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计算机控制

工程硕士课程论文

（或读书报告）

课程名称：

计算机控制技术

题目：

作业

题目类型（课程论文或读书报告）：

大作业

学院：

计算机科学与工程学院

专业名称：

计算机技术

姓名：

周广新

学号：

2013600091

任课教师：

陈辉

授课时间：

2015年10月2日全天

提交时间：

2015年11月19日

1.计算机控制概念

计算机控制系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物，利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。

随着计算机技术和现代控制理论的快速发展，计算机控制技术诞生并迅速蓬勃发展起来，其应用遍及国防、航空航天、工业、农业、医学等多种领域。

控制系统分为两类

（1）开环控制系统

若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。

在开环控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。

（2）闭环控制系统

凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。

闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。

2、计算机控制系统 

采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为数字控制系统。

若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。

进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。

所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础。

2计算机控制技术的发展概况及趋势

2.1计算机控制技术的发展过程

计算机控制技术的思想始于上世纪五十年代中期，美国TRW航空公司与美国德克萨斯州的一个炼油厂合作，进行计算机控制的研究，他们设计出了一个利用计算机控制实现反应器供料最佳分配，根据催化剂活性测量结果来控制热水的流量以及确定最优循环的系统。

这项具有跨时代意义的工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术迅速发展，并被各行各业广泛应用。

伴随着计算机技术的飞速发展，计算机控制技术也紧随其后，迅猛的发展起来，其发展过程大致可以分为四个阶段，下面将逐一为您介绍。

2.1.1开创时期

这一时期从1955年左右开始，经历了前后大约七年的时间。

早期的计算机使用电子管，体积庞大，价格昂贵，可靠性差，因此只能从事一些操作指导和设定值控制。

由于自动化控制中经常要求计算机对各种过程命令做出迅速响应，中断技术应运而生，使计算机能够对更紧迫的过程任务做出反应。

2.1.2直接数字控制时期

早期的计算机控制按照监督方式运行，属于操作知道或设定值控制，仍需要常规的模拟控制装置。

1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。

该计算机控制224个变量和129个阀门。

由于计算机直接控制过程变量，完全取代了原来的模拟控制，因而称这样的控制为直接数字控制，简称DDC（DirectDigitalControl）。

直接数字控制系统是计算机通过模拟量输入通道和开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道和数字量输出通道直接控制生产过程。

DDC系统属于计算机闭环控制系统，一次性投资较大，而增加一个控制回路并不需要增加很多费用。

DDC系统的灵活性使得计算机控制技术的发展又进入了一个新的时代，也为计算机控制技术今后的发展奠定了基础。

2.1.3小型计算机时期

计算机控制技术的又一次飞跃发生在20世纪60年代后半期，大约1967年左右，随着计算机技术的发展，出现了各种体积小、速度快、工作可靠、价格便宜、适合工业控制的小型计算机，从此计算机控制技术进入了小型计算机时期。

小型机的出现大大的拓宽了计算机控制系统的应用领域，市场日益扩大。

2.1.4微型计算机时期

1972后，微型计算机的出现和发展使计算机控制技术又进入了一个崭新的阶段。

采用微型计算机，已经制造出大量的分级梯阶控制系统、分散型控制系统、专用控制器等，对工业的发展起到了巨大促进作用。

随后出现了集散控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS），DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。

但DCS虽然在今天的工业控制中占有主导地位，但其自身仍存在着一些缺点，于是人们开始寻找用一根通信线缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O信号，而是数字信号，于是现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，简称FCS）诞生了，并成为了计算机控制系统的发展趋势。

2.2计算机控制技术的发展趋势

长期以来，计算机控制技术的发展始终紧随着计算机技术的发展步伐，如今计算机控制技术的发展又多了许多新的方向。

2.2.1计算机控制技术的网络化

在当今，计算机技术和网络技术正以迅猛的速度发展着，与此同时，各种层次的计算机网络在控制系统中的应用也越来越广泛，规模越来越大，控制系统的网络化时代渐渐到来。

除了先前提到的集散控制系统以外，现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，简称FCS）也是计算机控制技术网络化下诞生的一个新的控制结构。

将控制系统网络化，使控制作用的实现不再局限于传统意义上的控制系统，而是由各种仪表单元分别独立完成各自的工作，然后再通过网络进行彼此间的信息交换和组织，并相互协作，最终实现预定完成的控制任务。

