论文-先进控制技术与实现

先进控制技术与应用实现

The advanced control technology and implementations 辽阳石化分公司仪表厂雷军刘春晖大连石化分公司新区装置马昕

摘要：近年来国内外石油化工行业以增加产品收率、降低原料和动力消耗，保证生产装置的优化和安全平稳运行，提高经济效益为目标，已经对装置的先进控制技术和控制软件进行了广泛研究和工业化应用，给生产装置带来显著的经济效益。本文通过对先进控制技术理论研究和数学模型建立的过程探讨，并以美国阿斯本（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为实例，介绍先进控制技术在石油化工生产装置的应用与实现。

关键词：先进控制技术、数学模型、模拟软件、计算机平台、工业化应用。Abstract: in recent years, domestic and overseas petroleum chemical industry aim to increase the yield of product , reduce raw material and power consumption, ensure the production equipment and optimization of safety running smoothly, improve the economic benefit. Has the research and industrialization to the advanced control technology of devices and control software widely applied ,which has bring significant economic benefits for the production equipment. This article is discussed based on the advanced control technology theory research and the establish process of mathematic model . As an exemple of the application process which development and designed the predictive control and soft measurement technology by the company of American Aspentech, introduce the application and realization of the advanced control technology in petrochemical production equipment .

Keywords:The advanced control technology,the mathematical model, simulation software,computer platform,industrial applications

一、概述

先进控制（APC-Advanced Process Control）技术是对那些不同于常规单回路PID控制，并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称。与传统的PID 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。先进控制通常用于处理复杂的多量过程控制问题，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，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。

先进控制技术的实现，需要建立工业过程模型和有足够的计算能力及程序运行能力的设备作为支持平台。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DCS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DCS上实现。二、先进控制系统的核心内容

先进控制系统的核心内容是数据采集处理、数学模型建立、先进控制策略和工程实施平台。

（1）数据的采集、处理和软测量技术

利用大量的实测信息是先进控制的优势所在。由于来自工业生产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，例如，汽油饱和蒸汽压、粗汽油干点、轻柴油倾点、催化裂化中的反应热、再生器的烧焦状况、反应产品分布和催化剂循环量以及某些精馏塔的两端质量指标估计等，这些关系到产品质量的关键变量，由于质量测量仪表的缺乏或不可靠，无法获得实时的可靠的在线信息，因此，可采用工艺稳态模型、神经网络模型和动态数学模型来推断估计。

（2）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获得的现场装置试验数据，变为多输入多输出(MIMO)动态数学模型。实际工业过程模型化是一项专门的技术，它涉及到过程动态学、系统辨识、统计学以及人工智能等多种知识。尽管目前类似模型预测控制这样的先进控制策略均采用工业试验的方法来获取控制模型，但是那些准确并可靠的机理模型(first principle model)和智能模型建立也有望成为有效的控制模型。

（3）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：

①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；

②解决约束多变量过程的协调控制问题，主要采用带协调层的多变量预测控制策略；

③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有模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制。

（4）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：

①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；

②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做出权衡；

③合理限制控制变量的变化量和变化率，保证控制系统的平稳性和对不确定因素的鲁棒性；

④建立先进控制的实施平台

利用DCS系统的实时数据进行数学模型的建立，在DCS系统网络中的先进控制器进行数学模型和先进控制程序的编程及运行。在控制站对工艺过程实现控制。在操作站或工程师站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。

三、过程模型的建立

先进控制或优化控制实现的基础是建立过程模型，没有被控过程的模型，就无法进行先进控制和优化控制。用于描述方程的模型由各种形式，通常都用数学