[胜利学院前沿讲座]流程工业先进控制技术
工业过程先进控制概述石红瑞
现场总线控制系统FCS的主要特征
1. 数字通讯代替4~20ｍＡ模拟传输，数字通讯网络延 伸到工业过程现场；
2. 智能现场设备：智能变送器完成测量、变送基本功 能，还具有自诊断、报警，再现标定、PID调节、 信号处理、通信等功能，可实现多参数传感变送器。
3. 开放的互联网络：协议公开、互操作性、互用性。 4. 系统结构的高度分散性：总线仪表集检测、运算、
9、其他类型现场总线
• HART协议，用于现场智能仪表和控制 是设备间通信的一种开放协议，属于模 拟系统向数字系统转变过程中过渡性产 品，其特点是在现有模拟信号传输线上 实现狮子信号通信。 HART协议最早由 Rosemount公司开发并得到E+H，Moor, AB,Siemens,Smar和横河等许多著名仪表 公司的支持。
多变量频域
随机过程 非线性系统
3、检测控制仪表的发展
• 50’，基地式仪表（电子真空管），自力 式温度调节，就地式液位控制
• 60’，单元组合（气动、电动） QDZ ：0.02~0.1MPa 标准信号 DDZП：0~10mA标准信号 DDZШ ：4~20mA、1~5V 标准信号
DDZ仪表与数字调节器
• 研究内容：可控性、可观性、实现问题、 典范型、分解理论、稳定性理论
• 使控制由一类工程设计方法提高到新的 科学----控制科学。相继出现了系统辨识 与参数估计、随机控制、自适应控制、 鲁棒控制等。
• 航空、航天、制导成绩辉煌，复杂工业 过程无能为力。
80~90’，大系统理论与智能控制
• 大系统理论：控制理论广度挖掘 研究大系统的分解及各子系统的协调，多
DCS的体系结构——Siemens
工程师 站
打印服
AB PLC控制系统 ControlNet 操作工 局域 操作工
先进控制技术综述
先进控制技术综述1 引言在实际的工业控制过程中，很多系统具有高度的非线性、多变量耦合性、不确定性、信息不完全性和大滞后等特性。
对于这种系统很难获得精确的数学模型，并且常规的控制无法获得满意的控制效果。
面对这些复杂的工业控制产生了新的控制策略，即先进控制技术。
先进控制技术包括：自适应控制，预测控制，推理控制，鲁棒控制以及包括模糊控制与神经网络在内的智能控制方法。
本文详细介绍了自适应控制、预测控制以及这两种先进控制的应用领域和优缺点[1]。
2 自适应控制自适应控制的思想是对于系统中的不确定性，以及控制任务的艰巨性，对于部分未建模的动态特性、变化的被控对象和干扰信号，及时地测得它们的信息，并根据此信息按一定的设计方法，自动地做出控制决策、修改控制器结构和参数，使其控制信号能够适应对象和扰动的动态变化，在某种意义上达到控制效果最优或次优。
2．1 自适应控制介绍目前自适应控制的种类很多，从总体上可以分为三大类：自校正控制、模型参考自适应控制和其他类型的自适应控制。
自校正控制的主要问题是用递推辨识算法辨识系统参数，根据系统运行指标来确定调节器或控制器的参数。
其原理简单、容易实现，现已广泛地用在参数变化、有迟滞和时变过程特性，以及具有随机扰动的复杂系统。
自校正控制系统的一般结构图如图1所示。
自校正控制适用于离散随机控制系统[2]。
图1 自校正控制结构图模型参考自适应控制，利用可调系统的各种信息，度量或测出各种性能指标，把模型参考自适应控制与参考模型期望的性能指标相比较；用性能指标偏差通过非线性反馈的自适应机构产生自适应律来调节可调系统，以抵消可调系统因“不确定性”所造成的性能指标的偏差，最后达到使被控的可调系统获得较好的性能指标的目的。
模型参考自适应控制可以处理缓慢变化的不确定性对象的控制问题。
由于模型参考自适应控制可以不必经过系统辨识而度量性能指标，因而有可能获得快速跟踪控制。
模型参考自适应控制结构框图如图2所示，模型参考自适应控制一般用于确定性连续控制系统。
先进控制技术
6.1.1 模糊控制的数学基础 6.1.2 模糊控制原理 6.1.3 模糊控制器设计
6.1.1 模糊控制的数学基础
1. 模糊集合 有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵 和外延，只能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。
3.自学习模糊控制策略和智能化系统的实现。
4.常规模糊控制系统稳态性能的改善。
5.把已经取得的研究成果应用到工程过程中，尽快把其转化 为生产力。因此，需加快实施简单实用的模糊集成芯片和模糊 控制装置，以及通用模糊控制系统的开发与应用。