这种近似于模块化的思想，可以使各部分独立工作，不产生干扰，有可以根据需要增减控制网络中的个体，大大增强了系统的实用性。

2.2.2计算机控制技术的集成化

计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，简称CIMS）是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产模式，具有生产效率高、生产周期短、产品质量高等一系列极有吸引力的优点。

CIMS将成为21世纪占主导地位的新型生产方式，世界上很多国家包括我国都已经把发展CIMS定为本国制造工业的发展战略，并制定了许多由政府或工业界支持的计划，用以推动计算机集成制造系统的开发与应用。

计算机控制系统的集成化也已经成为当今计算机控制技术的又一发展趋势。

2.2.3计算机控制技术的智能化

目前的典型智能控制方法有：

模糊控制、专家控制、神经网络控制等。

模糊控制绕过了对象的不确定性、不精确性、噪声、非线性、时变性以及时滞性等影响，实现简单，适应面广，但是其对控制规则的制定要求较高，对于复杂的工业过程以及对象的动态特性并不是完全适合。

专家控制尚未形成有普遍意义的理论体系和设计方法，但是其作为一种智能控制形式，在实际中有着很广阔的应用前景。

神经网络控制的研究在近年来得到了越来越多的关注和重视，它在控制中的应用已成为其中一个主要方面，它试图模拟人脑的功能，具有自适应和自学习的功能，但实时性方面还存在问题。

目前的各种智能控制方法各有优缺点，因此，将各种控制策略相互渗透，相互结合，取长补短，发展成更新型更实用的合成智能控制策略已经成为了计算机控制技术的必然趋势之一。

2.2.4计算机控制技术的标准化

任何技术的发展最终都会趋向于标准化，计算机控制技术也不例外，将计算机控制技术标准化，可大大促进计算机控制技术的发展。

目前国际公认的标准尚未建立，但已有很多厂商愿意采用一些通用性较强的产品，相信不久的将来，计算机控制技术必将建立一套国际化通用标准。

3计算机控制技术的应用领域

计算机控制系统的应用领域非常广泛，不但是国防、航空航天等高精尖学科必不可少的组成部分，而且在现代化的工、农、医等领域也发挥着非常重要的作用。

例如，通信卫星的姿态控制、电气传动装置的控制，以及数控机床、工业机器人、智能温室和医疗设备的控制等。

3.1计算机控制技术在医学领域的应用实例

在计算机逐渐渗入到医学领域的同时，计算机控制技术也随之在医学领域中广泛应用开来。

无论是临床医学、中医学还是医学设备上都有计算机控制技术的影子。

下面将介绍计算机控制技术在中药生产中的应用。

的国人关注，一个又一个瞩目成绩的取得离不开自动化控制技术的发展，而这其中计算机控制技术又占据着重要的位置。

航天器姿态控制技术中，计算机控制技术的使用使姿态控制更加精确，实现了实时检测和实时控制。

3.4计算机控制技术在工业领域的应用实例

根据沈阳市某污水处理生产工艺流程的特点和生产过程控制的要求，结合我国污水生产厂的实际情况，采用“EIC三电一体化”计算机集散控制技术，设计整个污水处理生产过程的分布式计算机控制系统。

在此基础上，通过采用优化设定控制技术、自适应自整定PI控制技术等先进技术，解决城市污水生产过程控制中存在的大滞后、非线性、耦合等关键技术问题，实现污水提升、浮选加药、污泥脱水等污水处理生产过程的自动控制。

1、计算机控制系统总体结构

根据污水处理过程的工艺特点、控制要求，针对该厂投资少，占地小等具体特点，计算机控制系统采用了PC+PLC分级分布式控制形式[[ii]]。

在系统中采用就地操作站与主PLC相结合的控制结构，通过现场总线技术实现通讯处理达到节约投资、提高系统安全性、实现分布式控制思想的目的。

系统总体结构体系分为三个层次：

（1）上层：

中央控制室计算机监控系统;

