直接數字控制系統

計算機控制系統所採用的的形式與它所控制的生產過程的複雜程度密切相關，不同的被控對象和不同的要求，應有不同的控制方案。根據計算機控制系統的功能及結構特點，可將計算機控制系統分為：

（1）操作指導控制系統；

（2）直接數字控制系統；

（3）計算機監督控制系統；

（4）分佈式控制系統；

（5）現場總線控制系統。 ^[1] 

直線數字控制系統是計算機用於工業過程最普遍的一種方式，屬於閉環控制型結構，是用一台微型計算機對多個被控參數進行巡迴檢測，檢測結果與設定值進行比較，再按PID（比例、積分、微分）規律或直接數字控制方法進行控制運算，然後輸出到執行機構對生產過程進行控制，使被控參數穩定在給定值上。 ^[2]  也就是説計算機通過測量元器件對一個或多個生產過程的參數進行巡迴檢測，經過過程輸入通道輸入計算機，並根據規定的控制規律和給定值進行運算，然後發出控制信號，通過過程輸出通道去控制執行機構，使各個被控量達到預定的要求。

直接數字控制系統計算機的輸入和輸出均為數字量，首先將來自傳感器或變送器的被控量信號（4~20mA）經過AI通道轉換成數字量送給計算機，再用軟件實現PID算法，然後數字控制量經過AO通道轉換成模擬量信號送給執行器（電動或氣動閥），構成閉環控制迴路。由於計算機運算速度快。可以分時處理多個控制迴路，不僅可以實現簡單控制迴路，而且可以實現複雜控制迴路，如前饋控制、串級控制、選擇性控制、遲延補償控制和解耦控制等。直接數字控制系統一般用於小型或中型生產裝置的控制。 ^[3] 

直接數字控制系統由被控對象、檢測儀表（傳感器或變送器）、執行器（電動或氣動閥）和工業控制機組成。

隨着計算機技術的發展，工業控制機經歷了一個不斷髮展的過程。主要是以工業個人計算機為基礎，並有相應的各類I/O接口和外部設備接口。一般的IPC除了有必備的主板、內存、硬盤、CRT或LCD等以外，還有專用鍵盤、專用顯示器和過程輸入輸出設備，包括AI、DI、AO和DO板卡等。由於IPC的工作環境比較惡劣，所以要對硬盤、CRT或LCD、鍵盤和機箱等進行防塵和防震處理。 ^[3] 

工業控制機是直接數字控制系統的核心，它由主機、過程輸入輸出設備、入機接口和外部設備組成。

直接數字控制系統的主機一般選用Windows操作系統，另外再配置相應的應用軟件。儘管Windows不是實時操作系統，由於IPC的運算速率快，足以抵消Windows操作系統的非實時性影響。應用軟件包括監控組態軟件和實時數據庫，保證系統有十分友好的人機界面，便於I/O數據點的建立，控制迴路的組態，操作畫面的繪製，打印報表的生成，報警信息的發佈。 ^[3] 

過程輸入輸出設備包括AI、DI、AO和DO板卡等，AI、DI板卡把來自檢測儀表的反應過程參數和狀態的信號轉換成數字信號送往主機，AI、DO板卡把主機輸出的數字控制信號轉換為適應各種執行器的信號。它分為兩類，一類是與主機一體的I/O板卡，另一類是獨立的I/O數據採集單元，通過串行總線與主機通信。AI板卡的信號類型有4~20mA DC、1~5V DC、毫伏、熱電阻和熱電偶等，輸入方式有單端或差動方式。DI板卡的信號類型有開關、按鈕等觸點。AO板卡的信號類型有4~20mADC、1~5V DC等。DO卡的信號類型有繼電器觸點、有源開關元件等。 ^[3] 

人機接口設備供操作人員對生產過程進行監視和操作，包括CRT或LCD、鍵盤和鼠標、報警和顯示設備、打印機等。 ^[3] 

4.外部設備 ^[3] 

直接數字控制系統的硬件結構有模板式和模塊式兩種。其安裝方式又可分為以下幾種：

1.盒式。它是將主控單元、輸入輸出單元和操作顯示單元集於一體，盒正面是LCD顯示器和薄膜式鍵盤。盒式結構體積小，重量輕，可以直接安裝於生產設備上，便於現場操作監視，適用於小型數據採集和控制系統。 ^[3] 