6.2 神经网络控制技术
神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学模型的先 进控制方法，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的 控制对象，并具有较强的适应和学习功能。
人的手动控制策略是通过操作者的学习、试验及长期经验积 累而形成的，它通过人的自然语言来叙述，例如，用自定性的、 不精确的及模糊的条件语句来表达：若炉温偏高，则减少燃料： 若蓄水塔水位偏低，则加大进水流量；若燃烧废气中含氧量偏 向，则减小助燃风量等。
由于自然语言具有模糊性，所以，这种语言控制也被称为模 糊语言控制，简称模糊控制。
6.1.4 模糊控制的特点
模糊控制理论主要优点如下： 不需要精确数学模型 容易学习 使用方便 适应性强 控制程序简短 速度快 开发方便 可靠性高 性能优良
6.1.5 模糊控制的应用
近年来，模糊控制得到了广泛的应用。下面简单介绍一些模糊 控制的应用领域：
1)航天航空：模糊控制现在已应用于各种导航系统中。 2)工业过程控制：工业过程控制的需要是控制性术发展的主要 动力。 3)家用电器: 全自动洗衣机、电饭煲、空调等。 4)汽车和交通运输：防抱死刹车系统，基于模糊控制的无级变 速器，模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。 5)其控制场合： 电梯控制器、工业机器人、核反应控制、医疗仪器等。除控制 应用以外，还应用于图像识别、计算机图像处理、金融和其他专 家系统中。
浅谈现代过程工业中的最优控制技术及其应用
浅谈现代过程工业中的最优控制技术及其应用作者：亓会平来源：《E动时尚·科学工程技术》2019年第06期摘要：新时代下的能源、环境等问题是社会关注的焦点，最优控制技术的利用可以大幅度解决这些问题，这成为了人们追求利用的重要手段。
尤其是随着问题规模和复杂性的增加，传统优化方法已经无法解决，急需智能算法应用的使用，尤其是智能算法和传统算法的相互结合，如自适应遗传算法、单纯形模拟退火算法、粒子群算法和遗传算法的结合，模拟退火算法和遗传算法结合等和对自身的优化提升在面对实际问题上能够实现最优化。
关键词：现代过程工业；最优控制；应用；前景在日常工作生活中经常会遇到最优问题的解决，其中数学知识的运用是最常用的方法。
通常控制系统中最优问题的解决方法步骤是：对于某个由动态方程所描述的系统，在某些初始和终端状态条件下，我们可以从系统所允许的某控制系统集合中寻找到一个控制，促使给定的系统性能目标函数达到最优。
一、现代过程工业中的最优控制技术大数据时代背景下，现代科技对计算要求更高，之前传统的经典优化方法已经不能适应现实工程优化问题的需求，如用于求解线性规划问题的单纯型法，用于求解非线性规划的梯度下降法、共扼梯度法，以及用于求解约束优化问题的拉格朗日乘子法等。
基于此现状，我们需要找到一种解决现实问题的优化控制方法，这就促使人们开始探索最优控制技术。
李国强等研究了自适应动态寻优方法在极值调节控制系统中的应用，发现在实际工业生产中，若采用自适应动态寻优方法，可以不用辨识极值调节控制对象线性部分的参数，甚至能自动适应参数的飘移，因而使控制系统运行的稳定性和连续性得到保证。
陈奕梅等在对一类带有系统扰动且控制项和状态项里都含有未知参数的非线性系统的反馈稳定问题进行研究时，用扩展系统的非自适应稳定问题代替原系统的自适应稳定问题，并通过扩展系统的鲁棒控制李亚普若夫函数，得到能让原系统自适应稳定的控制律，并且通过逆最优的方法论证了所求控制律为满足某种性能指标的最优控制。
先进控制技术(APC)在石化炼油装置的应用
先进控制技术(APC)在石化炼油装置的应用作者：周京强来源：《中国化工贸易·中旬刊》2019年第08期摘要：随着我国近几年来科学技术水平的不断提高，我国当前的石油产业在进行整体发展过程当中，开始引进大批先进的科学技术，对当前的生产模式，生产工艺进行全新的调整，尤其是在进行石化炼油装置的整体技术革新过程当中摒弃了传统的pid控制，运用了当前全新的控制技术，通过先进控制技术，能够更好的提高当前石化炼油装置的工作效率，也能够提高工作质量。
但当前很多企业对先进控制技术仍然存在一定的误解，或者说认知不足，因此本文将会就先进控制技术在石化炼油装置的应用进行分析。
关键词：先进控制技术;石化炼油装置;分析与应用实际上我国当前应用的先进控制技术，就是目前最为先进的信息化技术与传统的pid控制技术融合产生的一种全新的控制技术。
