自动化专题报告

机理建模难度大，受到 建模误差和外部干扰等 因素影响
基于解析模型的方法
故 障 诊 断 方 法
卡尔曼滤波器 参数辨识 等价空间方程
基于知识的方法
专家系统 神经网络 有向符号图 主元分析法 典型变量分析 独立元分析法
知识库极为庞大，推理 规则的建立过程非常复 杂
基于数据的方法
数据可靠性要求高， 故障源诊断困难
一、概述
流程工业在国民经济中的支柱地 位


流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等在国民 经济中占主导地位的行业 全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5% 我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经 济基础，流程工业是国家的重要基础支柱产业
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一、网络控制系统模型的建立
数学模型是控制系统的研究基础，控制系统的分析与设 计都要以控制系统的数学模型为基础。
在网络控制系统中，由于网络时延和数据丢包等情况 存在，需要具体分析网络控制系统特性，建立合理有效的数学 模型，以便于进行稳定性分析和控制器设计。国内外学者在各 种假设条件下,利用不同的方法对NCS的建模进行了研究。
流程工业综合自动化面临的重大 任务

流程工业综合自动化系统和自动化装备的研究与开发，是国家的重大战 略需求，是信息化带动工业化的战略重点，是全国自动化工作者面临的 重大任务，它是： 1.加快信息化带动工业化步伐的迫切需要； 2.加快振兴我国装备制造业的迫切需要； 3.确保我国国民经济绝对安全的迫切需要； 4.实现节能减排总体目标的迫切需要； 5.推动控制学科快速发展的迫切需要。

流程工业的特点
· 现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。多次循环复杂网 络系统。过程工业向高效、节能、洁净型发展。 · 流程工业系统模型为具有高度非线性的代数、微分(偏、常微分)方程 混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程参数和高维状态变量，且 高度交联、耦合。 · 现代流程工业操作可调、工艺灵活、产品多样、控制系统化的特点。
控制效果差 能耗大 装置故障率高
先进控制技术的出现

解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产过程运行的“安、稳、长、满、优” 先进控制技术是一个广泛的概念，是指不同于常规控制方案的一切控制新方法
预测控制技术 软测量技术 过程监控技术
先进控制系统的本质：
相对传统的以温度、压力、液位等为目标的单回路控制而言，先进控制则是以质量和工艺 要求为指标的多变量控制
预测控制基本知识



预测控制：模型预测控制，Model Predictive Control， MPC 20世纪70年代末，在工业过程控制领域出现的一种基于模型的计算机控制算法。 有着深刻的实际应用背景，首先应用于实际工业问题的解决，来自于工业实践者。 1978年，Richalet首先发表论文进行了介绍，随后引起研究热潮，是目前工业过程中最为 成功研究最多的先进控制算法。 预测控制的基本原理 模型预测 滚动优化 反馈校正
二、现场总线控制系统结构
现场总线控制系统基本结构： 三层网络架构：即信息层、控制层以及设备层。
三、现场总线控制系统的冗余技术
随着人们对工业生产的安全意识日益提高，冗余系统 在各种工业场合得到了广泛的应用。特别是对生产连续性 要求比较高的过程控制场合，当主控制处理器出现问题时， 如果另外一个备用处理器可以实时自动的接管整个控制系 统，就能够保证整个生产过程的连续性和稳定性。因此， 在工业现场引进较为适当的冗余控制系统是十分必要的。




1、流程工业自动化技术 2、现场总线与网络控制 3、节能减排 4、自动化科学概论 5、电动汽车
*流程工业综合自动化设计
一、概述 二、系统集成技术 三、先进控制技术 四、故障检测 五、总结

什么是流程工业？
流程工业 (Process Industry)也称过程工业，通常是指通过物理 变化和化学变化进行的生产过程，其原料和产品多为均一相（固、液或 气体）的物料，而非由零部件组装成的物品。其产品质量多由纯度和各 种物理、化学性质表征。化工、炼油、冶金、轻工、建材等行业均属过 程工业。
1.以保证主要设备乃至生产全过程的安全为目标：

避免生产事故、减少财产损失； 2.为保证产品质量为目标：减少产品质量波动、 实现优质高效。
流程工业可能出现的故障

过程参数变化：催化剂中毒、热交换器结垢等 干扰参数变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等 执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等 传感器问题：堵塞、标定误差等造成仪表损坏或偏差 控制器问题：控制性能等 状态观测器
*现场总线与网络控制技术

*现场总线 *网络控制技术
现场总线

一、发展概况 二、控制系统结构 三、控制系统的冗余技术 四、总线系统的集成技术
一、现场总线发展概况
随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作 为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总 线（FieldBus）技术也得到了迅速发展、影响巨大，引 起了工程技术界的普遍爱好与重视，使计算机控制系统 逐步从集散控制系统（Distributed Control System DCS） 走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统 （Fieldbus Control System FCS），被誉为工业自动化 领域具有革命性的新技术。

一、概述

出处
“节能减排”出自于我国“十一五”规划纲要。 《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低 20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。根据这两个指标，如中国GDP年均增长一成， 五年内就需要节能六亿吨标准煤，减排二氧化硫六百二十多万吨、化学需氧量五百七十多万吨。这是 党和政府对人民的庄严承诺。

*节能减排

一、概述 二、现状 三、意义 四、措施

节能减排就是节约能源、降低能源消耗、减少污染物排放。 节能减排包括节能和减排两大技术领域， 二者有联系，又有区别。一般地讲，节能必定减排，而减排却未必节能，所以减排项目必须加强节能 技术的应用，以避免因片面追求减排结果而造成的能耗激增，注重社会效益和环境效益均衡。 《中华人民共和国节约能源法》所称节约能源（简称节能），是指加强用能管理，采取技术上可行、 经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和 污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。

