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主题:【原创】自动控制的故事(一)(完) -- 晨枫

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    • 家园 【原创】自动控制的故事(二十)

      和打仗一样,赢得战斗的是武士,不是武器。控制工程师是控制回路成功与否的关键,而不是价值千金的计算机,或者“放之四海而皆准”的数学控制理论。

      在加拿大,化工系的控制“专业”要选满所有化工学分,然后再加选控制学分,所以要求比一般的化学工程师还要高一点。选满化工学分是很重要的一点,如果没有对化工的话语权,那化工控制也别混了,这一点是国内(至少是二十多年前我读大学的时候)所欠缺的。这就像医生一样,只有对生理、病理有深刻的了解,对病人的具体情况有深刻的了解,才有可能可靠地判断病情,才能可靠地开方治病。只会看单抓药,这就不是医生,而是药剂师了。在实际中,控制工程师对工艺过程的动态行为的理解至少应该和工艺工程师同等,和操作工相当。事实上,很多时候,控制工程师的使命就是将工艺工程师和操作工的经验和知识具体化、自动化了,如果你不能深刻理解,那如何实现呢?一个优秀的控制工程师可以在操作工不在的时候,当班操作;可以在工艺工程师不在的时候,做出工艺决定。

      但是控制工程师毕竟不是工艺工程师,也不是操作工。控制工程师应该掌握前面说到的所有领域,从数学控制理论,到计算机网络,到人机工程,到工艺和仪表知识。这个要求很高,但不是不切实际的。这些是搅这个瓷器活所必需的金刚钻。这也是为什么现在工业界热衷于招雇具有硕士学位的控制毕业生,因为本科的几年已经很难学习必须的知识了。至于博士,那还是有眼高手低的嫌疑,呵呵。

      专业知识只是成功的一面,控制工程师必须善于与人打交道。工艺工程师比较好说,毕竟有类似的背景,但操作工是控制系统成败的关键,如果无法取得操作工对你个人和你的控制系统的信任和合作,那控制系统很可能就是永久性地被关闭,操作工宁愿手工控制,出了问题还是因为控制系统不可靠,你就等着里外不是人吧。但是取得操作工的信任和合作后,事情会向相反的方向发展。操作工会主动向你提出改进建议,或新的想法,主动找机会帮你试验新的功能,主动拓展控制系统的性能极限。如果说顾客是上帝的话,操作工而不是部门主管才是控制工程师的上帝。

      控制工程师也要善于和头儿打交道,毕竟搞项目、要钱的时候,还是要找头儿的。打报告、作报告、项目控制和管理、和供应商打交道,这些都是必备的技能。

      工艺工程师也是工程师,但用军队的比方来说,他们人多势众,更像常规部队,习惯大兵团协同作战。控制工程师则像特种部队,人数少,行止怪癖(至少对工艺的人来说,他们永远弄不明白控制的人到底在做什么,怎么做出来的),从规划到实施到维修,全一手包办。

      控制理论的发展历程就是一个寻找“放之四海而皆准”的“神奇子弹”的历程,终极目标是可以用一个统一的数学控制工具去“套”任何一个具体的控制问题,而不必对具体过程的物理、化学等特性有深入的理解。控制理论的每一次重大进展,都给人们带来希望,“这一次终于找到了”。但每一次希望都带来了新的失望,新方法、新工具解决了老问题,但带来了新的局限,有的时候甚至转了一圈兜回去了。新的局限往往比老问题更棘手,需要对过程的理解是更多而不是更少。矛和盾就是这么着在螺旋形上升中斗法。

      但是现实常常和人们的认识背道而驰。在商业化的大潮中,推销先进控制算法的公司拍胸脯担保可以如何如何用“万能”的数学控制工具解决一切控制问题,那些绚烂的老虎皮也确实照得不明就里的人眼花缭乱,心旌飘荡;公司的头儿也一口吃进,毕竟“技术万能论”不仅在美军中盛行,在北美的公司文化中也是大行其道。直到有一天,人们发现永动机依然是神话,人还是不能在水上步行,方才想起来,原来世上是没有这等好事的。不过这是题外话了。

      本来就知道这个系列会又臭又长,但是既然写了,就写完吧,希望没有占用太多的带宽,希望没有浪费大家的时间,希望给对自动控制有兴趣的朋友提供一点入门的知识,希望给同好提供一些从实际中得到的经验,错误的地方肯定很多,敬请原谅,同时谢谢阅读。

      全文完。

      元宝推荐:四月一日,
      • 家园 【求助】关于调节阀选型问题

        晨枫老师的自动控制故事看了两遍,特别是现代控制部分比教科书有趣多了,也解决了我不少的困惑

        另外请教下调节阀选型问题,主要疑问是:阀的特性曲线如何与对象特性匹配,才能达到比较好的控制效果?

