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计算机控制技术发展综述报告

计算机实时控制技术综述报告

题　　　目计算机实时控制技术综述

系　　　别机械电子工程

姓名（学号）张梦辉（********）

指导老师王宣银

完成时间2015/11/4

摘要:

本文简要介绍了计算机实时控制系统的原理，根据当前计算机实时控制技术的发展状况，分析了计算机实时控制技术的优势和面临的挑战，指出计算机实时控制系统发展趋势，在控制系统的设计与开发方面，控制策略（算法）是核心，简述一些较公认的（特别是能得到工程界的认可）的先进控制策略（算法）以及发展趋势。

关键词:

计算机实时控制系统；原理；现状；趋势；控制算法

一、计算机实时控制系统概述

自动控制是指通过控制装置使过程在没有人直接参与的情况下自动地按照预定的要求运行。

计算机实时控制系统是以计算机为核心的实现生产过程自动控制的系统[1]。

用计算机来组建控制系统可以完成常规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标。

典型的计算机控制系统一般有监控系统和过程对象两大部分组成。

监控系统包括硬件和软件两部分，其硬件由主机、外部设备、通讯设备等组成；软件则分为系统软件和应用软件两部分。

除工业控制机外，监控系统中还有过程输人/输出设备、参数测量变送器件、执行机构等装置。

过程对象通常指的是被监测的对象[2-4]。

计算机控制系统的形式与它所控制的对象的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的被控要求，应选择不同的控制系统。

计算机控制系统大致可以分为以下几种典型的形式:

（l）操作指导型控制系统。

（2）直接数字控制系统（DireetDigitalControl，简称DDC）。

（3）监督控制系统（S、JpervisoryComputerControl简称SCC）。

（4）集散控制系统（Distributedeontrolsystem简称DCS）。

（5）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem简称FCSy[5]。

计算机实时控制系统的组成框图如图1。

它与被控对象的联系和部件间的联系通常有两种方式：

有线方式、无线方式。

控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

图1计算机实时控制系统的组成框图

二、计算机实时控制系统的工作原理

计算机实时控制系统包括硬件组成和软件组成。

在计算机控制系统中，需有专门的数字-模拟转换设备和模拟-数字转换设备。

由于过程控制一般都是实时控制，有时对计算机速度的要求不高，但要求可靠性高、响应及时。

计算机实时控制系统的工作原理可归纳为以下三个过程[6]：

（一）实时数据采集对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。

（二）实时决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。

　　（三）实时控制根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

图2计算机实时控制系统工作原理图

　　这三个过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。

三、计算机实时控制系统的应用与在生产中应用的现状

计算机实时控制系统的应用主要表现在工业生产与应用的方面。

而在以信息技术为代表的高科技应用方面，要充分利用各种新兴技术、新型材料、新式能源，并结合市场需求，以实现世界的又一次“工业大革命”；在工业设计与工程设计的一致性方面，要充分协调好设计的功能和形式两个方面的关系，使两者逐步走向融合，最终实现以人为核心、人机一体化的智能集成设计体系。

从工业设计的本身角度看，随着CAD、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展，使得对设计过程必然有更深的认识，对设计思维的模拟必将达到新的境界。

从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。

随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展[7-8]。

对工业生产过程进行计算机控制是提高产品质量、降低成本、减少环境污染的必由之路，计算机实时控制系统已成为生产设备及过程控制等重要的组成部分，它代替人的思维成为工业设备及工艺过程控制、产品质量控制的指挥和监督中心。

工业生产过程的计算机控制系统，随着计算机的进步、工业生产工艺过程控制要求的提高和生产管理的完善而不断发展。

目前工业计算机控制系统按结构层次基本上划分为：

直接数字控制（DDC）系统、监督控制（SCC）系统、集散型控制系统（DCS）、递阶控制系统（HCS）和现场总线控制系统（FCS）等几种，其中DCS是融DDC系统、SCC系统及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统，该系统克服了其他控制系统中存在的“危险集中”问题，具有较高的可靠性和实用性。

但是，为了进一步适合现场的需要，DCS也在不断更新换代，近年来，集计算机、通信、控制三种技术为一体的第5代过程控制体系结构，即现场总线控制系统，成为国内外计算机过程控制系统一个重要的发展方向。

本文对各种工业控制计算机系统的结构层次和特点以及发展方向作为分析研究。

当前以单片机为主体的DDC控制仪用量最大，如控制温度、流量，控制风机、水、油泵及炉门升降机构等。

这种微机控制仪表的功能已大大超过以模拟电子元件为基础的测量仪表，而且有了处理工艺参数的功能，但它们需要与中间继电器、交流接触器、晶闸管、电磁阀、比例阀等执行机构形成完善的控制系统。

多数DDC控制仪采用PID和模糊控制算法，但自身自调整和在线优化能力仍较弱。

最新推出的DDC控制系统均配有通信接口，可方便地进行联机[9]。

这类控制系统的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干扰能力和控制精度，操作方便。

主要问题是受运行速度和内存容量的限制，一般只能按预定工艺参数进行工艺过程控制，难于动态控制热处理工艺过程和产品质量预测，因此还是初级微机控制系统。

国产的这类控制仪种类多，但目前仍存在着抗干扰自复位能力较差，可靠性差等问题[10]。

四、计算机实时控制系统的发展趋势

（一）推广应用成熟的先进技术

普及应用可编程序控制器（PLC）是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。

它用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能。

　　近年来PLC几乎都采用微处理器作为主控制器，且采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，因而其可靠性、功能、价格、体积等都比较成熟和完美。

