計算機控制技術發(fā)展綜述報告.doc

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計算機實時控制技術綜述報告 題　　　目 計算機實時控制技術綜述 系　　　別 機械電子工程 姓名（學號） 張夢輝（21525074） 指導 老師 王宣銀 完成 時間 2015/11/4 摘要:本文簡要介紹了計算機實時控制系統(tǒng)的原理，根據(jù)當前計算機實時控制技術的發(fā)展狀況，分析了計算機實時控制技術的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)，指出計算機實時控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢，在控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)方面，控制策略（算法）是核心，簡述一些較公認的（特別是能得到工程界的認可）的先進控制策略（算法）以及發(fā)展趨勢。 關鍵詞: 計算機實時控制系統(tǒng)； 原理； 現(xiàn)狀； 趨勢； 控制算法 一、計算機實時控制系統(tǒng)概述 自動控制是指通過控制裝置使過程在沒有人直接參與的情況下自動地按照預定的要求運行。計算機實時控制系統(tǒng)是以計算機為核心的實現(xiàn)生產過程自動控制的系統(tǒng)[1]。用計算機來組建控制系統(tǒng)可以完成常規(guī)控制技術無法完成的任務，達到常規(guī)控制技術無法達到的性能指標。典型的計算機控制系統(tǒng)一般有監(jiān)控系統(tǒng)和過程對象兩大部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，其硬件由主機、外部設備、通訊設備等組成；軟件則分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。除工業(yè)控制機外，監(jiān)控系統(tǒng)中還有過程輸人/輸出設備、參數(shù)測量變送器件、執(zhí)行機構等裝置。過程對象通常指的是被監(jiān)測的對象[2-4]。 計算機控制系統(tǒng)的形式與它所控制的對象的復雜程度密切相關，不同的被控對象和不同的被控要求，應選擇不同的控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)大致可以分為以下幾種典型的形式:（l）操作指導型控制系統(tǒng)。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DireetDigitalControl，簡稱DDC）。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（S、JpervisoryComputerControl簡稱SCC）。（4）集散控制系統(tǒng)（Distributedeontrolsystem簡稱DCS）。（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem簡稱FCSy[5]。計算機實時控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1。它與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系通常有兩種方式：有線方式、無線方式。控制目的可以是使被控對象的狀態(tài)或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標。 圖1 計算機實時控制系統(tǒng)的組成框圖 二、計算機實時控制系統(tǒng)的工作原理 計算機實時控制系統(tǒng)包括硬件組成和軟件組成。在計算機控制系統(tǒng)中，需有專門的數(shù)字-模擬轉換設備和模擬-數(shù)字轉換設備。由于過程控制一般都是實時控制，有時對計算機速度的要求不高，但要求可靠性高、響應及時。計算機實時控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個過程[6]： （一）實時數(shù)據(jù)采集對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。 　　 （二）實時決策對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。 　?。ㄈ崟r控制根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。 圖2 計算機實時控制系統(tǒng)工作原理圖 　 　這三個過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質指標進行工作，并對被控量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。 三、計算機實時控制系統(tǒng)的應用與在生產中應用的現(xiàn)狀 計算機實時控制系統(tǒng)的應用主要表現(xiàn)在工業(yè)生產與應用的方面。而在以信息技術為代表的高科技應用方面，要充分利用各種新興技術、新型材料、新式能源，并結合市場需求，以實現(xiàn)世界的又一次“工業(yè)大革命”；在工業(yè)設計與工程設計的一致性方面，要充分協(xié)調好設計的功能和形式兩個方面的關系，使兩者逐步走向融合，最終實現(xiàn)以人為核心、人機一體化的智能集成設計體系。從工業(yè)設計的本身角度看，隨著CAD、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術的進一步發(fā)展，使得對設計過程必然有更深的認識，對設計思維的模擬必將達到新的境界。從整個產品設計與制造的發(fā)展趨勢看，并行設計、協(xié)同設計、智能設計、虛擬設計、敏捷設計、全生命周期設計等設計方法代表了現(xiàn)代產品設計模式的發(fā)展方向。隨著技術的進一步發(fā)展，產品設計模式在信息化的基礎上，必然朝著數(shù)字化、集成化、網絡化、智能化的方向發(fā)展[7-8]。 