自动化技术的过去、现在和将来（之三）

三  综合自动化

    到了20世纪60年代，大量的工程实践，特别是空间技术等方面的实践，提出了一些新的控制问题：如控制对象是距离很远的高速飞行体；控制对象的特性随时间急剧变化，要求较严格的数学描述；控制通道是多路的；以及要求精度高、地面装置大而复杂等。显然，对待这样的一些控制对象，必须发展新的控制理论和方法。

    关于这方面的早期成就，我国科学家钱学森结合其从事火箭控制方面的工作，系统总结了当时工程控制理论与技术方面的成果，指出工程控制领域中的重要课题及发展方向，使控制论的基本原理成功地应用于工程技术领域，从而成为工程控制论的奠基者。50年代后期到60年代前期，在工程控制系统设计方面，发展了多变量控制理论、最优控制理论、自适应控制理论，研究了自学习、自组织系统。在工程控制技术方面，促进了电子计算机在国防及国民经济部门的广泛采用，促使生产过程自动化向多机、机组自动化以及综合自动化发展。

一  最优控制与现代控制理论

    50年代末，60年代初，在大量工程实践基础上逐渐形成了第二代控制理论，或称现代控制理论。一般认为，它是由匈牙利出生的美国学者卡尔曼(R．E．Kalman，1930～    )奠定的。他在控制论创始人维纳工作的基础上，引进了数字计算方法中的“校正”概念，吸取了50年代“最优化”的研究成果，于1960年国际自动控制联合会第一届大会上发表了《控制系统的一般理论》，以及相继发表的《线性估计和辨识问题的新结果》，对于控制系统的属性及其关联作用，提供了更深入的认识，奠定了现代控制理论的基础。

    第一代控制理论的经典控制理论主要是使用频域法来研究单输入一单输出的自动调节系统，第二代控制理论则发展到用状态空间法或时域法解决多输入一多输出、最优化及时变系统的分析和综合等问题。第二代控制理论大体包括：多变量控制、系统辨识、最优估计和最优控制等主要内容及自适应控制等问题。尽管50年代即已提出“最优化”的概念，并试图对被控对象实施最优控制，但由于理论上还不够成熟和限于当时的技术装备水平，最优控制并未能真正实现。直到1960年前后，“状态空间”的概念和方法才得到发展并获得许多重要的数学结果，如发展了极大值原理、动态规划方法、矩量理论方法、函数空间方法等，并以不同形式给出了最优控制所必须满足的必要或充分条件，推出了最优控制的许多定性性质。这些理论、方法和在实际工程上的应用，成为60年代自动控制领域热门的课题。

    对一个实际的控制对象，要实现最优控制，通常要依据控制系统的状态或输出情况进行反馈，找到最优的控制规律，对系统的某些性能指标取极小(或极大)值，实现最优控制过程。例如，为了使航天飞机的有效载荷(即航天飞机扣除自身的支承结构、通讯设备、能源设备及有关控制装置等的重量以后的实际运载量)达到极大，就必须按推进剂消耗量最小的原则来选择推力程序和使命设计，以便进行其他部件的最优设计，达到总体最优化。最优控制在导弹方面的应用，其性能指标通常可以是燃料消耗量最小、脱靶量最小、时间最短等。至于民用控制系统实现最优控制，往往以考虑经济效益为主，如原材料消耗最小、成本最低、实际利润最大等。但是，要找到一个控制对象的最优控制规律不是轻而易举的，首先就得了解控制对象的特性，建立以数学关系式描述的数学模型。但很多人工的或自然的复杂系统不可能或者不完全可能运用传统的力学、物理学等的基本规律给出其中现象的数学描述，而只能从“黑箱”观点出发，用实验方法，根据实验和运行数据，估算出控制对象的数学模型及其参数，然后才能对这类复杂系统进行定性定量的研究，这就是系统辨识所用的方法。系统辨识是实现复杂的工业控制的必要前提。一些控制系统虽经控制工作者针对特定条件作了精心的设计，可是环境条件一旦发生变化，控制品质可能会大大降低，甚至严重到完全不能工作，这就进一步要求所设计的系统能够随着外界条件的变化，自动地调整自身结构或参数，以保持该系统达到满意的控制品质，到50年代出现一些极值控制系统，或叫自寻最优点系统，以及条件反馈系统等。目前，系统辨识已经发展成为现代控制理论中一个独立而重要的分支，除已用于冶金、化工等工业生产外，亦已用于医学以及飞行体气动力学参数的辨识。通过系统辨识建立飞行物体与舰船运动的简化模型等项工作，已超出工业自动控制范围，成为向多方面科学技术研究移植应用的一个良好开端。在数学模型已经建立的基础上，利用统计方法对系统输入和输出数据的量测，对系统的未来“状态”进行估计这就是所谓最优估计。如利用所谓“卡尔曼滤波”，有时能够从带有噪声的量测数据，有效地实时估计出系统的状态，为实施最优控制提供必要的条件。

