中國科技促進發展研究中心

[拼音]：jisuanji jiance he kongzhi

[英文]：computer detection and control

將計算機用於試驗、生產或類似的過程中進行資料檢測和操作控制的技術。計算機檢測和控制能提高產品的質量和產量，降低原材料和能源的消耗，改善勞動條件和保證操作安全。

為了有效地實現控制，不論是人工系統還是自動化系統，一般都由兩部分組成：一部分獲取足夠的資訊;另一部分作出判斷實現控制。所謂資訊指的是受控物件和環境的基本資料和變數。在自動化程度較高的系統中，檢測和控制通過計算機建立相互的實時聯絡。計算機反應快、計算準確並能容納大量的資訊，所以有人工系統無法比擬的效果。

計算機檢測

試驗和生產過程所產生和所需要的資料是計算機檢測的物件，具有明確的實時性。計算機檢測系統不發出改變被測環境的命令，也沒有相應的硬體。

資料採集

在試驗和生產過程中，各種感測器產生的資料大多以模擬量的電流或電壓表示（圖1）。感測器輸出訊號的形式和幅度很不一致，所以需要用訊號調節器將它們轉化為統一的形式和適當的幅度範圍。訊號調節器為感測器提供激勵源，並且具有放大、平衡、補償、濾波、校驗等功能。多路轉接器在計算機控制下按一定的次序將 n個輸入資料通路逐個地與模-數轉換器接通，將該通路的模擬資料轉換成數字量送入計算機。多路轉換器的轉換開關常用繼電器或場效應電晶體構成。

對於狀態判別資料，例如一個容器是空的還是滿的，一個開關是通的還是斷的，水位是否達到規定的高度等開關量，只需要1位二進碼錶示。圖2是採集這類開關量資料的典型框圖。每個狀態判別資料對應於暫存器中的一位觸發器。按判別的結果將暫存器中對應的觸發器置“1”或置“0”。有些狀態引數需要在一定的時間內記錄變換狀態的次數（脈衝量）。這時可以利用計數器先進行計數。計算機在適當的時候提取暫存器和計數器的內容。暫存器將數字量的資料如數字電壓表的測量值等送入計算機。

資料的記錄、整理和提供

在人工系統中，試驗和生產過程的大量資料由人工記錄或由筆繪記錄儀畫成曲線，這樣記錄下來的資料不便於閱讀、分類、編排、檢索和換算。計算機檢測系統在採集資料的同時還能採集感測器的校準資訊，對感測器測出的資料自動進行修正。它還能進行資料平滑和資料監視，並根據可測引數推算出不能直接測量的一些重要引數，例如產品合格率、成本、能源利用率、引數的統計分佈等，並及時用多種形式提供給操作人員參考。

計算機檢測系統不需要人工系統中所用的大面積的儀表板和成百上千的儀表，只利用通用的輸出裝置就能在需要的時刻選擇需要的內容和方式提供資訊。對於以模擬量表達的資料，例如控制迴路設定點的電壓等，由一個輸出暫存器和數-模轉換電路提供。

計算機控制

計算機控制包括控制迴路、PID演算法、前饋控制法、多變數控制法、自適應控制法和推算控制法。

控制迴路

在一個複雜過程的自動控制系統中，受控引數通常由一個控制迴路控制（圖3）。以蒸汽鍋爐的水位控制迴路為例，受控引數是鍋爐內的水位，感測器是測量水位的某種裝置，其輸出訊號已經將水位轉換成電壓M，而鍋爐蒸汽輸出量的變化和燃燒溫度的變化等都是干擾。作動器是具體執行控制的部件，這裡是鍋爐的進水閥。設定點的電壓S 相當於人們所期望的水位高低。當M和S不相等時，比較器的輸出為E=S-M，稱為誤差訊號。將誤差訊號按一定的控制法則加以處理後，產生一個驅動量U 以驅動作動器，使水位向S 所規定的位置變化，使E趨向於最小值。當干擾促使受控引數偏離設定值時，控制迴路即自動進行控制，以糾正偏差，使受控引數恢復到設定值。圖3中的虛線範圍為控制器。受控引數不斷向控制器反饋，所以稱為反饋控制或閉環控制，亦稱閉環迴路。在複雜的閉環迴路中，大環中還有小環，構成多環迴路。

