淺談計算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用及其運(yùn)算速度

曾顯偉

[摘 要]信息技術(shù)引起全面而深刻的社會變革，計算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)影響到人類生活的各個領(lǐng)域。使人的思維方式和生活方式發(fā)生了巨大的變化。如今，計算機(jī)的應(yīng)用能力是對現(xiàn)代社會對職業(yè)技術(shù)人才的一項基本要求。本文就計算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用及其運(yùn)算速度做了淺談。

[關(guān)鍵詞]計算機(jī) ； 控制系統(tǒng) ； 運(yùn)算

一、計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用是把計算機(jī)技術(shù)與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問，是以計算機(jī)為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)。從計算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動化控制工程來看，計算機(jī)技術(shù)又是一個主要的實現(xiàn)手段。 計算機(jī)控制系統(tǒng)的概述計算機(jī)控制系統(tǒng)（Computer Control System，簡稱CCS）是應(yīng)用計算機(jī)參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。工業(yè)上定義為利用計算機(jī)實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：向國產(chǎn)DCS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，向PLC 轉(zhuǎn)移，向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 轉(zhuǎn)移，而以 PC 為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)（PC-Based Control System， PCBCS）也呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。

"過程控制"是現(xiàn)代工業(yè)自動化的一個重要領(lǐng)域.隨著各類生產(chǎn)工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，生產(chǎn)過程的連續(xù)化、大型化不斷強(qiáng)化，隨著對過程內(nèi)在規(guī)律的進(jìn)一步了解，以及儀表、計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)過程控制技術(shù)獲得了更大的進(jìn)展。《過程控制系統(tǒng)》是過程控制自動化及相關(guān)專業(yè)的一門主要專業(yè)課程。過程控制系統(tǒng)可分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)與計算機(jī)過程控制系統(tǒng)兩大類。前者在生產(chǎn)過程自動化中應(yīng)用最早，已有六十余年的發(fā)展歷史，后者是自20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的以計算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。

1.計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)控制功能強(qiáng)通過強(qiáng)大的數(shù)字、邏輯計算能力實現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算；通過通訊實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的控制； 通過數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)人工智能。工業(yè)上隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，模擬控制盤越來越長，這給 集中監(jiān)視和操作帶來困難；而計算機(jī)采用分時操作，用一臺計算機(jī)可以代替許多臺常規(guī)儀 表，在一臺計算機(jī)上操作與監(jiān)視則方便了許多。 操作的靈活性強(qiáng)（人機(jī)對話功能強(qiáng)）、界面友好常規(guī)模擬式控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和方案修改比較困難，常需要進(jìn)行硬件重新配置調(diào) 整和接線更改；而計算機(jī)控制系統(tǒng)，由于其所實現(xiàn)功能的軟件化，復(fù)雜控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 或控制方案的修改可能只需修改程序、重新組態(tài)即可實現(xiàn)。另外硬件和軟件的通用型強(qiáng)， 便于系統(tǒng)的開發(fā)和修改，如：軟件通用級（ANSYS）、硬件系統(tǒng)通用級（PC 平臺）、芯片通 實現(xiàn)資源共享性2011 年05 中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院常規(guī)模擬控制無法實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的通訊，不便全面掌握和調(diào)度生產(chǎn)情況；計算機(jī) 控制系統(tǒng)可以通過通信網(wǎng)絡(luò)而互通信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，能使操作人員及時了解 生產(chǎn)情況，改變生產(chǎn)控制和經(jīng)營策略，使生產(chǎn)處于最優(yōu)狀態(tài)。 計算機(jī)的智能控制計算機(jī)具有記憶和判斷功能，它能夠綜合生產(chǎn)中各方面的信息，在生產(chǎn)發(fā)生異常情 況下，及時做出判斷，采取適當(dāng)措施，并提供故障原因的準(zhǔn)確指導(dǎo)，縮短系統(tǒng)維修和排 除故障時間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，提高生產(chǎn)效率，這是常規(guī)儀表所達(dá)不到的。

