微機控制技術發(fā)展綜述報告.doc

微機控制技術發(fā)展綜述報告一、微機控制技術的定義：微型計算機控制技術是一門跨學科以及應用性、技術性、綜合性都很強的專業(yè)技術課程，要求具備較強的自動控制理論、微型計算機原理、模擬電子技術、數(shù)字電子技術等專業(yè)基礎知識。通過學習，要求掌握計算機控制系統(tǒng)的控制原理和分析設計方法，具備基本的設計技能，能夠設計出簡單的計算機控制系統(tǒng)。二、過程工業(yè)的特點1.從控制工程的觀點來看，過程工業(yè)有如下一些特點：1) 連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨有物化反應、生化反應、相變過程等，因此過程機理十分復雜。被控對象往往是高維、耦合、大時滯、嚴重不確定性與非線性等，控制起來非常困難。2) 連續(xù)工業(yè)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運行，生產(chǎn)的安全性是至關重要的。因此對自動控制系統(tǒng)的可靠性提出了非?？量痰囊?。2.過程控制的發(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，過程工業(yè)的自動化水平相對來講比較低。當時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，如氣動或者電動儀表。在控制系統(tǒng)方面，絕大多數(shù)是單變量的簡單控制系統(tǒng)，對于比較重要的工藝變量則設計串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)或前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。上述的簡單控制系統(tǒng)對于大多數(shù)簡單的對象可基本滿足要求。但是，對于復雜的對象，也就是說對于高維、大時滯、嚴重非線性、耦合及嚴重不確定性對象，上述的簡單控制系統(tǒng)往往無能為力。從70年代到80年代，基于現(xiàn)代控制理論的先進過程控制(Advanced Process Control)應運而生。出現(xiàn)先進過程控制的基礎有二；一是市場上先進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。如預測控制、自適應控制、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)成為目前國內(nèi)外學術界與工程界的熱門研究課題。國內(nèi)外已有許多先進過程控制成功的工業(yè)應用報導。近些年來，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)場總線系統(tǒng)(Field Bus system)。現(xiàn)場-總線技術是計算機技術、通信技術、控制技術的綜臺與集成。它的特點是全數(shù)字化，全分散式、全開放、可互操作和開放式互連網(wǎng)絡，它克服了DCS的一些缺點，對自動控制系統(tǒng)的體系結構、設計方法、安裝調(diào)試方法和產(chǎn)品結構方面產(chǎn)生了深遠的影響。盡管先進過程控制能對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處理技術、數(shù)據(jù)庫技術、通信技術以及計算機網(wǎng)絡技術進行有機結臺而發(fā)展起來的高級自動化其有更重要的意義，因此也就出現(xiàn)了所謂綜合自動化系統(tǒng)。這種全新的綜合自動化的系統(tǒng)稱為計算機集成系統(tǒng)(Computer Integrated Process System，簡稱CIPS)，可以認為是過程控制發(fā)展中的第三階段。 三、當前過程控制技術的發(fā)展趨勢1過程建模先進過程控制、過程優(yōu)化、調(diào)度與管理等的實施均需要有相應的效學模型作基礎。因此，建立數(shù)學模型往往是實施高級過程控制的第一步。對于過程工業(yè)中種類繁多的對象而盲，由于其物化反應、生化反應等非常復雜的變化，要想從機理來建立一個準確的數(shù)學模型是非常困難的。為了得到工程技術人員能夠接受的并易于應用的數(shù)學模型，往往都不得不進行一些假設使數(shù)學模型得以簡化，但這些假設又會影響到數(shù)學模型準確性。特別是對于一些高維的復雜對象，若采用嚴格的機理推導往往會得到由幾百個乃至幾千個微分方程組成的數(shù)學模型，它們的求解將會十分困難。目前國內(nèi)外采用的建模方法大致有兩類。一類是機理建模，也就是根據(jù)過程本身的內(nèi)在機理，利用能量平衡、物質(zhì)平衡、反應動力學等規(guī)律來建立系統(tǒng)的模型；另一類是系統(tǒng)辨識方法，也就是根據(jù)被控過程的輸入、輸出數(shù)據(jù)建立效學模型。屬于這類方怯的有最小二乘法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡、模糊模型等。