网络控制系统与传统控制系统区别

网络控制系统与传统控制系统区别

摘要：本文对网络控制系统与传统控制系统发展过程，功能特点，主要方法和当前研究热点进行了简要概述。

关键词：网络控制系统传统控制系统区别

1.前言

随着计算机技术和网络技术的不断发展，控制系统正在向智能化、数字化和网络化的方向发展。本文简要回顾了控制网络的发展, 阐述了它与信息网络发展过程的相似性，分析了目前流行的现场总线控制系统的组成及其存在的问题。对于工业以太网做了简单介绍，提出了控制网络结构发展的趋势。

2.计算机控制系统的发展

计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（Distributed Control System, DCS）。

进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。

80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。

进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。

从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的

现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/ O（4～2 0 m A/ 2 4VDC）信号，而

是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和

跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。

2.1 信息网络与控制系统的关系

从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。企业信

息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段：

①基于主机的集中模式

由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。

②基于工作组的分层结构

微机和局域网技术的发展使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资源，用户

之间的交流和协作得到了加强。

③基于Internet/Intranet/Extranet的网络化企业组织

计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的发展和普

及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用Internet成熟的技术和标准，人们提出了Intranet和Extranet的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于

是便形成了以Intranet为中心，以Extranet为补充，依托于Internet的新一代企业信

息基础设施（企业网）。

计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的网络控制等几个发

展阶段，它们的发展过程是非常相似的。

随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控

是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽力建立全方位的管理

信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，使企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信息一控制一体化将为实

现企业综合自动化CIPA （computer integrated plant automation）和企业信息

化创造有利条件。

企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然的。在计算机控制系统的发展过程中，每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新技术出现以后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。鉴于两种应用环境的差异，其中的技术细节作了适当修改和补充，但关键

技术的原理及实现上，它们有许多共同的地方。正是由于二者在发展过程中的这种关系，使得实现信息一控制一体化成为可能

2.2.传统控制系统新闻演播室传统灯光解决方案通常是采用调光台、固定式调光器和DMX编码解码器等构成，它们之间通过DMX512信号线进行连接，在演出时由专业人员进行操作。它具有如下缺点：(1)无备份功能，系统可靠性无双重保证，如需增加备份调光台，则需增加设备成本;(2)操作复杂，每个节目都需专业灯光师值守，浪费人力资源; (3)不能对三基色荧光灯进行调光，所有控制只能在调光台上单独进行; (4)不具有远程编程和管理功能; 系统采用模块化结构设计，简单灵活、安装方便。控制回路与负载回路分离，各个回路的灯具直接接到输出设备上，将所有设备通过4芯低压电缆(确保人身安全)连成网络，再通过输入设备(触摸屏、面板)来控制灯光场景。根据环境及用户需求的变化，只需做软件修改设置或少量线路改造，就可以实现灯光布局的改变和功能扩充。

系统内各设备的控制信息独立存储，任意设备损坏也不影响本系统中其它设备正常工作，更不会引起系统瘫痪。存储的信息具有停电后不丢数据功能，在恢复供电时，系统会自动恢复到停电前的工作状态。系统设备中配有“软启动”功能以防止高启动电流或热冲击所引起的灯具的永久性损坏。

灯光控制系统的功能是通过软件设置的，可以通过软件实现：开关、调光、就地控制、多点控制、遥控控制、区域控制等。使用时，简单的通过触摸操作就可以切换场景。

系统能非常方便地与剧场、电视台演播室中的其它相关控制和管理系统(如大型演播厅舞台灯光控制系统、多媒体内部通讯系统、保安系统、BA系统、消防系统等)的平台实现扩展和联接，实现“多网合一，资源共享”的管理模式。它具有如下优点：

●使用智能灯光控制系统能比传统控制系统节省成本;

●操作简单，无需专业灯光师值守，节省人力资源;

●可根据节目、人员变化只需轻触按键就可随时切换灯光场景;

●可对三基色荧光灯进行调光，可进行远程编程和管理;

●可作为备份调光台使用，大大增强了演播室的可靠性;

●可实现多点、分布式控制，节省电能、便于管理。

3.区别

智能控与传统的或常规的控制有着密切的关系，不是相互排斥的。一般情况下，常规控制往往包含在智能控制之中，智能控制也利用常规控制的方法来解决“低级”的控制问题，他力图扩充常规控制方法并建立一系列新的理论与方法以解决更具有挑战性的复杂控制问题。与

