先进的控制工程方法在现代科技的应用

1、先进的控制工程方法在现代科技的应用斯特凡科扎克控制和工业情报研究所电气工程与信息技术学院斯洛伐克共和国斯洛伐克大学摘要：本文论述的研究新方向，发展和先进的控制方法的应用和基于最优鲁 棒控制原理的结构和智能。目前的趋势，在复杂的过程控制设计需要整合数字的 增长幅度，控制工程方法，新的控制结构基于分布，嵌入式网络控制结构和新的 信息通信技术。此外，加强与交互的问题，处理非线性的，操作限制，时间延迟， 不确定性和显著死区时间从而导致需要开发更多先进的控制策略。先进的控制方 法和新的分布式嵌入式控制结构代表最有效的工具用于实现许多高性能技术工 艺。本文涉及的主要思想是通过新的高级控制开发的动机，即工程

2、方法（预测， 混合动力车预测，优化，自适应，健壮，模糊逻辑，神经网络）和新其SW和 HW的实现和成功的可能性实施产业。关键词：复杂的控制系统；PID控制;预测控制;最优控制;自适应控制;自校正 控制;模糊和神经控制;遗传算法;嵌入式控制系统;信息和通信技术一、引言如今，自动化控制是几乎所有的关键工程活动。自动化技术被理解是用这些 方法，控制策略，过程和设备（硬件和软件），它是能够实现既定目标，而在很 大程度上不用人为干扰的独立方式，即自动。通过实际成功的启发传统的控制工 程方法在消费产品和工业过程控制，出现了一个新方法的开发工作的量，这是基 于新的优化技术，软计算策略和高效的硬件实现控制算法。

3、过程控制仍然是一个 重要的，有显著尚未解决的研究问题的重要领域和具有挑战性的工业应用。自动 控制与集成信息和通信方法系统是当今普遍人的活动的所有领域。研究，在自动 化领域的研究，开发与实施一直很活跃。自动控制原理和控制应用方法出现几乎 无处不在的消费电子，家庭设备，在所有类型的行业，通信系统，现代化的各类 车辆，机电一体化，银行部门，医疗卫生服务等方法，自动化控制被认为是一个 非常强大的技术适用于不同领域的很多问题。二、控制工程方法和结构今天我们可以识别控制的四个阶段工法的开发。常规已被广泛应用于控制策 略（A类）产业几十年。这些控制器的调整可以手动或自动实现。手动控制原则 被用在许多工业过程

4、中作为一种有效的决策工具或作为一个监督控制在特殊情 况下或手动调节的过程，控制器参数。控制工程方法开发在手动过程控制的许多情况下，该过程操作者调节的基础 上，处理和控制器参数对自己的经历。自动控制绝大多数在循环过程工业（90%） 仍然依靠各种形式的无处不在的PID控制器，这一直是商用超过70年。为很多 批处理操作，过程控制实现通过由工厂操作员罕见的手动调整。比例积分微分（PID）控制是最常用的控制算法，在当今业界。PID控制器 普及可以归功于控制器的在广泛的运转条件下的有效性，它的功能简单，且易于 与工程师能利用现有的计算机技术实现它。比例积分微分最采纳（PID）控制器 在由于有利的工业环境中

5、的控制器成本/效益比他们能够提供。尽管他们的长历 史和知识，从多年的经验，获得了微处理器和软件工具和可用性为提高产品质量 降低成本的需求日益增加刺激了研究人员设计出新的方法来提高其性能，并使其 更容易使用。实际PID控制涵盖出现时，一些重要的问题PID控制器是在控制实 际工业要施加流程。在表一我们提出了不同的控制结构和不同的合成方法为连续 的和离散时间控制器可以在工业使用。设计有效的控制系统和算法是主过程控制 的目的。基本控制结构的工业化过程的反馈，前馈和结合反馈，级联和前馈。PID 类型控制器的反馈控制可并入结构（FBC），前馈控制的结构（FFW），级联控制 （CC）和用于组合控制结构（FC

6、），的PID的普及FFW和CC1,6的主要原因中提到的控制结构控制器是该控制器结合试图通过控制工程师两个重要特点：控制律，易于实现的简单连续时间或数字时形式进入微机，PLC或硬件FPGA 控制器实现。（FPGA -是的缩写为现场可编程门阵列）。鲁棒性保证了稳定性和高下的过程参数的变化表现控制过程。鲁棒性，可 靠性，稳态和瞬态响应的成形是最重要的问题。有几种形式的使用过的工业控制 器是标准的PID型的（在连续和/或数字形式）。对于实际的实施，只有10-20基 本算法被用于根据所使用的被修改处理器类型，装置动态，延时等PID控制器的实施已经走过了演化的几个阶段，从早期的机械和气动设计以 微处理器为