控制迴路的效能在很大程度上取決於控制法則。控制法則又取決於描述該系統的數學模型和實時解算能力。早期的控制器都以模擬量為基礎，所以控制法則和數學模型受到很大的限制。數字計算技術在控制系統中的廣泛應用使控制法則和數學模型擺脫了模擬量本質上的侷限性，使模擬量所不能實現的許多控制方法得以實現。

PID演算法和控制器

PID演算法，即比例-積分-微分三模式演算法，是早期發展的一種控制法則

式中右邊第一項為比例輸出項，它是構成輸出的主要成分。第二項為積分輸出項，它能消除比例輸出項所要求的補償性誤差。第三項為微分輸出項，它能改善系統的響應時間。PID演算法不一定要求很複雜的硬體。60年代初，由於數字技術的發展，PID演算法已能由計算機對許多數字式控制劈a href='http://www.baiven.com/baike/220/253889.html' target='_blank' >鞣質輩裳圖撲閌迪幀Ｊ質嬌刂破髖潯復媧⑵骱吐嘸考遜⒄鉤晌殺喑絛虻目刂破鰨岣吡送ㄓ眯院土榛鈽裕┐罅斯δ堋Ⅻ/p>

前饋控制法

某些干擾對受控引數的影響是可以預計的。這時若在反饋迴路中將干擾量送進控制器，控制器就能從干擾量送來的資訊中提前計算出作動器的輸入量，以彌補反饋控制響應的不足，減小受控引數的偏離值。這個方法對於抑制大的干擾有很好的效果，而且用數字技術不難實現。

多變數控制法

在一個複雜過程的環境中有許多個受控引數。它們分別由各自的閉環迴路控制，由於某些受控引數常互為干擾，因此閉環迴路之間並不都是互相獨立的。當兩個閉環迴路互相耦合時可能導致不穩定而失控。多變數控制法的目的就是解決受控引數之間互為干擾的問題。採用數字計算技術有可能解決這個問題。

自適應控制法

自適應控制的特徵是控制法則隨著受控過程的變化而變化，以適應受控過程的進展情況而得到理想的效果。例如 PID演算法中的比例因子隨受控過程的某個引數變化的非線性控制器，即屬於這種型別。選取什麼引數，並按什麼規律改變控制法則是很複雜的問題。自適應控制法雖已開始用於實踐，但還處於研究階段。

推算控制法

某些受控引數不能用直接測量的方法獲得，這時可以利用其他可測引數建立適當的數學模型，經過推算而得到受控引數的值，並且據此採取相應的控制措施。推算控制法還可以與自適應控制法結合使用。

程式控制

計算機控制的一種特殊形式。在圖3中如果不存在干擾源，受控引數就不會偏離設定值，因而無需反饋，也不存在誤差訊號。這樣的系統稱為開環控制，代替控制法則的是事先編好的一段程式。它通過作動器使受控引數按所預定的規律變化。因此這樣的控制方式也稱為程式控制，程式控制在計算機輔助製造中得到廣泛的應用。數控機床就是一例，程式有時是很複雜的，需要用計算機編制，這種程式也常是計算機輔助設計的產物。

計算機監控

一切將計算機檢測和控制技術侷限於只為操作人員提供參考情況，而不進行自動控制的系統。採用計算機監控方式，或是由於技術上的原因，如城市汙染的控制還作不到自動控制；或是由於安全方面的考慮，如病人的身體狀況只能監控；或是由於其他非技術的原因，如戰略導彈的發射控制只能監控。在一個監控系統中很多區域性環節仍然可以利用計算機進行自動控制。監控系統甚至也可以對決定性的環節提出一個或幾個解決方案，但是決定性的行動最終還必須由操作人員採取。