计算机控制技术综述及发展方向

计算机控制技术的综述及发展方向

摘要：计算机控制技术及工程应用是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。控制系统的发展趋势：向国产DCS系统转移，向PLC转移，向现场总线控制系统FCS转移，而以PC 为基础的控制系统(PC-Based Control System, PCBCS)也呈现良好的发展态势。

关键词：计算机控制；多元化；发展方向

1 计算机控制系统的概述

计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。工业上定义为利用计算机实现工业生产过程的自动控制系统。

1.1 计算机控制系统的特点

(1) 系统控制功能强

通过强大的数字、逻辑计算能力实现复杂运算；通过通讯实现大规模系统的控制；通过数据存储实现人工智能。工业上随着生产规模的扩大，模拟控制盘越来越长，这给集中监视和操作带来困难;而计算机采用分时操作，用一台计算机可以代替许多台常规仪表，在一台计算机上操作与监视则方便了许多。

(2) 操作的灵活性强（人机对话功能强）、界面友好

常规模拟式控制系统的功能实现和方案修改比较困难，常需要进行硬件重新配置调整和接线更改；而计算机控制系统，由于其所实现功能的软件化，复杂控制系统的实现或控制方案的修改可能只需修改程序、重新组态即可实现。另外硬件和软件的通用型强，便于系统的开发和修改，如：软件通用级(ANSYS)、硬件系统通用级(PC平台)、芯片通用级（软核）等。

(3) 实现资源共享性

常规模拟控制无法实现各系统之间的通讯，不便全面掌握和调度生产情况；计算机控制系统可以通过通信网络而互通信息，实现数据和信息共享，能使操作人员及时了解生产情况，改变生产控制和经营策略，使生产处于最优状态。

(4) 计算机的智能控制

计算机具有记忆和判断功能，它能够综合生产中各方面的信息，在生产发生异常情况下，及时做出判断，采取适当措施，并提供故障原因的准确指导，缩短系统维修和排除故障时间，提高系统运行的安全性，提高生产效率，这是常规仪表所达不到的。

1.2 计算机控制系统的组成及分类

这里的计算机通常指数字计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。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。与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，也可以是开环的。

计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器

构成的系统只由硬件组

成。计算机控制系统软件

包括系统软件和应用软

件。系统软件一般包括操

作系统、语言处理程序和

服务性程序等，它们通常

由计算机制造厂为用户

配套，有一定的通用性。

应用软件是为实现特定

控制目的而编制的专用

程序，如数据采集程序、

控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。图1为计算机控制系统的一般组成框图。

计算机控制系统主要有以下几个类别：操作指导控制系统（OGC）、直接数字控制(DDC) 、现场总线控制系统（FCS）、监督计算机控制系统（SCC）、分散控制系统（DCS）等。目前微型计算机控制系统的发展趋势主要有可编程控制器（PLC）、采用新型的控制系统（集散控制系统）、人工智能、神经网络控制系统。

2 控制系统类型的多元化

20世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路与方案。

在工业生产过程中，1969年问世的PLC和1975年问世的DCS可能是两类影响最为深远的计算机控制系统。PLC的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程序控制；DCS的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、

记录和PID回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，PLC、DCS互相融合，互相渗透，取长补短。另外，随着其他计算机控制系统的不断出现，控制系统的产品早已呈现出多元化的发展格局，而针对某一具体用户来说，DCS+PLC的控制方案不再受青睐，控制系统设备一体化的呼声越来越高。

2.1 操作指导控制系统（OGC）

操作指导控制系统--是基于数据采集系统的一种开环结构。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。

2.2 直接数字控制(DDC)

DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。

2.3 现场总线控制系统（FCS）

现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。它的结构组成如图所示。每个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。

2.4 监督计算机控制系统（SCC）

监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。

2.5 分散控制系统（DCS）分散控制系统--是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分散控制系统简称为DCS。DCS 采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。