對工業(yè)生產過程進行計算機控制是提高產品質量、降低成本、減少環(huán)境污染的必由之路，計算機實時控制系統(tǒng)已成為生產設備及過程控制等重要的組成部分，它代替人的思維成為工業(yè)設備及工藝過程控制、產品質量控制的指揮和監(jiān)督中心。 工業(yè)生產過程的計算機控制系統(tǒng)，隨著計算機的進步、工業(yè)生產工藝過程控制要求的提高和生產管理的完善而不斷發(fā)展。目前工業(yè)計算機控制系統(tǒng)按結構層次基本上劃分為：直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)（DCS）、遞階控制系統(tǒng)（HCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等幾種，其中DCS是融DDC系統(tǒng)、SCC系統(tǒng)及整個工廠的生產管理為一體的高級控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了其他控制系統(tǒng)中存在的“危險集中”問題，具有較高的可靠性和實用性。但是，為了進一步適合現(xiàn)場的需要，DCS也在不斷更新?lián)Q代，近年來，集計算機、通信、控制三種技術為一體的第5代過程控制體系結構，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，成為國內外計算機過程控制系統(tǒng)一個重要的發(fā)展方向。本文對各種工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的結構層次和特點以及發(fā)展方向作為分析研究。 當前以單片機為主體的DDC控制儀用量最大，如控制溫度、流量，控制風機、水、油泵及爐門升降機構等。這種微機控制儀表的功能已大大超過以模擬電子元件為基礎的測量儀表，而且有了處理工藝參數(shù)的功能，但它們需要與中間繼電器、交流接觸器、晶閘管、電磁閥、比例閥等執(zhí)行機構形成完善的控制系統(tǒng)。多數(shù)DDC控制儀采用PID和模糊控制算法，但自身自調整和在線優(yōu)化能力仍較弱。最新推出的DDC控制系統(tǒng)均配有通信接口，可方便地進行聯(lián)機[9]。 這類控制系統(tǒng)的主要特點是結構緊湊、輕便靈活、便于維護，有較高的抗干擾能力和控制精度，操作方便。主要問題是受運行速度和內存容量的限制，一般只能按預定工藝參數(shù)進行工藝過程控制，難于動態(tài)控制熱處理工藝過程和產品質量預測，因此還是初級微機控制系統(tǒng)。國產的這類控制儀種類多，但目前仍存在著抗干擾自復位能力較差，可靠性差等問題[10]。 四、計算機實時控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （一） 推廣應用成熟的先進技術 普及應用可編程序控制器（PLC）是一種專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的微機系統(tǒng)。它用可編程序的存儲器來存儲用戶的指令，通過數(shù)字或模擬的輸入輸出完成確定的邏輯、順序、定時、計數(shù)和運算等功能。 　　近年來PLC幾乎都采用微處理器作為主控制器，且采用大規(guī)模集成電路作為存儲器及I/O接口，因而其可靠性、功能、價格、體積等都比較成熟和完美。由于智能的I/O模塊的成功開發(fā)，使PLC除了具有邏輯運算、邏輯判斷等功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運算及網絡等功能，從而大大地擴大了PLC的應用范圍。 　?。ǘ┎捎眉⒖刂葡到y(tǒng) 集散控制系統(tǒng)是以微機為核心，把微機、工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入.. /輸出通道、模擬儀表等有機地結合起來的一種計算機控制系統(tǒng)，它為生產的綜合自動化創(chuàng)造了條件。若采用先進的控制策略，會使自動化系統(tǒng)向低成本、綜合化、高可靠性的方向發(fā)展，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)。 　?。ㄈ┭芯亢桶l(fā)展智能控制系統(tǒng) 智能控制是一類無需人的干預就能夠自主地驅動智能機器實現(xiàn)其目標的過程，是用機器模擬人類智能的一個重要領域。智能控制包括學習控制系統(tǒng)、分級階梯智能控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和神經網絡控制系統(tǒng)等。應用智能控制技術和自動控制理論來實現(xiàn)的先進的計算機控制系統(tǒng)，將有力地推動科學技術進步，并提高工業(yè)生產系統(tǒng)的自動化水平。計算機技術的發(fā)展加快了智能控制方法的研究。 　　智能控制方法較深淺層次上模擬人類大腦的思維判斷過程，通過模擬人類思維判斷的各種算法實現(xiàn)控制。計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢、應用特色及發(fā)展前景將隨著智能控制系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。 　?。ㄋ模┭芯亢桶l(fā)展計算機網絡控制技術 計算機網絡技術的發(fā)展，正引發(fā)著控制技術的深刻變革，以及與之相應的新的控制理論的產生?？刂葡到y(tǒng)結構的網絡化、控制系統(tǒng)體系的開放性、控制技術與控制方式的智能化，是當前控制技術發(fā)展與創(chuàng)新的方向與主要潮流。網絡技術不僅是實現(xiàn)管理層的數(shù)據(jù)通訊與共享，它應用于控制現(xiàn)場的設備層，并將控制與管理綜合化、一體化。Internet不僅用于傳統(tǒng)的信息瀏覽、查詢、發(fā)布，還可通過Internet跨國跨地區(qū)直接對現(xiàn)場設備進行遠程監(jiān)測與控制。因而現(xiàn)代的自動化系統(tǒng)可通過網絡構成信息與控制綜合網絡系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制網絡將現(xiàn)場控制設備通過網絡連接起來，構成分布式控制系統(tǒng)。