1讲 工业过程先进控制

• 1) 模型辨识的新技术：模型耗时（1个月左 右测试），迫切需要更有效的方法，充分 利用统计信息辨识模型。 • 2) 自适应模型预测控制：针对变增益的非 线性过程； • 3) 非线性模型预测控制：生产过程非线性 与线性化控制技术的矛盾。 • 多变量统计监控：对DCS大量信息的监督与 性能评判，如PCA、PLS等。
② 60 年代： 工业生产规模扩大， 对产品的质量提出要求。 仪表：电动、气动单元组合，DDZ-Ⅱ型仪表 控制：复杂控制、串级、比值 ③ 70 年代：工业过程更加复杂，出现联合装置。 DCS 的问世，集中管理与分散控制 PLC DDZ-Ⅲ型仪表 4-20mA MPC 或 DMC：模型预测控制问世。 DMC—Dynamic Matrix Control MPC—Model Predictive Control DCS—Distributed Control System
㈢ 先进控制的核心内容： 1) 数据采集、处理和软测量技术 采集处理：去伪存真 软测量技术(soft sensor)：基于可测的信息
模型
计
算不可测量的变量，如汽油饱和蒸气压、粗汽油 干点、柴油倾点、FCC 反应热、FCCU 再生烧焦 热等。
2） 多变量动态过程的辨识技术 （System Identification） 求取动态模型（过程动态学、系统辨识、统计学、 人工智能） 机理模型： （ First principle model 、 Fundamental model） ；智能建模技术（如 ANN, SVM 等） 。 3）先进控制策略 控制算法：多变量过程的协调控制，推断质量控 制，卡边控制等。 模糊，神经控制，非线性控制，鲁棒控制是新兴 技术。
② 60 年代： 现代控制论迅速发展：状态空间分析，极小值原理 （1962 年） 动态规划（1963 年） ：LQG（线性二次最优控制） ，在 航天、航空、制导领域广泛应用。但对复杂工业控制过 程无能为力。 ③ 70 年代~80 年代： MPC、 DMC 控制问世， 使工业过程先进控制有了生机。 主要特点：多变量、耦合，约束过程优化，鲁棒性强， 出现了大批先进控制软件，DMC，MPC。自适应（自 整定） ，内模控制，前馈，解耦，推断控制等。
④ 80 年代： DCS 在工业中广泛的应用，数字仪表，智能仪表，先进控 制软件问世。 ⑤ 90 年代： 现场总线技术的出现，数字通讯 FCS—Fieldbus Control System 二、工业控制技术的发展 ① 40 年代 PID 控制（PID 整定规划，1942 年） 到 50 年代，仍然 PID 就地控制 理论基础：传递函数 波特(bode)图分析：1945 年 根轨迹分析：1948 年
3、过程监控、在线故障诊断
Process Monitoring and Online Diagnostic 1) 非正常操作 2) 技术： ① model-based method ② AI-based System ③ Data analysis techniques
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• Adaptive and Optimal Control Ant Colony Optimization （蚁群） Artificial Immune Systems（免疫） Artificial Intelligence Artificial Neural Systems Associative Memory Autonomous Systems Bioinformatics Biological Computing Chaotic and Complex Systems Classification Clustering Cognitive Processes （认知）
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Neural-Fuzzy Systems Neural-Fuzzy-Genetic Systems Parallel Computing Particle Swarm Optimization（粒群） Pattern Recognition Prediction and Time Series Analysis Probabilistic Reasoning Quantum Computing Real Time Control Reinforcement Learning Self-organizing Maps Sensor Fusion Statistical Data Analysis Support Vector Machines Swarm Intelligence （蜂群）
㈣ 先进控制的经济效益
通过先进控制：提高操作和控制的平稳性，减少 关键变量的波动，使其接近优化目标值，推向约束 的边界下运行。 据统计资料显示： DCS：投资 70%，效益 20% 先进控制：投资 15%，效益 40% 优化：投资 15%，效益 30%
A2
A1常规控制Fra bibliotek先进控制
• ㈤ 先进控制面临的挑战（Challenges）：
④ 90 年代： 智能控制（基于知识库、规则推理、神经网络、模糊控 制） ，大系统的优化。 CIMS（CIPS）集生产过程的先进控制、优化、调度、决 策为一体的公司（厂级）控制。
三、工业生产过程的先进控制（的现在与将来） (一) 工业过程先进控制的特点： 何为先进控制？ The term “advanced process control” is subjective, meaning different things to different people, depending on their background and experience. 1) 与传统 PID 控制不同， 先进控制是基于模型的控制 策略 2) 先进控制处理复杂多变量 内容：如多变量过程耦 合、大滞后、约束等。 3) 需要计算机支持平台。