当前我国应用的先进控制技术，主要应用到的领域就是对当前很多工业生产的设备进行控制。
比如在进行很多产品生产过程当中，很多设备往往都需要借助控制系统，才能够更好的完成工作，提高工作效率。
但是目前所设计的控制系统，其内部设计的算法一般都是pid算法，换句话说，就是控制系统在对整个生产系统控制过程当中运用的控制模式，控制方式就是pid调节，先进算法在进行整体应用过程当中，不仅仅具有一定的优点，而且相对于当前的技术智能化、自动化而言，先进控制技术的产生，真正推动了我国当前行业的快速发展，本文拟将就先进控制技术在石化炼油装置的应用进行分析。
1 先进控制技术功能特点1.1 先进控制技术概念先进控制技术相对于我国当前很多机械生产系统而言，也属于生产系统的一部分，它主要的负责功能就是很多设备在日常生产活动开展过程当中，往往都需要借助控系统对其进行仔细控制，确保设备的工作正常运行。
该技术相对于我国当前很多传统的控制技术而言，不仅具有一定的自动化特性，更重要的是相对于传统的控制系统和控制技术而言，他所建立的控制系统以及所产生的技术成果，其自身都具备一定的技术智能化特性。
13 先进控制方法
令：输入变量：Qi、R2；输出变量：h1、h2 将上式描述为增量方程，其中非线性关系h2/R2可写成：
h2 h2 h20 2 R2 R2 R2 R2o
下标0表示稳态点
有：
h1 h2 d h1 Qi A1 R10 dt h1 h2 h2 h20 d h2 2 R2 A2 R10 R20 R20 dt
机理与经验的组合模型： 通过机理分析获得数学模型的结构，通过试验 数据回归模型参数的方法获得的模型。也称为“灰 箱模型” 其他分类方法： 分布参数和集中参数模型 连续时间和离散时间模型 随机性和确定性模型 线性和非线性模型 参数与非参数模型
2) 数学模型的应用 数学模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具， 是分析、设计、预报或预测、控制实际系统的基础。 工业控制角度： 过程的数学模型是系统方案和控制算法设计的重要基 础和应用工具之一。 先进控制应用： 过程的数学模型是实施先进控制的重要先决条件。 主要应用： 系统特性分析，过程仿真，依据模型控制，优化控制
H h1 h2 T
1 AR 1 10 A 1 A2 R10
U Qi
1 A1 R10
R2 T
1 A 1 B 0 0 h20 2 A2 R20
1 1 A2 R10 A2 R20
13.1.2 基本建模方法 1） 机理建模 根据过程对象的机理知识建立数学模型方法。 主要理论依据： 平衡关系、过程的基本规律、对象设备特性。 前提条件： 充分了解对象特性和机理，掌握必要的理论知识。
机理模型的主要特点： 优点： a. 可从事物的本质认识其外部特性； b. 可以事先求得； c. 有较大的适用范围，条件变化可推导，外延性较好。 弱点： a. 对于复杂过程建模困难，甚至无法建立机理模型。 b. 由于是理论建模，难免与实际对象特性有一定差别， 须经过实践验证。
先进过程控制(APC)
先进过程控制（APC）随着我国经济体制的转变，国内的众多石化企业日益感受到国际间竞争所带来的活力和挑战。
因此，积极开发和应用先进控制和实时优化，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重要对策。
先进过程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。
由于先进控制的内涵丰富，同时带有较强的时代特征。
因此，至今对先进控制还没有严格的、统一的含义。
尽管如此，先进控制的任务都是明确的，即用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。
先进控制应用得当可带来显著的经济效益。
在石化工业中，一个先进控制项目的年经济效益在百万元以上，其投资回收期一般在一年以内。
丰厚的回报而引入注目。
通过实施先进控制，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使之能更接近其优化目标值，从而将生产装置推至更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染等目的。
从60年代初现代控制理论迅速发展以来，出现了一系列的优化控制和多变量控制算法，以及更晚些时候出现的自适应控制算法和鲁捧控制算法等，这些都属于先进控制。
人们曾经希望开创一户现代控制理论应用的新时代，但自70年代以来，理论成果虽多，在过程控制的应用却不理想，原因有两个方面：（1）模型问题。
