[科普中国]-先进控制

出现背景

随着我国经济体制的转变，国内的众多过程工业企业日益感受到国际间竞争所带来的威力和挑战。在这种大的背景下，积极开发和应用先进控制和实时优化以提高企业经济效益，进而增强自身的竞争力是过程工业迎接挑战的重要对策。现代控制理论和人工智能几十年来的发展，已为先进控制奠定了应用理论基础，而控制计算机尤其是集散控制系统（DCS）的普及与提高，则为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。总而言之，企业的需要、控制理论和计算机技术的发展是先进控制（APC）发展强有力的推动力。

随着过程工业日益走向大型化、集成化、连续化、复杂化，对过程控制的品质提出了更高的要求，控制的目标已不再局限于对某一个变量，或几个变量的平稳操作，而是越来越多地加入了以经济效益为代表的其他控制要求，然而传统的以单变量技术为基础的控制技术已无法满足这些需求。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。为了克服目前DCS 存在的“高能低用”运行状态，国际上已经大量应用了先进控制技术（APC）和优化控制来提高效益，并有众多公司推出了先进控制及优化商品化工程软件包。国内石油化工等行业也认识到先进控制技术的重要性，并有一些单位开始了先进控制和优化控制的工程化软件包的研究与开发，也取得一些成果。目前，国家正在进行高新技术产业化的推行工作，而先进控制与过程优化工程化软件是“工业过程自动化高技术产业化”的重要组成部分1。

定义先进控制是对那些不同于常规单回路控制，并具有比常规PID 控制效果更好的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。先进控制的任务非常明确，即用来处理那些常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。

特点先进控制的主要特点在于：

① 与传统的PID 控制不同，先进控制主要是基于模型的控制策略，如：模型预测控制和推断控制等，这些控制策略充分利用工业过程输入输出有关信息建立系统模型，而不必依赖对反应机理的深入研究。目前，基于知识的控制，如智能控制和模糊控制正成为先进控制的一个重要发展方向。

② 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制基础之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。
③ 先进控制的实现需要较高性能的计算机作为支持平台。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，复杂系统的先进控制算法通常是在上位机上实施的。随着DCS 功能的不断增强和先进控制技术的发展，部分先进控制策略可以与基本控制回路一起在DCS 上实现。后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性。

主要内容先进控制的主要技术内容有如下几个方面：

① 过程变量的采集与处理。利用大量的实测信息是先进控制的优势所在。由于来自工业现场的过程信息通常带有噪声和过失误差，因此，应对采集到的数据进行检验和调理。

② 多变量动态过程模型辨识技术。先进控制一般都是基于模型的控制策略，获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对于复杂的工业过程，需要强有力的辨识软件，从而将来自现场装置试验得到的数据，经过辨识而获得控制用的多输入多输出（MIMO）动态数学模型。

③ 软测量技术，工艺计算模型。实际工业过程中，许多质量变量或关键变量是实时不可测的，这时可通过软测量技术和工艺计算模型，利用一些相关的可测信息来进行实时计算，如FCCU 中粗汽油干点、反应热等的推断估计。

④ 先进控制策略。主要的先进控制策略有：预测控制、推断控制、统计过程控制、模糊控制、神经控制、非线性控制以及鲁棒控制等。到目前为止，应用非常成熟而效益极为显著的先进控制策略是多变量预测控制。其主要特点是：直接将过程的关联性纳入控制算法中，能处理操纵变量与被控变量不相等的非方系统，处理对象检测仪表和执行器局部失效等的系统结构变化，参数整定简单、综合控制质量高，特别适用于处理有约束、纯滞后、反向特性和变目标函数等工业对象。

⑤ 故障检测、预报、诊断和处理。这是先进控制应用中确保系统可靠性的主要技术。

⑥ 工程化软件及项目开发服务。良好的先进控制工程化软件包和丰富的APC 工程项目经验，是先进控制应用成功、达到预期效益的关键所在。

先进控制带来的经济效益从全厂综合自动化的角度看，先进控制恰好处在承上启下的重要地位。性能良好的先进控制是在线优化得以有效实施的前提，进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调度的有关信息及时落实到全厂生产装置的实际运行中，并可真正实现全厂综合优化控制，如图1 所示。

图1

先进控制是以分层方式实现的。先进控制给基本调节系统提供一组协调的最佳设定值，克服了常规单变量控制顾此失彼的本质缺陷。在约束控制下，过程在安全可靠的条件下和各种操作及设备的约束内，自动实现“卡边控制”，使目标产品产量最大，操作费用最小，最大限度地提高装置的经济效益。

先进控制（包括优化控制）应用得当可带来显著的经济效益。据资料介绍，用DCS 履行常规仪表，其投资约占总投资的70%，取得的经济效益约占总效益的10%。利用DCS 组态功能，可以方便地构成各种常规控制，用TCS 表示，使装置得到较好的控制质量，效益和投资约各占总的10%。利用DCS 实现先进控制（APC），则只需增加约10%的成本，便可取得约40%的效益。在先进控制的基础上，增加实时优化（RTO）功能，成本增加约10%，可进一步获得40%的效益。可见实施先进控制与优化的投入产出比是极高的，如图2 所示。

图2