自动化控制技术在工业仪器仪表中的应用研究

引言

在工业和智能制造快速发展的时代背景下，工业生产正朝着智能化、高效化、精细化方向转型。工业仪器仪表作为工业生产中实现数据采集、过程控制、状态监测的关键设备，其性能直接影响生产效率、产品质量和企业经济效益。传统工业仪器仪表在面对复杂多变的工业环境和日益增长的生产需求时，逐渐暴露出监测效率低、控制精度不足、智能化程度差等问题。而自动化控制技术凭借自动检测、调节、控制和优化生产参数的能力，成为解决这些问题的核心手段。将自动化控制技术融入工业仪器仪表，不仅能够提高仪器仪表的性能和功能，还能推动工业生产实现自动化、智能化，对于提升企业竞争力、促进产业升级以及实现可持续发展具有重要意义。

一、自动化控制技术与工业仪器仪表概述

1.1 自动化控制技术基础

自动化控制技术是利用自动化设备与系统，对生产过程中的参数及条件进行自动检测、调节、控制与优化，以达成生产目标的技术体系，其核心涵盖传感器技术、控制器设计、执行机构、通信协议等多方面内容，属于多学科交叉融合的产物。回顾其发展历程，早期以简单机械控制为主，如离心式调速器对蒸汽机转速的控制。随着电子技术发展，进入以计算机控制为核心的现代阶段。如今，在人工智能、物联网、云计算等新技术推动下，自动化控制技术朝着智能化、网络化、集成化方向迈进。

1.2 工业仪器仪表概述

工业仪器仪表主要用于监测、控制和记录工业生产过程中的参数，是保障生产正常运行、提升产品质量和生产效率的重要工具。按功能可分为检测仪表、控制仪表、执行器等；按测量参数又可分为温度仪表、压力仪表、流量仪表等。其发展历经传统机械仪表、电子化阶段，步入现代智能化时期。传统机械仪表依赖机械结构实现测量与显示。电子化阶段引入电子元件，提升测量精度与功能；现代智能化仪表集成微处理器、计算机、通信等技术，具备远程控制、数据自动处理等功能，具有高精度、高可靠性、智能化等特点，广泛应用于工业生产各领域，成为工业自动化不可或缺的部分。

二、自动化控制技术在工业仪器仪表中的应用原理

2.1 数据采集与传输原理

在工业仪器仪表中，数据采集是自动化控制的基础。传感器技术作为数据采集的核心，通过将工业生产过程中的物理量、化学量等非电信号转换为电信号或其他可处理信号，实现对生产参数的感知。例如，温度传感器利用热敏电阻或热电偶，将温度变化转化为电信号；压力传感器通过压阻效应，把压力大小转换为相应电信号。智能传感器的应用进一步提升了数据采集质量，其具备自校准、自诊断、自适应功能，能自动补偿环境因素对测量结果的影响，确保数据准确性。数据传输则负责将采集到的数据高效、准确地传递至控制系统。为设备灵活部署和远程监控提供了便利，但也面临信号干扰、数据安全等挑战。

2.2 控制算法与策略应用

控制算法是实现自动化精确控制的关键。随着工业生产复杂性提升，智能控制算法发挥重要作用。模糊控制基于模糊逻辑，无需精确数学模型，能有效处理不确定性和非线性问题，在温度控制、液位控制等场景中表现出色，神经网络控制利用神经元网络强大的学习和自适应能力，可对复杂工业过程进行建模和预测控制，专家系统则将领域专家知识转化为规则，实现基于经验的智能决策与控制，适用于故障诊断和复杂工况处理。

2.3 系统集成与通信原理

不同行业控制系统的结构不同，其中以前普遍采用集中式控制系统，由于规模进一步发展，目前在集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）等控制系统因分散控制、集中管理控制广泛使用。DCS 系统控制采用大型复杂工业过程，对多个控制单元统一协调控制。PLC 系统在小型自动化系统和逻辑控制任务有较优的可靠性和灵活性。系统通讯及互操作性保证系统各个设备及子系统间信息的传输。

三、自动化控制技术在工业仪器仪表中的具体应用

3.1 自动化控制技术在检测仪表中的应用

在自动检测仪中，自动控制技术对数据采集分析作了重大更新，其关键技术成果为智能传感器。如化学行业中，MEMS 智能压力传感器中自带微处理器，能够分析当前压力数据，通过对温度漂移进行自校准达到自动消除误差的效果，该传感器还具有自诊功能，若传感器出现了问题即刻向控制装置发出信息。精密检测技术通过自动控制技术得到了加强，冶金中的炼钢钢水的温度传感器，红外线测温技术的检测设备结合自适应滤波处理来滤去环境光和传感器自身产生的振动而形成噪声，为调整炼钢参数提供证据。

3.2 自动化控制技术在控制仪表中的应用

控制仪表增强自身判断、调节能力的自动化控制技术是自动化控制仪表的基础和核心。先进的算法在很大程度上提高控制精准性，在石油化工行业中精馏塔的控制中，基于模型的预测控制（MPC）算法，可以先基于进料的流量、组成等参数的及时变化，预测出塔内温度、压力等指标的变化趋势并进行控制，动态调整回流量和加热功率，比传统的 PID 控制产品纯度的变化范围小、消耗的能量更低。

3.3 自动化控制技术在执行器中的应用

执行器是自动控制系统的“手和脚”，利用自动控制技术进行精确控制和动作配合。智能型执行器在工业现场大量应用，同时还支持在线诊断，能够实时监测电机负荷、阀门磨损状况。针对大型火电机组中的辅机控制，多套执行器共同协调动作，分布式控制组态完成预设计型和优化算法，协调送风机、引风机和给煤机等多台执行器共同运行，实现最经济最优化燃烧和最少的污染物排放。执行器与人工智能技术结合，如针对复杂工况的基于强化学习的执行器的控制策略，该执行器的控制行为在工作过程中能够进行自主学习获取最优控制行为，降低人为干预，增强系统的稳定性和经济性。

结语

本研究证实自动化控制技术深度赋能工业仪器仪表，显著提升其监测效率、控制精准度与复杂工况适应性，为工业生产提质增效提供有力支撑。但在技术融合、数据安全及系统稳定性方面仍存挑战。随着人工智能、物联网等技术持续突破，自动化控制技术将与工业仪器仪表更深度融合，推动工业生产向高度智能化、自主化迈进，助力工业领域实现高质量可持续发展。

参考文献

[1]王向锋,吴璀强.仪器仪表自动化控制技术在污水处理中的应用分析[J].中国机械,2024,(32):81-84.

[2]高媛媛.工业仪器仪表中自动化控制技术的应用探析[J].机械工业标准化与质量,2024,(03):41-44.