预测控制策略应用及自控设计工作汇总

预测控制策略应用及其自控设计工作

摘要：当前,APC控制策略在流程工业生产中发挥的作用日益受到人们的关注。但是由于种种原因,在新建工程项目中还很少应用APC。本文在简要介绍预测控制原理、预测模型、应用实例的基础上,阐述在新建化工装置中对关系到节能降耗、保质增产自动控制系统应用APC的必要性与可行性,并推荐应用预测控制策略及典型的离散卷积预测模型与神经网络预测模型。对于应用APC的工程项目,提出工程设计初期自控专业设计工作内容的建议。

摘要：APC控制策略预测控预测模型离散卷积模型神经网络模型设计理念

Application of prediction control strategy and instrument design work

A bstract：At present, the function of APC control strategy displayed in process industry has attracted more and more attention, but for various reasons, the application is still few in the new project. This article will base on the brief introduction of prediction control principle, prediction model and application examples to expound the necessity and feasibility of using APC in some control system concerned with energy saving, quality guarantee and production increasing in new chemical plant. At same time, this article recommends to use the prediction control strategy, typical discrete convolution model and neural network prediction model in practice. This article also advises the work content concerned with instrument engineer during the preliminary engineering stage when a project will use APC.

K ey words：APC control strategy, prediction control, prediction model, discrete convolution model, neural network model, design idea

先进过程控制(Advanced Process Control-APC)技术在流程工业中发挥的改进生产操作、提高产品产量与质量、节能降耗减排、保障生产安全等的作用，日益受到人们的关注。从目前流程工业中应用APC的实例来看，大多数是已建成生产装置的技术革新、技术改造实例，并且是由生产装置厂家与APC硬/软件供方共同开发出来的。由于种种主、客观条件的制约，新建工程项目在工程设计中还很少应用APC技术。

工程项目应用APC涉及到工程设计单位、生产企业、APC硬/软件供方等三方的工作。显而易见，如果在工程设计阶段没有按生产需要制订应用APC方案，生产企业、APC硬/软件供方也就没有应用APC的依据。项目建成后“何时应用APC”，将是一个不确定性的问题。这样一来，因没有适时应用APC，而对企业生产与经济效益造成或多或少影响是不言而喻的。

随着APC技术的不断发展与应用推广，在新建工程项目中应用APC技术，是企业提高生产水平、管理水平、经济效益的需要，也是提高自控设计水平的需要。

本文在简要介绍APC控制策略、预测控制与模型的有关问题基础上，阐述重要控制系统应用预测控制的必要性与可行性。对于应用预测控制的工程项目,提出在工程设计阶段自控专业要做的有关工作，包括配合生产企业、APC硬/软件供方开展的有关工作。由于本人认识与实践有限,本文希望在应用APC方面能起到抛砖引玉作用。

1 概述

1.1化工过程控制需要应用APC

化工过程控制对象常具有非线性、时滞性、不确定性、时变性特点,对这些对象采用常规控制方法是不会得到理想的效果的。如合成氨装置中的H2/N2控制系统,虽然多年来都采设计了比值+前馈串级控制方案,但没有一套系统能正常投入运行。因为这是一套大纯滞后系统, 常规控制方法是解决不了滞后问题的。而APC控制策略能很好解决化工行业中包括工艺装置、工序、操作单元等过程控制对象的上述非线性、纯滞后等问题。

一般情况下, 工艺装置、工序的先进控制策略实施由其专利商负责（包括先进控制软件编制、工厂测试、投运调试等）。本文仅讨论APC用于化工装置中重要、复杂的自控系统的控制问题。

对大、中型化工装置的下列自动控制系统推荐应用APC：

①关系到产品产量、质量的控制系统；

如，精馏塔的温度、回流量控制。

②关系到节能降耗的控制系统；

如，合成氨装置的H2O/C控制。

③多参数前馈控制系统；

如，锅炉三冲量控制。

④纯滞后补偿控制系统；

如，合成氨装置的H2/N2控制。

⑤多参数复杂控制系统；

如，尿素装置合成塔液位、密度控制、合成氨装置一段炉燃烧控制。

⑥关系到生产安全的控制系统；

如，压缩机防喘振控制。

⑦专利技术的控制系统；

如，专利商提供的数学模型控制。

1.2 APC控制策略

1.2.1 控制策略类型

APC是在动态环境中，基于模型，利用计算机的强大功能实施精确过程控制的技术策略。

APC控制策略可分为以下几种类型：

经典技术类：如，时滞补偿控制、解耦控制；

流行技术类：如，预测控制、自适应控制、统计质量控制；

潜在技术类：如，非线形控制、专家控制、神经元控制、模糊控制。

此外，还有正在研究中的鲁棒控制、智能控制等等。

1.2.2 控制策略选用

APC控制策略中，比较适合流程工业，特别是适合化工行业应用的控制策略是预测控制。因为预测控制对数学模型要求不高，预测模型在生产过程中容易辩识,预测控制算法在能克服系统参数摄动或某些不确定性干扰对系统造成的影响（鲁棒性较强）。

目前，在流程工业中应用预测控制的成功实例较多，这些实例也容易进行推广应用，故在化工行业中本文推荐应用预测控制策略。

2 预测控制系统原理结构与预测控制模型

2.1 预测控制系统原理结构

预测控制系统结构如下图所示：

(1) 模型预测

预测模型是描述系统动态行为的基础模型，具有预测功能，即能够根据系统的现时刻和未来的控制输入，预测系统输出的未来值。

(2) 反馈校正

由于系统存在的非线性、时变以及干扰等因素，基于预测模型得到的输出预估值不可能