先进控制技术研究与应用现状调研报告

先进控制技术研究与应用现状

在工业生产过程中，一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全，满足一定约束条件，而且应该带来一定的经济效益和社会效益。然而设计这样的控制系统会遇到许多困难，特别是复杂工业过程往往具有不确定性（环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性）、非线性、变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等，要想获得精确的数学模型十分困难。因此，对于过程控制系统的设计，已不能采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高级的过程控制系统，研究先进的过程控制规律，以及将现有的控制理论和方法向过程控制领域移植和改造等方面越来越受到控制界的关注。

世界各国在加强建模理论、辨识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面进行研究，推出了从实际工业过程特点出发，寻求对模型要求不高，在线计算方便，对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法，如自适应控制系统、预测控制系统、鲁棒控制系统、智能控制系统等先进控制系统。

。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，它们在许多领域都开始得到了应用，成为自动控制的前沿学科之一。由于变量间的关联，使系统不能正常平稳运行，出现各类解耦控制系统。对于大纯滞后系统自年史密斯提出“预估补偿器”以来，由于预估补偿器对参数变化灵敏度极高，又相继出现了各种改进预估补偿方法，如观测补偿器控制方案、内模控制、双控制器、达林控制箅法、纯滞后对象采样控制等，但均尚未完全真正解决，人们还在继续努力想方设法寻求解决办法。针对信息不完全性出现了推断控制系统和软测量技术。本文就目前应用较多、且取得经济效益的预测控制、软测量技术发展及应用作一些介绍，以推动先进控制技术的应用。

一、基于模型的预测控制

自20世纪60年代蓬勃发展起来的以状态空间分析法为基础的现代控制理论，在航空、航天、制导等领域取得了辉煌的成果。在过程控制领域亦有所移植，但实验室及学院式的研究远多于过程工业上的实际应用，其中主要原因是：工业过程的多输入——多输出的高维复杂系统难于建立精确的数学模型，工业过程模型结构、参数和环境都有大量不确定性；工业过程都存在着非线性，只是程度不同而已；工业过程都存在着各种各样的约束，而过程的最佳操作点往往在约束的边界上等，理论与工业应用之间鸿沟很大，为克服理论与应用之间的不协调，70年代以来，针对工业过程特点寻找各种对模型精确度要求低，控制综合质量好，在线计算方便的优化控制算法。预测控制是在这样的背景下发展起来的一类新型计算机优化控制算法。

（一）预测控制的发展

20世纪70年代后期，模型算法控制（MAC）和动态矩阵控制（DMC）分别在锅炉、分馏塔和石油化工装置上

获得成功的应用，取得了明显经济效益，从而引起工业控制界的广泛重视。国外一些公司如Setpoint、DMC、Adersa、Profimatics等也相继推出了预测控制商品化软件包，获得了很多成功的应用。

20世纪80年代初期，人们在自适应控制的研究中发现，为了克服最小方差控制的弱点，有必要吸取预测控制中的多步预测优化策略，这样可增强算法的应用性和鲁棒性。因此出现了基于辨识模型并带有自校正的预测控制算法，如扩展时域自适应控制（EPSAC）、广义预测控制（GPC）等，这类算法以长时段多步优化取代了经典最小方差控制中的一步预测优化，从而可应用于时滞和非最小相位对象，并改善了控制性能和对模型失配的鲁棒性。此外，莫拉里等1982年研究一类新型控制结构——内模控制（IMC），发现预测控制算法与这类控制算法有着密切联系。MAC、DMC是IMC的特例，从结构的角度对预测控制作了更深入的研究。

目前，GPC都是以线性系统作为被控制对象，对于弱非线性系统，一般仍能取得较好的控制效果，但对一些强的非线性系统难于奏效。对此，非线性的广义预测控制研究开始重视，主要有基于Hammerstein模型广义预测控制、基于LMOPDP模型广义预测控制、基于神经网络的非线性系统广义预测控制，还有基于双线性模型、多模型等多种方法。