输入输出模型
假设未来输入预 测未来输出

以滚动方式对未来有限时 域进行优化 在线计算并实现当前控制 作用

每一时刻检测实际输出 以预测误差补偿对未来 输出的预测

软测量技术
软测量技术的主要思想
对于过程中难以在线测量的重要过程变量（主导变量或一次变量)，选择与之相关的一组易 测变量(辅助变量或二次变量)，构造两者之间的某种数学关系，用计算机软件实现重要工 艺参数的估计，为过程监控和优化控制提供重要信息。
►软测量结构示意图
不可测扰动d1 可测扰动d2 过程输入u
离线化验
工 业 对 象
模型校正 过程可测输出y 软测量模型 软仪表估计值
辅助变量
主导变量
四、故障诊断技术
系统监控的意义

现代化工业正朝着大规模、复杂化的方向发展通常包含高温、 高压、易燃、易爆的生产过程，系统一旦发生事故就会造成 人员和财产的巨大损失。 系统监控有2层含义：
五、网络控制系统实验研究平台的 研究
瑞典Lund大学设计的基于Matlab的仿真软件包 TrueTime是现在国际上针对网络控制系统设计问题 的最优秀的仿真实验平台。 然而即便这样，TrueTime仍然与实际网络环境存 在着本质的区别，在众多实现细节上过于理想化，其 仿真结果也与实际网络环境下的实验结果相距甚远.
经营 管理 生产管理 过程管理 直接控制
过程管理级主要功能包括回路 组态、优化控制、性能监视、 故障监测、记录、报警……
直接控制级主要功能包括现场数据采 集、过程监视、故障诊断，控制输出 、安全性能和冗余性能的实施……
连续过程 间歇过程 离散过程
三、先进控制技术
目前流程工业控制中存在的问题

21% 34%
全球500强企业中， 流程工业企业占了70家 中国流程工业总产值占工业总产值66%
12%
石油和化学工业 冶金工业 电力工业 其他流程工业 其他工业
10% 23%
国家发展战略要求
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自动化及装备” 列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念的系统集成和自动化技 术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统。” 《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展重大工程自动化控 制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他重大（成套）技术装备 高度自动化和智能化的需要 ”实现重点突破。
控制要求 控制水平
流程工业综合自动化系统功能 层次
通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级。各级从“上 级”获 取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。
经营管理级居于工厂自动化系统的最 高一层，负责全厂广泛的工程、经济 、商务、人事以及其它的工作。如： 市场分析、销售和生产计划·· ·· ·· 生产管理主要完成生产规划，生产监 视，根据用户订单、库存、能耗约束 、能耗需求等指标进行生产调度。在 许多DCS中，这级就充当最高管理层。
四、总线系统集成技术
在现场总线国际标准制定的过程中, 共有8 种现场 总线同时成为IEC 现场总线标准的子集。 可见, 多种总线共存的局面在一个很长时间内存在仍是 无法避免的。为了适应各种不同现场总线协议, 必须实 现各种现场总线控制系统的集成。
网络控制系统

一、网络控制系统模型的建立 二、网络控制系统的稳定性分析 三、网络控制系统的控制策略研究 四、网络调度 五、网络控制系统实验研究平台的研究
二、网络控制系统的稳定性分析
稳定性是系统控制性能的基本要求，关系到系统能否 正常工作，是系统分析与设计中首先需要考虑的问题。 由于网络带宽有限，网络时延和数据丢包等不确 定因素的影响，网络控制系统的稳定性分析要较一般系统 复杂，除了需要考虑对象本身的特性外，还要从网络带宽 有限、采样周期选择、网络时延和数据丢包等各方面加以 考虑。 对NCS的稳定性分析常用的方法有Lyapunov函数和 线性矩阵不等式等方法。
五、总结
应该向哪些方向努力？
（1）时刻注意品德第一是人类任何组织成员必须遵循认得信条和戒律，保持一颗 感激的心，严持操守，不谋私利，诚实是最好的参谋。 （2）放低架子，虚心学习，使自己具有学习并能及时、高质量吸取掌握别人研究 成果的能力。 （3）提高敬业精神，让别人感觉自己是一个有责任感、忠诚老实、有进取心的人。 （4）努力提高自己的合作能力、竞争能力和抗挫折能力。 （5）加强专业知识和外语的学习，同时努力丰富自己的实践经验。 （6）多参加学术交流活动和文体活动，以摆正心态，扩展知识面，提高信息收集 能力。
三、网络控制系统的控制策略研究
控 制 策 略
确定 性控 制法
鲁棒 控制 法
随机 优化 控制 法
预测 控制 法
智能 控制 法
四、网络调度


在NCS中,控制回路的性能不仅依赖于上述控制策略的设计, 还依赖于网络资源的调度,尤其是在目前网络资源十分有 限的条件下,对NCS 进行实时性调度分析更显得尤为重要。 对实时控制系统而言采样到的数据越多对控制量的计算越 有利，但是大量的数据采样会加重网络负载，这就需要采 用网络调度来协调网络和调度的关系。
二、系统集成技术
过程控制发展回顾
阶段 一 （年代70以前） 二 （70～80年代） 三 （90年代） 控制论、信息论、 系统论、人工智能 等学科交叉
控制理论
经典控制理论
常规仪表 （气动、液动、电 动） 安全、平稳 简单控制系统
现代控制理论
控制工具
计算机网络、现场 分布式控制计算机 总线系统与智能仪 （DCS） 表 市场预测、快速响 优质、高产、低消 应、柔性生产、创 耗 新管理 先进控制系统 综合自动化（CIPS）