自动化学科前沿讲座

 论自动化的下一个技术前沿：无线技术

    亚洲特别是中国正日渐成为世界的制造中心，自动化技术与解决方案对于汽车、石油、化工、烟草、食品、电力、建筑等制造行业的发展起着至关重要的作用。已发展成为国内工业自动化领域大展的“工业自动化展”，始终致力于全面展示从电气工程到机械工程、从制造业信息化到微处理技术的全球最先进自动化技术与解决方案，聚焦自动化领域最前沿的行业趋势。二十世纪八十年代，在工业自动化领域诞生了专有网络，二十世纪九十年代，标准的现场总线开始出现。随着二十一世纪的到来，我们将发现在自动化系统的很多部分会出现无线连接。无线不仅仅是用无线电来代替有线局域网(LAN)，尽管这将是其应用的一部分。它也不仅仅是取代有线电话网络，尽管这一取代已经开始。对于制造业而言，无线的突出意义在于很多新的应用—— 以前不可能或不实用的、将成为可能 无线是另一个充满活力的技术，低成本无线连接的出现使新应用成为可能。

1  无线技术的概述

无线技术是一种新兴的, 面向现场应用的, 短程、低速率信息交互的无线通信技术。工业用无线传感器网络, 是指一类为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线通信连接的嵌入式通信网络。按现今工业自动化业界的共同认识,在工业自动化和控制环境中的无线应用划分为监控、控制和安全应用三大类^[1]。和有线局域网相比，无线的一个不同点在于它通常是由标准委员会开发的。国际条约和世界各国管理着频率分配和频段使用。绝大多数正在出现的无线网络的核心在于数据包交换和扩展频谱技术的使用。最值得一提的是通讯中频繁的“静默”期(如在消息传递的间隙)，此时没有数据包产生，通讯信道也就根本没有得到使用。数据包交换本身就是有效利用带宽的巨大进步之一。

1.1  无线技术的发展现状及优势

工业无线技术是继现场总线之后,工业控制领域的又一个热点技术, 是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术, 也是未来几年工业自动化产品新的增长点。在工业控制系统中引入无线通信技术, 可设计全新的无线工业控制网络通信体系或无线与有线混合的工业控制网络通信体系, 从而促进传统控制网络升级换代。工业无线正处于一个高速发展的阶段, 突出的优势创造了巨大的市场, 不过它在应用上依旧受到限制。据美国网络技术市场分析ONW orld 公司对工业无线技术市场进行调研的结果显示, 阻碍用户接受无线技术的关键问题在于工业无线技术缺乏统一的国际标准。针对这一问题, 一些国际大公司和区域组织开始了相关的工作, 并且取得了重要的突破。

目前在工业控制和消费电子领域使用的无线网络技术有Z igBee、无线局域网(W iFi)、蓝牙(Bluetooth)、ISA100、W IA?PA 等, 未来还会有3G、超宽频(UWB)、无线USB、W Mi ax 等。当然还有大量的私有和专用无线网络在工业控制和消费电子装置中使用,其中ZigBee, ISA100, W IA-PA是目前在国内工业控制中讨论和使用较多的3种, 它们被广泛应用于工业检测等领域。

2  无线技术在实际中的应用

工业无线技术适合在恶劣的工业现场环境下使用, 具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信、增加用户或更改网络结构方便、灵活、经济等技术特征, 扩展了工业用户的自由度。同时,无线网络的成本在网络的配置、安装、修改和扩展等方面都低于有线网络, 并凭借其自身的技术特点广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗、工业控制、反恐、抗灾等诸多领域。

2.1  基于WIA-PA的建筑检测仪

以近来频发的地震灾害为例, 基于W IA?PA 的建筑监测仪能对建筑物强度结构的健康情况进行监测。高层建筑有个共同的特点, 即建筑结构极其敏感, 因此其前端的测量点部署很难采用有线方式, 否则极易损害建筑结构受力状况。而无线技术, 特别是不需供电的低功耗无线技术, 在解决建筑物健康监测, 尤其在前端100m 数据获取问题中,具有极其重大的意义。节点具有无线监测能力, 体积较为小巧, 可以很容易地安装在建筑物的关键受力点上, 而不影响建筑物外观, 具体实物图。同时其低功耗的优点可以避免节点的频繁更换, 省去了复杂耗时的布线操作。使用时只要打开节点开关, 位于建筑物监控中心的接收终端就可以实时获取数据, 与建筑报警系统联动后, 一旦探测到可能威胁到建筑物的震动信息, 立即发出报警信号, 及时通知建筑物内人员立即撤离, 反馈回监测波形，平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况, 为建筑物维护提供辅助决策信息。

