第3章-13 挑战及展望!!

1、3.13 自动化应用面临的挑战与自动化应用面临的挑战与展望展望主要内容主要内容l 自动化应用面临的问题和挑战自动化应用面临的问题和挑战l 自动化应用的前沿领域和发展趋势自动化应用的前沿领域和发展趋势 一、自动化应用面临的问题和挑战一、自动化应用面临的问题和挑战 自动化的应用领域非常广泛，早已从主要面向工自动化的应用领域非常广泛，早已从主要面向工业和国防扩展到了能源、环境、交通、建筑、经济、业和国防扩展到了能源、环境、交通、建筑、经济、管理、家居等几乎所有领域。管理、家居等几乎所有领域。 伴随着信息技术的快速发展，自动化应用在深度伴随着信息技术的快速发展，自动化应用在深度和广度上也不断拓展，新概

2、念、新技术、新问题不和广度上也不断拓展，新概念、新技术、新问题不断涌现，一方面给自动化的发展提供了前所未有的断涌现，一方面给自动化的发展提供了前所未有的机遇，同时也使自动化面临着众多的挑战。机遇，同时也使自动化面临着众多的挑战。1. 综合自动化系统的整体水平有待提高综合自动化系统的整体水平有待提高 很多应用领域的自动化系统都在朝综合自动化方很多应用领域的自动化系统都在朝综合自动化方向发展，就一个生产企业而言，综合自动化涉及了向发展，就一个生产企业而言，综合自动化涉及了产品的全生命周期，各个环节和各个子系统相对独产品的全生命周期，各个环节和各个子系统相对独立而又相互关联、相互影响，要真正形成一个

3、平稳、立而又相互关联、相互影响，要真正形成一个平稳、协调运转的大系统是相当艰巨的任务，同时也是一协调运转的大系统是相当艰巨的任务，同时也是一个渐进的过程，不可能一蹴而就。个渐进的过程，不可能一蹴而就。 现有的工业综合自动化成套产品和完整解决方案现有的工业综合自动化成套产品和完整解决方案尚不够完善，离全面和深度融合尚有一定距离。尚不够完善，离全面和深度融合尚有一定距离。 很多领域，如楼宇自动化、家庭自动化、农业很多领域，如楼宇自动化、家庭自动化、农业自动化等还处于发展的初级阶段，需要加大投入，自动化等还处于发展的初级阶段，需要加大投入，逐步完善和推广。逐步完善和推广。 综合自动化系统的设计、构建

4、和实施是一项复综合自动化系统的设计、构建和实施是一项复杂的系统工程，涉及到众多的技术领域，需要不杂的系统工程，涉及到众多的技术领域，需要不同专业背景的科技和管理人员共同参与，同时还同专业背景的科技和管理人员共同参与，同时还必须在很多关键技术上深入开展研究，如综合自必须在很多关键技术上深入开展研究，如综合自动化系统的体系结构、信息集成技术、检测与识动化系统的体系结构、信息集成技术、检测与识别技术、决策支持系统等别技术、决策支持系统等 。 2. 复杂系统的研究尚处于探索阶段复杂系统的研究尚处于探索阶段 复杂系统包括电力系统、综合工业生产系统、复杂系统包括电力系统、综合工业生产系统、交通系统、社会经

5、济系统、生物系统等，系统的交通系统、社会经济系统、生物系统等，系统的网络化加剧了系统的复杂性。网络化加剧了系统的复杂性。 现有现有“大系统理论大系统理论”的主要成果基本上是线性的主要成果基本上是线性系统理论在复杂结构下的推广，远远不能满足复系统理论在复杂结构下的推广，远远不能满足复杂系统的研究需要，而杂系统的研究需要，而“复杂系统理论复杂系统理论”近年来近年来虽然取得了一些进展，但尚处于探索阶段，离实虽然取得了一些进展，但尚处于探索阶段，离实际应用还有较大距离。较普遍的看法是，复杂系际应用还有较大距离。较普遍的看法是，复杂系统的研究应当走智能化和综合集成的道路。统的研究应当走智能化和综合集成的