由于智能的I/O模块的成功开发，使PLC除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算及网络等功能，从而大大地扩大了PLC的应用范围。

（二）采用集散控制系统

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。

　　（三）研究和发展智能控制系统

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。

智能控制包括学习控制系统、分级阶梯智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。

应用智能控制技术和自动控制理论来实现的先进的计算机控制系统，将有力地推动科学技术进步，并提高工业生产系统的自动化水平。

计算机技术的发展加快了智能控制方法的研究。

　　智能控制方法较深浅层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。

计算机控制系统的优势、应用特色及发展前景将随着智能控制系统的发展而发展。

　　（四）研究和发展计算机网络控制技术

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。

Internet不仅用于传统的信息浏览、查询、发布，还可通过Internet跨国跨地区直接对现场设备进行远程监测与控制。

因而现代的自动化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来，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。

四级网络就构成现代自动化领域控制网络系统的基本结构。

计算机网络对生产方式的创新，网上控制，通过网络进行控制[11-13]。

五、控制策略/算法的发展趋势

（1）改进成复合PID控制算法

大量的事实证明。

传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象（可高达90％）可取得较好的控制效果。

采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机结合往往可以进一步提高控制质量[14]。

（2）预测控制

预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。

它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高。

因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。

预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。

它的机理表明它是一种开放式的控制策略。

体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法[15]。

根据预测模型的不同的形式。

硬件控制分别称之为ModelPredictiveControl（MPC），GeneralizedPredictiveControl（GPC）和RecedingHorizonPredictiveControl（RHPC）。

此外，顶测控制还可以采取其他形式的模型。

如非线性模型、模糊模型和神经网络模型等。

（3）自适应控制

在过程工业中，不步的过程是时变的，如反应器中催化剂活性的变化。

换热器中结垢的产生与发展等均会使过程的特性发生变化。

如采用参数与结构固定不变的控制器。

则控制系统的性能会不断恶化。

这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。

它是辨识与控制的结合。

目前，比较成熟的自控制分三类：

·自整定调节器及其他的简单自适应控制器。

其中，自整定PID调节器已有成熟产品，并在工程中获得了较广泛的应用。

·磨墨参考自适应控翻，它能自动调整控制规律。

使控制系统的输出与参考模型的输出相近。

在这些系统中，自适应回路的稳定性至关重要。

·自校正调解节与控制。

瑞典的Astrom与英国的Clarke教授在这方面进行了许多开拓性的研究工作。

目内外许多学者在他们的基础上进行了大量的改进、提高、完善及应用工作，使其更加完善与可靠。

（4）智能控制

随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。

另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。

这样建立在数学模型基础上的传统方法将面临空前的挑战，也给智能控制方法的发展创造了良好的机遇。

传统的控制方法在很大的程度上依赖于过程的数学模型，但是，至今获取过程的精确数学模型仍然是一件十分困难的工作。

没有精确的数学模型作前提，传统的控制系统的性能将大打折扣。

而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。

常见的智能控制方法有以下几种：

模糊控制、分级阶梯智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等。

这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。

因此，最近的研究又表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。

智能控制已在家电行业及工业过程中取得了许多成功的应甩。

特别是模糊控制方法已在日本的家电行业中广泛应用。

在国内外，模糊控制与人工神经元网络也已在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用。

今后，需要进一步对智能控制的基础理论进行研究。

以此建立统一的智能控制系统的设计方法[16]。

六、总结

随着生产发展，生产规模扩大，生产速度加快，使生产过程作为受控对象从简单、孤立的系统变成复杂的多变量系统，有些甚至是工业大系统。

现代控制理论与大系统理论正是在这种客观环境下产生及发展起来的。

它们为解决复杂对象、庞大对象的控制提供了许多控制方案与策略。

一般这些方案与策略都比较复杂，用常规方法难以实现。

如改用计算机编程，就变得不那么困难了。

计算机控制系统用软件可以实现复杂控制算法这一优点表明，计算机控制具有广阔的发展前途，计算机技术和控制理论的不断发展及相互结合，出现了更加先进的计算机控制系统，为工业生产提供了更先进更可靠的控制方案。

七、参考文献

[1]王慧,金以慧.计算机控制系统,第一版,北京,化学工业出版社,2000

[2]卢明阳.浅谈电气自动化控制系统的设计[J].科技促进发展（应用版）.2011（02）

[3]王瑛,王宇.自动化控制系统网络的发展[J].科技信息（科学教研）.2008（18）

[4]黎毛欣,吕超仁,蒋洪喜,黄彩峦.计算机集散控制系统在人造板生产线上的应用[J].林产工业.2008（03）

[5]程序控制、计算机控制系统[J].电子科技文摘.2000（04）

[6]张徐亮,张晋斌.面向21世纪的计算机控制系统[J].电工技术.2000（01）

[7]陈丽安,张培铭,雷德森.人工智能在电气设备中的应用现状与前景展望[J].电网技术.2000（07）

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过去、现在和未来（上）[J].电气时代.2003（08）

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[12]王吉,张品.浅析计算机控制技术的新发展及应用[J].数字技术与应用.2013（05）

[13]祁立勋.浅谈计算机控制技术原理及发展趋势[J].信息与电脑（理论版）.2010（08）

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[15]张建国.预测控制在数控机床伺服系统中的应用研究[J].漳州师范学院学报（自然科学版）.2009（01）

[16]习玲丽,王永初.智能控制的发展前景[J].仪器仪表用户.2006（04）