芻議過程控制系統(tǒng)理論與未來發(fā)展

黃澤寅　張國棟　胡志洪

【摘 要】簡述了過程控制的基本理論以及大部分的過程控制系統(tǒng)，主要介紹了串級控制系統(tǒng)。并且就過程控制的一些重點(diǎn)發(fā)展方向進(jìn)行了闡述介紹，展望了智能控制與預(yù)測控制在其對應(yīng)的應(yīng)用方向具有較好的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】過程控制；智能控制；預(yù)測控制

一、過程控制概述

所謂過程控制是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用測量儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化。過程控制的任務(wù)是針對連續(xù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，面向連續(xù)過程工業(yè)增強(qiáng)市場競爭能力的迫切要求，把控制目標(biāo)放到提高產(chǎn)品收率與質(zhì)量、節(jié)能降耗、降低成本、提高生產(chǎn)過程的柔性，以適應(yīng)市場需求的多變。這些都對過程控制提出了新的要求，導(dǎo)致了過程控制領(lǐng)域中許多理論問題和關(guān)鍵技術(shù)需要研究和突破。

單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)適用于控制要求不高的一般性場合，約占總過程控制系統(tǒng)數(shù)量的一半以上。在所有的反饋控制系統(tǒng)中它是最簡單最基本的一種，因此它又被稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)有4個基本環(huán)節(jié)組成，即1被控對象或者被控過程，2測量變送裝置，3控制器，4控制閥。

串級控制系統(tǒng)是僅次于單回路控制系統(tǒng)的另一類使用廣泛的控制系統(tǒng)，它是當(dāng)對象容量滯后或純滯后較大，負(fù)荷和干擾變化比較劇烈而頻繁，或是工藝對產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求很高時改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛應(yīng)用，約占總數(shù)的20%左右。具體的串級控制系統(tǒng)，就是采用兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果，這樣的控制系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.減小了被控對象的等效時間常數(shù)

與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多了一個副回路，只要擾動從副回路引入，則不等它影響到主參數(shù)，副回路立刻進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，該擾動對主變量的影響就會大大減小，從而提高了主變量的控制質(zhì)量，所以說串級控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.提高了系統(tǒng)工作頻率

串級控制系統(tǒng)中副回路改善了對象特征，使整個系統(tǒng)的工作頻率提高了，過渡過程的振蕩周期減小了，在衰減系數(shù)相同的條件下，調(diào)節(jié)時間縮短了，提高了系統(tǒng)的快速性，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

3.對負(fù)載變化具有一定的自適應(yīng)能力

一般情況下，實(shí)際生產(chǎn)過程中的許多對象都具有不同程度的非線性。串級控制系統(tǒng)可以將具有較大非線性的那部分對象包圍到副回路中。由于副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，其設(shè)定值將隨著主控制器的輸出而變化。這樣主控制器就可以按照操作條件和負(fù)載的變化情況，相應(yīng)地調(diào)整副控制器的設(shè)定值，從而保證在操作條件和負(fù)載發(fā)生變化的情況下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。

單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)占過程控制系統(tǒng)總量的80%以上。除此之外，還有一些復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)，比如前饋控制系統(tǒng)、時間滯后控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、超弛控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)等。

前饋控制是與反饋控制相對而言的。反饋控制是在系統(tǒng)受到擾動，被控量發(fā)生偏差后再進(jìn)行控制，而前饋控制的基本思想就是根據(jù)進(jìn)入過程的擾動量，產(chǎn)生合適的控制作用，使被控量不發(fā)生偏差。

