计算机控制系统的发展方向

高级工程人才试验班（信息）1001 0917100128 黄任繁

摘要：随着现代科技的进步，计算机控制系统正在不断的向前发展，其趋势主要有网络化、智能化、小型化和扁平化等几个方向。

关键字：计算机 控制系统 发展方向 智能化 网络化 扁平化

计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的技术。

计算机控制系统主要由计算机和生产过程两大部分组成。工业控制机试之按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个部分。生产过程包括被控对象和测量便送、执行机构、电气开关等装置。计算机引入控制领域是60年代。这种系统的调节器主要是采用模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大，这种系统称为计算机监控系统。在60年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理，还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它的测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制。这种控制系统是直接数字控制系统，简称DDC系统。

DDC控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。

由于整个系统中只有一台计算机，因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层，所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百各回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中，一旦计算机发生故障，整个系统就会停顿，影响了这种系统的进一步推广应用。 70年代随着电子技术的飞速发展，大规模集成电路的出现，为集散控制系统的出现奠定了基础。75年美国Honeywell公司首先推出了以微处理器为基础的TDC-2000型总体分散型控制系统，其含义是集中管理、分散控制，因而称之为集散控制 (DCS) 系统。

随后，世界各著名仪表厂商都纷纷推出各种DCS系统。DCS的出现使系统的控制方式发生了质的变化，是控制史上的里程碑。该系统从综合自动化的角度，按功能分散、协调集中的原则设计，具有高可靠性、高实时性，是用于生产管理、

数据采集和各种过程控制的计算机控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构。

采用集散网络控制系统 集散控制系统是以微机为核心，把微机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来的一种计算机控制系统，它为生产的综合自动化创造了条件。若采用先进的控制策略，会使自动化系统向低成本、综合化、高可靠性的方向发展，实现计算机集成制造系统。

近几年来， DCS的功能在不断完善，向大系统综合自动化和开放式系统方向发展，使企业的管理和控制相结合，能利用过程信息较快地作出有利于企业的决策，以适应变化的市场需求。

随着现代科技的进步，计算机控制系统正在不断的向前发展，其趋势主要有以下几个方面。

智能化。智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，是用机器模拟人类智能的一个重要领域。对于复杂的系统，常规的控制方式很难能达到控制要求，智能控制技术促进了自动控制系统向更高层次即智能控制的发展。智能控制技术当前主要包括：分级递阶智能控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等。除此之外，复合控制技术发展很快，应用也有利于普遍，复合控制是两种或两种以上的控制技术的融合，相互补充，达到良好的控制效果，如PID模糊控制、PID神经网络控制、自适应神经网络控制、模糊神经网络、神经网络预测控制等等，随着智能控制理论的不断完善，技术的不断成熟，智能控制技术将越来越多地应用于计算机控制系统，大大改善控制效果。

网络化。 计算机网络技术的发展，正引发着控制技术的深刻变革，以及与之相应的新的控制理论的产生。控制系统结构的网络化、控制系统体系的开放性、控制技术与控制方式的智能化，是当前控制技术发展与创新的方向与主要潮流。网络技术不仅是实现管理层的数据通讯与共享，它应用于控制现场的设备层，并将控制与管理综合化、一体化。现代的计算机控制系统可通过网络构成信息与控制综合网络系统。现场控制网络将现场控制设备通过网络连接起灭，构成分布式控制系统。通过Internet实现远端计算机对现场控制设备的远程监测与控制。而现代通信技术的发展以及光导纤维的高速传输通道的使用，是信号及信息传输速度越来越快，这也为计算机实现远程控制以及网络化的发展提供了基础。

小型化。由于单片机具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、价格廉、灵活方便等优点，广泛地应用于国防、航空航天、农业、科技、教育、生活等各个领域，并发挥巨大的作用。单片机组成控制系统时，主要分为控制系统和智能化仪表。

单片机应用于控制系统，过去一般采用大中小型计算机分级控制方式，而随

着微型计算机的发展及其性能价格比的提高，由微型计算机及多微处理器组成的分布式控制系统已发展起来，单片机作为控制机是当前计算机控制系统的重要发展趋势之一。

由于单片机控制功能强、体积小、功耗低，并具有一定的数据处理能力，因此，更广泛用于仪器仪表，使仪器仪表进一步智能化。 智能化仪器主要由传感器及微型计算机或单片机组成，其最大特点就是将单片机或微型计算机融于测试仪器中，使仪器仪表具有准确度高、可选择显示方式、自诊断能力强等优点。 广泛地应用在高频多线示波器、激光测距仪、红外线气体分析仪、B超探测仪、智能流量计等。

扁平化。如今现场总线控制技术已经被广泛应用于各种工业控制系统，并且正向高速现场总线技术发展，高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它将充分实现系统的全分散控制结构。又由于计算机技术的发展，计算机的信息处理速度不断地得到提高，加上网络通信技术的进步，现场级网路技术使得控制系统的底层也可以通过网络相互连接起来。现场网络的连接能力逐步提高，使得现场网络能够接入更多的设备。新一代计算机控制系统的结构发生了明显的变化，逐渐形成两层网络的系统结构，使得整体系统出现了扁平化的趋势，简化了系统的结构和层次。