㈥ 工业过程先进控制的趋势（trend，direction） 1、 生产装置实施先进控制成为发展主流（ main stream） 目前，西方有一定规模的先进控制软件公司 ，大约 50 家。 推出 APC 300 多种，主要先进控制策略：纯滞后补 偿，解耦，自适应控制，多变量预测，推理控制与软 测量技术，智能控制（热点）
高级过程控制 Advanced Process Control
参考书： 1、 王树青：工业过程控制 2、 俞金寿：工业过程先进控制技术 3、 Seborg: Process Dynamics and Control, 3rd Edition 4、 Wolfgang Altmann: Practical Process Control for Engineers and Technicians
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• Immunocomputing Intelligent Systems Knowledge Discovery Learning Algorithms Life Sciences Machine Learning Memetic Algorithms Model-Predictive Control Molecular Computers Multi-Agent Systems (MAS) Multi-Objective Evolutionary Algorithms Natural Neural Systems Neural Genetic Systems
㈡按应用程度分类的过程控制策略（D.E.Seborg）
第一类：传统控制 手动控制、PID、比值、串级、前馈 Manual； Ratio； Cascade； Feedforward 第二类： 先进控制- 增益调整、时滞补偿、解耦、选择性控制 经典 Gain Scheduling ； Time delay ； Decoupling override selective 第三类： 先进控制- 模型预测、统计质量控制、内模控制、自适应控制 流程 Statistical quality； Internal； Adaptive 第四类： 先进控制- 最优控制 LQG、专家系统、非线性控制、神经网络 潜在 控制、模糊控制 Fuzzy； Neural Network Controller 第五类： 先进控制- 鲁棒控制、H∞控制、μ 综合 研究中的 Robust 策略
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• DNA Computing Educational Technology Embedded Systems Evolutionary Systems Evolvable Hardware Expert Systems Fault Diagnosis Fuzzy Systems Genetic Algorithms Genetic Programming Hardware Implementation Hybrid Systems Image Understanding
第一讲 工 业 过 程 先 进 控 制 技 术 概 述 （ Advanced Process Control）
一、 工业自动化工具的发展： ① 50 年代： 工业过程简单，规模小，气动仪表为主，就地测量与 控制，单回路 PID 控制。 PID——Proportional-Integral-Derivative
4、 综合自动化系统 （CIPS （Computer Integrated Process System） ）是发展方向 CIPS 的结构：
第 1 级：PID 控制 第 2 级：先进控制与优化（预测、推断、软测量、故障诊断） 第 3 级：计划调度 （逐月落实生产计划、组织日常均衡与优化保持全厂 的均衡与优化） 第 4 级：管理级 （经营管理、全厂资金、物流运转与存储） 第 5 级：辅助决策 （按市场需求制订规划）
全厂的综合自动化示意图： 计划与规划总调度 单元优化
先进控制 多变量控制 推断控制 约束控制 MIS 厂级计算机
DCS 常规控制 过程
㈦ 理论研究方向(国内外)：
非线性控制； 智能控制； 监控
1、 非线性控制
改进型 PID
Nonlinear process control
变增益：gain scheduling 非线性预测控制 Nonlinear model predictive control 输入/输出线性化 Input-output Linearization Techniques
2、过程的优化设计受普遍关注 寻求最佳的工艺参数设定值，获得最大经济效益， 称优化。 用机理模型离线优化；一般要求“区域（zone）优 化” 不是全局 （global） 优化， 或者 “满意解” 。 Sub-optimal 3、传统 DCS 走向国际统一标准的开放式系统 初期 DCS 互不兼容， “安全” ，无法互相沟通。 经过竞争，新的现场总线控制系统，特点：① 开 放性；② 实现不同厂家互联；③ 智能化现场仪表；④ 彻底分散（简单控制在现场，关键信号进中央控制室） 。
建模困难，控制算法复杂。
2、人工智能技术（Artificial Intelligence Techniques） ① 基于知识的系统 （KBS， Knowledge Based System） ② 神经网络 Neural Network——模仿非线性过程 ③ 模糊控制 Fuzzy Control System 建模，逻辑 新的研究领域：智能计算（群体智能，免疫，进化 等）