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1、HEFEI UNIVERSITY电子系专业导论论文题 目 计算机控制方面综述性读后感 专业 10级自动化（1）班 姓 名 学 号 完成时间 2013/6/26 指导老师 丁健 摘要计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题。计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相结合推动计算机控制技术不断前进。工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发
2、展起来的一门专业技术，他主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。“计算机控制技术”是我国高等学校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业的主干专业课程。本课程主要介绍了计算机的硬件设计技术、数字控制技术、常规及复杂的控制技术、现代控制技术、先进控制技术、分布式测控网络技术和计算机控制系统的设计实现等知识。关键字：计算控制 DDC及相关控制 DCS FCS正文一、计算机控制概述【1】在70年代以前，由于受到控制理论和控制工具的限制，过程工业的自动化水平相对来讲比较低。当时的控制理论主要是经典控制理论，所能用的控制工业主要
3、是常规仪表，如气动或者电动仪表。在控制系统方面，绝大多数是单变量的简单控制系统，对于比较重要的工艺变量则设计串级调节系统或前馈调节系统。上述的简单控制系统对于大多数简单的对象可基本满足要求。但是，对于复杂的对象，也就是说对于高维、大时滞、严重非线性、耦合及严重不确定性对象，上述的简单控制系统往往无能为力。从70年代到80年代，基于现代控制理论的先进过程控制(Advanced Process Control)应运而生。出现先进过程控制的基础有二；一是市场上先进的控制工具如分散式控制系统(DCS)的出现与完善，二是现代控制理论的不断控展与提高。如预测控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以及智能控
4、制等控制策略与方法都已经成为目前国内外学术界与工程界的热门研究课题。国内外已有许多先进过程控制成功的工业应用报导。近些年来，在控制工具方面。出现了一种新的控制系统，称之为现场总线系统(Field Bus system)。现场-总线技术是计算机技术、通信技术、控制技术的综台与集成。它的特点是全数字化，全分散式、全开放、可互操作和开放式互连网络，它克服了DCS的一些缺点，对自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构方面产生了深远的影响。尽管先进过程控制能对重要的工艺变量提高控制质量并产生较明显的经挤效益(如采用卡边控制)，但是它们仍然只是相互孤立的控制系统。许多专家进一步研究发现，将
5、控制、优化、调度、管理等集于一体的新的控制模式并将信号处理技术、数据库技术、通信技术以及计算机网络技术进行有机结台而发展起来的高级自动化其有更重要的意义，因此也就出现了所谓综合自动化系统。这种全新的综合自动化的系统称为计算机集成系统(Computer Integrated Process System，简称CIPS)，可以认为是过程控制发展中的第三阶段。 自从1971年美国Intel公司生产出世界上第一台微处理器Intel 4004以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年就提高一倍，而价格却大幅度下降。在随后30多年的时间里，微型计算机经历了4位机、8位机、16位机、32位机几个大的发展阶段，目
6、前64位机也已经问世。微型计算机的出现，在科学技术上引起了一场深刻的变革。随着半导体集成电路技术的发展，微型计算机的运行速度越来越快，可靠性大大提高，体积越来越小，功能越来越齐全，成本却越来越低，使微型计算机的应用越来越广泛。微型计算机不仅可应用于科学计算、信息处理、办公娱乐、民用产品、家用电器等领域，而且在仪器、仪表及过程控制领域也得到了广泛的应用。仪器、仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理及系统控制等方面有着重要的应用，在许多高精度、高性能、多功能的测量仪器中都采用了微处理器技术。过程控制也是微型计算机应用最多的一个方面，控制对象已从单一的工艺流程扩展到整个企业的生产、管理以及现场各种
7、设备的控制中，采用分布式计算机控制，实现了企业的控制和管理一体化，大大提高了企业的自动化程度。近年来，随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、CRT显示技术、现场总线智能仪表、软件技术以及自控理论的高速发展，计算机控制的技术水平大大提高，计算机控制系统的应用突飞猛进。利用计算机控制技术，人们可以对现场的各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务，微型计算机控制已经被广泛地应用于军事、农业、工业、航空航天以及日常生活的各个领域。可以说，21世纪是计算机和控制技术获得重大发展的时代，大到载人航天飞船的研制成功，小到日用的家用电器，甚至计算机控制的家庭主
