(完整版)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1、淺談計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展摘要：論述了計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢，分析了計算機控制系統(tǒng) 的組成部分及其特點。并且對當前計算機系統(tǒng)的發(fā)展情況做出評價。關鍵詞 ：計算機 控制系統(tǒng) 發(fā)展1 引言 計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機)來實現(xiàn)工業(yè) 過程自動控制的系統(tǒng)，并且是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產自動化的不斷興起而應運 產生的綜合控制系統(tǒng)，它緊密依賴于最新發(fā)展的計算機技術、網絡通信技術和 控制技術 ,在計算機參與工業(yè)系統(tǒng)控制的歷史長河中扮演了重要的角色。2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展情況在 60 年代 ,控制領域中就引入了計算機。當時計算機的作用是控制調節(jié)器 的設定點，具體的控制則由電子調

2、節(jié)器來執(zhí)行 , 這種系統(tǒng)稱作是計算機監(jiān)控系 統(tǒng)。這種系統(tǒng)的調節(jié)器主要是采用了模擬調節(jié)器。系統(tǒng)中既有計算機又有調節(jié) 器，系統(tǒng)復雜，投資又大。在 60 年代末期出現(xiàn)了用一臺計算機直接控制一個 機組或一個車間的控制系統(tǒng)，簡稱集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)在計算機控制 系統(tǒng)的發(fā)展過程中起到了積極作用。在這種控制系統(tǒng)中 , 計算機不但完成操作 處理，還可直接根據(jù)給定值、過程變量和過程中其它測量值，通過PID運算，實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制 , 以使被控量達到理想的工作狀態(tài)。這種控制系統(tǒng)即常 說的直接數(shù)字控制 ( DDC) 系統(tǒng) 。計算機 DDC 控制的基本思想是使用一臺計算 機代替若干個調節(jié)控制回路功能。最初發(fā)展

3、時希望能夠至少可以控制50 個回路以上，這在當時對小規(guī)模、自動化程度不高的系統(tǒng)，特別是對具有大量順序控 制和邏輯判斷操作的控制系統(tǒng)來說收到了良好的效果。由于整個系統(tǒng)中只有一臺計算機 , 因而控制集中，便于各種運算的集中處 理，各通道或回路間的耦合關系在控制計算中可以得到很好的反映，同時由于 系統(tǒng)沒有分層 , 所有的控制規(guī)律均可直接實現(xiàn)。但是，如果生產過程的復雜， 在實現(xiàn)對幾十、幾百個回路的控制時，可靠性難以保證，系統(tǒng)的危險性過于集中，一旦計算機發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會停頓，影響了這種系統(tǒng)的進一步推廣 應用。70年代大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)為集散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎。75年美國Honeywell公

4、司首先推出了以微處理器為基礎總體分散型控制系統(tǒng)，其含義是集中管理、分散控制，因而稱之為集散控制系統(tǒng)（DCS ） DCS的出現(xiàn)使系統(tǒng) 的控制方式發(fā)生了質的變化，是控制史上的里程碑。該系統(tǒng)從綜合自動化的角 度，按功能分散、協(xié)調集中的原則設計，具有高可靠性、高實時性，是用于生 產管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制的計算機控制系統(tǒng)。典型的集散控制系統(tǒng)具 有兩層網絡結構，如圖1所示。圖1典型集散控制系統(tǒng)的網格結構分布式控制系統(tǒng)是在集散控制系統(tǒng)的基礎上，隨著生產發(fā)展的需要而產生的更新一代的控制系統(tǒng)，因而兩者的系統(tǒng)網絡結構有相似的地方。分布式控制系統(tǒng)如圖2所示。4 工廠*fJE車間控（層Kl IItA出通道nPD

5、Cgi;IJ拿圖2分布式控制系統(tǒng)的組成結構分布式控制系統(tǒng)更強調各子系統(tǒng)間的協(xié)作關系，有明確的分解策略和算法。 通常分布式控制系統(tǒng)的分層、分解和結構劃分上遵循3個原則，即：縱向分層，橫向分解，多級結構與分布結構。分布式控制系統(tǒng)的最大特點是較為充分 地考慮了各子系統(tǒng)之間的關聯(lián)關系，并采用分解一協(xié)調控制算法，實施對各子 系統(tǒng)之間控制目標的協(xié)調管理，使系統(tǒng)控制目標優(yōu)化程度提高，可靠性增強。3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著企業(yè)網技術的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)的網絡通訊能力和網絡連接規(guī)模得 到極大提高，使得原本在分布式的網絡環(huán)境中較難實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸和交換，可以在一個貫穿的網絡環(huán)境中實現(xiàn)。尤其是現(xiàn)場級網絡技術在工

