关注自动化仪器仪表智能化技术的状况与进展

关注自动化仪器仪表智能化技术的状况与进展作者：上海大学自动化系郎文鹏赵维琴关键词：智能化过程控制网络控制1引言众所周知，自动化仪器仪表是科学进步的前提和生产活动的依据。当人类活动的领域越过感觉器官极限的时候，仪器仪表就成了科学进步和一切事业取得成功的前提。许多科学的进展首先取决于仪器仪表的进展。仪器仪表技术是通过测量获得数据信息的信息技术，自动化仪器仪表工业是信息工业的源头，它的根本属性就是信息性。在生产过程中，自动化仪器仪表对“物质流”信息进行检测、传输、显示、控制与执行，进而实现管理和决策。它主要包括各种电量与非电量的传感器、变送器及自动检测仪表、自动显示仪表、自动调节仪表、系统控制装置、执行器等，是国民经济各部门的重要技术装备之一。在自动化控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制系统技术的发展的。常规的自动化仪器仪表适应常规控制系统的要求，它们以经典控制理论和现代控制理论为基础，以控制对象的数学模型为依据。当今，控制理论已发展到智能控制的新阶段，自动化仪器仪表的智能化就成为必然和必须。本文将就自动化仪器仪表的智能化的状况与进展，以及当今对智能仪器仪表研究、开发热点做概要的分析与表述。作者建议人们关注自动化仪器仪表智能化技术的进展，关注仪器仪表装置与控制系统技术的互动发展，这对推进我国自动化技术水平的进一步提高将是大为有益的。2仪器仪表“智能”的概念需要恰当的表达与合理的运用什么是智能化的仪器仪表？至今虽然没有一个明确的统一的定义，但作者感到在仪器仪表的刊物、广告、产品说明书等中不恰当的使用“智能化”的情况较多，把一些还不具有智能功能的仪表也称为智能仪表的现象时有出现。到底应该如何理解和表达仪器仪表的“智能化”，什么样的仪器仪表才能称作智能化的仪器仪表，作者希望理论界和实业界达到一个共同认识，能对实际的仪器仪表有一个合理的、恰当的表达。虽然，什么是“智能”？目前没有统一的定义，但一般认为“智能”是指“一种根据外界变化的条件，确定正确行为的能力”。因此，智能化的仪器仪表应能随着外界条件的变化做出正确的反应，模仿和扩充人的智能行为。从信息技术发展的几个层次看，“数字化”是最低层次，“智能化”是最高层次。它具有总结经验、理解、推理、判断和分析的能力。“智能化”的标志是知识的表达与应用。因此，在仪器仪表中，“智能”的含义可有两个层面:即采用人工智能的理论方法和技术;具有拟人智能的特性和功能。经常出现的情况是，把带有微处理器的仪器仪表称作智能仪表，其实，应该有所区分:如果该仪器仪表采用了人工智能的理论方法和技术或该仪器仪表具有拟人智能的特性和功能，该仪器仪表就可称为智能仪表。也就是说，带有微处理器的仪器仪表不一定是智能仪表，而相反智能仪表必然带有微处理器。没有微处理器的仪表很难实现智能仪器仪表应具有的特性和功能。3自动化仪器仪表技术的进展历程简要回顾(1)模拟仪表时代从20世纪60年代开始，为满足工业发展的需要，将测量记录和控制功能组合在一起，这类仪表称为“基地式”仪表。通常是以在带有调节单元的显示记录仪“基地”上，配上测量元件及执行器构成简单控制系统。随着生产规模的扩大，产生了以功能划分的“单元组合式”仪表。根据不同的控制要求，选择相应仪表单元组合起来构成各种不同复杂程度的控制系统。无论是“基地式”仪表还是“单元组合式”仪表，它们的共同特点都是模拟式的，采用的是模拟技术，而控制系统以经典控制理论为基础。(2)数字化仪表时代20世纪80年代，随着计算机技术的发展及其在仪器仪表中的应用，以微处理器为核心器件的微机化仪表应运而生，产生了各种数字式变送器、数字式调节器、数字式显示记录仪、可编程控制器和智能仪表。数字化仪表与模拟式仪表相比，其功能、性能、可靠性、通信功能等均有了质的飞跃。主要的特点是采用数字技术，计算机技术用于仪器仪表和控制领域，计算机控制系统在工业控制中得到应用与推广。(3)仪器仪表新概念—虚拟仪表技术虚拟仪表技术从根本上开创了仪器仪表的新概念，它利用计算机技术实现和扩展仪器的功能。