淺析儀表的智能化發(fā)展趨勢(shì)

劉博

【摘 要】隨著社會(huì)的發(fā)展，大家對(duì)智能儀表的應(yīng)用及發(fā)展的關(guān)注日趨廣泛。尤其工業(yè)界愈來愈多的生產(chǎn)需要用到智能儀表，如化工工業(yè)、石油工業(yè)、冶金工業(yè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。本文將就自動(dòng)化儀器儀表的智能化的狀況與進(jìn)展，以及當(dāng)今對(duì)智能儀器儀表研究、開發(fā)熱點(diǎn)做概要的分析與表述。作者建議人們關(guān)注自動(dòng)化儀器儀表智能化技術(shù)的進(jìn)展，關(guān)注儀器儀表裝置與控制系統(tǒng)技術(shù)的互動(dòng)發(fā)展，這對(duì)推進(jìn)我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)水平的進(jìn)一步提高將是大為有益的。

【關(guān)鍵詞】智能化；過程控制；網(wǎng)絡(luò)控制

1.儀器儀表“智能”的概念

什么是智能化的儀器儀表？至今雖然沒有一個(gè)明確的統(tǒng)一的定義，但作者感到在儀器儀表的刊物、廣告、等中不恰當(dāng)?shù)氖褂谩爸悄芑钡那闆r較多，把一些還不具有智能功能的儀表也稱為智能儀表的現(xiàn)象時(shí)有出現(xiàn)。到底應(yīng)該如何理解和表達(dá)儀器儀表的“智能化”，什么樣的儀器儀表才能稱作智能化的儀器儀表，作者希望理論界和實(shí)業(yè)界達(dá)到一個(gè)共同認(rèn)識(shí)，能對(duì)實(shí)際的儀器儀表有一個(gè)合理的、恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)。智能化的儀器儀表應(yīng)能隨著外界條件的變化做出正確的反應(yīng)，模仿和擴(kuò)充人的智能行為。從信息技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)層次看，“數(shù)字化”是最低層次，“智能化”是最高層次。它具有總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、理解、推理、判斷和分析的能力。“智能化”的標(biāo)志是知識(shí)的表達(dá)與應(yīng)用。因此，在儀器儀表中，“智能”的含義可有兩個(gè)層面即采用人工智能的理論方法和技術(shù)具有擬人智能的特性和功能。

2.智能儀器儀表的研究開發(fā)與實(shí)用化的進(jìn)展

智能儀器儀表發(fā)展很快，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各種智能化儀表，例如，具有自動(dòng)進(jìn)行差壓補(bǔ)償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計(jì)，具有對(duì)圖譜進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等等。國(guó)際上品種更多，例如，美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器，能進(jìn)行差壓值狀態(tài)的復(fù)合測(cè)量，可對(duì)變送器本體的溫度、靜壓等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償美國(guó)Foxboro公司生產(chǎn)的數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器，采用了專家系統(tǒng)技術(shù)，能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)迅速地整定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)。智能儀器儀表的研究開發(fā)是當(dāng)前自動(dòng)控制領(lǐng)域熱點(diǎn)之一，有相當(dāng)多的智能儀器儀表已進(jìn)入實(shí)用化階段，可從以下幾方面進(jìn)行分析：

2.1傳感器

智能變送器中，由硅制成的微傳感器可按需要把信號(hào)放大、處理及控制集成到一塊硅芯片上，已研制開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)的固態(tài)硅微傳感器和集成化智能變送器，它們具有信號(hào)處理及某些智能功能。

2.2變送器

智能變送器在實(shí)用過程中，經(jīng)歷了數(shù)?；旌系饺珨?shù)字的發(fā)展階段。在初期階段的智能變送器可輸出模擬和數(shù)字兩種信號(hào)。例如，具有代表性的產(chǎn)品有：ST3000差壓變送器、3051C差壓變送器、STT3000溫度變送器等，它們的主要特點(diǎn)是具有補(bǔ)償功能和校正能力，如差壓變送器有溫度壓力補(bǔ)償能力，溫度變送器有非線性校正能力，通過現(xiàn)場(chǎng)通信能對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)、調(diào)零調(diào)量程和自診斷。所有自動(dòng)控制中的大量信息都必須通過變送器引入系統(tǒng)，變送器必須適應(yīng)和滿足控制系統(tǒng)的技術(shù)要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的變送器必須是數(shù)字式的，具有數(shù)字通信能力。同時(shí)技術(shù)性能有很大提高，一般都具有控制功能，具有自診斷自校正和報(bào)警功能，具有更大的量程比。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的多標(biāo)準(zhǔn)，變送器也適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，出現(xiàn)了與不同標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線配套的智能變送器。與此同時(shí)還出現(xiàn)了多參數(shù)變送器，它可以接受多個(gè)輸入?yún)?shù)，具有更多的智能功能。值得一提的是，傳感器大都存在交叉靈敏度，表現(xiàn)在傳感器的輸出值不只決定于1個(gè)參量，當(dāng)其他參量變化時(shí)輸出值也要發(fā)生變化，使得測(cè)量性能不穩(wěn)定，測(cè)量精度低。多傳感器信息融合技術(shù)的出現(xiàn)解決了這類問題，所謂多傳感器信息融合技術(shù)，它是通過對(duì)多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)并采用一定的信息處理方法達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。

