流程工业先进控制技术的现状与发展概要

1、n流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等是在知识经济时代冶金、采矿、电力、食品加工等是在知识经济时代的的2121世纪的国民经济中占世纪的国民经济中占主导主导地位的行业地位的行业n全球全球500500强行业中，流程工业企业有强行业中，流程工业企业有7070余家，占余家，占15%15%，其营业收入占总收入的其营业收入占总收入的16.5%16.5%n我国流程企业年产值占全国企业年总产值的我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，因流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，

2、因此，流程工业是国家的此，流程工业是国家的重要基础支柱产业重要基础支柱产业 全球全球500强企业中，强企业中，流程工业企业占了流程工业企业占了70家家 中国流程工业总产值中国流程工业总产值占工业总产值占工业总产值66%n是将先进的是将先进的工艺制造技术、现代管理技术工艺制造技术、现代管理技术和以先进控制技术为代表的信息技术和以先进控制技术为代表的信息技术相结相结合合n将企业的将企业的经营管理，生产过程的控制、运经营管理，生产过程的控制、运行与管理行与管理作为一个整体进行控制与管理作为一个整体进行控制与管理n实现企业的实现企业的优化运行、优化控制与优化管优化运行、优化控制与优化管理理，成为提高企

3、业竞争力的重要高技术，成为提高企业竞争力的重要高技术 n 2121世纪信息产业的发展，使企业的经营活动世纪信息产业的发展，使企业的经营活动正在正在由封闭性、地区性向开放性和全球化由封闭性、地区性向开放性和全球化转变转变n我国工业企业要在剧烈的市场竞争中处于不败我国工业企业要在剧烈的市场竞争中处于不败之地，必须以信息化带动工业化，使企业具有之地，必须以信息化带动工业化，使企业具有对对市场动态环境快速适应能力和业务重组能力市场动态环境快速适应能力和业务重组能力n流程工业综合自动化的重大发展，对于推进企流程工业综合自动化的重大发展，对于推进企业现代化管理和可持续发展，追求业现代化管理和可持续发展，追

4、求最佳经济效最佳经济效益，缩短生产周期，加快资金周转，降低产品益，缩短生产周期，加快资金周转，降低产品成本，提高企业竞争力成本，提高企业竞争力等方面具有特别重要的等方面具有特别重要的意义意义 n列入发达国家的重点高技术发展计划列入发达国家的重点高技术发展计划n国际上著名的钢铁企业国际上著名的钢铁企业日本新日铁日本新日铁 石化企业美国石化企业美国埃克森公司埃克森公司 已经实现了全厂已经实现了全厂CIPSCIPS 获得了显著的经济效益获得了显著的经济效益n我国的流程工业我国的流程工业CIPSCIPS在国家在国家863863高技术计划高技术计划的支持下取得了较大的发展的支持下取得了较大的发展 l 具

5、有竞争优势的高技术具有竞争优势的高技术n流程工业企业正在大幅度提高其在信息技流程工业企业正在大幅度提高其在信息技术方面的投资术方面的投资 英国当年信息技术产品和服务在工业界英国当年信息技术产品和服务在工业界的市场份额为的市场份额为3131亿英镑，而流程企业在信亿英镑，而流程企业在信息技术上的花费就达到息技术上的花费就达到1515亿英镑亿英镑n二十世纪二十世纪8080年代后期，使过程控制开始突年代后期，使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式模式l 自动化领域的高技术中

6、的自动化领域的高技术中的前沿课题前沿课题n19951995年美国、日本、西欧等国已有年美国、日本、西欧等国已有100100多家炼多家炼油、化工企业都相继建立了流程油、化工企业都相继建立了流程CIMSCIMS系统。通系统。通过计算机网络向上下游、过计算机网络向上下游、产供销一体化或集成产供销一体化或集成化方向发展化方向发展n意大利意大利AGIPAGIP石油公司提出了以数据模型为核心石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案，对生产过程进行的工厂信息集成系统的方案，对生产过程进行监视、控制和诊断，单元整合和优化监视、控制和诊断，单元整合和优化n在管理决策层进行在管理决策层进行物料平衡、

7、生产计划、调度、物料平衡、生产计划、调度、企业资源计划、模拟与优化企业资源计划、模拟与优化等。目前国外实施等。目前国外实施CIMSCIMS的大型流程工业企业已占很大比例的大型流程工业企业已占很大比例 n流程工业中运行的控制系统均流程工业中运行的控制系统均以控制性能以控制性能为指为指标，没有对产品质量和工艺指标进行控制，因标，没有对产品质量和工艺指标进行控制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高而产品质量差，产品收率低，生产成本高n生产过程中的生产过程中的物耗、能耗、设备运行物耗、能耗、设备运行都没有实都没有实现在线控制与管理现在线控制与管理n生产过程没有实现生产过程没有实现优化运行、优化控制

8、和优化优化运行、优化控制和优化管理管理n企业企业资源未能实现优化配置，资源未能实现优化配置，企业的经营管理、企业的经营管理、生产过程指挥与管理和过程控制的信息没有实生产过程指挥与管理和过程控制的信息没有实现有效集成现有效集成 基于基于ERP/MES/PCS的三级结构的三级结构ERP/MES/PCS三级结构三级结构ERP(Enterprise Resource Planning)PCS(Process Control System)MES (Manufacturing Execution System)l 基于基于ERP/MES/PCS三级结构的三级结构的特特 点点n三层结构符合现代企业生产管理