像高斯干扰下的线性二次型控制（LQG）等现代控制理论的杰作都是基于模型的算法。
尽管建模技术已有很大发展，白色、黑色、灰色的方法都有，但精确可靠的动态数学模型依然难得。
对象往往具有不确定性，使精确建模无法做到。
（2）认识问题。
一个装置的控制，有各种可供选择的策略和算法，如果你的算法能得到合格的结果，那还要问一问，你的算法是否比其他算法更好？同时，控制效果即使提高，是否能产生实际效益？这样一比，许多新算法的优越性都不见了。
先进控制技术的主要控制方法综述
先进控制技术的主要控制方法综述在现代工业生产中，控制技术是至关重要的一环。
先进控制技术作为一种高级的控制方法，被广泛应用于化工、电力、制造业等领域。
它通过引入先进的控制算法和技术手段，不仅可以提高系统的响应速度和稳定性，还可以降低生产成本，提高生产效率。
本文将围绕先进控制技术的主要控制方法展开综述，以便读者更全面地了解这一领域。
1. 模型预测控制（MPC）模型预测控制是一种基于数学模型的先进控制方法。
其核心思想是利用系统的数学模型对未来的发展进行预测，并基于预测结果制定控制方案。
MPC广泛应用于化工、石油、电力等行业中，通过对系统动态特性进行建模和预测，可以实现快速响应和系统稳定性的提高。
2. 自适应控制自适应控制是一种能够自动调节控制参数以适应系统变化的控制方法。
通过引入自适应算法，系统可以根据外部环境的变化实时调整控制参数，从而保持系统的稳定性和可靠性。
自适应控制在飞行器、机器人、汽车等领域有着广泛的应用，能够有效应对各种复杂的控制场景。
3. 鲁棒控制鲁棒控制是一种能够在系统参数变化或者外部扰动的情况下保持系统稳定性的控制方法。
它通过引入鲁棒性设计，可以有效克服系统参数变化和外部干扰带来的影响，保障系统的稳定运行。
鲁棒控制在航空航天、汽车、机械等领域有着重要的应用，能够大大提高系统的可靠性和稳定性。
4. 预测控制预测控制是一种基于系统状态的预测进行控制的方法。
通过对系统状态的预测，可以有效地制定控制策略，实现对系统的精准控制。
预测控制在电力系统、交通系统、自动化生产线等领域有着广泛的应用，能够提高系统的控制精度和稳定性。
5. 非线性控制非线性控制是一种能够有效应对系统非线性特性的控制方法。
许多实际系统都存在着复杂的非线性特性，如摩擦、干扰等，传统的线性控制方法往往难以处理这些问题。
非线性控制方法通过引入非线性建模和控制算法，可以克服系统非线性带来的影响，实现对系统的精准控制。
非线性控制在航空航天、机器人、智能制造等领域有着重要的应用，能够有效提高系统的控制精度和鲁棒性。
先进控制技术及应用第四讲模型预测控制及其工业应用_金晓明
第 5 期 金晓明等 . 先进控制技术及应用 · 69 ·
制理论 ; ·预测控制的成功在于满足许多实际的需要 , 如: 约束 、易于获得的经验模型 、 可测扰动的考虑 ; 实施标准化 , 对操作者透明 ; ·预测控制是理论与实践间“ Gap”的非常规例 子,即 : 一般情况下理论超前于实践 , 而预测控制 正相反 ; ·预测控制不是过程控制的万应灵药 , 它计算 耗时 、 建模未利用过程知识 ; 黑箱模型缺乏对过程 的理解而不能支持新系统设计 , 在许多应用场合 是大材小用 。 3 多变量协调预测控制策略 多变量有约束过程的预测控制以二次动态矩 阵控制( QDMC) 为例 , 可表示为 : Jk = min A·Δu -e ( k +1) Q A·Δu Δ u e( k+ 1) +ΔuTR Δu 受约于 C·Δu ≥c ( k+ 1) Δumin ≤Δu ≤ Δumax
提出则应归功于过程控制界的长期努力 , 最早应 用于工业过程的预测控制算法是 Richalet 等提出 的模型算法控制( MAC) 和 Culter 等提出的动态矩 阵控制( DMC) 。 这些算法适用于无约束多变量过 程的控制问题 , 它们是第一代预测控制软件的代表 。 另一方面 , 在自适应控制研究的基础上出现 了基于过程参数模型 , 且带有模型参数在线自校 正机制的预测控制算法 , 如 : Clarke 的广义预测控 制( GPC) 。 此外 , 由著名的 LQ 或 LQG 算法发展 出滚动时域控制( RHC) 。 为处理工业过程中普遍 存在的约束多变量过程的控制 问题 , Garcia 等提 出了二次动态矩 阵控制 ( QDMC) , 后 成为第二代 预测控制软件的核心算法 。 预测函数控制( PFC) 最早是由法国 ADERSA 公司的 Richalet 与德国 IITB 的 Kuntze 等人于 1986 年共同提出 , 并用于工业机器人的快速高精度跟 踪控制 。 