自动化文献综述.doc

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文献综述

前言

从20世纪40年代起，特别是第二次世界大战以来，自动化随着工业发展和军事技术需要而得到了迅速的发展和广泛的应用。

如今，自动控制技术不仅广泛应用于工业控制中，在军事、农业、航空、航海、核能利用等领域也发挥着重要的作用。

例如，电厂中锅炉的温度或压力能够自动恒定的不变，机械加工中数控机床按预定程序自动地切削工件，军事上导弹能准确地击中目标，空间技术中人造卫星能按预定轨道运行并能准确地回收等，都是应用了自动控制技术的结果。

自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。

双容水箱液位控制系统就是自动控制技术在液位控制方面的应用。

其在化工，能源（电厂）等工业工程控制中得到了广泛应用。

过程控制的发展历程

随着过程控制技术应用范围的扩大和应用层次的深入，以及控制理论与技术的进步和自动化仪表技术的发展，过程控制技术经历了一个由简单到复杂，从低级到高级并日趋完善的过程。

1过程控制装置的发展

1.1基地式控制阶段（初级阶段）

20世纪50年代，生产过程自动化主要是凭借生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪表，采用比较笨重的基地式仪表（如自力式温度控制器、就地式液位控制器等），实现生产设备就地分散的局部自动控制。

在设备与设备之间或同一设备中的不同控制系统之间，没有或很少有联系，其功能往往限于单回路控制。

其过程控制的主要目的是几种热工参数（温度、压力、流量及液位）的定值控制，以保证产品质量和产量的稳定。

1.2单元组合仪表自动化阶段

20世纪60年代出现了单元组合仪表组成的控制系统，单元组合仪表有电动和气动两大类。

所谓单元组合，就是把自动控制系统仪表按功能分成若干单元，依据实际控制系统结构的需要进行适当的组合。

单元组合仪表之间用标准统一的信号联系，气动仪表（QDZ系列）信号为0.02～0.1MPa气压信号，电动仪表信号为0～10mA直流电流信号（DDZ-II系列）和4～20mA直流电流信号（DDZ-III系列）因此单元组合仪表使用方便、灵活。

由于电流信号便于远距离传送，因而实现了集中监控和集中操纵的控制系统，对于提高设备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生产设备日益大型化于连续化发展的需要。

1.3计算机控制的初级阶段

20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是采用单台计算机的直接数字控制系统（DDC）实现集中控制，代替常规的控制仪表。

但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统（DCS）所替代。

DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。

直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControl）

集散控制系统DCS（TotalDistributedControlSystem）

1.4综合自动化阶段

20世纪80年代以后出现二级优化控制，在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。

在硬件上采用上位机和DCS（或电动单元组合仪表）相结合，构成二级计算机优化控制。

随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统（CIPS）。

同时，以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通信的现场总线网络控制系统（FCS）。

FCS将对控制系统结构带来革命性变革，开辟控制系统的新纪元。

2过程控制策略的发展

几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：

简单控制、复杂控制和先进控制。

简单控制通常是指单回路PID控制，它一直是过程控制的主要手段。

PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析设计与综合。

目前，PID控制仍然得到广泛应用，在许多DCS和PLC系统中，均设有PID控制算法软件，或PID控制模块。

从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、前馈控制、Smith预估控制、比值控制、均匀控制、选择性控制和多变量解耦控制等策略与算法，称为复杂控制。

它们在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。

它们仍然以经典控制理论为基础，但是结构与应用上各有特色，而且目前仍在继续改进与发展。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如推理控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等，常统称为先进性控制。

近几十年来，以专家系统模糊逻辑神经网络和遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。

先进控制方法可以有效地解决那些采用常规仪表控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。

实践证明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。

当前控制系统的发展趋势

1生产装置实施先进控制成为发展主流

在控制装置发展的同时，高新技术的发展和新材料的应用也促进了工业仪表的发展。

数字化、多变量和专业集成电路（ASIC）的广泛应用，生产出许多智能传感器和执行器。

它们不仅可以检测有关过程变量，还能提供仪表状态和诊断的信息，而且具有通信功能，便于调试、投入运行、维护和管理。

一些重要的生产过程逐渐采用技术先进的在线分析仪器，如近红外、质谱、色谱、专用生化过程传感器等。

随着各种光、机、电传感技术及厚膜电路等先进加工工艺的广泛应用，使工业仪表显得异彩纷呈。

随着生产装置的发展为实施先进控制提供了可能的基础，随着企业提出高柔性和高效益的要求，以及多变量预测等先进控制策略的提出与应用，先进控制受到了过程工业界的普遍关注。

先进过程控制（APC）是指一类在动态环境中，基于模型、充分借助计算能力，为工厂获得最大利润而实施的一类运行技术策略。

这种新的控制策略实施后，系统运行在最佳工况，实现了所谓的“卡边生产”。

先进控制策略重要有解耦控制、时滞补偿控制、差拍控制、多变量控制、自适应控制、软测量技术及推断控制、稳健控制、专家控制、模糊逻辑推理和神经网络等智能控制，尤其智能控制已成为开发、研究和应用的热点。

