韓國(guó)強(qiáng)

工業(yè)過程控制技術(shù)展望

韓國(guó)強(qiáng)

工業(yè)過程控制堪稱工業(yè)界的第三次工業(yè)革命，改變了工業(yè)制造，提高了工業(yè)制造的自動(dòng)化水平。本文則針對(duì)工業(yè)過程控制技術(shù)發(fā)展的不同階段進(jìn)行總結(jié)和分析，并探討當(dāng)前過程控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，最后結(jié)合自身的工作，對(duì)其發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行展望，以此為過程控制技術(shù)的發(fā)展提供理論參考。

當(dāng)前，隨著工業(yè)企業(yè)開始逐步走向大型化，其中的工業(yè)生產(chǎn)過程也開始逐步的變得連續(xù)化和復(fù)雜化。同時(shí)，其中很多的系統(tǒng)也開始具備強(qiáng)耦合性、非線性、不確定性等特點(diǎn)。同時(shí)在一些比較苛刻的條件下，常規(guī)的過程控制已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，使其不能達(dá)到比較滿意的效果。由此，先進(jìn)的控制技術(shù)開始逐步進(jìn)入工業(yè)制造之中，并不斷解決常規(guī)控制當(dāng)中不能解決的問題。對(duì)此，涌現(xiàn)出了一些非常先進(jìn)的控制算法、辨識(shí)技術(shù)等。本文對(duì)控制過程技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)性的回顧，以此通過對(duì)其發(fā)展歷史和現(xiàn)狀的分析，探尋其未來發(fā)展的趨勢(shì)。

工業(yè)控制過程發(fā)展

通過總結(jié)不同專家和學(xué)者對(duì)工業(yè)過程控制的相關(guān)見解，通常對(duì)過程控制技術(shù)分為三個(gè)不同的發(fā)展階段。

第一，70年代之前。該階段通常作為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段。由于受到理論和相關(guān)工具的影響，在該階段的工業(yè)自動(dòng)化的整體水平顯得非常的低。而在當(dāng)時(shí)的發(fā)展中，經(jīng)典控制理論控制的根本和基礎(chǔ)。其典型的思想則為通過常規(guī)儀表等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程的控制。而在控制的系統(tǒng)方面，其大部分則是通過采用單變量的系統(tǒng)，但針對(duì)一些比較大型、復(fù)雜的對(duì)象，則具有很大的不確定性、非線性等。

第二，70～80年代。在該階段，隨著包括電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，此時(shí)的現(xiàn)代控制理論開始出現(xiàn)。一方面因?yàn)槭袌?chǎng)產(chǎn)生了如DCS等先進(jìn)的控制工具；另一方面，是因?yàn)楹芏嗟年P(guān)于控制理論開始不斷的出現(xiàn)。

第三，90年代以后。隨著近些年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)方面的不斷發(fā)展，開始逐步的出現(xiàn)了一種新的控制系統(tǒng)理論，通常將其稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。該技術(shù)比較獨(dú)特在于其具有很強(qiáng)的開放性、分散性和數(shù)字化，并可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的操作模式。該控制技術(shù)克服了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)存在的問題和缺點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、方法、安裝等產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響。而此后，很多的研究者通過研究發(fā)現(xiàn)，將優(yōu)化、管理、調(diào)度和控制等集合在一起，可成為一種新的控制模式，并將數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等加入到其中，可形成一種高級(jí)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，由此在工業(yè)中出現(xiàn)了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。由此該階段成為現(xiàn)代工業(yè)控制的一個(gè)非常重要的發(fā)展時(shí)期。

現(xiàn)狀分析

隨著過程控制技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展到了包含各種不同先進(jìn)控制技術(shù)的程度。而通過對(duì)當(dāng)前控制技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀總結(jié)，其大致可以分為以下幾類。

第一，自適應(yīng)控制。根據(jù)周圍和自身環(huán)境變化，通過自動(dòng)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)設(shè)定，并讓其保持最佳的狀態(tài)運(yùn)行。針對(duì)該控制，通常分為兩類：一類主要為基于模型的自適應(yīng)的控制；另外一類則主要為基于被控對(duì)象的自適應(yīng)。通常將該系統(tǒng)應(yīng)用在航空、空間飛行棋和導(dǎo)彈發(fā)射當(dāng)中，而在工業(yè)控制方面則顯得非常的少。