    1960年前后，控制工作者发现传递函数法对于多变量系统往往只能反映系统的输入-输出之间的外部关系，而具有相同传递函数矩阵的若干系统可以有完全不同的内在结构。这就要求要有不同的设计原则，从而提出了“结构不确定原理”。卡尔曼等人在此基础上进行了更深入的研究并建立了“可控性”和“可观测性”的理论，这是我们对于控制系统认识深化的一个标志。如果某些系统的状态变量或其组合，在一定条件下可以受控制变量的影响，则称这类系统具有“可控性”，因而对该系统有可能实施最优控制。为此，知道该系统在什么条件下是可控的，是十分重要的。反之，如果系统的状态变量完全不受控制变量影响，也就谈不上什么最优控制了。同时，由于最优控制需取得状态的反馈信息，以便对系统状态进行最优控制，就必须能从观测值(一般指输出量)中获得关于系统状态的信息，即“可观测性”。否则，同样不能实施最优控制。

    60年代中期，现代控制理论初步形成。之后的十几年，最优控制的问题受到很大重视。这主要是由于人们对高质量控制的需求和在控制系统中更有效地使用计算机所导致的必然结果。人们常用第二代控制理论的这些手段进行系统设计，大大改善了系统的精度及技术经济指标。除应用于航空、航天、航海等部门外，在冶金、石油、化工、交通运输等部门也得到广泛应用。

 

二、多机和机组自动化向综合自动化过渡

    从生产过程自动化的角度来看，60年代中期已经从单参数自动调节(如温度、压力、流量等)或控制某一工艺参数的单机和局部自动化，发展到多参数最优控制，实现了多机和机组自动化，并开始向综合自动化过渡。

    60年代由于光、电、热和辐射线等物理效应在工业上的应用逐步形成了非电量的电测法和自动记录仪表，研制出由检测到记录的自动测量系统，已可以应用各种独立的元件来设计一个特定测量功能的装置，可以实现按系统设计要求进行选配组装，以提供成套的装置。在测量方法上，到70年代已可进行二维的图形测量和实现三维的物体识别。由于集成电路的出现，可以更好地研制与生产可编程序控制器、小型工业控制用专用计算机、光笔与字符显示终端和自动绘图机等计算机外部设备，实现了计算机辅助设计和辅助制造，研制和生产了简易型和重复型工业机器人。为了实现综合自动化，要求自动化元器件、控制设备等的性能进一步提高，因而提出了提高可靠性、经济性和使用寿命等的要求。如自动化仪表应满足使用环境的要求，以及能承受测量对象的条件变化而引起对稳定性的影响，还需具有灵巧性、扩充性、互换性、经济性和降低仪表故障率等。在传感器和变送器方面，70年代已可利用某些材料的物理性质变化，发展了可实现参数测量的传感器，如热敏、光敏、磁敏、压敏、气敏、湿敏、辐射转换和电光转换等类型传感器。到80年代初，已逐渐发展出配有微处理器的智能型传感器，配在机器人上，使之具有“五官”的功能。显示技术已可进行字符图形显示、大屏幕显示以及进一步实现智能式CRT显示终端。显示特征分为全部参数集中显示和趋势显示，操作者可通过键盘实施人一机直接对话等。在控制器方面，已由模拟式PID调节器发展到直接数字控制仪，以及以数字计算机为基础的数字式控制装置。60年代末开始出现的可编程序控制器(PLC)，由于集计算机和工业过程控制系统的优点于一身，具有很强的生产现场适应能力。又由于采用了浅显易懂的继电器逻辑语言为软件编程的基础，因而在80年代应用十分广泛，每年约以30％的增长速度发展。进入90年代已趋于将中央处理单元(CPU)和输入／输出单元(I／O)作成一体形结构，全体作成平板薄形，以追求低价和便于安装于受控机器的内部。由于PLC的广泛适用性，一些国家PLC的产值达到全部工业控制用产品销售额的1／10，甚至将发展应用PLC作为国策之一，与工业机器人一起成为国家的战略性产品。特别是由于微处理器和高集成度的半导体存贮器的出现，综合自动化的控制任务，不再是只由一台高效能的计算机处理，而是将控制任务分散开来，分配到数台微处理器上，再将它们联接起来，形成一个多处理机系统型的综合控制系统。这种系统具有通用性和灵活性，可以适应各种不同自动化水平的要求，也可以经济地构成大、小规模不等的系统。