这之后 , 预测函数控制不仅在理论上取 得了一系列成果 , 而且在机器人 、 火炮或雷达的目 标跟踪 、 冶金轧制过程等快速随动系统中得到了 广泛的应用 。 近年来 , 预测函数控制已扩展到以 热焓控制为代表的一类工业过程 , 如反应器 、传热 设备 、加热炉等 , 并取得了一些 应用成果 。 目前 PFC 和 ADERSA 公司的 HIECON 一起被视为第三 代预测控制 , 代表了模型预测控制应用软件的发 展方向 。 本文从模型预测控制的特点出发 , 系统地阐 述多变量协调预测控制的基本原理 , 并以大型炼 油企业流化催化裂化装置 FCCU 为例介绍上述预 测控制策略的工程应用 。 2 模型预测控制的特点 模型预测控制一经问世 , 即在复杂工业过程 中得到成功应用 , 显示出强大的生命力 。 其成功 主要是由于它突破了传统控制思想的约束 , 不仅 较好地符合工业过程控制的实际要求 , 而且体现 了现代控制理论的优化思想 。 模型预测控制利用 生产过程的响应来建立描述过程动态行为的数学 模型 , 并根据某种优化指标来确定控制量的时间 序列 , 从而使未来一段时间内被控量与经柔化后 的期望轨迹之间的误差为最小 。 由于预测控制算 法采用在线滚动优化 , 且在优化过程中不断通过 系统实际输出与模型预测输出之差来进行反馈校 正 , 因此 , 模型预测控制能在一定的程度上克服由 于预测模型误差和某些不确定性干扰等的影响 ,
工业过程先进控制及应用-控制理论与工程的发展
工业过程先进控制及应用-控制理论与工程的发展-----------------------作者：-----------------------日期：过程控制中的若干问题一、控制理论发展1.40-50年代经典控制理论传递函数为基础,在频率域对单输入单输出SISO控制系统分析与设计的理论20世纪40年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一”最辉煌的成果之一PID控制根轨迹Evans频率特性Nyquist Bode随动控制 定值控制定量分析困难定性分析相当有用2. 60年代现代控制理论状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划方法等最优控制理论为特证，而以采用卡尔曼滤波器的随机干扰下的线性二次型系统宣告了时域方法的完成。
研究多输入多输出系统在航天、航空、导制等领域取得了辉煌的成果对复杂工业过程却显得无能为力,主要原因：要有精确过程数学模型建精确过程数学模型难点：机理复杂非线性与分布参数时变性不确定性多变量之间耦合信息不完全性IFAC----系统辨识与参数估计 (1965年以来每三年一次)现代工业过程建模主要特征：•模型的层次性。
系统结构为递阶结构型，为此过程建模将围绕着结构逐层进行，各层模型之间通过信息通道相互联系。
•模型的多时标性。
模型的各层次时标快慢亦是不同的，每一层次兼有两种状态，相对于下层快时标系统它是离散事件变量，相对于上层慢时标系统，它可视为连续时间变量。
•信息的多样性。
信息是语言，文字，图形，符号,图象，数字等多媒体信息集成。
建模方法：机理建模；经验建模；智能建模（神经网络建模、知识模型、模糊模型、逻辑关系模型等）。
3.七十年代开始逐步发展形成了大系统理论大系统理论是现代控制理论和系统理论相结合，其核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制。
大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系统仍然束手无策。
对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用。
现代控制理论-先进的控制技术
事实上，滤波器在内模控制中还有另一重要作 用，即利用它可以调整系统的鲁棒性。其规律 是，时间常数 T f 越大，系统鲁棒性越好。
电气工程学院
例7－1 过程工业中的一阶加纯滞后过程（无模型失配和无
Y ( s ) D ( s ) 1 [ G IM ( s ) G p ( s C ) D ] ( s ) 1 [ G IM ( s ) G ˆ p ( s C )
1
假若“模型可倒”，即 Gˆ p ( s ) 可以实现
则令
1 GIMC(s) Gˆp(s)
可得 Y(s)0
不管 D(s) 如何变化，对 Y (s)的 影响为零。表明控制器是克服
电⑶气工反程学院馈校正
