先進(jìn)控制技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用

梁照斌

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

先進(jìn)控制技術(shù)（APC）是對(duì)于目前使用越來(lái)越廣泛的非常規(guī)控制電路以及控制方法的總稱，一般認(rèn)為先進(jìn)控制技術(shù)有優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制回路的控制效果。先進(jìn)控制技術(shù)的核心主要包含模糊控制、預(yù)測(cè)控制以及自適應(yīng)控制等多個(gè)方面的內(nèi)容。其主要的核心思想表現(xiàn)為采用對(duì)多個(gè)變量的預(yù)估作為控制的核心，建立過(guò)程數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)未來(lái)信號(hào)的輸出狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)用預(yù)測(cè)對(duì)象的實(shí)際輸出值以及預(yù)測(cè)值形成誤差修正模型，以此達(dá)到使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)的目的。先進(jìn)控制技術(shù)一般要求能建立過(guò)程數(shù)學(xué)模型以及誤差修正的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際的工業(yè)控制應(yīng)用中建立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能良好的數(shù)學(xué)模型難度較大。從控制工程的基本理論以及工程應(yīng)用的角度分析，形成一種不過(guò)分依賴于數(shù)學(xué)模型，閉環(huán)控制特性良好的新型理論以及實(shí)際算法是目前工業(yè)控制領(lǐng)域研究的重要方向之一。

1 先進(jìn)控制技術(shù)的基本內(nèi)涵

先進(jìn)控制技術(shù)的內(nèi)涵應(yīng)該包含控制對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、控制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的建立、先進(jìn)控制策略的應(yīng)用以及控制技術(shù)的工程實(shí)際應(yīng)用等方面的內(nèi)容。

1.1 控制對(duì)象數(shù)據(jù)的采集、處理以及軟測(cè)量技術(shù)

對(duì)于控制對(duì)象進(jìn)行大量的實(shí)際測(cè)量形成較大的數(shù)據(jù)量是先進(jìn)控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要表現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度對(duì)于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立具有重要的影響。同時(shí)在實(shí)際的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地都會(huì)收到工業(yè)環(huán)境噪聲以及干擾的影響。因此濾波器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，同時(shí)還可以采取過(guò)失誤差檢測(cè)、數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)等多種信號(hào)調(diào)理方式有效改善數(shù)據(jù)的采集效果。數(shù)據(jù)的采集是先進(jìn)控制系統(tǒng)得以實(shí)施的重要保障。在實(shí)施先進(jìn)控制與優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)，往往需要一些很重要的變量，如產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)率、化學(xué)反應(yīng)深度、優(yōu)化目標(biāo)等，但是這些變量往往又是不可直接測(cè)量或者是雖然可以通過(guò)在線分析儀進(jìn)行測(cè)量，但時(shí)間滯后很大，不能用于實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。為了實(shí)時(shí)獲得這些重要變量，并參與閉環(huán)控制和優(yōu)化，就必須利用有關(guān)的可測(cè)過(guò)程變量，通過(guò)與這些有關(guān)過(guò)程變量之間的數(shù)學(xué)模型或代數(shù)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這就是所謂的軟測(cè)量技術(shù)。

1.2 先進(jìn)的控制策略

先進(jìn)控制技術(shù)的第二個(gè)方面就是能夠?qū)I(yè)控制系統(tǒng)采用對(duì)應(yīng)的先進(jìn)控制策略。為了能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中控制性能的實(shí)際需要，在控制方案上要能夠制定合理的控制目標(biāo)以及設(shè)計(jì)良好的控制結(jié)構(gòu)。先進(jìn)控制技術(shù)首先需要關(guān)注的就是重要過(guò)程變量的控制以及控制性能的改善，目前主要采取的方案是單變量模型預(yù)測(cè)控制的基本方案；約束多變量的協(xié)調(diào)控制也是先進(jìn)控制技術(shù)需要解決的重要問(wèn)題，目前在工業(yè)控制系統(tǒng)中主要應(yīng)用的就是帶有協(xié)調(diào)層的多變量預(yù)測(cè)策略；先進(jìn)控制技術(shù)最后要解決的就是推斷質(zhì)量控制，在此過(guò)程中主要涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包含模糊控制、魯棒控制以及非線性控制等多種方案。

1.3 多變量動(dòng)態(tài)過(guò)程模型辨識(shí)技術(shù)

實(shí)施有效的變量控制的基礎(chǔ)是進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，在復(fù)雜的工業(yè)控制過(guò)程系統(tǒng)中，尤其是數(shù)據(jù)量較大以及噪聲范圍很寬的場(chǎng)合需要強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)于采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛假數(shù)據(jù)的剔除以及有效數(shù)據(jù)的分組，最終可以實(shí)現(xiàn)將工程實(shí)踐中的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為多變量輸入、多變量輸出的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。實(shí)現(xiàn)工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型化是涉及到過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)、人工智能、統(tǒng)計(jì)學(xué)原理以及系統(tǒng)辨識(shí)等多方面知識(shí)的綜合技能，在實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有極為重要的意義。

