計算機控制系統

與被控對象的聯繫和部件間的聯繫，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數字信號進行聯繫；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯繫。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、儀器儀錶、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。

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后，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后，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，其控制部分包括硬體部分和軟體部分，這不同於模擬控制器構成的系統只由硬體組成。計算機控制系統軟體包括系統軟體和應用軟體。系統軟體一般包括操作系統、語言處理程序和服務性程序等，它們通常由計算機製造廠為用戶配套，有一定的通用性。應用軟體是為實現特定控制目的而編製的專用程序，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製。

計算機控制系統的分類

計算機控制系統的分類有三種方法：以自動控制行式分類，以參於控制方式分類或以調節規律分類。

一、以自動控制行式分類

以自動控制方式可以分成如下幾類：

（一) 計算機開環控制(Computer Open Loop Control)系統

若計算機開環控制系統的輸出對生產過程能行使控制，但控制結果---生產過程的狀態沒有影響計算機控制的系統，計算機\控制器\生產過程等環節沒有構成閉合環路，則稱之為計算機開環控制系統。從圖上看出生產過程的狀態沒有反饋給計算機，而是由操作人員監視生產過程的狀態，決定控制方案，並告訴控制計算機使其行使控制作用.

(二) 計算機閉環控制

計算機對生產對象或過程進行控制時，生產過程狀態能直接影響計算機控制的系統，稱之為計算機閉環控制系統。控制計算機在操作人員監視下，自動接受生產過程狀態檢測結果，計算並確定控制方案，直接指揮控制部件(器)的動作，行使控制生產過程作用.

在這樣的系統中，控制部件按控制機發來的控制信息對運行設備進行控制，另一方面運行設備的運行狀態作為輸出，由檢測部件測出后，作為輸入反饋給控制計算機；從而使控制計算機\控制部件\生產過程\檢測部件構成一個閉環迴路。我們將這種控制形式稱之為控制計算機閉環控制.

計算機閉環控制系統，利用數學模型設置生產過程最佳值與檢測結果反饋值之間的偏差，控制達到生產過程運行在最佳狀態.

(三) 在線控制

只要計算機對受控對象或受控生產過程，能夠行使直接控制，不需要人工干預的都稱之為控制計算機在線控制或稱聯機控制系統.

(四) 離線控制

控制計算機沒有直接參於控制對象或受控生產過程。它只完成受控對象或受控過程的狀態檢測，並對檢測的數據進行處理；而後制定出控制方案，輸出控制指示，操作人員參考控制指示，人工手動操作使控制部件對受控對象或受控過程進行控制。這種控制形式稱之為計算機離線控制系統.

(五) 實時控制系統

控制計算機實時控制系統是指受控制的對象或受控過程，每當請求處理或請求控制時，控制機能及時處理並進行控制的系統，常用在生產過程是間斷進行的場合軋出一塊鋼算一個過程，每個過程都重複進行。只有進入過程才要求計算機進行控制。在計算機一旦進行控制時，就要求計算機對來自生產過程的信息在規定的時間內作出反應或控制。這種系統常使用完善的中斷系統和中斷處理程序來實現。綜上所述，一個在線系統並不一定是實時系統。但是一個實時系統必是一個在線系統.

二、以參於控制方式來分類

按控制機參於控制方式來分類，可分成如下幾種：

（一）直接數字控制系統

由控制計算機取代常規的模擬調節儀錶而直接對生產過程進行控制，由於計算機發出的信號為數字量，故得名DDC控制。實際上受控的生產過程的控制部件，接受的控制信號可以通過控制機的過程輸入/輸出通道中的數/模(D/A)轉換器將計算機輸出的數字控制量中轉換成模擬量；輸入的模擬量也要經控制機的過程輸入/輸出通道的模/數(A/D)轉換器轉換成數字量進入計算機.

DDC控制系統中常使用小型計算機或微型機的分時系統來實現多個點的控制功能。實際上是屬於用控制機離散採樣，實現離散多點控制。這種DDC計算機控制系統已成為當前計算機控制系統中主要控制形式之一.

DDC控制的優點是靈活性大，集中可靠性高和價格便宜。能用數字運算形式對若干個迴路，甚至數十個迴路的生產過程，進行比例--- 積分---微分(PID)控制，使工業受控對象的狀態保持在給定值上，偏差小且穩定。而且只要改變控制演演算法和應用程序便可實現較複雜的控制。如前饋控制和最佳控制等。一般情況下,DDC級控制常作為更複雜的高級控制的執行級.

(二) 計算機監督控制系統

計算機監督控制系統是針對某一種生產過程，依據生產過程的各種狀態，按生產過程的數學模型計算出生產設備應運行的最佳給定值，並將最佳值自動地或人工對DDC執行級的計算機或對模擬調節儀錶進行調正或設定控制的目標值。由DDC或調節儀錶對生產過程各個點(運行設備)行使控制.