2过程优化受到工业界的普遍关注

在连续过程工业中，往往上游装置的部分产品是下游装置的原料，整个生产过程存在着装置间的物流分配和能量平衡等一系列的问题。

借助优化可使得整个生产过程获得很大的经济效益和社会效益。

目前在过程优化中，主要是稳态优化。

稳态优化采用静态模型，进行离线或在线优化计算。

为获得稳态最优，要求系统工作在一种特定的，保守程度较小的工况之下。

但一旦偏离了这种工况，各项指标会明显地变差，操作难度增加，有时会导致生产的不安全。

随着稳态优化的深入研究，直接影响过程动态品质的动态优化也显示出其重要性。

生产过程的优化是在各种约束条件下，求取目标函数的最优值，通常是复杂的非线性优化问题，应用传统优化理论往往遇到困难。

3传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统

随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，各家DCS生产厂家的产品大多不能兼容的局面已被打破。

一些主要的DCS生产商经过激烈地竞争，最后终于联手共同推出一种国际标准的现场总线（Fieldbus）控制系统。

它被公认为具有时代特点的新一代分布式计算机控制系统。

它的主要特点为：

a）开放性。

现场总线采用同一种国际标准的通讯协议，不同厂家的产品可方便地互联，可与局域网相联。

b）智能化现场仪表。

除了一般现场控制、检测功能以外，还具有诊断、自补偿、现场组态、现场校验功能。

c）现场仪表采用数字信号传输提高传输可靠性，节约传输线的投资。

d）彻底的分散性。

简单控制回路基本分散在现场实现，关键信号进中央控制室，中央控制室主要完成信息管理，先进控制和过程优化。

4综合自动化系统（CIPS）是发展

过程工业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。

进入90年代，国内外企业在国际市场剧烈竞争的刺激下，特别过程工业还受到环境保护的巨大社会压力。

节能降耗，少投入多产出的高效生产和减少污染的洁净生产成为企业的生产模式，企业把提高综合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。

集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前过程控制发展的趋势。

综合自动化就是在计算机通讯网络和分布式数据库支持下，实现信息与功能的集成，进而充分调动以人为主要因素的经营系统、技术系统及组织系统（humanware）的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。

过程控制的若干问题

1现代工业过程建模

现代工业过程的先进控制、参数的软测量、过程优化、调度与管理等，它们都是以模型为基础的。

然而，随着过程工业的大型化、综合化、复杂化，工业过程的建模难度也愈来愈大，它不仅涉及到工业对象的非线性、不确定性、大时滞、参数分布性和时变性等内在的复杂机理问题，而且涉及到客观环境和“人为”环境的作用问题。

从系统的观点来考察，现代工业过程已有稳态系统与动态系统的结合、离散事件系统与连续时间系统的结合、符号系统等与数值系统的结合、人-机系统等的特点。

过程建模应当突破传统的机理建模、统计建模等框架，从更宽的视野运用控制理论、信号处理、信息处理和计算机技术来实现工业过程建模。

2先进过程控制

目前在过程控制中，90%以上的控制回路都是PID类型，包括较高级的自整定PID控制，解耦PID控制等。

对于一般的控制要求，各类PID控制是能满足的。

然而在过程控制中有一些控制回路，直接影响到产品质量和装置运行的可靠性与安全性。

针对生产过程控制的要求，各种新型的控制策略和控制系统正在应运而生，如质量控制、鲁棒控制、容错控制、基于人工智能技术的控制系统等。

3过程优化

过程工业的最优化一直是过程工业界和控制界十分关注的课题。

现代过程工业的优化问题主要有两大类——离散事件调度优化和连续过程优化。

非结构问题，面对许多病态问题和病态环境的优化计算问题，这些优化问题都是传统优化技术（线性规划、非线性规划、动态规划）无法解决的。

大维数和超大维数的优化问题，这里维数的大小视问题的类型的不同而具有相对性，除了实际问题以外，还可能是由于问题的模型转换引起的。

实时控制和预报对计算高速性的要求和要求全局最优解，对于过程工业优化问题，目前主要集中于稳态大系统优化，动态优化问题也已经提出。

计算机仿真

计算机仿真是基于模型的活动,模型是对实际系统的一种抽象,是系统本质的表述,它包括物理仿真、数字仿真和动态仿真。

它是一个能够描述实际系统的数字模型,经过二次模型转化使其转化为仿真模型,再利用计算机进行模型运算分析处理。

其实质是利用计算机仿真系统进行实际系统的建模、试验、分析。

MATLAB语言是20世纪70年代后期，美国墨西哥大学计算机系系主任CleveMoler教授在讲授线性代数课程时构思开发的，其名称MATLAB是MatrixLaboratory的缩写，即矩阵实验室。

SIMULINK是MATLAB推出的一个图形化得仿真计算工具，通过它可以形象生动地完成系统的构造和仿真，在实际教学中的效果远远优于枯燥的公式推导以及流程化得仿真程序。

总结

从过程控制的发展历程和趋势，可以看出过程控制在计算机高层次上的应用还处于较低的应用阶段。

如，高等控制所需对象的动态模型，尽管近年来机理分析模型和系统辨识建模都有很大的发展，但是无论是模型的工程描述方法还是模型的精度还远不能适应高等控制策略的需要。

从近几十年来，随着现代科学技术的前进，过程控制系统的硬件和控制算法不但是现阶段的发展主流，也将是未来发展的主潮流。

参考文献

[1]于希宁,孙建平.自动控制原理[M].北京:

中国电力出版社,