盡管國內(nèi)外許多學者在過程建模方面做出了卓有成效的努力，使機理建模和系統(tǒng)辨識方法能夠在工業(yè)過程中得以有效的應用。但是，就目前過程控制水平而言，工業(yè)過程模型化仍然是控制系統(tǒng)設計與開發(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疑問，在控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)方面，控制策略(算法)是接心。在這方面。國內(nèi)外的學者作了長期不懈的努力，取得了許多成果。將這些控制策略應用于關鍵的控制回路(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)濟效益。目前，在學術界所研究、開發(fā)出來的控制策略(算法)多到令人目不接暇，但其中許多算法仍只停留在計算機仿真或?qū)嶒炑b置的驗證上，真正能有效地應用在工業(yè)過程中的仍為數(shù)不多。以下是一些較公認的(特別是能得到工程界的認可)的先進控制策略(算法)：1)改進成復合PlD控制算法2)頂測控制3)自適應控制4)智能控制四、軟測量技術在許多工業(yè)過程中，存在著一大類這樣的變量：它們由于技術和經(jīng)濟的原因，目前尚雉以或暫時無法通過傳感器進行檢測，但同時又是需要加以嚴格控制的、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關的重要過程工藝變量。如精餾塔的產(chǎn)品組分濃度，化學反應器的反應物濃度和產(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。解決這些變量檢測問題的途徑有二：一是開發(fā)新的傳感器對其進行檢測，二是通過一些容易測量的=次工藝變量，再通過一定的方法推斷出要檢測的工藝變量數(shù)值，而這第二種方法就稱之為敏測量技術，或稱之為軟儀表。采用先進過程控制技術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)濟效益，但是采用優(yōu)化操作能使操作點向優(yōu)化點靠近，取得的經(jīng)濟效益將更加明顯。經(jīng)驗證明，在線優(yōu)化獲益比先進控制要高出510倍。過程優(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(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)計調(diào)優(yōu)法(EVOP)，模式識別法(PR)與操作模擬分析法(OSA)。這些方法的共同點是利用生產(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。當然，操作條件優(yōu)化也可以用計算機來在線自動完成。為了獲得穩(wěn)態(tài)最優(yōu)，往往要求最優(yōu)操作點盡量接近工藝操作與設備的極限值，并只允許在一個很窄的范圍內(nèi)變化。一旦偏商這種工況，各項指標會明顯變差，操作難度也會大大增加，甚至會導致生產(chǎn)的不安全。在這種情況下，就需要動態(tài)最優(yōu)化控制以保證穩(wěn)態(tài)操作點的“最優(yōu)性”。五、計算機集成過程系統(tǒng)(CIPS) 當前，在機械加工行業(yè)，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)是國內(nèi)外熱門的研究課題并且取得了不少的理論和應用成果。在CIMS的激勵下，過程工業(yè)也開始積極地進行研究與考慮實施?？紤]到過程工業(yè)與機械加工行業(yè)的不同特點，在過程工業(yè)中CIMS則稱之為計算機集成過程系統(tǒng)(CIPS)。計算機集成過程系統(tǒng)的出現(xiàn)是與計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術以及控制技術的迅速發(fā)展分不開的。CIPS已經(jīng)在國內(nèi)外的一些煉油與石油化工廠進行了試驗。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家正在開發(fā)和應用CIPS；在北美、歐洲，遠東和澳大利亞也已有幾十家大型煉油廠在計劃或?qū)嵤〤IPS。在我國，根據(jù)石化總公司發(fā)展規(guī)劃的“適時選點開發(fā)CIPS”和“煉油、石化流程型工業(yè)向CIPS邁進”的意見，巳分別在齊魯勝利煉油廠與福建煉油廠中進行試點工作。SetpoInt公司將煉油廠的信息系統(tǒng)與先進過程控制相結合而形成了計算機一體化技術。它有五種功能：性能監(jiān)鍘、優(yōu)化、調(diào)度、控制與組臺。效益分析表明，將信息系統(tǒng)結合進來將有著顯著的效益潛力。CIPS利用計算機技術對整個企業(yè)的運作和過程進行綜合管理和控制，它包括市場營銷、生產(chǎn)計劃調(diào)度、原料選擇、產(chǎn)品分配、成本管理，以及工藝過程的控制、優(yōu)化和管理的全過程。分布