，电压/mV，电流/mA等），然后经A-D转换器将模拟量转换成计算机能够识别的数字量送入计算机与给定值进行计算和判断。而主回路的控制器由计算机代替并且输出增加了一台D-A转换器。反馈信号经计算机计算判断后要由D-A转换器将其数字量转换成执行器能够接受的模拟量到执行器，然后执行器驱动被控装置，而使系统稳定运行。其他与图1-1相同。

需要指出的是图1-1和图1-2组成的控制系统，其控制过程是即时的，也就是说控制的速度是以电的传输速度进行的，因此，系统的调整是即时的，中间没有时间的概念。

图1-3是典型的计算机控制系统结构图，由图可知，系统由外部设备、主机、接口电路、外部通道、检测及变送、被控装置组成，其中接口电路也较为复杂。

图1-3 典型计算机控制系统的组成结构

该系统在工作时即时采集被控参数的瞬时值，经变送器、A-D转换器、接口电路送入计算机；同时即时分析采集到的并已送入计算机的被控参数的状态，按既定控制规律决定控制形式，即时向执行器发出控制信号，进行即时调整控制。

接口电路是将由被控装置或生产系统的信号经转换引入计算机及计算机发出指令去控制调整被控装置或生产系统的重要通道，在这个通道里必须设置“防火墙”，也就是隔离器才能使系统正常工作。

3.隔离器

在自动化控制系统中，现场环境会产生各种意想不到的干扰，这样就给系统安全带来了潜在的极不稳定因素，信号隔离器满足了自动化系统对各类模拟量信号隔离、放大、转换、滤波、抗干扰的需求，因此隔离器首当其冲地成为了自动化控制系统中必不可少的“元素”，现把信号隔离器在实践中的具体作用介绍如下：

（1）消除线路损耗提高驱动能力

在传感器驱动能力比较弱的情况下，若信号传输距离较长，很可能会导致信号严重衰减、失真造成信号接收困难，从而导致系统工作不正常，如果选用信号隔离器，可以大大提高驱动能力以抵消线路过长造成的损耗，从而满足系统对信号“真实性”的需求，达到稳定系统工作的目的，见图1-4。

图1-4 隔离器的设置

（2）防止电磁干扰

在信号传输过程中，由于电磁场作用经常会使信号发生畸变，我们称为电磁干扰，例如当变频器运行时，会产生高次谐波辐射，在干扰强的地方甚至会使系统误动作，当我们选用了隔离器后，可以大大降低电磁干扰所造成的影响，见图1-5。

（3）有效防止多路信号间的相互“交链”干扰

图1-5 隔离器消除电磁干扰

在多路信号同时传递的过程中，信号间会产生称之为“交链”的相互干扰，此类干扰会拉低系统的控制精度，严重时会造成系统控制失调，使用隔离器后，会使得相互间干扰降至最低，使得系统按照您的设计要求稳定工作，见图1-6。

（4）多种不同信号转换与匹配

自动化过程中，各种信号繁多，信号的发出端与接收端的匹配就成了一个不可忽视的环节，隔离器为您排忧解难。例如现场传感器能够输出4～20mA信号，现在多个接收端能够接收的信号为4～20mA，0～5V，0～10V，加上一个隔离器就可把传输端信号转换成所需要的一路或多路相互隔离的信号。信号间的相互转换与分配方便、灵活、可靠，见图1-7。