(完整版)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1、淺談?dòng)?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展摘要：論述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)，分析了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的組成部分及其特點(diǎn)。并且對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展情況做出評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞 ：計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng) 發(fā)展1 引言 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來實(shí)現(xiàn)工業(yè) 過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)，并且是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起而應(yīng)運(yùn) 產(chǎn)生的綜合控制系統(tǒng)，它緊密依賴于最新發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和 控制技術(shù) ,在計(jì)算機(jī)參與工業(yè)系統(tǒng)控制的歷史長(zhǎng)河中扮演了重要的角色。2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展情況在 60 年代 ,控制領(lǐng)域中就引入了計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的作用是控制調(diào)節(jié)器 的設(shè)定點(diǎn)，具體的控制則由電子調(diào)

2、節(jié)器來執(zhí)行 , 這種系統(tǒng)稱作是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系 統(tǒng)。這種系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器主要是采用了模擬調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)中既有計(jì)算機(jī)又有調(diào)節(jié) 器，系統(tǒng)復(fù)雜，投資又大。在 60 年代末期出現(xiàn)了用一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制一個(gè) 機(jī)組或一個(gè)車間的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(cè)量值，通過PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制 , 以使被控量達(dá)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(jì)算機(jī) DDC 控制的基本思想是使用一臺(tái)計(jì)算 機(jī)代替若干個(gè)調(diào)節(jié)控制回路功能。最初發(fā)展

3、時(shí)希望能夠至少可以控制50 個(gè)回路以上，這在當(dāng)時(shí)對(duì)小規(guī)模、自動(dòng)化程度不高的系統(tǒng)，特別是對(duì)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(gè)系統(tǒng)中只有一臺(tái)計(jì)算機(jī) , 因而控制集中，便于各種運(yùn)算的集中處 理，各通道或回路間的耦合關(guān)系在控制計(jì)算中可以得到很好的反映，同時(shí)由于 系統(tǒng)沒有分層 , 所有的控制規(guī)律均可直接實(shí)現(xiàn)。但是，如果生產(chǎn)過程的復(fù)雜， 在實(shí)現(xiàn)對(duì)幾十、幾百個(gè)回路的控制時(shí)，可靠性難以保證，系統(tǒng)的危險(xiǎn)性過于集中，一旦計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停頓，影響了這種系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣 應(yīng)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(chǔ)。75年美國Honeywell公

4、司首先推出了以微處理器為基礎(chǔ)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(zhì)的變化，是控制史上的里程碑。該系統(tǒng)從綜合自動(dòng)化的角 度，按功能分散、協(xié)調(diào)集中的原則設(shè)計(jì)，具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性，是用于生 產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和各種過程控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。典型的集散控制系統(tǒng)具 有兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1典型集散控制系統(tǒng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)是在集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要而產(chǎn)生的更新一代的控制系統(tǒng)，因而兩者的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)各子系統(tǒng)間的協(xié)作關(guān)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(jié)構(gòu)劃分上遵循3個(gè)原則，即：縱向分層，橫向分解，多級(jí)結(jié)構(gòu)與分布結(jié)構(gòu)。分布式控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是較為充分 地考慮了各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并采用分解一協(xié)調(diào)控制算法，實(shí)施對(duì)各子 系統(tǒng)之間控制目標(biāo)的協(xié)調(diào)管理，使系統(tǒng)控制目標(biāo)優(yōu)化程度提高，可靠性增強(qiáng)。3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著企業(yè)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊能力和網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)模得 到極大提高，使得原本在分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中較難實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸和交換，可以在一個(gè)貫穿的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。尤其是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工

