现代控制技术在未来的发展趋势

随着知识经济时代的到来，计算机、通讯和网络技术的飞速发展从根本上改变了现代工业企业的生产模式。国际化、动态化市场竞争日益激烈，经济及用户需求的不确定性也在不断增加，工业企业如何适应新的竞争环境，成为广大理论与实践工作者关注的焦点。科学技术的进步和社会的发展，缩短了产品的生命周期，从而要求企业必须不断更新产品和发展品种。这样就迫使许多现代制造企业，不得不纷纷走向多品种小批量的生产类型。而且仅依靠在本企业内部采用先进的生产技术，来组织效率高而成本低的大批量生产已不能适应当今日益加剧的全球化竞争；企业必须充分利用广域网和企业网技术实现企业内部及全球企业之间的信息集成，必须利用多方优势力量，通过动态联盟，多企业协同工作，快速采购最优质、低价的零部件和原材料，制造加工出用户所需的产品，来快速响应市场需求。因此，信息技术与控制技术的结合是全球化生产的必然趋势，虚拟现实与仿真技术是实现全球化生产的基本前提，而集成控制技术则是全球化生产的主体——新型企业的未来组织模式。下面我就对现代控制技术在在未来的这几方向发展趋势分别进行介绍。

1　信息技术与控制技术的结合

当前，世界正进入信息时代。信息是一种重要资源，它和其它物质资源显著不同的特点在于：信息在使用和流通的过程中非但不会损耗，而且只有通过使用和流通才能充分发挥其效用，并且不断增值。现代社会中，计算机已成为信息储存和处理的主要手段，而信息的采集、传输和分发则离不开计算机网络。自美国克林顿政府提出国家信息基础设施的行动计划后，在世界范围内兴起了一个信息高速公路的热潮。从某种意义上来说，信息高速公路就是可交互式传输包括数字、字符、声音、图形、图像和视频等多媒体信息的高速计算机通信网络。进入本世纪90年代，国际互连网在全球迅速增长，对整个社会产生了深远影响的Internet是多种信息服务的集合。主要服务有全球信息服务(Web)、文件传输服务、电子邮件服务、远登录服务、电子公告板服务等。异地设计和制造是以高速计算机通信网络和多媒体技术为基础，将分布在不同地点的设计和制造部门，通过网络系统集成为一个并行化和一体化运作的整体。单台计算机的处理能力限制了其应用范围，只有通过计算机网络将分布在不同地点的各个子系统互连在一起才能实现数据的交换、共享和集成，减少中间数据的重复输入输出过程，从而大大地提高整个系统从订单、备料、设计、工艺到生产和供货全过程的效率，加速新产品的开发，提高质量，降低成本，缩短交货周期和压缩库存，以提高企业在市场的竞争力。

控制论的创始人维纳为其著名的《控制论》一书所列的副标题是“关于在动物和机器中控制和通信的科学”。近百年来的发展也说明控制与信息、通信的发展是密不可分的。信息科学技术与控制科学技术的交叉发展越显重要。计算机网络、因特网、虚拟网络、企业网络、现代信号处理等等使自动化系统与工业控制系统从体系结构、控制方法、产品系列、人机合作等都发生了重大的变化。例如：递阶控制系统的体系结构因网络的发展和“柔性化”的需要而“扁平化”；企业内部网(Intranet)与控制网(Controlnet)或现场总线(Fieldbus)、底层基础网(Infranet)环境下的控制方法与算法需要创新。进入21世纪的控制系统必将是以网络为主要特征：一方面是在自动化与工业控制中需要更深层次地渗透通信与网络技术；另一方面是在通信网络的管理与控制中也要求更多地采用控制理论与策略。“网上控制”和“控制入网”将是21世纪工业控制的一个动向。