6、業(yè)控制系統(tǒng)中的出現(xiàn)， 帶來現(xiàn)場級設備和儀表單元的網絡化，從而使控制系統(tǒng)的底層也可以通過網絡相 互連接起來。同時，每個網端可以容納不同回路系統(tǒng)的現(xiàn)場級設備和儀表單元， 而實際上不同的網端還可以通過網橋相互連接， 這樣就使得現(xiàn)場級網絡的連接能 力可以進一步提高。新一代計算機控制系統(tǒng)的結構發(fā)生了明顯變化， 逐步形成兩 層網絡的系統(tǒng)結構（如圖3所示）。決范產聚統(tǒng)調度J數(shù)按庫F系続網關H務器內舊;網圖3兩層網絡的計算機控制系統(tǒng)結構在此種計算機控制系統(tǒng)結構中，上層負責完成高層管理功能，包括各種控 制功能之間的協(xié)調、系統(tǒng)優(yōu)化調度、信息綜合管理和組織以及總體任務的規(guī)劃 等。底層負責完成所有具體控制任務，如參數(shù)

7、調節(jié)的回路控制、過程數(shù)據(jù)的采 集和顯示、現(xiàn)場控制的監(jiān)視以及故障診斷和處理等。因此，新的系統(tǒng)結構使得 整體系統(tǒng)出現(xiàn)了扁平化趨勢，即所有的高層次控制、管理和調度任務均在上一層完成 ,而所有的具體控制、顯示、記錄和診斷任務均在下一層完成。這種系統(tǒng) 的優(yōu)勢是：簡化了系統(tǒng)的結構和層次，縮短了上層控制任務到下層單元實施過 程，實現(xiàn)了較大規(guī)模的信息交換公共平臺，加強了上層子系統(tǒng)與下層子系統(tǒng)或 單元之間的聯(lián)系。4 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展評價 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展及應用， 除了受到系統(tǒng)優(yōu)缺點的影響， 系統(tǒng)實際控制 質量還起著重要的作用。在計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中始終存在對系統(tǒng)控制 質量的評價問題。一般從以下幾個

8、方面對控制系統(tǒng)進行評價。第一，對系統(tǒng)質量的評價。其主要包括采用的控制結構、設計的控制算法、 具有的各種功能以及能夠達到的控制指標。 一個優(yōu)良的控制系統(tǒng)所采用的控制結 構應當簡單而合理， 控制算法應當在滿足控制指標要求的同時盡量簡單， 所提供 的功能應當盡量廣泛。第二，對系統(tǒng)實時性的評價。 對系統(tǒng)實時性的評價應當采用分級分回路分別 進行的方法。 不同的級對實時性的要求不同， 愈靠近底層實時性要求越高。 即使 在同一級，不同的控制任務對實時性的要求也不同。第三，對系統(tǒng)可靠性的評價。 系統(tǒng)可靠性有完整的衡量指標與設計方法。 系 統(tǒng)的可靠性的主要指標包括系統(tǒng)設備故障率、系統(tǒng)故障累計概率、系統(tǒng)利用率、

9、系統(tǒng)平均無故障時間、修復時間等。第四，對系統(tǒng)可擴展性的評價。 為適應生產的發(fā)展和系統(tǒng)的應用范圍， 可擴 展性是必不可少的， 對任何一個控制系統(tǒng)來說， 可擴展性主要表現(xiàn)為可擴展多少 通道、多少接口、多少回路、多少采樣點，以及可提供多少存儲容量和內存空間。第五，對經濟指標的評價。通常采用性能價格比進行系統(tǒng)經濟指標的評價， 即將系統(tǒng)建設的費用與系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的功能相比較， 以確定系統(tǒng)的整體效益和應 用前景。5 結語計算機控制就是用計算機對一個動態(tài)對象或過程進行控制。 在計算機控制系 統(tǒng)中，用計算機代替自動控制系統(tǒng)中的常規(guī)控制設備， 對動態(tài)系統(tǒng)進行調節(jié)和控 制，這是對自動控制系統(tǒng)所使用的技術裝備的一種革新。 這一革新， 改變了自動 控制系統(tǒng)的結構， 也導致對這類系統(tǒng)的分析和設計發(fā)生較多的變化。 此外，隨著 計算機技術、高級控制策略、 現(xiàn)場總線技術和網絡技術的不斷發(fā)展， 工程上對于 控制系統(tǒng)的控制水平要求越來越高， 這也必將推動計算機控制系統(tǒng)的水平向更高 的層次發(fā)展。參考文獻1 許勇 . 計算機控制技術 M. 北京：機械工業(yè)出版社， 2008.2 祁立勛. 淺談計算機控制技術原理及發(fā)展