超越想象的进步

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欧文·莱夫科维茨博士在自动化和控制行业拥有50多年的经验，当涉及到工业技术的现代进步时，他已经看到了一切。他的观点为那些思考工程专业未来的人提供了有价值的见解。

Irving Lefkowitz博士是凯斯西储大学系统工程荣誉退休教授，ControlSoft公司的副总裁和联合创始人，该公司为先进的工业控制应用开发和销售软件解决方案。在过去的50年里，他为过程动力学、先进控制和基于计算机的集成和分层系统控制的进步做出了贡献，特别是专注于它们在工业中的应用。为了表彰他毕生对自动控制领域的贡献，他被授予美国自动控制委员会的控制遗产奖。

在凯斯西储大学(Case Western Reserve University)，他担任系统工程系主席，也是工业系统控制研究项目的主任，该项目由工业企业联盟支持。他还曾担任维也纳国际应用系统分析研究所综合工业系统项目的联合主任;联合国工业发展组织印度若干先进工业控制项目顾问;美国国际开发署埃及工业计算机控制应用项目顾问。他在美国和其他国家撰写了大量论文，并就计算机过程控制进行了广泛的演讲和咨询。

他持有凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的系统与控制工程硕士学位和博士学位，以及库珀联合工程学院(Cooper Union School of engineering)的化学工程学士学位。

此外，Lefkowitz博士还曾在《控制工程》杂志工作过。莱夫科维茨与案例系统研究中心创始人、大学工业系统控制研究项目发起人唐·埃克曼(Don eckman)一起，在1957年9月的《控制工程》杂志上共同撰写了“关于优化化学过程控制的报告”。Eckman和Lefkowitz进行的研究证明了使用计算机实时优化分批化学反应器控制的可行性。具体来说，计算机求解了一组微分方程，这些方程来自于过程的数学模型，从而迫使反应器组合遵循从测量的初始组合到指定的最终组合的最小处理时间轨迹。当模型仅近似反应动力学时，也证明了该方法的有效性。这是通过一种重复控制方案来实现的，其中基于当前测量的成分值，在每个采样时间重新计算最佳轨迹。在实验室规模的化学反应器上进行的测试结果表明，与传统控制策略相比，处理时间减少了23%。

你认为过去50年控制和自动化领域的三大进步是什么?你认为哪一点最重要?

我的选择是:

• 计算机技术的显著进步导致了速度和内存容量的指数级增长，以及硬件成本的相应降低。这一点，再加上软件能力的相应进步，使得计算机广泛应用于工业过程控制和自动化在经济上是可行的。

• 复杂工业系统控制的系统方法的发展，结合分布式控制和系统集成的概念。

• 连续过程控制和离散制造之间的区别越来越模糊——PID世界和PLC世界的结合。

我认为计算机技术的进步是三者中最重要的，因为它为我的另外两个选择的商业实现提供了手段。此外，它还提供了驱动自动化和集成工业系统控制的商业可行性的引擎。事实上，如果没有计算机硬件和软件的发展，我怀疑是否会有我们在制造业和加工业中所看到的大规模集成系统控制和自动化的商业应用的范围和程度。

您认为未来5到10年控制和自动化领域的下一个重大进展是什么?在未来50年?

以下领域似乎有望在短期内促进控制和自动化方面的重大进展:

• 用于加工和制造工厂的自动化系统诊断。这对于管理人员实时监控和评估工厂性能、有效的预防性维护计划以及快速故障检测和补救措施的能力非常重要。随着工厂变得越来越高度集成，计算机控制系统越来越复杂，整个工厂的性能越来越容易受到传感器和执行器故障、加工部件故障以及与外部系统相互作用的重大变化的影响。

• 智能固态传感器领域的进一步发展。这些发展有望扩大提供给计算机控制系统的信息的范围和提高信息的质量，从而提高系统的可靠性和整体经济性能。

• 更广泛地应用先进的控制概念(例如，基于模型的控制和预测控制)，以改善响应特性差的过程的控制。

• 更广泛有效地应用计算机控制和系统集成，进一步提高经济效益、质量控制、系统对变化条件的适应性、系统可靠性和容错能力。

当被要求“水晶球凝视”未来50年时，我想起了大约50年前的一次经历。我受邀参加了一个使用德尔菲法的全国性小组讨论，德尔菲法当时被认为是预测未来事件和趋势的热门新工具。这是在数字计算机商业化的早期。该小组的目标是预测计算机技术的趋势和计算机在工业、商业服务、家庭等方面的潜在应用。我们所有人都认为是疯狂的预测与实际发生的发展相差甚远，以至于我发誓再也不会对技术进步的长期预测进行预测。

回顾您的职业生涯，在自动化和控制领域有什么令人惊讶的进展吗?