9、结构三层结构符合现代企业生产管理结构“扁平化扁平化”的思想，较之五层结构更的思想，较之五层结构更易易于集成和实现于集成和实现n系统结构的扁平化，促使管理以职能为系统结构的扁平化，促使管理以职能为中心向以过程为中心转变中心向以过程为中心转变 n三级结构实现了三级结构实现了一体化过程控制（一体化过程控制（IPCIPC）的要求的要求n三级结构中，三级结构中，MES MES 是集成的关键是集成的关键 nERP（企业资源计划）（企业资源计划）&SCM (供应鏈供应鏈)nMES（制造执行系统）通过对生产系统的跟踪（制造执行系统）通过对生产系统的跟踪和监督，以有效实现生产计划和调度的优化和监督，以有

10、效实现生产计划和调度的优化nMonitoring & SPC（Statistical Process Control）(过程监控与统计过程分析过程监控与统计过程分析)nROP（Real-Time Optimization实时优化）实时优化）nAPC & R2R（Advanced Process Control & Run to Run Control 先进控制与）先进控制与）ERPSCMMESMonitoring& SPCAPCREOPT公司各部门公司各部门l 在递阶级构中的地位在递阶级构中的地位工厂级优化工厂级优化装置级装置级MPCDCS过程监控过程监控生产过

11、程生产过程企业或企业或企业集团企业集团经营优化经营优化l 信息化企业的示意结构信息化企业的示意结构需求预测战略计划订单管理客户管理客户订单ATP/CTP生产计划和调度采购计划MESAPC仑库管理生产装置ERP监控监控传统控制传统控制: 反馈、串级、前馈等。反馈、串级、前馈等。MPC: 带约束的多变量模型预测控制带约束的多变量模型预测控制实时优化控制实时优化控制: 装置和全厂的实时优化以提供装置和全厂的实时优化以提供局部控制器的设定值局部控制器的设定值过程监督控制过程监督控制: 基於历史数据和统计方法实现基於历史数据和统计方法实现系统系统(过程过程)性能和产品质量的监督控性能和产品质量的监督控,

12、 例如例如 PCA, PLS 和和 NN 等。等。R2RMES层层ERP层层PCS 层层 传感器、执行机构、在线分析仪资产管理资产动态管理 实实 时时 调调 度度生产管理中 间库 存管理ERP（Enterprise Resource Planning) 企业资源管理 生产过程管理 物流计划 生产成本计划 生产计划物 流 控 制与管理生产成本控制与管理数据统计/生产调度中 间产 品管理e安全控制与管理 质量控制 生产过程模型化生产过程模型化过程模拟基于工艺目标与技术经济指标的过程优化控制接口与信息界面 DCS 系统 FCS系统 生产过程支持系统 高高 级级 控控 制制 传统APCe设备维护管理知

13、识 信息e运行操作支持l ERP/MES/PCS三级结构三级结构四大创新技术四大创新技术 1、以产品质量和工艺要求为指标的先进控以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术制技术 (APC)2、以经济指标为目标的生产过程优化运行、以经济指标为目标的生产过程优化运行、优化控制、优化管理技优化控制、优化管理技 (MES)3、以财务分析与决策为核心的整体资源优、以财务分析与决策为核心的整体资源优化技术化技术 (ERP)4、以企业目标为主导，以知识链为依托的、以企业目标为主导，以知识链为依托的ERP/MES/PCS三级结构集成技术三级结构集成技术2.1 先进控制的提出与特点先进控制的提出与特点2,2 先进

14、控制的发展现状先进控制的发展现状2.3 基于模型预测的多变量约束控制基于模型预测的多变量约束控制MCC （Multivariable Constrained Controller ）2.4 MCC在工业过程控制中的应用在工业过程控制中的应用l在在FCCU反应再生系统的应用反应再生系统的应用(仿真仿真)lMCC在大型催化裂化中的应用在大型催化裂化中的应用 u规模庞大，结构复杂，不确定性，非线性，规模庞大，结构复杂，不确定性，非线性，强耦合性强耦合性u实现安全、平稳、高效生产的需要；实现安全、平稳、高效生产的需要；u提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策；提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策；u

15、先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中起着承上启下的重要作用起着承上启下的重要作用n美国的化学工业每年的产值四千亿美元，提供一百多万个就美国的化学工业每年的产值四千亿美元，提供一百多万个就业岗位，业岗位，2000年出口总值达年出口总值达725亿美元，占美国出口的亿美元，占美国出口的10%。n要保持化工工业在全球的销售实力，就要保持更低的价格和要保持化工工业在全球的销售实力，就要保持更低的价格和更可靠的服务，必须不断将先进的信息技术和过程控制技术更可靠的服务，必须不断将先进的信息技术和过程控制技术融合到生产过程中。融合到生产过程中。n生产过程中使用反馈控制能

16、提高产品的质量、降低材料和能生产过程中使用反馈控制能提高产品的质量、降低材料和能源的消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本，从源的消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本，从而，在全球经济中更具竞争力。而，在全球经济中更具竞争力。u 2020世纪世纪6060年代后期，过程控制已被广泛年代后期，过程控制已被广泛应用于石化和材料的加工过程，主要是应用于石化和材料的加工过程，主要是单回路局部反馈控制形式单回路局部反馈控制形式，各控制器之，各控制器之间几乎没有联系。间几乎没有联系。u在在80年代和年代和90年代，多变量控制特别是年代，多变量控制特别是基于基于模型预测控制模型预测控制的多变量优