7、基础的系统。最近，现场可编程门阵列（FPGA）已被来为实现数字 的一个替代解决方案目的-控制系统，由一般以前者为主微处理器系统。基于 该FPGA控制器o er优点，如高的速度，复杂的功能，和低功耗。此外，在典型 的控制流程（例如热过程，化学过程，电厂，机械手，驱动器等），通常需要修 改调谐考虑到上述传统控制方法考虑到时间延迟，未建模动态，变化工作条件和 干扰。的改善经典方法的假设下可能的是，原发证控制算法扩展相对于的变化的 工艺参数，产生的封闭稳定性环路即使在大的时间延迟和存在适用在实时控制。 该强调的是被放置在设计为无差拍广义离散控制器经典的类型和/或代数多项式 控制器控制器。代数方法允许控

8、制器设计具有强大的性能修改通过IMC过滤器 （带前馈和一个反馈结构以及）。在表I中所示的时间发展的控制工程方法从传统到了先进的控制与智能和强 大的性能对于铸大多数过程控制问题，很少有鼓励应用更复杂的“提前控制方法。 相反，这些战略应保留难以控制的问题，他们可以提供显著相比的总数的改进是 小控制回路，它们通常涉及关键工艺变量这极大地影响关键控制目标，如安全性， 产品质量，工艺的可操作性，并与合规环保标准。在B类的先进控制策略称为经典，因为他们已经在被使用行业超过40年。 尽管这些控制技术不是在每一个工厂或甚至在大多数植物使用时，他们做的提供 具有成本效益的解决方案的重要的类问题。当字符串之间的相

9、互作用的存在控制 和操纵变量，常规多环PID控制的配置可能是不够的。在这些的情况下，更一般 的多变量控制策略提供潜力显著改善。对于望目本文中，术语多变量控制将指控 制策略，其中的至少一个的操纵变量调整的一个以上的基于测量值控制变量。多 变量控制技术趋向于是基于模型的，并能提供显著更好的控制因为每个操作量对 各效果受控变量由的动态模型捕获流程。然而，模型的精度显然是一个关键问题 所有类型的基于模型的控制策略，包括多变量控制技术。早期的多变量控制技术 包括使用额外的去耦控制器增加一个多环控制方案。该所述去耦器的目的是为了 补偿不希望的操纵，控制之间的相互作用过程变量。通常情况下，解耦控制系统 已经

10、用于问题与少数控制变量。但是静态脱钩已成功地用于对于大得多的问题， 例如在温度控制重整炉。尽管多变量控制策略已经上市超过30年，广泛的应用 没有发生，直到20世纪80年代。例如，1976年的调查文章报道多变量的只有 29工业应用控制技术，具有10这些涉及解耦控制系统。相比之下，由Qin和 Badgwell在1995年做的供应商调查，报道的大部分超过2200的应用广泛使用 的多变量技术，模型预测控制（MPC），这被认为是在未来的一节。由于多变量控制策略通常基于对过程的动态模型，可用性和该模型的准确性是关键问题。虽然第一原则模型是优选的，在许多实际的控 制问题，因为它们不容易获得。因此，存在相当大

11、的在过程中识别（或系统识别） 的兴趣，即，从发展的经验投入产出动态模型数据。典型地，过程识别是在最在 工业苛刻和耗时步骤实施先进的控制策略。艺术的状况有一个全面的讨论工艺鉴定已经超出了本文的范围。相反，最近 的一些事态发展将被提到与参考文献引用。线性动态模型的识别是一个成熟的领 域，但重要的新成果不断出现和优秀的软件封装。子空间识别技术可以被用于确 定状态空间模型结构（包括时间延迟），以及模型从参数的输入输出数据。模拟 研究MIMO系统已经证明，子空间辨识技术可提供更精确的模型从相关即使当 闭环识别干扰存在。除了在过程模型本身，最好是具有其精度的估计。该精度通 常表示为频域被计算在一些商业界的

12、不确定性软件包。这些不确定性的描述起着 关键在鲁棒性分析的作用和鲁棒控制的设计系统。非线性动态模型的识别是更困 难的任务有几个原因，其中包括：复杂的静态和动态特性，可以发生，并且缺乏一个全面的理论框架非线性识别，而相比之下，优雅结果可用于线性 系统鉴定。此外，时间延迟补偿的基本概念和增益调度很多现代的共同特点基于模型的 控制策略。在近年来，一般基于模型利用非线性控制策略已经制定物理模型和广 泛经验模型。一流行的合成方法类非线性模型的是基于精确线性化和输入输出线 性化做法。通过整合的一个（近似）逆过程模型到控制策略，该闭环系统将表现 出理想的条件下的线性行为。数量工业应用似乎是小而增加。分析解决

