工业先进控制介绍课件.ppt

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1、流程工业生产过程的先进控制及其应用,东华大学自动化系：任正云,2012年3月,发展背景,在现今全球竞争日益激烈的市场环境下，通过先进控制理论获取经济效益来提高企业的竞争力，已成为一种趋势。根据有关文献报道，各种不同石油化工装置实施先进控制后，其每年的净增效益如下表所示。虽然各公司所报出的年效益有所不同，但其数据出入不大，而实施先进控制所需要的成本只占其产生效益的很小一部分比例。,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 ()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，企业经济效益的需要、控制理论和计算机技术的发

2、展是先进控制 (Advanced Control)发展强有力的推动力。,先进控制的概念,先进控制是对那些不同于常规单回路控制，并具有比常规控制更好的控制效果的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。这些控制策略的先进性在于它们目前在工业过程中尚很少使用。,先进控制的主要特点,与传统的控制不同 ，先进控制是一种基于模型的控制策略，如：模型预测控制和推断控制等。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。,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之上的动态协调约束控制

3、，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。,先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。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，早期的先进控制算法通常是在上位机上实施的。随着功能的不断增强 ，更多的先进控制策略可以与基本控制回路一起在上实现。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。,先进控制在工厂中的地位,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至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。,先进控

4、制的发展现状,在过程工业界，从 40年代开始，采用控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论 ，主要采用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。目前 ，控制仍广泛应用，即便是在大量采用控制的最现代化的装置中，这类回路仍占总回路数的 80 % 90 %。,从 50年代开始 ，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统。在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。,在工业生产过程中，仍有 1 0 % 2 0 %的控制问题采用上述控制策略无法奏效 ，所涉及的被控过程往往具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不

5、完全性和大纯滞后等特征 ，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产率和消耗等有关指标。,自 50年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论 ，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法 ；对于状态不能直接测量的情形 ，也有观测器和估计器等工具。然而，当现代控制理论真正应用于工业过程控制时，却遇到了前所未有的困难。,与此同时 ，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解许多过去认为是无法求解计算的问题 ，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。,1

6、980年前后，来自过程控制界两位探索者J.Richalet和C.R.Cutler分析报道了其各自研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统控制问题的成果。这就是著名的模型预测启发式控制 ()和动态矩阵控制 ()。这一事实表明过程工业已开始接受现代控制概念，从而引发了预测控制在工业过程控制的大量应用。,近二十年年来，人工智能技术有了长足的进步并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最具有潜力的三种工具。,由于许多重要的工业过程都表现出内在的非线性，如 ：pH中和过程，使得那些基于线性模型的控制策略和传统的PID控制很难奏效。早期的解决办法有

7、变增益控制或针对特定过程来设计控制系统。近来，有关基于非线性模型 (机理和经验 )的控制有了较大的发展。但是 ，非线性控制尚属开发中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见。,控制系统的鲁棒性是体现系统性能的一个重要指标。它体现了模型与实际过程有差别的情况下控制品质的变化情况。在经典控制理论中，稳定裕度可反映系统鲁棒性 ，当稳定裕度大时，控制系统品质对参数的变化不敏感，即有较好的鲁棒性。现代控制理论则为鲁棒性的分析提供了更多的方法，尤其是鲁棒控制器单独提出之后，这一领域研究一直是控制理论界的研究热点并逐渐成为一个独立分支。,过程控制策略的分类,第一类：传统控制策略 手动控制、PID控制、比值控制

8、、串级控制、前馈控制第二类：先进控制经典技术 增益调整、时滞补偿、解耦控制、选择性超驰控制器,第三类：先进控制流行技术 模型预测控制、统计质量控制、内模控制、自适应控制第四类：先进控制潜在技术 最优控制 ()、专家系统、非线性控制、神经控制器、模糊控制第五类：先进控制研究中的策略 鲁棒控制 、和 综合,先进控制的核心内容,作为一个整体 ，先进控制应包括从数据采集、数据处理、数学模型建立、先进控制策略和工程实施的全部内容。,数据采集处理和软测量技术,由于来自工业现场的过程信息通常带有噪声，数据采集时应作滤波处理，采集到的数据还应进行过失误差的检测与识别和过程数据的有效性检验及数据调理工作。这是先