2.台式。它是將主控單元和輸入輸出單元集中於一個機箱內，再將該機箱以及顯示器、鍵盤、鼠標、打印機置於操作枱或終端桌上。台式結構體積大、部件多，適用於中型數據採集和控制系統。 ^[3] 

3.櫃式。它是將主控單元集中於主機箱內，輸入輸出單元集中於I/O機箱內，或將這兩個單元集中於一個機箱內，這些機箱適用於盤式或機櫃式安裝，另外再將顯示器、鍵盤、鼠標、打印機置於操作枱或終端桌上。櫃式結構體積較大，部件較多，適用於大型數據採集系統或者規模相對大一些的控制系統。 ^[3] 

直接數字控制系統是一種閉環控制系統。在系統（圖1）中,由一台計算機通過多點巡迴檢測裝置對過程參數進行採樣，並將採樣值與存於存儲器中的設定值進行比較，再根據兩者的差值和相應於指定控制規律的控制算法進行分析和計算，以形成所要求的控制信息,然後將其傳送給執行機構,用分時處理方式完成對多個單迴路的各種控制（如比例積分微分、前饋、非線性、適應等控制）。直接數字控制系統具有在線實時控制、分時方式控制和靈活性、多功能性三個特點。

直接數字控制系統是一種在線實時控制系統。在線控制指受控對象的全部操作（反饋信息檢測和控制信息輸出）都是在計算機直接參與下進行的，無需系統管理人員干預，又稱聯機控制。實時控制是指計算機對於外來信息的處理速度，足以保證在所容許的時間區間內完成對被控對象運動狀態的檢測和處理，並形成和實施相應的控制。這個容許時間區間的大小，要根據被控過程的動態特性來決定。對一個快速的被控過程，容許時間區間較小；對慢的被控過程，容許時間區間較大。計算機還應當配有實時時鐘和完整的中斷系統，並應有相當高的可靠性，以滿足實時性要求。一個在線系統不一定是實時系統，但是一個實時系統必定是在線系統。

直接數字控制系統是按分時方式進行控制的，即按照固定的採樣週期時間對所有的被控制迴路逐個進行採樣，並依次計算和形成控制輸出，以實現一個計算機對多個被控迴路的控制。計算機對每個迴路的操作分為採樣、計算、輸出三個步驟。為了增加控制迴路（採樣時間不變）或縮短採樣週期（控制迴路數一定），以滿足實時性要求，通常將三個步驟在時間上交錯地安排。例如對第1個迴路進行輸出控制時,可同時對第2個迴路進行計算處理，而對第3個迴路進行採樣輸入。這既能提高計算機的利用率，又能縮短對每個迴路的操作時間。

直接數字控制系統的特點是具有很大的靈活性和多功能控制能力。系統中的計算機起着多回路數字調節器的作用。通過組織和編排各種應用程序，可以實現任意的控制算法和各種控制功能，具有很大的靈活性。直接數字控制系統所能完成的各種功能最後都集中到應用軟件裏。圖2是其中的一些主要方面，如直控程序、報警程序、操作指導程序、人機聯繫程序、數據記錄程序等。這些程序平時存儲在數據庫中，使用時再從庫裏調出。

DDC系統中的計算機參加閉環控制過程，它不僅能完全取代模擬調節器，實現多回路的PID（比例—積分—微分）調節，而且不需改變硬件，只通過改變程序就能實現各種較複雜的控制，如串級控制、前饋控制、非線性控制、自適應控制、最優控制、模糊控制等。 ^[1] 

由於DDC系統中的計算機直接承擔控制任務，所以要求（系統）實時性好、可靠性高和適應性強。為了充分發揮計算機的利用率，一台計算機通常要控制幾個或者幾十個迴路，那就要合理地設計應用軟件，使其不失時機地完成所有的功能。DDC系統是計算機用於工業生產過程控制的最典型的一種系統。它已廣泛應用於材料熱加工、化工、機械、冶金等部門。在DDC系統中，計算機作為數字控制器使用。 ^[1]