二、未來的發(fā)展

預(yù)測控制與智能控制是過程控制在科技發(fā)展的背景下涌現(xiàn)出的兩種具有廣泛應(yīng)用與發(fā)展前景的優(yōu)秀控制方式。

智能控制是一門新興的、多學(xué)科交叉的理論和技術(shù)，著名美籍華人學(xué)者傅京孫1971年首先提出它是人工智能和控制論的交叉。美國學(xué)者G.N.Saridis 1977年在此基礎(chǔ)上加入了運(yùn)籌學(xué)，即智能控制是人工智能、控制論和運(yùn)籌學(xué)的交叉，如果把對目標(biāo)的規(guī)劃、協(xié)調(diào)和管理也視為一種智能活動，那么兩者是一致的。人工智能主要包括專家系統(tǒng)、模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；控制論主要指古典控制和現(xiàn)代控制；運(yùn)籌學(xué)主要涉及定量優(yōu)化方法。專家控制、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三種典型的智能控制方法。

一般說來，智能控制具有下列幾個共同特點(diǎn)：

1.學(xué)習(xí)能力

對一個過程或其環(huán)境的未知特征所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步估計(jì)、分類、決策或控制，這對于未知對象的認(rèn)知和辨識，以及控制系統(tǒng)性能的進(jìn)一步改善，是十分有利的。

2.組織綜合能力

對復(fù)雜的任務(wù)和分散的傳感器信息，具有處理、組織、協(xié)調(diào)和綜合決策的能力，并在進(jìn)行過程中表現(xiàn)出類似于人的主動性和靈活性。

3.適應(yīng)能力

由于智能控制不依賴于對象模型，智能行為表現(xiàn)為從系統(tǒng)輸入到輸出的映射關(guān)系，即使輸入是系統(tǒng)從未有過的例子，系統(tǒng)通過插補(bǔ)、歸類等方法，也能給出適當(dāng)?shù)妮敵?，如果系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障，仍能正常工作，并給出警告信號，甚至自行修復(fù)。

4.優(yōu)化能力

由于智能控制具有在線特征辨識、特征記憶和擬人等特點(diǎn)，在整個控制過程中計(jì)算機(jī)在線獲得信息，實(shí)時處理，并給出控制決策，通過不斷優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器最佳結(jié)構(gòu)形式，以獲得整體最優(yōu)控制性能。

目前智能控制盡管人工智能理論尚不成熟，智能控制技術(shù)還處在發(fā)展之中，但隨著相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，它將逐步完善起來，它的應(yīng)用前景是極為廣闊的。結(jié)合過程控制的特點(diǎn)，智能控制可能運(yùn)用于復(fù)雜過程工業(yè)，用以研制通用的智能產(chǎn)品，與DCS相結(jié)合，用于故障診斷等方面。

而預(yù)測控制理論注重了多種算法的交叉研究，由模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)與預(yù)測控制機(jī)理相結(jié)合的智能預(yù)測控制正成為人們研究的熱點(diǎn)，特別是與PID控制技術(shù)的結(jié)合獲得了廣泛的應(yīng)用。并且在工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出了不少的優(yōu)點(diǎn)：

（1）對模型要求低，現(xiàn)代控制理論之所以在過程工業(yè)中難以大規(guī)模應(yīng)用，其重要的原因之一是對模型精度要求太高，而預(yù)測控制就成功地克服了這一點(diǎn)。

（2）采用了非最小化描述的離散卷積和模型，信息冗余量大，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性。

（3）用了滾動優(yōu)化取代了全局一次優(yōu)化，每個控制周期不斷進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，不僅在時間上滿足了實(shí)時性的要求，而且突破了傳統(tǒng)的全局一次優(yōu)化地局限，把穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化相結(jié)合。

（4）可在不增加任何理論困難的情況下，將算法推廣到有約束條件、大時滯、非最小相位、非線性等過程，并獲得了較好的控制效果。

預(yù)測控制具有適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)，所以預(yù)測控制具有強(qiáng)大的生命力。在單變量的理論分析方面已經(jīng)取得了一些成果，但在多變量算法中對于穩(wěn)定性或魯棒性的研究還比較欠缺。因此非線性預(yù)測控制和魯棒預(yù)測控制仍是今后研究的重點(diǎn)。隨著預(yù)測控制在理論和應(yīng)用兩方面的不斷發(fā)展和完善，與工業(yè)過程的實(shí)際應(yīng)用前景緊密結(jié)合起來，必將在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮出越來越大的作用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

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