计算机控制技术的发展及应用

1、计算机控制结课作业题 目 计算机控制技术的发展及应用 系 部 自动化系 专 业 自动化 班 级 102 学 号 10423011 姓 名 陈璐 指导老师 葛斌 日 期 2013年11月24日 目录1 引言42 计算机控制技术的发展概况及趋势42.1计算机发展史：42.1.4第四代电子计算机52.2 计算机控制技术的历史52.2.1直接数字控制（DDC）52.2.2集中型计算机控制系统52.2.3集散控制系统（DCS）62.2.4现场总线控制系统（FCS）62.3.计算机控制技术的现状和发展趋势：62.3.1计算机控制技术的网络化62.3.2计算机控制技术的集成化72.3.3计算机控制技术的智能

2、化72.3.4计算机控制技术的标准化83 计算机控制技术的应用领域83.1.计算机控制技术在航天领域的应用：83.2计算机控制技术在中药提取领域的应用：83.3计算机控制系统在农业领域的应用：93.4.计算机控制系统在制造业的应用：94 关于计算机控制技术的思考105 参考文献101 引言计算机控制系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物，利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。随着计算机技术和现代控制理论的快速发展，计算机控制技术诞生并迅速蓬勃发展起来，其应用遍及国防、航空航天、工业

3、、农业、医学等多种领域。本文将主要针对计算机控制技术的发展历史、当今现状以及计算机控制技术的发展趋势做一介绍，并结合它的具体实例介绍计算机控制技术的一些主要应用领域。2 计算机控制技术的发展概况及趋势2.1计算机发展史： 人类所使用的计算工具是随着生产的发展和社会的进步，从简单到复杂、从低级到高级的发展过程，计算工具相继出现了如算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等。 1946年，世界上第一台电子数字计算机（ENIAC）在美国诞生。这台计算机共用了18000多个电于管组成，占地170m2，总重量为30t，耗电140kw，运算速度达到每秒能进行5000次加法、 300次乘法。从计算机的发

4、展趁势看，大约2010年前美国就可以研制出千万亿次计算机。电子计算机在短短的50多年里经过了电子管、晶体管、集成电路（IC）和超大规模集成电路（VLSI）四个阶段的发展，使计算机的体积越来越小，功能越来越强，价格越来越低，应用越来越广泛，目前正朝智能化（第五代）计算机方向发展。 2.1.1第一代电子计算机 第一代电于计算机是从1946年至1958年。它们体积较大，运算速度较低，存储容量不大，而且价格昂贵。使用也不方便，为了解决一个问题，所编制的程序的复杂程度难以表述。这一代计算机主要用于科学计算，只在重要部门或科学研究部门使用。 2.1.2第二代电子计算机 第二代计算机是从1958年到1965

5、年，它们全部采用晶体管作为电子器件，其运算速度比第一代计算机的速度提高了近百倍，体积为原来的几十分之一。在软件方面开始使用计算机算法语言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理及工业控制。 2.1.3第三代电子计算机 第三代计算机是从1965年到1970年。这一时期的主要特征是以中、小规模集成电路为电子器件，并且出现操作系统，使计算机的功能越来越强，应用范围越来越广。它们不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域，出现了计算机技术与通信技术相结合的信息管理系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。 2.1.4第四代电子计算机 第四代计算机是指从1970年以

6、后采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件制成的计算机。例如80386微处理器，在面积约为10mm X l0mm的单个芯片上，可以集成大约32万个晶体管。第四代计算机的另一个重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。2.2 计算机控制技术的历史2.2.1直接数字控制（DDC）        直接数字控制（DDC）本质上是用一台计算机取代一组模拟控制器，构成闭环控制回路。与采用模拟控制器的控制系统相比，DDC的突出优点是计算灵活，它不仅能实现典型的PID控制规律，