SCC系統的特點是能保證受控的生產過程始終處於最佳狀態情況下運行，因而獲得最大效益。直接影響SCC效果優劣的首先是它的數學模型，為此要經常在運行過程中改進數學模型，並相應修改控制演演算法和應用控制程序.

(三) 多級控制系統

在現代生產企業中，不僅需要解決生產過程的在線控制問題，而且還要求解決生產管理問題，每日生產品種、數量的計劃調度以及月季計劃安排，制定長遠規劃、預報銷售前景等, 於是出現了多級控制系統.

DDC級主要用於直接控制生產過程，進行PID或前饋控制;SCC級主要用於進行最佳控制或自適應控制或自學習控制計算，並指揮DDC級控制同時向MIS級彙報情況.DDC級通常用微型計算機,SCC級一般用小型計算機或高檔微型計算機.

車間管理的MIS主要功能是根據工廠級下達的生產品種、數量命令和搜集上來的生產過程的狀態的信息，隨時進行合理調度，實現最優控制，指揮SCC級監督控制.

工廠管理級的MIS主要功能是接受公司下達的生產任務和本廠的實際情況，進行最優化計算，制訂本廠生產計劃和短期(旬或周或日)安排，然後給車間級下達生產任務.

公司管理級的MIS主要功能是對市場需求預測計算，制訂戰略上的長期發展規劃，並對訂貨合同，原料供應情況和企業的生產狀況，進行最優生產方案的比較選擇計算，制訂出整個公司企業較長時間(月或旬)的生產計劃、銷售計劃，並向各工廠管理級下達任務.

MIS級主要功能是實現信息實時處理，為各級決策者提供有用的信息，作出關於生產計劃\調度和管理方案，使計劃協調和經營管理處於最優狀態。這一級可根據企業的規模和管理範圍的大小分成若干級。每級又依據要處理的信息量的大小確定採用的計算機的類型.一般情況車間級MIS用小型計算機或高檔微型計算機，工廠管理級的MIS用中型計算機，而公司管理級的MIS則用大型計算機，或者用超大型計算機.

(四)分散式控制或分散控制系統

分散控制或分佈控制，是將控制系統分成若干個獨立的局部控制子系統,用以完成受控生產過程自動控制任務。由於微型計算機的出現與迅速發展，為實現分散控制提供了物質和技術基礎，近年來分散控制得以異乎尋常的發展，且已成為計算機控制發展的重要趨勢.

自70年代起，又出現集中分散式的控制系統，簡稱集散系統。它是採用分散局部控制的新型的計算機控制系統.

三、按調節規律分類

如果按調節規律分類，計算機對工業生產過程進行控制所構成的系統可分成如下幾種:

(一)程序控制

如果計算機控制系統是按著預先規定的時間函數進行控制，這種控制稱之為程序控制。如爐溫按著一定的時間曲線進行控制就為程序控制。這裡的程序是指隨時間變化就有確定對應變化值，而不是計算機所運行的程序.

(二)順序控制

在程序控制的基礎上產生了順序控制，計算機如能根據隨時間推移所確定對應值和此刻以前的控制結果兩方面情況行使對生產過程式控制制的系統，稱之為計算機的順序控制.

(三) 比例--積分--微分PID控制常規的模擬調節儀錶可以完成PID控制。用微型計算機也可以實現PID控制.

(四)前饋控制

通常的反饋控制系統中，對干擾造成一定後果，才能反饋過來產生抑制干擾的控制作用，因而產生滯后控制的不良後果。為了克服這種滯后的不良控制，用計算機接受干擾信號后，在還沒有產生後果之前插入一個前饋控制作用，使其剛好在干擾點上完全抵消干擾對控制變數的影響，因而又得名為擾動補償控制.

(五)最優控制(最佳控制)系統

控制計算機如能有受控對象處於最佳狀態運行的控制系統稱之為最佳控制系統。如用計算機控制系統就是在現有的限定條件下，恰當選擇控制規律(數學模型),使受控對象運行指標處於最優狀態。如產量最大、消耗最大、質量合格率最高、廢品率最少等。最佳狀態是由定出的數學模型確定的，有時是在限定的某幾種範圍內追求單項最好指標，有時是要求綜合性最優指標.

(六)自適應控制系統

上述的最佳控制，當工作條件或限定條件改變時，就不能獲得最佳的控制效果了。如果在工作條件改變的情況下，仍然能的控制系統對受控對象的控制處於最佳狀態，這樣的控制系統稱之為自適應系統。這就要求數學模型體現出在條件改變的情況下，如何達到最佳狀態。控制計算機檢測到條件改變的信息，按數學模型給出的規律進行計算，用以改變控制變數，使受控對象仍能處在最好狀態.