6、業(yè)控制系統(tǒng)中的出現(xiàn)， 帶來現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和儀表單元的網(wǎng)絡(luò)化，從而使控制系統(tǒng)的底層也可以通過網(wǎng)絡(luò)相 互連接起來。同時(shí)，每個(gè)網(wǎng)端可以容納不同回路系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和儀表單元， 而實(shí)際上不同的網(wǎng)端還可以通過網(wǎng)橋相互連接， 這樣就使得現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的連接能 力可以進(jìn)一步提高。新一代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化， 逐步形成兩 層網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。決范產(chǎn)聚統(tǒng)調(diào)度J數(shù)按庫F系続網(wǎng)關(guān)H務(wù)器內(nèi)舊;網(wǎng)圖3兩層網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在此種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，上層負(fù)責(zé)完成高層管理功能，包括各種控 制功能之間的協(xié)調(diào)、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、信息綜合管理和組織以及總體任務(wù)的規(guī)劃 等。底層負(fù)責(zé)完成所有具體控制任務(wù)，如參數(shù)

7、調(diào)節(jié)的回路控制、過程數(shù)據(jù)的采 集和顯示、現(xiàn)場(chǎng)控制的監(jiān)視以及故障診斷和處理等。因此，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得 整體系統(tǒng)出現(xiàn)了扁平化趨勢(shì)，即所有的高層次控制、管理和調(diào)度任務(wù)均在上一層完成 ,而所有的具體控制、顯示、記錄和診斷任務(wù)均在下一層完成。這種系統(tǒng) 的優(yōu)勢(shì)是：簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次，縮短了上層控制任務(wù)到下層單元實(shí)施過 程，實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的信息交換公共平臺(tái)，加強(qiáng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展評(píng)價(jià) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用， 除了受到系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的影響， 系統(tǒng)實(shí)際控制 質(zhì)量還起著重要的作用。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中始終存在對(duì)系統(tǒng)控制 質(zhì)量的評(píng)價(jià)問題。一般從以下幾個(gè)

8、方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。第一，對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。其主要包括采用的控制結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)的控制算法、 具有的各種功能以及能夠達(dá)到的控制指標(biāo)。 一個(gè)優(yōu)良的控制系統(tǒng)所采用的控制結(jié) 構(gòu)應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單而合理， 控制算法應(yīng)當(dāng)在滿足控制指標(biāo)要求的同時(shí)盡量簡(jiǎn)單， 所提供 的功能應(yīng)當(dāng)盡量廣泛。第二，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的評(píng)價(jià)。 對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)采用分級(jí)分回路分別 進(jìn)行的方法。 不同的級(jí)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不同， 愈靠近底層實(shí)時(shí)性要求越高。 即使 在同一級(jí)，不同的控制任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也不同。第三，對(duì)系統(tǒng)可靠性的評(píng)價(jià)。 系統(tǒng)可靠性有完整的衡量指標(biāo)與設(shè)計(jì)方法。 系 統(tǒng)的可靠性的主要指標(biāo)包括系統(tǒng)設(shè)備故障率、系統(tǒng)故障累計(jì)概率、系統(tǒng)利用率、

9、系統(tǒng)平均無故障時(shí)間、修復(fù)時(shí)間等。第四，對(duì)系統(tǒng)可擴(kuò)展性的評(píng)價(jià)。 為適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展和系統(tǒng)的應(yīng)用范圍， 可擴(kuò) 展性是必不可少的， 對(duì)任何一個(gè)控制系統(tǒng)來說， 可擴(kuò)展性主要表現(xiàn)為可擴(kuò)展多少 通道、多少接口、多少回路、多少采樣點(diǎn)，以及可提供多少存儲(chǔ)容量和內(nèi)存空間。第五，對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)。通常采用性能價(jià)格比進(jìn)行系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)， 即將系統(tǒng)建設(shè)的費(fèi)用與系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能相比較， 以確定系統(tǒng)的整體效益和應(yīng) 用前景。5 結(jié)語計(jì)算機(jī)控制就是用計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象或過程進(jìn)行控制。 在計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)代替自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常規(guī)控制設(shè)備， 對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控 制，這是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)所使用的技術(shù)裝備的一種革新。 這一革新， 改變了自動(dòng) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 也導(dǎo)致對(duì)這類系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)發(fā)生較多的變化。 此外，隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)、高級(jí)控制策略、 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展， 工程上對(duì)于 控制系統(tǒng)的控制水平要求越來越高， 這也必將推動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的水平向更高 的層次發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 許勇 . 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.2 祁立勛. 淺談?dòng)?jì)算機(jī)控制技術(shù)原理及發(fā)展