計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢計算機(jī)控制系統(tǒng)隨著計算機(jī)科學(xué)、自動控制理論、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、檢測技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)4.0以 及中國制造2025計劃的推動下，其發(fā)展趨勢大致如下。1 網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種層次的訃算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng) 用。計算機(jī)控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，其結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，經(jīng)歷了計算機(jī)集中控制系統(tǒng)、 集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，向著網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Network Control System, NCS) 發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。在工業(yè)自動化向智能化的發(fā)展進(jìn)程中，通信已成為關(guān)鍵問題之一，但山于多種類型現(xiàn)場總線 標(biāo)準(zhǔn)并存，不同類型的現(xiàn)場

2、總線設(shè)備均配有專用的通信協(xié)議，互相之間不能兼容，無法實現(xiàn) 互操作和協(xié)同工作，無法實現(xiàn)信息的無縫集成。使用者迫切需要統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)。因 此，基于TCP/IP的以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域并且得到了快速發(fā)展。比如，惠普公司應(yīng)用IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)的嵌入式以太網(wǎng)控制器具有10-Base以太網(wǎng)接口，運(yùn)行 FTP/HTTP/TCP/UDP,應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動器等現(xiàn)場設(shè)備。再如，F(xiàn)F提出的IEC61158標(biāo) 準(zhǔn)中類型e所定義的HSE (High Speed Ethernet)協(xié)議，用高速以太網(wǎng)作為H2的一種 替代方案，選用100Mbit/s速率的以太網(wǎng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以使用低價位的

3、以 太網(wǎng)芯片、支持電路、集線器、中繼器和電纜。國內(nèi)浙大中控也推出了基于EPC (Ethernet for Process Control)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，將Ethernet直接應(yīng)用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 現(xiàn)場控制器等現(xiàn)場設(shè)備間的通信。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)就是將控制系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器和控制 器等單元通過網(wǎng)絡(luò)連接起來。其中的網(wǎng)絡(luò)是一個廣義的范疇，包含了局域網(wǎng)、現(xiàn)場總線網(wǎng)、 丄業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、Internet等。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出以及控制系統(tǒng)發(fā)展的需求, 以無線通信模式為新特征的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，必將成為汁算機(jī)控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)是一種以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的全分布式無線網(wǎng)絡(luò)自動化

4、系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖所 示。圖中虛線部分是根據(jù)實際情況可選用部分。主施控設(shè)備包括智能控制器、計算機(jī)、智能 工控機(jī)等，實施完成對整個控制過程和整個控制系統(tǒng)的控制工作?？刂圃O(shè)備是指智能控制器, 它接收來自通信設(shè)備的控制命令或控制程序，控制終端設(shè)備的運(yùn)行。監(jiān)測設(shè)備是指帶各種傳 感元件的信號采集設(shè)備，用于采集控制系統(tǒng)所需要的各種信息，并通過通信設(shè)備反饋給施控 端。急?？刂破饔糜诒ＷC控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，被控部分能夠緊急停止運(yùn)行，避免故障擴(kuò)大, 降低因故障而引起的損失。主施控設(shè)鬻備總-控制與反饋臣測i殳備制號控信祓控設(shè)備急?？刂破鱓.頻臨控設(shè)備 r J物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)具有開放式數(shù)字通信功能，可與各種無線通信

5、網(wǎng)絡(luò)互連，它將各種具有信號 輸入、輸出、運(yùn)算、控制和通信功能的無線傳感器節(jié)點安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場，節(jié)點與節(jié)點之間可 以自動路山組成底層無線網(wǎng)絡(luò)。2智能型控制系統(tǒng)隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及人們對控制系統(tǒng)自動化與智能化水平需要的提高，模糊控制技 術(shù)、預(yù)測控制技術(shù)、專家控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、最優(yōu)控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)等將在 計算機(jī)控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。模糊集合是分析復(fù)雜系統(tǒng)，處理不確定性的 新方法。它用語言變量代替數(shù)值變量來描述系統(tǒng)的行為，模擬人類推理模式，采用模糊理論 對非線性系統(tǒng)進(jìn)行辨識，方法簡單，應(yīng)用比較廣泛的是T-S模型。模型預(yù)測控制(Mod