第二篇：微机控制技术的发展概况及趋势

微机控制技术的发展概况及趋势

刘 欢

（中国地质大学机电学院 湖北省 430074）

摘 要 微机控制技术的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展。本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机以及系统的应用与发展，计算机控制理论的发展过程与新型控制策略，计算机控制系统的发展趋势四个方面阐述微机控制技术的发展概况及趋势。

关键词 工控机 控制理论 控制策略 发展趋势

一、计算机控制技术的发展历史

计算机控制系统的发展是与计算机技术、控制技术的发展密切相关的。计算机控制系统的发展大致经历了以下四个阶段：

（一）计算机控制系统的开创期（20世纪50年代）。

19xx年世界第一台电子计算机ENICA问世。19xx年，计算机首先被用来自动检测化工生产过程的过程参量并进行数据处理。19xx年，人们开始研究计算机的开环控制。19xx年3月开始，美国开辟了计算机控制的新纪元。但是计算机控制并没有得到广泛的应用。

（二）直接数字控制阶段（20世纪60年代）。

19xx年，英国研究了一台用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制，但是系统的抗干扰性比较差，可靠性不是太好，因此许多计算机系统发生障碍。

（三）集中式计算机控制系统发展时期（1967-19xx年）。20世界60年代，人们提出了集中式计算机控制系统。但是仍不能满足工业生产的控制要求。

（四）以微处理器为核心的分层分布式控制系统（19xx年至今）。

分散性控制系统（DCS）采用分层分布式的递阶控制结构，用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。DCS在世界范围内获得了广泛应用。

FCS中用数字信号代替了模拟信号。二、中国工控机及系统的应用与发展

（一）国内工控机应用领域。

国内工控机应用领域正在不断扩展，IPC已经成为计算机应用的重要分支。

随着工业控制要求的不断提高，需要新一代Compact PCI总线和PXI总线工控机诞生。

（二）中国工控机技术的发展。

IPC(工控机)在中国的发展大致可以分为三个阶段：

第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。

第二阶段是从19xx年到1996，IPC的应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸。

第三阶段是从19xx年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。三、计算机控制理论与新型控制理论

（一）计算机控制理论。

若忽略数字信号的量化效应，可将计算机控制系统看成采样控制系统。在采样控制系统中，如果将其中的连续环节离散化，整个系统便成为纯粹的离散系统。计算机控制理论的发展过程主要有以下理论：

1.采样理论。采样理论主要包括香农采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复以及采样系统的结构图分析等。

2.差分方程。许多特征都可以通过分析一个线性时不变的差分方程来理解，即用差分方程代替了微分方程参考文献：

[1]徐建军.计算机控制系统理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2008:17-22.[2]张艳兵.计算机控制技术[M].北京:国防工业出版社,2008:17-20.

[3]黄勤.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2009:12-14. (编辑 王立建)

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3.变换理论。霍尔维兹于19xx年对序列可用来分析离散系统的性能以及稳定性。

4.状态空间理论。基于状态空间模型的按极点配置的设计法和最优设计法可以对离散系统进行分析和设计

5.系统辨识和自适应控制。它包括连续模型和性能指标的离散化，性能指标函数的计算，采样控制系统的仿真和采样周期的选择等。

（二）新型控制理论。

对于结构复杂，时变的非线性的系统，采用新型控制策略是非常有效的。新型控制策略主要包括：

1.鲁棒控制。其基本思想是在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也保持在工程所能接受的范围内。鲁棒控制主要有代数方法和频域方法。

2.模糊控制。凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可以采用模糊控制。

3.专家控制。工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统，专家控制系统广泛应用于故障诊断、各种工业控制和工业设计的智能控制系统。

4.神经控制。神经控制是一种基本上不依赖与模型的控制方法。

5.预测控制。20世纪70年代中期在美、法等国的工业控制领域内，如动态矩阵控制、模型算法控制，这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，目前逐渐形成了工业过程控制的一个新方向。

四、计算机控制系统的发展趋势

要发展计算机控制技术，必须对生产过程知识、测量技术、计算机技术和控制理论等领域进行广泛深入地研究。

（一）开放式控制系统的兴起。目前，各系统的体系结构并不一致，相互之间缺乏兼容性和互换性，各厂家的系统不具备可移植性和互操作性，真正实现控制系统的开放性，还有很长的路要走。

（二）推广发展智能控制系统。常用的智能控制策略包括模糊控制、专家控制、学习控制以及神经控制等，智能化是控制系统技术水平的重要标志。

（三）采用新型的分层分布式控制系统。发展以Bitbus、现场总线等先进网络技术为基础的DCS和FCS控制结构，并采用先进控制策略，向LCA系统的方向发展，实现计算机集成制造系统。

（四）推广应用先进的控制技术。普及应用PLC；采用智能化的仪器仪表；根据应用要求选择处理器

（五）控制系统的综合自动化。综合自动化包括计算机集成制造系统和计算机集成过程系统，是过程工业中的CIMS。

（六）控制系统的网络化与虚拟化。在数字化基础上，虚拟化技术的研究正在迅速发展，它主要包括虚拟现实、虚拟产品开发、虚拟制造和虚拟企业等。

（七）控制系统的绿色化。绿色自动化技术的概念，保证信息安全与减少信息污染、电磁谱波抑制、洁净生产、人机和谐和绿色制造等。