第三章工业过程先进控制系统

工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3工业过程先进控制系统

3.1工业过程控制发展

过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、纺织、制药、煤炭、建材等工业生产过程中的自动控制，是自动化技术的一个极其重要的方面。它的发展与生产过程自身的发展紧密相关，经历了一个由简单到复杂、从低级到高级、局部到综合的不断发展过程。回顾工业过程控制的历史，可以看到工业过程控制的发展与控制理论、仪表仪表、计算机、通信与网络技术以及相关学科（例如生产工艺机理研究）的发展紧密相关。

工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础工业过程控制发展大致经历了以下三个阶段：二十世纪七十年代以前工业过程控制主要是以经典控制理论为基础，以气动、液动和电动模拟仪表为工具，一般构成SISO的简单控制系统，为了满足复杂工业过程对控制的要求，在单回路控制基础上发展了多回路控制系统，如串级、比值、均匀、前馈等控制系统，这类控制系统解决了80%~90%的工业过程控制问题，这阶段称为工业过程控制发展的第一阶段。二十世纪七十年代至二十世纪八十年代随着工业过程生产向大型化、连续化发展，简单的控制系统难以满足苛刻的约束条件和高质量的控制要求，因而也难以获取显著的经济效益。在这种情况下先进控制系统得以产生和发展，进入了工业过程控制发展的第二阶段。二十世纪九十年代以来通信与网络技术推动了IT信息产业迅猛发展，IT产业促使工业过程控制发展进入了综合自动化（CIMS/CIPS）这样一个发展阶段，这阶段称为过程控制发展的第三阶段。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础在二十世纪七十年代至二十世纪八十年代，由于计算机技术的大力发展，出现了集散式计算机控制系统（DCS）。DCS系统取代了模拟控制仪表，既可实现集中管理，又可实现分散控制，灵活性大，系统安装工程量小，可靠性高，已广泛应用于炼油化工、煤炭洗选加工与运输、水泥建材工业、轻工业等过程控制。工业过程控制的发展可以用图3-1来描述。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础我国在二十世纪七十年代末开始从国外引进DCS系统，并于二十世纪九十年代逐渐普及DCS系统，而且具有自己生产中小规模DCS系统的能力，出现了国产DCS系统的民族品牌，如北京和利时的HS-2000、浙江大学的JX-300等DCS系统产品。但与国外DCS系统相比，我国过程工业的DCS系统应用水平较低。例如国外在先进石油化工企业已普遍采用DCS系统，并实现集中管理分散控制，取得了实效。我国石油化工企业多数的DCS系统仅仅是取代常规仪表控制，用于单个装置集中控制，联合装置集中控制较少。DCS系统的功能仅发挥了30%左右，配套应用软件较少。为了克服目前DCS系统存在的“高能低用”运行状态，国际上已经大量应用了先进控制技术和优化控制来提高控制系统效益，并有众多公司推出了先进控制及优化商品化工程软件包。国内石油化工等行业也认识到先进控制技术的重要性，并有一些单位开始了先进和优化控制的工程化软件包的研究与开发，已取得了一定成果。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.2先进控制发展

