先進(jìn)的控制工程方法在現(xiàn)代科技的應(yīng)用

1、先進(jìn)的控制工程方法在現(xiàn)代科技的應(yīng)用斯特凡科扎克控制和工業(yè)情報(bào)研究所電氣工程與信息技術(shù)學(xué)院斯洛伐克共和國(guó)斯洛伐克大學(xué)摘要：本文論述的研究新方向，發(fā)展和先進(jìn)的控制方法的應(yīng)用和基于最優(yōu)魯 棒控制原理的結(jié)構(gòu)和智能。目前的趨勢(shì)，在復(fù)雜的過(guò)程控制設(shè)計(jì)需要整合數(shù)字的 增長(zhǎng)幅度，控制工程方法，新的控制結(jié)構(gòu)基于分布，嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)和新的 信息通信技術(shù)。此外，加強(qiáng)與交互的問(wèn)題，處理非線性的，操作限制，時(shí)間延遲， 不確定性和顯著死區(qū)時(shí)間從而導(dǎo)致需要開(kāi)發(fā)更多先進(jìn)的控制策略。先進(jìn)的控制方 法和新的分布式嵌入式控制結(jié)構(gòu)代表最有效的工具用于實(shí)現(xiàn)許多高性能技術(shù)工 藝。本文涉及的主要思想是通過(guò)新的高級(jí)控制開(kāi)發(fā)的動(dòng)機(jī)，即工程

2、方法（預(yù)測(cè)， 混合動(dòng)力車(chē)預(yù)測(cè)，優(yōu)化，自適應(yīng)，健壯，模糊邏輯，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和新其SW和 HW的實(shí)現(xiàn)和成功的可能性實(shí)施產(chǎn)業(yè)。關(guān)鍵詞：復(fù)雜的控制系統(tǒng)；PID控制;預(yù)測(cè)控制;最優(yōu)控制;自適應(yīng)控制;自校正 控制;模糊和神經(jīng)控制;遺傳算法;嵌入式控制系統(tǒng);信息和通信技術(shù)一、引言如今，自動(dòng)化控制是幾乎所有的關(guān)鍵工程活動(dòng)。自動(dòng)化技術(shù)被理解是用這些 方法，控制策略，過(guò)程和設(shè)備（硬件和軟件），它是能夠?qū)崿F(xiàn)既定目標(biāo)，而在很 大程度上不用人為干擾的獨(dú)立方式，即自動(dòng)。通過(guò)實(shí)際成功的啟發(fā)傳統(tǒng)的控制工 程方法在消費(fèi)產(chǎn)品和工業(yè)過(guò)程控制，出現(xiàn)了一個(gè)新方法的開(kāi)發(fā)工作的量，這是基 于新的優(yōu)化技術(shù)，軟計(jì)算策略和高效的硬件實(shí)現(xiàn)控制算法。

3、過(guò)程控制仍然是一個(gè) 重要的，有顯著尚未解決的研究問(wèn)題的重要領(lǐng)域和具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)應(yīng)用。自動(dòng) 控制與集成信息和通信方法系統(tǒng)是當(dāng)今普遍人的活動(dòng)的所有領(lǐng)域。研究，在自動(dòng) 化領(lǐng)域的研究，開(kāi)發(fā)與實(shí)施一直很活躍。自動(dòng)控制原理和控制應(yīng)用方法出現(xiàn)幾乎 無(wú)處不在的消費(fèi)電子，家庭設(shè)備，在所有類(lèi)型的行業(yè)，通信系統(tǒng)，現(xiàn)代化的各類(lèi) 車(chē)輛，機(jī)電一體化，銀行部門(mén)，醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)等方法，自動(dòng)化控制被認(rèn)為是一個(gè) 非常強(qiáng)大的技術(shù)適用于不同領(lǐng)域的很多問(wèn)題。二、控制工程方法和結(jié)構(gòu)今天我們可以識(shí)別控制的四個(gè)階段工法的開(kāi)發(fā)。常規(guī)已被廣泛應(yīng)用于控制策 略（A類(lèi)）產(chǎn)業(yè)幾十年。這些控制器的調(diào)整可以手動(dòng)或自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)控制原則 被用在許多工業(yè)過(guò)程

