更新时间：2024-09-20 13:38
计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)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，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。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。
计算机控制系统的分类
计算机控制系统的分类有三种方法：以自动控制形式分类，以参与控制方式分类或以调节规律分类。
一、以自动控制行式分类
以自动控制方式可以分成如下几类：
（一) 计算机开环控制(Computer Open Loop Control)系统
若计算机开环控制系统的输出对生产过程能行使控制，但控制结果---生产过程的状态没有影响计算机控制的系统，计算机\控制器\生产过程等环节没有构成闭合环路，则称之为计算机开环控制系统。从图上看出生产过程的状态没有反馈给计算机，而是由操作人员监视生产过程的状态，决定控制方案，并告诉控制计算机使其行使控制作用.
(二) 计算机闭环控制
计算机对生产对象或过程进行控制时，生产过程状态能直接影响计算机控制的系统，称之为计算机闭环控制系统。控制计算机在操作人员监视下，自动接受生产过程状态检测结果，计算并确定控制方案，直接指挥控制部件(器)的动作，行使控制生产过程作用.
在这样的系统中，控制部件按控制机发来的控制信息对运行设备进行控制，另一方面运行设备的运行状态作为输出，由检测部件测出后，作为输入反馈给控制计算机；从而使控制计算机\控制部件\生产过程\检测部件构成一个闭环回路。我们将这种控制形式称之为控制计算机闭环控制.
计算机闭环控制系统，利用数学模型设置生产过程最佳值与检测结果反馈值之间的偏差，控制达到生产过程运行在最佳状态.
(三) 在线控制
只要计算机对受控对象或受控生产过程，能够行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统.
(四) 离线控制
控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程。它只完成受控对象或受控过程的状态检测，并对检测的数据进行处理；而后制定出控制方案，输出控制指示，操作人员参考控制指示，人工手动操作使控制部件对受控对象或受控过程进行控制。这种控制形式称之为计算机离线控制系统.
(五) 实时控制系统
控制计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程，每当请求处理或请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统，常用在生产过程是间断进行的场合轧出一块钢算一个过程，每个过程都重复进行。只有进入过程才要求计算机进行控制。在计算机一旦进行控制时，就要求计算机对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。这种系统常使用完善的中断系统和中断处理程序来实现。综上所述，一个在线系统并不一定是实时系统。但是一个实时系统必是一个在线系统.
二、以参于控制方式来分类
按控制机参于控制方式来分类，可分成如下几种：
（一）直接数字控制系统
由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制，由于计算机发出的信号为数字量，故得名DDC控制。实际上受控的生产过程的控制部件，接受的控制信号可以通过控制机的过程输入/输出通道中的数/模(D/A)转换器将计算机输出的数字控制量中转换成模拟量；输入的模拟量也要经控制机的过程输入/输出通道的模/数(A/D)转换器转换成数字量进入计算机.
DDC控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来实现多个点的控制功能。实际上是属于用控制机离散采样，实现离散多点控制。这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机控制系统中主要控制形式之一.
DDC控制的优点是灵活性大，集中可靠性高和价格便宜。能用数字运算形式对若干个回路，甚至数十个回路的生产过程，进行比例--- 积分导数(PID)控制，使工业受控对象的状态保持在给定值上，偏差小且稳定。而且只要改变控制算法和应用程序便可实现较复杂的控制。如前馈控制和最佳控制等。一般情况下,DDC级控制常作为更复杂的高级控制的执行级.
(二) 计算机监督控制系统
计算机监督控制系统是针对某一种生产过程，依据生产过程的各种状态，按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值，并将最佳值自动地或人工对DDC执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调正或设定控制的目标值。由DDC或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控制.
SCC系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态情况下运行，因而获得最大效益。直接影响SCC效果优劣的首先是它的数学模型，为此要经常在运行过程中改进数学模型，并相应修改控制算法和应用控制程序.
(三) 多级控制系统
在现代生产企业中，不仅需要解决生产过程的在线控制问题，而且还要求解决生产管理问题，每日生产品种、数量的计划调度以及月季计划安排，制定长远规划、预报销售前景等, 于是出现了多级控制系统.
DDC级主要用于直接控制生产过程，进行PID或前馈控制;SCC级主要用于进行最佳控制或自适应控制或自学习控制计算，并指挥DDC级控制同时向MIS级汇报情况.DDC级通常用微型计算机,SCC级一般用小型计算机或高档微型计算机.
车间管理的管理信息系统主要功能是根据工厂级下达的生产品种、数量命令和搜集上来的生产过程的状态的信息，随时进行合理调度，实现最优控制，指挥SCC级监督控制.
工厂管理级的MIS主要功能是接受公司下达的生产任务和本厂的实际情况，进行最优化计算，制订本厂生产计划和短期(旬或周或日)安排，然后给车间级下达生产任务.
公司管理级的MIS主要功能是对市场需求预测计算，制订战略上的长期发展规划，并对订货合同，原料供应情况和企业的生产状况，进行最优生产方案的比较选择计算，制订出整个公司企业较长时间(月或旬)的生产计划、销售计划，并向各工厂管理级下达任务.