7、还可以分时处理多个控制回路。DDC用于工业控制的主要问题是当时计算机系统价格昂贵，同时计算机运算速度并不能满足过程实时控制的需求。2.2.2集中型计算机控制系统        从系统功能上说，集中型计算机控制系统是DDC的发展，由于当时计算机系统造价昂贵，体积庞大，为了使计算机控制能与常规仪表竞争，试图来使用一台计算机尽可能多的控制控制回路，实现集中检测、集中控制、集中管理。集中型计算机控制系统的优点是可以实现先进控制、连锁控制等复杂控制功能，并且控制回路的增加和控制方案的改变可以由软件方便实现，但是缺点也很明显，由于当时计

8、算机性能低，容量小，运算速度慢，利用一台计算机控制多回路容易造成负荷过载，而且控制的集中也容易导致危险的集中，高度的集中使系统十分脆弱，一旦某一控制回路发生故障就可能导致生产过程全面瘫痪。2.2.3集散控制系统（DCS）        集散控制系统的核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理，下位机则分散到各个现场实现分布式控制，上、下位机之间通过控制网络互连实现信息传递。这种分布式的控制体系结构有力的克服了集中型数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求极高的缺陷。分布式控制思想正是得益于网络

9、技术的发展和应用，然而，DCS厂家其控制通信网络大多采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从这个角度而言也是一种封闭的、不可相互操作的控制系统。不过值得一提的是，近年来DCS系统的网络已经逐步从采用专有技术转向采用IT界以成为标准的以太网技术，使得DCS仍然具有相当强劲的竞争力。2.2.4现场总线控制系统（FCS）        现场总线控制系统兴起于20世纪90年代。随着现场总线技术于智能仪表管控一体化（仪表

10、调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布计算机控制系统，即现场总线控制系统。根据 IEC标准及现场总线基金会的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线系统应具有以下技术特点：1.系统的开放性；2.互可操作性与可用性；3.现场设备的智能化与功能自治性；4.系统结构的高度分散性；5.对现场环境的适应性。2.3.计算机控制技术的现状和发展趋势：2.3.1计算机控制技术的网络化在当今，计算机技术和网络技术正以迅猛的速度发展着，与此同时，各种层次的计算机网络在控制系统中的应用也越来越广泛，规模

11、越来越大，控制系统的网络化时代渐渐到来。除了先前提到的集散控制系统以外，现场总线控制系统（Fieldbus Control System，简称FCS）也是计算机控制技术网络化下诞生的一个新的控制结构。将控制系统网络化，使控制作用的实现不再局限于传统意义上的控制系统，而是由各种仪表单元分别独立完成各自的工作，然后再通过网络进行彼此间的信息交换和组织，并相互协作，最终实现预定完成的控制任务。这种近似于模块化的思想，可以使各部分独立工作，不产生干扰，有可以根据需要增减控制网络中的个体，大大增强了系统的实用性。2.3.2计算机控制技术的集成化计算机集成制造系统（Computer Integrated

12、Manufacturing System，简称CIMS）是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产模式，具有生产效率高、生产周期短、产品质量高等一系列极有吸引力的优点。CIMS将成为21世纪占主导地位的新型生产方式，世界上很多国家包括我国都已经把发展CIMS定为本国制造工业的发展战略，并制定了许多由政府或工业界支持的计划，用以推动计算机集成制造系统的开发与应用。计算机控制系统的集成化也已经成为当今计算机控制技术的又一发展趋势。2.3.3计算机控制技术的智能化目前的典型智能控制方法有：模糊控制、专家控制、神经网络控制等。模糊控制绕过了对象的不确定性、不精确性、噪声、非线性、时变性以及时滞

13、性等影响，实现简单，适应面广，但是其对控制规则的制定要求较高，对于复杂的工业过程以及对象的动态特性并不是完全适合。专家控制尚未形成有普遍意义的理论体系和设计方法，但是其作为一种智能控制形式，在实际中有着很广阔的应用前景。神经网络控制的研究在近年来得到了越来越多的关注和重视，它在控制中的应用已成为其中一个主要方面，它试图模拟人脑的功能，具有自适应和自学习的功能，但实时性方面还存在问题。目前的各种智能控制方法各有优缺点，因此，将各种控制策略相互渗透，相互结合，取长补短，发展成更新型更实用的合成智能控制策略已经成为了计算机控制技术的必然趋势之一。2.3.4计算机控制技术的标准化任何技术的发展最终都会

