第四講-先進(jìn)過程控制技術(shù)

全國(guó)化工儀表維修工技師、高級(jí)技師培訓(xùn)輔導(dǎo)講義——第四講：先進(jìn)過程控制技術(shù)PAGEPAGE31第四講先進(jìn)過程控制技術(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制先進(jìn)控制的概念現(xiàn)代控制理論和人工智能幾十年的發(fā)展已為先進(jìn)控制奠定了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，而DCS的普及與提高，則為先進(jìn)控制的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺(tái)。企業(yè)的需要、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是先進(jìn)控制（AdvancedProcessControl）發(fā)展強(qiáng)有力的推動(dòng)力。先進(jìn)控制是對(duì)那些不同于常規(guī)單回路PID控制，并具有比常規(guī)PID控制更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱。先進(jìn)控制的任務(wù)是用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程控制的問題。其主要特點(diǎn)如下：與傳統(tǒng)的PID控制不同，先進(jìn)控制是一種基于模型的控制策略，如模型預(yù)測(cè)控制和推斷控制等。目前，基于知識(shí)的控制，如智能控制和模糊控制，正成為先進(jìn)控制的一個(gè)重要發(fā)展方向。先進(jìn)控制通常用于處理復(fù)雜的多變量過程控制問題。如大時(shí)滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在著各種約束等。先進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)需要足夠的計(jì)算能力作為支持平臺(tái)。隨著DCS功能的不斷增強(qiáng)，更多的先進(jìn)控制策略可以與基本控制回路一起在DCS上實(shí)現(xiàn)，有效地增強(qiáng)先進(jìn)控制的可靠性、可操作性和可維護(hù)性。從全廠綜合自動(dòng)化的角度看，先進(jìn)控制恰好處在承上啟下的重要地位。性能良好的先進(jìn)控制是在線優(yōu)化得以有效實(shí)施的前提，進(jìn)而可將企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的經(jīng)營(yíng)決策、生產(chǎn)管理和調(diào)度的有關(guān)信息及時(shí)落實(shí)至全廠生產(chǎn)裝置的實(shí)際運(yùn)行中，并可真正實(shí)現(xiàn)全廠綜合優(yōu)化控制。先進(jìn)控制的核心內(nèi)容作為一個(gè)整體，先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)包括從數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)學(xué)模型建立、先進(jìn)控制策略到工程實(shí)施的全部?jī)?nèi)容。數(shù)據(jù)的采集、處理和軟測(cè)量技術(shù)利用大量的實(shí)測(cè)信息是先進(jìn)控制的優(yōu)勢(shì)所在。由于來自工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的過程信息通常帶有噪聲，數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)作濾波處理，采集到的數(shù)據(jù)還應(yīng)進(jìn)行過失誤差的檢測(cè)與識(shí)別和過程數(shù)據(jù)的有效性檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)調(diào)理工作，這是先進(jìn)控制應(yīng)用的重要保障?；诳蓽y(cè)信息和模型，實(shí)時(shí)計(jì)算不可測(cè)量的變量，即軟測(cè)量技術(shù)，是先進(jìn)控制中不可缺少的內(nèi)容。多變量動(dòng)態(tài)過程模型辨識(shí)技術(shù)獲取對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是實(shí)施先進(jìn)控制的基礎(chǔ)。實(shí)際工業(yè)過程模型化是一項(xiàng)專門的技術(shù)，它涉及到過程動(dòng)態(tài)學(xué)、系統(tǒng)辨識(shí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及人工智能等多種知識(shí)。目前類似模型預(yù)測(cè)控制這樣的先進(jìn)控制策略均采用工業(yè)試驗(yàn)的方法來獲取控制模型，而機(jī)理模型和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。先進(jìn)控制策略先進(jìn)控制采用了合理的控制目標(biāo)和控制結(jié)構(gòu)，可更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的需要。先進(jìn)控制主要解決：個(gè)別重要過程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預(yù)測(cè)控制與原控制回路構(gòu)成所謂的“透明控制”的方式解決約束多變量過程的協(xié)調(diào)控制問題，主要采用帶協(xié)調(diào)層的多變量預(yù)測(cè)控制策略推斷質(zhì)量控制，利用軟測(cè)量的結(jié)果實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的質(zhì)量卡邊控制。涉及到的主要控制策略有模型預(yù)測(cè)控制、推斷控制、協(xié)調(diào)控制、質(zhì)量卡邊控制、統(tǒng)計(jì)過程控制，以及模糊控制、神經(jīng)控制等。先進(jìn)控制的實(shí)施先進(jìn)控制在實(shí)施時(shí)需要解決許多具體的工程問題：合理地選擇被控的區(qū)域正確整定基本PID控制回路和先進(jìn)控制系統(tǒng)合理限制控制變量的變化量和變化率，保證控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和對(duì)不確定因素的魯棒性建立良好的先進(jìn)控制人機(jī)界面，確保在最常用的流程圖畫面上看到先進(jìn)控制的信息，便于投用、維護(hù)和操作先進(jìn)控制工程化方法要使先進(jìn)控制達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，必須嚴(yán)格地按一定的程序完成先進(jìn)控制的工程化工作，而且與所選用的工作平臺(tái)無關(guān)。其工程化主要步驟如下：定義目標(biāo)首先應(yīng)將整個(gè)企業(yè)的目標(biāo)細(xì)化為裝置的目標(biāo)、過程單元的目標(biāo)以及最終主要過程裝置的目標(biāo)。分解目標(biāo)至最底層在一個(gè)裝置內(nèi)，應(yīng)對(duì)各主要設(shè)備建立控制目標(biāo)，從而將過程裝置的目標(biāo)分解至最底層的各個(gè)設(shè)備。識(shí)別先進(jìn)控制的適用性先進(jìn)控制的適用性是指通過采用先進(jìn)控制能否達(dá)到減少主要過程變量變化的預(yù)期目標(biāo)。先進(jìn)控制的效益/成本分析效益/成本分析可以給出是否采用先進(jìn)控制策略或應(yīng)當(dāng)采用哪種先進(jìn)控制策略。