第6章 舞台机械设备计算机控制技术
如果一个机电系统的控制器部分使用了计算机，则可称其为计算机控制系统。随着计算机技术的高速发展，在舞台机械设备控制领域广泛地应用了计算机控制技术。计算机控制系统利用计算机软件和硬件代替机电控制系统中的控制器，它以自动控制理论和计算机技术为基础，综合计算机、自动控制、通信技术和生产过程等多方面知识。由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和方法被取代，给控制系统在结构、性能和功能上带来了根本性的变革，并逐渐向“智能化”和“柔性化”方向发展。因此，计算机控制技术受到越来越广泛的重视，当前，计算机控制系统已成为舞台机械设备控制系统不可缺少的组成部分。
6.1 计算机控制系统概述
6.1.1计算机控制系统的组成
1、计算机控制系统的结构
计算机控制系统在结构上可分为开环控制系统和闭环控制系统两种。若把机电系统中的控制器部分用计算机系统来代替，就构成了计算机控制系统。
在计算机控制系统中，控制器部分使用计算机，并在系统中加载满足某种控制规聿的程序，执行该程序，可实现对被控参数的控制。在一般控制系统中，系统的控制律由硬件电路决定，而在计算机控制系统中，只要改变加载的程序，就可实现对控规律的改变。
在计算机控制系统中，计算机处理的都是数字信号，因而需要将模拟输入信号转为数字输出信号，即进
行模/数(A/D)转换，以及将数字控制信号转换为模拟输出号的数/模(D/A)转换，从而通过A/D转换和D/A转换将计算机、执行机构、传感器和被控对象等结合在一起。
计算机控制系统的控制过程如下：
①实时数据采集：对被控参数进行测量，并将采样结果输入计算机。
②实时计算：对采集到的被控参数及相关量进行分析、处理后，按照一定的控规律进行计算，决定当前的控制量。
③实时控制：根据实时计算的结果，将控制信号送往执行机构。
④信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息存储和共享也纳入到控制统中。上述测量、运算、控制、管理的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的制规律进行工作，并且对被控参数或控制设各出现的异常状态实时监督并处理。
2、计算机控制系统的组成
计算机控制系统由计算机主体(包括硬件、软件与网络结构)和被控对象两大分组成。
(1)计算机控制系统的硬件
计算机控制系统的硬件主要包括微处理器或微控制器(CPU)、存储器(ROM /RAM)、数字I/O接口、A/D与D/A转换器接口、人机接口设备(如显示器、键盘鼠标等)、网络通信接口、实时时钟和电源等。它们通过微处理器或微控制器的地址总线、数据总线和控制总线(亦称系统总线)构成一个系统。
①主机：主机由微处理器和存储器构成，是系统的枢纽。它通过过程输入接口发送工业生产对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动进行信息的处理分析和计算，并作出相应控制决策或调节，以信息的形式通过输出接口，及时发控制命令。主机中的程序和控制数据是根据被控对象的特征预先编写的控制算法。
计算机控制系统通过执行控制程序和系统程序，完成事先确定的控制任务。
②输人/输出接口：计算机的输入/输出接口，是主机与被控对象进行信息交换的纽带。工业生产对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器(又称一次仪表变换为相应的电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和转换的连接接口，这就是过程输入/输出接口。它是生产过程特殊控制要求的。
过程接口一般可分为模拟量输入接口、模拟量输出接口、数字量输人接口和数字量输出接口。
③常规外部设备：常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求进行配置。
常用的输入设备有键盘、鼠标等，主要用来输入程序和数据等。
常用的输出设备有显示器、打印机等。输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情况。
存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，如磁盘等。
④外部设备：过程接口不能直接由主机控制，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。计算机控制系统的接口，根据应用的不同，有各种不同的接口电路。从广义上讲，过程接口属于过程参数和主机之间的作用接口。这里所讲的接口是指通用接口电路，一般有并行接口、串行接口和管理接口，包括中断管理、直接存取DNA管理、计数/定时等。
⑤操作台：操作台是人一机对话的平台，通过操作台可以向计算机输入程序，修改内存数据，检查程序运行及系统状态。
计算机控制系统的操作台应该具备如下功能：
●屏幕或数字显示装置，用来显示系统的工作流程、过程参数、状态和报警信号等。
●功能键，用来进行相应控制操作，常用的有复位键、启动键、报警触发等。
●数据键，用来输入、输出数据或修改系统参数。
⑥通信接口：当多个计算机之间需要相互传递信息或与更高层计算机通信时，每个计算机必须有相应的通信接口，如常用的RS-232C、RS-485通信接口、TCP/IP 以太网接口和现场总线接口等。
(2)计算机控制系统的软件
软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、监控、计算和诊断程序。因此，程序是计算机控制系统的神经中枢。
软件主要分为系统软件和应用软件。
①系统软件：系统软件提供计算机运行和管理的基本环境、程序开发环境，如Windows、 WinNT、UNX等。