通過Internet實現(xiàn)遠端計算機對現(xiàn)場控制設備的遠程監(jiān)測與控制。四級網絡就構成現(xiàn)代自動化領域控制網絡系統(tǒng)的基本結構。計算機網絡對生產方式的創(chuàng)新，網上控制，通過網絡進行控制[11-13]。 五、控制策略/算法的發(fā)展趨勢 （1）改進成復合PID控制算法 大量的事實證明。傳統(tǒng)的PID控制算法對于絕大部分工業(yè)過程的被控對象（可高達90％）可取得較好的控制效果。采用改進的PID算法或者將PID算法與其他算法進行有機結合往往可以進一步提高控制質量[14]。 （2）預測控制 預測控制是直接從工業(yè)過程控制中產生的一類基于模型的新型控制算法。它高度結合了工業(yè)實際的要求，綜合控制質量比較高。因而很快引起工業(yè)控制界以及學術界的廣泛興趣與重視。預測控制有三要素，即預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。它的機理表明它是一種開放式的控制策略。體現(xiàn)了人們在處理帶有不確定性問題時的一種通用的思想方法[15]。 根據(jù)預測模型的不同的形式。硬件控制分別稱之為Model Predictive Control（MPC），Generalized Predictive Control（GPC）和Receding Horizon Predictive Control（RHPC）。此外，頂測控制還可以采取其他形式的模型。如非線性模型、模糊模型和神經網絡模型等。 （3）自適應控制 在過程工業(yè)中，不步的過程是時變的，如反應器中催化劑活性的變化。換熱器中結垢的產生與發(fā)展等均會使過程的特性發(fā)生變化。如采用參數(shù)與結構固定不變的控制器。則控制系統(tǒng)的性能會不斷惡化。這時就需要采用自適應控制系統(tǒng)來適應時變的過程。它是辨識與控制的結合。目前，比較成熟的自控制分三類： ·自整定調節(jié)器及其他的簡單自適應控制器。其中，自整定PID調節(jié)器已有成熟產品，并在工程中獲得了較廣泛的應用。 ·磨墨參考自適應控翻，它能自動調整控制規(guī)律。使控制系統(tǒng)的輸出與參考模型的輸出相近。在這些系統(tǒng)中，自適應回路的穩(wěn)定性至關重要。 ·自校正調解節(jié)與控制。瑞典的Astrom與英國的Clarke教授在這方面進行了許多開拓性的研究工作。目內外許多學者在他們的基礎上進行了大量的改進、提高、完善及應用工作，使其更加完善與可靠。 （4）智能控制 隨著科學技術的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應和自學習能力。另外，被控工業(yè)過程日趨復雜，過程嚴重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學模型精確描述。這樣建立在數(shù)學模型基礎上的傳統(tǒng)方法將面臨空前的挑戰(zhàn)，也給智能控制方法的發(fā)展創(chuàng)造了良好的機遇。傳統(tǒng)的控制方法在很大的程度上依賴于過程的數(shù)學模型，但是，至今獲取過程的精確數(shù)學模型仍然是一件十分困難的工作。沒有精確的數(shù)學模型作前提，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設計卻不依賴過程的數(shù)學模型，因而對于復雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制效果。 常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級階梯智能控制、專家控制、人工神經元網絡控制、擬人智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。因此，最近的研究又表明將它們相互交叉結合或與傳統(tǒng)的控制方法結合將會產生更佳的效果。智能控制已在家電行業(yè)及工業(yè)過程中取得了許多成功的應甩。特別是模糊控制方法已在日本的家電行業(yè)中廣泛應用。在國內外，模糊控制與人工神經元網絡也已在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)取得了成功的應用。今后，需要進一步對智能控制的基礎理論進行研究。以此建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設計方法[16]。 六、總結 隨著生產發(fā)展，生產規(guī)模擴大，生產速度加快，使生產過程作為受控對象從簡單、孤立的系統(tǒng)變成復雜的多變量系統(tǒng)，有些甚至是工業(yè)大系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論與大系統(tǒng)理論正是在這種客觀環(huán)境下產生及發(fā)展起來的。它們?yōu)榻鉀Q復雜對象、龐大對象的控制提供了許多控制方案與策略。一般這些方案與策略都比較復雜，用常規(guī)方法難以實現(xiàn)。如改用計算機編程，就變得不那么困難了。計算機控制系統(tǒng)用軟件可以實現(xiàn)復雜控制算法這一優(yōu)點表明，計算機控制具有廣闊的發(fā)展前途，計算機技術和控制理論的不斷發(fā)展及相互結合，出現(xiàn)了更加先進的計算機控制系統(tǒng)，為工業(yè)生產提供了更先進更可靠的控制方案。 七、參考文獻 [1] 王慧,金以慧. 計算機控制系統(tǒng),第一版,北京,化學工業(yè)出版社,2000 [2] 盧明陽. 淺談電氣自動化控制系統(tǒng)的設計[J]. 科技促進發(fā)展(應用版). 2011(02) [3] 王瑛,王宇. 自動化控制系統(tǒng)網絡的發(fā)展[J]. 科技信息(科學教研). 2008(18) [4] 黎毛欣,呂超仁,蔣洪喜,黃彩巒. 計算機集散控制系統(tǒng)在人造板生產線上的應用[J]. 林產工業(yè). 2008(03) [5] 程序控制、計算機控制系統(tǒng)[J]. 電子科技文摘. 2000(04) [6] 張徐亮,張晉斌. 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