计算机控制系统的发展趋势.docx

1 1 计算机控制系统的发展趋势 计算机控制系统随着计算机科学、自动控制理论、网络技术、检测技术的发展，在工业4.0以 及中国制造2025计划的推动下，其发展趋势大致如下。 1 ?网络化的控制系统 随着计算机技术和网络技术的不断发展，各种层次的讣算机网络在控制系统中得到了广泛应 用。计算机控制系统的规模越来越大，其结构也发生了变化，经历了计算机集中控制系统、 集散控制系统、现场总线控制系统，向着网络控制系统(Network Control System, NCS) 发展。网络控制系统的结构示意图如图所示。 在工业自动化向智能化的发展进程中，通信已成为关键问题之一，但山于多种类型现场总线 标准并存，不同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议，互相之间不能兼容，无法实现 互操作和协同工作，无法实现信息的无缝集成。使用者迫切需要统一的通信协议和网络。因 此，基于TCP/IP的以太网进入工业控制领域并且得到了快速发展。比如，惠普公司应用IEEE 1451.2标准，生产的嵌入式以太网控制器具有10-Base以太网接口，运行 FTP/HTTP/TCP/UDP,应用于传感器、驱动器等现场设备。再如，FF提出的IEC61158标 准中类型e所定义的HSE (High Speed Ethernet)协议，用高速以太网作为H2的一种 替代方案，选用100Mbit/s速率的以太网的物理层、数据链路层协议，可以使用低价位的以 太网芯片、支持电路、集线器、中继器和电缆。国内浙大中控也推出了基于EPC (Ethernet for Process Control)的分布式网络控制系统，将Ethernet直接应用于变送器、执行机构、 现场控制器等现场设备间的通信。网络化控制系统就是将控制系统的传感器、执行器和控制 器等单元通过网络连接起来。其中的网络是一个广义的范畴，包含了局域网、现场总线网、 丄业以太网、无线通信网络、Internet等。随着物联网概念的提出以及控制系统发展的需求, 以无线通信模式为新特征的物联网控制系统，必将成为汁算机控制系统的重要发展方向。 物联网控制系统是一种以物联网为基础的全分布式无线网络自动化系统，其基本结构如图所 示。图中虚线部分是根据实际情况可选用部分。主施控设备包括智能控制器、计算机、智能 工控机等，实施完成对整个控制过程和整个控制系统的控制工作。控制设备是指智能控制器, 它接收来自通信设备的控制命令或控制程序，控制终端设备的运行。监测设备是指带各种传 感元件的信号采集设备，用于采集控制系统所需要的各种信息，并通过通信设备反馈给施控 端。急停控制器用于保证控制系统出现故障时，被控部分能够紧急停止运行，避免故障扩大, 降低因故障而引起的损失。 主施控设鬻备总-控制与反馈臣测i 主施控设 鬻 备 总 - 控制与 反馈 臣测i殳备 制号控信 祓控设备 急停控制器 W.频临控设备 r J 物联网控制系统具有开放式数字通信功能，可与各种无线通信网络互连，它将各种具有信号 输入、输出、运算、控制和通信功能的无线传感器节点安装于生产现场，节点与节点之间可 以自动路山组成底层无线网络。 2?智能型控制系统 随着人工智能技术的发展以及人们对控制系统自动化与智能化水平需要的提高，模糊控制技 术、预测控制技术、专家控制技术、神经网络技术、最优控制技术、自适应控制技术等将在 计算机控制系统中得到越来越广泛的应用。 模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。模糊集合是分析复杂系统，处理不确定性的 新方法。它用语言变量代替数值变量来描述系统的行为，模拟人类推理模式，采用模糊理论 对非线性系统进行辨识，方法简单，应用比较广泛的是T-S模型。模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)的研究始于20世纪70年代，它是针对有优化需求的控制问题, 其理论研究经历了两个阶段：80年代至90年代以分析工业预测控制算法性能为特征的预 测控制定量分析理论,90年代以来从保证系统性能出发设计预测控制器的预测控制定性综合 理论。□前已经从最初在工业过程中应用的启发式控制算法发展成为一个具有丰富理论和实 践内容的新的学科分支。儿十年来预测控制在复杂工业过程中所取得的成功，充分显现了它 处理复杂约束优化控制问题的巨大潜力。但预测控制在线求解约束优化问题计算量大，这限 制了其应用范围和应用场合。针对这一问题，研究者从结构、策略、算法上开展了广泛的研 究，其中结构研究包括递阶和分布式控制结构，策略研究包括离线设计/在线综合与输入参数 化策略，算法研究包括各种改进或近似优化算法等。专家控制技术以模仿人类智能为基础， 将匸程控制论与专家系统结合形成专家控制系统，其对象往往具有不确定性。专家系统是一 个存储了大量专门知识的讣算机程序系统。不同的专家系