计算机控制系统发展趋势.doc

计算机控制系统的发展趋势预测 -针对网络化、扁平化、智能化与综合化前言： 计算机控制技术是一个包括自动控制技术、计算机技术、网络与通信技术、检测与传感器技术、显示技术、电子技术的多学科交叉的综合控制技术。其各个技术的发展与进步必然会给计算机控制技术带来巨大的变革。其次实际的工业需求也是决定计算机控制技术发展趋势的主要因素。计算机控制系统概述： 计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。 计算机控制系统发展历史的简要分析： 计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。 50年代中后期，计算机被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，随着微处理器的出现，以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（Distributed Control System, DCS）。80年代中后期，工业系统日益复杂，控制回路进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。90年代以后，计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位。简要分析： 由计算机控制系统的发展历史不难看出，其经历了由最初的监督运行方式到DDC到小型化DDC再到微型化的发展历程。 随着微型计算机控制技术的发展和新的控制理论以及新的控制方法的不断发展，微型计算机控制系统的应用将越来越广泛。其发展趋势主要表现为以下方面： 1. 应用成熟的先进技术 微型计算机控制技术经过近几十年的发展，已经取得了长足的进步，很多技术已经成熟，今后应大力发展和推广。这些技术包括：（1）可编程控制器的应用。可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller），简称PLC（是早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的产物）。 它吸收了微电子技术和微型计算机技术的最新成果，发展十分迅速。如今的PLC几乎无一例外地采用微处理器作为主控制器，而采用大规模集成电路作为存储器I/O接口， 因而使其可靠性、功能、价格、体积都达到了比较成熟和完美的境界。从单机自动化到全厂生产自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的应用。 近几年来，由于许多中、高档PLC的出现，尤其是具有A/D、D/A转换器和PID调节等功能的PLC的出现，使得PLC的功能有了很大的提高，它可以将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制，并且有很高的可靠性，可以广泛的普及和应用。（2）智能化调节器的应用。智能调节器不仅可以接受4-20mA标准电流信号，还具有RS-232或RS-422/485异步串行通信接口，可与上位机连接成主从式测控系统。 （3）分布式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）的应用。DCS和FCS以位总线（Bitbus）、现场总线（Fieldbus）等先进网络通信技术为基础，采用先进的控制策略，可以向低成本综合自动化系统的方向发展，实现计算机集成制造系统（CIMS）。特别是现场总线系统越来越受到人们的青睐，将成为今后微型计算机控制系统发展的一个重要方向。2. 智能控制系统经典的反馈控制、现代控制和大系统理论在应用中遇到不少难题。首先，其分析和设计都是建立在精确的系统数学模型的基础上的，而实际系统一般难以获得精确的数学模型；其次，为了提高控制性能，整个控制系统变得极其复杂，增加了设计的难度和设备的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出现和发展，促进了自动控制系统向更高层次即智能控制的发展。 智能控制是一种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。 智能控制技术当前主要包括以下几个方面：（1）分级递阶智能控制技术。由Saridis提出的分级递阶智能控制方法，是从工程控制论的角度出发，总结了人工智能与自适应、自学习和自组织控制的关系之后而逐渐形成的。 作为一种认知和控制系统的统一方法论，其控制智能是根据分级管理系统中十分重要的“精度随智能提高而降低”的原理而分级分配的。分级递阶智能控制系统由组织级、协调级、执行级三级组成。2）模糊控制技术。模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。它一方面提供了一种基于知识（规则）的，甚至语言描述的控制规律的新机理；另一方面又提供了一种改进非线性控制器的替代方法，可用于控制含有不确定和难以用传统非线性控制理论处理的装置。目前还有多种模糊控制器问世，如PID模糊控制器、自组织模糊控制器、自校正模糊控制器、自学习模糊控制器、专家模糊控制器以及神经网络模糊控制器等 3）专家控制技术。专家控制技术以模仿人类智能为基础，将工程控制论与专家系统结合起来，形成了专家控制系统，其对象一般都具有不确定性。专家控制系统与模糊控制系统至少有一点是共同的，即两者都要建立人类经验和人类决策行为的模型。此外，两者都有知识库和推理机，而且其中大部分至今仍为基于规则的系统。因此，模糊逻辑控制器通常又称为模糊专家控制器。 （4）机器学习技术。学习是人类主要智能之一。机器学习研究如何用机器来代替人类从事脑力劳动，使机器能象人那样思维。机器学习控制系统能在运行过程中逐步获得有关被控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质。3. 嵌入式的应用将更加深入由于嵌入式控制系统具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、价格廉、灵活方便等一系列优点，各类单片机将更加广泛地应用于国防、航空航天、海洋、农业、地质、气候、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，按功能来区分主要有以下三种： （1）嵌入式控制系统。由于微处理器口线较多，位操作指令丰富，逻辑操作功能强，所以特别适合于生产过程控制，如锅炉或加热炉的煤气燃烧、温度控制，电机或步进电机的正转、反转、制动控制，机器人仿真操作控制，汽车点火、变速、方向灯、刹车、排气控制，数控机床加工过程控制，导弹飞行轨迹、速度、制导控制等等。 ，尽管被控的参量和过程不尽相同，但由于其参量都属于模拟量或开关量，变换过程或操作过程都具有确定的顺序，或规律性很强，因此都可采用数值控制、开关量控制、顺序控制或逻辑控制方式来实现。（2）智能化仪器。由于微处理器控制功能强、体积小、功耗低，并具有一定的数据处理能力，因此将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，将计算机具有的数据采集、数字滤波、标度变换、非线性补偿、零位修正和误差补偿、数字显示、报警、数值计算、逻辑判断和控制等能力直接赋予测量仪器，使仪器具有准确度高、可选择显示方式、自诊断能力强、便于人机对话、体积小、功耗低、便于扩展、处理故障和报警等一系列优点和功能。 目前，已生产的智能化仪器已有高频多线示波器、激光测距仪、红外线气体分析仪、B超探测仪、智能流量计、数字万用表、智能电度表等。（3）微机集散控制系统。在许多复杂的生产过程中，由于设备分布很广，而工艺流程又要求各工序和各个设备同时并行工作，以提高生产效率和产品质量。 对于这样的系统，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，被称为“微机集散控制系统”、“微处理器集散控制系统”或“计算机分布式控制系统”，是当前计算机控制系统的重要发展趋势之一。4.Internet与网络化 当今互联网技术与无线网络的的高速发展使网络技术计算机控制系统领域应用更加广泛.计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的发展和普及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用 Internet成熟的技术和标准，人们提出了Intranet和Extranet的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于是便形成了以 Intranet为中心，以Extranet为补充，依托于Internet的新一代企业信息基础设施（企业网）。随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽力建立全方 位的管理信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，使企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信 息一控制一体化将为实现企业综合自动化CIPA （ computer integrated plant automation）和企业信息化创造有利条件。结束语： 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来。随着人工智能、智能控制等学科的兴起与发展，基于人工智能思想的智能控制技术也将必然成为将来控制系统的发展主流，这必将大大推动科学技术的进步和工业控制技术的水平。从计算机控制系统的发展历史来看，逐渐微型化也是计算机发展的一个主流，加之日新月异的高集成芯片的发展，各种处理器逐渐微型化发展，所以计算机控制系统也必将更加微型化。通过计算机控制系统的发展历史，以及当下计算机控制系统所处的发展环境，我认为