文章来源: http://www.91tech.net/Article/HardTech/ControlTech/200609/4245.html

     自动化技术的发展历史﹐大致可以划分为自动化技术形成﹑局部自动化和综合自动化三个时期。

     古代人类在长期生产和生活中﹐为了减轻自己的劳动﹐逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力﹐以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望﹐经过漫长岁月的探索﹐他们互不相关地造出一些原始的自动装置。

　　公元前14～前11世纪﹐中国﹑埃及和巴比伦出现了自动计时装置──漏壶﹐为人类研制和使用自动装置之始。中国的漏壶最初使用泄水型漏壶﹐后来采用受水型漏壶﹐经过不断改进﹐又发展成三级漏壶。1135年﹐中国的燕肃在一种名叫莲化漏的三级漏壶中采用了自动装置调节液位。在中国的三国时期﹐使用了自动指向的指南车﹐据分析这是利用开环或闭环原理制成的自动装置。

     公元 1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了一些机器人或机器动物来适应当时宗教活动的需要。如教堂庙门自动开启﹑铜祭司自动洒圣水﹑投币式圣水箱和教堂门口自动鸣叫的青铜小鸟等自动装置。

     中国天文学家张衡(公元 78～139)曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震征兆的候风地动仪。1086～1092年中国苏颂等人把浑仪(天文观测仪器)﹑浑象(天文表演仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。

　　 17世纪以来﹐随着生产的发展﹐在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置﹐其中比较典型的有﹕法国物理学家B.帕斯卡在1642年发明能自动进位的加法器﹔荷兰机械师C.惠更斯于1657年发明钟表﹐提出钟摆理论﹐利用锥形摆作调速器﹔英国机械师E.李1745年发明带有风向控制的风磨﹐利用尾翼来使主翼对准风向﹔俄国机械师И.И.波尔祖诺夫1765年发明浮子阀门式水位调节器﹐用于蒸汽锅炉水位的自动控制。

     社会的需要是自动化技术发展的动力。自动化技术是紧密围绕着生产﹑军事设备的控制以及航空航天工业的需要而形成和发展起来的。1788年﹐J.瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题﹐把离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速调节系统﹐使蒸汽机变为既安全又实用的动力装置。瓦特的这项发明开创了自动调节装置的研究和应用。在解决随之出现的自动调节装置的稳定性的过程中﹐数学家提出了判定系统稳定性的判据﹐积累了设计和使用自动调节器的经验。

     20世纪40年代是自动化技术和理论形成的关键时期﹐一批科学家为了解决军事上提出的火炮控制﹑鱼雷导航﹑飞机导航等技术问题﹐逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。机械﹑电气和电子技术的发展为生产自动化提供了技术手段。1946年﹐美国福特公司的机械工程师D.S.哈德首先提出用自动化一词来描述生产过程的自动操作。1947年建立{dy}个生产自动化研究部门。1952年J.迪博尔德{dy}本以自动化命名的《自动化》一书出版﹐他认为“自动化是分析﹑组织和控制生产过程的手段”。实际上﹐自动化是将自动控制用于生产过程的结果。50年代以后﹐自动控制作为提高生产率的一种重要手段开始推广应用。它在机械制造中的应用形成了机械制造自动化﹔在石油﹑化工﹑冶金等连续生产过程中应用﹐对大规模的生产设备进行控制和管理﹐形成了过程自动化。电子计算机的推广和应用﹐使自动控制与信息处理相结合﹐出现了业务管理自动化。

     50年代末到60年代初﹐大量的工程实践﹐尤其是航天技术的发展﹐涉及大量的多输入多输出系统的{zy}控制问题﹐用经典的控制理论已难于解决﹐于是产生了以极大值原理﹑动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论。现代控制理论提供了满足发射{dy}颗人造卫星的控制手段﹐保证了其后的若干空间计画(如导弹的制导﹑航天器的控制)的实施。控制工作者从过去那种只依据传递函数来考虑控制系统的输入输出关系﹐过渡到用状态空间法来考虑系统内部结构﹐是控制工作者对控制系统规律认识的一个飞跃。