9、进控制应用的重要保障。基于可测信息和模型、实时计算不可测量的变量，也即软测量技术，是先进控制中不可缺少的内容。,多变量动态过程模型辨识技术,获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对于复杂工业过程，需要强有力的辨识软件，以便在剔除一些过失虚假数据的基础上，把分段有效数据有机地组合起来，最终将实际工业生产环境下进行现场装置试验的数据，获得多输入多输出 ()动态数学模型。,先进控制策略,先进控制采用了合理的控制目标和控制结构 ，可更好地适应工业生产过程的需要。先进控制主要解决：个别重要过程变量控制性能的改善，主要采用单变量模型预测控制与原控制回路构成所谓的“透明控制”的方式；解决约束多变量过程

10、的协调控制问题，主要采用带协调层的多变量预测控制策略；推断质量控制，利用软测量的结果实现闭环的质量卡边控制。,涉及到的主要控制策略有：模型预测控制、推断控制、协调控制、质量卡边控制、统计过程控制，正在兴起与开发中的模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制。,先进控制的实施,先进控制在实施时需要解决许多具体的工程问题，其中包括： 合理地选择被控的区域。这不仅意味着系统的平稳性，更重要的是它直接决定着先进控制所能获得的经济效益； 正确整定基本PID控制回路和先进控制系统，整定基本回路是为实施先进控制奠定基础，而整定先进控制则是为在动态响应与鲁棒性之间作出权衡；,合理限制控制变量的变化量和变化率，保

11、证控制系统的平稳性和对不确定因素的鲁棒性； 建立良好的先进控制人机界面，确保在最常用的流程图画面上看得到先进控制的信息，便于投用、维护和操作。,先进控制工程化方法,要使先进控制达到预期的经济效益，必须严格地按一定的程序完成先进控制的工程化工作，而且与所选用的工作平台无关。其工程化主要步骤如下：,（1）定义目标 首先应将整个企业的目标细化为装置的目标、过程单元的目标以及最终主要过程设备的目标。过程装置的目标可表述为以一定的产率生产出满足一定规格的某些产品。其性能指标可以是生产成本、产品质量或处理量。干扰可能是进料中的组分或生产负荷变化。装置在经受所有的波动和扰动的情况下必须满足预定的性能指标。,

12、（2）分解目标至最底层 在一个装置内，应对各主要设备建立控制目标，从而将过程装置的目标分解至最底层的各个设备。尽管对每个设备而言，存在各种扰动 ，但是其控制在不违反任何安全和设备约束前提下始终要满足目标。,（3）识别先进控制的适用性 先进控制的适用性是指通过采用先进控制能否达到减少主要过程变量变化的预期目标。如果先进控制不适用，就需考虑工艺过程自身的改进。,（4）先进控制的效益 /成本分析 每个可能的先进控制算法的效益可与实施该算法的成本进行比较。效益/成本分析可以给出是否采用先进控制策略或应当采用哪种先进控制算法。,（5）制订功能标准 对每个要实施的先进控制算法必须规定其功能标准。它的主要内

13、容包括：控制目标、过程简单描述、控制算法、涉及的硬件、仪表、控制回路、程序框图等。这种标准在详细工程设计时可进一步扩展并最终成为先进控制的技术文档。,（6）先进控制的实现 在先进控制方案确定以后，首先进行详细的工程设计，这些工程设计包括控制回路连接图、系统仪表配置一览表、先进控制操作界面等，最终生成可实现的控制软件。,（7）调试 调试这一步是检验先进控制方案和生成的控制软件是否正确。因此，首先进行在线实时仿真和跟踪，测试先进控制系统的输出方向和数值是否在可行的范围内，只有符合设计要求后，方可开始试运行，在运行中，适当调整有关的参数，使先进控制的结果与原简单PID控制相比，达到预测设计的目标。,