我可以举出很多“惊喜”，但最让我印象深刻的要追溯到20世纪50年代初。用于科学(而不仅仅是数据处理)应用的数字计算机的新商业可用性引发了许多关于完全工厂自动化和无人工厂到来的不切实际的哲学思考。总的来说，这个想法是，中央计算机将自动化和控制工业工厂运行的所有方面，以最大限度地提高生产率、操作效率和产品质量等经济目标。有关工厂的所有相关信息将被传输到计算机，计算机将通过适当的算法和基于逻辑的规则确定需要传回工厂的控制信号，以实现预期的目标。

早期的数字计算机并不是为实时应用而设计的;但是，目前正在开发一些专门用于控制工业过程的小型机器。特别是rw300，实际应用于化学反应堆的监控，并取得了一定的成功。然而，这台机器是一台8000字的鼓式机器——很难编写程序，而且它所能处理的问题的大小和复杂性都非常有限。新的机器被开发出来，每一台都比上一代更大、更快，最终出现了以GE 4060为代表的大型主机，工厂应用也越来越大、越来越复杂。

令我们这个领域的许多人感到惊讶的是，这种进化如此突然地停止了。总体目标仍然存在，但市场认为更大的主框架不是解决方案。硬件变得非常昂贵，但更重要的是，与编程、调试和更新控制算法相关的成本甚至经常超过硬件的高成本。

随着微处理器的发展和随后小型计算机的商业化，这一切都改变了。新的硬件更快，更紧凑，更便宜。软件的发展使得编程、调试和更新更容易、更快。这大大减少了实施计算机控制系统的时间和人力成本。最后，开发了控制复杂系统的新方法，将整个复杂的工厂系统分解为更容易处理的子系统，由计算机层次结构控制和集成，每个子系统都适合所需的特定控制和决策任务。

新技术和系统概念的早期和非常成功的实现之一是在钢铁行业。整个钢铁厂都是由计算机系统控制的，计算机系统分布在不同的处理单元之间，分层组织，并集成了从直接操作控制到调度和计划功能的决策和控制功能，从而接近早期梦想家的目标。

在过程控制和自动化方面的工程师应该关注什么来推进他们的职业生涯?

我认为制造工程师面临的主要挑战是设计和实施工业生产流程和制造系统的能力，这些流程和制造系统不仅更完全地集成和自动化，而且更能适应需求、经济因素、加工技术等方面的变化。只有这样，工业企业才能保持竞争优势，特别是在外国竞争中受益于较低的工资和经营成本以及较少的限制。

为了迎接这一挑战，负责特定项目的工程团队必须共同合理地熟悉基本的系统工程工具，包括从第一性原理建模，系统动力学和自动控制，优化和决策技术，连续和离散系统的计算机模拟，与大规模系统集成和控制相关的方法，以及与这些工具应用相关的计算机硬件和软件。

请举一个你最喜欢的例子，说明你是如何在控制和自动化领域倡导变革的。

从1954年开始，我在凯斯西储大学指导工业系统控制研究项目近30年。我们在推动工业系统计算机控制的当前先进状态的概念和技术方面发挥了先锋作用。该研究涵盖了过程动力学、先进控制技术、基于计算机的过程控制、分布式和分层系统控制的研究，所有这些都特别关注工业应用。一个由代表计算机和控制制造商、化学和石油公司、钢铁厂、造纸、橡胶和其他行业的不同工业公司组成的财团资助了该计划，并帮助确定了其方向和优先事项。站在一个新发展领域的前沿，看到它从概念发展到广泛的实施，这是一个非常令人兴奋的经历。

欲了解更多信息，请访问以下网站:

美国自动控制委员会
凯斯西储大学
ControlSoft公司．
库珀联合工程学院
国际应用系统分析研究所

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