13、方案可以 为普通班获得非线性动态诸如仿射模型是线性的同关于每个操作的输入。无论是 第一原则模型或经验模型都可以使用。具体一般的输入输出线性化方法的版本包 括参考系统合成，非线性IMC，非线性解耦和一般模型控制。流程在C类的控制 策略已广泛地用在业，而且在许多过程控制教科书中描述了。线性二次高斯最优控制（LQG）是已成功应用于功能强大的控制策略过程控 制问题多年。然而LQG （为众所周知的，已经使用了超过45年）还没有在这个 过程中行业的享有广泛的应用由于各种原因，包括缺乏准确的线性状态空间模型。 这种情况可能会在将来，由于改变新一代的状态空间识别方法是已成为商购。此 外，LQG是一个重要的前体

14、发展到模型。三、信息和通信技术过程控制在过去的15年各种控制网络已成为商业上可用的和广泛使用的流程工业在 几个不同的层次：设备，传感器，和电场水平现场级网络是专用因为它们提供了 一些在工艺控制的兴趣重要的优点：减少布线和安装成本，灵活性和对等网络间 的智能通信设备（例如，之间的传感器和执行器）。他们还便于从所述进一步分 配控制功能计算机水平到传感器和致动器的水平。数字网络功能和智能仪器打开 了许多新为提高工厂监控，包括更好的机会诊断信息和更快的响应时间。虽然许 多这些通信网络是专有的，突出的网络，现场总线，依靠开放架构的基础上发布 的，国际标准。这些网络已经开发了通过两个工业财团（每超过100

15、家公司）， 其中包括几乎所有的仪器仪表和过程控制的主要供应商设备。原则上，现场仪表 和控制系统由现场总线是不同供应商生产的总线兼容将携手无缝网络现场总线 的设备。在近年的智能仪表，即，文书集成了嵌入式微处理器，已成为可用，并提供 了许多重要的优点。聪明发射器和致动器具有用于调节数据的能力，执行自诊断 测试，以及对网络的信号作出反应。因此，使用智能仪表和数字网络，如现场总 线允许更宽范围的工艺的监控策略。智能仪表让很多的所需的常规数据采集和控 制的计算。一个很多大型工业厂房（炼油厂，食品工业，电厂）可能有数以千计 的测量和控制回路。由术语全厂范围的控制是不意味着每一个循环的调节和行为， 而是重点

16、对整个工厂的控制理念结构决定的。结构决定包括选择/安置操纵和测量以及分解整体的问题分解成更小的子问 题（最佳的控制配置）。在实践中，控制系统通常是分成若干层。通常情况下， 层包括调度（周），全站点优化（天），局部优化（小时），监控/预测控制（分钟） 和监管控制（秒）。优化层通常重新计算新的设定点只有一次一个小时左右，作 为反馈层连续地进行操作的位置。该层由受控变量是链接的，由此设定值是由上 层计算并通过下实施层。一个重要问题是这些变量的选择。这些设计问题已经被公认了数十年，但已成为近年来更关键的，因为新的流 程涉及更多的再循环和更大的能量融合，应对经济压力。鉴于其中央重要性和它 的普遍发生，令

17、人惊讶的是控制结构选择问题已收到比其他议题要少得多的关注， 如具体的控制方法（如：MPC，自适应控制）和PID的窄得多的主题控制器调节。 然而，在最近几年出现了一个当中的研究界和一些利益续约有前途的新成果的报 道。致谢本文支持VEGA项目没有1/1105/11和欧盟OP没有26240220060项目。参考秦，S.和Badgwell，T.-工业模型预测的概述控制应用-提出在非线性MPC车间，阿斯科纳，瑞士，1998年6月2-6。弗兰克PM（1999）的控制，施普林格（亮点进展ECC99）-出版社，伦敦，第 1-27，pp.103-135卡马乔E.F.，Bordons C。（1995）。在模型预测控制流程工业。斯普林格 -Verlag，伦敦。克拉克D.W.，Mohtadi C.，凝灰岩P.S. （1987）。广义预测控制-第1， 第2部分。自动化，第一卷。24，第137-169。卡特勒C.R.，拉马克B.L。（1980）。动态矩阵控制-一计算机控制算法。 ACC，旧金山。科扎克，S.:控制工程方法的发展和他们的在行业中的应用（特邀讲座）在 第五届国际科学技术研讨会过程控制2002年Kouty河畔Desnou，捷克共和国： 6 月 9-122002 年 CDRichalet J。（1993）。基