17、化控制得到迅速的的多变量优化控制得到迅速的发展发展。u基于模型预测控制基于模型预测控制近几年已用于处理大规模的过程近几年已用于处理大规模的过程控制问题。控制问题。n基于模型预测控制的多变量优化控制，在具有基于模型预测控制的多变量优化控制，在具有控控制约束和状态约束制约束和状态约束的工业过程中，已成为一种标的工业过程中，已成为一种标准的控制技术。准的控制技术。n在在2000年据控制厂商报道，模型预测控制已有年据控制厂商报道，模型预测控制已有5000多例多例，包括炼油、石化、纸浆和造纸、空，包括炼油、石化、纸浆和造纸、空气分离、食品加工、炼钢、航空和汽车。气分离、食品加工、炼钢、航空和汽车。 l

18、基于模型控制的理论体系已基本形成，基于模型控制的理论体系已基本形成，出现了许多出现了许多基于模型预测的多变量约束基于模型预测的多变量约束模型控制模型控制 ，如如AspenTechAspenTech 的的DMCplusDMCplus、 MCCMCC等等工程化工程化软件包软件包，是是的先进控制策略的先进控制策略l 专家控制系统：专家控制系统：过程故障诊断，监督控过程故障诊断，监督控制，检测仪表和控制回路有效性制，检测仪表和控制回路有效性l 神经网络：神经网络：非线性过程的建模，软测量，非线性过程的建模，软测量，控制系统的设计控制系统的设计 先进控制的发展现状先进控制的发展现状l 模糊系统：模糊系统

19、：模糊控制理论基础，表达不确定模糊控制理论基础，表达不确定性知识；性知识；l 非线性控制：非线性控制：开发中，应用不多；开发中，应用不多；l 鲁棒控制：鲁棒控制：研究热点，理论性太强，实际应研究热点，理论性太强，实际应用需做大量的改进和简化；使先进控制具备用需做大量的改进和简化；使先进控制具备鲁棒性是重要的发展方向。鲁棒性是重要的发展方向。l 其他先进控制其他先进控制还包括：内模控制，自适应控还包括：内模控制，自适应控制，增益调整，解耦控制，时滞补偿等；制，增益调整，解耦控制，时滞补偿等；2.3 MCC 是具有是具有约束约束的多变量、多目标、的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的动态多控

20、制模式和基于模型预测的动态最优控制器最优控制器 是应用广泛和最有前途的先进是应用广泛和最有前途的先进控制策略控制策略六十年代六十年代-七十年代七十年代v计算机硬件的提高和现代控制理论的发展但先进计算机硬件的提高和现代控制理论的发展但先进控制在过程产业中没有达到期望的高度控制在过程产业中没有达到期望的高度原因：原因：n现代控制理论以高精度模型为前提，过程建模难，过现代控制理论以高精度模型为前提，过程建模难，过程时变，设计和运行不同程时变，设计和运行不同n现代控制理论不灵活：被控制变量（现代控制理论不灵活：被控制变量（CVCV）和操纵变量和操纵变量（MVMV）的选择；难与的选择；难与PIDPID配

21、合配合n硬件上尚不具备条件：计算机虽能装入高级控制算法，硬件上尚不具备条件：计算机虽能装入高级控制算法，但价格贵，代价高但价格贵，代价高应用不普及；下一级控制以常应用不普及；下一级控制以常规控制仪表为主规控制仪表为主l 提出提出 2 2v八十年代开始八十年代开始 高级控制迅猛发展的原因：高级控制迅猛发展的原因： 能源危机，能源危机，环保对控制提出更高要求；环保对控制提出更高要求； 节省能源，合理利用资源，综合利用，使操作复杂化；节省能源，合理利用资源，综合利用，使操作复杂化； 排出无污染物要求达到最低限度；排出无污染物要求达到最低限度； PID PID不能完全胜任，要求高级控制引入，使产业界对

22、过程控制不能完全胜任，要求高级控制引入，使产业界对过程控制的看法开始改变的看法开始改变 计算机迅猛发展计算机迅猛发展，高性能，低成本；，高性能，低成本； DCS DCS出现及普及；出现及普及； 计算机通讯变得十分方便计算机通讯变得十分方便, ,众多信息平台出现；递阶结构硬件众多信息平台出现；递阶结构硬件基础奠定基础奠定 八十年代模型预测控制（八十年代模型预测控制（MPCMPC）诞生诞生；控制技术有很大推进；控制技术有很大推进； 广泛应用于石化、煤油、电力、化工、冶金、食品加工、航广泛应用于石化、煤油、电力、化工、冶金、食品加工、航空、汽车制造、造纸等空、汽车制造、造纸等l 模型预测控制基本原理