目前关于先进控制尚没有一致公认的严格定义，但是先进控制有两个基本特征：第一，先进控制以现代控制理论为基础，如采用观测器来预报不可测状态或干扰，采用最优控制算法来确定最佳输出等等；第二，先进控制需要计算机进行大量的数据采集处理、存储、传递，进行逻辑运算。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础总之先进控制是对那些不同于常规单回路控制，并具有比常规PID控制效果更好的控制策略的统称，非专指某种特定控制算法。先进控制任务明确，即用来处理那些常规控制效果不理想，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。积极开发和应用先进控制和实时优化以提高企业经济效益，增强自身的竞争力是过程工业控制在新世纪面临挑战的重要对策。现代控制理论和人工智能几十年来的发展，已为先进控制奠定了应用理论基础，而控制计算机尤其是集散控制系统（DCS）（PLC）系统不断应用与发展，以及现在正在迅速发展FCS、CIMS/CIPS、INTRANET/INTERNET等技术则为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件支持平台。企业的需要、控制理论和计算机与网络技术的发展是先进控制（APC）发展强有力的推动力。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础在过程工业界，从二十世纪四十年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量采用DCS控制的现代化过程控制系统中，这类回路仍占总回路数的80%～90%。这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿，足以维护一般工业过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础从二十世纪五十年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统。在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。虽然它们从理论上看仍是经典控制理论的产物，但是在结构和应用上各有特色，目前仍在继续不断地改进和应用。在工业生产过程中，仍有10%-20%的控制问题采用上述控制策略无法奏效，所涉及的被控过程往往具有强偶合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后等特征，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分（如：水泥工业过程中回转窑煅烧过程炉温度控制、重力跳汰选煤跳汰控制过程等），它们能够直接关系到产品的质量、产率和消耗等有关指标。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础随着过程工业生产日益走向大型化、集成化、连续化、复杂化，对过程控制的品质提出了更高的要求，控制的目标已不再局限于对某一个变量，或几个变量的平稳操作，而是越来越多地加入了以经济效益为代表的其他控制要求，然而传统的以单变量技术为基础的控制技术已无法满足这些需求。过程控制与经济效益的矛盾日趁尖锐，迫切需要一类合适的先进控制策略。自二十世纪五十年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法，对于状态不能直接测量的情形，也有观测器和估计器等工具。然而，当现代控制理论真正应用于工业过程控制时，却遇到了前所未有的困难，以至产生它是否适用于过程控制的困惑。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础究其原因，人们发现，除了上述多变量控制策略自身的不足外(例如解耦控制在约束处理和控制变更时缺乏灵活性)，工业过程的复杂性使得建立其正确数学模型也比较困难。此外，现代控制理论所需的数学基础也在一定程度上限制了它被过程控制界所熟悉和了解。与此同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解许多过去认为是无法求解计算的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础二十世纪八十年代前后，过程控制界两位探索者J.Richalet和C.R.Cutler报道了他们各自研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统控制问题的成果。这就是著名的模型预测启发式控制(MPHC)和动态矩阵控制(DMC)。他们的研究事实表明过程工业已开始接受现代控制理论概念，从而引发了预测控制在工业过程控制的大量应用。整个二十世纪八十年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。通过在模型识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控制的先进控制理论体系已基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最具有前途的先进控制策略。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础近年来，人工智能技术取得了长足的进步，并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统技术、神经网络技术、模糊系统技术是三种最具有应用发展潜力的工具。专家系统已经在过程故障诊断、监督控制、检测仪表和控制回路中获得成功应用。神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改善已有的控制，模糊控制将是先进控制的重要内容。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础由于许多重要的工业过程都表现出内在的非线性，如：pH中和过程，使得那些基于线性模型的控制策略和传统的PID控制很难奏效。早期对这类问题的解决办法有变增益控制或针对特定过程来设计控制系统。近年来，有关基于非线性模型（机理和经验）的控制有了较大的发展。但是，非线性控制尚属开发中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础控制系统的鲁棒性（Robustness）是体现系统性能的一个重要指标。鲁棒性反映了模型与实际过程有差别的情况下控制品质的变化情况。在经典控制理论中，稳定裕度可反映系统鲁棒性，当稳定裕度大时，控制系统品质对参数的变化不敏感，即有较好的鲁棒性。现代控制理论则为鲁棒性的分析提供了更多的方法，尤其是鲁棒控制器设计单独提出之后，这一领域研究一直是控制理论界的研究热点并逐渐成为一个独立分支。事实上，鲁棒控制的目的就是要设计出在所有希望的操作条件下都具有良好性能的控制器，这一点符合过程控制的需要。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础与其说鲁棒控制是一种控制策略，倒不如说它是一种控制系统的设计思想，它可以用于各种类型控制器（包括从PID控制到复杂的多变量控制器）的设计与整定。鲁棒控制之所以在过程工业中应用甚少的主要原因在于其原理过于复杂，尤其是对于多变量问题。要使鲁棒性成为解决任何控制问题的当然选择，尚需做大量的改进和简化工作。应当看到使先进控制系统具备鲁棒性将是今后先进控制重要的发展方向。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础第一类:传统控制策略

