與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系,可以是有線方式,如通過電纜的模擬信號或數(shù)字信號進行聯(lián)系;也可以是無線方式,如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯(lián)系。被控對象的范圍很廣,包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機械裝置、交通工具、機器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電器和兒童玩具等??刂颇康目梢允鞘贡豢貙ο蟮臓顟B(tài)或運動過程達到某種要求,也可以是達到某種最優(yōu)化目標(biāo)。
與一般控制系統(tǒng)相同,計算機控制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的,這時計算機要不斷采集被控對象的各種狀態(tài)信息,按照一定的控制策略處理后,輸出控制信息直接影響被控對象。它也可以是開環(huán)的,這有兩種方式:一種是計算機只按時間順序或某種給定的規(guī)則影響被控對象;另一種是計算機將來自被控對象的信息處理后,只向操作人員提供操作指導(dǎo)信息,然后由人工去影響被控對象。
計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成,其控制部分包括硬件部分和軟件部分,這不同于模擬控制器構(gòu)成的系統(tǒng)只由硬件組成。計算機控制系統(tǒng)軟件包括系統(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,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。它們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。
計算機控制系統(tǒng)的分類
計算機控制系統(tǒng)的分類有三種方法:以自動控制行式分類,以參于控制方式分類或以調(diào)節(jié)規(guī)律分類。
一、以自動控制行式分類
以自動控制方式可以分成如下幾類:
?。ㄒ唬?計算機開環(huán)控制(Computer Open Loop Control)系統(tǒng)
若計算機開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出對生產(chǎn)過程能行使控制,但控制結(jié)果---生產(chǎn)過程的狀態(tài)沒有影響計算機控制的系統(tǒng),計算機\控制器\生產(chǎn)過程等環(huán)節(jié)沒有構(gòu)成閉合環(huán)路,則稱之為計算機開環(huán)控制系統(tǒng)。從圖上看出生產(chǎn)過程的狀態(tài)沒有反饋給計算機,而是由操作人員監(jiān)視生產(chǎn)過程的狀態(tài),決定控制方案,并告訴控制計算機使其行使控制作用。
?。ǘ?計算機閉環(huán)控制
計算機對生產(chǎn)對象或過程進行控制時,生產(chǎn)過程狀態(tài)能直接影響計算機控制的系統(tǒng),稱之為計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)??刂朴嬎銠C在操作人員監(jiān)視下,自動接受生產(chǎn)過程狀態(tài)檢測結(jié)果,計算并確定控制方案,直接指揮控制部件(器)的動作,行使控制生產(chǎn)過程作用。
在這樣的系統(tǒng)中,控制部件按控制機發(fā)來的控制信息對運行設(shè)備進行控制,另一方面運行設(shè)備的運行狀態(tài)作為輸出,由檢測部件測出后,作為輸入反饋給控制計算機;從而使控制計算機\控制部件\生產(chǎn)過程\檢測部件構(gòu)成一個閉環(huán)回路。我們將這種控制形式稱之為控制計算機閉環(huán)控制。
計算機閉環(huán)控制系統(tǒng),利用數(shù)學(xué)模型設(shè)置生產(chǎn)過程最佳值與檢測結(jié)果反饋值之間的偏差,控制達到生產(chǎn)過程運行在最佳狀態(tài)。
?。ㄈ?在線控制
只要計算機對受控對象或受控生產(chǎn)過程,能夠行使直接控制,不需要人工干預(yù)的都稱之為控制計算機在線控制或稱聯(lián)機控制系統(tǒng)。
?。ㄋ模?離線控制
控制計算機沒有直接參于控制對象或受控生產(chǎn)過程。它只完成受控對象或受控過程的狀態(tài)檢測,并對檢測的數(shù)據(jù)進行處理;而后制定出控制方案,輸出控制指示,操作人員參考控制指示,人工手動操作使控制部件對受控對象或受控過程進行控制。這種控制形式稱之為計算機離線控制系統(tǒng)。
(五) 實時控制系統(tǒng)
控制計算機實時控制系統(tǒng)是指受控制的對象或受控過程,每當(dāng)請求處理或請求控制時,控制機能及時處理并進行控制的系統(tǒng),常用在生產(chǎn)過程是間斷進行的場合軋出一塊鋼算一個過程,每個過程都重復(fù)進行。只有進入過程才要求計算機進行控制。在計算機一旦進行控制時,就要求計算機對來自生產(chǎn)過程的信息在規(guī)定的時間內(nèi)作出反應(yīng)或控制。這種系統(tǒng)常使用完善的中斷系統(tǒng)和中斷處理程序來實現(xiàn)。綜上所述,一個在線系統(tǒng)并不一定是實時系統(tǒng)。但是一個實時系統(tǒng)必是一個在線系統(tǒng)。