23、模型预测控制基本原理u综合利用过去、现代和将来的信息综合利用过去、现代和将来的信息决定控制策决定控制策略模型预测将来输出略模型预测将来输出 （PID只利用过去和现在的信息）只利用过去和现在的信息）u对模型要求低对模型要求低：反馈校正：反馈校正 (现代控制理论要求模型精度高现代控制理论要求模型精度高)u滚动优化：滚动优化：每控制周期不断进行优化计算（现代每控制周期不断进行优化计算（现代控制一次优化）控制一次优化）u稳态优化与动态优化相结合稳态优化与动态优化相结合u多变量多变量系统（系统（ PID是一对一控制）是一对一控制）uCV和和MV可受可受约束约束l 第三代第三代MCCMCC产品及其公司产品

24、及其公司l 工业工业MCCMCC产品技术特性比较产品技术特性比较l MCCMCC开发与应用情况开发与应用情况l 经济效益分析经济效益分析 u生产装置经济效益的最大关键：生产装置经济效益的最大关键：使生产过程使生产过程时刻处于最优约束上操作时刻处于最优约束上操作u实现多变量实现多变量MPCMPC：减少过程干扰的影响；在减少过程干扰的影响；在约束条件下，最优卡边操作；约束条件下，最优卡边操作；实现经济性能实现经济性能最优化最优化- -局部稳态优化局部稳态优化u实现在线全装置稳态优化：基于过程稳态模实现在线全装置稳态优化：基于过程稳态模型；不断修正约束条件；不断更新模型；型；不断修正约束条件；不断更

25、新模型；在在线求过程的最优设定值（最优操作条件）线求过程的最优设定值（最优操作条件）l 经济效益分析续经济效益分析续u大量工程实践表明，具有投资少，大量工程实践表明，具有投资少，见效快等特点。通常在原有基础见效快等特点。通常在原有基础上，增加上，增加 3-6% 经济效益。经济效益。u投资少，效益高投资少，效益高l 经济效益分析续经济效益分析续l MCCMCC的主要功能的主要功能 1)实现基于模型的多变量预测控制的实现基于模型的多变量预测控制的动态优化动态优化2)在整过动态响应区间内在整过动态响应区间内考虑考虑CV与与MV的约束的约束3)应用线性规划原理实现应用线性规划原理实现CV与与MV的稳态

26、约束及的稳态约束及经济性能指标稳态优化经济性能指标稳态优化4)采用采用CV与与MV动态加权原理实现动态加权原理实现CV与与MV的的动态约束动态约束5)控制系统可控性在线分析和系统控制系统可控性在线分析和系统病态的自动处病态的自动处理理l MCCMCC的主要功能的主要功能续续6)6)多变量多变量控制结构的自动重构控制结构的自动重构, ,以适应各种不同以适应各种不同情况情况7)7)能能自动识别与处理自动识别与处理胖系统胖系统( (自由度自由度 0) 0)，瘦系，瘦系统统 ( (自由度自由度 0 ) 0 0时时) )l MCC 核核心心算算法法 调调度度网网 实实时时数数据据库库 下下位位机机 实实

27、时时数数据据库库 基基于于机机理理模模型型 的的软软测测量量 其其它它 控控制制模模块块 工工控控平平台台 实实时时数数据据库库 工业现场检测仪表 工业现场执行机构 Intranet MCC 在在线线模模型型辨辨识识 MCC 在在线线仿仿真真 工工控控平平台台 各各种种组组态态工工具具 软软 I/O 接接口口 &网网络络通通讯讯 基基于于神神经经网网络络 的的软软测测量量 uMCPC 基于模型预测的多变量约束控制软件包基于模型预测的多变量约束控制软件包uMCCI 过程模型辨识和参数在线校正软件包过程模型辨识和参数在线校正软件包uMCC Config 组态软件包组态软件包uMCCSIM

28、系统动态仿真软件包系统动态仿真软件包uMCCIO MCC与各类与各类DCS的接口软件包的接口软件包uNMCPC 非线性多变量预测非线性多变量预测l在在FCCU反应再生系统的应用反应再生系统的应用(仿真仿真)l在大型催化裂化在大型催化裂化（FCCU）中的应用中的应用l uFCCU 反应再生系统的工艺流程反应再生系统的工艺流程u FCCU 反应再生系统的模型反应再生系统的模型222136212238830.070.010.01517181( )( )0.8210.32( )( )( )11150112 1( )0.020.780.910181441ssssssseeesssysuseeysd su

29、ssssyseesss变量描述量程下限量程上限稳态值控制优先权CV1再生烟气氧含量2 PCT3.5 PCT2.5 PCT2CV2再生烟气温度1345 deg.F1360 deg.F1355 deg.F2CV3再生器床层温度1300 deg.F1345 deg.F1320 deg.F1MV1燃气流量200 MLB/HR400 MLB/HR300 MLB/HR MV2回油流量70 BPH90 BPH80 BPH DV进料量0 BPH2100 BPH2000 BPH u 采用基于模型预测的多变量约采用基于模型预测的多变量约束控制的束控制的几种方法几种方法n DMC-plus 美国美国ASPEN公司公

30、司n MCC 多变量约束控制多变量约束控制(上海交大、浙大上海交大、浙大)n AMCC 自适应多变量约束控制自适应多变量约束控制(上海交大）上海交大）1. 设定值控制设定值控制 （ 1*2系统）系统）对对CV3CV3在在50min50min处实施定值控制处实施定值控制n分别使用分别使用DMCplus、MCC以及以及AMCC进行控进行控制仿真制仿真n当当CV3设定值由设定值由1320deg.F变为变为1330deg.F 时，时，得到的得到的CV3、MV1和和MV2响应曲线的仿真结果响应曲线的仿真结果n由于使用由于使用两个两个MV对一个对一个CV进行控制，进行控制，自由度自由度大于零大于零，可以对

