1、选题意义和背景。

可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)

具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，

已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而，从目前的应用情况来看，

PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。

各个PLC厂家也在其产品中设计了PID模块。虽然PID算法控制有很高的稳定性，

但对于一些复杂控制系统，PID控制很难满足控制要求，

这也使PLC的发展面临着一种挑战。随着越来越多的PLC产品与IEC1131-3标准兼容，

PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。

本课题从工业控制实际应用角度出发，对PLC的控制功能进行深入的研究和探讨，

以提高和扩展PLC控制器的应用水平和应用范围。

本课题：PLC先进控制策略的研究与应用，

其目的是通过研究使一些先进控制算法在PLC及组态系统上得以实现，

并开发相应的应用程序，经过验证后最终应用到工业过程控制中去。

在PLC组态系统中实现先进控制算法，包括预测控制算法和模糊逻辑控制算法，

形成具有人工智能的控制模块及网络系统，能大大提高系统的控制水平，

改善控制质量。从经济角度来看，目前PLC生产商的一些产品具备先进控制模块，

如模糊模块。但它们的价格十分昂贵，且封闭性较强，

不适合我国中小型企业的工业改造。因此开发较为通用的先进算法实现技术，

对于我国中小型企业的工业改造具有很大的意义，既可降低生产成本，又可提高经济效益。

模糊控制与预测控制是智能控制中技术较为成熟的分支，因此，

研制和开发出适合工业环境的实时先进控制开发工具，实现模糊控制、

预测控制嵌入PLC,与常规控制集成运行，让先进控制从教授、

专家手中走出来，实现先进控制的工程化、实用化、转化为社会生产力，

对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，

提高我国的工业自动化水平有着重大的意义。

2、论文综述/研究基础。

在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反

馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即

便是在大量采用DCS控制的最现代的工业生产过程中，这类回路仍占总回

路80%-90%.这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作的总结和模

仿，足以维护一般过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。

然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求[4}0 50年代

开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制

系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一

些特殊的控制要求。在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上

述控制策略无法奏效，所涉及的被控过程往往具有强藕合性、不确定性、

非线性、信息不完全性和大纯滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件，

更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、

生产率和成本等有关指标。随着过程工业日益走向大型化、连续化，对

工业生产过程控制的品质提出了更高的要求，控制与经济效益的矛盾日

趋尖锐，迫切需要一类合适的先进控制策略。自50年代末发展起来的以

状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输

出反馈、解疆控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法}s}.上

述多变量控制策略有其自身的不足之处，工业过程的复杂性使得建立其

正确的数学模型比较困难。同时，计算机技术的持续发展使得计算机控

制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解

过去认为是无法求解的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。

整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在

模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒

性研究等一系列工作，基于模型控制的理论体系己基本形成，并成为

目前过程控制应用最成功，也最有前途的先进控制策略。近年来，人

工智能技术有了长足的长进并在许多科学与工程领域中取得了较广泛

的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最有潜

力的三种工具。专家系统可望在过程故障诊断、监督控制、检测仪表

和控制回路有效性检验中获得成功应用。神经网络则可以为复杂的非

线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统

的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望

成为表达确定性和不确定性两类混合并提炼这些经验使之成为知识进

而改进以后的控制，也将是先进控制的重要内容。

由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，

早期的先进控制算法通常是在PC机和UNIX机上实施的。随着DCS功能

的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS控

制站上实现。国外发达国家几乎所有企业都采用了DCS系统或其它智

能化设备来实现对生产过程的控制，并在此基础上通过实施先进控制

与优化较大的提升了系统的性能。可以说，高性能控制系统，尤其是

DCS系统的普及为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。

国外从70年代末就开始了先进控制技术商品化软件的开发及应用，并

在DCS的基础上实现先进控制和优化。如爱默生公司的DeltaV和Hon

eywell公司的TDC3000,其先进控制软件RMPGT和RPID等在现场的实

际应用都集中在自己的DCS系统上。传统的PLC由于不支持浮点运算

以及先进控制所必须的精确的时间，因此，除了模糊逻辑控制外，其

他的先进控制并没有在PLG平台上实现。然而，在过程工业中大多系

统使用先进灵活的PLC控制系统，因此1996年Barnes提出了一种基于

PC-PLC通讯的混合方式，通过控制网络实现计算机与PLG的通讯，从

而实现先进控制。

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