·手动控制·PID控制·比值控制·串级控制·前馈控制第二类:先进控制—经典技术

·增益调整·时滞补偿·解耦控制·选择性超驰控制器第三类:先进控制—流行技术

·模型预测控制·统计质量控制·内模控制·自适应控制第四类:先进控制—潜在技术

·最优控制(LQG)·专家系统·非线性控制·神经控制器·模糊控制第五类:先进控制—研究中的策略

·鲁棒控制，和μ综合工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础著名过程控制专家D.E.Seborg将先进控制在整个过程控制域中的作用，总结为如下五类。3.3先进控制的核心内容

作为一控制系统实现，先进控制应包括从数据采集处理、数学模型建立、先进控制策略和工程实施的全部内容。(1)数据的采集、处理和软测量技术利用大量的实测信息是先进控制的优势所在。由于来自工业现场的过程信息通常带有噪声,数据采集时应作滤波处理，采集到的数据还应进行过失误差的检测与识别和过程数据的有效性检验及数据调理工作。这是先进控制应用的重要保障。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础基于可测信息和模型、实时计算不可测量的变量，也即软测量技术，是先进控制中不可缺少的内容；例如,汽油饱和蒸汽压、粗汽油干点、轻柴油倾点、催化裂化中的反应热、再生器的烧焦状况、反应产品分布和催化剂循环量以及某些精馏塔的两端质量指标估计等，这些关系到产品质量的关键变量，由于质量测量仪表的缺乏或不可靠，无法获得实时的、可靠的在线信息，因此，可采用包括工艺稳态模型、神经网络模型和动态数学模型来推断估计。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础（2）多变量动态过程模型辨识技术

获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对于复杂工业过程，需要强有力的辨识软件，以便在剔除一些过失虚假数据的基础上，把分段有效数据有机地组合起来，最终将实际工业生产环境下进行现场装置试验的数据，获得多输入多输出（MIMO）动态数学模型。实际工业过程模型化是一项专门的技术，它涉及到过程动态学、系统辨识、统计学以及人工智能等多种知识。尽管目前类似模型预测控制这样的先进控制策略均采用工业试验的方法来获取控制模型，但是那些准确并可靠的机理模型和智能模型建立也有望成为有效的控制模型。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础（3）先进控制策略

先进控制采用了合理的控制目标和控制结构，可更好地适应工业生产过程的需要。先进控制主要解决：①个别重要过程变量控制性能的改善，主要采用单变量模型预测控制与原控制回路构成所谓的“透明控制”的方式；②解决约束多变量过程的协调控制问题，主要采用带协调层的多变量预测控制策略；③推断质量控制，利用软测量的结果实现闭环的质量卡边控制。涉及到的主要控制策略有：模型预测控制、推断控制、协调控制、质量卡边控制、统计过程控制，正在兴起与开发中的模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础先进控制的主要特点在于：①与传统的PID控制不同，先进控制主要是基于模型的控制策略；如：模型预测控制和推断控制等，这些控制策略充分利用过程的输入输出有关信息建立系统模型，而不必依赖对反应机理的深入研究。目前，基于知识的控制，如智能控制、模糊控制、神经网络控制正成为先进控制的一个重要发展方向。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础②先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多变量偶合、被控过程与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制基础之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。③先进控制的实现需要较高性能的计算机作为支持平台。由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，复杂系统的先进控制算法通常在上位机上实施的。随着DCS功能的不断增强和先进控制技术的发展，部分先进控制策略可以与基本回路一起在DCS上实现。后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.4先进控制技术的主要内容