4、中作為一種有效的決策工具或作為一個(gè)監(jiān)督控制在特殊情 況下或手動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程，控制器參數(shù)?？刂乒こ谭椒ㄩ_(kāi)發(fā)在手動(dòng)過(guò)程控制的許多情況下，該過(guò)程操作者調(diào)節(jié)的基礎(chǔ) 上，處理和控制器參數(shù)對(duì)自己的經(jīng)歷。自動(dòng)控制絕大多數(shù)在循環(huán)過(guò)程工業(yè)（90%） 仍然依靠各種形式的無(wú)處不在的PID控制器，這一直是商用超過(guò)70年。為很多 批處理操作，過(guò)程控制實(shí)現(xiàn)通過(guò)由工廠操作員罕見(jiàn)的手動(dòng)調(diào)整。比例積分微分（PID）控制是最常用的控制算法，在當(dāng)今業(yè)界。PID控制器 普及可以歸功于控制器的在廣泛的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的有效性，它的功能簡(jiǎn)單，且易于 與工程師能利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)它。比例積分微分最采納（PID）控制器 在由于有利的工業(yè)環(huán)境中

5、的控制器成本/效益比他們能夠提供。盡管他們的長(zhǎng)歷 史和知識(shí)，從多年的經(jīng)驗(yàn)，獲得了微處理器和軟件工具和可用性為提高產(chǎn)品質(zhì)量 降低成本的需求日益增加刺激了研究人員設(shè)計(jì)出新的方法來(lái)提高其性能，并使其 更容易使用。實(shí)際PID控制涵蓋出現(xiàn)時(shí)，一些重要的問(wèn)題PID控制器是在控制實(shí) 際工業(yè)要施加流程。在表一我們提出了不同的控制結(jié)構(gòu)和不同的合成方法為連續(xù) 的和離散時(shí)間控制器可以在工業(yè)使用。設(shè)計(jì)有效的控制系統(tǒng)和算法是主過(guò)程控制 的目的。基本控制結(jié)構(gòu)的工業(yè)化過(guò)程的反饋，前饋和結(jié)合反饋，級(jí)聯(lián)和前饋。PID 類(lèi)型控制器的反饋控制可并入結(jié)構(gòu)（FBC），前饋控制的結(jié)構(gòu)（FFW），級(jí)聯(lián)控制 （CC）和用于組合控制結(jié)構(gòu)（FC

6、），的PID的普及FFW和CC1,6的主要原因中提到的控制結(jié)構(gòu)控制器是該控制器結(jié)合試圖通過(guò)控制工程師兩個(gè)重要特點(diǎn)：控制律，易于實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單連續(xù)時(shí)間或數(shù)字時(shí)形式進(jìn)入微機(jī)，PLC或硬件FPGA 控制器實(shí)現(xiàn)。（FPGA -是的縮寫(xiě)為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）。魯棒性保證了穩(wěn)定性和高下的過(guò)程參數(shù)的變化表現(xiàn)控制過(guò)程。魯棒性，可 靠性，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)的成形是最重要的問(wèn)題。有幾種形式的使用過(guò)的工業(yè)控制 器是標(biāo)準(zhǔn)的PID型的（在連續(xù)和/或數(shù)字形式）。對(duì)于實(shí)際的實(shí)施，只有10-20基 本算法被用于根據(jù)所使用的被修改處理器類(lèi)型，裝置動(dòng)態(tài)，延時(shí)等PID控制器的實(shí)施已經(jīng)走過(guò)了演化的幾個(gè)階段，從早期的機(jī)械和氣動(dòng)設(shè)計(jì)以 微處理器為

7、基礎(chǔ)的系統(tǒng)。最近，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）已被來(lái)為實(shí)現(xiàn)數(shù)字 的一個(gè)替代解決方案目的-控制系統(tǒng)，由一般以前者為主微處理器系統(tǒng)?；?該FPGA控制器o er優(yōu)點(diǎn)，如高的速度，復(fù)雜的功能，和低功耗。此外，在典型 的控制流程（例如熱過(guò)程，化學(xué)過(guò)程，電廠，機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)器等），通常需要修 改調(diào)諧考慮到上述傳統(tǒng)控制方法考慮到時(shí)間延遲，未建模動(dòng)態(tài)，變化工作條件和 干擾。的改善經(jīng)典方法的假設(shè)下可能的是，原發(fā)證控制算法擴(kuò)展相對(duì)于的變化的 工藝參數(shù)，產(chǎn)生的封閉穩(wěn)定性環(huán)路即使在大的時(shí)間延遲和存在適用在實(shí)時(shí)控制。 該強(qiáng)調(diào)的是被放置在設(shè)計(jì)為無(wú)差拍廣義離散控制器經(jīng)典的類(lèi)型和/或代數(shù)多項(xiàng)式 控制器控制器。代數(shù)方法允許控

