0.1 什么是计算机控制系统？（The Computer Control System）

计算机控制就是用计算机控制某种设备使其按照要求工作。人们熟知的机器人就是在计算机的控制下工作的，工厂自动化生产线、家用电器中也普遍使用计算机控制。利用计算机控制各种设备，是电气工程师和技术人员的一项基本工作。

计算机在实现其控制功能的时候往往还需要一些设备的配合，这些设备与计算机、被控设备一起统称为计算机控制系统。

那么计算机是如何实现对设备的控制的？要想弄清楚这个问题，首先应该对人工控制过程做简单分析。

0.1.1 人是如何对设备进行控制的？

现在通过水罐水位控制实例说明人工控制的方法与过程。对于图0.1水罐，如果希望将水位控制在给定值上，通常采用以下方法：

（1）观察水位—用眼睛。

（2）判断与计算：将实际水位和期望的水位进行比较，根据差值先判断需要开大还是关小进水阀门，再根据差值估计进水阀开度的改变量—用大脑。

（3）行动：改变阀门开度—用手。

（4）重复步骤（1）～（3），直到水位达到期望范围。

很明显，人在控制水罐水位的过程中，动用了眼、脑、手等多种器官，而且整个过程是反复进行的。

0.1.2 自动控制系统的组成（The Automatic Control System）

如果用水位变送器代替人眼，用电动调节器代替人脑、用电动调节阀代替人手，用给定器输入水位给定值，就构成了一个水位自动控制系统，如图0.2所示。

在该系统中，水位变送器不断地检测水位，并将其转换成电流信号送给电动调节器，电动调节器像人脑一样接收水位信号和水位给定信号，将两者进行比较，根据偏差计算出给水调节阀门的开度，并将开度信号以电流形式送给电动调节阀门，电动调节阀门根据电流大小改变给水阀门开度，调节给水流量，从而达到控制水位的目的。

由水位自动控制系统，我们引出了一般自动控制系统的典型组成结构，如图0.3所示。在该系统中，各环节的功能如下：

被控对象：需要控制的设备参数，例如水罐。

检测器：用于检测被控参数，并将其转换为控制器可以接收的信号（通常为电压、电流等信号），例如水位变送器。

命令输入装置：用于输入启动、停止、复位和给定值等信号给控制器。

控制器：用于接收控制命令、给定值和测量值，计算偏差，计算输出量，输出控制信号（通常为电压、电流等信号）给执行器。

执行器：用于接收控制器的控制信号，并将其转换为阀门开度变化等动作。

检测器通常由各种传感器、变送器构成。执行器通常是电磁阀、电动调节阀、电动机、挡板、风门、电加热器等设备。传感器、执行器一般置于生产现场，和被控对象在一起，也叫现场设备。控制器，操作按钮等命令输入设备、显示器等一般都置于控制室。如果把控制器比喻成系统的大脑，传感器就相当于它的眼睛，执行器就是手和脚。

干扰：是使被控参数发生改变，偏离给定值的因素。例如，水罐系统中出水流量改变会直接造成水位变化，是水位控制系统的一个主要干扰。此外给水压力变化、环境蒸发（对敞口容器）等都是干扰。自动控制系统的被控参数往往受到不止一个干扰因素的影响。

控制变量是执行器输出信号的改变量，具体到水罐水位系统就是进水流量。无论发生什么干扰造成水位变化，都可以通过改变进水流量达到控制水位的目的。

控制变量和干扰的变化都会影响到被控参数。但干扰还有一个特点，就是它们一般来自控制系统之外，是控制系统不能或不应约束的变量。例如，出水流量主要受负载用水量需求影响，控制系统本身不应该强制改变其流量，除非特殊情况下为了安全保护。

控制变量是受控制器控制的，用来克服干扰对被控参数造成的不良影响。能够作为控制变量的参数可能不止一个，必须精心选择，确保能够快速有效地对抗和适应各种干扰的影响，将被控参数控制在规定范围。

有时候，也将一般自动控制系统的方框图画成图0.4，其中符代表偏差计算。

偏差=给定值−测量值

图0.3或图0.4所示构成的自动控制系统也称为闭环控制系统（the Closed-loop Control System）。

闭环控制系统的基本工作过程是：当发生干扰时，被控参数偏离给定值，通过检测器，控制器能“感知”生产进行的情况，并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制信号。通过执行器，控制器的控制信号被转换成物料量或能量的变化，抵消了干扰对被控参数造成的影响，从而使被控参数稳定在规定范围。

有时候，一个自动控制系统也可以不要检测器，这样的系统称为开环控制系统（the Open-loop Control System）。开环控制系统的组成框图如图0.5所示。

典型的开环控制应用是电动机启停控制电路，如图0.6所示。在这个电路中，电动机M是被控设备，启动按钮SB2、停止按钮SB1是命令输入设备，接触器KM的线圈是控制器，接触器KM的主触点是执行器。控制电路只根据命令控制接触器主触点的通断，并不检测电动机是否真正转动起来。

目前使用的多数家用全自动洗衣机的洗衣控制也是一个典型的开环控制，它不检测衣服是否洗干净，只是按照设定的时间和顺序控制洗衣电机和脱水电机的启停。但家用全自动洗衣机的水位控制通常是闭环的，设有水位检测开关，系统会根据水位开关的状态决定是否进水。

开环控制用在不需要精确控制被控参数，或被控对象受到的干扰较少，被控参数不经常波动等情况下。

0.1.3 计算机控制系统的组成

计算机控制系统的控制器全部采用计算机。而一般自动控制系统的控制器则形式多样，可能是由继电器、接触器构成的一个电路，可能是一块独立的仪表，也可能是某种机械装置。

计算机控制系统的组成框图如图0.7所示。与一般自动控制系统相比，还有一个主要的不同，它增加了输入接口（the Input Interface）和输出接口（the Output Interface），统称为输入输出接口或I/O接口（I/OInterface）。输入接口的主要作用是将检测环节的输入信号（通常为电信号）转换为计算机能够接收的数字信号；输出接口的主要作用是将计算机输出的数字信号转换为电信号输出给执行器。