先进控制的主要技术内容有如下几个方面：过程变量的采集与处理。利用大量的实测信息是先进控制的优势所在。由于来自工业现场的过程信息通常带有噪声和过失误差，因此，应对采集到的数据进行检验和调理。多变量动态过程模型辨识技术。先进控制一般都是基于模型的控制策略，获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对于复杂的工业过程，需要强有力的辨识软件，从而将来自现场装置试验得到的数据，经过辨识而获得控制用的多输入多输出（MIMO）动态数学模型。软测量技术，工艺计算模型。实际工业过程中，许多质量变量或关键变量是实时不可测的，这时可通过软测量技术和工艺计算模型，利用一些相关的可测信息来进行实时计算。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础先进控制策略。主要的先进控制策略有：预测控制、推断控制、统计过程控制、模糊控制、神经控制、非线性控制以及鲁棒控制等。到目前为止，应用非常成熟而效益极为显著的先进控制策略是多变量预测控制。其主要特点是：直接将过程的关联性纳入控制算法中，能处理操纵变量与被控变量不相等系统，处理对象检测仪表和执行器局部失效等的系统结构变化，参数整定简单、综合控制质量高，特别适用于处理有约束、纯滞后、反向特性和变目标函数等工业对象。故障检测、预报、诊断和处理。这是先进控制应用中确保系统可靠性的主要技术。工程化软件及项目开发服务。良好的先进控制工程化软件包和丰富的APC工程项目经验，是先进控制应用成功、达到预期效益的关键所在。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.5先进控制技术的经济效益

从（CIPS）或（CIMS）的角度来看，先进控制恰好处在承上启下的重要地位（如图3-2所示）。性能良好的先进控制是在线优化得以有效实施的前提，进而可将企业领导的经营决策、生产管理和调度的有关信息及时落实到全厂生产装置的实际运行中，并可真正实现全厂综合优化控制。先进控制是以分层方式实现的。先进控制给基本调节系统提供了一组协调的最佳设定值，克服了常规单变量控制顾此失彼的本质缺陷。在约束控制下，过程在安全可靠的条件下和各种操作及设备的约束内，自动实现“卡边控制”，使目标产品产量最大，操作费用最小，最大限度地提高装置的经济效益。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础先进控制（包括优化控制）应用得当可带来显著的经济效益。根据资料介绍，用DCS履行常规仪表，其投资约占总投资的70%，取得的经济效益约占总效益的10%。利用DCS组态功能，可以方便地构成各种常规控制，用TCS表示，使装置得到较好的控制质量，效益和投资约各占总的10%。利用DCS实现先进控制（APC），则只需增加约10%的成本，便可取得约40%的效益。在先进控制的基础上，增加实时优化（RTO）功能，成本增加约10%，可进一步获得40%的效益。可见实施先进控制与优化的投入产出比非常高。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础以石化工业为例，一个先进控制项目的年经济效益在百万元以上，其投资回收期一般在一年以内。丰厚的回报是先进控制引人瞩目之处。通过实施先进控制，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使之能更接近其优化目标值，从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收获率、增加装置处理量、降低运行成本以及减少环境污染等目的。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.6先进控制技术软件化与产业化发展

自二十世纪八十年代以来，在国外，以多变量预测控制与优化为主要特征的先进控制技术在石油、化工、钢铁等行业得到广泛的应用与发展。据最新资料统计，目前先进控制技术在全世界已经应用了2233套，其中在炼油化工领域就应用了1300套，产生的经济效益非常显著。二十世纪八十年代末九十年代初的先进控制技术（APC）以多变量解耦控制、推断控制和估计、多变量约束控制、人工神经元网络控制和估计等技术为代表，硬件基础以上位机加DCS为代表。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础二十世纪九十年代中期以来，在以上内容的基础上，又将生产调度、计划优化、经营管理与决策等内容加入了先进控制技术（APC）中，硬件基础除传统的DCS外，正在广泛应用的现场总线控制系统（FCS）也越来越重视先进控制技术（APC）应用。先进控制技术（APC）的发展体现了计算机集成过程系统或计算机集成制造系统（CIPS/CIMS）的基本思想。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础对于复杂的大型工业生产过程，无论从技术角度还是决策角度而言，控制与优化的区别、目标与约束的区别越来越不明显；与此同时，经济效益因素在控制与优化策略中的比重越来越大。因此，生产装置的运行状态就非常直接而又频繁地与企业的经营决策乃至市场的变化紧密相连。如此复杂而又多变的要求，对于单回路PID为代表的经典最优控制技术来说是根本无法实现的。所有这些都向控制界提出了更高、更新、更难的挑战。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础二十世纪八十年代以来，美国、英国、加拿大、法国等的Setpoint、DMC、Speedup、Simcon等专门从事控制与优化的软件公司，纷纷推出了多变量控制与优化软件包，并在几百家大型石化、化工、炼油、钢铁等企业得到成功应用，取得了十分可观的经济效益。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础国内（以浙江大学为代表）自二十世纪八十年代后期开始先进控制技术的理论与应用研究，主要工作为基于模型的先进控制技术研究。如多变量预测控制的理论研究和应用开发工作，在FCC、PTA（精对苯二甲酸）、芳烃精馏等装置上取得了很大应用业绩。“工业过程自动化高技术产业化”已成为国家高技术产业化的重要组成部分之一。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础先进控制在典型企业自动化系统位置如图3-3所示。3.7基于模型先进控制技术基础

