淺析計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用探索

高楊

摘要：計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)因借助輔助部件和被控對(duì)象參與并控制應(yīng)用計(jì)算機(jī)，從而達(dá)到控制的目的。本文介紹了計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)組成及分類，計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)硬件通常由微型計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、輸入輸出導(dǎo)通及操作臺(tái)等組成?？刂栖浖怯?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，整個(gè)系統(tǒng)工作都是由控制軟件的程序指揮而進(jìn)行所有協(xié)調(diào)工作，最后還評(píng)價(jià)了計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；控制技術(shù)；應(yīng)用探索計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)因借助輔助部件和被控對(duì)象參與并控制應(yīng)用計(jì)算機(jī)，從而達(dá)到控制的目的。計(jì)算機(jī)是指數(shù)字計(jì)算機(jī)，輔助部件指輸入輸出接口，檢測(cè)裝置以及執(zhí)行裝置等。被控對(duì)象的聯(lián)系以及部件之間的聯(lián)系，一種是有線方式，例如通過(guò)電纜的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)聯(lián)系。一種是無(wú)線方式，如紅外線、微波、光波等聯(lián)系。被控對(duì)象包括各行各業(yè)的機(jī)械裝置、實(shí)驗(yàn)裝置、儀器儀表、機(jī)器人、生產(chǎn)過(guò)程等?？刂颇康目墒鞘贡豢貙?duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程或狀態(tài)達(dá)到某種要求，也可以指為達(dá)到某一種最優(yōu)化的目標(biāo)[1]。

一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和分類

計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)和工業(yè)對(duì)象組成。與普通控制系統(tǒng)一樣，計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的或閉環(huán)的。而閉環(huán)的方式運(yùn)用最普遍，是一種最基本的控制方式。

1.硬件組成。計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)硬件一般都是由計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、輸入輸出通道以及操作臺(tái)等構(gòu)成，如圖2所示。圖2計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)硬件

2.計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)軟件。計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)有以下四種系統(tǒng)：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）、計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SCC）、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

二、計(jì)算機(jī)控制的背景及發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代初將計(jì)算機(jī)作為控制器的思想開(kāi)始萌生。開(kāi)始試圖在飛行器的控制中應(yīng)用工業(yè)計(jì)算機(jī)，但由于體積大、能耗多、可靠性差從而沒(méi)有被使用。后來(lái)，計(jì)算機(jī)的控制進(jìn)展主要是在工業(yè)控制過(guò)程領(lǐng)域，成功實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的閉環(huán)控制。1962年英國(guó)運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，20世紀(jì)70年代微型計(jì)算機(jī)發(fā)明。計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)[2]將在以下幾個(gè)方面得到了發(fā)展：以工業(yè)PC作為基礎(chǔ)的工業(yè)低成本控制成為主流，PLC將微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化、和開(kāi)放性發(fā)展，面對(duì)測(cè)控管的一體化設(shè)計(jì)DCS系統(tǒng)，控制系統(tǒng)逐步向現(xiàn)場(chǎng)總線（FCS）的方向發(fā)展，儀表技術(shù)開(kāi)始在數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及微型化進(jìn)行發(fā)展，計(jì)算機(jī)的控制網(wǎng)絡(luò)正向有線以及無(wú)線結(jié)合的方向邁進(jìn)。

三、計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用探索

1.網(wǎng)絡(luò)化。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，規(guī)模越來(lái)越大，從而使傳統(tǒng)的回路控制系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程中發(fā)生了根本變化，并逐步完成了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。

2.扁平化。根據(jù)不同功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)集散以及分布式計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)將以網(wǎng)絡(luò)為限分成了多個(gè)層次，各層網(wǎng)絡(luò)之間由計(jì)算機(jī)相連接。因?yàn)楦鱾€(gè)網(wǎng)絡(luò)層次之間互相獨(dú)立，在信息傳遞和交換中，將受計(jì)算機(jī)的影響，是信息傳遞以及交換的主要問(wèn)題。并由于集散以及分布式的控制系統(tǒng)[3]本身網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有封閉性，造成了不同廠家之間的產(chǎn)品交互性差。