14、趋向于标准化，计算机控制技术也不例外，将计算机控制技术标准化，可大大促进计算机控制技术的发展。目前国际公认的标准尚未建立，但已有很多厂商愿意采用一些通用性较强的产品，相信不久的将来，计算机控制技术必将建立一套国际化通用标准。3 计算机控制技术的应用领域3.1.计算机控制技术在航天领域的应用：近几年来，从我国载人航天技术成功以来，航空航天技术已经得到越来越多的国人关注，一个又一个瞩目成绩的取得离不开自动化控制技术的发展，而这其中计算机控制技术又占据着重要的位置。航天器姿态控制技术中，计算机控制技术的使用使姿态控制更加精确，实现了实时检测和实时控制。3.2计算机控制技术在中药提取领域的应用：、中药

15、提取生产过程特点 在过程工业中，广泛地采用间歇生产过程和连续生产过程。间歇生产过程又称批量生产过程，属于按照给定配方、生产一定量的产品的生产过程。 中药提取生产普遍采用批量生产过程，即：按给定配方、生产一定量的中药提取物。中药提取生产配方主要包括：生产的产品及其原料组分；所需生产设备；要求的生产操作（如加热、搅拌、沉淀等）。  二、批量生产过程控制技术  1.间歇控制模型间歇生产过程控制可分两部分，即：实时控制层和生产管理层，实时控制层可包括：实时生产管理、顺序控制、离散/调节控制、过程连锁、安全连锁、过程I/O；生产管理层可包括：生产计划、生产调度、配

16、方管理等。 2、常用间歇控制系统类型 根据间歇生产过程的自动化程度，可将控制系统分为程序间歇控制和综合间歇控制，程序间歇控制系统一般指完成实时控制层功能的控制系统，综合间歇控制系统包含所有间歇控制模型中的内容。   三、设计中药提取计算机控制系统  根据我国现状，中药生产企业，一般把综合间歇控制系统分成两部分来搞，即生产管理部分（例如：ERP）和实时控制部分。里讨论的中药提取计算机控制系统指实时控制部分也就是程序间歇控制系统3.3计算机控制系统在农业领域的应用：在农业日趋机械化及自动化的今天，自动控制技术在农业中的应用也越来越广泛，利用计算机控

17、制技术管理控制农业生产已成为目前研究的一个重点。农业大棚、智能化养殖场等等都是计算机控制技术在农业生产领域应用的鲜明例子。智能温室大棚中利用计算机进行远程监控和操作，还可设计自动控制无人管理温室大棚。根据远程传感器搜集来的温度、湿度、光照等模拟信息，经输入通道进行AD转换，传入计算机，计算机既可以利用这些数据进行监控，同时又可以利用这些数据对大棚进行控制，进行加湿、加温、增加光照等控制，从而实现温室大棚的自动化智能控制3.4.计算机控制系统在制造业的应用：现在，计算机控制技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。当对象分布于广阔的时空领域，任务要求将不同地理位置、不同类型（包括人在内）的

18、对象构成一个统一整体进行控制时，这种系统里包含有不同类型的实体虚体、真实实体和构造实体，这些实体可以基于不同目的系统、不同年代的技术、不同厂商的产品和不同产品组成，并允许它们交互操作。DIS实现用计算机网络将不同地点的设备连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成环境的一种先进技术。在这种复杂的分布综合的系统进行实时控制时，必须提供快速、高效、大量的信息通道和相应的处理。美国是最早研究这种技术并投入使用的国家，已经完成了多项基于虚拟控制的工程项目，相关的协议与标准已经完成或正在完成。 在制造行业，已经产生了类似于DIS的虚拟研究开发中心或虚拟企业。香港生产力促进局和香港城市大学共建的快速科技中心就是一个虚拟研究开发中心。此外，为了适应快速变化的世界市场，克服单个企业难以在短期内具备所需资源的局限性，出现了在一定时限内，为了某一市场机遇，通过网络临时联结