二十世纪八十年代末九十年代初的过程先进控制技术（AdvancedProcessControl，APC）以多变量解耦、推断控制和估计、多变量约束控制、各种预测控制、人工神经网络控制和估计等技术为代表，硬件基础是以上位机加DCS系统为代表。二十世纪九十年代以来，在以上内容的基础上，又将生产调度、计划优化、经营管理与决策等内容加入了APC之中，硬件基础除传统的DCS系统外，现场总线控制系统（FCS）技术也给予了越来越多的重视。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础APC的发展体现了计算机集成制造系统（CIMS）的基本思想。基于模型的先进控制技术其核心是多变量预测控制器。多变量预测控制器是一个具有多变量、多目标，基于模型，能估计每一个操作变量对每个受控变量的影响，并能解决变量之间关联的高性能控制策略。

在二十世纪七十年代末期，多变量预测控制技术已形成了工程化软件产品。经过几十年研究，应该说，各种先进控制方法在理论上是成熟的，在系统性能分析、稳定性、鲁棒性等方面有大量研究成果。但也应看到理论与实际应用之间存在着鸿沟的事实。完善的理论与高级控制策略难以适应实际工业中存在的生产环境的变化、各类变量间的相互制约、系统中出现的各种故障等等复杂情况，不能达到预期的控制目标。下面我们简要介绍预测控制。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.7.1数学模型建立

基于模型的先进控制，它的先决条件是建立被控对象的精确数学模型。通常，建立数学模型有两类方法。一类是机理建模方法。根据过程的内在机理、应用能量平衡、物质平衡、各种动力学方程建立被控对象的模型。可是由于多数过程内在机理复杂，难以完全从机理上揭示其内在规律。例如pH参数变化过程及聚合反应等化学反应过程中存在严重的非线性；炉内燃烧、钢坯的加热等都是分布参数系统，很难用一个集中参数模型去描述；在者，很多过程参数随时间变化，如催化剂活性的时变性。总之，生产过程中存在的非线性、时变性、不确定性等特点，给机理建模带来很大的困难，往往出现模型的严重失配或未建模动态等。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础另一类建模方法是系统辩识方法。根据生产过程的输入输出数据，采用最小二乘法、极大拟然法、人工神经网络技术、模糊方法等建立数学模型，又称之为黑箱模型。用这种方法建立的模型其参数无明确的物理意义，不易在线调整。另外这种方法要求一定幅度的变化，因为建模就必须给生产过程加入人为的干扰，这是实际生产不愿意接受的。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.7.2系统的鲁棒性

鲁棒性基本概念，控制系统鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度）。鲁棒性是一个统称，最基本的可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者指系统在某种扰动下保持稳定性的能力，后者指保持某项品质指标的能力。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础对于简单控制系统，一般仅进行性能和稳定性分析。但在先进控制系统中，由于所需数学模型只能在一定条件下建立，当被控对象的结构、参数和环境发生了变化，不满足原先建模时的条件，就会产生模型失配或未建模动态特性等。此时根据所建数学模型求解得到的控制量往往达不到最佳控制效果。因此，研究当系统中存在不确定因素时，系统仍具有稳定性且能保持正常工作性能，即所谓鲁棒问题，就成了关键。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础事实上，随着先进控制的出现，它的鲁棒性问题一直是研究的热点。鲁棒控制的研究方法有多种方法，一是代数方法。研究对象是用它的状态矩阵或特征多项式描述时，采用代数方法讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制问题，其中Kharitonov定理为代表的多项式代数方法为参数不确定系统的鲁棒控制问题研究提供了强有力的工具。二是状态空间法，主要应用Lyapunov方法讨论矩阵族的稳定摄动界。根据构造的Lyapunov函数，基于范数的概念和稳定性理论给出鲁棒稳定界。三是H∞控制理论。非结构型摄动的鲁棒控制问题、模型匹配问题和跟踪问题均可化归为H∞控制问题。Zomes首次提出用H∞范数作为指标，将干扰问题化为闭环系统的H∞范数极小化的输出反馈控制器的设计问题。其他还有基于传递函数矩阵的方法，基于结构奇异值理论（即μ理论）的μ方法等等。可以看到，鲁棒控制的理论研究越来越深入，但目前还未能提出实际应用的技术与工具。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.7.3多变量预测