8、制器設(shè)計(jì)具有強(qiáng)大的性能修改通過(guò)IMC過(guò)濾器 （帶前饋和一個(gè)反饋結(jié)構(gòu)以及）。在表I中所示的時(shí)間發(fā)展的控制工程方法從傳統(tǒng)到了先進(jìn)的控制與智能和強(qiáng) 大的性能對(duì)于鑄大多數(shù)過(guò)程控制問(wèn)題，很少有鼓勵(lì)應(yīng)用更復(fù)雜的“提前控制方法。 相反，這些戰(zhàn)略應(yīng)保留難以控制的問(wèn)題，他們可以提供顯著相比的總數(shù)的改進(jìn)是 小控制回路，它們通常涉及關(guān)鍵工藝變量這極大地影響關(guān)鍵控制目標(biāo)，如安全性， 產(chǎn)品質(zhì)量，工藝的可操作性，并與合規(guī)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。在B類(lèi)的先進(jìn)控制策略稱(chēng)為經(jīng)典，因?yàn)樗麄円呀?jīng)在被使用行業(yè)超過(guò)40年。 盡管這些控制技術(shù)不是在每一個(gè)工廠或甚至在大多數(shù)植物使用時(shí)，他們做的提供 具有成本效益的解決方案的重要的類(lèi)問(wèn)題。當(dāng)字符串之間的相

9、互作用的存在控制 和操縱變量，常規(guī)多環(huán)PID控制的配置可能是不夠的。在這些的情況下，更一般 的多變量控制策略提供潛力顯著改善。對(duì)于望目本文中，術(shù)語(yǔ)多變量控制將指控 制策略，其中的至少一個(gè)的操縱變量調(diào)整的一個(gè)以上的基于測(cè)量值控制變量。多 變量控制技術(shù)趨向于是基于模型的，并能提供顯著更好的控制因?yàn)槊總€(gè)操作量對(duì) 各效果受控變量由的動(dòng)態(tài)模型捕獲流程。然而，模型的精度顯然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 所有類(lèi)型的基于模型的控制策略，包括多變量控制技術(shù)。早期的多變量控制技術(shù) 包括使用額外的去耦控制器增加一個(gè)多環(huán)控制方案。該所述去耦器的目的是為了 補(bǔ)償不希望的操縱，控制之間的相互作用過(guò)程變量。通常情況下，解耦控制系統(tǒng) 已經(jīng)

10、用于問(wèn)題與少數(shù)控制變量。但是靜態(tài)脫鉤已成功地用于對(duì)于大得多的問(wèn)題， 例如在溫度控制重整爐。盡管多變量控制策略已經(jīng)上市超過(guò)30年，廣泛的應(yīng)用 沒(méi)有發(fā)生，直到20世紀(jì)80年代。例如，1976年的調(diào)查文章報(bào)道多變量的只有 29工業(yè)應(yīng)用控制技術(shù)，具有10這些涉及解耦控制系統(tǒng)。相比之下，由Qin和 Badgwell在1995年做的供應(yīng)商調(diào)查，報(bào)道的大部分超過(guò)2200的應(yīng)用廣泛使用 的多變量技術(shù)，模型預(yù)測(cè)控制（MPC），這被認(rèn)為是在未來(lái)的一節(jié)。由于多變量控制策略通常基于對(duì)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，可用性和該模型的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵問(wèn)題。雖然第一原則模型是優(yōu)選的，在許多實(shí)際的控 制問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儾蝗菀撰@得。因此，存在相當(dāng)大