它是计算机硬件资源、仪器仪表测控硬件并用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件之间的有效结合，是一种功能意义上的而非物理意义上的仪器仪表概念，软件是关键。在虚拟仪表中，计算机作为一个控制和数据处理中心，传统仪表的硬件被软件所代替，用户可以仅仅通过修改软件而达到改变仪表功能的目的。可见，仪器仪表本身的硬件和软件的界限已经模糊化了，仪器仪表设计的主要基础是它的软件，而不是传统仪器仪表的硬件。在这种情况下，仪器仪表工作者从观念到知识结构和素质，都要以信息技术和网络思想来指导仪器仪表的设计与应用。(4)仪器仪表真正意义上的智能化—采用人工智能技术的智能仪表智能化的自动化仪器仪表应以智能控制理论为基础，体现人的智能行为。人工智能是智能控制理论的基本组成部分之一，它以知识为基础，它的目标是建造智能化的计算机系统，用来模拟和执行人类的智力功能，如判断、理解、推理、识别、规划、学习和问题求解等等，进而用自动机模仿人类的思维过程和智能行为。基于智能控制理论基础的智能仪器仪表目前大致有几方面的进展:·专家控制器专家控制系统(expertcontrolsystem,ECS)是典型的基于知识控制系统，它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。它运用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。专家控制器的结构按控制要求的不同而有所不同。典型的结构由知识库、推理机、人机接口等组成。其中，知识的获取、知识库的建立是关键。人们已经总结出的方法是领域专家和知识专家的有机结合，同时收集、归纳有经验的操作员方面的知识。然后把获取的知识变成可用的规则，以期在推理过程中得到更高的命中率。专家控制已在工业控制中得到广泛的应用。·模糊控制器模糊控制器(FC-FuzzyController)，也称模糊逻辑控制器(FLC-FuzzyLogicController)。自然界的事物都具有一定的模糊性，模糊逻辑在控制领域中的应用产生了模糊控制技术。由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力，对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制，能解决一些用常规控制方法不能解决的问题，因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛的应用。模糊控制器一般由输入标定、模糊化、模糊决策、清晰化、输出标定等几个部分组成。其中，模糊化、模糊决策、清晰化是主要和基本的部分，“模糊化”将输入量(精确量)变为模糊量，“模糊决策”进行模糊运算，其过程是由推理机进行预估输出推理，得到模糊量输出。“清晰化”将模糊量输出转化为精确量，提供给系统的驱动器定标后使用。当前，模糊控制技术在工业控制中得到广泛的应用，尤其在不确定性过程、难于建模的场合发挥了模糊控制技术的长处。模糊控制器在家电和其它行业同样得到了广泛的应用。·神经网络控制器神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力，提高了系统的智能水平。所谓神经网络控制，简称神经控制，它是指采用神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模，或担当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等工作。由于神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有对任意非线性关系的描述能力，具有通过训练学习归纳全部数据能力，使得它在控制系统中被广泛灵活地应用。图1是神经网络PID控制系统结构图。图1神经网络PID控制系统结构图由图1可见，这种基于多层前向网络的PID控制方案中，采用的是间接控制方式，它由控制器网络NNC和辩识器网络NNI组成。·仿人控制器仿人控制器比起专家控制、模糊控制等更强调对人的控制行为和功能的综合性模仿。在控制过程中，它利用计算机模拟人的控制行为和功能，实现对没有精确模型的对象进行有效的控制。