6、el Predictive Control, MPC)的研究始于20世紀(jì)70年代，它是針對有優(yōu)化需求的控制問題, 其理論研究經(jīng)歷了兩個階段：80年代至90年代以分析工業(yè)預(yù)測控制算法性能為特征的預(yù) 測控制定量分析理論,90年代以來從保證系統(tǒng)性能出發(fā)設(shè)計預(yù)測控制器的預(yù)測控制定性綜合 理論。前已經(jīng)從最初在工業(yè)過程中應(yīng)用的啟發(fā)式控制算法發(fā)展成為一個具有豐富理論和實 踐內(nèi)容的新的學(xué)科分支。兒十年來預(yù)測控制在復(fù)雜工業(yè)過程中所取得的成功，充分顯現(xiàn)了它 處理復(fù)雜約束優(yōu)化控制問題的巨大潛力。但預(yù)測控制在線求解約束優(yōu)化問題計算量大，這限 制了其應(yīng)用范圍和應(yīng)用場合。針對這一問題，研究者從結(jié)構(gòu)、策略、算法上開展了廣泛

7、的研 究，其中結(jié)構(gòu)研究包括遞階和分布式控制結(jié)構(gòu)，策略研究包括離線設(shè)計/在線綜合與輸入?yún)?shù) 化策略，算法研究包括各種改進(jìn)或近似優(yōu)化算法等。專家控制技術(shù)以模仿人類智能為基礎(chǔ)， 將匸程控制論與專家系統(tǒng)結(jié)合形成專家控制系統(tǒng)，其對象往往具有不確定性。專家系統(tǒng)是一 1個存儲了大量專門知識的訃算機(jī)程序系統(tǒng)。不同的專家系統(tǒng)將不同領(lǐng)域?qū)＜业闹R，以適肖 的形式存放在計算機(jī)中。專家系統(tǒng)依據(jù)專家知識，對用戶提出的問題做出判斷和決策。20世紀(jì)80年代國外掀起了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network）計算機(jī)的研究和應(yīng)用熱潮；20世 紀(jì)90年代我國開始了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模的并行處理和分布式的信 息存儲

8、，良好的自適應(yīng)性、自組織性，以及很強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想功能及容錯功能等特點。 正是山于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點使它的應(yīng)用越來越廣泛，其中一個重要的方面就是智能控制。最優(yōu) 控制是選擇合適的控制規(guī)律，在控制系統(tǒng)的工作條件不變以及某些物理統(tǒng)計的限制下，使系 統(tǒng)的某種性能指標(biāo)即LI標(biāo)函數(shù)取得最大值和最小值。自適應(yīng)控制的研究對象是具有不確定性 的系統(tǒng)，這里的“不確定性”是指被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是不確定的。自適應(yīng)控制的基本思想是 針對含有不確定參數(shù)且能近似實際控制過程的系統(tǒng)模型，根據(jù)期望的控制性能指標(biāo)，設(shè)計相 應(yīng)的控制律，其控制律中的未知參數(shù)采用未知參數(shù)的估計值替代，適當(dāng)?shù)匦拚刂坡?，并?時地將山此控制律決定的控制器

9、作用于原始系統(tǒng)中，同時需要確保整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 自適應(yīng)控制器可以使系統(tǒng)在使用條件變化的情況下，仍能使其性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。3綜合型控制系統(tǒng)德國推出的:匸業(yè)4（r是以智能制造為主導(dǎo)的第四次丄業(yè)革命，其口的是為了保持德國在全球 制造裝備領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。而智能丄廠是：匸業(yè)4.0"的重要組成部分，是構(gòu)成未來工業(yè)體系的 一個關(guān)鍵特征。智能工廠重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實 現(xiàn)，具有實時感控、全面聯(lián)網(wǎng)、自動處理、輔助決策和分析優(yōu)化等功能。它的核心內(nèi)容包括:1）實現(xiàn)工廠制造和業(yè)務(wù)規(guī)劃流程價值鏈；2）工廠生產(chǎn)管理價值鏈即從產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施到服務(wù)的五個 階段；3）工廠自動化控制系統(tǒng)包含了從現(xiàn)場層、控制層、管理層到?jīng)Q策層的綜合系統(tǒng)。從“工業(yè)4.0” 的核心內(nèi)容可以看出計算機(jī)控制的工廠自動化控制系統(tǒng)已不再是單一的控制系統(tǒng)，而是集成 的多U標(biāo)、多任務(wù)的綜合控制系統(tǒng)，即把整體上相關(guān)、功能上相對獨立、位置上相對分散的 子系統(tǒng)或部件組成一個協(xié)調(diào)控制的綜合計算機(jī)系統(tǒng)?！爸袊圃?025”計劃要求：到2025年，中國在制造業(yè)領(lǐng)域不僅是世界第一大國，而且要進(jìn) 入世界強(qiáng)國行列。它在一定程度上借鑒了德國工業(yè)4.0規(guī)劃。沖國制造2025”提岀的十大 重點領(lǐng)域，如高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、新一代信息技術(shù)等，與德國工業(yè)4.0關(guān)注的五大產(chǎn)業(yè),