1.3 過程控制理論的發(fā)展現狀

20世紀40年代之前，工業(yè)生產大多處于手工操作狀態(tài)，主要憑經驗用人工控制生產過程，勞動生產率很低。

20世紀50年代前后，過程控制開始得到發(fā)展，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法的經典控制理論，主要解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題，經典控制理論此后一直在生產過程中得到廣泛應用，直至今天，它還是應用于生產過程的主要控制理論。

20世紀60年代逐漸發(fā)展起來并且日趨完善的現代控制理論，在短短的40年中已在航空航天等工業(yè)中獲得卓越的成就。遺憾的是，這些理論與方法在工業(yè)生產過程中的應用卻受到種種限制，沒有收到預期的效果。其原因大致可以歸納如下。

第一，這類控制必須基于系統(tǒng)的參數模型，但工業(yè)過程往往是高維多變量復雜系統(tǒng)，難以用一個簡單而精確的數學模型加以描述，因此給現代控制理論的應用帶來極大的困難。

第二，工業(yè)過程往往具有非線性、時變性、耦合性和不確定性等特點，即使做了大量的簡化得到線性定常模型，求解出某些高等控制策略，例如最優(yōu)控制，在實施過程中也難以達到預期的效果。面對過程、結構、環(huán)境和控制均十分復雜的工業(yè)系統(tǒng)，現有的理論與方法遠不能適應需要。

第三，必須從整個系統(tǒng)的控制、優(yōu)化、管理決策及其集成化著手開展研究，這將涉及控制理論、系統(tǒng)工程、人工智能、計算機技術和通信以及信號處理等多個學科領域，目前尚未形成這類工業(yè)大系統(tǒng)過程控制的理論及其相應的實現模式。

因此，在過程控制領域中，雖然已逐步采用了計算機這個強有力的工具，但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍然是經典PID算法，沒有充分發(fā)揮計算機的功能來提高過程控制水平。

為了克服控制理論和工業(yè)應用之間的脫節(jié)現象，應該盡快地將現代控制理論經過改造，移植到過程控制領域。20世紀70年代以來，加強了建模理論、辨識技術、最優(yōu)控制、最優(yōu)化等方面的工程化的研究，開始打破傳統(tǒng)方法的束縛，推出了從工業(yè)系統(tǒng)特點出發(fā)，尋求對模型要求不高、在線計算方便、對環(huán)境的不確定性有一定適應能力的實用的控制策略和方法等。

采用先進控制可以克服由于系統(tǒng)本身的時變性、非線性和外擾的隨機性等帶來的問題。近年來，先進控制策略及軟件在工業(yè)生產過程中也得到了一定的應用，雖然應用得不多，但是預示著未來的趨勢。

目前配置在過程控制計算機中的先進控制策略及相應軟件主要有：多變量預測控制、自適應控制、模糊控制及故障診斷、神經元網絡等。

1.多變量模型預測控制

20世紀80年代初，模型預測控制逐漸發(fā)展成為一項成熟的控制技術。其基本原理是利用一個過程動態(tài)模型（脈沖響應模型或ARMA模型）和可測量的信息來預測將來的過程行為，再利用滾動優(yōu)化的方法，使預測過程的響應和設計希望的響應差別最小。模型預測控制還能處理過程變量有不等式約束的情況，如當傳感器和調節(jié)器失效時，可以通過改變相應的不等式約束來解決。近年來一些商品化軟件產品已應用于石化和化工過程。

2.自適應控制

早在20世紀70年代初，自適應控制已在熱工、化工對象上應用成功。利用在線最小二乘辨識律和最小方差控制律的自校正調節(jié)器、自校正PID調節(jié)器都有相應的商品化軟件。一種更簡單實用的自整定器已配置在DCS中。自整定器實質是根據對象的特性自動給出PID參數，這種自整定在正常工作過程中仍以固定參數PID調節(jié)器的形式工作，不進行在線參數辨識和修改控制，目前在化工過程中得到廣泛應用。

3.模糊控制

模糊控制器依照人工操作思維程序工作。它首先把測量輸出的精確量模糊化，變?yōu)槟：Z言變量，由模糊規(guī)則進行模糊決策，再把模糊決策量清晰化轉變成精確量進行控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制無須建立數學模型，被控對象的特性和參數變化對控制質量的影響較小（魯棒性強），對于非線性和大時滯對象采用模糊控制的效果要比PID效果好。因此很適合于過程控制，如pH值的控制，目前已有商品化軟件。

4.人工神經元網絡

人工神經元網絡是模仿人類腦神經活動的一種人工智能技術。由于反向傳遞學習算法BP網絡和Hopfield網絡的出現，使人工神經元網絡技術大為改觀，發(fā)展很快。目前已在過程控制的許多領域，如在非線性系統(tǒng)的辨識和控制、基于模型的軟測量、質量預報、故障診斷等方面獲得應用。

目前，控制策略上出現了多學科研究的交叉與滲透，它們之間相互取長補短，如神經網絡與模糊控制相結合構成了模糊神經網絡控制，它兼有模糊控制和神經網絡的優(yōu)勢，是一個很有前途的研究方向。