模型预测控制是一种闭环控制算法。在通过优化计 算确定了一系列未来的控制作用后，为了防止模型失配 或环境扰动引起控制对理想状态的偏离，预测控制通常 不把这些控制作用逐一全部实施，而只是实现本时刻的 控制作用。到下一采样时间，则需首先检测对象的实际 输出，并利用这一实时信息对给予模型的预测进行修正， 然后再进行新的优化。
Gc(s)1GG IM I（ MCsC (s)G )ˆp(s)
可以看到控制器 Gc (s) 的 零频增益为无穷大。因此 可以消除由外界阶跃扰动 引起的余差。这表明尽管 内模控制器 GIMC(s) 本身 没有积分功能，但由内模 控制的结构保证了整个内 模控制可以消除余差。
电气工程学院
例7－3 设计一阶加纯滞后过程的IMC－PID控制器。 ⑴ 对纯滞后时间使用一阶Pade近似
R(s)
10s 1 5s 1
D(s)
先进控制在过程工业中的应用
先进控制在过程工业中的应用自10 FXY 你猜北石化赠自11级学弟学妹使用摘要：为进一步提高延迟焦化装置的控制水平，挖掘装置潜力。
以中国石化九江分公司的延迟焦化装置及其后续吸收稳定单元为工业应用和以美国阿斯本（Aspen tech）公司开发设计的预测控制与软测量技术应用实施过程背景。
简述了先进控制与优化技术在过程工业中应用的重要意义，介绍近年来把现代控制理论应用于过程工业的成功实例，同时给出应用中所需解决的一些问题。
先进控制器投运后，提高了过程装置运行平稳性和安全性，节能降耗，并提高了高价值产品收率。
实施结果表明先进过程控制在过程工业上的应用效果显著。
引言以多变量模型预测控制[1]为主要特征的先进过程控制（Advanced Process Control 简称APC）是比传统的PID控制更优异的一种控制策略，代表性的技术有Aspen公司的DMCplus技术和Honeywell公司的鲁棒多变量预估控制技术(RMPCT)。
由于模型预测控制是一种开放式的控制策略，体现了人们处理不确定性问题时的一种通用思想方法，且控制效果好，鲁棒性强，能方便的处理过程被控变量和操作变量中的各种约束，目前正被广泛应用于日益复杂化的工业系统。
应用案例一：以九江石化延迟焦化装置及其后续吸收稳定单元为工业应用背景, 延迟焦化装置工艺流程复杂，且属半间歇式工艺过程，装置定期切换焦炭塔，对装置造成较大的扰动。
在延迟焦化装置上实施先进控制, 实现其长期平稳、优化操作对进一步提高企业经济效益具有重要的现实意义[ 2 ]。
采用A s p e n 公司的DMCplus先进控制技术，通过建立装置的过程模型，并结合前馈补偿，研究开发了三个先进控制器，并获得了成功的工业应用。
1 工艺流程及特点九江分公司延迟焦化装置加工原料渣油，设计加工能力为100万吨/年。
焦化单元采用“一炉两塔”工艺技术流程，吸收稳定单元采用“吸收—再吸收—解吸—稳定”工艺技术流程。
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21% 34%
全球500强企业中， 流程工业企业占了70家 中国流程工业总产值 占工业总产值66%
12%
石油和化学工业 冶金工业 电力工业 其他流程工业 其他工业
10% 23%
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、 自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工 业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能 化检测控制技术、装备和调控系统。” 《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展 重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工 程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要 ” 实现重点突破。
常压塔筛料干点的软测量
（2）辅助变量选择
（3）数据采集与处理
（4）回归分析建模
（4）回归分析建模
（4）回归分析建模
软测量技术有效地预报了质量指标的变化过程
现代化流程工业正朝着大规模、复杂化的方向发 展，通常包含高温、高压、易燃、易爆的生产过 程，系统一旦发生事故就会造成人员和财产的巨 大损失。 流程工业中可能出现的故障：
特点：物理意义明确，易于外推 ，但是复杂的工业过程机理复 杂，建立模型费时耗力。
基于数据驱动的软测量建模方法
