計算機(jī)實時控制技術(shù)綜述報告題目 計算機(jī)實時控制技術(shù)綜述 系別 機(jī)械電子工程 姓名（學(xué)號） 張夢輝（21525074） 指導(dǎo) 老師 王宣銀 完成 時間 2015/11/4 摘要:本文簡要介紹了計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的原理，根據(jù)當(dāng)前計算機(jī)實時控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了計算機(jī)實時控制技術(shù)的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)，指出計算機(jī)實時控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢，在控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方面，控制策略（算法）是核心，簡述一些較公認(rèn)的（特別是能得到工程界的認(rèn)可）的先進(jìn)控制策略（算法）以及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞: 計算機(jī)實時控制系統(tǒng)； 原理； 現(xiàn)狀； 趨勢； 控制算法一、計算機(jī)實時控制系統(tǒng)概述自動控制是指通過控制裝置使過程在沒有人直接參與的情況下自動地按照預(yù)定的要求運行。計算機(jī)實時控制系統(tǒng)是以計算機(jī)為核心的實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)1。用計算機(jī)來組建控制系統(tǒng)可以完成常規(guī)控制技術(shù)無法完成的任務(wù)，達(dá)到常規(guī)控制技術(shù)無法達(dá)到的性能指標(biāo)。典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)一般有監(jiān)控系統(tǒng)和過程對象兩大部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，其硬件由主機(jī)、外部設(shè)備、通訊設(shè)備等組成；軟件則分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。除工業(yè)控制機(jī)外，監(jiān)控系統(tǒng)中還有過程輸人/輸出設(shè)備、參數(shù)測量變送器件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置。過程對象通常指的是被監(jiān)測的對象2-4。計算機(jī)控制系統(tǒng)的形式與它所控制的對象的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的被控要求，應(yīng)選擇不同的控制系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)大致可以分為以下幾種典型的形式:（l）操作指導(dǎo)型控制系統(tǒng)。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DireetDigitalControl，簡稱DDC）。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（S、JpervisoryComputerControl簡稱SCC）。（4）集散控制系統(tǒng)（Distributedeontrolsystem簡稱DCS）。（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem簡稱FCSy5。計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1。它與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系通常有兩種方式：有線方式、無線方式?？刂颇康目梢允鞘贡豢貙ο蟮臓顟B(tài)或運動過程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。圖1 計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的組成框圖二、計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的工作原理計算機(jī)實時控制系統(tǒng)包括硬件組成和軟件組成。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，需有專門的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換設(shè)備和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于過程控制一般都是實時控制，有時對計算機(jī)速度的要求不高，但要求可靠性高、響應(yīng)及時。計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個過程6：（一）實時數(shù)據(jù)采集對被控量的瞬時值進(jìn)行檢測，并輸入給計算機(jī)。 （二）實時決策對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。（三）實時控制根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。圖2 計算機(jī)實時控制系統(tǒng)工作原理圖 這三個過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。三、計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的應(yīng)用與在生產(chǎn)中應(yīng)用的現(xiàn)狀計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用的方面。而在以信息技術(shù)為代表的高科技應(yīng)用方面，要充分利用各種新興技術(shù)、新型材料、新式能源，并結(jié)合市場需求，以實現(xiàn)世界的又一次“工業(yè)大革命”；在工業(yè)設(shè)計與工程設(shè)計的一致性方面，要充分協(xié)調(diào)好設(shè)計的功能和形式兩個方面的關(guān)系，使兩者逐步走向融合，最終實現(xiàn)以人為核心、人機(jī)一體化的智能集成設(shè)計體系。從工業(yè)設(shè)計的本身角度看，隨著CAD、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得對設(shè)計過程必然有更深的認(rèn)識，對設(shè)計思維的模擬必將達(dá)到新的境界。從整個產(chǎn)品設(shè)計與制造的發(fā)展趨勢看，并行設(shè)計、協(xié)同設(shè)計、智能設(shè)計、虛擬設(shè)計、敏捷設(shè)計、全生命周期設(shè)計等設(shè)計方法代表了現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計模式的發(fā)展方向。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計模式在信息化的基礎(chǔ)上，必然朝著數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展7-8。對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行計算機(jī)控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少環(huán)境污染的必由之路，計算機(jī)實時控制系統(tǒng)已成為生產(chǎn)設(shè)備及過程控制等重要的組成部分，它代替人的思維成為工業(yè)設(shè)備及工藝過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制的指揮和監(jiān)督中心。