现代自动化装备控制技术的认识与理解

现代自动化装备控制技术的认识与理解

在日常生活中诸如全自动洗衣机、ATM取款机、红绿灯、银行感应门等，这些都是广泛存在于我们生活中的自动化装备，虽然它们看似简单，但是它们都是现代自动化技术飞速发展的产物。

从自动化的定义可以说自动化装备是指机器设备、系统或过程中，在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的机械装置。

自动化装备的发展是强大的，但是是何种工具使得自动化装备发展的如此迅猛呢？答案很简单，当然是背后支持的各种控制技术，包括经典控制和近年来出现的先进控制技术。

随着现代科学和技术的发展，自动化科学与技术在过去的几十年中也发生了翻天覆地的变化，控制技术和控制设备日新月异，控制理论也有长足的发展。

大规模工业自动化的要求，使自动化系统从局部自动化走向综合自动化，自动控制问题不在局限于研究一个明确的被控对象以及单回路的控制，而是延伸至车间甚至工厂的全盘自动化问题，因此自动化科学和技术所面对的是一个复杂的系统，其复杂性具体表现为：（1）.系统结构的复杂性，模型的不确定性、强烈的非线性，维数太大；（2）.系统任务的复杂性；（3）.系统环境的复杂性。

传统的控制理论通常把对象视为孤立的，但是实际上一个控制系统是开放的，而且总要收到外部环境的制约。经典控制理论中的PID控制和直接数字控制对解决一般控制和线性定常系统问题十分有效。但是，在许多控制系统中，一些复杂被控对象的特性很难用一般的物理或化学规律来描述，也没有适当的测试手段

进行测试，并为其建立数学模型。对于这类被控对象，用传统控制理论或现代控制理论很难取得满意的控制效果，不能解决或者只能部分解决它们的控制问题。从上世纪七十年代以来，一些先进的控制策略和控制技术得以产生和发展。因此，研究现代自动化装备控制技术是十分必要也是十分重要的。

先进控制是那些不同于常规单回路控制，并具有比常规PID控制效果更好的控制策略的统称，这些控制策略是先进性的。先进控制的任务确是明确的，那就是处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程的控制。

先进控制的设计思想是以多变量预估为核心,采用过程模型预测未来时刻的输出,用对象的实际输出与模型预测输出的差值修正过程模型,从而把若干个要控制的变量控制在一个希望的工控点上, 把装置整体推向最佳状态。目前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果, 而且在实际生产应用中也取得了令人瞩目的成绩。归结起来建模原理都大同小异,基本上分为机理建模和采用系统辨识理论测试建模两种, 并且在实践应用中都取得了良好的经济效果。

先进控制具有以下主要特点：（1）与传统的PID控制不同，先进控制是一种基于模型的控制策略，如模型预测控制和推理控制等。智能控制是先进控制的一个重要的发展方向。（2）先进控制通常用于处理复杂多变量过程控制问题，如大时滞，多变量耦合，被控变量与控制变量存在各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适用于实际工业生产过程动态特性等操作要求。（3）先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。

先进控制技术的策略有：个别重要过程变量控制性能的改善，主要采用单变量模型预测控制与原控制回路构成透明控制的方式；解决约束多变量过程的协调

控制问题，主要采用带协调层的多变量预测控制策略；推理控制，基于模型的多变量预测控制，自适应控制，协调控制等。其中推理控制就是利用数学模型由可预测信息将不可预测的输出变量推理出来以实现反馈控制，或将不可预测扰动计算出来以实现前馈控制。基于模型的多变量预测控制是运用现代控制理论进行的一种先进控制，主要用于温度控制和处理难度大的温度影响动态特性问题，以及处理时间滞后，非线性和交互作用的多变量过程控制问题。

先进控制技术有自适应控制，鲁棒控制，容错控制，智能控制，专家控制等。自适应控制：实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统、模型参考自适应控制系统两种类型。自校正控制系统是一种随机自适应控制系统，它由两个环路组成。内环是典型的反馈控制系统。模型参考自适应控制系统则是解决自适应控制问题的主要方法。

鲁棒控制：是针对被控对象不确定性的一种控制方法。与自适应控制去修正控制器的参数的方式不一样，鲁棒控制是研究如何设计一个固定的控制器，使得相应的闭环系统在强度确定的不确定性扰动作用下仍然能保持预期的性能，形成了以不确定性描述、鲁棒稳定性及鲁棒镇定、鲁棒控制器设计为基础的鲁棒控制理论和技术。

容错控制：它是指当系统出现故障时，实施必要的决策和控制，使系统仍然保持稳定运行，并具有可以接受的性能指标。容错控制当前主要有硬件冗余和解析冗余两种方法。硬件冗余方法基于硬件结构上的考虑，对重要部件或易发生故障的部件采用双重或多重备份，从而建立起冗余的信号通道，实现对硬件环节失效的控制。解析冗余是一种“软件冗余”，它通过控制器的设计提高整个控制系统的冗余度。

智能控制：是一种拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。由于被控对象本身及所处环境的复杂性，特别是各种不确定性因素的存在，虽使得基于数学模型的控制方法显得无能为力，但熟练的操作工、技术人员或者专家凭借他们的经验操作却仍能获得满意的控制效果。

专家控制：将专家系统与控制理论方法相结合，应用专家的智能指导工程控制的控制技术，是智能控制的重要分支。专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，利用来处理该领域的问题。专家系统通常由知识库和推理机两部分组成。将专家系统应用到自动控制领域，就是专家控制。

通过应用各种先进的控制技术，自动化装备可以保证装置平稳操作,提高目标产品的收率,显著提高经济效益，降低能耗,提高处理量,全面提高工艺装置的自动控制水平和整体经济效益。

以上是我在学完现代自动化装备控制技术这门课程后得到的一些体会与认识，作为一名自动化专业的学生，深知这是一门涉及知识面很广的学科，所以自己应该具备广泛的专业知识，深入探索研究现代自动化装备控制技术，才能跟得上社会前进的步伐。