MIS级主要功能是实现信息实时处理，为各级决策者提供有用的信息，作出关于生产计划\调度和管理方案，使计划协调和经营管理处于最优状态。这一级可根据企业的规模和管理范围的大小分成若干级。每级又依据要处理的信息量的大小确定采用的计算机的类型.一般情况车间级MIS用小型计算机或高档微型计算机，工厂管理级的MIS用中型计算机，而公司管理级的MIS则用大型计算机，或者用超大型计算机
(四)分布式控制或分散控制系统
分散控制或分布控制，是将控制系统分成若干个独立的局部控制子系统,用以完成受控生产过程自动控制任务。由于微型计算机的出现与迅速发展，为实现分散控制提供了物质和技术基础，近年来分散控制得以异乎寻常的发展，且已成为计算机控制发展的重要趋势.
自70年代起，又出现集中分散式的控制系统，简称集散系统。它是采用分散局部控制的新型的计算机控制系统.
三、按调节规律分类
如果按调节规律分类，计算机对工业生产过程进行控制所构成的系统可分成如下几种:
(一)程序控制
如果计算机控制系统是按着预先规定的时间函数进行控制，这种控制称之为程序控制。如炉温按着一定的时间曲线进行控制就为程序控制。这里的程序是指随时间变化就有确定对应变化值，而不是计算机所运行的程序.
(二)顺序控制
在程序控制的基础上产生了顺序控制，计算机如能根据随时间推移所确定对应值和此刻以前的控制结果两方面情况行使对生产过程控制的系统，称之为计算机的顺序控制.
(三) 比例--积分导数PID控制常规的模拟调节仪表可以完成PID控制。用微型计算机也可以实现PID控制.
(四)前馈控制
通常的反馈控制系统中，对干扰造成一定后果，才能反馈过来产生抑制干扰的控制作用，因而产生滞后控制的不良后果。为了克服这种滞后的不良控制，用计算机接受干扰信号后，在还没有产生后果之前插入一个前馈控制作用，使其刚好在干扰点上完全抵消干扰对控制变量的影响，因而又得名为扰动补偿控制.
(五)最优控制(最佳控制)系统
控制计算机如能有受控对象处于最佳状态运行的控制系统称之为最佳控制系统。如用计算机控制系统就是在现有的限定条件下，恰当选择控制规律(数学模型),使受控对象运行指标处于最优状态。如产量最大、消耗最大、质量合格率最高、废品率最少等。最佳状态是由定出的数学模型确定的，有时是在限定的某几种范围内追求单项最好指标，有时是要求综合性最优指标.
(六)自适应控制系统
上述的最佳控制，当工作条件或限定条件改变时，就不能获得最佳的控制效果了。如果在工作条件改变的情况下，仍然能的控制系统对受控对象的控制处于最佳状态，这样的控制系统称之为自适应系统。这就要求数学模型体现出在条件改变的情况下，如何达到最佳状态。控制计算机检测到条件改变的信息，按数学模型给出的规律进行计算，用以改变控制变量，使受控对象仍能处在最好状态.
(七)自学习控制系统
如果用计算机能够不断地根据受控对象运行结果积累经验，自行改变和完善控制规律，使控制效果愈来愈好，这样的控制系统被称为自学习控制系统.
以上讲到的最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于近代控制理论研究的问题。系统的稳定性的判断，多种因素影响控制的复杂数学模型研究等，都必须有生产管理、生产工艺、自动控制、检测仪表、程序设计、计算机硬件各方面人员相互配合才能得以实现。由受控对象要求反应时间的长短、控制点数多少和数学模型复杂程度来决定选用计算机规模。一般来说需要功能很强（速度与计算功能）的计算机才能实现。
上述诸种控制，可以是单一种也可不是单一的，可以几种形式结合对生产过程实现控制。这要针对受控对象的实际情况，在系统分析、系统设计时确定。
计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器这两个环节。
计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。这种系统称为闭环控制系统。
计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。
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、家用电器和儿童玩具等。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，也可以是达到某种最优化目标。计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生产管理有机的结合起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理。
与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。它也可以是开环的，这有两种方式：一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。
计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。
在生产、科研等诸多领域里，有大量的物理量需要按某种变化规律进行控制。在二十世纪三十年代之前，工业生产多处于手工操作的状态。最初采用基地式仪表控制压力温度等在一恒定范围内，初步有了对工业生产的机械控制实践。随着电子技术的迅速发展和计算机控制系统的出现，直接实现了工业生产中各参量和过程的数字控制。计算机的微型化使控制技术更加智能化，同时将机械、电子、计算机技术和控制技术有机结合的机电一体化技术也得到迅猛发展，且越来越被广泛的应用到各生产领域。目前主要形成并应用的机电控制技术主要有PID控制，PID是经典控制理论的代表，它吸收了智能控制思想并利用计算机的优势，形成了自适应PID和非线性PID等更利于控制的变种PID控制器。另外还有模糊控制(FLC)、变结构控制等，均随着计算机领域的发展在不断地拓宽。
忽略数字信号的量化效应，可以将计算机控制系统看成采样控制系统，在这一系统中，将其中连续的环节离散化，则整个系统又可看成由不同的离散系统构成。计算机控制理论的发展主要是将采样理论、差分方程、变换理论、状态空间理论和系统辨识自适应控制等理论综合应用到控制技术中，使计算机控制系统有了初步发展。对于结构复杂、时变的非线性系统，控制系统则融入了鲁棒控制、模糊控制、预测控制等多种新型理论，逐步形成了工业过程控制系统的一个新方向。
自世界第一台电子计算机问世后，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相关的数据处理，同时也研究了计算机的开环控制。到二十世纪六十年代，出现了用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制。后经集中式计算机控制系统发展到以微处理器为核心的分层式控制系统控制，通过计算机对生产过程进行集中监视、操作和管理控制等。伴随着计算机处理器等技术的发展，计算机控制技术也随之发生相应的变革，最终应用到工业生产中并对其产生巨大影响。
数据采集系统
在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。
直接数字控制系统
计算机根据控制规律进行运算，然后将结果经过过程输出通道，作用到被控对象，从而使被控变量符合要求的性能指标。与模拟系统不同之处在于，在模拟系统中，信号的传送不需要数字化；而数字系统必须先进行模数转换，输出控制信号也必须进行数模转换，然后才能驱动执行机构。因为计算机有较强的计算能力，所以控制算法的改变很方便。
由于计算机直接承担控制任务，所以要求实时性要好、可靠性高和适应性强。
监督计算机控制系统
这个系统根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给直接数字控制系统执行。监督计算机系统承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。
