微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展綜述報(bào)告.doc

微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展綜述報(bào)告一、微機(jī)控制技術(shù)的定義：微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科以及應(yīng)用性、技術(shù)性、綜合性都很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課程，要求具備較強(qiáng)的自動(dòng)控制理論、微型計(jì)算機(jī)原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制原理和分析設(shè)計(jì)方法，具備基本的設(shè)計(jì)技能，能夠設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。二、過(guò)程工業(yè)的特點(diǎn)1.從控制工程的觀點(diǎn)來(lái)看，過(guò)程工業(yè)有如下一些特點(diǎn)：1) 連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨有物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過(guò)程等，因此過(guò)程機(jī)理十分復(fù)雜。被控對(duì)象往往是高維、耦合、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定性與非線性等，控制起來(lái)非常困難。2) 連續(xù)工業(yè)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn)的安全性是至關(guān)重要的。因此對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性提出了非常苛刻的要求。2.過(guò)程控制的發(fā)展回顧在70年代以前，由于受到控制理論和控制工具的限制，過(guò)程工業(yè)的自動(dòng)化水平相對(duì)來(lái)講比較低。當(dāng)時(shí)的控制理論主要是經(jīng)典控制理論，所能用的控制工業(yè)主要是常規(guī)儀表，如氣動(dòng)或者電動(dòng)儀表。在控制系統(tǒng)方面，絕大多數(shù)是單變量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，對(duì)于比較重要的工藝變量則設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。上述的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)對(duì)于大多數(shù)簡(jiǎn)單的對(duì)象可基本滿足要求。但是，對(duì)于復(fù)雜的對(duì)象，也就是說(shuō)對(duì)于高維、大時(shí)滯、嚴(yán)重非線性、耦合及嚴(yán)重不確定性對(duì)象，上述的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往無(wú)能為力。從70年代到80年代，基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)過(guò)程控制(Advanced Process Control)應(yīng)運(yùn)而生。出現(xiàn)先進(jìn)過(guò)程控制的基礎(chǔ)有二；一是市場(chǎng)上先進(jìn)的控制工具如分散式控制系統(tǒng)(DCS)的出現(xiàn)與完善，二是現(xiàn)代控制理論的不斷控展與提高。如預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、魯棒控制以及智能控制等控制策略與方法都已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的熱門(mén)研究課題。國(guó)內(nèi)外已有許多先進(jìn)過(guò)程控制成功的工業(yè)應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。近些年來(lái)，在控制工具方面。出現(xiàn)了一種新的控制系統(tǒng)，稱之為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(Field Bus system)?，F(xiàn)場(chǎng)-總線技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的綜臺(tái)與集成。它的特點(diǎn)是全數(shù)字化，全分散式、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，它克服了DCS的一些缺點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、安裝調(diào)試方法和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。盡管先進(jìn)過(guò)程控制能對(duì)重要的工藝變量提高控制質(zhì)量并產(chǎn)生較明顯的經(jīng)擠效益(如采用卡邊控制)，但是它們?nèi)匀恢皇窍嗷ス铝⒌目刂葡到y(tǒng)。許多專家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，將控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理等集于一體的新的控制模式并將信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)臺(tái)而發(fā)展起來(lái)的高級(jí)自動(dòng)化其有更重要的意義，因此也就出現(xiàn)了所謂綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。這種全新的綜合自動(dòng)化的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)(Computer Integrated Process System，簡(jiǎn)稱CIPS)，可以認(rèn)為是過(guò)程控制發(fā)展中的第三階段。 三、當(dāng)前過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1過(guò)程建模先進(jìn)過(guò)程控制、過(guò)程優(yōu)化、調(diào)度與管理等的實(shí)施均需要有相應(yīng)的效學(xué)模型作基礎(chǔ)。因此，建立數(shù)學(xué)模型往往是實(shí)施高級(jí)過(guò)程控制的第一步。對(duì)于過(guò)程工業(yè)中種類繁多的對(duì)象而盲，由于其物化反應(yīng)、生化反應(yīng)等非常復(fù)雜的變化，要想從機(jī)理來(lái)建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。為了得到工程技術(shù)人員能夠接受的并易于應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型，往往都不得不進(jìn)行一些假設(shè)使數(shù)學(xué)模型得以簡(jiǎn)化，但這些假設(shè)又會(huì)影響到數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性。特別是對(duì)于一些高維的復(fù)雜對(duì)象，若采用嚴(yán)格的機(jī)理推導(dǎo)往往會(huì)得到由幾百個(gè)乃至幾千個(gè)微分方程組成的數(shù)學(xué)模型，它們的求解將會(huì)十分困難。目前國(guó)內(nèi)外采用的建模方法大致有兩類。一類是機(jī)理建模，也就是根據(jù)過(guò)程本身的內(nèi)在機(jī)理，利用能量平衡、物質(zhì)平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等規(guī)律來(lái)建立系統(tǒng)的模型；另一類是系統(tǒng)辨識(shí)方法，也就是根據(jù)被控過(guò)程的輸入、輸出數(shù)據(jù)建立效學(xué)模型。