31、，可以对MV2实施实施IRV控制控制（IRV = 80 BPH） 1. 1. 设定值控制设定值控制 （ 1*2系统）系统） 设定值控制中三种控制策略的设定值控制中三种控制策略的CVCV3 3输出响应输出响应 变量描述控制要求CV3再生器床层温度定值控制（设定值 = 1330 deg.F）MV1燃气流量区域控制MV2回油流量IRV控制（IRV = 80 BPH）05010015020025013181320132213241326132813301332Time: mindeg.FDMCplusMCCAMCC/QRVT由于使用两个由于使用两个MV对一个对一个CV进行控制，进行控制，自由度大于零，

32、可对自由度大于零，可对MV2实施实施IRV控制控制MV1的输出曲线的输出曲线 MV2的输出曲线的输出曲线 050100150200250275280285290295300305Time: minMLB/HRDMCplusMCCAMCC/QRVT0501001502002507676.57777.57878.57979.58080.5Time: minBPHDMCplusMCCAMCC/QRVT2. 扰动抑止扰动抑止 （2*2*1系统）系统）n假设进料量假设进料量DV出现阶跃扰动出现阶跃扰动,由由2000BPH增增加到加到2050BPH的的50BPH的扰动的扰动n考虑采用考虑采用DMCplus

33、、MCC以及以及AMCC的控制的控制下，对再生烟气氧含量下，对再生烟气氧含量CV1与再生烟气温度与再生烟气温度 CV2实施控制，扰动抑止实施控制，扰动抑止n给出了给出了CV1、CV2、MV1与与MV2的仿真结果的仿真结果 2. 扰动抑止扰动抑止 （2*2*1系统）系统）扰动抑止过程中两种控制策略下扰动抑止过程中两种控制策略下CVCV1 1的响应的响应 变量描述控制要求CV1再生烟气氧含量定值控制（设定值 = 2.5 PCT）CV2再生烟气温度区域控制（1360 deg.F）MV1燃气流量区域控制MV2回油流量IRV控制（IRV = 80 BPH）DV进料量在50min由2000BPH增加到20

34、50BPH05010015020025022.12.22.32.42.52.62.7Time: minPCTDMCplusMCC & AMCC 2. 扰动抑止扰动抑止 （2*2*1系统）系统）扰动抑止过程中两种控制策略下扰动抑止过程中两种控制策略下CV2的响应的响应 05010015020025013501352135413561358136013621364136613681370Time: mindeg.FDMCplusMCC & AMCC区域上限 2. 扰动抑止扰动抑止 （2*2*1系统）系统）n 当当CV2CV2在区域内时在区域内时，CV2CV2属于不受约束的控制变量，

35、系统自由度属于不受约束的控制变量，系统自由度为为1 1，可实施，可实施MV2MV2的的IRVIRV控制控制（IRV = 80 BPHIRV = 80 BPH） n 当出现扰动使当出现扰动使CV2CV2超过了区域上限时超过了区域上限时，CV2CV2变成被控变量，系统变成被控变量，系统自由度变为零，只能暂时放弃自由度变为零，只能暂时放弃MV2MV2的的IRVIRV控制要求，首先满足控制要求，首先满足CV1CV1与与CV2CV2的控制要求的控制要求n DMCplusDMCplus与与MCC/AMCCMCC/AMCC在约束处理上的最大的区别在于：在约束处理上的最大的区别在于：u在对在对CV2CV2超过

36、超过区域控制时，区域控制时，DMCplusDMCplus优先考虑对优先考虑对CV2CV2实施卡边操作，实施卡边操作，即将违反的即将违反的区域限定值作为设定值区域限定值作为设定值，从而对，从而对CV2CV2实施定值控制；实施定值控制；u而而MCC/AMCCMCC/AMCC优先考虑如何将违约的优先考虑如何将违约的CV2CV2尽快拉回到尽快拉回到区域上限之内区域上限之内 2. 扰动抑止扰动抑止 （2*2*1系统）系统）MV1的响应输出的响应输出 MV2的响应输出的响应输出 050100150200250298300302304306308310312314Time: minMLB/HRDMCplus

37、MCC & AMCC050100150200250767880828486889092Time: minBPHDMCplusMCC & AMCC 3. 病态处理病态处理 病态系统的控制要求病态系统的控制要求 变量描述控制要求CV1再生烟气氧含量定值控制（设定值 = 2.5 PCT）；在100min后控制失效。CV2再生烟气温度区域控制（ 1360 deg.F）CV3再生器床层温度设定值控制（设定值 = 1320 deg.F）MV1燃气流量区域控制MV2回油流量IRV控制（IRV = 80 BPH）DV进料量在50min由2000BPH增加到2050BPH 它是在上述扰动抑制问题

38、上它是在上述扰动抑制问题上,增加了对增加了对CV3的的定值控制定值控制,系统变为系统变为3*2*1n当系统不存在病态：当系统不存在病态：u CV2处于区域内处于区域内(50分分)时，时，系统中包括两系统中包括两个受控个受控CV（CV1和和CV3）和两个）和两个MV，因此自，因此自由度为零，由度为零，MV2放弃放弃IRV控制，首先控制，首先保证保证CV1和和CV3的定值控制的定值控制要求；要求；u当当CV2超出区域上限超出区域上限(100分分):u当当CVI再生烟气氧含量的测量仪表失效，系再生烟气氧含量的测量仪表失效，系统放弃对统放弃对CV1的控制，转而的控制，转而利用利用MV1与与MV2对对C