8、妇机器人，到处可见计算机控制系统的应用。计算机控制技术的发展日新月异，作为现代从事工业控制和智能仪表研究、开发及使用的技术人员，必须不断学习，加快知识更新的速度，才能适应社会的需要。 二、计算机控制系统【2】1.定义计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也
9、可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。2.组成【3】 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。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出时数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有莫属转换器和数模转换器这两个环节。计算机把通过测量元件
10、、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。这种系统称为闭环控制系统。计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。三、当前过程控制技术的发展趋势【1】过程建模先进过程控制、过程优化、调度与管理等的实施均需要有相应的效学模型作基础。因此，建立数学模型往往是实施高级过程控制的第一步
11、。对于过程工业中种类繁多的对象而盲，由于其物化反应、生化反应等非常复杂的变化，要想从机理来建立一个准确的数学模型是非常困难的。为了得到工程技术人员能够接受的并易于应用的数学模型，往往都不得不进行一些假设使数学模型得以简化，但这些假设又会影响到数学模型准确性。特别是对于一些高维的复杂对象，若采用严格的机理推导往往会得到由几百个乃至几千个微分方程组成的数学模型，它们的求解将会十分困难。目前国内外采用的建模方法大致有两类。一类是机理建模，也就是根据过程本身的内在机理，利用能量平衡、物质平衡、反应动力学等规律来建立系统的模型；另一类是系统辨识方法，也就是根据被控过程的输入、输出数据建立效学模型。属于这
12、类方怯的有最小二乘法、人工神经元网络、模糊模型等。尽管国内外许多学者在过程建模方面做出了卓有成效的努力，使机理建模和系统辨识方法能够在工业过程中得以有效的应用。但是，就目前过程控制水平而言，工业过程模型化仍然是控制系统设计与开发的瓶颈。在这一方面，今后仍有大量的工作要完成。【2】控制策略与方法毫无疑问，在控制系统的设计与开发方面，控制策略(算法)是接心。在这方面。国内外的学者作了长期不懈的努力，取得了许多成果。将这些控制策略应用于关键的控制回路(产品质量控回路)往往可以取得较高的控制质量并产生一定的经济效益。目前，在学术界所研究、开发出来的控制策略(算法)多到令人目不接暇，但其中许多算法仍只停
13、留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的仍为数不多。以下是一些较公认的(特别是能得到工程界的认可)的先进控制策略(算法)：1)改进成复合PlD控制算法大量的事实证明。传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(可高达90)可取得较好的控制效果。采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算按进行有机结合往往可以进一步提高控制质嚣。2)顶测控制【3】预浏控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结合了工业实际的要求，综合控翻质量比较高。因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理
14、表明它是一种开放式的控制策略。体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。根据预测摸型的不同的形式。硬测控制分别称之为Model Predictive Control(MPC)，Generalized Predictive Control(GPC)和Receding Horizon Predictive Control(RHPC)。此外，顶测控制还可以采取其他形式的模型。如非线性模型、模糊模型和神经网络模型等。预测具有一系列的优点。如可以以显式的方式处理约束条件。鲁棒性强、对大时滞过程有补偿作用而且比较容品处理多变量系统中的耦合作用等。正因为预测控制有上述一系列优点，所以它已经被国
15、外一些控制公司开发成为商品化软件而成功地应用于过程工业中。在这方面，许多国外著名的控制工程公司，如Setpoint公司、Treiber公司、Prdfimafies公司、Predictive Control公司、霍尼韦尔公司、横河公司等。都开发了各自的商品化预测控制软件包，并被广泛地应用于大型工业过程控制。特别要提到的是接国Adersa公司在第一代产品IDCoM基础上开发出来的第三代顶澍控制商品化软件Hiecon，经长期的实际运行证明。它的性能良好，巳被浙江大学中控自动化公司作了结合国情的改进并融人其先进控制软件AdvaaTrol中。另外，值得可喜的是，在“九五”计划期间，我国组成了以浙江大学为首的高校攻关组。旨在自行开发我国的工业过程控制商品化软件包，其中就包括有多变量预测控制软件包时。这些软件包的成功开发与应用，将会大大提高我国工业商品化软件的水平并可节省大量的外汇。3)自适应控制【5】在过程工业中，不步的过程是时变的，如