2.2  基于无线传感器网络的智能电网

在电力自动化领域已有研究把无线传感器网络应用于负荷预测、变电站自动化、配电网继电、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预防方面。基于W IA?PA 的工业无线网络通过布置得当的节点获取电网运行状态、参数等物理信息,并通过无线网络传输到终端, 为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据, 有利于决策系统控制实施方案和应对预案。通过Z igBee技术, 实现智能电表和家庭设备之间的无线通信, 构成家庭内部的能源管理系统，。智能电网涵盖了高级量测体系, 高级配电运行、高级输电运行和高级资产管理。它们之间的密切配合使智能电网安全稳定运行得以实现, 兼容分布式电源,提高电网资产的利用率, 提高用户用电的效率, 可靠性和电能质量的目标。无线传感器网络在AM I, ADO, ATO 和AAM 领域有着广泛的应用前景。

2.3  基于无线射频识别的技术

无线射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它的基本原理是利用射频信号和空间耦合或雷达发射的传输特性。自动标识指的是物品在工厂或仓库内流转时用来作标记的条形码和射频(rtF)标签。如前所述，无线局域网技术无疑会被应用于手持条形码阅读器和终端的连接。射频标签的使用已经超过了12年，但是尽管这个技术很迷人，却从来没有被广泛采用过，它只是一个在别无选择时使用的华而不实的技术。对射频标签兴趣的突然增加主要是由于它们能够显著地降低成本，增加读取范围．并有助于解决射频标签、无线智能卡与射频电子商品监视标签之间的统一问题：统一将产生一个非常巨大的市场，促使成本降低到微不足道的程度。实现对物体的自动识别，无线射频识别技术与目前广泛使用的识别技术例如条形码、磁卡、IC卡等相比具有很多突出优势

（1）非接触操作，长距离识别，可达到几米甚至几十米，完成识别工作无须人工干预，而且非常方便。

（2）无机械磨损，无机械故障，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣环境。

（3）可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签。

（4）具有全球唯一的序列号，不能更改，使其具有独特的防伪性能，数据安全方面除了电子标签的密码保护以外，数据部分可用一些加密程序实现更加安全化的管理。

（5）可根据张贴物品的不同或工作流程的不同实时改变存储区内数据，更加便于物品的识别与跟踪。

（6）读写器与标签之间存在相互识别的过程，达到安全通信和存储。

2.4  基于无线技术的数字蜂窝电话网络

最近，日本的蜂窝电话可以将一台计算机的串行口直接与一个数字PCS蜂窝电话连接起来。这一服务现在的运行速度为128Kbps，只在日本有这种服务。欧洲GSM蜂窝电话也有类似的功能，但其速度只有9．6Kbps(在压缩时略有提高)。在美国，使用蜂窝数字包数据(CDPD)的数字服务最快可达到19 2Kbps．这一服务目前由Palm VII提供。除了可由低速服务提供的简单消息外，只有日本的服务可以提供一个合理的无线连接速度。要实现全无线Internet接人，速度还必须大大提高。世界蜂窝电话标准正在向3G无线标准，或第三代无线电话过渡。国际电联—— 无线和无线电服务标准的制定组织， 已经认可了3G无线标准的很多要求．但还没有接受某个协议。可以知道的是，3G无线标准将是一个声音与数据全数字服务标准 所有建议的协议都至少达到了下列的基本要求。因而，这些目标也似乎很有可能达到。

