微型计算机控制系统microcomputer control system

由生产过程的数学模型、控制算法、传感器、控制元件、微型计算机和生产过程等部分所组成的系统。它以微型计算机为核心，对生产过程进行数据检测、处理和操作控制。
组成 微型计算机控制系统(图1)主要控制部件有微型计算机、输入/输出接口电路和转换设备等。微型计算机(MC)可选用单片机、单板机和多板机等，可选用随机存储器和只读存储器来扩展主存储器的容量。输入/输出接口电路可选用并行和串行输入/输出接口芯片，以及定时/计数器等。转换设备可选用模/数(A/D)和数/模(D/A)转换器。在生产过程中，各种非电量经传感器交换后，产生电流或电压模拟信号，模/数转换器将其转换成数字量，再输入微型计算机。计算机处理和计算后，输出数字量，经数/模转换器转换成模拟量，控制生产过程。

图1 微型计算机控制系统的基本框图

分类 微型计算机控制系统(MCS)可按系统控制方式、微型计算机参与控制方式和调节规律等进行分类。
按系统控制方式分为： ❶微型计算机开环控制系统(MCOCS)(图2)。在系统中，输出量不影响系统的控制作用，仅仅按操作者的要求计算出控制方案。
❷微型计算机闭环控制系统(MCCCS)(图3)。在系统中，输出量直接影响控制作用，测量元件自动地接收测量结果，微型计算机计算出控制方案并直接指挥控制部件的动作，操作者只监督系统正常工作。
❸在线与离线控制系统。“在线”控制是指控制对象在微型机直接参与下进行操作，不需要人工直接干预； “离线”控制是指控制对象并非在微型机直接参与下进行操作，它要求人工进行直接干预，定期或不定期地为系统进行计算或控制。
❹实时控制系统。系统内的微型计算机能以足够快的速度处理外来的信息，并在规定的时间内迅速地作出响应或控制。

图2 微型计算机开环控制系统

图3 微型计算机闭环控制系统

按微型计算机参与控制方式分为。❶数据采集系统。它是将系统所需要采集的过程变量经过模/数转换器变换后输入微型计算机，经数据处理和计算后由微型计算机输出结果。
❷直接数字控制系统。系统中，用微型计算机取代常规的模拟式调节仪表而直接控制生产过程。系统的控制信号是数字量，它属于离散的采样控制系统，是当前微型计算机控制系统的主要形式之一。
❸监督控制系统。系统根据生产过程的各种状态，按数学模型计算出生产过程的最佳给定值，作为过程控制的依据，保证生产过程始终处于最佳状态。
❹分级控制系统。主要应用于规模较大的生产，解决过程控制问题和生产管理问题。系统由直接数字控制级、监督控制级和管理信息系统级组成。直接数字控制级通常是低档微型计算机，监督控制级是中档微型计算机，管理信息系统级主要进行生产的计划和调度，实现信息的实时处理，为各级决策者提供信息，通常采用高档微型计算机。
❺分布式控制系统。由若干个独立的子系统所组成，共同来完成整个控制系统的总任务。它已成为微型计算机控制系统发展的重要方向。分布式微型计算机控制系统的主要优点是计算和处理工作量分散、具有模块化结构、微型机成本低廉、整个系统可利用率高。
按调节规律分类有： 程序控制、顺序控制、比例-积分-微分(PID)控制、前馈控制、最优控制、自适应控制和自学习控制等。程序控制按照预先规定的时间函数变化规律进行控制； 顺序控制用某一时刻的给定值和此时刻以前的控制结果进行控制； PID控制的输出信号与输入偏差、偏差积分和微分成正比例，微分输出可改善系统的响应时间； 前馈控制是在反馈控制系统中，干扰点的前方加入一个前馈控制作用，使它正好能够完全抵消外来干扰对被控变量的影响，这个方法对于抑制大的干扰有很好的效果； 最优控制能恰当地选择控制规律，在规定的工作条件下，使系统的某种性能指标（或目标函数）最小（或最大）; 自适应控制能在工作条件变化的情况下，使系统适应环境变化，保持最优性能指标的控制； 自学习控制能使系统自身随运行条件的改变，不断积累经验，据此自动地改变控制器本身的结构和参数，使控制效果最佳。