1 第1章 先进控制概述

硬约束：变量不得逾 越规格限，否则产品 不合格 先进控制：产品质量 接近规格限但又不超 出，增加了目的产品 数量，从而提高经济 效益
规格限

常规控制
先进控制
第五节 先进控制的经济效益

先进控制的重要性

实现 “安、稳、长、满、优”生产的有力手段 企业挖潜增效提高竞争力的有效途径
生产规模的扩大使得高级自动控制技术必不可少


第四节 先进控制的核心内容
(1) 工业过程模型化：获取对象的动态数学模型

动态机理建模 多变量动态过程模型辨识
(2) 软测量技术：基于可测信息和模型，实时计算 不可测量的变量

机理模型 回归分析 人工神经元网络
第四节 先进控制的核心内容
(3) 先进控制策略

重要过程变量控制性能的改善，主要采用预测控制 与原控制回路结合的方式
第四节 先进控制的核心内容

工程应用

软件运行平台：DCS或上位机 数据传送（通讯）
先进控制界面：确保在常用流程画面上看得到 先进控制的信息，便于投用、操作和维护
关键在于模型参数、控制参数的调整

第五节 先进控制的经济效益

发达国家

采用先进控制和过程优化将增加30%的投资， 但可以提高产品档次和质量，降低能源和原 材料消耗，从而增加85%的经济效益 投资回报率：10 美元/ 1 美元
随着生产和经营粗放型向集约型转变，企业越来 越重视过程控制技术

企业应用先进控制是一个必然趋势


先进控制策略的有效制定

第四节 先进控制的核心内容

较为准确的动态数学模型

系统辨识：输入输出模型，需要对生产过程进行 测试，要求操作变量有较大的变化幅度 机理分析：机理模型，建模难度大，变量信息多， 对生产没有较大的测试影响


整定常规PID控制回路，为实施先进控制奠定基础

合理选择被控变量的区域，限制操纵变量的变化量 和变化率，保证系统的平稳性和鲁棒性


国外已形成许多以预测控制为核心思想的先进控制 商业化软件包，如Honeywell公司的RMPCT、Aspen 公司的DMCplus等
第一节 过程控制的发展历程

先进控制的发展趋势：融入综合自动化的总体框架
全 管 厂 理 生 调 产 度 先 过 控 进 程 制 全 协 与 时 化 局 调 实 优 PI 常 控 D 规 制 生 装 产 置
第三节 先进控制的特点
项目 是否需要模型？ SISO or MIMO 控制目标 质量指标控制方案 常规控制 不需要 SISO 给定值 间接 先进控制 需要 MIMO 给定值或区域 直接 否
可否实施在线优化？ 可
实施平台
DCS
上位机或DCS
第三节 先进控制的特点

先进控制层次结构

常规PID控制：操纵变量是调节阀，被控变量一 般是流量、温度、压力、液位 先进控制：先进控制的操纵变量是常规PID控制 的被控变量，先进控制的被控变量有的是产品质 量，其它仍然是温度和压力等PID的被控变量， 但这时温度和压力等往往是区间约束控制 在线优化：在线优化的操纵变量则是先进控制系 统的被控变量
考试方式 闭卷

课程简介 五. 答疑地点和时间

地点：综合科研楼706

时间：下午2:00~4:00
课程简介 六. 个人联系方式
姓名：许锋
办公地点：综合科研楼706 电话：89733457 e-mail：xufengfxzt@sohu.com
第一章
先进控制概述
内容要点
1 过程控制的发展历程
2 何为先进控制 3 先进控制的特点 4 先进控制的核心内容 5 先进控制的经济效益
生产什么产品？ 生产量多大？质量指标如何？ 装置如何生产？最优工况是什么？ 如何减少生产波动？ 如何满足底层控制的基本要求？
第二节 何为先进控制

先进控制是对那些不同于常规PID控制，具有比常 规PID控制更好效果的控制策略的统称，而并非专 指某种计算机控制算法，至今对先进控制还没有严 格的、统一的定义 先进控制的任务是明确的，它是用来处理那些采用 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 习惯上，将基于数学模型而又必须用计算机来实现 的控制算法，统称为先进过程控制策略


第一节 过程控制的发展历程

控制算法

引入现代控制理论的思想，结合工业过程的特点， 来提出一些对模型精度要求不高、在线计算方便、 控制性能高、鲁棒性强的实用控制策略 70年代末产生的模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)是最有效的方法之一，它构成了先 进控制技术的主要内容
本科生课程→先进控制→研究生课程

反映过程控制的前沿，学习好处多
课程简介 三. 教材与参考书
教材 《过程控制工程》，蒋蔚孙，俞金寿，中 国石化出版社 参考书 《工业过程先进控制》，俞金寿，中国石 化出版社

课程简介 四. 成绩与考试方式

成绩 平时成绩（考勤+作业）30% + 期末成绩 70%

投资偿还期：不到 1 年
第五节 先进控制的经济效益

国内情况

催化裂化装置，年处理量120万吨，￥500万/年以 上，回收期0.5年 常减压装置，年处理量250万吨，￥400万/年以上， 回收期0.5年 乙烯装置，乙烯年产量15万吨



