先進控制

隨着我國經濟體制的轉變，國內的眾多過程工業企業日益感受到國際間競爭所帶來的威力和挑戰。在這種大的背景下，積極開發和應用先進控制和實時優化以提高企業經濟效益，進而增強自身的競爭力是過程工業迎接挑戰的重要對策。現代控制理論和人工智能幾十年來的發展，已為先進控制奠定了應用理論基礎，而控制計算機尤其是集散控制系統（DCS）的普及與提高，則為先進控制的應用提供了強有力的硬件和軟件平台。總而言之，企業的需要、控制理論和計算機技術的發展是先進控制（APC）發展強有力的推動力。

隨着過程工業日益走向大型化、集成化、連續化、複雜化，對過程控制的品質提出了更高的要求，控制的目標已不再侷限於對某一個變量，或幾個變量的平穩操作，而是越來越多地加入了以經濟效益為代表的其他控制要求，然而傳統的以單變量技術為基礎的控制技術已無法滿足這些需求。控制與經濟效益的矛盾日趨尖鋭，迫切需要一類合適的先進控制策略。為了克服目前DCS 存在的“高能低用”運行狀態，國際上已經大量應用了先進控制技術（APC）和優化控制來提高效益，並有眾多公司推出了先進控制及優化商品化工程軟件包。國內石油化工等行業也認識到先進控制技術的重要性，並有一些單位開始了先進控制和優化控制的工程化軟件包的研究與開發，也取得一些成果。目前，國家正在進行高新技術產業化的推行工作，而先進控制與過程優化工程化軟件是“工業過程自動化高技術產業化”的重要組成部分 ^[1]  。

先進控制是對那些不同於常規單迴路控制，並具有比常規PID 控制效果更好的控制策略的統稱，而非專指某種計算機控制算法。先進控制的任務非常明確，即用來處理那些常規控制效果不好，甚至無法控制的複雜工業過程控制的問題。

先進控制的主要特點在於：

① 與傳統的PID 控制不同，先進控制主要是基於模型的控制策略，如：模型預測控制和推斷控制等，這些控制策略充分利用工業過程輸入輸出有關信息建立系統模型，而不必依賴對反應機理的深入研究。目前，基於知識的控制，如智能控制和模糊控制正成為先進控制的一個重要發展方向。

② 先進控制通常用於處理複雜的多變量過程控制問題，如大時滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在着各種約束等。先進控制是建立在常規單迴路控制基礎之上的動態協調約束控制，可使控制系統適應實際工業生產過程動態特性和操作要求。

③ 先進控制的實現需要較高性能的計算機作為支持平台。由於先進控制受控制算法的複雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，複雜系統的先進控制算法通常是在上位機上實施的。隨着DCS 功能的不斷增強和先進控制技術的發展，部分先進控制策略可以與基本控制迴路一起在DCS 上實現。後一種方式可有效地增強先進控制的可靠性、可操作性和可維護性。

先進控制的主要技術內容有如下幾個方面：

① 過程變量的採集與處理。利用大量的實測信息是先進控制的優勢所在。由於來自工業現場的過程信息通常帶有噪聲和過失誤差，因此，應對採集到的數據進行檢驗和調理。

② 多變量動態過程模型辨識技術。先進控制一般都是基於模型的控制策略，獲取對象的動態數學模型是實施先進控制的基礎。對於複雜的工業過程，需要強有力的辨識軟件，從而將來自現場裝置試驗得到的數據，經過辨識而獲得控制用的多輸入多輸出（MIMO）動態數學模型。

③ 軟測量技術，工藝計算模型。實際工業過程中，許多質量變量或關鍵變量是實時不可測的，這時可通過軟測量技術和工藝計算模型，利用一些相關的可測信息來進行實時計算，如FCCU 中粗汽油乾點、反應熱等的推斷估計。

④ 先進控制策略。主要的先進控制策略有：預測控制、推斷控制、統計過程控制、模糊控制、神經控制、非線性控制以及魯棒控制等。到目前為止，應用非常成熟而效益極為顯著的先進控制策略是多變量預測控制。其主要特點是：直接將過程的關聯性納入控制算法中，能處理操縱變量與被控變量不相等的非方系統，處理對象檢測儀表和執行器局部失效等的系統結構變化，參數整定簡單、綜合控制質量高，特別適用於處理有約束、純滯後、反向特性和變目標函數等工業對象。

⑤ 故障檢測、預報、診斷和處理。這是先進控制應用中確保系統可靠性的主要技術。

⑥ 工程化軟件及項目開發服務。良好的先進控制工程化軟件包和豐富的APC 工程項目經驗，是先進控制應用成功、達到預期效益的關鍵所在。

從全廠綜合自動化的角度看，先進控制恰好處在承上啓下的重要地位。性能良好的先進控制是在線優化得以有效實施的前提，進而可將企業領導者的經營決策、生產管理和調度的有關信息及時落實到全廠生產裝置的實際運行中，並可真正實現全廠綜合優化控制，如圖1所示。

先進控制是以分層方式實現的。先進控制給基本調節系統提供一組協調的最佳設定值，克服了常規單變量控制顧此失彼的本質缺陷。在約束控制下，過程在安全可靠的條件下和各種操作及設備的約束內，自動實現“卡邊控制”，使目標產品產量最大，操作費用最小，最大限度地提高裝置的經濟效益。

先進控制（包括優化控制）應用得當可帶來顯著的經濟效益。據資料介紹，用DCS 履行常規儀表，其投資約佔總投資的70%，取得的經濟效益約佔總效益的10%。利用DCS 組態功能，可以方便地構成各種常規控制，用TCS 表示，使裝置得到較好的控制質量，效益和投資約各佔總的10%。利用DCS 實現先進控制（APC），則只需增加約10%的成本，便可取得約40%的效益。在先進控制的基礎上，增加實時優化（RTO）功能，成本增加約10%，可進一步獲得40%的效益。可見實施先進控制與優化的投入產出比是極高的，如圖2所示。