39、V2和和CV3进行控制进行控制而导致系统产生而导致系统产生病态病态。u稳态增益矩阵的条件数为：稳态增益矩阵的条件数为：maxmaxmin1.757973.57690.0239CC3. 病态处理病态处理u 如果不加以特殊处理，在扰动的作用下，如果不加以特殊处理，在扰动的作用下，MV1、MV2、CV2与与CV3会相继超出安全区会相继超出安全区域，域，病态将导致控制的失败病态将导致控制的失败.u为此，需要对控制实施病态处理，使系统满为此，需要对控制实施病态处理，使系统满足表上指定的控制要求。足表上指定的控制要求。3.3.病态处理病态处理n病态处理病态处理u病态处理取决于病态处理取决于CV变量的工艺优

40、先权，根变量的工艺优先权，根据自由度以及病态信息，解除了据自由度以及病态信息，解除了MV2的的IRV控制要求的同时，控制要求的同时，放弃了对放弃了对CV3的控制的控制. 3. 病态处理病态处理 病态处理中三种控制策略下病态处理中三种控制策略下CV1的响应的响应 05010015020025022.22.42.52.62.833.23.43.6Time: minPCTDMCplusMCCAMCC 3. 病态处理病态处理在不同控制策略下的在不同控制策略下的CVCV2 2响应响应0501001502002501350135213541356135813601362136413661368137013

41、72Time: mindeg.FDMCplusMCCAMCC区域上限1360deg.F 3. 病态处理病态处理病态处理中病态处理中CV3CV3在不同控制策略下的响应在不同控制策略下的响应 050100150200250130213041306130813101312131413161318132013221324Time: mindeg.FDMCplusMCCAMCCl 流程图流程图干气主风回炼油新鲜进料烟气反应器第一再生器主分馏塔吸收解吸塔容201容301容302再吸塔稳 定塔汽油轻柴油气态烃液态烃第二再生器目目 标标 在满足产品质量合格的条件下在满足产品质量合格的条件下, ,使轻质油收率最

42、高使轻质油收率最高; ;装装置的总处理量最大，能耗最小。置的总处理量最大，能耗最小。u在保证汽油收率的基础上，提高液化气收率；或者在保证汽油收率的基础上，提高液化气收率；或者 在保证液化气收率的基础上，提高汽油收率；或者在保证液化气收率的基础上，提高汽油收率；或者 在保证轻油总收率的基础上，提高轻柴油收率；在保证轻油总收率的基础上，提高轻柴油收率；u提高处理量提高处理量u节约能耗节约能耗u生产方案适应季节、市场需求变化以及政策性宏观调控等生产方案适应季节、市场需求变化以及政策性宏观调控等因素的变化。因素的变化。系统结构系统结构组合线性规划MCC-1MCC-2MCC-n反应再生主分馏吸收稳定稳态

43、模拟、动态模拟软测量数学模型方案方案-反再系统控制方案反再系统控制方案(11(11输入输入6 6输出输出) )图5 . 3 反再系统多变量约束控制结构示意图汽油收率NAP H液化气收率L P G二再烟气氧含量A1 0 1 - 2再生滑阀压降DP 1 1 6半再生滑阀压降DP 1 1 0 - 2待生滑阀压降DP 1 1 7一段再生密相温度T 1 1 1 - 3二段再生密相温度T 1 1 1 I I - 8分馏塔底温度T 1 1 0 - 5 0回炼油罐液位H2 0 2反应再生系统多变量约束控制器（MCC01）被控变量测量值回炼油G2 0 4提升管出口温度T 0 1原料预热温度T 1 1 0 - 3

44、 0焦化汽油回炼量G1 0 4新鲜进料量G2 0 5操纵变量测量值软测量C V上下限MV增量上下限MV上下限提升管出口温度调节回炼油量调节焦化汽油回炼量调节新鲜进料量调节微调放空量调节原料预热温度调节稳态优化/人工设定IRV轻柴油油收率L C O设定值设定值T 1 0 1 S PG1 1 2 S PT 1 1 0 - 3 0 S PG2 0 4 S PG1 0 4 S PG2 0 5 S P人工设定多次多次阶跃测试法建立反再系统动态阶跃模型阶跃测试法建立反再系统动态阶跃模型 投用投用组合线性规划优化结果组合线性规划优化结果 投用投用软测量系统操作界面软测量系统操作界面投用投用软测量运行结果软测

45、量运行结果效益分析效益分析效益核算数据效益核算数据效益分析效益分析投运后经济效益投运后经济效益u装置的总处理量（冷渣热常渣总蜡）有较大提高装置的总处理量（冷渣热常渣总蜡）有较大提高u产品的分布有较大的改善产品的分布有较大的改善u汽油收率提高了汽油收率提高了2.3 3 , 液化气收率提高了液化气收率提高了1，轻轻柴油收率下降了柴油收率下降了2.57%u吨原料利润也提高了吨原料利润也提高了4.8%u投运后每年所获得的经济效益将在投运后每年所获得的经济效益将在1700万元万元以上以上三、三、过程监控与统计过程控制过程监控与统计过程控制（PM & SPC, Process Monitoring