预测控制的鲁棒性设计成为预测控制研究的热点之一。鲁棒预测控制的思想即使用鲁棒控制算法，在算法设计初期就将系统的不确定性考虑进去，使得整个预测控制系统在实际控制中面对对象不确定时仍能表现出应有的稳定性。相应软件有Honeywell公司推出的基于鲁棒预测控制的RMPCT（Robust Multivariable Predictive Control Technology）等。

智能预测控制主要形式有：基于神经网络、模糊模型、遗传算法、专家控制等智能技术的预测控制算法，这些算法可以处理非线性、多目标、约束条件等生产边界条件在幅度变化的异常情况，智能预测控制思想主要是用智能方法来处理过程的描述问题，特别是非线性过程取得了一定成果。

由于预测控制对于复杂工业过程的适应性，在国内外许多企业得到广泛应用，取得显著经济效益，它在工业过程中有着广阔的应用前景。

（二）预测控制软件包的发展

目前，国外已经形成许多以预测控制为核心思想的先进控制商品化软件包，成功应用于石油化工中的催化裂化、常减压、连续重整、延迟焦化、加氢裂化等许多重要装置。有关部分国外公司软件产品如表。

随着MPC技术应用不断扩大和深入，QDMC在实际应用发生了新问题，由于系统受外界干扰，可能会造成QP 无可行解的情况；系统输入输出可能会失效而丢失，这就产生了自由度可控制结构变化问题；容错能力待提高，需

要处理子系统病态问题；控制要求向多样化和复杂化发展，用单目标函数中的权系数来表示所有控制要求是非常困难的。

为了解决无可行解的问题，控制结构能随情况发生变化，能使用于过程动态特性以及更高的品质要求，国外公司技术人员开发第三代MPC，第三代模型预测控制技术主要特点是：处理约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的最优控制器。在国内应用较多有：IDCOM-M、DMC、SMCA等控制软件包。

在第三代模型预测控制技术基础上又出现了第四代模型预测控制技术，特征是：基于Windows的图形用户界面；采用多层优化，以实现不同等级目标控制；采用灵活的优化方法；直接考虑模型不确定性（鲁棒控制设计）；改进的辨识技术等。主要代表产品有DMC-pllus、RMPCT等。

（三）我国预测控制应用

1．国外引进部分先进控制软件包应用

由于先进控制软件包可以为企业带来可观的经济效益，我国已引进IDCOM-M、SMCA、DMCplus等先进控制软件，并已投入使用。另外，Honeywell Profimatics公司已经与中国石化总公司合作，在石化行业推广他们的RMPCT软件，部分已投入使用。

（1）催化裂化装置

国内首先由齐鲁石化公司胜利炼油厂引进美国Setpoint公司的多变量预测控制技术（IDCOM-M）获得成功后，大庆石油化工总厂催化裂化装置、兰州炼油化工总厂催化裂化装置、前郭炼油厂催化裂化装置、抚顺石化公司炼油一厂催化裂化装置、燕山石化公司催化裂化装置、乌鲁木齐石化总厂催化裂化装置、荆门石化总厂催化裂化装置等亦从国外引进与合作开发了先进控制系统。

（2）常减压装置

齐鲁石化公司胜利炼油厂引进Honeywell公司先进控制软件；大庆石油化工总厂在第三套常减压蒸馏装置引进Honeywell公司RMPCT先进控制软件；燕山石化公司常减压装置先进控制；兰炼常减压装置先进控制。

（3）连续重整装置

广州石油化工总厂连续重整装置采用美国西雷公司的数据平台ONSPEC、美国Setpoint公司的多变量预估软件SMCA；金陵石化公司炼油厂连续重整和抽提装置上采用Honeywell公司的鲁棒多变量预估控制器RMPCT；镇海炼化股份有限公司炼油厂连续重整装置采用美国Aspen公司DMCplus先进控制软件。

（4）聚丙烯装置

扬子石化公司、上海石化、齐鲁石化公司、燕山石化公司等在聚丙烯装置实施先进控制技术获得了明显经济效益。