計算機控制系統

計算機控制系統就是利用計算機（通常稱為工業控制計算機）來實現工業過程自動控制的系統。在計算機控制系統中，由於工業控制機的輸入和輸出是數字信號，而現場採集到得信號或送到執行機構的信號大多是模擬信號，因此與常規的按偏差控制的閉環負反饋系統相比，計算機控制系統需要有數/模轉換器和模/數轉換器這兩個環節。 ^[1] 

計算機把通過測量元件、變送單元和模數轉換器送來的數字信號，直接反饋到輸入端與設定值進行比較，然後根據要求按偏差進行運算，所得到數字量輸出信號經過數模轉換器送到執行機構，對被控對象進行控制，使被控變量穩定在設定值上。這種系統稱為閉環控制系統。

計算機控制系統由工業控制機和生產過程兩大部分組成。工業控制機硬件指計算機本身及外圍設備。硬件包括計算機、過程輸入輸出接口、人機接口、外部存儲器等。軟件系統是能完成各種功能計算機程序的總和，通常包括系統軟件跟應用軟件。

被控對象的範圍很廣，包括各行各業的生產過程、機械裝置、交通工具、機器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設施、家用電器和兒童玩具等。控制目的可以是使被控對象的狀態或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優化目標。計算機控制系統通常具有精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等特點，因此可以實現高級複雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。計算機技術的發展已使整個人類社會發生了可觀的變化，自然也應用到工業生產和企業管理中。而且，計算機所具有的信息處理能力，能夠進一步把過程控制和生產管理有機的結合起來（如CIMS），從而實現工廠、企業的全面自動化管理。

與一般控制系統相同，計算機控制系統可以是閉環的，這時計算機要不斷採集被控對象的各種狀態信息，按照一定的控制策略處理後，輸出控制信息直接影響被控對象。它也可以是開環的，這有兩種方式：一種是計算機只按時間順序或某種給定的規則影響被控對象；另一種是計算機將來自被控對象的信息處理後，只向操作人員提供操作指導信息，然後由人工去影響被控對象。

計算機控制系統由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分和軟件部分，這不同於模擬控制器構成的系統只由硬件組成。計算機控制系統軟件包括系統軟件和應用軟件。系統軟件一般包括操作系統、語言處理程序和服務性程序等，它們通常由計算機制造廠為用户配套，有一定的通用性。應用軟件是為實現特定控制目的而編制的專用程序，如數據採集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等。它們涉及被控對象的自身特徵和控制策略等，由實施控制系統的專業人員自行編制。

忽略數字信號的量化效應，可以將計算機控制系統看成採樣控制系統，在這一系統中，將其中連續的環節離散化，則整個系統又可看成由不同的離散系統構成。計算機控制理論的發展主要是將採樣理論、差分方程、變換理論、狀態空間理論和系統辨識自適應控制等理論綜合應用到控制技術中，使計算機控制系統有了初步發展。對於結構複雜、時變的非線性系統，控制系統則融入了魯棒控制、模糊控制、預測控制等多種新型理論，逐步形成了工業過程控制系統的一個新方向。

自世界第一台電子計算機問世後，計算機首先被用來自動檢測化工生產過程的過程參量並進行相關的數據處理，同時也研究了計算機的開環控制。到二十世紀六十年代，出現了用於過程控制的計算機，實現了直接數字控制。後經集中式計算機控制系統發展到以微處理器為核心的分層式控制系統控制，通過計算機對生產過程進行集中監視、操作和管理控制等。伴隨着計算機處理器等技術的發展，計算機控制技術也隨之發生相應的變革，最終應用到工業生產中並對其產生巨大影響。

在生產、科研等諸多領域裏，有大量的物理量需要按某種變化規律進行控制。在二十世紀三十年代之前，工業生產多處於手工操作的狀態。最初採用基地式儀表控制壓力温度等在一恆定範圍內，初步有了對工業生產的機械控制實踐。隨着電子技術的迅速發展和計算機控制系統的出現，直接實現了工業生產中各參量和過程的數字控制。計算機的微型化使控制技術更加智能化，同時將機械、電子、計算機技術和控制技術有機結合的機電一體化技術也得到迅猛發展，且越來越被廣泛的應用到各生產領域。目前主要形成並應用的機電控制技術主要有PID控制，PID是經典控制理論的代表，它吸收了智能控制思想並利用計算機的優勢，形成了自適應PID和非線性PID等更利於控制的變種PID控制器。另外還有模糊控制(FLC)、變結構控制等，均隨着計算機領域的發展在不斷地拓寬。