设计仿人控制器必须获得控制系统的特征信息，即建立系统的特征模型，其方法是定性描述系统的动态特性，对信息空间划分出一定的区域，分别表示系统的一种特征状态，所有特征状态的集合就构成特征模型。仿人控制器的算法设计就是根据特征模型和控制模态进行合理的组合，因而就出现了多种仿人控制模式和算法。仿人控制器的多模态方式在工业控制中被广泛地采用。4仪器仪表技术跟随控制系统技术发展控制系统发展过程中，控制理论、仪器仪表装置和系统应用技术之间关系密切，相互依存，相互促进，但仪器仪表技术总是跟随控制系统技术发展的。例如，在经典控制系统和现代控制系统中，仪器仪表技术的核心技术为模拟技术，以基地式仪表和单元组合式仪表的方式与系统匹配。70年代中期发展起来的分散控制系统DCS，是控制与危险分散、地域安装分散、而管理与显示集中的系统，代替这之前的以实现PID功能为主的模拟仪表控制系统。以下就控制系统发展过程中的几个重要时期，仪器仪表技术的发展进行分析。(1)分散控制系统DCS的出现，带动模拟显示技术向数字显示技术发展DCS是一种分层网络结构，由过程控制器、人机界面和通信网络三部分组成。如图2所示。其下层负责现场级控制任务，上层负责决策管理和协调。可见，DCS以通信网络为纽带，连在网络上的过程控制站和人机界面通称为网络节点。在DCS系统中仪表的性能必须能满足系统的要求，如以前的模拟显示仪表已不能满足要求，要采用屏幕显示器CRT，模拟显示技术向数字显示技术发展。同时要求仪表具有通信能力，控制功能下放到现场控制仪表装置中，必须研制相关的仪表通信接口，对仪表的可靠性也有了更高的要求，如此等等，促进了仪表技术的大大进步。此后，数字化现场仪表进入DCS系统，DCS生产厂家利各种方式把数字化的现场设备集成到自己的系统中。同时DCS中更多的智能和控制功能将向现场转移。仪器仪表的功能和性能从而得到进一步的完善与提高。图2传统DCS系统(2)现场总线智能仪表随现场总线控制系统FCS的产生应运而生但由于，传统的DCS系统，控制器和人机界面的软件、硬件都是专用的，不开放，不能互操作，也不能与第三方通信。现场总线控制系统FCS具有更强的开放性和实用性，因而所组建的自动化控制系统有更大的灵活性，可为企业提供一个从现场控制到企业管理全方位一体化的自动化解决方案。FCS是在DCS基础上发展起来的，它将传统的仪表单元微机化，以现场总线网络方式代替传统点对点连接方式，使控制系统结构发生根本变化，不仅简化了接线，而且实现了控制系统的灵活组态。图3是传统DCS和现场总线结合控制系统图。在FCS系统中，对现场仪表有了更高的要求。跟随控制系统技术的发展，现场总线智能仪表应运而生。这里，所谓的现场总线智能仪表是个特定的概念，即把遵循国际现场总线协议设计制造的智能仪表称为现场总线智能仪表。它是跟随现场总线控制系统的出现而产生的。因为在传统DCS系统中应用的模拟现场仪表已不能满足现场总线控制系统的要求，必须以遵循国际现场总线协议设计制造的智能仪表来取而代之。必须说明，这里的“智能”，主要是指现场变送器除了具有信号变换、参数补偿等功能外，还具有控制功能，如PID等运算控制功能;而执行器则除了具有调节和驱动功能外，还具有特性补偿、自诊断功能。这说明在现场总线控制系统下，现场仪表设备具有功能自治能力，它把传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场仪表中完成。必须指出的是，除了上述的功能下放之外，数字式、网络化成为现场总线智能仪表的核心技术。但是由于目前现场总线多标准并存，现场总线智能仪表的通信协议很难统一，各个仪表厂商均在开发符合一种或几种现场总线智能仪表。图3传统DCS与FCS结合的控制系统图(3)仪器仪表网络化是跟随网络控制系统发展的产物自动控制系统技术从20世纪50年代的仪表控制(Instrumentation)、70年代的中央监控(CentralControl)、80年代的分散控制(DistributedControl)、到90年代的现场总线控制(FieldbusControl)，自动控制系统各个时期的主要特点可用过程控制系统PCS(ProcessControlSystem)来描述。网络技术的发展对控制系统产