    1975年底方始推出的分布式控制系统(DCS)或称集散控制系统，到80年代得到了迅猛发展，并成为90年代工业过程控制的主流和发展方向。其特点是“过程控制分散，信息管理集中”，表现了递阶控制的思想，整个系统由基本控制回路和上位控制管理计算机两级构成，并可向更上一级计算机通信。由于采用了分布式结构形式和冗余技术，提高了系统长期运行能力和可靠性。

    90年代正在发展中的工业过程控制系统结构称之为网络控制，其特点是将最下位的现场传感器、调节器、执行器和可编程序控制器、过程控制站、管理操作站均纳入系统，且引入MAP(美国制造商自动化协议，国际通用的工厂自动化协议标准之一)协议标准和现场总线概念，形成一个全分布式的计算机控制系统，实现综合自动化。

    电子计算机是实现综合自动化的关键设备。它具有进行最普遍意义的信息自动化处理的能力，同时由于工业控制机和微型机性能价格比的提高和高达数千小时的无故障时间，为控制理论与应用的结合提供了优越的条件，并扩大了自动控制的应用范围。首先，由于数字计算机有着计算精确的特点，有利于和数字化传感器和数字化执行机构结合，使工业生产过程的精密控制成为可能；其次，由于数字计算机具有很强的计算能力，可以实现依据生产过程运行状况的改变而自动改变控制参数，并能计算出生产过程的发展趋势，从而预先确定要调整的操作条件，实现对复杂的工业生产过程的自动控制；第三，更由于使用计算机不仅能对生产过程进行最优控制，而且可以对敏感器件、执行机构和包括计算机本身在内的全部生产设备进行监督控制，使得实现整个企业和企业体系生产过程的综合自动化具有可能性和现实性。到了80年代，计算机图形技术有了飞速发展。进入90年代，多媒体技术成为计算机和自动化领域的热点，1992年多媒体技术已达到商品化、实用化阶段，销售额已达50亿美元。其最主要的特点之一是集成化，是计算机、控制、通讯、网络和软件等多种技术的综合，有机地组合数值、文字、声音、图形、图像等信息载体与使用计算机的人进Ｗ匀欢曰埃换恍畔ⅲ凳┘扑慊刂啤⒏玫厥迪挚刂葡低持械男畔⒋娲ⅰ⒋怼⒋洹⒖刂啤⒐芾淼仁侄翁峁┝擞行У募际趸　？梢运担扑慊囊耄棺远际醯姆⒄钩鱿至艘桓龇稍尽?SPAN lang=EN-US>