常规控制相比较，智能控制具有的特点：⑴描述系統模型的意义更为广泛，不仅有确定数学模型，也有非数学的广义模型，也可以是非数学的二者混合模型。⑵智能控制过程中，体现更多的学习、推理、以启发策略和智能算法来引导求解过程，具有学习、适应和组织功能。⑶智能控制能够满足复杂系统的控制，也就是它能够处理所面对的复杂的对象、复杂环境和复杂任务的要求。⑷智能控制具有非线性和变结构的特点。⑸在智能控制中控制器与对象、环境往往没有明显的分离，而在传统的控制中，被控对象成为过程，他总是与控制器分离的。⑹智能控制具有分层信息处理与决策机构，他的核心在高层控制，即组织级的控制。高层控制的任务对于实际环境或过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题的求解。

经典控制与现代控制虽然看起来完全不同，但是本质上都一样，就是建立控制对象的数学模型，然后设计一个数学模型形式的控制器达到控制目的，区别只是前者建立的是微分方程或者叫做pid控制，后者建立的是状态方程，类似于数学当中的线性微分方程组。而最优控制，鲁棒控制等问题不论是基于经典控制理论还是基于现代控制理论，都脱离不了本质——必须建立被控对象的数学模型，也包括02年提出的foc控制。

智能控制则采取的是全新的思路。它采取了人的思维方式，建立逻辑模型，使用类似人脑的控制方法来进行控制。

我正好在做这个作业，就拿我的作业为例子进行说明吧。

控制一个热水器的水温，传统的控制方法当中，不论你要建立一个微分方程还是建立一个状态方程，总归要把加热功率和水温，加热功率的变化率和水温的变化率之间建立出来数学模型，不论是寻求最优控制方法还是提取变量敏感度进行鲁棒控制，总归要有数学模型才能做。

智能控制则采取截然不同的方法。例如使用模糊控制器，我们首先把所有的变量模糊化，通过一定的算法把水温，水温的变化率，加热功率，加热功率的变化率等变成语言变量，比如形容为非常大，比较大，稍微大，正好，稍微小，比较小，非常小。然后像人那样制定规则库，if水温...and水温的变化率.....then加热功率......。然后通过一些算法把规则库和模糊关系制定成表输入到运算芯片的flash即可工作。

再例如使用人工神经网络，我们仿照人脑建立计算机神经网络模型，每个人工神经元都含有很多带权重的轴突，一个带激发判定的细胞体和若干带输出函数的树突，然后很多人工神经元按照一定逻辑分成进行连接，然后把热水器采集到的大量信息拿过来，分别加到输入端和输出端，通过一定算法改变人工神经元之间的连接权重和激发因子，最终使得所有已

知的训练量都能满足这个人工神经网络，在足够训练量的情况下，控制精确度能达到很高。

综合起来说，普通控制是完全基于数学的控制，而智能控制则是基于逻辑规则，使用人类思维的模型或者经验模型甚至是仿照人类神经网络来进行训练学习的模型。

优缺点的话就很明显了，经典控制和现代控制都有一个明显的好处——稳定点非常精确，即使是超调量，最快响应时间等各有缺陷，但是总归在平衡位置上是异常精确的。而智能控制不论是采用扎德还是麦克丹尼的理论，都不可避免的有不精确的成分，但是无疑的很多控制对象都不是那么容易建立方程的，而且很多控制对象即使能建立方程，也是现在的数学理论还不能探讨的。例如一个烧锅炉的师傅往往会根据火候和炉壁摸着烫不烫作为输入量来决定加多少煤，让他总结经验是很容易的，但是如果要求这个烧锅炉的师傅建立一个方程那显然是不可能的。

实际工程上用的时候往往是智能控制和普通控制综合使用。例如一个控制模型，先做一个判决算法判定是否到达平衡位置，如果未到达则采用智能控制器使其快速响应，在超调量等参数到达一定范围以后，切换才经典控制器或者现代控制器进行运算。

智能控制与传统控制有着密切的关系，不是相互排斥的。一般情况下，传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题，这些问题用智能方法同样也可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，是智能控制的低级阶段，在这个意义上，传统控制和智能控制可以统一在智能控制的框架下，智能控制力图扩充传统控制方法并建立一系列新的理论与方法来解决更具有挑战性的复杂控制问题。智能控制与常规控制相比较，它们的主要区别为下面三个方面。

