浅析仪表的智能化发展趋势

刘博

【摘 要】随着社会的发展，大家对智能仪表的应用及发展的关注日趋广泛。尤其工业界愈来愈多的生产需要用到智能仪表，如化工工业、石油工业、冶金工业和环境保护等领域。本文将就自动化仪器仪表的智能化的状况与进展，以及当今对智能仪器仪表研究、开发热点做概要的分析与表述。作者建议人们关注自动化仪器仪表智能化技术的进展，关注仪器仪表装置与控制系统技术的互动发展，这对推进我国自动化技术水平的进一步提高将是大为有益的。

【关键词】智能化；过程控制；网络控制

1.仪器仪表“智能”的概念

什么是智能化的仪器仪表？至今虽然没有一个明确的统一的定义，但作者感到在仪器仪表的刊物、广告、等中不恰当的使用“智能化”的情况较多，把一些还不具有智能功能的仪表也称为智能仪表的现象时有出现。到底应该如何理解和表达仪器仪表的“智能化”，什么样的仪器仪表才能称作智能化的仪器仪表，作者希望理论界和实业界达到一个共同认识，能对实际的仪器仪表有一个合理的、恰当的表达。智能化的仪器仪表应能随着外界条件的变化做出正确的反应，模仿和扩充人的智能行为。从信息技术发展的几个层次看，“数字化”是最低层次，“智能化”是最高层次。它具有总结经验、理解、推理、判断和分析的能力。“智能化”的标志是知识的表达与应用。因此，在仪器仪表中，“智能”的含义可有两个层面即采用人工智能的理论方法和技术具有拟人智能的特性和功能。

2.智能仪器仪表的研究开发与实用化的进展

智能仪器仪表发展很快，在国内市场上已经出现了各种智能化仪表，例如，具有自动进行差压补偿的智能节流式流量计，具有对图谱进行分析和数据处理的智能色谱仪等等。国际上品种更多，例如，美国Honeywell公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿美国Foxboro公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能根据现场参数迅速地整定调节器的调节参数。智能仪器仪表的研究开发是当前自动控制领域热点之一，有相当多的智能仪器仪表已进入实用化阶段，可从以下几方面进行分析：

2.1传感器

智能变送器中，由硅制成的微传感器可按需要把信号放大、处理及控制集成到一块硅芯片上，已研制开发出多种结构的固态硅微传感器和集成化智能变送器，它们具有信号处理及某些智能功能。

2.2变送器

智能变送器在实用过程中，经历了数模混合到全数字的发展阶段。在初期阶段的智能变送器可输出模拟和数字两种信号。例如，具有代表性的产品有：ST3000差压变送器、3051C差压变送器、STT3000温度变送器等，它们的主要特点是具有补偿功能和校正能力，如差压变送器有温度压力补偿能力，温度变送器有非线性校正能力，通过现场通信能对变送器进行远程组态、调零调量程和自诊断。所有自动控制中的大量信息都必须通过变送器引入系统，变送器必须适应和满足控制系统的技术要求。现场总线控制系统中的变送器必须是数字式的，具有数字通信能力。同时技术性能有很大提高，一般都具有控制功能，具有自诊断自校正和报警功能，具有更大的量程比。由于现场总线的多标准，变送器也适应不同标准现场总线协议，出现了与不同标准现场总线配套的智能变送器。与此同时还出现了多参数变送器，它可以接受多个输入参数，具有更多的智能功能。值得一提的是，传感器大都存在交叉灵敏度，表现在传感器的输出值不只决定于1个参量，当其他参量变化时输出值也要发生变化，使得测量性能不稳定，测量精度低。多传感器信息融合技术的出现解决了这类问题，所谓多传感器信息融合技术，它是通过对多个参数的监测并采用一定的信息处理方法达到提高测量精度的目的。

2.3执行器

执行器在自动控制系统中起着十分重要的作用。智能执行器方面，由于广泛采用和吸收微计算机控制、微机械等新技术、新成果，应用“微机随动系统”结构模式，尤其是电动执行器智能化得到了进展。就国内也出现许多新的具有智能功能的执行器。例如上海锐凯仪表有限公司的RK-Z系列电动执行器就是其中之一。它具有多种控制方式、自诊断、多协议通信等功能。美国StoneL公司把高度可靠的固态阀位传感器和现场总线技术相集成，生产了低成本、高可靠的智能阀位指示器，具有多种防护等级和通信协议。其中通信协议有：AS-I（执行器传感器接口）协议，Modbus协议，DeviceNet协议，FF协议。另外，通过网关可实现与Profibus 或者Ethernet及其他协议通信。

3.智能控制器乃是仪器仪表智能化开发、应用的主流方向

在控制工程中，直至今天大多数仍然采用PID及其改进形式的控制器。随着智能控制技术的发展，出现了现代PID控制器。现代PID控制器是将自适应控制、最优控制、智能控制等控制策略引入PID控制中的PID控制器。把专家系统、模糊控制、神经网络等智能控制理论整合到PID控制器中，就构成为智能型PID控制器。目前有以下几种类型基于专家系统的智能PID控制器，它是根据专家知识和经验选出反映系统特征的参数，作为专家知识或规则存入专家系统知识库中，再根据实时参数结合上述知识或规则，采用某种推理机制得出调节控制器的参数，从而得到最好的控制效果基于模糊控制的智能PID控制器，它是在传统的PID控制基础上，根据知识建立模糊控制规则基，得到模糊PID控制的形式，再对控制器的输入进行模糊化、去模糊化处理最终得到离散的模糊控制器。它适用于高阶、时变和非线性的控制对象，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控制器等多种形式基于神经网络控制的智能PID控制器，它是应用神经网络的自学习能力和对非线性函数的逼近能力，按一定的最优指标，调整PID控制器的参数，适应被控对象的变化，得到最好的控制效果。根据神经网络的形式不同，可分为神经元PID控制器，神经网络PID控制器，遗传神经网络PID控制器，模糊神经网络PID控制器等多种形式。无论专家系统的智能PID控制器，模糊控制的智能PID控制器，还是神经网络的智能PID控制器，它们的共同特点是把控制经验、实验数据等或归结为知识库，或制成模糊规则表，或用来训练神经网络，来表达出系统的输入、输出信息和控制器输出之间的关系，并能在线进行自调整和自学习。从而使得智能PID不但不要求对象有精确的数学模型，而且还能处理非线性，时变性和不确定性因素。因而智能PID控制器适用于非常广泛的过程控制，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。例如，在PH值控制系统、球形储罐的液位控制系统、汽温控制系统和CFB锅炉汽包水位以及多级倒立摆的控制系统等具有严重非线性、时变性或具有较大扰动的过程中获得了成功的应用。

4.结束语

进入21世纪，迎来了控制系统的网络控制新时代，自动化仪器仪表也进入了数字化、智能化和网络化的新阶段。智能化已经成为仪器仪表目前技术水平的重要标志之一。控制理论与控制系统技术的发展，带动了仪器仪表技术的发展和进步，而仪器仪表技术的新进步，同样对控制系统的发展起到了支持、推进的作用。理论和实践表明，不能孤立地看待仪器仪表技术的发展，而应从控制系统的角度，把仪器仪表技术融入控制系统技术之中。关注仪器仪表技术的发展现状及其与控制系统技术之间的互动，有助于国家自动化技术的新进展和提高国家的自动化水平。

【参考文献】

[1]董民.仪器仪表智能化发展方向.仪器仪表智能化，2011.03：76-77