过程装备与控制工程学科发展趋势概述

过程装备与控制工程学科发展趋势概述

南昌大学过控152班叶小花

摘要：本文首先介绍了过控专业的大致内容，学科特点和存在的问题。再根据“以过程装备为主体，过程和控制为两翼”的交叉型学科特点，主要从智能控制及自动化、计算机化和学科交叉等方面分析了过控学科的发展趋势。最后，阐述了过控专业的意义和学习的目的。

一、过控专业概述

现代过程装备与控制系统是现代人类文明的标志之一。过程装备与控制工程专业以过程装备设计基础为主体，过程原理与装备控制技术应用为两翼的学科交叉型专业。它的前身是“化工机械专业”，以前苏联为蓝本而创立。随着科技的进步，自动化和计算机控制变得越来越重要，因此，重组整合的全新的过程装备与控制工程专业顺应时代而生，形成了如今横跨机械、工艺和控制三个学科的特点。

过程装备包含化工机器和化工设备两大类，前者指主要作用部件为运动的机械，后者指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械。控制工程指对过程装备和及其系统的状态和工况进行监测，控制，以确保生产工艺有序稳定运行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。控制工程是结合现代自动化技术，是现代自动化先进技术与化工机械相结合的，提高了设备的效率。

本学科是机械大学科的一个分支，它自己是属于机械领域，同时又服务于过程工业，自身的发展又需要机电控制。过程工业，就是指通过化学和物理的方法以达到改变物料性能的加工业，其中涵盖了化学、化工、石油化工、食品、制药，甚至于冶金等众多行业部门。而我校主要涉及的是化工和食品方面。过程工业所涉及的对象是流程性物料，从原料到产品需经过复杂的工艺过程，整个过程需要由极多的单元构成。而由能实现这一功能的设备来完成每一个单元，再将这些单元设备连在一起便构成过程装备。

二、过控学科的特点以及存在的问题

过程装备与控制工程是指机、电、仪一体化的连续复杂系统，系统的各个部分都可以相互关联、作用以及制约。因此只要其中任意一点发生故障均会影响整个系统，并且持续长周期地稳定运行下去。又因为加工过程材料有些是易燃易爆、有毒有害品或在加工过程需要提供高温高压条件，所以对系统的安全可靠性要求非常高。

如之前提到，由于是交叉学科，且是工程学的重要组成部分，过控应用领域十分宽广。过控学科的特点与绝大多数学科是不同的。其主要特点包括：一是要以机电工程为主干与工艺过程密切结合，创新单元工艺设备，二是要善于博采众长、综合集成，把诸多学科最新研究成果应用出来。综合集成，不断创新过程装备与控制工程学科是我们的重要研究方向。

随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈,产品的质量和功能也向更高的档次发展,制造产品的工艺过程变得越来越复杂,为满足优质、高产、低消耗,以及安全生产、保护环境等要求,过程控制的任务也愈来愈繁重。这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量

之间的耦合交错,而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系;不确定性不单指结构上的不确定性 ,而且还指参数的不确定性;非线性既有非本质的非线性,也有本质非线性。由于工业过程的这种复杂性,决定了控制的艰难性。

再一点传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的 ,即按建模-控制-优化进行的 ,建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前建模的理论和方法有长足的进步 ,但仍有许多过程或对象的机理不清楚,动态特性难以掌握,如一些反应过程、冶炼过程、生化过程,甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。这样,我们不得不对过程模型进行简化或近似,将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自适应控制,对缓慢的变化过程比较有效,但对变化剧烈的过程(如幅度大,非线性强)却力不从心了。因此,用传统的控制手段进一步提高过程控制的质量遇到了极大的困难,传统控制方法面临着严重的挑战。

三、过控学科的发展趋势

1.设计制造趋向绿色、全面

由过去单纯的考虑正常使用的设计而不考虑生产前后产生的问题、不考虑对环境的影响前后延伸到考虑建造、生产、使用、维修、废弃、回收和再利用在内的全生命周期的综合决策。

由于系统的复杂性，牵一发而动全身，所以全面考虑生产环节也对设计者提出了更高要求。这是一种全局观念，也体现了可持续发展的战略思想。可持续发展的战略思想渗透到工程科学的多个方面，表现了人类社会与自然相协调发展的趋势。

2.学科深度融合，趋向智能控制

工程科学的研究尺度向两极延伸，以及广泛的学科交叉、融合，推动了工程科学不断深入、不断精细化，同时也提出了更高的前沿科学问题，尤其是计算机科学和信息技术的发展冲击着每个工程科学领域，影响着学科的基础格局。当今，自动化、智能化已经广泛运用于给工程学的方方面面。

智能控制是一门新兴的、多学科交叉的理论和技术，著名美籍华人学者傅京孙 1971年首先提出它是人工智能和控制论的交叉,又有美国学者在此基础上加入了运筹学，即智能控制是人工智能、控制论和运筹学的交叉，如果把对目标的规划、协调和管理也视为一种智能活动 ,那么两者是一致的。人工智能主要包括专家系统、模糊理论和神经网络；控制论主要指古典控制和现代控制；运筹学主要涉及定量优化方法。

目前学者在两个方面展开了大量的研究:一是智能方法之间的结合；二是智能控制与传统控制的结合。如模糊逻辑与神经网络技术，利用神经网络的自学习自适应功能，为模糊控制提供控制规则，而利用模糊控制具有仿人决策推理能力完成对目标的控制，两者相得益彰，十功能进一步加强。智能方法与传统方法的结合，能取长补短，形成更大的优势。

3.产品趋于模块化，多样化

过程设备就是按照单元的组合而实现功能的。模块化思想则是组建更大的“单元”，每个模块既可以作为一个单独的设备运行，也可以进行拼接耦合，从而形成复杂的系统。产品的个性化、多样化和标准化已经成为工程领域竞争力的标志，要求产品更精细、灵巧并满足特殊的功能要求，产品创新和功能扩展强化是工程科学研究的首要目标，模块化就是用来解决这个问题。由此，柔性制造和快速重组技术在大流程工业中也得到了重视。

四、学习过控学科的意义