1.2 计算机控制系统的分类
生产对象不同，采用的控制系统也不同，计算机应用于工业过程控制有各种各样的结构和形式，可以实现各种各样的控制规律。
按照控制规律来分类，可以分为：程序控制和顺序控制、PID（Proportion Integration Differentiation）控制、最少节拍控制、串级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制还有其他复杂控制等。
按照系统功能来分类，可以分为操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等。
本节主要介绍按系统功能不同来划分的控制系统的类型。
1.2.1 操作指导控制ODC（Operate Direction Control）系统
操作指导控制系统的结构如图1-4所示。计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对生产过程的大量参数进行巡回检测、收集、加工处理，然后再进行报警、打印或显示。操作人员根据此结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。
在这种系统中，计算机不直接参与生产控制，而是由操作人员根据测量处理结果来改变给定值或进行必要的操作。由于计算机的结果可以帮助并指导人的操作，因此把这种系统称为操作指导系统。
用一台计算机代替大量常规显示和记录仪表，从而对生产过程进行集中监视，它的输出不直接作用于生产过程的执行机构，只为操作人员的分析判断提供信息。这是一种开环控制系统，仅对生产过程进行监视，不对生产过程进行自动控制。
图1-4 操作指导控制系统的结构
1.2.2 直接数字控制DDC（Direct Digital Control）系统
直接数字控制系统DDC，是计算机用于工业过程控制最常用的一种类型，其结构框图如图1-5所示。
图1-5 直接数字控制系统的结构
计算机通过输入通道（模拟量输入通道AI或开关量输入通道DI），对多个被控生产过程进行巡回检测，结果与给定值相比较，按PID或适宜的控制算法进行运算，发出控制信号，然后经过输出通道（模拟量输出通道AO或开关且输出通道DO）直接去控制执行机构，将各被控参数保持在给定值上。在框图中有的系统配有虚框内的人机界面，如CNC数控系统、工控机集中控制系统等，有的系统无虚框内人机界面，如小型PLC控制系统、智能化模块控制系统等。
在DDC系统中，计算机直接参与控制，系统经计算机构成了闭环。而在操作指导控制系统中，计算机不直接参与控制，控制是由人工来完成的，计算机与被控对象未形成闭环。
在这种系统中，一台计算机可以取代多个模拟调节器，它利用了计算机的分时能力。在不更换硬件的情况下，只要改变程序，就可实现各种复杂的控制规律。小型PLC控制系统、CNC数控系统、变频控制系统更是直接数字控制的典范，它们结构简捷、设计周期短、控制可靠，现有80%以上的小型工业控制系统仍然继续使用，短期内不会被替代。
1.2.3 计算机监督控制SCC(Supervisory Computer Control)系统
在DDC系统中是用计算机代替模拟调节器进行控制，被控参数给定值是预先设定的，并存入计算机中，这个给定值不能根据工作状态的变化及时修改，不能实现生产过程的最优控制。
SCCS是计算机和调节器的混合系统。它通常采用两级控制形式。在SCC系统中，由监督控制计算机（SCC）按照描述生产过程的数学模型计算出被控参数的最佳给定值后，送给下一级模拟调节器或DDC计算机，并由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，使生产过程处于最优工作状况。
SCC监控级一方面计算最佳给定值，另一方面对生产状况进行分析，做报警处理。所以SCC不直接控制执行机构，而是给出最优给定值，让下一级去控制执行机构。
该类系统有两种结构形式，一种是SCC+模拟调节器控制系统，另一种是SCC+DDC控制系统。
1）SCC+模拟调节器控制系统
该系统的结构如图1-6所示。在此系统中，SCC计算机对各被测参数进行巡回检测，按一定的数学模型计算出最佳给定值并送给模拟调节器，此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算，然后输出到执行机构去控制生产过程。
图1-6 SCC+模拟调节器控制系统的结构
2）SCC+DDC控制系统
该系统的结构如图1-7所示。该系统实际上是一个两级计算机控制系统，一级为SCC监督级，一级为DDC控制级。SCC计算机的作用与SCC+模拟调节器控制系统中的SCC一样，用来计算最佳给定值，而DDC用来把给定值与测量值（数字量）进行比较，其偏差由DDC进行控制规律的计算，然后经D/A转换器和多路开关去分别控制各个执行机构。
图1-7 SCC+DDC控制系统的结构
监督控制系统能根据工作状态的变化来改变给定值，以实现最优控制。SCC+模拟调节器法适合于老企业技术改造，既用上了原来的模拟调节器，又利用了计算机进行最优控制和监控报警。另外，系统可靠性高，当SCC计算机出故障时，可用模拟调节器或DDC独立工作。
1.2.4 集散控制系统DCS（Distributed Control System）