機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及計算機軟件系統集合起來所構成的系統總稱，綜合運用機械技術、微電子技術、計算機技術、電力電子技術等對各生產領域的控制過程進行監督操作。它主要應用領域有數控機牀，通過相應的數控技術，在工業操作上結構、功能、操作精度上都有明顯的提高。採用多CPU和多主線的體系結構，豐富了數控功能，也提高了生產效率。

柔性製造系統的應用是計算機技術和製造系統在機電控制工業的應用，是計算機化的製造系統。它主要由計算機、數控機牀、自動化倉庫等組成。在工業上，它可以隨機地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力範圍內的任何工件，更適用於多品種，小批量等的離散零件的批量生產。

交流傳動技術的發展也是隨着電子技術和計算機技術的發展在工業上有了重要的應用，尤其是在鋼鐵工業中，使複雜的矢量控制技術得以實現，無論是大容量電機還是小容量電機現均可使同步電機或者異步電機實現可逆滑調速。也使交流傳動系統在軋鋼生產中得到廣泛的應用。

可編程控制器(PLC)是集計算機技術和自動控制化技術於一體的新型控制系統。這一系統解決了工業控制系統中大量開關控制的問題，逐漸取代了耗能多、故障率高的繼電器控制系統。隨着PLC技術的進步，其應用領域更是不斷擴大，可採集存儲數據，還可對控制系統進行監控。PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。這種過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。此外，隨着工廠網絡自動化的發展，PLC可實現通信及聯網功能，更有助於工業生產的控制過程的監控。如今，PLC技術已經被廣泛應用於冶金、石油、化工、建材、機械製造、電力、汽車、輕工、環保以及文化娛樂等各行各業。

計算機技術和機械電子控制技術一體化的有機結合，不斷使相關的新技術應用到更多的領域中去，這些應用到的領域已經不再侷限於工業的生產，更多技術是切身關係到我們日常的工作和生活。下面舉幾個具體實例來介紹計算機技術和機電控制相結合的實際應用。

PLC實現了機械手移動工件的控制過程。隨着世界經濟和技術的發展，人類活動的範圍不斷擴大，機器人的應用正迅速向社會生產和生活的各個領域擴展，並從製造領域轉向非製造領域，各種各樣的機器人產品隨之出現。隨着機器人的生產和大量應用，很多領域，許多單一、重複的機械工作由機器人(也稱機械手)來完成。工業機器人是一種能進行自動控制的、可重複編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，廣泛採用工業機器人，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本有重要意義。與計算機及網絡技術相結合應用的工業機器人的廣泛使用正在日益改變着人類的生產和生活方式。

農業方面，機械作業過程中駕駛室內的儀表盤正迅速由電子監視儀表取代並逐步由單一參數顯示方式向智能化信息顯示終端過渡，以此來改善人機交互界面。這種智能化顯示終端又被稱為虛擬化儀器顯示終端(Virtual Display Terminal)，它代表了當代儀器與控制裝置發展的主流方向。它可通過屏幕任意選擇顯示機組中不同部分的終端信息，在屏幕上按操作者的需求，調用數據庫信息，顯示數據、圖形、語音等多媒體信息。另外，還可以將數據信息動態存入類似信用卡尺寸大小的高密度智能化數據存儲卡，將農業作業過程的數據信息通過智能卡帶回辦公室，由計算機應用高級軟件進行處理。也可以將管理者的決策和操作指令通過智能卡傳送到拖拉機上的智能控制終端，實現自動控制農機的操作。

PLC在自動售貨機中的應用。自動售貨機通過顧客選擇商品開關，投入的硬幣值由PLC驅動數碼管顯示，經過光傳感器識別，通過判斷，進行下一步操作，經過PLC的系統控制和信號輸出完成售賣過程。計算機技術和機電自動控制在自動售貨機中的這項應用極大方便了人們的生活，也使PLC的應用更加廣泛。