        网上不少资料,例如:

        “一个热交换器的自动调节系统,它是由调节对象、变送器、调节仪表和控制阀等环节组成。

        K1变送器的放大系数,K2调节仪表的放大系数,K3执行机构的放大系数,K4控制阀的放大系数,K5调节对象的放大系数。

        很明显,系统的总放大系数K为:K=K1*K2*K3*K4*K5在负荷变动的情况下,为使调节系统仍能保持预定的品质指标,则希望总的放大系数在调节系统的整个操作范围内保持不变。

        通常,变送器、调节器(已整定好)和执行机构的放大系数是一个常数,但调节对象的放大系数却总是随着操作条件变化而变化,所以对象的特性往往是非线性的。因此,适当选择控制阀的特性,以阀的放大系数的变化来补偿调节对象放大系数的变化,而使系统的总放大系数保持不变或近似不变,从而提高调节系统的质量。

        因此,控制阀流量特性的选择应符合:K4*K5=常数

        对于放大系数随负荷的加大而变小的现象,假如选用放大系数随负荷加大而变大的等百分比特性控制阀,便能使两者相互抵消,合成的结果,使总放大系数保持不变,近似于线性。当调节对象的放大系数为线性时,则应采用直线流量特性,使总放大系数保持不变。”

        大致明白这段,问题是:

        1、这里的“调节对象的特性”一般都怎么得到,除了辨识、机理建模外,实际应用中有无更快捷的手段?而且这个特性应该是指从调节阀开度变化到被控参数变化的关系吧?

        2、晨枫对这段有何指正,另外有何建议呢?

        先谢谢了!

        • 家园 这段话原则上说不错的,具体做起来凭经验

          不敢自称老师,同行交流,哈哈。

          问题正是出在对象特性。我的工作主要在控制而不是仪表选型,所以这方面的经验比较间接,只能胡诌一点供参考。

          对象特性的精确确定只有通过辨识或者机理模型,但这也是一个似是而非的事情。调节阀的选型问题在于过程的静态非线性,但辨识通常是基于线性模型的,辨识出来也没法告诉你该选等百分比(也称对数)阀还是线性阀;机理模型太费事,建立后也要泰勒展开看线性项,才能确定放大系数的变化关系,实践中没有费这个事。

          最实用但对经验和工艺理解要求相对较高的办法是理解过程的特性。比如说,大口径低压管道里,阀门开度增加,上游压力会有所降低,这样开度增加会导致阀上压降加速降低,这时用等百分比阀比较有利;如果上游压力很高,或者稳压很好,阀门开度对上游压力基本上没有影响,那就用线性阀。这只是对管道-阀系统的流量特性选型,理想情况是把被控对象一起包括进来,实际上这一段通常留给控制器去管了,可以用gain scheduling(变增益?)去补偿,就像PH控制一样。

          希望没有误导……

      • 家园 晨枫,好文
      • 家园 感觉有点~~

        亲切的,以前我也学过这些,现在都还给老师了

      • 家园 晨枫老师上完课了, 那接下来要考试还是交报告?

        强烈推荐马鹿同学!

      • 家园 精彩!有几个章节回头还要重点温习一下。
        • 家园 嘿嘿

          你老兄是学控制理论的,给你这么一重点温习,我可就漏洞百出喽。

          你的签名图是哪里?看着房子像外国的,看着楼顶那面旗像中国的。

          • 嘿嘿
            家园 正因为是做理论的,所以更觉得有收获

            我做的比较多的是很数学化的几何控制,总是和流形、李群打交道。对化工过程中的控制知道不多,也不知道原来PID还有那么多讲究,LQG在实际中原来是那么用的。看了晨兄的大作,很多熟悉已久的东西从一个不同的角度看过来,又有了新的了解和体会,确实是受益良多。

          • 嘿嘿
            家园 量子的中学

            这个问题我也问过!

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