工業(yè)生產(chǎn)過程的計算機(jī)控制系統(tǒng)，隨著計算機(jī)的進(jìn)步、工業(yè)生產(chǎn)工藝過程控制要求的提高和生產(chǎn)管理的完善而不斷發(fā)展。目前工業(yè)計算機(jī)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)層次基本上劃分為：直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)（DCS）、遞階控制系統(tǒng)（HCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等幾種，其中DCS是融DDC系統(tǒng)、SCC系統(tǒng)及整個工廠的生產(chǎn)管理為一體的高級控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了其他控制系統(tǒng)中存在的“危險集中”問題，具有較高的可靠性和實用性。但是，為了進(jìn)一步適合現(xiàn)場的需要，DCS也在不斷更新?lián)Q代，近年來，集計算機(jī)、通信、控制三種技術(shù)為一體的第5代過程控制體系結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，成為國內(nèi)外計算機(jī)過程控制系統(tǒng)一個重要的發(fā)展方向。本文對各種工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和特點以及發(fā)展方向作為分析研究。當(dāng)前以單片機(jī)為主體的DDC控制儀用量最大，如控制溫度、流量，控制風(fēng)機(jī)、水、油泵及爐門升降機(jī)構(gòu)等。這種微機(jī)控制儀表的功能已大大超過以模擬電子元件為基礎(chǔ)的測量儀表，而且有了處理工藝參數(shù)的功能，但它們需要與中間繼電器、交流接觸器、晶閘管、電磁閥、比例閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成完善的控制系統(tǒng)。多數(shù)DDC控制儀采用PID和模糊控制算法，但自身自調(diào)整和在線優(yōu)化能力仍較弱。最新推出的DDC控制系統(tǒng)均配有通信接口，可方便地進(jìn)行聯(lián)機(jī)9。這類控制系統(tǒng)的主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊、輕便靈活、便于維護(hù)，有較高的抗干擾能力和控制精度，操作方便。主要問題是受運行速度和內(nèi)存容量的限制，一般只能按預(yù)定工藝參數(shù)進(jìn)行工藝過程控制，難于動態(tài)控制熱處理工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測，因此還是初級微機(jī)控制系統(tǒng)。國產(chǎn)的這類控制儀種類多，但目前仍存在著抗干擾自復(fù)位能力較差，可靠性差等問題10。四、計算機(jī)實時控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（一） 推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC）是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的微機(jī)系統(tǒng)。它用可編程序的存儲器來存儲用戶的指令，通過數(shù)字或模擬的輸入輸出完成確定的邏輯、順序、定時、計數(shù)和運算等功能。近年來PLC幾乎都采用微處理器作為主控制器，且采用大規(guī)模集成電路作為存儲器及I/O接口，因而其可靠性、功能、價格、體積等都比較成熟和完美。由于智能的I/O模塊的成功開發(fā)，使PLC除了具有邏輯運算、邏輯判斷等功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運算及網(wǎng)絡(luò)等功能，從而大大地擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用范圍。（二）采用集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，把微機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入. /輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來的一種計算機(jī)控制系統(tǒng)，它為生產(chǎn)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。若采用先進(jìn)的控制策略，會使自動化系統(tǒng)向低成本、綜合化、高可靠性的方向發(fā)展，實現(xiàn)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。（三）研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)智能控制是一類無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動智能機(jī)器實現(xiàn)其目標(biāo)的過程，是用機(jī)器模擬人類智能的一個重要領(lǐng)域。智能控制包括學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、分級階梯智能控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。應(yīng)用智能控制技術(shù)和自動控制理論來實現(xiàn)的先進(jìn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，將有力地推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，并提高工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化水平。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展加快了智能控制方法的研究。智能控制方法較深淺層次上模擬人類大腦的思維判斷過程，通過模擬人類思維判斷的各種算法實現(xiàn)控制。計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢、應(yīng)用特色及發(fā)展前景將隨著智能控制系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。（四）研究和發(fā)展計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，正引發(fā)著控制技術(shù)的深刻變革，以及與之相應(yīng)的新的控制理論的產(chǎn)生。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化、控制系統(tǒng)體系的開放性、控制技術(shù)與控制方式的智能化，是當(dāng)前控制技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的方向與主要潮流。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅是實現(xiàn)管理層的數(shù)據(jù)通訊與共享，它應(yīng)用于控制現(xiàn)場的設(shè)備層，并將控制與管理綜合化、一體化。Internet不僅用于傳統(tǒng)的信息瀏覽、查詢、發(fā)布，還可通過Internet跨國跨地區(qū)直接對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。