2.3執(zhí)行器

執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著十分重要的作用。智能執(zhí)行器方面，由于廣泛采用和吸收微計(jì)算機(jī)控制、微機(jī)械等新技術(shù)、新成果，應(yīng)用“微機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)模式，尤其是電動(dòng)執(zhí)行器智能化得到了進(jìn)展。就國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)許多新的具有智能功能的執(zhí)行器。例如上海銳凱儀表有限公司的RK-Z系列電動(dòng)執(zhí)行器就是其中之一。它具有多種控制方式、自診斷、多協(xié)議通信等功能。美國(guó)StoneL公司把高度可靠的固態(tài)閥位傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相集成，生產(chǎn)了低成本、高可靠的智能閥位指示器，具有多種防護(hù)等級(jí)和通信協(xié)議。其中通信協(xié)議有：AS-I（執(zhí)行器傳感器接口）協(xié)議，Modbus協(xié)議，DeviceNet協(xié)議，F(xiàn)F協(xié)議。另外，通過網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)與Profibus 或者Ethernet及其他協(xié)議通信。

3.智能控制器乃是儀器儀表智能化開發(fā)、應(yīng)用的主流方向

在控制工程中，直至今天大多數(shù)仍然采用PID及其改進(jìn)形式的控制器。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)代PID控制器?，F(xiàn)代PID控制器是將自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、智能控制等控制策略引入PID控制中的PID控制器。把專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制理論整合到PID控制器中，就構(gòu)成為智能型PID控制器。目前有以下幾種類型基于專家系統(tǒng)的智能PID控制器，它是根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)選出反映系統(tǒng)特征的參數(shù)，作為專家知識(shí)或規(guī)則存入專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中，再根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)結(jié)合上述知識(shí)或規(guī)則，采用某種推理機(jī)制得出調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，從而得到最好的控制效果基于模糊控制的智能PID控制器，它是在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上，根據(jù)知識(shí)建立模糊控制規(guī)則基，得到模糊PID控制的形式，再對(duì)控制器的輸入進(jìn)行模糊化、去模糊化處理最終得到離散的模糊控制器。它適用于高階、時(shí)變和非線性的控制對(duì)象，已有模糊PI控制器、模糊PD控制器、模糊PI+D控制器、模糊PD+I控制器等多種形式基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的智能PID控制器，它是應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力和對(duì)非線性函數(shù)的逼近能力，按一定的最優(yōu)指標(biāo)，調(diào)整PID控制器的參數(shù)，適應(yīng)被控對(duì)象的變化，得到最好的控制效果。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形式不同，可分為神經(jīng)元PID控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器等多種形式。無論專家系統(tǒng)的智能PID控制器，模糊控制的智能PID控制器，還是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能PID控制器，它們的共同特點(diǎn)是把控制經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等或歸結(jié)為知識(shí)庫(kù)，或制成模糊規(guī)則表，或用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來表達(dá)出系統(tǒng)的輸入、輸出信息和控制器輸出之間的關(guān)系，并能在線進(jìn)行自調(diào)整和自學(xué)習(xí)。從而使得智能PID不但不要求對(duì)象有精確的數(shù)學(xué)模型，而且還能處理非線性，時(shí)變性和不確定性因素。因而智能PID控制器適用于非常廣泛的過程控制，在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。例如，在PH值控制系統(tǒng)、球形儲(chǔ)罐的液位控制系統(tǒng)、汽溫控制系統(tǒng)和CFB鍋爐汽包水位以及多級(jí)倒立擺的控制系統(tǒng)等具有嚴(yán)重非線性、時(shí)變性或具有較大擾動(dòng)的過程中獲得了成功的應(yīng)用。

4.結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)，迎來了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制新時(shí)代，自動(dòng)化儀器儀表也進(jìn)入了數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的新階段。智能化已經(jīng)成為儀器儀表目前技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一?？刂评碚撆c控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了儀器儀表技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，而儀器儀表技術(shù)的新進(jìn)步，同樣對(duì)控制系統(tǒng)的發(fā)展起到了支持、推進(jìn)的作用。理論和實(shí)踐表明，不能孤立地看待儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，而應(yīng)從控制系統(tǒng)的角度，把儀器儀表技術(shù)融入控制系統(tǒng)技術(shù)之中。關(guān)注儀器儀表技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其與控制系統(tǒng)技術(shù)之間的互動(dòng)，有助于國(guó)家自動(dòng)化技術(shù)的新進(jìn)展和提高國(guó)家的自動(dòng)化水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董民.儀器儀表智能化發(fā)展方向.儀器儀表智能化，2011.03：76-77