交通信號燈系統也是微機軟件應用到電子控制系統中的典型實例。通過主要應用PLC技術控制十字路口的信號燈動作。準確無誤的完成信號燈的變燈動作來控制時間，這項應用更是極大方便了人們日常生活工作的出行。

電腦橫機中計算機技術的應用給機械編織行業帶來了巨大的變革。電腦橫機是一種涉及到計算機、機械、電子、控制等諸多領域的複雜系統。電腦橫機的編織是一個極其複雜的過程，最初的橫機是手動橫機，只能勝任比較簡單的編織過程。隨着計算機技術應用到電腦橫機中，通過電腦的自動控制，設計人員可對編織花型進行數字化設計，通過計算機數字直接控制機械的退圈、墊沙、脱圈、彎沙等相應的機械編織動作，由計算機指令控制系統完成整個設計的編織，極大地提高了工業生產效率。

與機電一體化相關的技術還有很多，並且隨着科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，以機械技術、微電子技術的有機結合為主體的機電一體化技術是機械工業發展的必然趨勢。

在這種應用中，計算機只承擔數據的採集跟處理工作，而不直接參與控制。它對生產過程各種工藝變量進行巡迴檢測、處理、記錄及變量的超限報警，同時對這些變量進行累計分析和實時分析，得出各種趨勢分析，為操作人員提供參考。

計算機根據控制規律進行運算，然後將結果經過過程輸出通道，作用到被控對象，從而使被控變量符合要求的性能指標。與模擬系統不同之處在於，在模擬系統中，信號的傳送不需要數字化；而數字系統必須先進行模數轉換，輸出控制信號也必須進行數模轉換，然後才能驅動執行機構。因為計算機有較強的計算能力，所以控制算法的改變很方便。

由於計算機直接承擔控制任務，所以要求實時性要好、可靠性高和適應性強。

這個系統根據生產過程的工況和已定的數學模型，進行優化分析計算，產生最優化設定值，送給直接數字控制系統執行。監督計算機系統承擔着高級控制與管理任務，要求數據處理功能強，存儲容量大等，一般採用較高檔微機。

也就是DCS系統，具體請看集散控制系統的詞條。

也就是FCS，是新一代分佈式控制系統。該系統改進了DCS系統成本高，各廠商的產品通信標準不統一而造成不能互聯的弱點。

近年來，由於現場總線的發展，智能傳感器跟執行器也向數字化方向發展，用數字信號取代4-20mA模擬信號，為現場總線的應用奠定了基礎。現場總線是連接工業現場儀表和控制裝置之間的全數字化、雙向、多站點的串行通信網絡。現場總線被稱為21世紀的工業控制網絡標準。

微型計算機控制系統的發展是與組成該控制系統的核心部分 — 微型計算機的發展緊密相連的。微型計算機和微處理器自從 20 世紀 70 年代崛起以來，發展極為迅猛：芯片的集成度越來越高；半導體存儲器的容量越來越大；控制和計算機性能，幾乎每兩年就提高一個數量級。另外，大量新型接口和專用芯片不斷湧現、軟件的日益完善和豐富，大大擴大了微型計算機的功能，這為促進微型計算機機系統的發展創造了條件。

目前，計算機控制技術正向智能化、網絡化和集成化的方向發展。微型計算機控制系統的發展趨勢右以下幾個方面

· 以工業 PC 為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流。

· PLC 在向微型化、網絡化、 PC 化合開放性方向發展。

· 面向測控管一體化設計的 DCS 系統。

· 控制系統正向現場總線（ FCS ）方向發展。

· 儀器儀表技術在向數字化、智能化、網絡化、微型化方向發展。

· 工業控制網絡將向有線和無線相結合的方向發展。

· 工業控制軟件正向先進控制方向發展。

工業控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。傳統的自動化系統，基礎自動化部分基本被 PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由小型機組成。20世紀90年代以來，由於PC-based的工業計算機（工業PC）的發展，以工業PC、I/O裝置、監控裝置、控制網絡組成的PC-based的自動化系統得到了迅速普及，成為實現低成本工業自動化的重要途徑。 ^[2] 