3  无线技术的发展前景及市场潜力

3.1  从技术角度分析其发展前景

随着市场国际化的加快, 世界仪器仪表巨头已开始向中国产业界渗透。国内外工业自动化领域的研究机构和企业都在进行工业无线通信技术的研发工作, 关键技术难题正在逐步突破。目前,工业无线技术的国际标准已形成了由IEC TC65( 工业测量和控制技术委员会) 推出的W irelessHART(HART 基金会)标准、美国仪表系统与自动化协会ISA推出的ISA 100. 11a ( ISA ) 标准和我国自主研发的W IA -PA(中国)标准三足鼎立的局面。作为我国十一五863计划进造域，?工业无线技术及网络化测控系统研究与开发?重点项目, 工业无线技术目前已突破诸多核心技术,建立了拥有自主知识产权的技术体系,开发出了众多网络支撑设备, 构建了测试认证环境, 并在冶金、石化、电力、污水处理等行业的示范应用中取得了良好的效果。相信随着W IA 技术在工业应用中的不断突破, 国内自主研发的第一套工业无线标准W IA -PA标准,在国家政策、资金的大力支持下, 将会拥有巨大的市场前景和广泛的社会基础。无线技术是未来嵌入式系统发展最快速的领域之一, 单片机是嵌入式和工业控制系统最传统的核心部件。无线技术的应用是单片机发展的一个热点, 是包括I，Freesca le，ST，NXP，A tm e，l M icroch ip这些工业芯片半导体巨头和专业无线公司Ember,Jenn ic, Nordic角逐的重要舞台。无论是把射频器件和单片机核心集成在一起的SoC 无线单片机, 还是单片机加上射频器件或者射频单片机的无线单片系统, 都将嵌入在未来形形色色的电子设备里。

3.2  从技术角度分析其发展前景

目前, 全球工业无线通信市场规模已经超过13亿美元, 保守估计在未来的几年中将保持15%左右的年增长水平。美国能源部预计传感器及自动化技术在20##年可节约能量12 万LBTU (英国热量单位)以上。市场调研公司ONW orld近期发布的一份报告称: 预计到20##年, 世界市场无线传感器网络(WSN )系统与服务将飞升至约46 亿美元, 比现在增长5 亿美元。调查显示, 现在有三分之一的公司正在使用无线传感和控制技术, 并且近一半的公司计划在未来一年半内, 研究或计划采用无线解决方案。为了监控机器在工厂内外的品质及状况, 世界各工业界公司预计会在无线传感器网络系统和服务方面投入一部分资金。事实上, 有40% 的公司计划采用无线解决方案, 是为了监控机器品质, 保证机器正常运作。瑞士ABB、电路保护与电源管理器件制造商博仕( CooperBussmann)、法国科尼思系统公司( Coron isSystems)DustNetwo rks、霍尼韦尔国际公司( Honeyw e ll)和Sensicast等公司均在使用无线传感器网络系统监控机器品质。综合以上分析,工业无线设备无论是在国际还是在国内都拥有非常广阔的应用前景和经济效益。工业无线技术的快速发展成为未来工业控制领域内的必然趋势。

4  总结

通过了解的无线技术的一些潜在应用领域，如手持阅读器，但低成本无线连接的潜力几乎是无限的。然而，要预测像无线连接这样一个基础技术的任何应用都是困难的。这是一种充满活力的技术，最终会达到一个经济的价格点。从其它市场的经验我们可以认定，一旦费用降低了，无线技术将超过目前的有线连接。今天，无线技术在工业、消费者、商业和医药市场的价格正趋于合理。我们知道，成千上万的无线应用将大量出现，想到的它就能做到。自动化技术的发展会带来新的供应革命。

参考文献

[1]孙鹏，孙维娜,董沙．工业无线技术的发展及前景分析[J]，产业观察，2011，49-52

[2]理查得H．卡罗．无线技术[J]，工业控制计算机，2000，13（6）：61-63

[3]中国自动化制造业．第七届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C]．北京：制造业自动化，2008:93-94

[4]亢宝印，吴丽静，陈慧芬．基于无线射频识别技术的表计信息自动采集系统[J]，山东电力电子，2011，（2）68-71

第二篇：自动化专业学科前沿讲座之模糊控制论文

 

自动化前沿知识讲座

——模糊控制理论的发展及应用

这学期学院为我们开设了自动化前沿知识讲座，通过对这门课的学习，使我对自动化这个专业的一些问题有了更深的了解，让我对专业的学习有了明确的方向和目标。

自动化的前沿技术有哪些呢？？

1．模糊控制——其实我很清楚

2.最优控制---“没有更好只有最好”

