控制系统的发展趋势

控制系统的发展趋势

摘要：控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。随着生产和科学技术的发展，自动控制广泛应用于电子、电力、机械、冶金、石油、化工、航海航天、核反应等各个学科领域及生物、医学、管理工程和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起到促进作用。

关键词：自动控制控制系统

一、控制系统的概述与原理

1、自动控制系统的定义

（1）自动控制

在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。自动控制系统是实现自动化的主要手段。

（2）自动控制系统

是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。

（3）自动控制系统主要由

控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。

2、控制系统的工作原理

（1）检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差。

（2）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。这种基于反馈原理、通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称为反馈控制系统。可见作为反馈控制系统至少应具备测量、比较（或计算）和执行三个基本功能。控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表示。

3、对控制系统的基本要求

（1）稳定性

由于控制系统都包含蓄能元件，若系统参数匹配不当，就有可能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。对于稳定的系

统，当输出量偏离平衡状态时，应能随着时间收敛并且最后回到最初的平衡状态。稳定性乃是保证控制系统正常工作的先决条件。

（2）精确性

控制系统的精确性即控制精度。一般以稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用与系统后，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值，它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的，如数控机床的加工误差小于0.02mm，一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。

（3）快速性

快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性好的系统，它消除偏差的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态性能

二、控制系统的应用

1、工业方面

控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。

2、军事技术

自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。

3、其他

在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

三、控制系统的发展趋势

1、发展趋势

当前工控机仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如：冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散型控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，促使大型分散型控制系统销售增加。

（1）向综合方向发展

由于标准化数据通信线路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业比、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。

（2）向智能化方向发展

从工业自动化仪表的发展趋势看, 智能化是其核心部分, 所谓智能化表现在其具有多种新功能。在工控方面, 过去控制的算法, 只能由调节器或DCS 来完成, 如今一台智能化的变送器或者执行器, 只要植入PID模块, 就可以与有关的现场仪表在一起, 在现场实现自主调节; 从而实现控制的彻底分散, 从而减轻了DCS 主机的负担, 使调节更加及时, 并提高了整个系统的可靠性。

（3）专业化

DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解这个专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电站此S，变电钻DGS、玻璃DCS及水泥DCS等。DCS 和工厂信息网络架构的网络基础设施日益交织在一起。

(4) 高精度化

由于工业生产对成品质量的要求日益提高, 国家的政策和法令对节能减排也有具体的要求和规定, 因此提高测量仪表与控制系统的精度就被提上了议事日程。例如变送器的精度, 普遍从百分之零点七五提高到百分之零点零四。

(5) 总线化

过程控制系统自动化中的现场设备通常称为现场仪表。现场总线技术的广泛应用, 使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。然而集中测控越来越不能满足复杂、远程及范围较大的测控任务的需求, 必须组建一个可供各现场仪表数据共享的网络, 现场总线控制系统(FCS)正是在这种情况下出现的。它是一种用于各种现场智能化仪表与中央控制之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。目前现场总线已成为全球自动化技术发展的重要表现形式, 它为过程测控仪表的发展提供了千载难逢的发展机遇, 并为实现进一步的高精度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等方面提供了巨大动力和发展空间。

(6) 网络化

现场总线技术采用计算机数字化通信技术, 使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络, 成为企业信息网络底层, 可使智能表的作用得以充分发挥。随着工业信息网络技术的发展, 以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表, 即IP 智能现场仪表代表了新一代控制网络发展的必然趋势, 基于嵌入式Internet 的控制网络体系结构。

(7) 开放性

现在的测控仪器越来越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks 等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术, 未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密,Agilent 公司表示仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口, 如USB接口、打印机接口、局域网网络接口等, 测量的数据也应通过USB 接口存储在可移动存储设备中, 使用这样的仪器仪表设备和操作一台简易电脑简直是如出一辙。齐备的接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备, 在过程控制系统主机的支持下, 通过网络形成具有特定功能的测控系统, 实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统

四、结束语

基于此研究，对今后发展有以下建议：

(1) 建立产业风险投资机制, 鼓励对产业的风险投资。降低企业税赋, 尤其是增值税, 使企业能够积累较多的资金用于科技创新和扩大再生产。允许企业提取上年销售总额10%用于科技开发, 计入当年成本, 并能够滚动使用。

(2) 抓住市场导向, 拓宽领域。在优先发展国民经济支柱产业和重大技术装备急需的仪器仪表的同时, 紧紧围绕市场需求, 拓宽其服务领域, 培养新市场, 增强市场的快速反应能力。

(3) 在产业技术政策方面, 支持关键共性技术的开发; 鼓励产品出口, 尤其鼓励高技术含量、高附加值产品出口, 与之相应制定鼓励出口的有关政策; 明确制定有利于民族工业发展的采购政策。

(4) 积极推进新一代基于现场总线技术的智能仪表的开发和产业化, 积极发展特种工况要求的执行器与调节器等系列产品的研发, 重视冶金、石化、建材、纺织、造纸、食品等行业所需的各种专用仪表的开发和生产。

(5) 大力培养人才, 吸引和使用人才要制定相关的政策给予保证, 扶植和