6、道路。 3. 系统建模与系统分析、控制、决策系统建模与系统分析、控制、决策等的结合问题等的结合问题 要实现有效的管理和控制，离不开系统建模。系要实现有效的管理和控制，离不开系统建模。系统模型若过于复杂，会给分析、设计和决策带来很统模型若过于复杂，会给分析、设计和决策带来很大困难；反之若过于简单，则无法反应真实特性。大困难；反之若过于简单，则无法反应真实特性。因此系统建模不是一个独立的过程，应充分考虑控因此系统建模不是一个独立的过程，应充分考虑控制和管理上的需要。制和管理上的需要。 目前针对线性系统的建模研究已比较成熟，但时目前针对线性系统的建模研究已比较成熟，但时变、非线性、不确定动态系统、复

7、杂系统等的研究变、非线性、不确定动态系统、复杂系统等的研究依然不多，且大多属于定量模型。如何把定量模型依然不多，且大多属于定量模型。如何把定量模型和定性模型结合起来，并考虑控制和管理的需要尚和定性模型结合起来，并考虑控制和管理的需要尚待深入研究。待深入研究。 4. 先进控制策略的推广应用先进控制策略的推广应用 先进控制策略一般指控制性能优于先进控制策略一般指控制性能优于PID控制、而控制、而且必须借助于计算机来实现的一类控制算法，如自且必须借助于计算机来实现的一类控制算法，如自适应控制、预测控制、最优控制、智能控制等。适应控制、预测控制、最优控制、智能控制等。 在一个网络化的控制系统中，往往有

8、在一个网络化的控制系统中，往往有85%以上以上是简单的是简单的PID控制，有控制，有5%10%是包含了多种方式是包含了多种方式的复合控制，而先进控制系统的比例只有的复合控制，而先进控制系统的比例只有5%左右。左右。 随着控制系统规模和复杂程度的不断增加，很随着控制系统规模和复杂程度的不断增加，很多情况下简单的多情况下简单的PID控制已不能满足要求，或者即控制已不能满足要求，或者即使能满足要求，但并不能获得很好的效果。使能满足要求，但并不能获得很好的效果。 现代的自动化系统绝大部分都已实现了数字化现代的自动化系统绝大部分都已实现了数字化或计算机化，在计算机中以软件的形式实现先进或计算机化，在计算

9、机中以软件的形式实现先进控制或实现控制或实现PID控制并无本质差别，但先进控制控制并无本质差别，但先进控制的效果明显优于的效果明显优于PID控制，可以显著提高生产效控制，可以显著提高生产效率、改善产品质量、降低生产成本，从而创造出率、改善产品质量、降低生产成本，从而创造出巨大的经济效益。巨大的经济效益。 大力推广和应用先进控制策略不仅切实可行，大力推广和应用先进控制策略不仅切实可行，而且对全面改善系统性能、提高自动化水平、实而且对全面改善系统性能、提高自动化水平、实现国家倡导的节能降耗以及提高资源利用率等具现国家倡导的节能降耗以及提高资源利用率等具有十分重要的意义。有十分重要的意义。5. 自动

10、化在很多领域的应用水平急待提高自动化在很多领域的应用水平急待提高 自动化在工业、军事等很多领域取得了巨大的自动化在工业、军事等很多领域取得了巨大的成功，但仍有不少领域需要深入开展研究，拓展成功，但仍有不少领域需要深入开展研究，拓展应用范围，提高应用水平。应用范围，提高应用水平。 家庭自动化由于实施成本的问题，基本上还停家庭自动化由于实施成本的问题，基本上还停留在单机自动化水平上，虽然已经出现了具有网留在单机自动化水平上，虽然已经出现了具有网络接口的冰箱、空调等络接口的冰箱、空调等“信息家电信息家电”产品，但还产品，但还难以实现不同系统的互连和组网，很多所谓的难以实现不同系统的互连和组网，很多所

11、谓的“智能小区智能小区” 离真正的智能自动化还相差甚远。离真正的智能自动化还相差甚远。 在农业自动化方面，发达国家早就提出了在农业自动化方面，发达国家早就提出了“精精准农业准农业”的概念，开发了种类繁多的农业自动化的概念，开发了种类繁多的农业自动化设备和系统，包括遥感遥测、环境监测、地理信设备和系统，包括遥感遥测、环境监测、地理信息、息、GPS定位、农业专家数据库、自动灌溉、自定位、农业专家数据库、自动灌溉、自动化的农业机械和机器人、自动化饲养、工厂化动化的农业机械和机器人、自动化饲养、工厂化蔬菜生产、网络化管理等。蔬菜生产、网络化管理等。 我国的大部分地区还停留在机械化的水平上，我国的大部分