裂解炉：￥800万/年以上 回收系统精馏部分：￥200万/年以上 回收系统乙炔加氢部分：￥400万/年以上
先进控制理论与技术
课程简介
课程简介 一. 课程内容
先进过程控制，简称“先控”
（Advanced Process Control，APC）

先进控制是对那些不同于常规PID控制，并具 有比常规PID控制更好效果的控制策略的统称 介绍工业过程控制中比较成熟的先进控制系统 的基本原理、系统设计及工业应用 共32学时
第五节 先进控制的经济效益

先进控制提高经济效益的途径

提高装置运行的平稳性 实现“卡边”控制，在保证产品质量的同时尽量 提高目的产物的产率 多变量协调控制，充分发挥装置的生产潜力 操作优化：提高处理量，节能降耗，提高目的 产品收率，减少原材料消耗

第五节 先进控制的经济效益

卡边控制

第一节 过程控制的发展历程
第三阶段：1970’s以后 先进控制的发展与应用——计算机 技术、控制算法等各种技术综合发展的结果

计算机技术

适合工业自动化的控制计算机：计算能力强、功能 多、可靠性提高、价格大幅度下降 集散控制系统(DCS) ：在结构上分散，即将计算机 分布到装置、单元设备一级，使系统危险性分散， 增加了系统的可靠性 软件配置：集散系统以常规数字PID控制为主，但也 可以实Байду номын сангаас各种新型的先进控制算法

应用现状： 80%以上的控制回路是PID常规控制
对于具有强耦合、不确定、非线性、时变、信息不完全 和大时滞等特征的被控过程，难以满足控制要求
第一节 过程控制的发展历程

常规PID控制效果不好的原因：

非线性：当非线性不严重、且工况变化不大时， 用线性系统来近似在工程上是可以接受的。但对 存在严重非线性的系统，线性化近似就不行了， 如pH值控制和聚合反应过程控制等 时变性：如换热器结垢和加热炉结焦，使得传热 系数发生变化 控制回路之间存在耦合关系 质量指标不能在线测量，但它们是需要控制的
模型预测控制 内模控制 统计质量控制 自适应控制 专家系统 非线性控制

第四类：先进控制——潜在技术
最优控制
神经控制

模糊控制
第五类：先进控制——研究中的策略 鲁棒控制
第四节 先进控制的核心内容
(4) 先进控制的实施

被控变量的有效测量，要求准确、实时

化验分析：时效性差，不能作为被控变量测量值 分析仪表：时间滞后较长，10-30分钟，直接作 被控变量测量值效果不好，但可以作为修正使用 软测量技术 选择合适的被控变量和选择合适的操纵变量 选择合适的可测干扰作为前馈变量


第三节 先进控制的特点
(1) 先进控制是一种基于模型的控制策略，如模型预测 控制、软测量技术等 (2) 先进控制通常处理复杂的多变量过程控制问题，如 大时滞、多变量耦合、约束控制等，先进控制是建立 在常规PID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 (3) 先进控制必须借助计算机来实现，需要足够的计算 能力，数据处理与传输、模型辨识、控制率的计算、 控制性能的评价均依赖于计算机
第一节 过程控制的发展历程
第一阶段：1950’s 基于经典控制理论的常规PID控制

系统描述：传递函数 辨识建模：阶跃响应、脉冲响应、频率响应、相关分析 设计方法：根轨迹法和频率法（Bode图、Nyquist图） 控制系统：多回路简单PID控制 串级、比值、前馈、均匀、选择、分程等复杂控制

保留原控制回路，以常规PID控制回路的SP为先 进控制的操纵变量 先进控制的性能受底层常规PID控制的影响

断开原控制回路，以常规PID控制回路的OP为 先进控制的操纵变量
存在一定危险性，现场不欢迎
第四节 先进控制的核心内容

先进控制策略

模型预测控制 推断控制：利用数学模型由可测信息计算不可测 输出变量来实现反馈控制 自适应控制：辨识 + 控制 在线辨识模型，相应改变控制器参数


第一节 过程控制的发展历程
第二阶段：1960’s 基于现代控制理论的控制方法

系统描述：状态方程 辨识建模：最小二乘法 设计方法：极点配置、优化设计 控制系统：状态反馈、最优控制、状态估计
现代控制理论在应用于过程控制中遇到的问题：

生产过程机理复杂，难以建立精确的数学模型
当时的计算机体积大、价格贵，可靠性和功能方面存在 一些问题


智能控制
模糊控制、专家系统、神经网络
第四节 先进控制的核心内容
过程控制策略的分类（D. E. Seborg）

第一类：传统控制策略 手动控制 PID控制 比值控制
串级控制

前馈控制 时滞补偿 解耦控制
第二类：先进控制——经典技术
增益调整
选择性超驰控制
第四节 先进控制的核心内容

第三类：先进控制——流行技术

课程简介 一. 课程内容

工业过程动态建模方法
状态反馈与状态估计 模型预测控制 解耦控制 软测量技术 智能控制
课程简介 二. 课程特点

理论性强，先期课程多
矩阵理论（高等代数）、随机过程（概率论） 现代控制理论（自动控制原理II）、
过程控制工程

衔接本科生课程和研究生课程，学习难度大