微機控制技術(shù)發(fā)展綜述報告.doc

微機控制技術(shù)發(fā)展綜述報告一、微機控制技術(shù)的定義：微型計算機控制技術(shù)是一門跨學(xué)科以及應(yīng)用性、技術(shù)性、綜合性都很強的專業(yè)技術(shù)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(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)知識。通過學(xué)習(xí)，要求掌握計算機控制系統(tǒng)的控制原理和分析設(shè)計方法，具備基本的設(shè)計技能，能夠設(shè)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(yīng)、生化反應(yīng)、相變過程等，因此過程機理十分復(fù)雜。被控對象往往是高維、耦合、大時滯、嚴(yán)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(guān)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(dāng)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(shè)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(fù)雜的對象，也就是說對于高維、大時滯、嚴(yán)重非線性、耦合及嚴(yán)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(yīng)運而生。出現(xiàn)先進過程控制的基礎(chǔ)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(yù)測控制、自適應(yīng)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(xué)術(shù)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(yīng)用報導(dǎo)。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)?，F(xiàn)場-總線技術(shù)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)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(luò)，它克服了DCS的一些缺點，對自動控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法、安裝調(diào)試方法和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行有機結(jié)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(rèn)為是過程控制發(fā)展中的第三階段。 三、當(dāng)前過程控制技術(shù)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(yīng)的效學(xué)模型作基礎(chǔ)。因此，建立數(shù)學(xué)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(yīng)、生化反應(yīng)等非常復(fù)雜的變化，要想從機理來建立一個準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。為了得到工程技術(shù)人員能夠接受的并易于應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型，往往都不得不進行一些假設(shè)使數(shù)學(xué)模型得以簡化，但這些假設(shè)又會影響到數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性。特別是對于一些高維的復(fù)雜對象，若采用嚴(yán)格的機理推導(dǎo)往往會得到由幾百個乃至幾千個微分方程組成的數(shù)學(xué)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(yīng)動力學(xué)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(xué)模型。屬于這類方怯的有最小二乘法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊模型等。盡管國內(nèi)外許多學(xué)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(yīng)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(shè)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(shè)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(xué)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(yīng)用于關(guān)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(xué)術(shù)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(yīng)用在工業(yè)過程中的仍為數(shù)不多。以下是一些較公認(rèn)的(特別是能得到工程界的認(rèn)可)的先進控制策略(算法)：1)改進成復(fù)合PlD控制算法2)頂測控制3)自適應(yīng)控制4)智能控制四、軟測量技術(shù)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(shù)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(yán)格控制的、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過程工藝變量。如精餾塔的產(chǎn)品組分濃度，化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)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(shù)，或稱之為軟儀表。采用先進過程控制技術(shù)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(shù)(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(dǎo)。當(dāng)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(shè)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(biāo)會明顯變差，操作難度也會大大增加，甚至?xí)?dǎo)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(dāng)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(yīng)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(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制技術(shù)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(yīng)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(jié)合而形成了計算機一體化技術(shù)。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(jié)合進來將有著顯著的效益潛力。CIPS利用計算機技術(shù)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