由於基於 PC的控制器被證明可以像PLC一樣可靠，並且被操作和維護人員接受，所以，一個接一個的製造商至少在部分生產中正在採用PC控制方案。基於PC的控制系統易於安裝和使用，有高級的診斷功能，為系統集成商提供了更靈活的選擇，從長遠角度看，PC控制系統維護成本低。

工業 PC主要包含兩種類型：IPC工控機和CompactPCI工控機以及它們的變形機。由於基礎自動化和過程自動化對工業PC的運行穩定性、熱插拔和冗餘配置要求很高，現有的IPC已經不能完全滿足要求，將逐漸退出該領域，取而代之的將是 CompactPCI-based工控機，而IPC將佔據管理自動化層。

當 “ 軟 PLC ” 出現時，曾認為工業 PC將會取代PLC。然而，時至今日工業PC並沒有代替PLC，主要有兩個原因：一個是系統集成商的原因；另一個是軟件操作系統的原因。一個成功的PC-based控制系統要具備兩點：一是所有工作要由一個平台上的軟件完成；二是向客户提供所需要的所有東西。工業PC與PLC的競爭將主要在高端應用上，其數據複雜且設備集成度高。工業PC不可能與低價的微型PLC競爭，這也是PLC市場增長最快的一部分。從發展趨勢看，控制系統的將來很可能存在於工業PC 和 PLC之間。

PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展：

長期以來，PLC始終處於工業控制自動化領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供非常可靠的控制方案，與DCS和工業PC形成了三足鼎立之勢。同時，PLC也承受着來自其它技術產品的衝擊，尤其是工業PC所帶來的衝擊。

微型化、網絡化、PC化和開放性是PLC未來發展的主要方向。在基於PLC自動化的早期，PLC體積大而且價格昂貴。但在最近幾年，微型PLC已經出現，價格只有幾百元。隨着軟PLC控制組態軟件的進一步完善和發展，安裝有軟PLC組態軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。

當前，過程控制領域最大的發展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展，PLC也不例外。越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口。可以相信，PLC將繼續向開放式控制系統方向轉移，尤其是基於工業PC的控制系統。

小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發展的主要方向。小型DCS所佔有的市場，已逐步與PLC、工業PC、FCS共享。今後小型DCS可能首先與這三種系統融合，而且 “ 軟 DCS ” 技術將首先在小型 DCS中得到發展。PC-based控制將更加廣泛地應用於中小規模的過程控制，各DCS廠商也將紛紛推出基於工業PC的小型DCS系統。開放性的DCS系統將同時向上和向下雙向延伸，使來自生產過程的現場數據在整個企業內部自由流動，實現信息技術與控制技術的無縫連接，向測控管一體化方向發展。

由於3C技術的發展，過程控制系統將由DCS發展到FCS。FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備中。基於現場總線的FCS又是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統，它將取代現場一對一的4－20mA模擬信號線，給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化。

根據IEC61158的定義，現場總線是安裝在製造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線使測控設備具備了數字計算和數字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統與設備的功能、性能。除了 IEC61158的8種現場總線外，IEC TC17B通過了三種總線標準：SDS、ASI、Device NET。另外，ISO公佈了ISO 11898 CAN標準。在各種現場總線的競爭中，以Ethernet為代表的COTS通信技術正成為現場總線發展中新的亮點。採用現場總線技術構造低成本的現場總線控制系統，促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統的技術發展趨勢。總之，計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統（ DCS）後，將朝着現場總線控制系統（FCS）的方向發展。雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快，但FCS發展還有很多工作要做，如統一標準、儀表智能化等。另外，傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個較長的過程，同時DCS本身也在不斷的發展與完善。可以肯定的是，結合DCS、工業以太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業以太網以及現場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式，在工業現場得到了越來越多的應用，並將在控制領域中佔有更加重要的地位。

計算機網絡技術、無線技術以及智能傳感器技術的結合，產生了 “ 基於無線技術的網絡化智能傳感器 ” 的全新概念。這種基於無線技術的網絡化智能傳感器使得工業現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、發佈和共享。無線局域網技術能夠在工廠環境下，為各種智能現場設備、移動機器人以及各種自動化設備之間的通信提供高帶寬的無線數據鏈路和靈活的網絡拓撲結構，在一些特殊環境下有效地彌補了有線網絡的不足，進一步完善了工業控制網絡的通信性能 。 ^[3]