工业过程控制技术展望

2016-08-16韩国强

中国科技信息 2016年9期

韩国强

工业过程控制技术展望

韩国强

工业过程控制堪称工业界的第三次工业革命，改变了工业制造，提高了工业制造的自动化水平。本文则针对工业过程控制技术发展的不同阶段进行总结和分析，并探讨当前过程控制技术在工业应用的现状，最后结合自身的工作，对其发展的趋势进行展望，以此为过程控制技术的发展提供理论参考。

当前，随着工业企业开始逐步走向大型化，其中的工业生产过程也开始逐步的变得连续化和复杂化。同时，其中很多的系统也开始具备强耦合性、非线性、不确定性等特点。同时在一些比较苛刻的条件下，常规的过程控制已不能满足工业生产的需求，使其不能达到比较满意的效果。由此，先进的控制技术开始逐步进入工业制造之中，并不断解决常规控制当中不能解决的问题。对此，涌现出了一些非常先进的控制算法、辨识技术等。本文对控制过程技术进行了总结性的回顾，以此通过对其发展历史和现状的分析，探寻其未来发展的趋势。

工业控制过程发展

通过总结不同专家和学者对工业过程控制的相关见解，通常对过程控制技术分为三个不同的发展阶段。

第一，70年代之前。该阶段通常作为工业技术发展的初级阶段。由于受到理论和相关工具的影响，在该阶段的工业自动化的整体水平显得非常的低。而在当时的发展中，经典控制理论控制的根本和基础。其典型的思想则为通过常规仪表等方式，实现对制造过程的控制。而在控制的系统方面，其大部分则是通过采用单变量的系统，但针对一些比较大型、复杂的对象，则具有很大的不确定性、非线性等。

第二，70～80年代。在该阶段，随着包括电子技术的不断进步，此时的现代控制理论开始出现。一方面因为市场产生了如DCS等先进的控制工具；另一方面，是因为很多的关于控制理论开始不断的出现。

第三，90年代以后。随着近些年来在计算机技术、通信技术方面的不断发展，开始逐步的出现了一种新的控制系统理论，通常将其称为现场总线控制技术。该技术比较独特在于其具有很强的开放性、分散性和数字化，并可实现互动的操作模式。该控制技术克服了传统DCS系统存在的问题和缺点，对自动控制系统的结构、方法、安装等产生了非常深远的影响。而此后，很多的研究者通过研究发现，将优化、管理、调度和控制等集合在一起，可成为一种新的控制模式，并将数据库技术、信号处理技术、通信技术、网络技术等加入到其中，可形成一种高级自动化的控制系统，由此在工业中出现了综合自动化系统。由此该阶段成为现代工业控制的一个非常重要的发展时期。

现状分析

随着过程控制技术的不断发展，已经发展到了包含各种不同先进控制技术的程度。而通过对当前控制技术发展的现状总结，其大致可以分为以下几类。

第一，自适应控制。根据周围和自身环境变化，通过自动反馈系统，实现对系统参数的自动设定，并让其保持最佳的状态运行。针对该控制，通常分为两类：一类主要为基于模型的自适应的控制；另外一类则主要为基于被控对象的自适应。通常将该系统应用在航空、空间飞行棋和导弹发射当中，而在工业控制方面则显得非常的少。

第二，鲁棒控制。对鲁棒控制的看法，通常将其认为以相关的控制算法来实现，通过提高其中控制算法的可靠性，实现控制。在工业控制中，所谓的鲁棒性其实是为保证整个系统的安全，要求控制系统需要满足的最小的要求。而针对上述提到的鲁棒控制来讲，则主要是针对其中的频率或时间域来说的。通过采用假设的方法，对控制中的特性变化进行描述，从而得到可能的范围。因为在控制中所采用的算法，很多都不需要一个精确的过程，而仅仅通过离线辨识即可。鲁棒控制则是以其中的稳定性和可靠性作为其首要的目标，通过其构成动态特性，实现对不确定性因素的可能的变化范围进行控预估。

第三，最优控制。作为控制理论中的部分，其通常被应用到军事等相关领域。该理论通常在给定初始状态和方程的前提之下，给出目标函数，以此找到该控制的最优的解，从而让系统形成最佳的指标。在该过程当中，所谓的最大值原理、动态规划、变分法等则成为达到上述目的的最优的方法。而在该计算和应用当中，庞特里亚金极大值原理、贝尔曼动态规划则等成为解决最优解常用的工具，解决其中最优问题。而在实际的应用当中，该控制理论则主要被用于空间飞行器等相关的航天和军事领域。在工业当中的应用，如在生物工程控制等，但大部分都和液位、压力、流量等有关。

第四，智能控制。作为当前控制技术的一个重要方面，通常将其分为以下几种类型：

①学习控制系统。该控制通常采用模式识别的方式，以此获取整个回路的状态，并结合以往的经验，对整个控制系统进行控制；

②专家系统。该系统为控制另论与专家系统技术相互结合。通过系统的判断，从而以智能的形式，实现对整体系统的操作。该技术的关键，则是借助知识库的方式，将相关的专家的经验全部集中到该库当中。该知识库则全部是由专家的经验、在线系统信息和推理机组成，并主要用于工业中的调度、故障诊断等方面；

③模糊控制。PID模糊控制与传统的不同，该理论主要以模糊集合论、语言变量及模糊逻辑作为基础，以此模拟人的近似推理和决策过程。该理论以控制器的方式，借助模糊规则算法，实现控制。通过大量的实践证明，PID控制则主要用于因非线性或是复杂建模下引起的系统的控制。与传统的精确模糊数学模型相比，在高度的不确定性等复杂的系统控制方面，其具有非常强的优越性。但是，该模糊理论在鲁棒性、全局性和稳定性等方面还有着很大的问题；

④神经网络控制。该控制则通过模拟人类思维的方式，通过学习，从而获取人的知识。通过该方法，其具有自我联想、自我容错、自我学习的能力；

⑤智能混合控制。该控制是将模糊逻辑、遗传算法等相混合，从而为智能控制提供丰富的控制方式。如当前在电力系统中应用比较广泛的CPS，通过引入传感器、3G通信等，从而对整个智能电网进行实时、仿真监控，通过这种方法，让整个智能电网更具有灵活、高效、实时、安全、可靠的特点，为客户提供更稳定的电力服务。

发展趋势

随着计算机、通信、传感器等的发展，物联网技术开始被应用到工业过程控制当中，并成为未来发展的一个重要的趋势。通过传感器技术对数据的基础采集，并通过现代通信技术、控制算法、模糊规则等技术的混合，实现对制造的人工智能控制，提高了其应用的实力。因此，通过对其上述的分析，采用综合性的方法，成为未来控制系统工程的一个重要的发展趋势，并具有很好的前途。另外，随着这些技术的不断普及，控制技术也将广泛影响人们的生活，并改变人们的生活方式，提高人们的工作效率。