先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用

世界各國在加強(qiáng)建模理論、辨識技術(shù)、優(yōu)化控制、最優(yōu)控制、高級過程控制等方面進(jìn)行研究，推出了從實際工業(yè)過程特點出發(fā)，尋求對模型要求不高，在線計算方便，對過程和環(huán)境的不確定性有一定適應(yīng)能力的控制策略和方法，如自適應(yīng)控制系統(tǒng)、預(yù)測控制系統(tǒng)、魯棒控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等先進(jìn)控制系統(tǒng)。對于含有大量不確定性和難于建模的復(fù)雜系統(tǒng)，基于知識的專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和基于信息論的智能控制等應(yīng)運而生，它們在許多領(lǐng)域都開始得到了應(yīng)用，成為自動控制的前沿學(xué)科之一。由于變量間的關(guān)聯(lián)，使系統(tǒng)不能正常平穩(wěn)運行，出現(xiàn)各類解耦控制系統(tǒng)。對于大純滯后系統(tǒng)自年史密斯提出“預(yù)估補(bǔ)償器”以來，由于預(yù)估補(bǔ)償器對參數(shù)變化靈敏度極高，又相繼出現(xiàn)了各種改進(jìn)預(yù)估補(bǔ)償方法，如觀測補(bǔ)償器控制方案、內(nèi)?？刂啤㈦p控制器、達(dá)林控制箅法、純滯后對象采樣控制等，但均尚未完全真正解決，人們還在繼續(xù)努力想方設(shè)法尋求解決辦法。針對信息不完全性出現(xiàn)了推斷控制系統(tǒng)和軟測量技術(shù)。本文就目前應(yīng)用較多、且取得經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)測控制、軟測量技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用作一些介紹，以推動先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用。

一、基于模型的預(yù)測控制
自20世紀(jì)60年代蓬勃發(fā)展起來的以狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，在航空、航天、制導(dǎo)等領(lǐng)域取得了輝煌的成果。在過程控制領(lǐng)域亦有所移植，但實驗室及學(xué)院式的研究遠(yuǎn)多于過程工業(yè)上的實際應(yīng)用，其中主要原因是：工業(yè)過程的多輸入——多輸出的高維復(fù)雜系統(tǒng)難于建立精確的數(shù)學(xué)模型，工業(yè)過程模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和環(huán)境都有大量不確定性；工業(yè)過程都存在著非線性，只是程度不同而已；工業(yè)過程都存在著各種各樣的約束，而過程的最佳操作點往往在約束的邊界上等，理論與工業(yè)應(yīng)用之間鴻溝很大，為克服理論與應(yīng)用之間的不協(xié)調(diào)，70年代以來，針對工業(yè)過程特點尋找各種對模型精確度要求低，控制綜合質(zhì)量好，在線計算方便的優(yōu)化控制算法。預(yù)測控制是在這樣的背景下發(fā)展起來的一類新型計算機(jī)優(yōu)化控制算法。

（一）預(yù)測控制的發(fā)展
20世紀(jì)70年代后期，模型算法控制（MAC）和動態(tài)矩陣控制（DMC）分別在鍋爐、分餾塔和石油化工裝置上獲得成功的應(yīng)用，取得了明顯經(jīng)濟(jì)效益，從而引起工業(yè)控制界的廣泛重視。國外一些公司如Setpoint、DMC、Adersa、Profimatics等也相繼推出了預(yù)測控制商品化軟件包，獲得了很多成功的應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代初期，人們在自適應(yīng)控制的研究中發(fā)現(xiàn)，為了克服最小方差控制的弱點，有必要吸取預(yù)測控制中的多步預(yù)測優(yōu)化策略，這樣可增強(qiáng)算法的應(yīng)用性和魯棒性。因此出現(xiàn)了基于辨識模型并帶有自校正的預(yù)測控制算法，如擴(kuò)展時域自適應(yīng)控制（EPSAC）、廣義預(yù)測控制（GPC）等，這類算法以長時段多步優(yōu)化取代了經(jīng)典最小方差控制中的一步預(yù)測優(yōu)化，從而可應(yīng)用于時滯和非最小相位對象，并改善了控制性能和對模型失配的魯棒性。此外，莫拉里等1982年研究一類新型控制結(jié)構(gòu)——內(nèi)?？刂疲↖MC），發(fā)現(xiàn)預(yù)測控制算法與這類控制算法有著密切聯(lián)系。MAC、DMC是IMC的特例，從結(jié)構(gòu)的角度對預(yù)測控制作了更深入的研究。

目前，GPC都是以線性系統(tǒng)作為被控制對象，對于弱非線性系統(tǒng)，一般仍能取得較好的控制效果，但對一些強(qiáng)的非線性系統(tǒng)難于奏效。對此，非線性的廣義預(yù)測控制研究開始重視，主要有基于Hammerstein模型廣義預(yù)測控制、基于LMOPDP模型廣義預(yù)測控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性系統(tǒng)廣義預(yù)測控制，還有基于雙線性模型、多模型等多種方法。