2.計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類 這里的計算機(jī)通常指數(shù)字計算機(jī)。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行 裝置等。被控對象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機(jī)械裝置、交通工具、機(jī)器 人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電器和兒童玩具等。控制目的可以是使 被控對象的狀態(tài)或運(yùn)動過程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。與一般控制 系統(tǒng)相同，計算機(jī)控制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的，也可以是開環(huán)的。 計算機(jī)控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分和軟件部 分，這不同于模擬控制器 構(gòu)成的系統(tǒng)只由硬件組 成。計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件 包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟 件。系統(tǒng)軟件一般包括操 作系統(tǒng)、語言處理程序和 服務(wù)性程序等，它們通常 由計算機(jī)制造廠為用戶 配套，有一定的通用性。 應(yīng)用軟件是為實現(xiàn)特定 控制目的而編制的專用 程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等。它們涉及被控對象的自身特征和控制 策略等，由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。圖1 為計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般組成框圖。 計算機(jī)控制系統(tǒng)主要有以下幾個類別：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OGC） 、直接數(shù)字控 制（DDC） 、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）、分散控制系統(tǒng)（DCS） 等。目前微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有可編程控制器（PLC）、采用新型的控 制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)）、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)類型的多元化20 世紀(jì)后半葉，由于計算機(jī)、通信、控制、儀表、軟件等技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅產(chǎn)生了多種多樣的自控產(chǎn)品，也豐富了人們進(jìn)行自控設(shè)計的思路與方案。 2011 年05 中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院在工業(yè)生產(chǎn)過程中，1969 年問世的PLC 和1975 年問世的DCS 可能是兩類影響最 為深遠(yuǎn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。PLC 的問世取代了繼電器之類的器件，實現(xiàn)了開關(guān)量的聯(lián)鎖 控制、程序控制；DCS 的問世取代了顯示儀、調(diào)節(jié)器之類的儀表，實現(xiàn)了模擬量的指示、 記錄和PID 回路調(diào)節(jié)等功能。隨著計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，PLC、DCS 互相融合，互相滲透，取長補(bǔ)短。另外，隨著其他計算機(jī)控制系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，控制系統(tǒng)的產(chǎn) 品早已呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展格局，而針對某一具體用戶來說，DCS+PLC 的控制方案不 再受青睞，控制系統(tǒng)設(shè)備一體化的呼聲越來越高。

二、計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展動向

1 .控制設(shè)備的一體化 按我國的體制，工程設(shè)計、施工安裝、現(xiàn)場維護(hù)通常都是分成自控儀表、電氣兩個 專業(yè)采用兩套控制設(shè)備，構(gòu)成兩個控制中心，帶來投資、操作、生產(chǎn)管理上的大量問題， 所以不少用戶迫切希望工藝過程的所有控制要求應(yīng)該由一個控制系統(tǒng)來完成，這就是要 求實現(xiàn)控制設(shè)備一體化。

2.向國產(chǎn)DCS 轉(zhuǎn)移 在與國外 DCS 廠家的 競爭中，目前還不好說國產(chǎn) DCS 全面占有優(yōu)勢，但至少 在一部分行業(yè)、在中小型企 業(yè)能打成平手甚至略占優(yōu) 勢。國產(chǎn) DCS 從中小型企 業(yè)開始，從輔助工序開始， 現(xiàn)已逐步進(jìn)入大型、特大型 企業(yè)，進(jìn)入主體工序。

三、計算機(jī)中的運(yùn)算速度

計算機(jī)技術(shù)水平發(fā)生著日新月異的變化，運(yùn)算速度越來越快，每秒運(yùn)算已經(jīng)跨越了億次、萬億次級。2002年NEC公司為日本地球模擬中心建造的一臺"地球模擬器"，每秒能進(jìn)行的浮點運(yùn)算次數(shù)接近36萬億次。十年之后，即2012年6月18日，國際超級電腦組織公布最新的全球超級電腦500強(qiáng)名單，美國超級電腦（超級計算機(jī)"紅杉"）重奪世界第一寶座。"紅杉"持續(xù)運(yùn)算測試達(dá)到每秒16324萬億次，其峰值運(yùn)算速度高達(dá)每秒20132萬億次，令其他計算機(jī)望塵莫及。

"運(yùn)算速度"是評價計算機(jī)性能的重要指標(biāo)，其單位應(yīng)該是每秒執(zhí)行多少條指令。而計算機(jī)內(nèi)各類指令的執(zhí)行時間是不同的，各類指令的使用頻度也各不相同。計算機(jī)的運(yùn)算速度與許多因素有關(guān)，對運(yùn)算速度的衡量有不同的方法。

為了確切地描述計算機(jī)的運(yùn)算速度，一般采用"等效指令速度描述法"。根據(jù)不同類型指令在使用過程中出現(xiàn)的頻繁程度，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，這時所指的運(yùn)算速度是平均運(yùn)算速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及其應(yīng)用；化學(xué)工業(yè)出版社2011 年05.