46、 & Statistical Process Control ）3.1 功能功能1) 过程性能和产品质量的监督控制过程性能和产品质量的监督控制 是基于生产过程的历史数据，利用统计方法，如是基于生产过程的历史数据，利用统计方法，如PCA、PLS和人工神经网络等工具，实现系统和人工神经网络等工具，实现系统(过过程程)性能和产品质量的监督控制。性能和产品质量的监督控制。2. 工况（过程）监测（工况（过程）监测（Process Monitoring） 工况监测是指依据所能获得的各种测量数据来分工况监测是指依据所能获得的各种测量数据来分析和判断生产工况是否正常，并能预测不正常工析和判断生产工况是

47、否正常，并能预测不正常工况的出现，同时找出原因，提出对策。况的出现，同时找出原因，提出对策。3.1 功能功能-续续3)对生产的物料和能量平衡进行监督，对生产的物料和能量平衡进行监督，实现生产优化实现生产优化n 在总经理办公室、总工办公室、生产副总经理办公在总经理办公室、总工办公室、生产副总经理办公室的计算机上也可监视全部实时信息。这样，使管室的计算机上也可监视全部实时信息。这样，使管理者能够随时了解现场生产装置的运行状况，为生理者能够随时了解现场生产装置的运行状况，为生产、经营提供更多信息和决策依据。产、经营提供更多信息和决策依据。n 过程监控是对调度结果的确认和监督，调度员能对过程监控是对调

48、度结果的确认和监督，调度员能对生产的物料和能量平衡进行监督，并在此基础上实生产的物料和能量平衡进行监督，并在此基础上实现生产优化。现生产优化。3.1 功能功能-续续4) 在总调度室的上位机上可以监视在总调度室的上位机上可以监视n各个系统全部流程图画面、各个系统全部流程图画面、n所有参数的调整画面、所有参数的调整画面、n趋势记录、报警状态等全部实时信趋势记录、报警状态等全部实时信息。息。3.1 功能功能-续续5) 该模块具有强大的网络功能该模块具有强大的网络功能 通过传统的通过传统的DDE等通讯方式，可与本机等通讯方式，可与本机和其它计算机中的应用程序实时交换数和其它计算机中的应用程序实时交换数

49、据。同时，它支持标准的据。同时，它支持标准的ActiveX、OPC、ODBC技术。技术。Real-Time Monitoring Control Monitoring SystemI/O DataPerformance EvaluationOff-Line AnalysisManual ActionsOn-line ActionAPC SystemHistoricalData3.3 过程监控与统计过程控制过程监控与统计过程控制（PM & SPC）的内容的内容n 过程监测（过程监测（PM, Process Monitoring）n 统计过程控制（统计过程控制（SPC, Statistic

50、al Process Control）n 过程故障检测与诊断（过程故障检测与诊断（FDD, Fault Detection and Diagnosis）n 过失误差检测和数据校正（过失误差检测和数据校正（Gross Error Detection & Data Rectification）n 控制系统性能的实时监测与评估（控制系统性能的实时监测与评估（Real-Time Monitoring Control & System Evaluation） Gross Error Detection and Data Reconciliation in industrial Proce

51、ss1. 过程数据校正（数据协调）技术过程数据校正（数据协调）技术2. 显著误差（过失误差）检测显著误差（过失误差）检测3. 现有的显著误差（过失误差）检测方法比现有的显著误差（过失误差）检测方法比较较l过程数据校正技术目的是在原始测量数据的基础上，对过程数据校正技术目的是在原始测量数据的基础上，对原始测量数据进行协调原始测量数据进行协调，使协调后的，使协调后的数据更好地保持物数据更好地保持物料平衡料平衡等关系，同时又使其等关系，同时又使其与测量值尽量接近与测量值尽量接近 。l数据校正后的数据能够更好地应用于过程控制、过程建数据校正后的数据能够更好地应用于过程控制、过程建模和模和过程性能评估过

52、程性能评估等方面。等方面。l过程数据校正技术的基础是假设变量的过程数据校正技术的基础是假设变量的测量值是服从正测量值是服从正态分布态分布，即不存在显著误差。，即不存在显著误差。l 在实际过程测量中，由于工业过程的复杂性和不确在实际过程测量中，由于工业过程的复杂性和不确定性，而且仪表自身的故障、仪表测量精度的下降、定性，而且仪表自身的故障、仪表测量精度的下降、设备的泄漏等都会导致，设备的泄漏等都会导致，用仪表所检测到的实际测用仪表所检测到的实际测量数据，经常存在显著误差量数据，经常存在显著误差。l 显著误差的存在导致数据校正（数据协调）的基本显著误差的存在导致数据校正（数据协调）的基本假设，即假

53、设，即测量误差服从正态分布的假设不成立测量误差服从正态分布的假设不成立，l 因此，必须在数据协调前，因此，必须在数据协调前，将显著误差检测出来并将显著误差检测出来并予以消除，否则会导致错误的协调结果予以消除，否则会导致错误的协调结果。 目前常用的过失误差检测方法有：目前常用的过失误差检测方法有： 测量残差检验法（测量残差检验法（MT）1， 节点残差检验法节点残差检验法(NT) 2 动态过程显著误差检测法动态过程显著误差检测法 动态过程显著误差检测法是动态过程显著误差检测法是Bagajewicz3于近年来于近年来提出的一种动态过程显著误差检测法，它同时求出所有显著提出的一种动态过程显著误差检测法