方法：主要应用回归分析（PCR、PLS等）、神经网络、支持向 量机等数据分析技术 特点：不需要严格的机理模型，建模过程思路简单清晰，完全 使用黑箱模型，但是往往受到训练数据的影响，模型适应范围 有限，而且参数缺乏明确物理意义
臭氧浓度分析仪
气体中的臭氧浓度与温度、压力、对紫外光的吸收特 性有关
借助于温度、压力变送器和光强仪可以间接测得气体 的臭氧浓度
辅助变量选择 数据采集和处理
软测量模型建立
软测量离线和在线校正
基于机理模型的软测量建模方法
方法：列写物料平衡、能量平衡、相平衡和反应动力学方程， 建立可测辅助变量和不可测主导变量之间的准确数学关系。
软测量结构示意图
不可测扰动d1 可测扰动d2 过程输入u 离线化验
工 业 对 象
模型校正 过程可测输出y 软测量模型 软仪表估计值
辅助变量
主导变量
差压法测定气体质量流量
气体质量流量与差压、气体压力、气体温度之间有着 密切关系，可以建立相关的数学模型
直接利用现有仪表就可以获得气体质量流量的实时测 量结果，不需要研发专用仪表，投入少，周期短，维 护方便（智能流量计）
装置故障率高
解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产 过程运行的“安、稳、长、满、优” 先进控制技术是一个广泛的概念，是指不同于常 规控制方案的一切控制新方法
预测控制技术 软测量技术 过程监控技术 。。。
预测控制：模型预测控制，Model Predictive Control， MPC 20世纪70年代末，在工业过程控制领域出现的一 种基于模型的计算机控制算法。 有着深刻的实际应用背景，首先应用于实际工业 问题的解决，来自于工业实践者。 1978年，Richalet首先发表论文进行了介绍，随 后引起研究热潮，是目前工业过程中最为成功研 究最多的先进控制算法。
基于解析模型的方法 过 程 监控 方 法
状态观测器 卡尔曼滤波器 参数辨识 等价空间方程 专家系统 神经网络 有向符号图 主元分析法 典型变量分析 独立元分析法
过程参数变化：催化剂中毒、热交换器结垢等 干扰参数变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等 执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等 传感器问题：堵塞、标定误差等造成仪表损坏或偏差 控制器问题：控制性能等
典型事故案例
1997年，北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故。 2000年，罗马尼亚的一家黄金制品厂废品溶化炉发生 故障，造成了欧洲特大环境灾难。 2005年11月13日，吉林石化双苯厂爆炸，松花江水污 染，事故原因为操作工误操作导致进料系统温度超高
自动化学科前沿知识讲座
流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、 冶金、采矿、电力、食品加工等在国民经济中占 主导地位的行业
全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占 15%，其营业收入占总收入的16.5% 我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%， 流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础， 流程工业是国家的重要基础支柱产业
解决了有约束多变量过程MPC优化中的不可行解问题
第四代：DMC+（Aspen)、RMPCT(Honeywell)
多目标优化、鲁棒设计、系统辨识技术
典型代表：DMC+和RMPCT
1995年，HONEYWELL兼并Profimatics公司，将RMPC 与PCT算法整合形成RMPCT软件包
Aspen公司 数据表明
实施MPC取得的效益中，降低能耗占10％，产品质 量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15％， 提高回收率占15％，提高加工能力占30％。
Chemshare公司数据表明：
用DCS改造常规仪表获得10％的效益，在DCS上实 现MPC获得40％的效益
Foxboro公司数据表明：
北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故 吉林石化双苯厂爆炸
过程监控与故障诊断可以减少经济损失