因而現(xiàn)代的自動化系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信息與控制綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。通過Internet實現(xiàn)遠(yuǎn)端計算機(jī)對現(xiàn)場控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。四級網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成現(xiàn)代自動化領(lǐng)域控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，網(wǎng)上控制，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制11-13。五、控制策略/算法的發(fā)展趨勢（1）改進(jìn)成復(fù)合PID控制算法大量的事實證明。傳統(tǒng)的PID控制算法對于絕大部分工業(yè)過程的被控對象（可高達(dá)90）可取得較好的控制效果。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量14。（2）預(yù)測控制預(yù)測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高。因而很快引起工業(yè)控制界以及學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與重視。預(yù)測控制有三要素，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。它的機(jī)理表明它是一種開放式的控制策略。體現(xiàn)了人們在處理帶有不確定性問題時的一種通用的思想方法15。根據(jù)預(yù)測模型的不同的形式。硬件控制分別稱之為Model Predictive Control（MPC），Generalized Predictive Control（GPC）和Receding Horizon Predictive Control（RHPC）。此外，頂測控制還可以采取其他形式的模型。如非線性模型、模糊模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。（3）自適應(yīng)控制在過程工業(yè)中，不步的過程是時變的，如反應(yīng)器中催化劑活性的變化。換熱器中結(jié)垢的產(chǎn)生與發(fā)展等均會使過程的特性發(fā)生變化。如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器。則控制系統(tǒng)的性能會不斷惡化。這時就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時變的過程。它是辨識與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自控制分三類：·自整定調(diào)節(jié)器及其他的簡單自適應(yīng)控制器。其中，自整定PID調(diào)節(jié)器已有成熟產(chǎn)品，并在工程中獲得了較廣泛的應(yīng)用。·磨墨參考自適應(yīng)控翻，它能自動調(diào)整控制規(guī)律。使控制系統(tǒng)的輸出與參考模型的輸出相近。在這些系統(tǒng)中，自適應(yīng)回路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。·自校正調(diào)解節(jié)與控制。瑞典的Astrom與英國的Clarke教授在這方面進(jìn)行了許多開拓性的研究工作。目內(nèi)外許多學(xué)者在他們的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn)、提高、完善及應(yīng)用工作，使其更加完善與可靠。（4）智能控制隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實時性、容錯性以及對控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過程日趨復(fù)雜，過程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。這樣建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)方法將面臨空前的挑戰(zhàn)，也給智能控制方法的發(fā)展創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。傳統(tǒng)的控制方法在很大的程度上依賴于過程的數(shù)學(xué)模型，但是，至今獲取過程的精確數(shù)學(xué)模型仍然是一件十分困難的工作。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計卻不依賴過程的數(shù)學(xué)模型，因而對于復(fù)雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制效果。常見的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級階梯智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制等。這些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。因此，最近的研究又表明將它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將會產(chǎn)生更佳的效果。智能控制已在家電行業(yè)及工業(yè)過程中取得了許多成功的應(yīng)甩。特別是模糊控制方法已在日本的家電行業(yè)中廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)外，模糊控制與人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也已在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)取得了成功的應(yīng)用。今后，需要進(jìn)一步對智能控制的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。以此建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法16。六、總結(jié)隨著生產(chǎn)發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)速度加快，使生產(chǎn)過程作為受控對象從簡單、孤立的系統(tǒng)變成復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，有些甚至是工業(yè)大系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論與大系統(tǒng)理論正是在這種客觀環(huán)境下產(chǎn)生及發(fā)展起來的。它們?yōu)榻鉀Q復(fù)雜對象、龐大對象的控制提供了許多控制方案與策略。一般這些方案與策略都比較復(fù)雜，用常規(guī)方法難以實現(xiàn)。如改用計算機(jī)編程，就變得不那么困難了。計算機(jī)控制系統(tǒng)用軟件可以實現(xiàn)復(fù)雜控制算法這一優(yōu)點表明，計算機(jī)控制具有廣闊的發(fā)展前途，計算機(jī)技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展及相互結(jié)合，出現(xiàn)了更加先進(jìn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更先進(jìn)更可靠的控制方案。七、參考文獻(xiàn)1 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