     60年代中期以后﹐现代控制理论在自动化中的应用﹐特别是在航空航天领域的应用。产生一些新的控制方法和结构﹐如自适应和随机控制﹑系统辨识﹑微分对策﹑分布参数系统等。与此同时﹐模式识别和人工智能也发展起来﹐出现了智能机器人和专家系统。现代控制理论和电子计算机在工业生产中的应用﹐使生产过程控制和管理向综合{zy}化发展。

     70年代中期﹐自动化的应用开始面向大规模﹑复杂的系统﹐如大型电力系统﹑交通运输系统﹑钢铁联合企业﹑国民经济系统等﹐它不仅要求对现有系统进行{zy}控制和管理﹐而且还要对未来系统进行{zy}筹划和设计﹐运用现代控制理论方法已不能取得应有的成效﹐于是出现了大系统理论与方法。80年代初﹐随着计算机网络的迅速发展﹐管理自动化取得较大进步﹐出现了管理信息系统﹑办公自动化﹑决策支持系统。与此同时﹐人类开始综合利用传感技术﹑通信技术﹑计算机﹑系统控制和人工智能等新技术和新方法来解决所面临的工厂自动化﹑办公自动化﹑医疗自动化﹑农业自动化以及各种复杂的社会经济问题。研制出柔性制造系统﹑决策支持系统﹑智能机器人和专家系统等高级自动化系统。

     自动化技术的发展历史是一部人类以自己的聪明才智延伸和扩展器官功能的历史﹐自动化是现代科学技术和现代工业的结晶﹐它的发展充分体现了科学技术的综合作用。

漫谈过程自动化的发展

2004年1月初，美国宇航局发射的星际探测器“勇气”号和“机遇”号两个火星车经过半年多的漫长旅行抵达距地球近地点约7000万公里的火星，并xx依靠自主控制成功登陆火星。人们对“勇气”号和“机遇”号的飞行过程控制和登陆过程控制的自动化程度惊叹不已，为过程自动化技术应用竖立了新的里程碑。由此可见，过程自动化技术不仅与我们日常生活息息相关，而且对于人类的空间探索也起着重大作用。本文回顾过程自动化的发展历程并论述其趋势。

　　何谓过程自动化？在《火力发电厂热工自动化术语》DL/T701-1999标准中将过程自动化简洁定义为：采用检测与控制系统对生产过程进行生产作业，以代替人工直接操作的措施。

　　过程自动化同其他领域的自动化技术一样，其硬件也主要是由检测传感器及仪表(包括显示仪表)、调节控制装置或系统、执行器(包括执行机构和调节机构两部分)3大部分构成。但值得说明的是过程自动化通常应用于环境较为恶劣、危险的工厂场合，一般生产中断会造成较大损失，因而对抗干扰、可靠性和可利用率等指标有着较高要求，这一点明显有别于楼宇自动化等系统。

　　检测传感器及仪表、执行器是过程自动化的基础，前者发展已经历了机械式、电子式、微处理器等层次。随着微电子、微机械、智能和集成等先进技术的迅猛发展，以及新材料和新工艺的发现和采用，目前检测传感器与仪表正向着微型化、数字化、智能化、网络化和虚拟化等方向进一步发展。如德国Endress+Hauser公司推出的陶瓷电容式压力传感器，是一种无中介液的干式压力传感器，测量范围可为0～60MPa，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1% F.S，抗过载强，可达量程的数百倍。

　　如果把传感器及仪表比喻成人的感觉器官的话，那么执行器在过程自动控制系统中的作用就相当于人的四肢，它接受调节控制装置或系统的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常运行。随着自动化、电子和计算机技术的发展，现在执行机构也在向智能化方向发展，越来越多的执行机构已经带有通信和智能控制功能，如Emerson和Smar等公司均推出了智能阀门定位器，内装有高集成度的微处理器，采用数字平衡原理代替传统力平衡原理，将电控制信号转换成气动定位增量来实现阀位控制，具备对死区、正反作用、行程范围等的组态功能，可实现分程控制、等百分比、快开特性等修正功能，具有自校正、自诊断等智能特点。