仅美国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效 监控而损失200亿美元
过程监控与故障诊断可以改变维修方式
据美国统计局统计，每年工业设备维修费用约2500 亿美元，专家估计其中约750亿美元是“ 过剩维修” 费用。 由事后维修和计划维修向更为先进的状态维修和预防 维修方式转变
软测量技术 是可行方案
选择易测变量，推断和估计质量变量 以软件代替硬件，实现质量实时测量 克服装置波动、提高产品质量和产量、减少过渡料 经济效益显著
软测量技术的主要思想
对于过程中难以在线测量的重要过程变量（主导变量或一次变 量)，选择与之相关的一组易测变量(辅助变量或二次变量)，构 造两者之间的某种数学关系，用计算机软件实现重要工艺参数 的估计，为过程监控和优化控制提供重要信息。
预测控制理论产生于工业过程控制领域的需求和 实践，具有很强的应用背景 目前已经在炼油、化工、电力、航空航天、汽车 控制等多个方面有着成功应用 尤其是在油田石化方面有大量应用，在催化裂化、 加氢重整、常减压、延迟焦化等大型装置上有许 多应用报道 国内外流程工业中几乎所有先进控制软件都与预 测控制技术相关，是工业过程应用中最具代表性 的先进控制算法
效益比：DCS为 1 : MPC为 5
Published in Control Engineering Practice， 2003
第一代：IDCOM 、DMC
主要处理无约束多变量过程控制
第二代：QDMC
解决了输入输出约束问题
第三代：SMOC、SMCA、HIECON、IDCOM-M
价格非常高（licence约50~80万美元，加工程服务费） 核心技术保密
国内在八五和九五期间实施科技攻关，相当多的 院校开发先进控制技术和软件
浙江大学:APC-Hiecon、APC-PFC 石油大学
上海交通大学 MCC
清华大学
国内先进控制实施中问题
多数研究侧重于单个工程实施，仍然缺乏知名的先进 控制商品化软件，目前难以与国际厂商抗衡
1996年，ASPEN兼并Setpoint和DMC公司，将SMCA和 DMC融合形成DMC+软件
特点
都采用了Windows图形用户界面，可以处理具有优先 权控制目标的多目标优化问题，增强了稳态目标优化 的适应性，优化中直接考虑了模型的不确定性，采用 先进的模型辨识技术
国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美国 Setpoint公司的IDCOM-M软件，并应用于催化裂 化装置取得成功 近些年来，我国已经引进了SMCA、DMC+、 RMPCT等多个公司的先进控制软件，在许多石油 石化装置取得成功应用 引进国外软件的问题
用先进控制技术提高流程工业自主创新能力
规模庞大 结构复杂 不确定性 非线性 强耦合性
控制效果差
控制效果波动大，没有对产品质量和工艺指标进行控 制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高
能耗大
2005年我国石油化工行业总能耗3.048亿吨标准煤， 占全国总能耗的15%，万元GDP能耗是0.903吨标准煤 ，比国外同行业平均水平高15%～20%
L（回流量设定值 ） XD（塔底H2O含量 ） XB（塔顶HAC含量 ） DP（全塔压差） FV1（蒸汽流量阀位） FV2（回流量阀位）
先 进 控 制 器
GC
V（蒸汽流量设定值 ）
T（塔底温度回路设定值 ）
目标： 稳定塔釜组成DI1702（釜水）& 降低塔顶酸耗和能耗
阶跃响应模型测试：
MPC投运后的CV曲线：
决策层 管理层 调度层
2013年7月26日星期五
经营决策系统
产品策略
管理信息系统
生产计划
关系数据库
生产调度系统
调度指令
监控层 控制层
过程监控系统
系统优化
实时数据库
计算机控制系统
控制信息
生产过程
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© Co py rig ht by Zhi hu an So
经典的Shewhart方法
给定一定的阈值，可以在训练集中数据的统计特性基 础上，应用统计假设理论来预测系统变化是否失控。
PID控制器是工业过程中应用最多、时间最长的 控制策略
不依赖于模型，应用简单，适合于多数过程 对多变量、有约束、时滞等复杂过程单元的控制效果 较差
现代控制理论在20世纪60年代发展起来，形成了 状态空间分析法、最优控制等一系列技术
在航空、航天、制导等领域取得了辉煌成果
流程工业过程的多变量、非线性特点使得难以建立精 确数学模型，现代控制理论难以得到广泛应用