隨著企業(yè)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通訊能力和網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)模得到了極大的提高，使得原本在分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中較難實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸和交換，可以在一個(gè)貫穿的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。新一代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，逐步形成兩層網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3。圖3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3上層負(fù)責(zé)完成高層管理功能，包括各種控制功能之間的協(xié)調(diào)、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、信息綜合管理和組織以及總體任務(wù)的規(guī)劃等。底層負(fù)責(zé)完成所有具體的控制任務(wù)，如參數(shù)調(diào)節(jié)的回路控制、過(guò)程數(shù)據(jù)的采集和顯示、現(xiàn)場(chǎng)控制的監(jiān)事以及故障診斷和處理等。因此，新一代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有兩層網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得整體系統(tǒng)出現(xiàn)了扁平化趨勢(shì)，即所有的高層次控制、管理和調(diào)度任務(wù)均在上一層次完成，而所有的具體控制、顯示、記錄和診斷任務(wù)均在下一層次完成。這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是：簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次，縮短上層控制任務(wù)到下層單元實(shí)施過(guò)程，實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的信息交換公共平臺(tái)，加強(qiáng)上層子系統(tǒng)與下層子系統(tǒng)或單元之間的聯(lián)系。

四、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，除受系統(tǒng)本身的優(yōu)缺點(diǎn)影響外，實(shí)際系統(tǒng)的控制質(zhì)量起著非常重要的作用。在計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)的發(fā)展中始終存在著對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題。一般主要有以下六個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

1.系統(tǒng)的質(zhì)量。主要由采用的控制結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)的控制算法、具備各種功能和能達(dá)到的控制指標(biāo)。一個(gè)好的控制系統(tǒng)所的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單且合理，控制算法滿足了控制指標(biāo)要求的同時(shí)盡量簡(jiǎn)單，功能應(yīng)盡量廣泛。

2.系統(tǒng)的工程化。工程化是控制系統(tǒng)可以得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，要求讓系統(tǒng)軟件模塊化、硬件標(biāo)準(zhǔn)化，控制策略可選擇和可組態(tài)、算法通用。

3.系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性應(yīng)采用分級(jí)分回路以及分別進(jìn)行。不同的級(jí)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不同，越靠近實(shí)時(shí)性要求越高，在一樣的級(jí)別，不同的控制任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也應(yīng)不同。

4.系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的可靠性應(yīng)有完整的衡量指標(biāo)以及設(shè)計(jì)方法。主要指標(biāo)包括含系統(tǒng)設(shè)備故障率、故障的累計(jì)概率、系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間、修復(fù)時(shí)間等。

5.系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。為滿足生產(chǎn)發(fā)展以及系統(tǒng)應(yīng)用范圍，可擴(kuò)展性是必要的，對(duì)任意一個(gè)控制系統(tǒng)可擴(kuò)展性的主要功能為可擴(kuò)展幾個(gè)通道、幾個(gè)接口、幾個(gè)回路、幾個(gè)采樣點(diǎn)、和可提供幾個(gè)存儲(chǔ)容量以及內(nèi)存空間。

6.系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)將系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用以及系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能相比較，確定系統(tǒng)整體的效益和應(yīng)用前景。

五、總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的控制水平要求越來(lái)越高，將推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的控制水平向更高層次的發(fā)展。本文首先介紹了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的組成與分類；然后對(duì)計(jì)算機(jī)的起源、發(fā)展現(xiàn)狀以及應(yīng)用探索進(jìn)行了說(shuō)明；最后評(píng)價(jià)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于海生. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社. 1999.

[2]謝劍英. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第三版）[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社. 2001.

[3]朱玉璽, 崔如春. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2005