②应用软件：应用软件指面向用户本身的程序，如在控制过程中的A/D、D/A转换程序，数据分析程序，各种算法程序等。
不同的被控对象和控制任务在软件组成上有很大区别。只有确定系统硬件后，才能确定如何配置软件、在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都配有相应的控制软件。
从系统功能角度来分，除作为核心的监控程序外，应用程序可分为前处理程序、服务程序和后台处理程序。前处理程序是指那些直接与生产过程有关的处理程序，即这些程序直接参与系统的控制过程，提供系统工作的基本服务。服务程序是指计算机控制系统对所有外设和人机联系等工作的程序，这些程序有时也称为监控程序，它与控制过程没有直接联系，但它承担的工作时系统所不可缺少的。后处理程序是指那些与系统控制过程完全无关的部分，如对硬件和软件的诊断程序等，它保证系统本身的可靠性。一个典型控制系统的软件至少包括初级监控程序和前处理程序。
6.1.2 计算机控制系统的分类
目前，计算机控制系统种类繁多，命名方法也各有不同。根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要可分为五种类型：计算机操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、集散型控制系统及现场总线控制系统。
1、计算机操作指导控制系统
计算机操作指导控制系统属于数据采集与处理系统。生产过程需要收集的参数，经多路模拟量输入、多路数字量输入送进计算机，进行数据采集和分析处理，并将采集处理的数据以一定的形式显示或打印出来并可以在存储器中保存，当出现异常时发出声光报警。这种系统中的计算机不直接参与影响生产的过程控制，仅为操作人员提供指导信息，供操作人员参考。操作人员根据计算机的指导，通过控制仪表对生产过程进行控制。
2、直接数字控制系统
直接数字控制系统，简称DDC系统，一般为在线实时系统。计算机通过模拟量输入通道及接口AI，数字开关量输入通道及接口DI进行实时数据采集，然后按已定的控制规律进行实时控制决策，最后通过模拟量输出通道及接口AO、数字开关量输出通道及接口DO输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。DDC属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。为提高利用率，一天计算机有时要控制几个或几十个回路。
3、监督计算机控制系统
监督计算机控制系统，简称SCC系统。SCC系统是一种两级计算机控制系统，其中DDC级计算机完成生产过程的直接数字控制；SCC级计算机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化给定值，送给DDCJI级执行。SCC级计算机承担高级控制和管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档计算机。
监督计算机控制系统的DDC级计算机用模拟调节仪表代替，并配以输入采样器、A/D转换器和D/A转换器、输出扫描器，便是SCC加模拟调节器的SCC系统。当计算机出现故障时，由模拟调节仪表独立完成任务，比较安全可靠。所以，这类系统在计算机技术不十分成熟时期应用较多，有一定代表性。
4、集散型控制系统
集散型控制系统，也叫分散型控制系统，简称DCS。采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则原则，把系统从下到上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分级分布式控制。
三级系统由高速数据通路HW和局域网络LCN两级通信线路相连。控制管理级与过程控制级为操作站-控制站-现场仪表三层结构模式，由现场控制站、输入输出过程接口单元PIU、CRT显示操作站、高速数据通路、监控计算机五部分组成。在高速数据通路上，可以挂接可编程控制器PLC、智能调节器或其他可连测控装置。控制管理级的上位机具有制定生产计划和工艺流程以及产品、财务、人员的管理等功能，以实现生产管理的优化。生产管理级可具体细分为工段、车间、长、公司等几层，由上层其他局域网络互相连接，传递信息，进行更高层次的管理、协调工作。
5、现场总线控制系统
现场总线控制系统，简称FCS。是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS系统成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用工作站-现场总线智能仪表的二层结构模式，完场了DCS中三层结构模式的功能，降低了成本，提高了可靠性。国际标准同意后，它可实现真正的开放式互连体系结构。
近年来，智能传感器和执行器的发展，导致须用数字信号取代4~20mA模拟信号，以便于现场总线的应用。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，他是用新一代现场总线控制系统FCS代替分散型控制系统DCS，实现现场总线通信网络与控制系统的集成。现场总线被称为21世纪的工业网络标准。
现场总线有两种应用方式分别用代码H₁和H₂表示。H₁方式主要用于代替直流4~20mA模拟信号以实现数字传输，它的传输速度较低，每秒几千比特，但传输距离较远，可达1900m，称为低速方式；H₂方式主要用于高性能的通信系统，它的传输速度高，达到1Mbit/s，传输距离一般不超过750m，称为高速方式。信号形式有电压方式和电流方式两种，电压方式居多。
未完待续！
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