11、的在過(guò)程中識(shí)別（或系統(tǒng)識(shí)別） 的興趣，即，從發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)投入產(chǎn)出動(dòng)態(tài)模型數(shù)據(jù)。典型地，過(guò)程識(shí)別是在最在 工業(yè)苛刻和耗時(shí)步驟實(shí)施先進(jìn)的控制策略。藝術(shù)的狀況有一個(gè)全面的討論工藝鑒定已經(jīng)超出了本文的范圍。相反，最近 的一些事態(tài)發(fā)展將被提到與參考文獻(xiàn)引用。線性動(dòng)態(tài)模型的識(shí)別是一個(gè)成熟的領(lǐng) 域，但重要的新成果不斷出現(xiàn)和優(yōu)秀的軟件封裝。子空間識(shí)別技術(shù)可以被用于確 定狀態(tài)空間模型結(jié)構(gòu)（包括時(shí)間延遲），以及模型從參數(shù)的輸入輸出數(shù)據(jù)。模擬 研究MIMO系統(tǒng)已經(jīng)證明，子空間辨識(shí)技術(shù)可提供更精確的模型從相關(guān)即使當(dāng) 閉環(huán)識(shí)別干擾存在。除了在過(guò)程模型本身，最好是具有其精度的估計(jì)。該精度通 常表示為頻域被計(jì)算在一些商業(yè)界的

12、不確定性軟件包。這些不確定性的描述起著 關(guān)鍵在魯棒性分析的作用和魯棒控制的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。非線性動(dòng)態(tài)模型的識(shí)別是更困 難的任務(wù)有幾個(gè)原因，其中包括：復(fù)雜的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，可以發(fā)生，并且缺乏一個(gè)全面的理論框架非線性識(shí)別，而相比之下，優(yōu)雅結(jié)果可用于線性 系統(tǒng)鑒定。此外，時(shí)間延遲補(bǔ)償?shù)幕靖拍詈驮鲆嬲{(diào)度很多現(xiàn)代的共同特點(diǎn)基于模型的 控制策略。在近年來(lái)，一般基于模型利用非線性控制策略已經(jīng)制定物理模型和廣 泛經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。一流行的合成方法?lèi)非線性模型的是基于精確線性化和輸入輸出線 性化做法。通過(guò)整合的一個(gè)（近似）逆過(guò)程模型到控制策略，該閉環(huán)系統(tǒng)將表現(xiàn) 出理想的條件下的線性行為。數(shù)量工業(yè)應(yīng)用似乎是小而增加。分析解決

13、方案可以 為普通班獲得非線性動(dòng)態(tài)諸如仿射模型是線性的同關(guān)于每個(gè)操作的輸入。無(wú)論是 第一原則模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投伎梢允褂谩＞唧w一般的輸入輸出線性化方法的版本包 括參考系統(tǒng)合成，非線性IMC，非線性解耦和一般模型控制。流程在C類(lèi)的控制 策略已廣泛地用在業(yè)，而且在許多過(guò)程控制教科書(shū)中描述了。線性二次高斯最優(yōu)控制（LQG）是已成功應(yīng)用于功能強(qiáng)大的控制策略過(guò)程控 制問(wèn)題多年。然而LQG （為眾所周知的，已經(jīng)使用了超過(guò)45年）還沒(méi)有在這個(gè) 過(guò)程中行業(yè)的享有廣泛的應(yīng)用由于各種原因，包括缺乏準(zhǔn)確的線性狀態(tài)空間模型。 這種情況可能會(huì)在將來(lái)，由于改變新一代的狀態(tài)空間識(shí)別方法是已成為商購(gòu)。此 外，LQG是一個(gè)重要的前體

14、發(fā)展到模型。三、信息和通信技術(shù)過(guò)程控制在過(guò)去的15年各種控制網(wǎng)絡(luò)已成為商業(yè)上可用的和廣泛使用的流程工業(yè)在 幾個(gè)不同的層次：設(shè)備，傳感器，和電場(chǎng)水平現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)是專(zhuān)用因?yàn)樗鼈兲峁┝?一些在工藝控制的興趣重要的優(yōu)點(diǎn)：減少布線和安裝成本，靈活性和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)間 的智能通信設(shè)備（例如，之間的傳感器和執(zhí)行器）。他們還便于從所述進(jìn)一步分 配控制功能計(jì)算機(jī)水平到傳感器和致動(dòng)器的水平。數(shù)字網(wǎng)絡(luò)功能和智能儀器打開(kāi) 了許多新為提高工廠監(jiān)控，包括更好的機(jī)會(huì)診斷信息和更快的響應(yīng)時(shí)間。雖然許 多這些通信網(wǎng)絡(luò)是專(zhuān)有的，突出的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線，依靠開(kāi)放架構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)布 的，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了通過(guò)兩個(gè)工業(yè)財(cái)團(tuán)（每超過(guò)100

