[精品]自动化文献综述
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. IMPa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 CDDZ-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(Direct Digital Control) 输入 通道 I/O 接口 计算机 生产过程 Workstation Printer Data 集散控制系统 DCS (Total Distributed Control Syste 工程师-r a as-a EWS 网关服务器 曰 I D Ij 冒口 L OIS OIS OIS Sever 扩 •展 Hlb Data High Way 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) o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) o 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