預(yù)測控制的魯棒性設(shè)計成為預(yù)測控制研究的熱點之一。魯棒預(yù)測控制的思想即使用魯棒控制算法，在算法設(shè)計初期就將系統(tǒng)的不確定性考慮進(jìn)去，使得整個預(yù)測控制系統(tǒng)在實際控制中面對對象不確定時仍能表現(xiàn)出應(yīng)有的穩(wěn)定性。相應(yīng)軟件有Honeywell公司推出的基于魯棒預(yù)測控制的RMPCT（Robust Multivariable Predictive Control Technology）等。

智能預(yù)測控制主要形式有：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊模型、遺傳算法、專家控制等智能技術(shù)的預(yù)測控制算法，這些算法可以處理非線性、多目標(biāo)、約束條件等生產(chǎn)邊界條件在幅度變化的異常情況，智能預(yù)測控制思想主要是用智能方法來處理過程的描述問題，特別是非線性過程取得了一定成果。

由于預(yù)測控制對于復(fù)雜工業(yè)過程的適應(yīng)性，在國內(nèi)外許多企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益，它在工業(yè)過程中有著廣闊的應(yīng)用前景。

（二）預(yù)測控制軟件包的發(fā)展
目前，國外已經(jīng)形成許多以預(yù)測控制為核心思想的先進(jìn)控制商品化軟件包，成功應(yīng)用于石油化工中的催化裂化、常減壓、連續(xù)重整、延遲焦化、加氫裂化等許多重要裝置。有關(guān)部分國外公司軟件產(chǎn)品如表。

隨著MPC技術(shù)應(yīng)用不斷擴(kuò)大和深入，QDMC在實際應(yīng)用發(fā)生了新問題，由于系統(tǒng)受外界干擾，可能會造成QP無可行解的情況；系統(tǒng)輸入輸出可能會失效而丟失，這就產(chǎn)生了自由度可控制結(jié)構(gòu)變化問題；容錯能力待提高，需要處理子系統(tǒng)病態(tài)問題；控制要求向多樣化和復(fù)雜化發(fā)展，用單目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)系數(shù)來表示所有控制要求是非常困難的。

為了解決無可行解的問題，控制結(jié)構(gòu)能隨情況發(fā)生變化，能使用于過程動態(tài)特性以及更高的品質(zhì)要求，國外公司技術(shù)人員開發(fā)第三代MPC，第三代模型預(yù)測控制技術(shù)主要特點是：處理約束的多變量、多目標(biāo)、多控制模式和基于模型預(yù)測的最優(yōu)控制器。在國內(nèi)應(yīng)用較多有：IDCOM-M、DMC、SMCA等控制軟件包。

在第三代模型預(yù)測控制技術(shù)基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了第四代模型預(yù)測控制技術(shù)，特征是：基于Windows的圖形用戶界面；采用多層優(yōu)化，以實現(xiàn)不同等級目標(biāo)控制；采用靈活的優(yōu)化

6041;法；直接考慮模型不確定性（魯棒控制設(shè)計）；改進(jìn)的辨識技術(shù)等。主要代表產(chǎn)品有DMC-pllus、RMPCT等。

（三）我國預(yù)測控制應(yīng)用
1．國外引進(jìn)部分先進(jìn)控制軟件包應(yīng)用
由于先進(jìn)控制軟件包可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，我國已引進(jìn)IDCOM-M、SMCA、DMCplus等先進(jìn)控制軟件，并已投入使用。另外，Honeywell Profimatics公司已經(jīng)與中國石化總公司合作，在石化行業(yè)推廣他們的RMPCT軟件，部分已投入使用。

（1）催化裂化裝置
國內(nèi)首先由齊魯石化公司勝利煉油廠引進(jìn)美國Setpoint公司的多變量預(yù)測控制技術(shù)（IDCOM-M）獲得成功后，大慶石油化工總廠催化裂化裝置、蘭州煉油化工總廠催化裂化裝置、前郭煉油廠催化裂化裝置、撫順石化公司煉油一廠催化裂化裝置、燕山石化公司催化裂化裝置、烏魯木齊石化總廠催化裂化裝置、荊門石化總廠催化裂化裝置等亦從國外引進(jìn)與合作開發(fā)了先進(jìn)控制系統(tǒng)。

（2）常減壓裝置
齊魯石化公司勝利煉油廠引進(jìn)Honeywell公司先進(jìn)控制軟件；大慶石油化工總廠在第三套常減壓蒸餾裝置引進(jìn)Honeywell公司RMPCT先進(jìn)控制軟件；燕山石化公司常減壓裝置先進(jìn)控制；蘭煉常減壓裝置先進(jìn)控制。

3）連續(xù)重整裝置
廣州石油化工總廠連續(xù)重整裝置采用美國西雷公司的數(shù)據(jù)平臺ONSPEC、美國Setpoint公司的多變量預(yù)估軟件SMCA；金陵石化公司煉油廠連續(xù)重整和抽提裝置上采用Honeywell公司的魯棒多變量預(yù)估控制器RMPCT；鎮(zhèn)海煉化股份有限公司煉油廠連續(xù)重整裝置采用美國Aspen公司DMCplus先進(jìn)控制軟件。

（4）聚丙烯裝置
揚子石化公司、上海石化、齊魯石化公司、燕山石化公司等在聚丙烯裝置

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