12、地区还停留在机械化的水平上，有些地方连有些地方连“机械化机械化”也谈不上，仍采用较原始也谈不上，仍采用较原始的耕作方式。因此要提高农业的生产效率、实现的耕作方式。因此要提高农业的生产效率、实现农业自动化还有较长的一段路要走。农业自动化还有较长的一段路要走。 在交通运输自动化方面，对智能交通系统在交通运输自动化方面，对智能交通系统ITS的的研究已有研究已有40年左右的历史，在欧美等发达国家已有年左右的历史，在欧美等发达国家已有较高的应用率，如美国的较高的应用率，如美国的ITS应用率高达应用率高达80%，而，而我国目前很多城市的信号灯控制还停留在定时切换我国目前很多城市的信号灯控制还停留在定时切换

13、的传统方式上，交通诱导和疏导还主要靠警察的现的传统方式上，交通诱导和疏导还主要靠警察的现场指挥，大量公路收费站还依靠人工收费。场指挥，大量公路收费站还依靠人工收费。 虽然部分大城市引进和开发了一些交通综合管理虽然部分大城市引进和开发了一些交通综合管理与控制系统，安装了电子收费系统、监控系统和信与控制系统，安装了电子收费系统、监控系统和信息服务系统，很多城市已经开始了以智能控制和综息服务系统，很多城市已经开始了以智能控制和综合管理为手段、以实现合管理为手段、以实现“一路绿波一路绿波”为目标的城市为目标的城市交通系统的改造和升级，但要全面实现交通自动化交通系统的改造和升级，但要全面实现交通自动化尚

14、待时日。尚待时日。 在煤矿自动化方面，由于煤矿的生产环境恶劣，在煤矿自动化方面，由于煤矿的生产环境恶劣，瓦斯与煤尘爆炸、水灾、火灾、冒顶等事故随时瓦斯与煤尘爆炸、水灾、火灾、冒顶等事故随时可能发生，对安全生产构成严重威胁。可能发生，对安全生产构成严重威胁。 种种原因造成我国煤矿自动化的总体水平一直种种原因造成我国煤矿自动化的总体水平一直不高，落后于发达国家十多年，煤矿事故频繁发不高，落后于发达国家十多年，煤矿事故频繁发生，人员死亡率远远高于美国等发达国家。生，人员死亡率远远高于美国等发达国家。 美国的煤矿每百万吨死亡率在美国的煤矿每百万吨死亡率在0.04以下，全世以下，全世界的平均水平大约是界

15、的平均水平大约是1.6，而我国则是世界平均水，而我国则是世界平均水平的平的2.3倍左右，这充分说明了煤矿安全生产形势倍左右，这充分说明了煤矿安全生产形势的严峻性。的严峻性。 我国的煤矿自动化虽然已逐步开发和完善了局我国的煤矿自动化虽然已逐步开发和完善了局部生产环节自动化系统，并向全矿井综合自动化方部生产环节自动化系统，并向全矿井综合自动化方向发展，但主要应用于较大型的煤矿，大量中、小向发展，但主要应用于较大型的煤矿，大量中、小型煤矿的自动化水平还非常低，有些甚至完全没有型煤矿的自动化水平还非常低，有些甚至完全没有自动化设备。自动化设备。 煤矿自动化的首要任务应当是保证人员安全，煤矿自动化的首要

16、任务应当是保证人员安全，建立和健全安全监控系统，并不断利用新技术、新建立和健全安全监控系统，并不断利用新技术、新手段完善和提高煤矿生产的自动化水平，最终实现手段完善和提高煤矿生产的自动化水平，最终实现煤矿开采作业的全自动化、机器人化以及控制和管煤矿开采作业的全自动化、机器人化以及控制和管理的综合集成化。理的综合集成化。6. 控制系统网络化带来新的挑战控制系统网络化带来新的挑战网络设施现成，能以较小的代价实现远程操作和网络设施现成，能以较小的代价实现远程操作和远程控制；远程控制；可以利用网上大量的计算资源，包括各种软件、可以利用网上大量的计算资源，包括各种软件、没有满负荷运行的微机和处理器等；没