54、，它同时求出所有显著误差幅度值。误差幅度值。 同步识别显著误差（同步识别显著误差（SEGESEGE）法）法 Snchez4提出了用于稳态过程的同步识别显提出了用于稳态过程的同步识别显著误差（著误差（SEGE）法，它通过对备选误差集，进行各）法，它通过对备选误差集，进行各种组合，选出最满足条件的组合方式，同时检测出种组合，选出最满足条件的组合方式，同时检测出所有显著误差的位置和幅度。所有显著误差的位置和幅度。 顺序识别并同步补偿识别显著误差（顺序识别并同步补偿识别显著误差（SICCSICC）法）法 为了减少组合数量，为了减少组合数量，Jiang5Jiang5在在SEGESEGE法基础上提出了顺法

55、基础上提出了顺序识别并同步补偿的识别显著误差法序识别并同步补偿的识别显著误差法SICC ( Serial SICC ( Serial Identification with Collective Compensation ) Identification with Collective Compensation ) 法，它法，它逐步检测出显著误差的位置，并同时检测出所有显著误差的逐步检测出显著误差的位置，并同时检测出所有显著误差的幅度。幅度。 改进改进SICCSICC法法 SICC SICC法并没有选出最满足条件的组合方式，容易产生显法并没有选出最满足条件的组合方式，容易产生显著误差误判，而且

56、由于在每一次迭代中都要利用著误差误判，而且由于在每一次迭代中都要利用MTMT法来求备法来求备选显著误差集，因此需要不断的重新求取投影矩阵。周凌柯选显著误差集，因此需要不断的重新求取投影矩阵。周凌柯针对这些问题，对针对这些问题，对SICCSICC算法进行了改进，并考虑到了改进算法进行了改进，并考虑到了改进SICCSICC算法中矩阵奇异性的避免问题。算法中矩阵奇异性的避免问题。 l 过程测量数据的过程测量数据的协调值协调值，能更好地保持，能更好地保持物物料平衡料平衡 等关系，同时又使其等关系，同时又使其与测量值尽与测量值尽量接近量接近。l 数学上表示为求满足一组约束方程组的数学上表示为求满足一组约

57、束方程组的最最小二乘解，小二乘解，当稳态和噪声正态分布假设满当稳态和噪声正态分布假设满足时，此最小二乘问题的解析解足时，此最小二乘问题的解析解是无偏最是无偏最小方差估计小方差估计。 5. 过程数据校正的任务过程数据校正的任务 l找出一组过程数据（与某结构相关联的）找出一组过程数据（与某结构相关联的）中带有显著性误差的测量数据，并予以中带有显著性误差的测量数据，并予以剔除（剔除（Data gross error Detection and Deletion）。）。l对一组过程测量数据进行处理，提高它对一组过程测量数据进行处理，提高它的精确度和平衡性，给出它的校正值的精确度和平衡性，给出它的校正值

58、（Data Reconciliation）。）。5. 过程数据校正的任务过程数据校正的任务 l对缺损的数据（因测量值带有显著性误对缺损的数据（因测量值带有显著性误差而不予采用的，可估算而来测量的）差而不予采用的，可估算而来测量的）设法用已测量数据和一些物理化学规律设法用已测量数据和一些物理化学规律予以估算（予以估算（Data Calculation and estimation）。）。l统称为统称为数据校正数据校正-Data Rectification先进控制、流程模拟、实时优化等都有数据校正模块先进控制、流程模拟、实时优化等都有数据校正模块l 如美国如美国Simulation Science

59、 Co.，Ltd的的Datacon（流程模拟型的校正），（流程模拟型的校正），l 美国美国AspenTech的的Advisor （专家系统型的校正）（专家系统型的校正）l 英国英国KBC Process Technology Ltd的的Sigmafine（数据统计型的校正），（数据统计型的校正），l 法国法国Technip的的Datsee l 国内浙大中控软件的国内浙大中控软件的APC-Data pro等。等。 Aspen Advisor软件软件nAspen Advisor 是一个进行是一个进行数据调理与产量数据调理与产量核算的软件产品核算的软件产品，它应用一个面向对象的专，它应用一个面向对象

60、的专家系统，解决过程工业制造工厂的数据不一家系统，解决过程工业制造工厂的数据不一致性之问题，实现对装置绩效的监控。致性之问题，实现对装置绩效的监控。nAspen Advisor 通过确定产品损失流，以及通过确定产品损失流，以及为决策者为决策者提供横跨整个企业的至关重要的生提供横跨整个企业的至关重要的生产数据，提升企业的盈利能力产数据，提升企业的盈利能力。l 能够在整个企业内进行一致能够在整个企业内进行一致而正确的集成业务决策而正确的集成业务决策仿真研究仿真研究-蒸汽系统过程网络蒸汽系统过程网络蒸汽系统过程网络的显著误差检测蒸汽系统过程网络的显著误差检测n 设在稳态工况下，设在稳态工况下，25个已测物料流（变量）的真值个已测物料流（变量）的真值及测量值如表及测量值如表1所示。所示。n 假定这假定这25