（2）中间层：

主PLC控制器作为中央控制单元;（3）下层：

分布在浮选、污泥处理两个分控站的7个现场就地分控站。

中间层主PLC控制器通过ETHERNET与上层监控系统相连;下层现场控制单元PLC采集各设备的工作状态，并通过现场总线GeniusBUS送给主PLC，主PLC完成对现场数据的处理、运算、连锁逻辑、PID控制等功能并向各分控站送出控制命令;同时与中控室计算机控制系统交换工艺、设备数据和控制命令。

控制命令分送至各分控站后，通过输出模块输出至现场控制设备，完成控制过程。

2、自动化系统功能

在计算机控制方式下，系统功能主要包括以下几个方面：

（1）数据采集和设备控制；

（2）过程控制；（3）工艺过程监控。

如下图所示。

设备与回路控制集成在一起进行控制，它构成了综合自动化系统中的过程控制级。

电气设备的起动与停止可通过计算机屏幕上的软键实现，回路控制可实现自动闭环调节和软手动调节。

控制参数的优化设定旨在基于污水处理生产目标的优化控制模型，运用先进的控制思想和控制技术，实现对过程控制级的优化设定及对过程监控级的操作指

根据我国现状，中药生产企业，一般把综合间歇控制系统分成两部分来搞，即生产管理部分（例如：

ERP）和实时控制部分。

里讨论的中药提取计算机控制系统指实时控制部分也就是程序间歇控制系统。

1、设计中药提取计算机控制系统可供选择的设计目标：

生产过程远程计算机控制、监视、操作和控制灵活、迅速、准确、一致，缩短每批产品的生产周期，优化控制，提高原料、能源和设备利用率，减少废品率，计算机控制参管理，计算机生产历程数据存储、查询和报表打印，过程连锁，可靠的安全连锁控制，报警，电子签名。

2、典型的控制系统方案：

典型的中药提取工艺和中药提取生产线：

传统中药工艺：

药材->水洗->烘干->切碎->水提取三次->过滤->储存->减压浓缩->->喷雾造粒->收膏->低温干燥->再次浓缩->沉淀->分离->减压浓缩->再沉淀；

提取有效成分的现代中药制备工艺：

药材->水洗->烘干->切碎->水提取三次->过滤->树脂吸附->水洗涤->洗脱->减压浓缩->醇沉->过滤->减压浓缩->低温干燥或喷雾干燥->成品。

中药提取生产线一般可设计为专用的单生产流程线；专用的多生产流程线；可重组、多生产流程线。

生产线常采用两布局方式，流水线布局和分区式布局。

采用流水线布局，工艺过程及设备排布一目了然，而分区域布局较为节省空间。

3.2计算机控制技术在农业领域的应用实例

在农业日趋机械化及自动化的今天，自动控制技术在农业中的应用也越来越广泛，利用计算机控制技术管理控制农业生产已成为目前研究的一个重点。

农业大棚、智能化养殖场等等都是计算机控制技术在农业生产领域应用的鲜明例子。

智能温室大棚中利用计算机进行远程监控和操作，还可设计自动控制无人管理温室大棚。

根据远程传感器搜集来的温度、湿度、光照等模拟信息，经输入通道进行AD转换，传入计算机，计算机既可以利用这些数据进行监控，同时又可以利用这些数据对大棚进行控制，进行加湿、加温、增加光照等控制，从而实现温室大棚的自动化智能控制。

3.3计算机控制技术在航空航天领域的应用实例

近几年来，从我国载人航天技术成功以来，航空航天技术已经得到越来越多

监控系统功能结构图

总之，计算机控制技术已经遍及各种应用领域，其前景十分广阔，在科学技术日新月异的当代，随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高。

4关于计算机控制技术的思考

计算机控制技术是顺应时代发展而产生的先进的自动控制技术，利用计算机快速处理数据的优势，结合自动控制理论尤其是现代控制理论的不断发展创新，计算机控制技术大大的提高了生产过程的自动化程度和系统的可靠性。

同时，计算机控制系统在各领域的应用实践中所提出来的一系列理论与工程上的问题，又进一步促进了控制理论和计算机技术的发展。

计算机控制技术已经应用到多种控制领域，随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高，同时也为自动化控制理论的发展提供了一个新的方向。

作为当代大学生的我们，在学好这门知识的同时，我觉得我们更应该学会开拓自己的思维，提高自己的创新意识，将计算机控制技术进一步提升，适应更多领域的应用，并将计算机控制技术与其他技术结合，开创新的发展空间。