    现代化的大工业生产，系统庞大而复杂，单纯靠仪表、巡回检测和反馈控制等局部自动化已不能适应需要，也就逐渐创建了如图所示的由组织管理与过程控制相结合的多级计算机控制的大规模自动化系统，从而逐步走上了综合自动化的发展道路。1975年前后，已经研制出新型综合控制系统装置，这个装置将通用计算机、工业控制机、微处理机、通讯技术与常规仪表等综合成一套通用性大、操作集中，显示醒目和具有多种功能的最佳控制系统；以及采用包括快速数据通道、操作显示和过程控制等具有成套硬件和软件的组合式标准组件。根据冶金、电力、化工、轻工等部门的需要，可以组成从简到繁，可逐步扩充功能的计算机控制系统。

这个系统实际上是80年代得到迅速发展的计算机集成制造系统(CIMS)的一个雏形。CIMS是管理工程、控制工程、计算机工程、电子工程和机械工程等多学科的交叉、多种技术的集成和渗透形成的，是实现综合自动化的基本模式，也是21世纪的“未来产业基本模式”。CIMS在1991年世界范围内的销售额就已达700亿美元。CIMS从用户订货单开始，输入产品需要的有关信息，从产品初始构思、设计、制造、检验、管理、经营均有机联系的一个高技术综合生产控制系统。它将工厂控制系统与企业行政事务管理信息集成在一起，在企业内部完成自动化作业的全过程。它采用层次式的控制结构，将管理信息系统(MIS)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)等功能集于一身，采用MAP作为通讯网络并与远程网络相连。因此，CIMS的发展已使综合自动化成为现实。

图：计算机四级管理系统框图

 

三、遥测遥控向遥技术发展

遥测遥控系统是利用遥测技术实现远距离测量、控制和监视的系统，是自动化技术科学的一个重要分支，它是在自动控制、传感技术、微电子技术、计算机技术和现代通信技术的基础上不断完善和发展起来的。凡是距离遥远、对象分散或难以接近的系统，均可采用遥测遥控实现集中监控和管理，这已在无人驾驶飞机、人造卫星、导弹、空中交通管制、铁路调度、核工业、电力系统、地震预报台网、输油和输气管线等军事和国民经济部门得到广泛应用。

    最早的遥测遥控系统只是测控距离较近的机械式或液压、气动式。19世纪出现使用电的有线遥测遥控系统，20世纪初出现无线遥测遥控系统。在20世纪20年代末，遥控飞行器的往返飞行距离已达1000公里。这项技术在第二次世界大战中得到迅速发展，40年代初先后研制成功飞机和火箭用的调频／调幅遥测系统，以及脉幅调制和脉宽调制等遥测系统。50年代又发展了脉码调制，标志着遥测遥控系统从模拟式发展到数字式。现今的遥测遥控系统的最大传输距离已达几亿公里，能传输兆比特级的数字图象信息，并出现了可编程序、自适应和分集式遥测遥控系统。航天遥控系统已发展成一个利用微波波段的载波作为遥控、遥测、测距和测速的共同载波，称为S波段统一载波测控系统，使系统设备大为简化。

    随着航天技术的发展，进入80年代，遥技术的概念应运而生。遥技术实际是一种用户技术，是指地面人员利用自控、遥控操作和机器人技术来控制空间实验的技术。例如在欧洲空间局(ESA)的哥伦布空间计划中，由于用户所需的各类实验将在宇宙空间的空间站上完成，且长期处于无人介入的状态，依靠遥技术可以不需宇航员参与，而直接在地面对空间实验进行遥控操作，也就使受生理条件限制的宇航员从那些要求在太空中驻留时间长和工作强度大的任务中解放出来，这解决了许多专业人员和科学家由于身体条件限制无法进入空间实验室进行现场工作的问题。为了对遥技术进行实验性论证，欧洲空间技术中心(ESTEC)组织了人员对流体、材料和生命科学的三大实验提出技术要求，研制并建立了遥技术测试台(TTB)和技术保障、接口技术、仿真遥控操作实验，并对实验进行分析、评估。90年代初，第一台TTB在ESTEC安装完毕并开始了实验研究，标志着遥技术这一门新学科开始步入成熟阶段。可以说，从遥测遥控发展到今日的遥技术，是未来空间技术的发展趋势，标志着人类对太空的认识已经从探索研究阶段到90年代中期将开始进入开发利用的时代。