(七)自學習控制系統

如果用計算機能夠不斷地根據受控對象運行結果積累經驗，自行改變和完善控制規律，使控制效果愈來愈好，這樣的控制系統被稱為自學習控制系統.

以上講到的最優控制、自適應控制和自學習控制都涉及到多參數、多變數的複雜控制系統，都屬於近代控制理論研究的問題。系統的穩定性的判斷，多種因素影響控制的複雜數學模型研究等，都必須有生產管理、生產工藝、自動控制、檢測儀錶、程序設計、計算機硬體各方面人員相互配合才能得以實現。由受控對象要求反應時間的長短、控制點數多少和數學模型複雜程度來決定選用計算機規模。一般來說需要功能很強（速度與計算功能）的計算機才能實現。

上述諸種控制，可以是單一種也可不是單一的，可以幾種形式結合對生產過程實現控制。這要針對受控對象的實際情況，在系統分析、系統設計時確定。

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。 

徠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，使被控變數穩定在設定值上。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。工業控制機硬體指計算機本身及外圍設備。硬體包括計算機、過程輸入輸出介面、人機介面、外部存儲器等。軟體系統是能完成各種功能計算機程序的總和，通常包括系統軟體跟應用軟體。

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、儀器儀錶、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，能夠進一步把過程式控制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后，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后，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，其控制部分包括硬體部分和軟體部分，這不同於模擬控制器構成的系統只由硬體組成。計算機控制系統軟體包括系統軟體和應用軟體。系統軟體一般包括操作系統、語言處理程序和服務性程序等，它們通常由計算機製造廠為用戶配套，有一定的通用性。應用軟體是為實現特定控制目的而編製的專用程序，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製。

在生產、科研等諸多領域裡，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。最初採用基地式儀錶控制壓力溫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。隨著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，均隨著計算機領域的發展在不斷地拓寬。

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式控制制系統的一個新方向。

自世界第一台電子計算機問世后，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，出現了用於過程式控制制的計算機，實現了直接數字控制。后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。伴隨著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數進行巡迴檢測、處理、記錄及變數的超限報警，同時對這些變數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。

直接數字控制系統

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，從而使被控變數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，所以控制演演算法的改變很方便。

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。

監督計算機控制系統

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著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。

分級控制系統

也就是DCS系統，具體請看集散控制系統的詞條。

現場匯流排控制系統

也就是FCS，是新一代分散式控制系統。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，由於現場匯流排的發展，智能感測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，為現場匯流排的應用奠定了基礎。現場匯流排是連接工業現場儀錶和控制裝置之間的全數字化、雙向、多站點的串列通信網路。現場匯流排被稱為21世紀的工業控制網路標準。

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：晶元的集成度越來越高；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，大量新型介面和專用晶元不斷湧現、軟體的日益完善和豐富，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、網路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、網路化、 PC 化合開放性方向發展。

面向測控管一體化設計的 DCS 系統。

控制系統正向現場匯流排（ FCS ）方向發展。

儀器儀錶技術在向數字化、智能化、網路化、微型化方向發展。

工業控制網路將向有線和無線相結合的方向發展。

工業控制軟體正向先進控制方向發展。

以工業 PC為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流:

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、控制網路組成的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。 

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；另一個是軟體操作系統的原因。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體完成；二是向客戶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、網路化、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也承受著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、網路化、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。隨著軟PLC控制組態軟體的進一步完善和發展，安裝有軟PLC組態軟體和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。

當前，過程式控制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介面。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。

面向測控管一體化設計的 DCS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式控制制，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。

控制系統正在向現場匯流排（ FCS）方向發展：

由於3C技術的發展，過程式控制制系統將由DCS發展到FCS。FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備中。基於現場匯流排的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，現場匯流排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路。現場匯流排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種現場匯流排外，IEC TC17B通過了三種匯流排標準：SDS、ASI、Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標準。在各種現場匯流排的競爭中，以Ethernet為代表的COTS通信技術正成為現場匯流排發展中新的亮點。採用現場匯流排技術構造低成本的現場匯流排控制系統，促進現場儀錶的智能化、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錶控制系統、電動單元組合式模擬儀錶控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統（ DCS）后，將朝著現場匯流排控制系統（FCS）的方向發展。雖然以現場匯流排為基礎的FCS發展很快，但FCS發展還有很多工作要做，如統一標準、儀錶智能化等。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、工業乙太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業乙太網以及現場匯流排技術作為一種靈活、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。

計算機網路技術、無線技術以及智能感測器技術的結合，產生了“基於無線技術的網路化智能感測器”的全新概念。這種基於無線技術的網路化智能感測器使得工業現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網路上傳輸、發布和共享。無線區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路拓撲結構，在一些特殊環境下有效地彌補了有線網路的不足，進一步完善了工業控制網路的通信性能。