1.3 计算机控制技术的发展概况及趋势

1.3.1 计算机技术对控制技术的影响

计算机科学领域的各项成果都会推动计算机控制系统的发展。特别是微型机的发展，出现了专门工业控制用计算机，如PLC、工控机等，可靠性高，成本低，从而推动计算机控制系统的发展，并逐步取代常规的模拟控制装置。

随着计算机技术、通信技术的发展，计算机网络经历了集中式、层次式和互联网的发展阶段，控制系统也由集中式控制发展到分级式控制再到分布式控制。可以看出随着计算机技术、通信技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展，控制系统也在向网络化方向发展。

对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。

1.3.2 计算机控制技术的发展历程

计算机的出现使科学技术产生了一场深刻的革命，同时也将自动控制推上了一个新水平，产生了计算机控制系统。随着计算机技术、自动控制技术、自动化仪表技术、自动检测技术与网络技术的交叉发展与相互渗透，控制技术也在不断向前发展。

从国际上的计算机控制技术发展来看，在进行计算机控制试验基础上，大体经历了集中式、分级式和分布式三个大阶段。

1965年以前，是计算机控制试验阶段。1952年，在化工生产中实现了计算机自动测量和数据处理，1954年开始用计算机构成开环控制系统。1957年在石油蒸馏过程控制中采用了计算机构成的闭环系统。1959年3月，世界上第一个规模较大的过程计算机控制系统在美国得克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行，并取得成功。该系统的控制参数包括26个流量、72个温度、3个压力和3个成分。这一开创性的工作，唤起了人们对计算机控制的极大兴趣，使计算机厂家看到了新的市场，使工业界看到了新的自动化工具，使学术界发现了新的研究课题，因而有力地推动了计算机控制和计算机本身的进一步发展。由于当时的计算机是电子管计算机，计算机的性能价格比很低，而且体积大、可靠性差。1958年前后，计算机的平均故障间隔时间（MTBF）为50～100h，因此，当时计算机控制系统主要用来执行数据处理、操作指导和为模拟控制器提供最优设定值的监督控制等简单控制功能，而且实际应用的计算机控制系统为数非常少。

1965—1969年是计算机控制进入集中控制的普及阶段。随着半导体技术的兴起，晶体管计算机取代了电子管计算机，计算机的可靠性和其他性能指标都有较大的提高，成本逐年下降，计算机在生产控制中的应用得到迅速的发展。1962年英国化学工业公司就成功地实现了一个DDC系统，其中数据采集量为244个，并控制129个阀门。由于DDC系统可以较好地发挥计算机控制的优势，所以DDC系统的实现无疑是计算机控制系统的一大进步。但这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统，在高度集中的控制系统中，若计算机出现故障，将对整个装置和生产系统带来严重影响。虽然采用多机备用可以提高集中控制的可靠性，但会增加成本。

1970年以后进入大量推广集散控制的阶段。随着大规模集成电路（LSI）技术的突破，微型计算机于1971年问世。微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。由于微型计算机具有运算速度快、可靠性高、价格低廉和体积小等特点，因此，消除了长期阻碍计算机控制发展的计算机造价昂贵和可靠性低两大问题，并为集散控制系统（DCS）的出现创造了条件。20世纪70年代中期出现的DCS成功地解决了传统集中控制系统整体可靠性低的问题，从而使计算机控制系统获得了大规模的推广应用。它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（Distributed Control System，DCS）。1975年世界上几个主要计算机和仪表公司，如美国的HoneyWell公司、日本的横河公司等几乎同时推出各自的DCS产品，都得到广泛的工业应用。

进入20世纪80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。

20世纪80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。

进入20世纪90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域，DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂、费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。

从20世纪80年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电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（4～20mA/24V DC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。

20世纪90年代以后，随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的逐步普及、智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，使嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业以太网络，直至与Internet相连，计算机控制系统步入了分布式网络化的控制阶段。

总之，计算机控制技术的发展趋势是向着结构网络化、控制分散化、节点智能化、系统集成化等方向发展。