　　调节控制装置或系统是过程自动化的中枢，其发展从较早的基地式调节器(变送、指示、调节一体化的仪表)开始，经历了气动、电动单元组合仪表到计算机直接数字控制系统(DDC)，直到今日得到广泛应用的分散控制系统(DCS)和可编程控制器(PLC)。DCS经历了初创(1975～1980年)、成熟(1980～1985年)、扩展(1985年以后)几个发展时期，在系统的可靠性及可维护性、控制功能算法的丰富性及完善性、信息处理的能力及速度、组态软件的便捷性及友好性、系统联网能力和开放性等方面得到迅速发展，取得了令人瞩目的成就，已成为过程自动化控制系统的主流。PLC以其结构紧凑、功能简洁、速度快、可靠性高、价格低等优点，也迅速获得广泛应用，已成为与DCS并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。目前以PLC为基础的DCS发展很快，PLC与DCS相互渗透、相互融合、相互竞争，已成为当前工业控制系统的发展趋势。由于计算机可靠性和性能价格比的进一步提高，以及在开放性和集成性、软件与硬件的产品和技术支持率、市场占有率等方面无以伦比的优势，近年来以个人计算机(PC)为基础的工业PC控制系统呈现良好的发展态势。另外，后起的现场总线控制系统(FCS)也以其优良的互操作性和功能分散性、更强大的系统功能(如单一仪表或设备可提供多变量I/O能力、网络化的设备管理、更宽的诊断范围、丰富的状态信息等)、安装及组态的简易性、更高的测量和控制xx度、较低的工程及运行维护成本和规模灵活性等诸多特点逐渐显示出其强大生命力。

　　近年来，国外一些大公司正在推出更大规模、更高层次的全面自动化体系结构(如艾默生过程管理的PlantWeb、Honeywell的TotalPlant、Siemens的TIA)，有人统称之为过程自动化解决方案(Process Automation Solutions, PAS)。这些系统不再仅仅是单纯的自动化硬件和软件(系统软件、中间件及各种应用软件)的集成，还包含有各种服务，乃至从现场到企业的信息系统集成。总之，控制系统正向着网络化、智能化、集成化、分布化、信息化和开放化方向进一步发展。

　　控制方法及策略是过程自动化的灵魂。20世纪末以来，自动控制理论和方法的主要发展方向是人工智能技术的应用。过程自动化控制方法已从传统经典控制(包括PID控制、比值控制、串级控制、前馈控制等)发展到了{zy}控制、自适应与自整定控制、自学习控制、非线性控制、多级递阶智能控制、专家控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、仿人智能控制、基于模式识别的智能控制、多模变结构智能控制、混沌控制、鲁棒控制及基于可拓逻辑的智能控制、H∞控制和μ综合等。例如，大型发电机组作为过程控制对象十分复杂，发电过程存在着大延迟、强耦合、本质非线性和大量的未知干扰，使得锅炉燃烧过程控制、磨煤机控制、大范围变工况时的过热汽温及再热汽温的控制等等，用传统控制策略难于解决，因而国内外对发电过程控制策略进行了深入研究，目前许多先进控制理论和方法已逐渐开始在过程控制中应用。如ABB和SULZER公司建立了带状态观察器的SCO数学模型用于对主蒸汽和再热蒸汽的温度控制；西门子公司建立了凝结水节流的COT(controlled Condensate Throttling)数学模型、采用模糊算法的NUC(New coordinated Unit Control)等，针对不同发电机组、不同运行工况研究出各种优化控制方案，业已在国内发电厂的应用中取得明显的效果。又如德国KruppHoesch钢铁公司的Westfaien钢厂应用神经网络改进数学模型取得显著的经济效益，所制造的产品尺寸偏差减少12%。此外，许多自动化产品供应商也相继推出了商业化的智能控制器，如CyboSoft推出的无模型自适应(MFA)控制器Cybocon和Cybocon CE，针对不同过程可采用相应的算法(标准法、反时滞算法、非线性MFA算法、鲁棒MFA算法)等，可在相当程度上改进过程控制的效果。在经济全球化进程中，市场竞争会进一步加剧，先进控制策略将会得到更加广泛的应用。从控制目标出发，综合运用各种控制方法是构成先进控制系统的有效途径。

　　综上所述，过程自动化技术发展的主流趋势是：检测控制智能化、测量信息数字化、控制管理集成化。新型的过程自动化控制系统应当为提高企业的市场竞争力，创造良好的社会和经济效益而不断提高性能。