二十世纪七十年代后期，当学术界正在潜心研究各种先进控制理论和方法的时候，美、法等国的工业过程领域内出现了一类统称预测控制的新的控制算法，如模型预测控制、动态矩阵控制（DMC）、模型算法控制（MAC）。它们一经提出，便在工业实际应用中频频获得成功，引起人们的注意。在学术界与工业应用界合作研究的短短二十余年中，预测控制日趋成熟，并推出了一批商品化的软件产品，例如DMC、SIMC、RMPCT等。它们的问世更加速了先进控制的推广应用，到目前为止，我国已引进十多套先进控制软件。实践证明，这类计算法不仅能使生产过程安全可靠地运行，而且能处于最佳运行工况，从而获得明显的经济效益，有着十分诱人的前景。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础1）预测控制的基本原理

尽管有不同计算法形式的预测控制，但就其本质来说，都是根据预测模型的预测值，使未来一段时间内被变量与期望轨迹之间的误差最小，从而求得控制量序列。它可以归结为三个基本组成部分：（1）预测模型

（2）滚动优化

（3）反馈校正

工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础（1）预测模型

预测模型的功能是根据被控对象的历史信息和未来输入预测其未来输出，使控制系统具有预报其控制效果的能力。至于预测模型的形式并不重要。阶跃响应、脉冲响应等非参数模型、传递函数、状态方程等数学模型，甚至非线性系统、分布参数系统的模型都可作为预测模型。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础（2）滚动优化

预测控制是一种优化控制，它是通过使某一性能指标最优来确定其未来的控制序列的。应该指出，这种优化与传统的最优控制有着根本的差别。主要表现在预测控制中的优化是一种有限时段的滚动优化。在每一采样时刻，根据该时刻的优化性能指标，求解最佳控制量。到下一时刻，重新求取。预测控制的优化不是一次离线进行，而是随着采样时刻的前进反复地在线进行，故称为滚动优化。这种滚动优化虽然得不到理想的全局最有解，但是反复对每一采样时刻的偏差进行优化计算，将可及时地校正控制过程中出现的各种复杂情况。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础（3）反馈校正

预测模型提供的是一种开环的行为，如果系统中存在模型失配、未建模型动态或环境干扰，预测模型将难以准确预报输出值。反馈校正的功能就是在进入下一采样时刻前，将首先采出被控对象的实际输出，并对某个模型的预测值进行修正，从而获得较准确的输出预报。显然预测控制的优化依据的不仅是模型的预报，还利用了输出的反馈信息，因而构成了闭环优化。从预测控制的基本原理，可以理解到工业界青睐预测控制的原因。对于建模和鲁棒性两个关键问题，预测控制均有解决的独到办法，可以说，预测控制是基于模型的先进控制中的佼佼者。工业过程控制发展先进控制发展

先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础2）预测控制算法实现预测控制原理有不同的预测控制算法。动态矩阵控制（DMC）算法。DMC算法是一种基于阶跃响应的预测控制法，它适用于渐近稳定的线性对象。对于不稳定的被控对象，可先用PID控制器使之稳定后，作为广义的稳定对象使用DMC算法。

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先进控制的核心内容先进控制技术的主要内容先进控制技术的经济效益先进控制技术软件化与产业化发展基于模型先进控制技术基础基于知识先进控制技术基础3.8基于知识先进控制技术基础

3.8.1基于知识的专家控制

所谓专家控制是指将专家系统的理论和技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。工业过程控制发展先进控制发展

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