17、有满负荷运行的微机和处理器等；基于网络的分布式控制可以突破地域的限制；基于网络的分布式控制可以突破地域的限制；可以实现从决策管理层、规划调度层到现场设备可以实现从决策管理层、规划调度层到现场设备层的全系统控制和全过程综合优化。层的全系统控制和全过程综合优化。 基于基于Internet的控制系统已成为近年来的研究和的控制系统已成为近年来的研究和应用热点，优点主要有：应用热点，优点主要有：网络在传输数据的过程中，会造成较大的传输延网络在传输数据的过程中，会造成较大的传输延迟，而且延迟时间不确定或不相同；迟，而且延迟时间不确定或不相同；对信号的等间隔采样经网络传输后将变得不再等对信号的等间隔采样经网

18、络传输后将变得不再等间隔，而现有成熟的控制理论基于等间隔采样；间隔，而现有成熟的控制理论基于等间隔采样；信号在传输过程中可能丢失或被修改；信号在传输过程中可能丢失或被修改；传输过程中信号的顺序可能发生变化，即后一时传输过程中信号的顺序可能发生变化，即后一时刻的信号先传到，前一时刻的信号后传到。刻的信号先传到，前一时刻的信号后传到。 基于基于Internet的控制存在显而易见的缺点，即的控制存在显而易见的缺点，即可靠性差，主要体现在以下几方面：可靠性差，主要体现在以下几方面： 上述问题给分析和设计控制系统带来了新问题和上述问题给分析和设计控制系统带来了新问题和新挑战，必须对现有的理论体系有所创新

19、和突破。新挑战，必须对现有的理论体系有所创新和突破。二、自动化应用的前沿领域和发展趋势二、自动化应用的前沿领域和发展趋势 1. 基于基于PC和以太网的分布式控制系统将成和以太网的分布式控制系统将成为工业自动化的主流为工业自动化的主流 目前目前PLC和和DCS已成为工业自动化的主流产品，已成为工业自动化的主流产品，但各个厂家有各自的总线标准、通信标准、编程但各个厂家有各自的总线标准、通信标准、编程软件和运行支持软件，开放性较差。软件和运行支持软件，开放性较差。 在这种形势下，以在这种形势下，以PC（个人计算机）为基础（个人计算机）为基础的分布式控制系统开始崭露头角，进军工业自动的分布式控制系统开

20、始崭露头角，进军工业自动化的领域。化的领域。基于基于PC的控制系统的主要优点：的控制系统的主要优点：l PC具有开放的体系结构和无与伦比的市场具有开放的体系结构和无与伦比的市场占有率，形成了极其强大的市场产品支持占有率，形成了极其强大的市场产品支持和技术支持；和技术支持；l 可以像可以像PLC一样可靠，并具有很多高级功一样可靠，并具有很多高级功能，易于安装使用，维护成本低；能，易于安装使用，维护成本低；l 不仅可用作人机界面装置，还可以覆盖从不仅可用作人机界面装置，还可以覆盖从现场设备的现场设备的I/O、基础自动化、过程控制直、基础自动化、过程控制直至生产管理的全部工厂自动化领域。至生产管理的

21、全部工厂自动化领域。工业以太网的特点和应用趋势：工业以太网的特点和应用趋势：l 在局域网市场上处于领先地位，市场份额超过在局域网市场上处于领先地位，市场份额超过80%；l 工业以太网是一种开放式、多供应商、高性能的工业以太网是一种开放式、多供应商、高性能的区域和单元级网络，其实质是在开放的以太网协区域和单元级网络，其实质是在开放的以太网协议基础上再各自定义了用户层协议。议基础上再各自定义了用户层协议。l 近年来，由于近年来，由于Internet的通信协议的通信协议TCP/IP已成为已成为事实上的工业标准，工业自动化系统中越来越多事实上的工业标准，工业自动化系统中越来越多地采用工业以太网；地采用

