模型预测控制

1、流程工业生产过程的流程工业生产过程的先进控制先进控制及其应用及其应用 东华大学自动化系：任正云2012年3月先进控制面临的挑战 先进控制的广泛应用，为企业带来先进控制的广泛应用，为企业带来了显著的经济效益。另一方面，在实施了显著的经济效益。另一方面，在实施先进控制的过程中，也会碰到许多富有先进控制的过程中，也会碰到许多富有挑战性的问题，反过来又促进先进控制挑战性的问题，反过来又促进先进控制向更高层次发展。下面扼要介绍目前在向更高层次发展。下面扼要介绍目前在实现先进控制策略中面临的几个主要问实现先进控制策略中面临的几个主要问题。题。 （1） 模型辨识的新工具模型辨识的新工具 目前，为了完成象反应

2、器这样的主要目前，为了完成象反应器这样的主要工业生产过程动态性能的测试，需要耗工业生产过程动态性能的测试，需要耗费数周的时间，这给工程技术人员带来费数周的时间，这给工程技术人员带来很大的工作量，迫切需要更好和更有效很大的工作量，迫切需要更好和更有效的过程动态响应测试和能更充分利用统的过程动态响应测试和能更充分利用统计信息辨识出动态模型的方法。计信息辨识出动态模型的方法。 （2）自适应模型预测控制自适应模型预测控制 针对那些变增益的工业过程，如油针对那些变增益的工业过程，如油品调合和品调合和pHpH控制等过程，需要应用自适控制等过程，需要应用自适应控制的思想来改进多变量模型预测控应控制的思想来改

3、进多变量模型预测控制器性能，例如模型参数预测等方法的制器性能，例如模型参数预测等方法的研究和开发。研究和开发。 （3）非线性模型预测控制非线性模型预测控制 普遍应用的模型预测控制软件包采用的普遍应用的模型预测控制软件包采用的是线性模型，在碰到内在非线性问题时，必是线性模型，在碰到内在非线性问题时，必须将其参数整定得以确保在整定操作区域内须将其参数整定得以确保在整定操作区域内的稳定性，其后果是对许多操作区域的控制的稳定性，其后果是对许多操作区域的控制作用过于迟缓。为了根本解决这一问题，迫作用过于迟缓。为了根本解决这一问题，迫切需要非线性模型预测控制工程化软件。切需要非线性模型预测控制工程化软件。

4、 (4)多元统计监控多元统计监控 随着计算机集成控制的广泛应用，大量信号随着计算机集成控制的广泛应用，大量信号和控制回路的集中管理监督和性能的评判和控制回路的集中管理监督和性能的评判 ，已，已成为工艺操作者的主要责任，如何加强计算机监成为工艺操作者的主要责任，如何加强计算机监控是当今现代工厂企业的重要内容。传统的统计控是当今现代工厂企业的重要内容。传统的统计过程控制在处理含有耦合变量的连续过程单元时，过程控制在处理含有耦合变量的连续过程单元时，通常会导致错误。然而，随着主元分析（通常会导致错误。然而，随着主元分析（PCAPCA）和部分最小二乘和部分最小二乘 （PLSPLS）技术的工程化应用研究

5、技术的工程化应用研究开发，并进入到在线应用阶段，含开发，并进入到在线应用阶段，含PCAPCA和和PLSPLS的多的多元统计监控的应用将会日益增多。元统计监控的应用将会日益增多。工厂自动化水平对先进控制影响工厂自动化水平对先进控制影响 先进控制是在常规控制正常运行的前提下进行的。而不同企业、不同装置自动化水平参差不齐，这给先进控制的工程应用带来了较大的困难，即使实施了先进控制，有时也难以长周期地运行。 中国石油化工企业的常规控制投用率都不是太高，个别生产装置只有 3 5%，大致有以下几方面的原因：v常规控制设计不尽合理，难以投用。特别是串级和分级等复杂控制，投用率更低。v常规控制的PID参数整定

6、不合适。v操作工习惯手动调节，操作工感觉手动调节直接开闭调节阀更安全可靠。v工艺、设备条件制约先进控制的应用。工艺、设备条件制约先进控制的应用。v企业配合，先进控制工程应用过程本身企业配合，先进控制工程应用过程本身就是一个系统工程。项目进行前期，要就是一个系统工程。项目进行前期，要有仪表、计算机方面的配合；项目进行有仪表、计算机方面的配合；项目进行后期，主要是工艺方面的配合；先进控后期，主要是工艺方面的配合；先进控制系统试运行期间，需要仪表、计算机、制系统试运行期间，需要仪表、计算机、工艺、生产调度、计量、化验分析和在工艺、生产调度、计量、化验分析和在线分析等各方面配合和协调。线分析等各方面配