屬于這類方怯的有最小二乘法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊模型等。盡管?chē)?guó)內(nèi)外許多學(xué)者在過(guò)程建模方面做出了卓有成效的努力，使機(jī)理建模和系統(tǒng)辨識(shí)方法能夠在工業(yè)過(guò)程中得以有效的應(yīng)用。但是，就目前過(guò)程控制水平而言，工業(yè)過(guò)程模型化仍然是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的瓶頸。在這一方面，今后仍有大量的工作要完成。2控制策略與方法毫無(wú)疑問(wèn)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方面，控制策略(算法)是接心。在這方面。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者作了長(zhǎng)期不懈的努力，取得了許多成果。將這些控制策略應(yīng)用于關(guān)鍵的控制回路(產(chǎn)品質(zhì)量控回路)往往可以取得較高的控制質(zhì)量并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。目前，在學(xué)術(shù)界所研究、開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制策略(算法)多到令人目不接暇，但其中許多算法仍只停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中的仍為數(shù)不多。以下是一些較公認(rèn)的(特別是能得到工程界的認(rèn)可)的先進(jìn)控制策略(算法)：1)改進(jìn)成復(fù)合PlD控制算法2)頂測(cè)控制3)自適應(yīng)控制4)智能控制四、軟測(cè)量技術(shù)在許多工業(yè)過(guò)程中，存在著一大類這樣的變量：它們由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，目前尚雉以或暫時(shí)無(wú)法通過(guò)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但同時(shí)又是需要加以嚴(yán)格控制的、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過(guò)程工藝變量。如精餾塔的產(chǎn)品組分濃度，化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度和產(chǎn)品分布，發(fā)酵罐中的生物量參數(shù)和制槳工業(yè)中的卡伯值等。解決這些變量檢測(cè)問(wèn)題的途徑有二：一是開(kāi)發(fā)新的傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，二是通過(guò)一些容易測(cè)量的=次工藝變量，再通過(guò)一定的方法推斷出要檢測(cè)的工藝變量數(shù)值，而這第二種方法就稱之為敏測(cè)量技術(shù)，或稱之為軟儀表。采用先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)可以使重要的工藝變量控制質(zhì)置明顯提高并產(chǎn)生較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但是采用優(yōu)化操作能使操作點(diǎn)向優(yōu)化點(diǎn)靠近，取得的經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。經(jīng)驗(yàn)證明，在線優(yōu)化獲益比先進(jìn)控制要高出510倍。過(guò)程優(yōu)化包含兩層意思：一是穩(wěn)定優(yōu)化，二是最優(yōu)控制。目前穩(wěn)態(tài)優(yōu)化技術(shù)(或稱之為離線操作優(yōu)化或詞優(yōu))主要有三種方法，即統(tǒng)計(jì)調(diào)優(yōu)法(EVOP)，模式識(shí)別法(PR)與操作模擬分析法(OSA)。這些方法的共同點(diǎn)是利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及建模、優(yōu)化方法在約束條件下求解最優(yōu)的工藝生產(chǎn)參數(shù)，提供操作指導(dǎo)。當(dāng)然，操作條件優(yōu)化也可以用計(jì)算機(jī)來(lái)在線自動(dòng)完成。為了獲得穩(wěn)態(tài)最優(yōu)，往往要求最優(yōu)操作點(diǎn)盡量接近工藝操作與設(shè)備的極限值，并只允許在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)變化。一旦偏商這種工況，各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)明顯變差，操作難度也會(huì)大大增加，甚至?xí)?dǎo)致生產(chǎn)的不安全。在這種情況下，就需要?jiǎng)討B(tài)最優(yōu)化控制以保證穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)的“最優(yōu)性”。五、計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)(CIPS) 當(dāng)前，在機(jī)械加工行業(yè)，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)是國(guó)內(nèi)外熱門(mén)的研究課題并且取得了不少的理論和應(yīng)用成果。在CIMS的激勵(lì)下，過(guò)程工業(yè)也開(kāi)始積極地進(jìn)行研究與考慮實(shí)施?？紤]到過(guò)程工業(yè)與機(jī)械加工行業(yè)的不同特點(diǎn)，在過(guò)程工業(yè)中CIMS則稱之為計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)(CIPS)。計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)的出現(xiàn)是與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制技術(shù)的迅速發(fā)展分不開(kāi)的。CIPS已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的一些煉油與石油化工廠進(jìn)行了試驗(yàn)。到1990年，日本的24家大中型煉油廠中有19家和13家乙烯廠中有8家正在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用CIPS；在北美、歐洲，遠(yuǎn)東和澳大利亞也已有幾十家大型煉油廠在計(jì)劃或?qū)嵤〤IPS。在我國(guó)，根據(jù)石化總公司發(fā)展規(guī)劃的“適時(shí)選點(diǎn)開(kāi)發(fā)CIPS”和“煉油、石化流程型工業(yè)向CIPS邁進(jìn)”的意見(jiàn)，巳分別在齊魯勝利煉油廠與福建煉油廠中進(jìn)行試點(diǎn)工作。SetpoInt公司將煉油廠的信息系統(tǒng)與先進(jìn)過(guò)程控制相結(jié)合而形成了計(jì)算機(jī)一體化技術(shù)。它有五種功能：性能監(jiān)鍘、優(yōu)化、調(diào)度、控制與組臺(tái)。效益分析表明，將信息系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)來(lái)將有著顯著的效益潛力。CIPS利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)整個(gè)企業(yè)的運(yùn)作和過(guò)程進(jìn)行綜合管理和控制，它包括市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、原料選擇、產(chǎn)品分配、成本管理，以及工藝過(guò)程的控制、優(yōu)化和管理的全過(guò)程。分布