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微机控制技术的发展概况及趋势

摘 要
微型计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。文章介绍了计算机控制系统的组成及分类，微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，控制软件是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作，并介绍了计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机以及系统的应用与发展，应用现状及发展趋势。

一、引言
微型计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，辅助部件主要指输入输出接口，检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系。也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是为达到某种最优化目标。

二、计算机控制技术的发展历史
计算机控制系统的发展是与计算机技术、控制技术的发展密切相关的。计算机控制系统的发展大致经历了以下四个阶段：
（一）计算机控制系统的开创期（20世纪50年代）。1946年世界第一台电子计算机ENICA问世。1952年，计算机首先被用来自动检测化工生产过程的过程参量并进行数据处理。1954年，人们开始研究计算机的开环控制。1956年3月开始，美国开辟了计算机控制的新纪元。但是计算机控制并没有得到广泛的应用。
（二）直接数字控制阶段（20世纪60年代）。1962年，英国研究了一台用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制，但是系统的抗干扰性比较差，可靠性不是太好，因此许多计算机系统发生障碍。
（三）集中式计算机控制系统发展时期（1967-1975年）。20世界60年代，人们提出了集中式计算机控制系统。但是仍不能满足工业生产的控制要求。
（四）以微处理器为核心的分层分布式控制系统（1975年至今）。分散性控制系统（DCS）采用分层分布式的递阶控制结构，用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。DCS在世界范围内获得了广泛应用。FCS中用数字信号代替了模拟信号。

三、中国工控机及系统的应用与发展
（一）国内工控机应用领域。国内工控机应用领域正在不断扩展，IPC已经成为计算机应用的重要分支。随着工业控制要求的不断提高，需要新一代Compact PCI总线和PXI总线工控机诞生。
（二） 中国工控机技术的发展。
IPC(工控机)在中国的发展大致可以分为三个阶段：
第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。
第二阶段是从1991年到1996，IPC的应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸。
第三阶段是从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。

四、计算机控制理论与新型控制理论
（一）计算机控制理论。
若忽略数字信号的量化效应，可将计算机控制系统看成采样控制系统。在采样控制系统中，如果将其中的连续环节离散化，整个系统便成为纯粹的离散系统。计算机控制理论的发展过程主要有以下理论：
1.采样理论。采样理论主要包括香农采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复以及采样系统的结构图分析等。
2.差分方程。许多特征都可以通过分析一个线性时不变的差分方程来理解，即用差分方程代替了微分方程
3.变换理论。霍尔维兹于1947年对序列可用来分析离散系统的性能以及稳定性。
4.状态空间理论。基于状态空间模型的按极点配置的设计法和最优设计法可以对离散系统进行分析和设计。
5.系统辨识和自适应控制。它包括连续模型和性能指标的离散化，性能指标函数的计算，采样控制系统的仿真和采样周期的选择等。
（二）新型控制理论。
对于结构复杂，时变的非线性的系统，采用新型控制策略是非常有效的。新型控制策略主要包括：
1.鲁棒控制。其基本思想是在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也保持在工程所能接受的范围内。鲁棒控制主要有代数方法和频域方法。
2.模糊控制。凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可以采用模糊控制。
3.专家控制。工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统，专家控制系统广泛应用于故障诊断、各种工业控制和工业设计的智能控制系统。
4.神经控制。神经控制是一种基本上不依赖与模型的控制方法。
5.预测控制。20世纪70年代中期在美、法等国的工业控制领域内，如动态矩阵控制、模型算法控制，这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，目前逐渐形成了工业过程控制的一个新方向。

五、微型计算机控制系统的现状及发展趋势
至今世界上已有数万套以上的集散型控制系统在现场运行，取得了可观的经济效益。微型计算机控制系统技术还迅速渗透到机电控制领域，不仅在航空航天、军事装备、机器人、机械生产自动线中得到广泛应用，而且在家庭生活设施中，如洗衣机、微波炉、空调机、电视机等，都有微型计算机（单片机）构成的控制系统。计算机控制将在以下方面得到发展：
1. 推广应用成熟的先进技术：
①普及应用可编程序控制器（P L C）；
②广泛使用智能调节器；
③采用新型的 D C S 和F C S 。
2. 大力研究和发展智能控制系统。当前最流行的控制系统有：
①分级递阶智能控制系统；
②模糊控制系统；
③专家控制系统；
④学习控制系统；
⑤神经控制系统。
（一） 以工业PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流
（二） PLC 在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展
（三） 面向测控管一体化设计的DCS系统
（四） 控制系统正在向现场总线（F C S）方向发展
（五） 仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展
（六） 计算机控制网络将向有线和无线相结合方向发展
（七） 计算机控制软件正向先进控制方向发展

六、结语
随着大规模集成电路元件特别是微处理器的飞速发展，使硬件成本大幅度降低，而可靠性却大为提高；同时，随着控制系统理论的进展，在系统结构和控制算法上将会有更多创新，控制软件也将日益丰富。使计算机控制技术得到更大发展，从而获得更加显著的效益。

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