淺談計算機網絡控制系統的工作原理及發展趨勢

摘要：本文簡要介紹了計算機網絡控制系統的原理，根據當前計算機控制技術的發展狀況，分析了計算機控制技術的優勢和面臨的挑戰，指出計算機控制系統發展趨勢。

關鍵詞：控制系統，發展，趨勢

1、引言

計算機網絡控制系統是在自動控制技術和計算機技術發展的基礎上產生的。若將自動控制系統中的控制器的功能用計算機來實現，就組成了典型的計算機控制系統。它用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯系，以獲得一定控制目的而構成的系統。其中輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執行裝置等。它與被控對象的聯系和部件間的聯系通常有兩種方式：有線方式、無線方式。控制目的可以是使被控對象的狀態或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優化目標[1]。

1計算機網絡控制系統的工作原理

計算機控制系統包括硬件組成和軟件組成。在計算機控制系統中，需有專門的數字-模擬轉換設備和模擬-數字轉換設備。由于過程控制一般都是實時控制，有時對計算機速度的要求不高，但要求可靠性高、響應及時。計算機控制系統的工作原理可歸納為以下三個過程：

(1)實時數據采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。

(2)實時決策：對采集到的表征被控參數的狀態量進行分析，并按已定的控制規律，決定下一步的控制過程。

(3)實時控制：根據決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。

這三個過程不斷重復，使整個系統按照一定的品質指標進行工作，并對被控量和設備本身的異常現象及時作出處理[2]。

2、計算機網絡控制系統面臨的挑戰

計算機控制系統雖然控制規律靈活多樣，改動方便；控制精度高，抑制擾動能力強，能實現最優控制；能夠實現數據統計和工況顯示，控制效率高；控制與管理一體化，進一步提高自動化程度。但是由于經典控制理論主要研究的對象是單變量常系數線性系統，它只適用于單輸入單輸出控制系統。系統的數學模型采用傳遞函數表示，系統的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法[3]。現代控制理論主要采用最優控制、系統辨識和最優估計、自適應控制等分析和設計方法。而系統分析的數學模型主要用狀態空間描述。隨著要研究的對象和系統越來越復雜，依賴于數學模型的傳統控制理論難以解決復雜系統的控制問題：

(1)不確定性的模型：傳統控制是基于模型的控制，模型包括控制對象和干擾模型。傳統控制通常認為模型是已知的或經過辨識可以得到的，對于不確定性的模型，傳統控制難以滿足要求。

(2)高度非線性：在傳統的控制理論中，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性控制方法可供使用，但總的來說，目前非線性控制理論還很不成熟，有些方法又過于復雜，無法廣泛應用。

(3)復雜的任務要求：在傳統的控制系統中，控制任務往往要求輸出量為定值或者要求輸出量跟隨期望的運動軌跡，因此控制任務比較單一。但過于復雜的控制任務是傳統的控制理論無能為力[4]。

3、計算機網絡控制系統的應用

當今國家，要想在綜合國力上取得優勢地位，就必須在科學技術上取得優勢，尤其要在高新技術產品的創新設計與開發能力上取得優勢。在以信息技術為代表的高科技應用方面，要充分利用各種新興技術、新型材料、新式能源，并結合市場需求，以實現世界的又一次“工業大革命”；在工業設計與工程設計的一致性方面，要充分協調好設計的功能和形式兩個方面的關系，使兩者逐步走向融合，最終實現以人為核心、人機一體化的智能集成設計體系。從工業設計的本身角度看，隨著CAD、人工智能、多媒體、虛擬現實等技術的進一步發展，使得對設計過程必然有更深的認識，對設計思維的模擬必將達到新的境界。從整個產品設計與制造的發展趨勢看，并行設計、協同設計、智能設計、虛擬設計、敏捷設計、全生命周期設計等設計方法代表了現代產品設計模式的發展方向。隨著技術的進一步發展，產品設計模式在信息化的基礎上，必然朝著數字化、集成化、網絡化、智能化的方向發展[5]。

4、計算機網絡控制系統的發展趨勢

（1）推廣應用成熟的先進技術

普及應用可編程序控制器(PLC)是一種專為工業環境應用而設計的微機系統。它用可編程序的存儲器來存儲用戶的指令，通過數字或模擬的輸入輸出完成確定的邏輯、順序、定時、計數和運算等功能。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，使PLC除了具有邏輯運算、邏輯判斷等功能外，還具有數據處理、故障自診斷、PID運算及網絡等功能，從而大大地擴大了PLC的應用范圍[6]。

（2）采用集散網絡控制系統

集散控制系統是以微機為核心，把微機、工業控制計算機、數據通信系統、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機地結合起來的一種計算機控制系統，它為生產的綜合自動化創造了條件。若采用先進的控制策略，會使自動化系統向低成本、綜合化、高可靠性的方向發展，實現計算機集成制造系統

（3）研究和發展智能網絡控制系統

智能控制是一類無需人的干預就能夠自主地驅動智能機器實現其目標的過程，是用機器模擬人類智能的一個重要領域。智能控制包括學習控制系統、分級遞階智能控制系統、專家系統、模糊控制系統和神經網絡控制系統等。應用智能控制技術和自動控制理論來實現的先進的計算機控制系統，將有力地推動科學技術進步，并提高工業生產系統的自動化水平。計算機技術的發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控制。計算機控制系統的優勢、應用特色及發展前景將隨著智能控制系統的發展而發展。

（4）研究和發展計算機網絡控制技術

計算機網絡技術的發展，正引發著控制技術的深刻變革，以及與之相應的新的控制理論的產生。控制系統結構的網絡化、控制系統體系的開放性、控制技術與控制方式的智能化，是當前控制技術發展與創新的方向與主要潮流。網絡技術不僅是實現管理層的數據通訊與共享，它應用于控制現場的設備層，并將控制與管理綜合化、一體化[7]。Internet不僅用于傳統的信息瀏覽、查詢、發布，還可通過Internet跨國跨地區直接對現場設備進行遠程監測與控制。因而現代的自動化系統可通過網絡構成信息與控制綜合網絡系統。現場控制網絡將現場控制設備通過網絡連接起滅，構成分布式控制系統。通過Internet實現遠端計算機對現場控制設備的遠程監測與控制。四級網絡就構成現代自動化領域控制網絡系統的基本結構。計算機網絡對生產方式的創新，網上控制，通過網絡進行控制。

5、結語

計算機控制技術正向智能化、網絡化和集成化的方向發展。大規模及超大規模集成電路的發展，提高了計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統的應用也越來越廣泛。前景也越來越美好并占有更加重要的地位。

[參考文獻]

[1]于海生．微型計算機控制技術[M].清華大學出版社，1999

[2]何克忠主編．計算機控制系統[M]．清華大學出版社，1998

[3]Aring;strouml;mKarlJohan，Bjouml;rnWittenmark.Computer-ControlledSystems(3rded.)，PrenticeHall，1997.

[4]潘新民，玉燕芳．微型計算機控制技術實用教程[M].電子工業出版社2003年5月

[5]李錫雄陳婉兒．微型計算機控制技術[M].科學出版社

[6]熊靜琪．計算機控制技術[M].電子工業出版社

[7]賴壽宏．微型計算機控制技術[M].機械工業出版社2004-2-1