某公司先进控制(apc)应用概况

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1、先进控制及其在*的应用,二00六年,* 高级工程师,目 录,先进控制(APC)概述 *公司先进控制应用概况 应用范例*焦化装置的APC APC项目实施的经验总结,一、先进控制概述,1、工业过程先进控制产生背景 在工业生产过程中，一个良好的控制系统不但要保证系统稳定性和整个生产的安全，满足一定的约束条件，而且应该带来一定的经济效益和社会效益。 然而设计这样的控制系统会遇到许多困难，特别是复杂工业过程往往具有不确定性（环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性）、机理复杂性、非线性、分布参数系统、变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等，要想获得精确的数学模型是十分困难的。,因此，对于过

2、程系统的设计，已不能采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高级的过程控制系统，研究先进的过程控制规律。 目前在控制领域中，虽然已逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。国外应用先进控制较广泛，而我们尚处于试验、试点阶段，与国外先进企业差距较大。DCS提供了高级功能开发应用的优越环境，该环境具有通过先进控制、优化控制等开发才能充分挖掘DCS设备的潜能，提高过程控制水平，给企业带来明显经济效益。,为了克服控制理论和实际工业应用之间的脱节现象，尽快地将现代控制理论移植

3、到过程控制领域，充分发挥计算机的功能，世界各国在加强建模理论、辩识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面进行研究。 推出了从实际工业过程特点出发，寻求对模型要求不高，在线计算方便，对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法。例如，自适应控制系统、预测控制系统、鲁棒控制系统、智能控制系统（专家系统、模糊控制）等先进控制系统。,2、工业过程先进控制的主要内容 先进控制（Advanced Process Control， APC ）是一门综合学科，它结合了工艺过程知识、过程控制理论、仪表及计算机等技术，设计出了新型的多输入多输出的先进控制系统并开发出先进控制软件，它能够解决时变性、强

4、耦合、非线性和大时滞等过程控制问题，提高装置的操作性能，以达到节能降耗、提高装置整体经济效益的效果。 根据国外的统计资料，在炼油装置应用先进控制的效益是非常巨大的。对于一个处理量为106t/a的催化裂化装置，其年效益为182万美元。,（1）工业过程控制的主要策略 自适应控制 自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智 能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。 一般地说，自适应控制在航空、导弹和空间飞行器的控制中很成功。可以得出结论，传统的自适应控制适合没有大时间延迟的机械系统；对设计的系统动态特性很清楚。 但在工业过程控制应用中，传统的自适应控制并不如意。PID自

5、整定方案可能是最可靠的，广泛应用于商业产品，但用户并不怎么喜欢和接受。,传统的自适应控制方法，要么采用模型参考要么采用自整定，一般需要辨识过程的动态特性。它存在许多基本问题需要复杂的离线训练；辨识所需的充分激励信号和系统平稳运行的矛盾；对系统结构假设；实际应用中，模型的收敛性和系统稳定性无法保证。 另外，传统自适应控制方法中假设系统结构的信息，在处理非线性、变结构或大时间延迟时很难。,鲁棒控制 鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。鲁棒性一般定义为在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能保证。 鲁棒控制方法，是对时

6、间域或频率域来说，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型但需要一些离线辨识。 一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。,鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。 过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且不确定因素变化范围大；稳定裕度小的对象。 但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。,最优控制

7、最优控制是现代控制理论的一个重要组成部分。成功应用于航天航空和军事领域，在许多方面改变了人们的生活。 一个典型的最优控制问题描述如下：被控系统的状态方程和初始条件给定，同时给定目标函数。然后寻找一个可行的控制方法使系统从输出状态过渡到目标状态，并达到最优的性能指标。 动态规划、最大值原理和变分法是最优控制理论的基本内容和常用方法。庞特里亚金极大值原理和贝尔曼动态规划是在约束条件下获得最优解的两个强有力的工具，应用于大部分最优控制问题。,在实际应用中，最优控制很适用于航天航空和军事等领域，例如空间飞行器的登月、火箭的飞行控制和防御导弹的导弹封锁。 工业系统中也有一些最优控制的应用，例如生物工程系

8、统中细菌数量的控制等。然而，绝大多数过程控制问题都和流量、压力、温度和液位的控制有关，用传统的最优控制技术来控制它们并不合适。,智能控制 智能控制是现代控制技术的又一个重要领域。关于智能控制有不同的定义。参考一个应用各种人工智能技术的范例，智能控制可以包括如下几种方法：学习控制系统；专家系统；模糊控制；神经网络控制。 学习控制系统 学习控制系统采用模式识别技术获得控制回路当前的状态，然后根据回路状态和储存的历史信息和经验知识作出控制决定。由于学习控制系统受储存的知识的限制，它至今还没有得到广泛的应用。,专家系统 专家系统是根据专家系统技术，使用一个知识库来作出控制决定的。知识库由专家的经验知识

9、，在线获得的系统信息和推理机组成。由于专家系统的知识以符号表示而且总是离散的，因此它适用于生产计划、调度和故障诊断等决策问题。但不适用于解决连续控制问题。 模糊控制 与学习控制系统和专家系统不同，模糊控制是模糊推理和控制技术相结合的产物。用模糊集合和,模糊概念描述过程系统的动态特性，以数学公式的形式来代表系统的信息或经验知识。根据模糊集和模糊逻辑来作出控制决策。 虽然模糊控制在解决复杂控制问题方面有很大的潜力，但是其设计过程复杂而且要求具备相当的专业知识。另外，由于没有许多基本的数学运算，所以模糊数学不属于数学领域的范畴。例如，模糊控制中并不一定存在加法的逆。因此，解一个模糊方程很困难，而传统