模型的建立過(guò)程中，可以使用DMC進(jìn)行線性預(yù)測(cè)模型的建立。在DMC算法中，首先需要的就是進(jìn)行對(duì)對(duì)象的單位階躍響應(yīng)的采樣值進(jìn)行測(cè)定ai=a(iT),其中T為響應(yīng)值的采用周期。實(shí)際的工程控制對(duì)象都具有穩(wěn)定的趨向，因此aN可以認(rèn)為是階躍響應(yīng)的穩(wěn)定值。因此對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息就可以應(yīng)用有限的集合{a1；a2；a3…aN}來(lái)描述。由集合產(chǎn)生的向量就是模型參數(shù)，在K時(shí)刻就可以在假定控制對(duì)象不變的情況下對(duì)未來(lái)的N個(gè)變量進(jìn)行控制預(yù)測(cè)。y1(k+ik)=y1(k+ik)+aiΔu(k)

2 先進(jìn)控制技術(shù)的特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域

先進(jìn)控制技術(shù)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，首先是與傳統(tǒng)的PID策略不同，先進(jìn)控制技術(shù)是一種基于模型的控制方案，涉及到對(duì)模型的建立以及誤差的調(diào)整；先進(jìn)控制技術(shù)一般都是用來(lái)對(duì)多變量、電路之間耦合較強(qiáng)等場(chǎng)合進(jìn)行控制；先進(jìn)控制技術(shù)一般都是建立在常見(jiàn)的單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的協(xié)調(diào)控制，先進(jìn)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的需求；先進(jìn)控制系統(tǒng)由于涉及到模型的建立，因此需要進(jìn)行大量的采集數(shù)據(jù)的處理分析，因此先進(jìn)控制技術(shù)需要強(qiáng)有力的計(jì)算工具以進(jìn)行支撐。

目前，先進(jìn)控制技術(shù)在石油化工行業(yè)的生產(chǎn)以及其他工業(yè)生產(chǎn)控制方面發(fā)揮了重要的作用。由于先進(jìn)控制技術(shù)在控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能調(diào)整、變量變化范圍的波動(dòng)控制以及卡邊操作等方面的優(yōu)勢(shì)，在石油化工以及其他的工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)控制中得到了極為廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)控制系統(tǒng)目前采用的主要方式是在傳統(tǒng)的DCS裝置上進(jìn)行了先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用。目前先進(jìn)控制系統(tǒng)的主要理論是進(jìn)行機(jī)理建模以及采用辨識(shí)理論測(cè)試等方案進(jìn)行建模兩種。

3 先進(jìn)控制技術(shù)存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)

目前，先進(jìn)控制技術(shù)理論以及工程應(yīng)用在國(guó)內(nèi)都取得了良好的效果，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比。仍然存在著一定的差距。一般企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所需要的控制系統(tǒng)都是由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)企業(yè)完成的，在實(shí)際的使用過(guò)程中出現(xiàn)故障一般都依賴于開(kāi)發(fā)企業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試，用戶企業(yè)一般自身都缺乏先進(jìn)控制系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用能力以及解決問(wèn)題的能力。先進(jìn)控制技術(shù)目前尚不能夠完全滿足閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制要求。隨著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度逐漸提升，生產(chǎn)裝置的的大型化以及復(fù)雜化，同時(shí)隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)要求越來(lái)越高。

4 結(jié)論

先進(jìn)控制技術(shù)對(duì)于目前的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境噪聲大等情況下的工作具有重要的意義。先進(jìn)控制技術(shù)主要包含控制對(duì)象數(shù)據(jù)的采集、控制模型的建立以及誤差消除（減?。┛刂颇Ｐ偷慕ⅲ軌?qū)崿F(xiàn)性能良好的先進(jìn)控制系統(tǒng)同時(shí)也需要具備性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)計(jì)算軟件以及硬件平臺(tái)。先進(jìn)控制技術(shù)在理論以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程方面的實(shí)際控制都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果以及社會(huì)效益，但是同時(shí)也存在著諸多亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，需要在今后的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中進(jìn)一步進(jìn)行探索，以保證先進(jìn)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程中發(fā)揮更大的作用。

［1］許超，陳治鋼.邵惠鶴，預(yù)測(cè)控制技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表，2002，29（3）：1-10.

［2］張文德，李冬媛.推進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)在石油化工企業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展[J].煉油設(shè)計(jì)，2000，30（2）：1-5.

［3］王立行.石油化工過(guò)程先進(jìn)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].煉油設(shè)計(jì)，2000，30（2）：6-11.

［4］孟志光.常減壓蒸餾裝置先進(jìn)控制的實(shí)施[J].煉油設(shè)計(jì)，2000，30（2）12-17.

［5］吳峰，孟凡東，閆遂寧.催化裂化裝置在線工藝計(jì)算模型及軟件的開(kāi)發(fā)[J].煉油設(shè)計(jì)，2000，30（2）18-23.