过程装备与控制工程学科发展趋势概述.doc

过程装备与控制工程学科发展趋势概述南昌大学过控152班 叶小花摘要：本文首先介绍了过控专业的大致内容，学科特点和存在的问题。再根据“以过程装备为主体，过程和控制为两翼”的交叉型学科特点，主要从智能控制及自动化、计算机化和学科交叉等方面分析了过控学科的发展趋势。最后，阐述了过控专业的意义和学习的目的。一、过控专业概述现代过程装备与控制系统是现代人类文明的标志之一。过程装备与控制工程专业以过程装备设计基础为主体，过程原理与装备控制技术应用为两翼的学科交叉型专业。它的前身是“化工机械专业”，以前苏联为蓝本而创立。随着科技的进步，自动化和计算机控制变得越来越重要，因此，重组整合的全新的过程装备与控制工程专业顺应时代而生，形成了如今横跨机械、工艺和控制三个学科的特点。过程装备包含化工机器和化工设备两大类，前者指主要作用部件为运动的机械，后者指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械。控制工程指对过程装备和及其系统的状态和工况进行监测，控制，以确保生产工艺有序稳定运行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。控制工程是结合现代自动化技术，是现代自动化先进技术与化工机械相结合的，提高了设备的效率。本学科是机械大学科的一个分支，它自己是属于机械领域，同时又服务于过程工业，自身的发展又需要机电控制。过程工业，就是指通过化学和物理的方法以达到改变物料性能的加工业，其中涵盖了化学、化工、石油化工、食品、制药，甚至于冶金等众多行业部门。而我校主要涉及的是化工和食品方面。过程工业所涉及的对象是流程性物料，从原料到产品需经过复杂的工艺过程，整个过程需要由极多的单元构成。而由能实现这一功能的设备来完成每一个单元，再将这些单元设备连在一起便构成过程装备。二、过控学科的特点以及存在的问题过程装备与控制工程是指机、电、仪一体化的连续复杂系统，系统的各个部分都可以相互关联、作用以及制约。因此只要其中任意一点发生故障均会影响整个系统，并且持续长周期地稳定运行下去。又因为加工过程材料有些是易燃易爆、有毒有害品或在加工过程需要提供高温高压条件，所以对系统的安全可靠性要求非常高。如之前提到，由于是交叉学科，且是工程学的重要组成部分，过控应用领域十分宽广。过控学科的特点与绝大多数学科是不同的。其主要特点包括：一是要以机电工程为主干与工艺过程密切结合，创新单元工艺设备，二是要善于博采众长、综合集成，把诸多学科最新研究成果应用出来。综合集成，不断创新过程装备与控制工程学科是我们的重要研究方向。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈,产品的质量和功能也向更高的档次发展,制造产品的工艺过程变得越来越复杂,为满足优质、高产、低消耗,以及安全生产、保护环境等要求,过程控制的任务也愈来愈繁重。这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、 时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量之间的耦合交错,而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系;不确定性不单指结构上的不确定性 ,而且还指参数的不确定性;非线性既有非本质的非线性,也有本质非线性。由于工业过程的这种复杂性,决定了控制的艰难性。再一点传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的 ,即按建模-控制-优化进行的 ,建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前建模的理论和方法有长足的进步 ,但仍有许多过程或对象的机理不清楚,动态特性难以掌握,如一些反应过程、冶炼过程、生化过程,甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。这样,我们不得不对过程模型进行简化或近似,将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自适应控制,对缓慢的变化过程比较有效,但对变化剧烈的过程(如幅度大,非线性强)却力不从心了。因此,用传统的控制手段进一步提高过程控制的质量遇到了极大的困难,传统控制方法面临着严重的挑战。 三、过控学科的发展趋势1. 设计制造趋向绿色、全面由过去单纯的考虑正常使用的设计而不考虑生产前后产生的问题、不考虑对环境的影响前后延伸到考虑建造、生产、使用、维修、废弃、回收和再利用在内的全生命周期的综合决策。由于系统的复杂性，牵一发而动全身，所以全面考虑生产环节也对设计者提出了更高要求。这是一种全局观念，也体现了可持续发展的战略思想。可持续发展的战略思想渗透到工程科学的多个方面，表现了人类社会与自然相协调发展的趋势。2.学科深度融合，趋向智能控制工程科学的研究尺度向两极延伸，以及广泛的学科交叉、 融合，推动了工程科学不断深入、不断精细化，同时也提出了更高的前沿科学问题，尤其是计算机科学和信息技术的发展冲击着每个工程科学领域，影响着学科的基础格局。当今，自动化、智能化已经广泛运用于给工程学的方方面面。智能控制是一门新兴的、多学科交叉的理论和技术，著名美籍华人学者傅京孙 1971年首先提出它是人工智能和控制论的交叉,又有美国学者在此基础上加入了运筹学，即智能控制是人工智能、控制论和运筹学的交叉，如果把对目标的规划、协调和管理也视为一种智能活动 ,那么两者是一致的。人工智能主要包括专家系统、模糊理论和神经网络；控制论主要指古典控制和现代控制；运筹学主要涉及定量优化方法。目前学者在两个方面展开了大量的研究:一是智能方法之间的结合；二是智能控制与传统控制的结合。如模糊逻辑与神经网络技术，利用神经网络的自学习自适应功能，为模糊控制提供控制规则，而利用模糊控制具有仿人决策推理能力完成对目标的控制，两者相得益彰，十功能进一步加强。智能方法与传统方法的结合，能取长补短，形成更大的优势。 3.产品趋于模块化，多样化过程设备就是按照单元的组合而实现功能的。模块化思想则是组建更大的“单元”，每个模块既可以作为一个单独的设备运行，也可以进行拼接耦合，从而形成复杂的系统。产品的个性化、多样化和标准化已经成为工程领域竞争力的标志，要求产品更精细、灵巧并满足特殊的功能要求，产品创新和功能扩展强化是工程科学研究的首要目标，模块化就是用来解决这个问题。由此，柔性制造和快速重组技术在大流程工业中也得到了重视。四、学习过控学科的意义过控可以加快生产速度降低生产成本，提高产品产量和质量减轻劳动强度改善劳动条件能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备用寿命提高设备利用率保障人身安全的 目的生产过程自动化的实现能根本改变劳动方式提高工人文化技术水平以适应当代信息技术革和信息产