現(xiàn)代自動化裝備控制技術(shù)

《現(xiàn)代自動化裝備控制技術(shù)》的認識新時期，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科學技術(shù)水平的不斷提高。我國在制造業(yè)等工業(yè)技術(shù)方面也得到了高質(zhì)量、高速度的發(fā)展，自動化技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展。自動化儀器被應用到了多重領(lǐng)域:現(xiàn)代建筑業(yè)、制造業(yè)、科學研究、國防工業(yè)、以及農(nóng)業(yè)和交通業(yè)等多方面均涉及到自動化控制技術(shù)的應用。其次，科學技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，自動化裝備控制技術(shù)的發(fā)展也越來越迅速。自動化裝備控制技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，與其他行業(yè)有著緊密地聯(lián)系，共同促進了科學的發(fā)展。本文首先介紹了自動化裝備控制技術(shù)的概念以及我國的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對自動化裝備控制控制技術(shù)的控制系統(tǒng)及控制方案進行研究，最后總結(jié)了自動化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢和前景分析，從而更好的促進我國自動化控制技術(shù)應用更加廣泛的發(fā)展。自動化控制技術(shù)的介紹自動化控制技術(shù)，就是指在沒有人員參與的情況下，通過使用特殊的控制裝置來使得被控制的對象或者過程自行按照預定的規(guī)律運行的一門技術(shù)。它是以數(shù)學理論知識為基礎(chǔ)，利用反饋原理來來自動的影響動態(tài)系統(tǒng)，使得輸出值接近或者達到人們的預定值。自動化控制系統(tǒng)的大量應用，不僅提高了工作效率，也提高了工作質(zhì)量，改善了人員的工作環(huán)境。我國工業(yè)控制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進成套設(shè)備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發(fā)和應用。目前我國工業(yè)控制自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應用都有了很大的發(fā)展，我國工業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成。目前，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡化和集成化方向發(fā)展，特別是一些先進控制技術(shù)的研究。圖1，給出了現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡化的結(jié)構(gòu)。即祉拗位首■■S.U傳感ffi即祉拗位首■■S.U傳感ffi圖1工業(yè)網(wǎng)絡化結(jié)構(gòu)現(xiàn)代工業(yè)自動化的控制系統(tǒng)以PLC為主控器的先進控制系統(tǒng)長期以來，PLC始終處于工業(yè)控制自動化領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自化控制設(shè)備提供非常可靠的控制方案，與DCS和工業(yè)PC形成了三足鼎立之勢?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。微型化、網(wǎng)絡化、PC化和開放性是PLC未來發(fā)展的主要方向。在基于PLC自動化的早期，PLC體積大而且價格昂貴。但在最近幾年，微型PLC(小于32I/O)經(jīng)出現(xiàn)，價格只有幾百歐元。隨著軟PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件的進一步完善和發(fā)展，安裝有軟PLC組態(tài)軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。面向測控管一體化設(shè)計的DCS系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem)問世于1975年，生產(chǎn)廠家主要集中在美、日、德等國。我國從20世紀70年代中后期起，首先由大型進口設(shè)備成套中引入國外的DCS，首批有化纖、乙烯、化肥等進口項目。當時，我國主要行業(yè)(如電力、石化、建材和冶金等)的DCS基本全部進口。20世紀80年代初期在引進、消化和吸收的同時，開始了研制國產(chǎn)化DCS的技術(shù)攻關(guān)。小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發(fā)展的主要方向。目前小型DCS所占有的市場，已逐步與PLC>X業(yè)PC、FCS共享。今后小型DCS可能首先與這三種系統(tǒng)融合，而且“軟DCS”技術(shù)將首先在小型DCS中得到發(fā)展。PC-based控制將更加廣泛地應用于中小規(guī)模的過程控制，各DCS廠商也將紛紛推出基于工業(yè)PC的小型DCS系統(tǒng)。開放性的DCS系統(tǒng)將同時向上和向下雙向延伸，使來自生產(chǎn)過程的現(xiàn)場數(shù)據(jù)在整個企業(yè)內(nèi)部自由流動，實現(xiàn)信息技術(shù)與控制技術(shù)的無縫接，向測控管一體化方向發(fā)展?，F(xiàn)場總線(FCS)新的工業(yè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線使測控設(shè)備具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的功能、性能。計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)(DCS)后，將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的方向發(fā)展。雖然以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個較長的過程，同時DCS本身也在不斷的發(fā)展與完善?？梢钥隙ǖ氖牵Y(jié)合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進控制等新技術(shù)的FCS將具有強大的生命力。先進控制技術(shù)方法神經(jīng)網(wǎng)絡學習智能控制神經(jīng)網(wǎng)絡是指由大量與生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細胞相類似的人工神經(jīng)元互連而組成的網(wǎng)絡；或由大量象生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互連而成.