2        虚拟现实及计算机仿真技术

虚拟现实(Virtual Reality)技术是利用计算机并借助相应的传感装置(如头盔和数据手套)及传感媒体(各种信息传输通道及其接口)，使操作人员在远离现场的工作环境中仍具有身临其境之感觉的技术。借助虚拟现实技术能使操作人员“如实”地操纵各种设备或进行“现场”培训。计算机仿真技术亦具有与此相类似的功能。这样，不仅能获得可观的经济效益，节省大量资金与时间，并可避免发生生产中的各种工伤事故。把它们用于工业控制就产生了虚拟制造系统。

虚拟制造系统VM(Virtual Manufacturing)是由Onosato和Iwatad在1993年提出的一个新的概念。VM系统的核心思想是通过计算机模型和仿真技术模拟实现产品生产、控制和信息处理过程，使得生产厂家在具体制造产品之前，能对该产品生产周期的各方面，如生产时间、生产费用、产品质量等有一个比较深入的了解一个产品的生产过程可以分成信息处理过程和产品制造过程两部分，“虚拟”(Virtual)的意思是指上述信息处理过程和产品制造过程在计算机里实现，具体生产过程中的各种原材料和其它资源也由用信息表述的对象来描述。VM系统中，制造系统可以分成真实的物理系统(RPS)、真实的信息系统(RIS)、虚拟的物理系统(VPS)和虚拟的信息系统(VIS)。虚拟制造系统VM的一般实现过程是把虚拟过程控制系统同计算机集散型控制系统结合起来，建立了建模、控制、优化与仿真计算机集成化环境，并把生产线各工段的动态数学模型和静态数学模型及控制算法输入到集成环境中，建立生产线模拟系统，进行仿真和实际运行验证其有效性。其示意图如图1所示。

3         集成控制技术

现代工业的发展已出现越来越多的综合型大企业，要求对生产的整个过程，全部环节所组成网络的物料流、信息流、资金流进行综合控制，使运行工况、设备状态、能源利用、经济效益、预测分析和故障处理都在最优化，最合理的状态。在自动化技术、信息技术与各种生产技术基础上，由工业计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息与各分散的自动化系统，有机地集成起来，构成一个能适应生产环境不确定性与市场需求多变性的柔性智能生产系统，如以离散事件为特征的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)。 CIMS将制造系统中的各个自动化孤岛用计算机进行有机的集成，使制造系统适合于多品种、中小批量的生产，提高制造系统的总体效益和柔性。实现CIMS的基本要求是：

(1)建立有力的领导机构；

(2)应用系统工程理论与技术、网络技术、数据库/ 知识库技术、CAD/ CAPP/ CAM/  CAQ/ CAT技术、系统仿真技术等，实现各种信息的集成；

(3)改善现有企业组织机构。

在CIMS工程实践中，其理论和方法也是不断发展的。过去CIMS实施强调工程设计、制造过程、信息管理和工厂生产等技术、功能的集成，而现在强调经营、技术和人的集成。CIMS由过去的“技术驱动”变为现在的“需求牵引”。满足用户的需求是成功实现CIMS的关键。现在衡量CIMS是否达到全面最优化要从及时性(T-time)、高质量(Q-quality)、经济性(C-cost)、服务好(S-service)和环境保护(E-environment)方面综合考虑，实现从市场分析、产品设计、生产制造到售后服务的控制与管理的集成。CIMS的原理如图2所示。系统集成要根据总体目标，采用成熟技术及产品，促进学科交叉，从工业控制作为集成自动化的基础必须考虑到集成的需求与环境，包括开放式系统标准化、模块化设计、软件重构性、联网能力、统一的人机界面等。

21世纪的工业控制系统将不仅仅实现控制功能，而必须考虑与设计、管理决策等系统的互联，实现信息的双向共享和自动化系统的集成。在系统集成中，人的因素必须足够重视。成功的系统集成往往是经营、技术与人(和组织)的集成。在自动化与工控系统中，如何促进人机协作、协调与协同，使人的创新性能更好发挥是人们关注的一个问题。正如有位专家所指出的，要在生产中发挥人的人格。系统集成给予工控界的启示是：要使工控系统便于集成，以系统集成促进工控系统的发展。