计算机控制在生产工业中应用及发展方向

摘要: 本文简要介绍了计算机控制系统的原理，同时分别介绍了计算机控制技术的特点及其应用现状，在综述部分对计算机控制技术的发展方向进行展望。

关键词: 计算机控制系统，工业应用，发展方向

一．概述     

在近几年里，计算机技术得到了极大的发展和完善,由于采用了更多的可靠元件、尖端的设计工艺，增加了容错技术、冗余诊断程序，系统的可靠性也得到较大的提高；传统的过程控制功能与诸如生产计划、调度、优化及操作控制等实时信息处理和决策应用的不断渗透、融合，使通过高级计算机控制实现各种过程高性能目标的手段变得越来越可靠和更为强劲有力，功能价格比也日趋合理。因而，使计算机控制在工业中的应用得到了迅猛的发展，计算机控制系统正越来越广泛地应用于石油、化工、钢铁、造纸、电力等工业部门，并在提高设备处理能力和生产效率、产品质量，有效利用能源等方面发挥着举足轻重的作用。其满足环保、人身安全等严格要求并在日益激烈的国内外市场竞争中，逐渐脱颖而出。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成，一个完整的计算机控制系统由以下几部分组成：被控对象，主机，外部设备，外围设备，自动化仪表和相应的软件系统。

二．计算机控制系统的工作原理  

1．实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入  

2．实施控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理并按已定的控制规律决定将要采 取的控制行为。  

3.实时控制输入：根据控制决策，实时的对执行机构发出控制信号，完成控制任务

三．计算机控制系统的特点

 由于计算机本身的特点，计算机控制系统与常规的调节控制系统相比，具有以下特点：

1.控制规律灵活多样，计算机的控制功能是通过硬件软件相结合共同实现的，可以通过修改软件来改变控制方案和控制机的功能，改动方便  

2.控制精度高，通过多字长的数值运算，可以实现常规调节器难以达到的控制精度，抑制扰动能力强，不存在零点漂移，热噪声及元件老化对控制精度的影响，能实现最优控制 

3.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高，计算机具有分时处理能力，一个计算机可以对多个控制回路进行控制。  

4.控制与管理一体化，如生产计划调度，经济核算，进一步提高自动化程。

四．计算机控制在工业中的应用

1,传感器开发       

系统的控制能力原则上要受到控制系统信息质量的。目前，已经开发出了各种类型的传感器，应用于工业过程通用物理量、如压力、流通、温度、速度的在线测量；但是，在进行化学成分，产品质量检测分析时，传感器则会受到过程环境的测量费用、精度、响应速度、适用性等各因素的。因此，新型传感器的开发，则成了生产厂家和用户致力于的一项研究活动。

归纳起来，这类开发工作主要集中于以下三方面：     （

(1)新兴物理原理和物理特性的应用。如：化学浓度测量用离散固态元件的开发。     

(2)智能传感器的开发，指带一个或多个传感元件的微处理器。它主要应用于过程变量值的计算；对输出数据进行筛选、线性化及离散处理；自动校验处理，提高测量精度及可靠性。       

(3)测量系统：是智能传感器的发展，但增加了计算机、多个传感器及传感器定位伺服机构。     

2.高级控制技术  

现在，已经应用于工业领域的一些高级控制方式有：     

(1)建立于内在模型基础上的内模控制(IMC)，根据控制过程的动态模型，对系统控制动作的响应情况进行预测和控制，选择出最优处理手段，以满足目标需求；以此为基础，还可推出如应用于化学、石油工业过程的动态矩阵控制、推断控制等其它高级控制方式。   

(2)状态反馈控制和卡尔曼滤波控制。    

(3)自适应及自整定控制：它通过更新控制器参数，改变过程特性，能有效扩大直接控制功能的应用范围。     

3.机器人      

美国、日本及其它工业发达的国家正投入大量的人力、物力和财力致力于机器人的研制与开发。这些机器人主要应用于制造行业，也将在过程工业中发挥越来越重要的作用。大家知道，即便是在连续处理过程中，系统运行也会被各种离散事件、如开机、停机、产品包装及运输等中断。为此，批处理技术正日益显示出其优越性，而广泛地应用于医药、精细化工、生物技术产品制造等生产过程。这也是机器人应用的一个巨大潜在领域。可以预估，随着计算机控制系统的应用发展，必将会有更多的，比执行器更灵活的机器人应用于控制结构体系的一级决策方面。 

4.制造系统      

同过程类控制系统一样，制造系统的发展也是令人可喜的，以前所提及的如：问题、目标和控制概念基本上都是直接应用到制造系统的，更广泛地说，是应用到离散事件类控制系统。但值得注意的是，由于引入了自动化制造工具、柔性制造工艺、适时策略及少量的在线存贮设备和机器人，现在的制造系统已经具备了进行更高级操作处理的能力。但是，这也使其操作处理更依附于计算机控制系统，因为唯有这样，才能实现全厂系统的有效集中控制。这个问题已经成了今后面临的又一大新研究课题。

5.专家系统       

专家系统作为一种新兴的控制技术，已引起人们广泛的兴趣和关注，它能相当大程度地扩大工业系统控制计算机的有效性及适用方面，可应用于自适应控制、过程诊断、生产调度、计算机辅助设计、智能传感器／自动检测以及批量过程处理等诸多方面。具有以下特点和属性:      

•能提高控制系统的有效度    

•扩大自动控制应用领域；   

•利于系统设计、启动、新知识、新条件、更新处理；    

•能提高系统的总体可靠性。   

专家系统也被称为是一种机器或计算机程序，因为它能模拟技术专家思维，灵活地进行各种规定动作的处理。它由一个知识库(包含决策知识和决策规则)、一个数据库(如传感器读数、报警信号)和一台推理机构成。主要属性有：     

（1）具有一个优秀操作员或设计师、决策专家具有的判定经验及直觉知识；   （2）能灵活自如地将直观推断、推理及各种推理规则应用到推理过程；   

（3）能向用户显示全部推理过程(如：对某一决策做出“为什么”之类的解释)

五．计算机控制系统的发展趋势  

大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面：

 a.普及应用可编程序控制器 

b.采用集散控制系统 

c.研究和发展智能控制系统

六．总结

计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。在计算机控制系统中，用计算机代替自动化控制系统中的常规控制设备，对动态系统进行调节和控制，是对自动控制系统所使用技术装备的革新，改变了自动控制系统的结构。目前，计算机控制技术应用需求很大，将来一定有很大的发展前景。

七．参考文献

1.王锦标，《现场总线控制系统》微计算机信息，1996

2.张宇河,《计算机控制系统》北京理工大学出版社,1996

3.耿宏伟，《计算机控制技术》 实践系统的研制[J]，1994

4.顾德英，《计算机控制技术与系统》[M]，北京邮电大学出版社，2007

5.许勇，《计算机控制技术》[M]，机械工业出版社，2008