7、合和协调。2 yu143未来未来过去过去k 时刻时刻 1控制策略控制策略 2控制策略控制策略 3对应于控制对应于控制 策略策略的输出的输出 4对应于控制策略对应于控制策略的输出的输出uuyryryk时刻优化时刻优化213yk+1时刻优化时刻优化213k+1kt/T1参考轨迹参考轨迹yr (虚线虚线)2最优预测输出最优预测输出y(实线实线)3最优控制作用最优控制作用uyukk+141231k时刻的预测输出时刻的预测输出2k时刻实际输出时刻实际输出 3预测误差预测误差4k时刻校正后的预测输出时刻校正后的预测输出t/T)( aaN模型截断模型截断y0123a3a2 a1 NN-1aNaN-1t/Tm

8、in ( ) () (/ )()J kq w k iyk i kr u kjiMjjMiP 22111 kkykyke/1111kky/11 设置控制初值设置控制初值 u0u 检测实际输出检测实际输出 y0,并设置预测并设置预测 初值初值 y0y(i), i=1,2, N 计算控制量并输出计算控制量并输出 u + u u 计算输出预测值计算输出预测值 y(i)+aiu i=1,2, N 计算控制增量计算控制增量 返回返回 入口入口uiywdPii1)( 检测实际输出检测实际输出 y , 并计算误差并计算误差 y y(1) e 计算控制量并输出计算控制量并输出 u + u u 计算输出预测值计算

9、输出预测值 +aiu , i=1,2, N 计算控制增量计算控制增量 返回返回 入口入口 预测值校正预测值校正 , i=1,2, N 移位设置该时刻预测初值移位设置该时刻预测初值 , i=1,2, N1uiywdPii1)( ( iy iyehiyi iy 1iy iy iy 1kugyTMM，Setpoint、DMC、Speedup、Adersa、Simoon、Treiber Control等专门从事实时等专门从事实时控制与优化的软件公司。控制与优化的软件公司。在在1996年，著名年，著名的的Setpoint公司和公司和DMC公公司先后被司先后被Aspentech公司收购。，在上百家公司收购

10、。，在上百家大型石化、化工、炼油、钢铁等企业应用成大型石化、化工、炼油、钢铁等企业应用成功，取得了巨额利润。功，取得了巨额利润。这些这些开发出适用于实时控开发出适用于实时控制与优化的多变量高级控制和实时在线制与优化的多变量高级控制和实时在线优化的商品化工程软件，大量推向市场，优化的商品化工程软件，大量推向市场，在上百家大型石化、化工、炼油、钢铁在上百家大型石化、化工、炼油、钢铁等企业应用成功，取得了巨额利润。等企业应用成功，取得了巨额利润。vAspentech公司实行收购后，在过程信公司实行收购后，在过程信息管理息管理PIM、先进控制和优化技术方面先进控制和优化技术方面成为世界领先地位成为世界

11、领先地位。DMCPlus控制软件包控制软件包Aspentech在在兼并兼并DMC公司和公司和Setpoint公司之后推出公司之后推出的，主要特点：的，主要特点：u过程模型辨识过程模型辨识u处理约束处理约束u经济指标优化经济指标优化u能处理大型控制问题能处理大型控制问题国产多变量约束控制软件包国产多变量约束控制软件包MCC多变量约束控制软件包多变量约束控制软件包MCC功能特点：功能特点：u采用线性阶跃响应模型采用线性阶跃响应模型u采用能满足控制指标和经济指标的多目标优采用能满足控制指标和经济指标的多目标优化：根据优先级的不同处理多目标问题。在化：根据优先级的不同处理多目标问题。在线调整优先级，当

12、出现冲突时，首先保证最线调整优先级，当出现冲突时，首先保证最重要目标的实现。重要目标的实现。u能够在线调整优先级；能处理能够在线调整优先级；能处理CV的设定值的设定值要求和区间要求要求和区间要求多变量约束控制软件包多变量约束控制软件包MCC功能特点：功能特点：u采用采用QP方法求解，能够处理各类约束方法求解，能够处理各类约束u采用多控制模式，能处理采用多控制模式，能处理“胖胖”、“方方”、“瘦瘦”系统及其自动转化系统及其自动转化u各个各个MV和和CV都可以在线处于都可以在线处于“开开”、“关关”状态，可在线分析系统可控性，防止病态系状态，可在线分析系统可控性，防止病态系统产生统产生u可以进行在线增益调整可以进行在线增益调整