在DDC系统中计算机集多通道采集、控制于一身，并且控制软件、管理软件同时运行，上、下位机合二为一。由于所有的功能、处理集中在一台计算机上，大大增加了计算机失效或故障对整个系统造成的危害，所以现在很少使用。目前采用的是结构更先进、更科学的控制系统，上、下位机分开，各通道分开采集、控制的DCS集散控制系统。
集散控制系统DCS（Distributed Control System），本意是分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种计算机控制系统，它以下位机（下虚框内）进行分散控制，上位机（上虚框内）集中进行信息管理与监视。即分布控制、集中管理，故又改称集散控制系统，其结构如图l-8所示。
图1-8 集散控制系统的结构
由于现代生产过程复杂，设备分布很广，其中各工序和设备同时并行工作，而且基本上都是独立的，所以更适合采用分布式控制系统。这样就可以避免传输误差及系统的复杂化。在这种系统中，只有必要的信息才传送到上一级计算机或中央控制器中，而大部分时间都是各个计算机并行地工作。
集散控制系统采用积木式结构，配置灵活、易于扩展。集散控制系统的大型化就构成了多级计算机控制系统。多级计算机系统一般分为直接控制级、监控级和生产管理级，如图1-9所示。
图1-9 多级计算机控制系统
直接数字控制级基本上是直接数字控制级（DDC）系统的形式，是自控理论PID控制等实施的硬件设备和具体位置，也是DCS系统的关键设备。直接控制级直接控制生产过程，进行比例积分微分 (PID)、顺序、串级、前馈、延迟补偿等各种控制运算，还具有数据收集、监视报警等功能。监控级也就是计算机监督控制级（SCC），主要确定分散过程控制级的最佳给定值，实现最优控制和适应控制，指挥直接控制级工作，调整常规调节器的给定值或向操作人员发出操作指示等。在某些场合下，监控级还能兼做直接控制级的一些工作。生产管理级主要进行生产的计划和调度，根据计算机监督控制级提供的信息，编制审核控制方案指挥监控级工作。这一级依企业规模和管理范围又可划分为总厂管理级、分厂管理级和车间管理级。
但由于集散控制系统的采集、控制是一对一的物理连接，且大多进行的是模拟量通信传输，造成了物理电缆过多，模拟传输抗干扰能力差、可靠性降低，因此更先进的FCS现场总线控制系统应运而生。
1.2.5 现场总线控制系统FCS（FieldBus Control System）
现场总线控制系统（FCS）由上、下位机和现场总线组成。现场总线（FieldBus）是随着数字通信的发展而出现的一种用于现场仪表与控制室计算机之间的全数字化、开放性、双向多站的通信系统。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，也就是工程师站和操作员站，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，还可通过网关与企业的上级管理网络相连.以便企业管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。现场总线控制系统的结构如图1-10所示。
图1-10 现场总线控制系统的结构
分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互操作性。
在FCS中，基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，功能块同时具有测量、控制和通信功能，不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路，使控制功能彻底分散，直接面对生产过程。采用开放的控制网络协议把各现场功能块互联，形成现场层控制网络。
现场总线系统与以往的控制系统相比优点显而易见：
（1）全数字通信。传统的4～20mA模拟信号被双向数字通信现场总线信号制代替，实现了全数字通信。
（2）控制的彻底分散。在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，从而实现真正的分布式控制。
（3）双向传输。传统的4～20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上既可以向上传输传感器信号，也可以向下传输控制信息。
（4）智能化与自治性。数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，甚至出现了集检测、运算、控制于一体的智能仪表。现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。
（5）自诊断。现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。
（6）节省布线及控制室空间。传统的控制系统的每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只有极少的线进入中央控制室，节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。
（7）开放性与互操作性。现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。
可以说，它的出现使传统的自动控制系统产生了划时代的变革。