22、工业以太网； 由于以由于以PC和工业以太网为基础的自动化系统具和工业以太网为基础的自动化系统具有一系列优点，因此各个有一系列优点，因此各个PLC和和DCS生产厂家都在生产厂家都在改造自己生产的改造自己生产的PLC和和DCS，使其越来越，使其越来越PC化，化，并大多配置了以太网标准接口。并大多配置了以太网标准接口。PLC将不断向开放将不断向开放式控制系统方向转移，基于式控制系统方向转移，基于PC的的DCS将朝小型化、将朝小型化、多样化和开放性方向发展。多样化和开放性方向发展。 以以PC为基础的分布式控制系统正以每年约为基础的分布式控制系统正以每年约160%的速度增长，不久就将成为工业自动化的主流

23、产品，的速度增长，不久就将成为工业自动化的主流产品，造价将大幅度降低，开放性和互连性、软件的模块造价将大幅度降低，开放性和互连性、软件的模块化和标准化将大大提高。化和标准化将大大提高。 2. 综合自动化发展前景广阔综合自动化发展前景广阔 综合自动化系统包括综合自动化系统包括CIMS、DCS、CIPS等，等，其界限并不明显，共同的最大特点就是多种技术的其界限并不明显，共同的最大特点就是多种技术的“综合综合”与全企业信息的与全企业信息的“集成集成”，其次都实现了，其次都实现了数字化、网络化、智能化，都包含了功能丰富完善数字化、网络化、智能化，都包含了功能丰富完善的组态软件、各种各样的管理软件和先进

24、的控制软的组态软件、各种各样的管理软件和先进的控制软件包等，体现了信息时代企业自动化发展的方向，件包等，体现了信息时代企业自动化发展的方向，具有非常广阔的发展前景。具有非常广阔的发展前景。 不久以后，美国的大部分企业都将实现综合自不久以后，美国的大部分企业都将实现综合自动化，我国已有一大批企业进行了试点，实施了示动化，我国已有一大批企业进行了试点，实施了示范工程，并正在向更多的企业推广。范工程，并正在向更多的企业推广。3. 从追求从追求“无人化无人化”向人机结合发展向人机结合发展 传统自动化追求传统自动化追求 “无人化无人化”，而新的自动化，而新的自动化则追求则追求“智能自动化智能自动化”和和

25、“综合自动化综合自动化”，希望，希望达成人和自动化系统的和谐统一。达成人和自动化系统的和谐统一。 现代自动化系统无论如何高明，其综合智能现代自动化系统无论如何高明，其综合智能水平远不及人，因此人应成为广义自动化系统的水平远不及人，因此人应成为广义自动化系统的重要组成部分。重要组成部分。 追求完全的追求完全的“无人化无人化”不仅意味着很高的成本、不仅意味着很高的成本、很大的代价，而且在技术上也常常难以实现，或很大的代价，而且在技术上也常常难以实现，或即使能够实现，能达到的整体智能化水平也不高，即使能够实现，能达到的整体智能化水平也不高，因此人与自动化系统的有机结合将成为自动化应因此人与自动化系统

26、的有机结合将成为自动化应用的发展方向。用的发展方向。4. 各种自动化手段相互借鉴，各种自动各种自动化手段相互借鉴，各种自动化系统相互融合并走向开放化系统相互融合并走向开放 单片机、工控机、单片机、工控机、PLC、DSP、嵌入式系统、嵌入式系统、机电一体化、数控系统、机电一体化、数控系统、CIMS、DCS、现场总、现场总线与线与FCS、工业以太网与基于、工业以太网与基于PC的控制系统等都的控制系统等都是目前很活跃、很流行的技术，各有自己的产生是目前很活跃、很流行的技术，各有自己的产生背景和发展历程、各有特色、各有适宜的应用范背景和发展历程、各有特色、各有适宜的应用范围和领域。围和领域。 在今后相

27、当长的一段时间内，这些技术将彼此在今后相当长的一段时间内，这些技术将彼此共存、相互竞争，但同时也会相互学习、借鉴、共存、相互竞争，但同时也会相互学习、借鉴、和渗透，逐渐走向融合、集成和开放，这是发展和渗透，逐渐走向融合、集成和开放，这是发展的大势所趋，既适应了实际的需要和发展的需要，的大势所趋，既适应了实际的需要和发展的需要，也是技术发展的必然。也是技术发展的必然。5. 传感与检测技术向微型化、数字化、传感与检测技术向微型化、数字化、智能化和网络化方向发展智能化和网络化方向发展 近年来，微电子、微机械、新材料、新工艺与近年来，微电子、微机械、新材料、新工艺与计算机、通信技术的结合创造出新一代的