14、先进控制提高效益的几个方面,1 提高装置的生产总量；2 提高高附加值产品的生产能力；3 减少不合格产品的比例和降低循环生产的费用；4 减少物料损失和降低能源消耗；5 提高生产的稳定性，延长设备的生产周期。,为流程工业企业更好地实现“安稳长满优”提供有力支撑和保障！,据统计，仅就中国石化集团公司所属的67套常减压和65催化裂化装置，如果在这些装置上采用先进控制算法将可增加产值约为3%5%，净增产值近100亿元，其潜在效益十分可观。由此可见，低投入高回报是先进控制持续发展的动力所在，是市场永无止境的需求推动了先进控制理论的发展。当前，计算、通讯和传感技术的高速发展为控制领域的发展提供了空前的机遇。

15、,先进控制面临的挑战,先进控制的广泛应用，为企业带来了显著的经济效益。另一方面，在实施先进控制的过程中，也会碰到许多富有挑战性的问题，反过来又促进先进控制向更高层次发展。下面扼要介绍目前在实现先进控制策略中面临的几个主要问题。,（1） 模型辨识的新工具 目前，为了完成象反应器这样的主要工业生产过程动态性能的测试，需要耗费数周的时间，这给工程技术人员带来很大的工作量，迫切需要更好和更有效的过程动态响应测试和能更充分利用统计信息辨识出动态模型的方法。,（2）自适应模型预测控制 针对那些变增益的工业过程，如油品调合和pH控制等过程，需要应用自适应控制的思想来改进多变量模型预测控制器性能，例如模型参数

16、预测等方法的研究和开发。,（3）非线性模型预测控制 普遍应用的模型预测控制软件包采用的是线性模型，在碰到内在非线性问题时，必须将其参数整定得以确保在整定操作区域内的稳定性，其后果是对许多操作区域的控制作用过于迟缓。为了根本解决这一问题，迫切需要非线性模型预测控制工程化软件。,(4)多元统计监控 随着计算机集成控制的广泛应用，大量信号和控制回路的集中管理监督和性能的评判 ，已成为工艺操作者的主要责任，如何加强计算机监控是当今现代工厂企业的重要内容。传统的统计过程控制在处理含有耦合变量的连续过程单元时，通常会导致错误。然而，随着主元分析（PCA）和部分最小二乘 （PLS）技术的工程化应用研究开发，

17、并进入到在线应用阶段，含PCA和PLS的多元统计监控的应用将会日益增多。,工厂自动化水平对先进控制影响,先进控制是在常规控制正常运行的前提下进行的。而不同企业、不同装置自动化水平参差不齐，这给先进控制的工程应用带来了较大的困难，即使实施了先进控制，有时也难以长周期地运行。 中国石油化工企业的常规控制投用率都不是太高，个别生产装置只有 3 5%，大致有以下几方面的原因：,常规控制设计不尽合理，难以投用。特别是串级和分级等复杂控制，投用率更低。常规控制的PID参数整定不合适。操作工习惯手动调节，操作工感觉手动调节直接开闭调节阀更安全可靠。,工艺、设备条件制约先进控制的应用。企业配合，先进控制工程应

18、用过程本身就是一个系统工程。项目进行前期，要有仪表、计算机方面的配合；项目进行后期，主要是工艺方面的配合；先进控制系统试运行期间，需要仪表、计算机、工艺、生产调度、计量、化验分析和在线分析等各方面配合和协调。,结论,随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展，系统的复杂性不断增加，表现为控制目标多元化、变量数目增多且相关性增强以及存在着多种约束。因此，先进控制的应用也将越来越多，我们不仅要综合运用工艺知识、操作经验来加深对过程的理解，而且要利用统计学和控制理论分析过程的内在特性。从工业应用的角度看，先进控制的成功关键在于设计者对于被控过程是否有清晰的概念，是否能正确地应用各种控制策略。,Thanks!谢谢！,