(完整版)计算机控制系统的发展历程

浅谈计算机控制系统的发展

摘要：论述了计算机控制系统的发展历史及发展趋势，分析了计算机控制系统的组成部分及其特点。并且对当前计算机系统的发展情况做出评价。

关键词：计算机控制系统发展

1 引言

计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统，并且是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。

2 计算机控制系统的发展情况

在60 年代,控制领域中就引入了计算机。当时计算机的作用是控制调节器的设定点，具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称作是计算机监控系统。这种系统的调节器主要是采用了模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中, 计算机不但完成操作处理,还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制, 以使被控量达到理想的工作状态。这种控制系统即常说的直接数字控制( DDC) 系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。

由于整个系统中只有一台计算机, 因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层, 所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集

中，一旦计算机发生故障，整个系统就会停顿，影响了这种系统的进一步推广应用。

70年代大规模集成电路的出现为集散控制系统的出现奠定了基础。75 年美国Honeywell 公司首先推出了以微处理器为基础总体分散型控制系统,其含义是集中管理、分散控制,因而称之为集散控制系统( DCS )。DCS 的出现使系统的控制方式发生了质的变化，是控制史上的里程碑。该系统从综合自动化的角度，按功能分散、协调集中的原则设计，具有高可靠性、高实时性，是用于生产管理、数据采集和各种过程控制的计算机控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构，如图 1 所示。

图 1 典型集散控制系统的网格结构

分布式控制系统是在集散控制系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的更新一代的控制系统，因而两者的系统网络结构有相似的地方。分布式控制系统如图2 所示。

图2 分布式控制系统的组成结构

分布式控制系统更强调各子系统间的协作关系,有明确的分解策略和算法。

通常分布式控制系统的分层、分解和结构划分上遵循3个原则，即：纵向分

层，横向分解，多级结构与分布结构。分布式控制系统的最大特点是较为充分

地考虑了各子系统之间的关联关系, 并采用分解—协调控制算法，实施对各子

系统之间控制目标的协调管理，使系统控制目标优化程度提高，可靠性增强。

3 计算机控制系统的发展趋势

随着企业网技术的发展，计算机控制系统的网络通讯能力和网络连接规模得到极大提高，使得原本在分布式的网络环境中较难实现的数据传输和交换，可以在一个贯穿的网络环境中实现。尤其是现场级网络技术在工业控制系统中的出现，带来现场级设备和仪表单元的网络化，从而使控制系统的底层也可以通过网络相互连接起来。同时，每个网端可以容纳不同回路系统的现场级设备和仪表单元，而实际上不同的网端还可以通过网桥相互连接，这样就使得现场级网络的连接能力可以进一步提高。新一代计算机控制系统的结构发生了明显变化，逐步形成两层网络的系统结构（如图3所示）。

图3 两层网络的计算机控制系统结构

在此种计算机控制系统结构中，上层负责完成高层管理功能, 包括各种控

制功能之间的协调、系统优化调度、信息综合管理和组织以及总体任务的规划等。底层负责完成所有具体控制任务，如参数调节的回路控制、过程数据的采

集和显示、现场控制的监视以及故障诊断和处理等。因此，新的系统结构使得

整体系统出现了扁平化趋势，即所有的高层次控制、管理和调度任务均在上一

层完成,而所有的具体控制、显示、记录和诊断任务均在下一层完成。这种系统的优势是：简化了系统的结构和层次，缩短了上层控制任务到下层单元实施过程，实现了较大规模的信息交换公共平台，加强了上层子系统与下层子系统或单元之间的联系。

4 计算机控制系统的发展评价

计算机控制系统的发展及应用，除了受到系统优缺点的影响，系统实际控制质量还起着重要的作用。在计算机控制系统的发展过程中始终存在对系统控制质量的评价问题。一般从以下几个方面对控制系统进行评价。

第一，对系统质量的评价。其主要包括采用的控制结构、设计的控制算法、具有的各种功能以及能够达到的控制指标。一个优良的控制系统所采用的控制结构应当简单而合理，控制算法应当在满足控制指标要求的同时尽量简单，所提供的功能应当尽量广泛。

第二，对系统实时性的评价。对系统实时性的评价应当采用分级分回路分别进行的方法。不同的级对实时性的要求不同，愈靠近底层实时性要求越高。即使在同一级，不同的控制任务对实时性的要求也不同。

第三，对系统可靠性的评价。系统可靠性有完整的衡量指标与设计方法。系统的可靠性的主要指标包括系统设备故障率、系统故障累计概率、系统利用率、系统平均无故障时间、修复时间等。

第四，对系统可扩展性的评价。为适应生产的发展和系统的应用范围，可扩展性是必不可少的，对任何一个控制系统来说，可扩展性主要表现为可扩展多少通道、多少接口、多少回路、多少采样点，以及可提供多少存储容量和内存空间。

第五，对经济指标的评价。通常采用性能价格比进行系统经济指标的评价，即将系统建设的费用与系统能够实现的功能相比较，以确定系统的整体效益和应用前景。

5 结语

计算机控制就是用计算机对一个动态对象或过程进行控制。在计算机控制系统中，用计算机代替自动控制系统中的常规控制设备，对动态系统进行调节和控