①传统控制和智能控制的主要区别就在于它们控制不确定性和复杂性及达到高的控制

性能的能力方面，显然传统控制方法在处理复杂化、不确定性方面能力低且有时丧失了这种能力。相反，智能控制在处理复杂性、不确定性方面能力高。用拟人化的方式来表达，即智能控制系统具有拟人的智能或仿人的智能，这种智能不是智能控制系统中固有的，而是人工赋予的人工智能，这种智能主要表现在智能决策上。这就表明，智能控制系统的核心是去控制复杂性和不确定性，而控制的最有效途径就是采用仿人智能控制决策。

②传统控制为了控制必须建模，而利用不精确的模型又采用某个固定控制算法，使整个的控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性，缺乏应变性，因此很难胜任对复杂系统的控制。智能控制的核心是控制决策，采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。也就是说，传统控制足基于被控对象精确模型的控制方式，这种方式可谓“模型论”，而智能控

制方式相对于“模型论”可称之为“控制论”，这种控制论实际上是智能次策论。两种控制方式的基本出发点不同，导致了不同的控制效果。

③在传统控制中，被控对象称作过程，它总是与控制器分离的。控制器由控制工程师设计，而对象则是给定的。智能控制中控制对象与控制器（或控制系统）不明显分离。控制律可以嵌入对象之中而成为被控系统的一部分。这样，也为智能控制开辟了一种新的机会与挑战，有可能以更为系统化的方法来影响整个过程的设计。

4.研究热点

1.工业过程中的智能控制

生产过程的智能控制主要包括两个方面：局部级和全局级。局部级的智能控制是指将智能引入工艺过程中的某一单元进行控制器设计，例如智能PID控制器、专家控制器、神经元网络控制器等。研究热点是智能PID控制器，因为其在参数的整定和在线自适应调整方面具有明显的优势，且可用于控制一些非线性的复杂对象。全局级的智能控制主要针对整个生产过程的自动化，包括整个操作工艺的控制、过程的故障诊断、规划过程操作处理异常等。

2. 机械制造中的智能控制

在现代先进制造系统中，需要依赖那些不够完备和不够精确的数据来解决难以或无法预测的情况，人工智能技术为解决这一难题提供了有效的解决方案。智能控制随之也被广泛地应用于机械制造行业，它利用模糊数学、神经网络的方法对制造过程进行动态环境建模，利用传感器融合技术来进行信息的预处理和综合。可采用专家系统的“Then-If”逆向推理作为反馈机构，修改控制机构或者选择较好的控制模式和参数。利用模糊集合和模糊关系的鲁棒性，将模糊信息集成到闭环控制的外环决策选取机构来选择控制动作。利用神经网络的学习功能和并行处理信息的能力，进行在线的模式识别，处理那些可能是残缺不全的信息。

3.电力电子学研究领域中的智能控制

电力系统中发电机、变压器、电动机等电机电器设备的设计、生产、运行、控制是一个复杂的过程，国内外的电气工作者将人工智能技术引入到电气设备的优化设计、故障诊断及控制中，取得了良好的控制效果。遗传算法是一种先进的优化算法，采用此方法来对电器设备的设计进行优化，可以降低成本,缩短计算时间，提高产品设计的效率和质量。应用于电气设备故障诊断的智能控制技术有：模糊逻辑、专家系统和神经网络。在电力电子学的众多应用领域中，智能控制在电流控制PWM技术中的应用是具有代表性的技术应用方向之一，也是研究的新热点之一。

5.发展前景

智能控制器是以自动控制技术和计算机技术为核心，集成微电子技术、电力电子技术、信息传感技术、显示与界面技术、通信技术、电磁兼容技术等诸多技术门类而形成的高科技产品。智能控制器作为一类电子器件，核心部件是以微控制器（MCU）芯片或数字信号处理器（DSP）芯片，依据不同功能要求辅以外围模拟及数字电子线路，并置入相应的计算机软件程序，经电子加工工艺制造形成。智能控制器是各种终端产品中最关键的部件之一，先进性与可靠性往往成为终端产品技术水平的标志和质量水平的标志。

目前，智能控制器应用领域广泛，主要涉及家用电器、健康与护理产品、电动工具及工业设备装置、智能建筑与家居、汽车电子等极为广泛的领域，是部分新兴产业快速发展的牵引力，也是某些传统产业升级换代的重要驱动因素。随着市场需求的高速增长、市场应用领域的持续扩大，除了传统的制造业领域，智能控制器在电力、化工、农业、建筑、军事等其他领域及其相关产品中的应用将越来越普及，整个市场前景广阔。

近年来，智能控制技术在国内外已有了较大的发展，己进入工程化，实用化的阶段.但作为一门新兴的理论技术，它还处在一个发展时期.然而，随着人工智能技术，计算机技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时期。