二、 以參于控制方式來分類
按控制機參于控制方式來分類, 可分成如下幾種:
?。ㄒ唬┲苯訑?shù)字控制系統(tǒng)
由控制計算機取代常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表而直接對生產(chǎn)過程進行控制,由于計算機發(fā)出的信號為數(shù)字量,故得名DDC控制。實際上受控的生產(chǎn)過程的控制部件,接受的控制信號可以通過控制機的過程輸入/輸出通道中的數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器將計算機輸出的數(shù)字控制量中轉(zhuǎn)換成模擬量;輸入的模擬量也要經(jīng)控制機的過程輸入/輸出通道的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進入計算機。
DDC控制系統(tǒng)中常使用小型計算機或微型機的分時系統(tǒng)來實現(xiàn)多個點的控制功能。實際上是屬于用控制機離散采樣,實現(xiàn)離散多點控制。這種DDC計算機控制系統(tǒng)已成為當(dāng)前計算機控制系統(tǒng)中主要控制形式之一。
DDC控制的優(yōu)點是靈活性大,集中可靠性高和價格便宜。能用數(shù)字運算形式對若干個回路,甚至數(shù)十個回路的生產(chǎn)過程,進行比例--- 積分---微分(PID)控制,使工業(yè)受控對象的狀態(tài)保持在給定值上,偏差小且穩(wěn)定。而且只要改變控制算法和應(yīng)用程序便可實現(xiàn)較復(fù)雜的控制。如前饋控制和最佳控制等。一般情況下,DDC級控制常作為更復(fù)雜的高級控制的執(zhí)行級。
?。ǘ?計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)
計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)是針對某一種生產(chǎn)過程,依據(jù)生產(chǎn)過程的各種狀態(tài),按生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型計算出生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)運行的最佳給定值,并將最佳值自動地或人工對DDC執(zhí)行級的計算機或?qū)δM調(diào)節(jié)儀表進行調(diào)正或設(shè)定控制的目標(biāo)值。由DDC或調(diào)節(jié)儀表對生產(chǎn)過程各個點(運行設(shè)備)行使控制。
SCC系統(tǒng)的特點是能保證受控的生產(chǎn)過程始終處于最佳狀態(tài)情況下運行,因而獲得最大效益。直接影響SCC效果優(yōu)劣的首先是它的數(shù)學(xué)模型,為此要經(jīng)常在運行過程中改進數(shù)學(xué)模型,并相應(yīng)修改控制算法和應(yīng)用控制程序。
(三) 多級控制系統(tǒng)
在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中,不僅需要解決生產(chǎn)過程的在線控制問題,而且還要求解決生產(chǎn)管理問題,每日生產(chǎn)品種、數(shù)量的計劃調(diào)度以及月季計劃安排,制定長遠規(guī)劃、預(yù)報銷售前景等, 于是出現(xiàn)了多級控制系統(tǒng)。
DDC級主要用于直接控制生產(chǎn)過程,進行PID或前饋控制;SCC級主要用于進行最佳控制或自適應(yīng)控制或自學(xué)習(xí)控制計算,并指揮DDC級控制同時向MIS級匯報情況.DDC級通常用微型計算機,SCC級一般用小型計算機或高檔微型計算機。
車間管理的MIS主要功能是根據(jù)工廠級下達的生產(chǎn)品種、數(shù)量命令和搜集上來的生產(chǎn)過程的狀態(tài)的信息,隨時進行合理調(diào)度,實現(xiàn)最優(yōu)控制,指揮SCC級監(jiān)督控制。
工廠管理級的MIS主要功能是接受公司下達的生產(chǎn)任務(wù)和本廠的實際情況,進行最優(yōu)化計算,制訂本廠生產(chǎn)計劃和短期(旬或周或日)安排,然后給車間級下達生產(chǎn)任務(wù)。
公司管理級的MIS主要功能是對市場需求預(yù)測計算,制訂戰(zhàn)略上的長期發(fā)展規(guī)劃,并對訂貨合同,原料供應(yīng)情況和企業(yè)的生產(chǎn)狀況,進行最優(yōu)生產(chǎn)方案的比較選擇計算,制訂出整個公司企業(yè)較長時間(月或旬)的生產(chǎn)計劃、銷售計劃,并向各工廠管理級下達任務(wù)。
MIS級主要功能是實現(xiàn)信息實時處理,為各級決策者提供有用的信息,作出關(guān)于生產(chǎn)計劃\調(diào)度和管理方案,使計劃協(xié)調(diào)和經(jīng)營管理處于最優(yōu)狀態(tài)。這一級可根據(jù)企業(yè)的規(guī)模和管理范圍的大小分成若干級。每級又依據(jù)要處理的信息量的大小確定采用的計算機的類型。一般情況車間級MIS用小型計算機或高檔微型計算機,工廠管理級的MIS用中型計算機,而公司管理級的MIS則用大型計算機,或者用超大型計算機。
?。ㄋ模┓植际娇刂苹蚍稚⒖刂葡到y(tǒng)