制訂功能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)要實(shí)施的先進(jìn)控制算法必須規(guī)定其功能標(biāo)準(zhǔn)。先進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)在先進(jìn)控制方案確定后，首先進(jìn)行詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)，這些工程設(shè)計(jì)包括控制回路連接圖、系統(tǒng)儀表配置一覽表、先進(jìn)控制操作界面等，最終生成可實(shí)現(xiàn)的控制軟件。調(diào)試調(diào)試是檢驗(yàn)先進(jìn)控制方案和生成的控制軟件是否正確。先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益關(guān)鍵的復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，通過實(shí)施先進(jìn)控制，可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性，改善工業(yè)生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)性能，減少關(guān)鍵變量的操作波動(dòng)幅度，使其更接近于優(yōu)化目標(biāo)值，從而將工業(yè)生產(chǎn)過程推向更接近裝置約束邊界條件下運(yùn)行，最終達(dá)到增強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性，保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，提高目標(biāo)產(chǎn)品的收率，提高生產(chǎn)裝置的處理能力，降低生產(chǎn)過程運(yùn)行成本以及減少環(huán)境污染等目的。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，先進(jìn)控制策略所取得的經(jīng)濟(jì)效益占整體效益的30%，原因是可以減少開工過渡時(shí)間，合理減少產(chǎn)品質(zhì)量的裕度，提高了產(chǎn)品收率，延長(zhǎng)開工周期，減少能耗等。先進(jìn)控制面臨的挑戰(zhàn)先進(jìn)控制的廣泛應(yīng)用，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，在實(shí)施先進(jìn)控制的過程中，也會(huì)碰到許多富有挑戰(zhàn)性的問題，反過來又促進(jìn)先進(jìn)控制向更高層次發(fā)展。目前在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制策略中面臨如下幾個(gè)主要問題：模型辨識(shí)的新工具目前，為了完成象反應(yīng)器這樣的主要工業(yè)生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試，需要耗費(fèi)數(shù)周的時(shí)間，給工程技術(shù)人員帶來很大的工作量，迫切需要更好和更有效的過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試和能更充分利用統(tǒng)計(jì)信息辨識(shí)出動(dòng)態(tài)模型的方法。自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制針對(duì)那些變?cè)鲆娴墓I(yè)過程，如油品調(diào)合和PH控制等過程，需要應(yīng)用自適應(yīng)控制的思想來改進(jìn)多變量模型預(yù)測(cè)控制器性能，例如模型參數(shù)預(yù)測(cè)等方法的研究和開發(fā)。非線性模型預(yù)測(cè)控制普遍應(yīng)用的模型預(yù)測(cè)控制軟件包采用的是線性模型，在碰到內(nèi)在非線性問題時(shí)，必須將其參數(shù)整定得以確保在整定操作區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定性，其后果是對(duì)許多操作區(qū)域的控制作用過于遲緩。為了根本解決這一問題，迫切需要非線性模型預(yù)測(cè)控制工程化軟件。廣義對(duì)象傳感器模糊控制的應(yīng)用蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：是一個(gè)雙輸入-雙輸出系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)速度和鍋爐壓力）地鐵自動(dòng)駕駛系統(tǒng)：如1987年投用的日本仙臺(tái)市地鐵，停車精度達(dá)到了3.57cm機(jī)器人：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念所謂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術(shù)系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模并行的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)分布式存貯信息的特點(diǎn)對(duì)信息的處理及推理的過程具有并行的特點(diǎn)對(duì)信息的處理具有自組織、自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的概念所謂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一工具對(duì)難以精確描述的復(fù)雜的非線性對(duì)象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器，或優(yōu)化計(jì)算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等，以及同時(shí)兼有上述某些功能的適當(dāng)組合，將這樣的系統(tǒng)統(tǒng)稱為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，稱這種控制方式為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不善于顯式表達(dá)知識(shí)，但具有很強(qiáng)的逼近非線性函數(shù)的能力，即非線性映射能力。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的主要作用在基于精確模型的各種控制結(jié)構(gòu)中充當(dāng)對(duì)象的模型；在反饋控制系統(tǒng)中直接充當(dāng)控制器的作用；在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中起優(yōu)化計(jì)算的作用；在與其他智能控制方法和優(yōu)化算法，如模糊控制、專家控制及遺傳算法等相融合中，為其提供非參數(shù)化對(duì)象模型、優(yōu)化參數(shù)、推理模型及故障診斷等。專家控制專家控制的概念所謂專家控制是指將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。專家系統(tǒng)是指相當(dāng)于專家處理知識(shí)和解決問題能力的計(jì)算機(jī)智能軟件系統(tǒng)，它不僅是獨(dú)立的決策者，而且是具有獲得反饋信息并能實(shí)時(shí)在線控制的系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫(kù)②規(guī)則庫(kù)③推理機(jī)④人-機(jī)接口⑤規(guī)劃環(huán)節(jié)專家控制系統(tǒng)的特點(diǎn)高可靠性及長(zhǎng)期運(yùn)行連續(xù)性②在線控制的實(shí)時(shí)性③優(yōu)良的控制性能及抗干擾性④使用的靈活性及