3.自适应控制——以变制变

4.鲁棒控制——以静制动

5.线性控制理论纵横

6.非线性控制理论的发展

7.PID控制——简而优秀

8.预测控制——未卜先知

9．故障诊断——神医妙手

10.人工智能——智慧之巅

11.专家系统——身边的专家

12.推理控制——经验的作用

13.集散控制系统（DCS）

今天我主要想说的是前沿技术中的模糊控制。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。

        1965年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法——模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。        模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。

现在我来具体的说一下模糊控制。主要是以下几点：

（1）模糊的概念

　　在日常生活中,人们的思维中有许多模糊的概念,如大、小、冷、热等,都没有明确的内涵和外延,只能用模糊集合来描述。人们常用的经验规则都是用模糊条件语句表达,例如,当我们拧开水阀往水桶里注水时,有这样的经验:桶里没水或水较少时,应开大水阀;当水桶里水快满时,则应把阀门关得很小;而水桶里水满时应迅速关掉水阀。其中,“较少”、“很小”等,这些表示水位和控制阀门动作的概念都具有模糊性。即有经验的操作人员的控制规则具有相当的模糊性。模糊控制就是利用计算机模拟人的思维方式,按照人的操作规则进行控制,实现人的控制经验。

（2）模糊控制概况

　　模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。

　　模糊控制实质上是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力。这是跟西方人的思维特征密切相关，西方人喜欢理性分析问题，要把所有东西都数字化；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯以及机器人的模糊控制等。

（3）模糊控制的基本理论

　　所谓模糊控制,就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法,用计算机实现与操作者相同的控制。该理论以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑为基础,用比较简单的数学形式直接将人的判断、思维过程表达出来,从而逐渐得到了广泛应用。应用领域包括图像识别、自动机理论、语言研究、控制论以及信号处理等方面。在自动控制领域,以模糊集理论为基础发展起来的模糊控制为将人的控制经验及推理过程纳入自动控制提供了一条便捷途径。

　　模糊控制器的基本结构包括知识库、模糊推理、输入量模糊化、输出量精确化四部分。

（4）模糊控制的特点

一、简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上；

二、利用控制法则来描述系统变量间的关系；

三、不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式；

四、模糊控制器是一语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言自然语言进行人机对话；

五、模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的适应性及强健性、较佳的容错性。

　　模糊控制理论主要研究内容:模糊控制稳定性,模糊模型的辨识,模糊最优控制,模糊自适应控制,与其他控制结合等。

（5）模糊控制的应用

　　1965年美国控制论专家Zadeh教授创立了模糊集理论，为描述和研究模糊现象提供了有力的数学工具。1974年英国自动控制专家E.H.Mamdani教授成功地将模糊语言逻辑运用于工业过程，标志着模糊控制的诞生。近40年来，模糊控制理论取得了很大的发展，在众多领域得到了广泛的应用。

　　在经济领域，经济计量学中是根据经济学和统计学理论，利用给定的数据建立模型，用于经济预测、策略评估等。所谓预测就是利用样本数据和样本估计模型来估计系统未来时刻的预测值。到目前为止，经济计量学中几乎所有的预测模型都把经济现象视为一种随机现象，根据统计学理论为之建立预测模型。然而许多经济现象不仅仅具有随机性，同时也具有模糊性。例如，当我们说某商品的质量好时，术语“好”就是一个模糊概念。对这类经济现象，如果仅考虑其随机性而忽略其模糊性，显然所建立的模型预测效果不会太理想。另外，有些经济现象中的有关因素不一定存在统计关系，这样就很难对它们建立统计模型。有时为了得到较高的模拟效果，常常增加外生变量的数目来建立多变量模型，这样不但增加了计算量，而且积累了误差。然而将某些因素适当地进行模糊化处理就可提高预测精度。

应用模糊控制的基本理论和方法建立的模糊控制模型，与用经济学和统计学原理所建立的模型相比较，可以更简单方便地对一类具有模糊性相关因素的经济现象进行比较准确的预测。模糊控制充分考虑了专家的知识经验，对具有模糊因素的系统具有其它控制无法比拟的优越性。随着模糊控制理论的发展与完善，模糊控制在自然科学和工程实践中也将得到越来越广泛的应用。

这个就是我这个学期对模糊控制的认识，同时也是对这个学期的一个总结。。这门课让我对未来的发展有了明确的认识，让我对这个专业更加充满了希望。