28、传感器计算机、通信技术的结合创造出新一代的传感器与检测系统，其主要特点是微型化、数字化、智与检测系统，其主要特点是微型化、数字化、智能化和网络化。能化和网络化。 微型化是指敏感元件的体积小，其尺寸可做到微型化是指敏感元件的体积小，其尺寸可做到微米级，由微机械加工技术制作而成。微米级，由微机械加工技术制作而成。 数字化和智能化指采用微处理器、具有双向通数字化和智能化指采用微处理器、具有双向通信功能、能对检测信息进行补偿和校正，并具有信功能、能对检测信息进行补偿和校正，并具有自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等功能。等功能。 网络化包含两层意思：网

29、络化包含两层意思：传感与检测装置具有传感与检测装置具有连网和通信功能；连网和通信功能；传感器之间可以相连，组成传感器之间可以相连，组成传感器网络。传感器网络。 传感与检测技术发展非常迅速，已出现了多种传感与检测技术发展非常迅速，已出现了多种新型传感器、新型检测手段、以及内置新型传感器、新型检测手段、以及内置CPU并具并具有网络功能的智能检测装置，包括无线传感网络、有网络功能的智能检测装置，包括无线传感网络、虚拟仪表（用软件方式实现仪表的功能）、软测虚拟仪表（用软件方式实现仪表的功能）、软测量技术（通过软件，由可测变量计算出不可测变量技术（通过软件，由可测变量计算出不可测变量）等，并获得广泛应用

30、。量）等，并获得广泛应用。 6. 虚拟技术的应用将越来越普遍虚拟技术的应用将越来越普遍 虚拟技术主要包括虚拟技术主要包括“虚拟现实（虚拟现实（Virtual Reality）” 和和“虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instruments）” ，已有，已有20多多年的历史，但应用于自动化则是近年来的事情，而年的历史，但应用于自动化则是近年来的事情，而且还处于不断发展与完善过程中。且还处于不断发展与完善过程中。 虚拟现实技术基于计算机三维图形及相关硬件技虚拟现实技术基于计算机三维图形及相关硬件技术，让用户通过多种知觉方式虚拟地与计算机所构术，让用户通过多种知觉方式虚拟地与计算机所构建的仿真环

31、境进行交互。借助带显示器的数字头盔、建的仿真环境进行交互。借助带显示器的数字头盔、数据手套、定位器、跟踪器等外部设备，人们会有数据手套、定位器、跟踪器等外部设备，人们会有“身临其境身临其境”的感觉，做现实世界中可能或不可能的感觉，做现实世界中可能或不可能的事情。的事情。 虚拟现实技术已成功应用来进行虚拟设计、虚虚拟现实技术已成功应用来进行虚拟设计、虚拟实验、虚拟装配、虚拟生产等，还可用来构建拟实验、虚拟装配、虚拟生产等，还可用来构建一种有临场感的、更直观友好的前台信息监控界一种有临场感的、更直观友好的前台信息监控界面，可以面，可以“身临其景身临其景”般地考察生产情况，更直般地考察生产情况，更直

32、观、便捷地监视和操作底层的现场设备。观、便捷地监视和操作底层的现场设备。 虚拟仪器是以计算机为核心，用软件实现测量虚拟仪器是以计算机为核心，用软件实现测量和控制的一种仪器系统，其功能和面板是通过软和控制的一种仪器系统，其功能和面板是通过软件实现的，因此非常灵活方便，一台虚拟仪器的件实现的，因此非常灵活方便，一台虚拟仪器的作用可以相当于多台传统仪器，将对传统的工业作用可以相当于多台传统仪器，将对传统的工业测控系统产生巨大的影响。测控系统产生巨大的影响。7. 多智能体技术方兴未艾多智能体技术方兴未艾 工程上也常常需要多个具有一定智能的设备、工程上也常常需要多个具有一定智能的设备、装置或程序软件通过协调和协作来共同