第二，魯棒控制。對(duì)魯棒控制的看法，通常將其認(rèn)為以相關(guān)的控制算法來實(shí)現(xiàn)，通過提高其中控制算法的可靠性，實(shí)現(xiàn)控制。在工業(yè)控制中，所謂的魯棒性其實(shí)是為保證整個(gè)系統(tǒng)的安全，要求控制系統(tǒng)需要滿足的最小的要求。而針對(duì)上述提到的魯棒控制來講，則主要是針對(duì)其中的頻率或時(shí)間域來說的。通過采用假設(shè)的方法，對(duì)控制中的特性變化進(jìn)行描述，從而得到可能的范圍。因?yàn)樵诳刂浦兴捎玫乃惴?，很多都不需要一個(gè)精確的過程，而僅僅通過離線辨識(shí)即可。魯棒控制則是以其中的穩(wěn)定性和可靠性作為其首要的目標(biāo)，通過其構(gòu)成動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性因素的可能的變化范圍進(jìn)行控預(yù)估。

第三，最優(yōu)控制。作為控制理論中的部分，其通常被應(yīng)用到軍事等相關(guān)領(lǐng)域。該理論通常在給定初始狀態(tài)和方程的前提之下，給出目標(biāo)函數(shù)，以此找到該控制的最優(yōu)的解，從而讓系統(tǒng)形成最佳的指標(biāo)。在該過程當(dāng)中，所謂的最大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、變分法等則成為達(dá)到上述目的的最優(yōu)的方法。而在該計(jì)算和應(yīng)用當(dāng)中，龐特里亞金極大值原理、貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃則等成為解決最優(yōu)解常用的工具，解決其中最優(yōu)問題。而在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，該控制理論則主要被用于空間飛行器等相關(guān)的航天和軍事領(lǐng)域。在工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用，如在生物工程控制等，但大部分都和液位、壓力、流量等有關(guān)。

第四，智能控制。作為當(dāng)前控制技術(shù)的一個(gè)重要方面，通常將其分為以下幾種類型：

①學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。該控制通常采用模式識(shí)別的方式，以此獲取整個(gè)回路的狀態(tài)，并結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制；

②專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)為控制另論與專家系統(tǒng)技術(shù)相互結(jié)合。通過系統(tǒng)的判斷，從而以智能的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)的操作。該技術(shù)的關(guān)鍵，則是借助知識(shí)庫的方式，將相關(guān)的專家的經(jīng)驗(yàn)全部集中到該庫當(dāng)中。該知識(shí)庫則全部是由專家的經(jīng)驗(yàn)、在線系統(tǒng)信息和推理機(jī)組成，并主要用于工業(yè)中的調(diào)度、故障診斷等方面；

③模糊控制。PID模糊控制與傳統(tǒng)的不同，該理論主要以模糊集合論、語言變量及模糊邏輯作為基礎(chǔ)，以此模擬人的近似推理和決策過程。該理論以控制器的方式，借助模糊規(guī)則算法，實(shí)現(xiàn)控制。通過大量的實(shí)踐證明，PID控制則主要用于因非線性或是復(fù)雜建模下引起的系統(tǒng)的控制。與傳統(tǒng)的精確模糊數(shù)學(xué)模型相比，在高度的不確定性等復(fù)雜的系統(tǒng)控制方面，其具有非常強(qiáng)的優(yōu)越性。但是，該模糊理論在魯棒性、全局性和穩(wěn)定性等方面還有著很大的問題；

④神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。該控制則通過模擬人類思維的方式，通過學(xué)習(xí)，從而獲取人的知識(shí)。通過該方法，其具有自我聯(lián)想、自我容錯(cuò)、自我學(xué)習(xí)的能力；

⑤智能混合控制。該控制是將模糊邏輯、遺傳算法等相混合，從而為智能控制提供豐富的控制方式。如當(dāng)前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的CPS，通過引入傳感器、3G通信等，從而對(duì)整個(gè)智能電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、仿真監(jiān)控，通過這種方法，讓整個(gè)智能電網(wǎng)更具有靈活、高效、實(shí)時(shí)、安全、可靠的特點(diǎn)，為客戶提供更穩(wěn)定的電力服務(wù)。

發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)、通信、傳感器等的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始被應(yīng)用到工業(yè)過程控制當(dāng)中，并成為未來發(fā)展的一個(gè)重要的趨勢(shì)。通過傳感器技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)采集，并通過現(xiàn)代通信技術(shù)、控制算法、模糊規(guī)則等技術(shù)的混合，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造的人工智能控制，提高了其應(yīng)用的實(shí)力。因此，通過對(duì)其上述的分析，采用綜合性的方法，成為未來控制系統(tǒng)工程的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，并具有很好的前途。另外，隨著這些技術(shù)的不斷普及，控制技術(shù)也將廣泛影響人們的生活，并改變?nèi)藗兊纳罘绞?，提高人們的工作效率?/p>

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10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.044