10、控制理论和应用中解微分方程是最基本的。所以，缺乏好的数学工具是模糊控制需要克服的根本问题。,神经网络控制 神经网络控制是一种使用人工神经网络的控制方法。因为人工神经网络是建立在强有力的数学基础上，所以它有很大的潜力，这个数学基础包括了各种各样的已被充分理解的数学工具。在无模型自适应控制器中人工神经网络也是一个重要组成部分。,预测控制 预测控制或称为模型预测控制（MPC）是仅有的成功应用于工业控制中的先进控制方法之一。 各类预测控制算法都有一些共同的特点，归结起来有三个基本特征：预测模型，有限时域滚动优化，反馈校正。这三步一般由计算机程序在线连续执行。 预测控制是一种基于预测过程模型的控制算法，

11、根据过程的历史信息判断将来的输入和输出。它强调模型的函数而非模型的结构，因此，状态方程、传递函数甚至阶跃响应或脉冲响应都可作为预测模型。预测模型能体现系统将来的行为，因此，设计者可以实验不同的控制律用计算机仿真观察系统输出结果。,预测控制是一种最优控制的算法，根据补偿函数或性能函数计算出将来的控制动作。预测控制的优化过程不是一次离线完成的，是在有限的移动时间间隔内反复在线进行的。移动的时间间隔称为有限时域，这是与传统的最优控制最大的区别，传统的最优控制是用一个性能函数来判断全局最优化。对于动态特性变化和存在不确定因素的复杂系统无需在全局范围内判断最优化性能，因此这种滚动优化方法很适用于这样的复

12、杂系统。 预测控制也是一种反馈控制的算法。如果模型和,过程匹配错误，或者是由于系统的不确定因素引起的控制性能问题，预测控制可以补偿误差或根据在线辨识校正模型参数。 虽然预测控制系统能控制各种复杂过程，但由于其本质原因，设计这样一个控制系统非常复杂，要有丰富的经验，这也是预测控制不能预期那样广泛得到应用的主要原因。,(2)先控软件的主流设计思想,目前先控软件的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。国际上比较成熟的先控软件有AspenTech的DMCP

13、lus和Honeywell公司的RMPCT。 多变量模型预估控制器，其功能可分为两大部分：一是控制过程的动态；另一个是控制过程的准稳态,控制过程的动态，依赖于过程的动态模型，预测在今后若干步中受控变量（CV）的轨迹，用多变量解耦和前馈手段，优化各步中各操纵变量（MV）的动作，从而使过程的CV控制在合理的范围内 。 为了克服动态模型的误差，动态过程控制中设有反馈机制，每执行一步后将预测值与过程实测值作比较，作为控制器的反馈，从而修正CV的预测值，使控制器的动态性能和可靠性大大提高。 控制过程的准稳态，利用线性规划（LP）的功能，寻找过程的最优稳态工作点，指导动态控制从当前状态缓慢、平稳地过渡到优

14、化状态。,(3)APC控制与常规PID控制的区别,从操作的角度讲，APC控制与PID控制的最大不同是PID控制多是给定点控制，而APC控制是范围控制，操作员的任务是设置CV和MV的范围，而很少是CV的给定点。 从控制角度讲，只要CV在范围内，且预测值表明，在不远的未来也没有超界的可能，则控制器的动作会很小或甚至没有，以避免频繁调整或不必要的操作调整，提高了装置操作的平稳性。单回路PID控制无法做到。 如果某MV没有自由度时（无调节余地），多变量控制器可以用其余的MV进行调整；而采用给,定点控制时，若某个变量饱和，就不得不降低产量等，这样就影响了装置的经济效益。装置实施APC控制后，不但解决了复

15、杂的控制问题，而且提供了一个控制平台，使之有稳定操作，并有能力将过程推向极限的机制。只要将控制范围设置得合理，就能取得很好得经济效益。 在APC开发与设计上，与常规的PID控制也非常不同。APC控制器的设计依赖于对工艺过程的深入理解，包括各工艺变量之间的相互关系、过程的重要约束以及摆脱约束的手段。根据不同的装置种类和形式，“量体裁衣”，开发设计出适合于某具体装置的控制系统。从而，形成了适用于国内工艺装置的APC设计风格。,二、*公司先进控制应用概况,*公司对自动化控制和APC建设和应用非常重视。建厂时全部10套生产装置有8套采用Honeywell的TDC3000 DCS系统，于1992年投入运

16、行。1997新建的聚丙烯装置同样采用Honeywell的TDC3000系统。经过多年的改造，并随着正在进行的老公用工程控制系统改造的完成，公司所有的装置及辅助装置已全部采用DCS系统，为先进控制的开发和应用提供了统一的标准化软硬件平台,有利于APC项目的开发和运行维护。 公司为了提高企业的竞争能力，充分发挥DCS平台优势，进一步提高装置生产自动化水平，挖掘新的,效益增长点，先后开发应用了多套APC项目。公司与国内高校联合，并在集团公司的领导和支持下，使用集团公司统一安排引进的国外先进成熟商品化APC软件，在常减压、催化重整、聚丙烯和焦化等4套主要生产装置上成功实施先进控制系统。目前APC项目开发运维管理严格、控制策略完善合理。通过保证这些APC系统长期稳定运行，使APC的在线控制率达到每年90左右，为公司生产的平稳运行做出了贡献。下面主要介绍一下主要装置APC的使用情况：,1、常减压装置APC的应用情况,公司原先与清华大学合作，在常减压装置的常压塔，采用过程机理分析和统计回归相结合的方法建模，计算常压塔各侧线