分散控制或分布控制,是將控制系統(tǒng)分成若干個獨立的局部控制子系統(tǒng),用以完成受控生產(chǎn)過程自動控制任務(wù)。由于微型計算機的出現(xiàn)與迅速發(fā)展,為實現(xiàn)分散控制提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ),近年來分散控制得以異乎尋常的發(fā)展,且已成為計算機控制發(fā)展的重要趨勢。
自70年代起,又出現(xiàn)集中分散式的控制系統(tǒng),簡稱集散系統(tǒng)。它是采用分散局部控制的新型的計算機控制系統(tǒng)。
三、按調(diào)節(jié)規(guī)律分類
如果按調(diào)節(jié)規(guī)律分類,計算機對工業(yè)生產(chǎn)過程進行控制所構(gòu)成的系統(tǒng)可分成如下幾種:
(一)程序控制
如果計算機控制系統(tǒng)是按著預(yù)先規(guī)定的時間函數(shù)進行控制,這種控制稱之為程序控制。如爐溫按著一定的時間曲線進行控制就為程序控制。這里的程序是指隨時間變化就有確定對應(yīng)變化值,而不是計算機所運行的程序。
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在程序控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了順序控制,計算機如能根據(jù)隨時間推移所確定對應(yīng)值和此刻以前的控制結(jié)果兩方面情況行使對生產(chǎn)過程控制的系統(tǒng),稱之為計算機的順序控制。
?。ㄈ?比例--積分--微分PID控制常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表可以完成PID控制。用微型計算機也可以實現(xiàn)PID控制。
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通常的反饋控制系統(tǒng)中,對干擾造成一定后果,才能反饋過來產(chǎn)生抑制干擾的控制作用,因而產(chǎn)生滯后控制的不良后果。為了克服這種滯后的不良控制,用計算機接受干擾信號后,在還沒有產(chǎn)生后果之前插入一個前饋控制作用,使其剛好在干擾點上完全抵消干擾對控制變量的影響,因而又得名為擾動補償控制。
(五)最優(yōu)控制(最佳控制)系統(tǒng)
控制計算機如能有受控對象處于最佳狀態(tài)運行的控制系統(tǒng)稱之為最佳控制系統(tǒng)。如用計算機控制系統(tǒng)就是在現(xiàn)有的限定條件下,恰當(dāng)選擇控制規(guī)律(數(shù)學(xué)模型),使受控對象運行指標(biāo)處于最優(yōu)狀態(tài)。如產(chǎn)量最大、消耗最大、質(zhì)量合格率最高、廢品率最少等。最佳狀態(tài)是由定出的數(shù)學(xué)模型確定的,有時是在限定的某幾種范圍內(nèi)追求單項最好指標(biāo),有時是要求綜合性最優(yōu)指標(biāo)。
?。┳赃m應(yīng)控制系統(tǒng)
上述的最佳控制,當(dāng)工作條件或限定條件改變時,就不能獲得最佳的控制效果了。如果在工作條件改變的情況下,仍然能的控制系統(tǒng)對受控對象的控制處于最佳狀態(tài),這樣的控制系統(tǒng)稱之為自適應(yīng)系統(tǒng)。這就要求數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)出在條件改變的情況下,如何達到最佳狀態(tài)??刂朴嬎銠C檢測到條件改變的信息,按數(shù)學(xué)模型給出的規(guī)律進行計算,用以改變控制變量,使受控對象仍能處在最好狀態(tài)。
?。ㄆ撸┳詫W(xué)習(xí)控制系統(tǒng)
如果用計算機能夠不斷地根據(jù)受控對象運行結(jié)果積累經(jīng)驗,自行改變和完善控制規(guī)律,使控制效果愈來愈好,這樣的控制系統(tǒng)被稱為自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。
以上講到的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和自學(xué)習(xí)控制都涉及到多參數(shù)、多變量的復(fù)雜控制系統(tǒng),都屬于近代控制理論研究的問題。系統(tǒng)的穩(wěn)定性的判斷,多種因素影響控制的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型研究等,都必須有生產(chǎn)管理、生產(chǎn)工藝、自動控制、檢測儀表、程序設(shè)計、計算機硬件各方面人員相互配合才能得以實現(xiàn)。由受控對象要求反應(yīng)時間的長短、控制點數(shù)多少和數(shù)學(xué)模型復(fù)雜程度來決定選用計算機規(guī)模。一般來說需要功能很強(速度與計算功能)的計算機才能實現(xiàn)。
上述諸種控制,可以是單一種也可不是單一的,可以幾種形式結(jié)合對生產(chǎn)過程實現(xiàn)控制。這要針對受控對象的實際情況,在系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計時確定。
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