這種神經(jīng)網(wǎng)絡具有某些智能和仿人控制功能.學習算法是神經(jīng)網(wǎng)絡的主要特征，也是當前研究的主要課題.學習的概念來自生物模型，它是機體在復雜多變的環(huán)境中進行有效的自我調(diào)節(jié).神經(jīng)網(wǎng)絡具備類似人類的學習功能.一個神經(jīng)網(wǎng)絡若想改變其輸出值，但又不能改變它的轉(zhuǎn)換函數(shù)，只能改變其輸人，而改變輸人的唯一方法只能修改加在輸人端的加權(quán)系數(shù).神經(jīng)網(wǎng)絡的學習過程是修改加權(quán)系數(shù)的過程，最終使其輸出達到期望值，學習結(jié)束.常用的學習算法有：Hebb學習算法，widrowHoff學習算法，反向傳播學習算法一BP學習算法，Hopfield反饋神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓撲結(jié)構(gòu)和學習調(diào)整方法.它能表示出豐富的特性：并行計算、分布存儲、可變結(jié)構(gòu)、高度容錯、非線性運算、自我組織、學習或自學習等.這些特性是人們長期追求和期望的系統(tǒng)特性.它在智能控制的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或環(huán)境的自適應、自組織、自學習等控制方面具有獨特的能力。自適應控制自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。自適應控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學模型的控制方法，所不同的只是自適應控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，可以依據(jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識模型參數(shù)，這個過程稱為系統(tǒng)的在線辯識。隨著生產(chǎn)過程的不斷進行，通過在線辯識，模型會變得越來越準確，越來越接近于實際。既然模型在不斷的改進，顯然，基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進。在這個意義下，控制系統(tǒng)具有一定的適應能力。比如說，當系統(tǒng)在設(shè)計階段，由于對象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開始投入運行時可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時間的運行，通過在線辯識和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應，最終將自身調(diào)整到一個滿意的工作狀態(tài)。再比如某些控制對象，其特性可能在運行過程中要發(fā)生較大的變化，但通過在線辯識和改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)也能逐漸適應。魯棒控制魯棒控制（RobustControl）方面的研究始于20世紀50年代。在過去的20年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大小）的參數(shù)攝動下，維持某些性能的特，性。根據(jù)對性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒，性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標設(shè)計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。其中，主要的魯棒控制理論有：（1）Kharitonov區(qū)間理論；（2）H8控制理論；（3）結(jié)構(gòu)奇異值理論（〃理論）等等。四.總結(jié)現(xiàn)代自動化裝備控制技術(shù)主要是針對運動控制，通過學習現(xiàn)代自動化裝備控制技術(shù)使我們更好的了解運動控制的相關(guān)解決方案和先進的檢測、傳輸、控制等新策略。但是由于實踐和條件的制約，我們對這些技術(shù)都還是停留在大致知曉其概念的步伐。但是，如果今后有機會，我們將會深入對某以特定技術(shù)進行探討。帶有純滯后環(huán)節(jié)高階系統(tǒng)的內(nèi)?？刂萍胺抡娣治鰞?nèi)?？刂苾?nèi)模控制(InternalModelControl,簡稱IMC)是一種基于過程數(shù)學模型進行控制器設(shè)計的新型控制策略。由于其設(shè)計簡單、控制性能好和在系統(tǒng)分析方面的優(yōu)越性，內(nèi)?？刂撇粌H是一種實用的先進控制算法，而且是研究預測控制等基于模型的控制策略的重要理論基礎(chǔ)，以及提高常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計水平的有力工具。內(nèi)?？刂频奶攸c內(nèi)模控制不僅在工業(yè)過程控制中獲得了成功的應用，而且表現(xiàn)出在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性理論分析方面的優(yōu)勢。在工業(yè)過程中，內(nèi)?？刂朴糜趶婑詈隙嘧兞窟^程、強非線性過程和大時滯過程。無需精確的對象模型，并且在控制器參數(shù)調(diào)節(jié)時比較方便。內(nèi)?？刂频慕Y(jié)構(gòu)下圖2中顯示了內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)。圖中虛線框內(nèi)是整個控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)中除了有控制器外，還包含了過程模型，內(nèi)?？刂埔虼硕妹?。圖2內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖其中：G(s) 實際對象G(s) 對象模型p〃(s) 給定值Y(s) 系統(tǒng)輸出(.、 在控制對象輸出上疊加的擾動內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計思路是從理想控制器出發(fā)，然后考慮了某些實際存在的約束，再回到實際控制器的。討論兩種不同輸入情況下，系統(tǒng)的輸出情況：當R(s)=0,D(s)黃0時：假若模型準確，即G(s)=G(s)p p由圖可見D(s)=D(s)Y(s)=D(s)[1-Gimc(sG(s)]=D(s)[1-Gimc(s)G(s)]1假若“模型可倒”，即GJ可以實現(xiàn)，1p則令Gimc(s)=7 可得：Y(s)=0IMCG(s)p由此可見，不管D(s)如何變化，對Y(s)的影響為零。表明控制器是克服外界擾動的理想控制器。當D(s)=0,R(s)。0時：? ——-假若模型準確，即G(s)=G(s)pp又因為D(s