分级控制系统
也就是DCS系统，具体请看集散控制系统的词条。
现场总线控制系统
也就是FCS，是新一代分布式控制系统。该系统改进了减压病系统成本高，各厂商的产品通信标准不统一而造成不能互联的弱点。
近年来，由于现场总线的发展，智能传感器跟执行器也向数字化方向发展，用数字信号取代4-20mA模拟信号，为现场总线的应用奠定了基础。现场总线是连接工业现场仪表和控制装置之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。现场总线被称为21世纪的工业控制网络标准。
微型计算机控制系统的发展是与组成该控制系统的核心部分 — 微型计算机的发展紧密相连的。微型计算机和微处理器自从 20 世纪 70 年代崛起以来，发展极为迅猛：芯片的集成度越来越高；半导体存储器的容量越来越大；控制和计算机性能，几乎每两年就提高一个数量级。另外，大量新型接口和专用芯片不断涌现、软件的日益完善和丰富，大大扩大了微型计算机的功能，这为促进微型计算机机系统的发展创造了条件。
目前，计算机控制技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。微型计算机控制系统的发展趋势右以下几个方面
以工业 PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流。
PLC 在向微型化、网络化、 PC 化合开放性方向发展。
面向测控管一体化设计的 DCS 系统。
控制系统正向现场总线（ FCS ）方向发展。
仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展。
工业控制网络将向有线和无线相结合的方向发展。
工业控制软件正向先进控制方向发展。
以工业 PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流:
工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。传统的自动化系统，基础自动化部分基本被 PLC和DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由小型机组成。20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机（工业PC）的发展，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。
由于基于 PC的控制器被证明可以像PLC一样可靠，并且被操作和维护人员接受，所以，一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用PC控制方案。基于PC的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC控制系统维护成本低。
工业 PC主要包含两种类型：IPC工控机和CompactPCI工控机以及它们的变形机。由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是 CompactPCI-based工控机，而IPC将占据管理自动化层。
当“软 PLC ”出现时，曾认为工业 PC将会取代PLC。然而，时至今日工业PC并没有代替PLC，主要有两个原因：一个是系统集成商的原因；另一个是软件操作系统的原因。一个成功的PC-based控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成；二是向客户提供所需要的所有东西。工业PC与PLC的竞争将主要在高端应用上，其数据复杂且设备集成度高。工业PC不可能与低价的微型PLC竞争，这也是PLC市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业PC 和 PLC之间。
PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展：
长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。
微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型PLC已经出现，价格只有几百元。随着软PLC控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based控制的市场份额将逐步得到增长。
当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，PLC也不例外。越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口。可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。
面向测控管一体化设计的 DCS系统：
小型化、多样化、PC化和开放性是未来DCS发展的主要方向。小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、工业PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先与这三种系统融合，而且“软 DCS ”技术将首先在小型 DCS中得到发展。PC-based控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制，各减压病厂商也将纷纷推出基于工业PC的小型DCS系统。开放性的DCS系统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。
控制系统正在向现场总线（ FCS）方向发展：
由于3C技术的发展，过程控制系统将由DCS发展到FCS。FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备中。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4－20mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。
根据IEC61158的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。除了 国际娱乐61158的8种现场总线外，IEC TC17B通过了三种总线标准：SDS、ASI、Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN标准。在各种现场总线的竞争中，以Ethernet为代表的COTS通信技术正成为现场总线发展中新的亮点。采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统的技术发展趋势。总之，计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（ DCS）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，但FCS发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程，同时DCS本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是，结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的地位。
计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。