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1、 论文：先进控制技术在工业控制中的应用摘 要：现代复杂的工业生产过程，通过实施先进控制，可以大大提高工业生产过程操作和控制的稳定性，改善工业生产过程的动态性能，减少关键变量的运行波动幅度，使其更接近于优化目标值，从而将工业生产过程推向更接近装置约束边界条件下运行，最终达到增强工业生产过程的稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，提高目标产品的收率，提高生产装置的处理能力，降低生产过程运行成本以及减少环境污染等目的。关键词：工业控制 apc 稳定性所谓先进控制技术(advanced process control，apc)，是对那些不同于常规单回路控制，并比常规 pid 控制有更好控制效果的控制策
2、略的统称。先进控制包括自适应控制、预测控制、模糊控制等。其设计思想是以多变量预估为核心，采用过程模型预测未来时刻的输出, 用对象的实际输出与模型预测输出的差值修正过程模型, 从而把若干个要控制的变量控制在一个希望的工控点上,把装置整体推向最佳状态。先进控制方法大多数都要求有相应的数学模型，而建立相应的可用的数学模型却并不容易。从控制工程和实际应用的角度来看，研究出一类兼有现代控制理论与经典 pid的优点，不依赖被控对象的数学模型，保证系统闭环稳定 性，控制效果良好，算法简单的新型控制理论和算法，是当前自动控制理论研究的一个重要课题。1.先进控制技术的主要内容作为一个整体，先进控制系统应包括从数
3、据采集、数学模型建立、先进控制策略到工程实施的全部内容。1.1 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、再生器的烧焦状况等，这些关系到产品质量的关键变量，由于质量仪表的缺乏或不可靠，无法获得实时的可靠在线信息，因此可采用神经网络模型和动态数学模
4、型来推断估计。1.2 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，需要强有力的工具便是软件，以便在删除一些过失虚假数据的基础上，把分段数据有机的组合起来，最终将实际工业生产环境下获得的现场装置实验数据， 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，它涉及过程动态学、系统辨识、统计学以及人工智能等多种知识。1.3 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，可更好的适应工业生产过程的需要。先进控制首先要解决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“透明控制”的方式；其次要解
5、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；最后解决推断质量控制，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、自适应控制、推断控制，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。2.先进控制的特点及应用先进控制的主要特点是：1、与经典控制，如传统的pid 策略不同，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。2、先进控制通常用于处理复杂过程的控制问题，如多变量、强耦合、大时滞等生产过程的控制等。3、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。
6、4、先进控制的实现需要足够的计算能 力作为支持平台。由于先进控制算法较复杂，它的实现必须有计算机作支持。目前国内以石油化工行业为代表的各大企业纷纷启用先进控制技术。凭借改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度、使生产装置在接近其约束边界的条件下运行（卡边操作）等优势，先进控制技术在石油化工行业获得广泛应用，大量工业装置在已有 dcs 的基础上配备了先进控制系统，大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得到极大完善。近年来，世界上许多著名科研机构和公司也致力于 apc的研究开发和应用。许多基于多变量模型预估控制技术的apc 已经工程化并得到广泛应用。催化裂化装置实施 apc 的效
7、益是最高的，其次还有加氢裂化装置、常减压装置和油品调和。其中催化裂化装置采用 apc 的套数最多，效益最好。目前先进控制技术不但在理论上不断推出新的成果, 而且在实际生产应用中也取得了令人瞩目的成绩。现在国内外已有很多优秀的先控产品供我们选择：如 honeywell 高技术执行部的 pc ( profit controller) ；abb 代理的star ；横河代理的 smoc; foxboro 的 connoisseur ;aspen 的 dmc、浙江中控的 apcadcon；洛阳石化工程公司开发的反应热先控技术以及石油大学的机理建模技术都 各具特色，归结起来建模原理都大同小异，基本上分为机
8、理建模和采用系统辨识理论测试建模两种, 并且在实践应用中都取得了良好的经济效果。3.先进控制技术的问题与发展方向尽管先进控制系统效益明显，但国内企业先进控制建设和应用情况与国外始终存在差距。系统开发企业在开发应用过程中能够保证系统正常运行，但同时，先进控制系统的维护者是用户企业的信息技术人员，他们既要熟悉先进控制技术本身，同时要掌握计算机控制系统以及工艺过程等技术。因此，用户企业自身由于缺乏足够的技术力量，先进控制系统的长期维护问题日益明显。几年来的实践证明了在我国，先进控制方法的推广工作不是一帆风顺的，而是遇到了不少困难和问题。我国石油化工行业，在大量的 dcs 投用的基础上，先后从国外公司
9、引进了一批先进控制软件。但是这些先进控制系统大投用初期为各企业创造了较好的经济效益，后期系统运行效果逐渐变差，有的几乎不能投用运行。发生这种情况的原因有很多，但最主要的是由于现有先进控制技术本身的不足所造成的原因是使用不方便，维护困难，而且现有的先进控制还不能全部解决基本控制环节的闭环稳定控制问题。以自适应控制为例，目前理论上比较完善的自适应控 制方法基本上是参数自适应的，而且在实践中仅能应用于线性被控对象。但在石化生产过程被控对象变化往往是结构性的。对这类系统，模型预测控制也不一定能收到好的效果。对于自适应控制，有的现场的控制工程师说， “能用自适应控制方法实现稳定控制的环节，用 pid 也
10、基本上可以实现稳定控制，反之用 pid 不能实现稳定控制的环节,用自适应控制方法也基本上不能实现稳定控制” 。对自适应控制的这一来自于现场实践的评价我们应当重视。目前在工业过程现场，基本被控环节的控制即基础控制所用的控制手段(方法)百分之九十以上是 pid 控制。半个世纪的实践证明 pid 控制器是一个很好的控制器，它在系统控制中功劳卓著。对一般的线性环节的控制，pid 控制器使用方便，鲁棒性强，效果良好。但随着科学技术的发展，生产装置愈来愈大型化、复杂化，而且技术水平越来越高。在生产过程中出现了非线性、时变、大时滞、强耦合等环节，而且大的干扰还经常发生。实践证明，对付这样的被控对象，pid
11、调节器就显得无能为力了。可见，研究出一类兼有现代控制理论与经典 pid 的优点，不依赖被控对象的数学模型，保证系统闭环稳定性，控制效果良好，算法简单的新型控制理论和算法，是当前自动控制理论研究的一个重要课题。从控制工程和实际应 用的角度来看，新的控制方法必须满足一系列要求，即它必须有一系列的控制功能。这些功能包括：抗干扰功能、自适应功能、快速收敛功能、强制稳定功能、解耦功能克服大时滞功能等等。基金项目：邵阳市科技局 2010 年科研资助项目（j1016） 。参考文献：1金以慧主编.过程控制m.北京:清华大学出版社.20002陶永华主编.新型 pid 控制及其应用m.北京:机械工业出版社.20023刘曙光，王志宏等.模糊控制的发展与展望j.机电工程，20044俞金寿.复杂工业过程中的先进控制系统j.炼油化工自动化，1994,(2)