15、家公司）， 其中包括幾乎所有的儀器儀表和過(guò)程控制的主要供應(yīng)商設(shè)備。原則上，現(xiàn)場(chǎng)儀表 和控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)總線是不同供應(yīng)商生產(chǎn)的總線兼容將攜手無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線 的設(shè)備。在近年的智能儀表，即，文書(shū)集成了嵌入式微處理器，已成為可用，并提供 了許多重要的優(yōu)點(diǎn)。聰明發(fā)射器和致動(dòng)器具有用于調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的能力，執(zhí)行自診斷 測(cè)試，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)作出反應(yīng)。因此，使用智能儀表和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場(chǎng)總 線允許更寬范圍的工藝的監(jiān)控策略。智能儀表讓很多的所需的常規(guī)數(shù)據(jù)采集和控 制的計(jì)算。一個(gè)很多大型工業(yè)廠房（煉油廠，食品工業(yè)，電廠）可能有數(shù)以千計(jì) 的測(cè)量和控制回路。由術(shù)語(yǔ)全廠范圍的控制是不意味著每一個(gè)循環(huán)的調(diào)節(jié)和行為， 而是重點(diǎn)

16、對(duì)整個(gè)工廠的控制理念結(jié)構(gòu)決定的。結(jié)構(gòu)決定包括選擇/安置操縱和測(cè)量以及分解整體的問(wèn)題分解成更小的子問(wèn) 題（最佳的控制配置）。在實(shí)踐中，控制系統(tǒng)通常是分成若干層。通常情況下， 層包括調(diào)度（周），全站點(diǎn)優(yōu)化（天），局部?jī)?yōu)化（小時(shí)），監(jiān)控/預(yù)測(cè)控制（分鐘） 和監(jiān)管控制（秒）。優(yōu)化層通常重新計(jì)算新的設(shè)定點(diǎn)只有一次一個(gè)小時(shí)左右，作 為反饋層連續(xù)地進(jìn)行操作的位置。該層由受控變量是鏈接的，由此設(shè)定值是由上 層計(jì)算并通過(guò)下實(shí)施層。一個(gè)重要問(wèn)題是這些變量的選擇。這些設(shè)計(jì)問(wèn)題已經(jīng)被公認(rèn)了數(shù)十年，但已成為近年來(lái)更關(guān)鍵的，因?yàn)樾碌牧?程涉及更多的再循環(huán)和更大的能量融合，應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)壓力。鑒于其中央重要性和它 的普遍發(fā)生，令

17、人驚訝的是控制結(jié)構(gòu)選擇問(wèn)題已收到比其他議題要少得多的關(guān)注， 如具體的控制方法（如：MPC，自適應(yīng)控制）和PID的窄得多的主題控制器調(diào)節(jié)。 然而，在最近幾年出現(xiàn)了一個(gè)當(dāng)中的研究界和一些利益續(xù)約有前途的新成果的報(bào) 道。致謝本文支持VEGA項(xiàng)目沒(méi)有1/1105/11和歐盟OP沒(méi)有26240220060項(xiàng)目。參考秦，S.和Badgwell，T.-工業(yè)模型預(yù)測(cè)的概述控制應(yīng)用-提出在非線性MPC車(chē)間，阿斯科納，瑞士，1998年6月2-6。弗蘭克PM（1999）的控制，施普林格（亮點(diǎn)進(jìn)展ECC99）-出版社，倫敦，第 1-27，pp.103-135卡馬喬E.F.，Bordons C。（1995）。在模型預(yù)測(cè)控制流程工業(yè)。斯普林格 -Verlag，倫敦。克拉克D.W.，Mohtadi C.，凝灰?guī)rP.S. （1987）。廣義預(yù)測(cè)控制-第1， 第2部分。自動(dòng)化，第一卷。24，第137-169?？ㄌ乩誄.R.，拉馬克B.L。（1980）。動(dòng)態(tài)矩陣控制-一計(jì)算機(jī)控制算法。 ACC，舊金山。科扎克，S.:控制工程方法的發(fā)展和他們的在行業(yè)中的應(yīng)用（特邀講座）在 第五屆國(guó)際科學(xué)技術(shù)研討會(huì)過(guò)程控制2002年Kouty河畔Desnou，捷克共和國(guó)： 6 月 9-122002 年 CDRichalet J。（1993）?；?/p>