隨著過程工業(yè)日益走向大型化、集成化、連續(xù)化、復(fù)雜化，對過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制的目標(biāo)已不再局限于對某一個變量或幾個變量的平穩(wěn)操作，而是越來越多地加入了以經(jīng)濟(jì)效益為代表的其他控制要求，傳統(tǒng)的以單變量技術(shù)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)已無法滿足這些需求。控制與經(jīng)濟(jì)效益的矛盾日趨尖銳，迫切需要一類合適的先進(jìn)過程控制策略。現(xiàn)代控制理論和人工智能幾十年來的發(fā)展，已為先進(jìn)控制奠定了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，而控制計算機(jī)尤其是分散控制系統(tǒng)(DCS)的普及與提高，則為先進(jìn)過程控制的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺。為了克服目前DCS存在的“高能低用”運行狀態(tài)，國際上已經(jīng)大量應(yīng)用了先進(jìn)控制技術(shù)(APC)和優(yōu)化控制來提高效益，并有眾多公司推出了先進(jìn)控制及商品化工程軟件包。國內(nèi)有一些單位開始了先進(jìn)控制和優(yōu)化控制的工程化軟件包的研究與開發(fā)，也取得一些成果。目前，國家正在進(jìn)行高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的推行工作，而先進(jìn)控制與過程優(yōu)化工程化軟件是“工業(yè)過程自動化高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化”的重要組成部分。
先進(jìn)過程控制(APC)定義
先進(jìn)過程控制(APC)是對那些不同于常規(guī)單回路控制，并具有比常規(guī)PID控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計算機(jī)控制算法。先進(jìn)過程控制的任務(wù)非常明確，即用來處理那些常規(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。APC可分三大類：經(jīng)典的先進(jìn)控制技術(shù)：變增益控制、時滯補償控制、解耦控制、選擇性控制等；現(xiàn)今流行的先進(jìn)控制技術(shù)：模型預(yù)測控制(MPC)、統(tǒng)計質(zhì)量控制(SQC)、內(nèi)模控制(IMC)、自適控制、專家控制、神經(jīng)控制器、模糊控制、最優(yōu)控制等；發(fā)展中的先進(jìn)控制：非線性控制以及魯棒控制等。目前，先進(jìn)控制技術(shù)在流程工業(yè)中得到成功應(yīng)用的是模型預(yù)測控制(MPC)。
先進(jìn)過程控制(APC)的優(yōu)點
在流程工業(yè)生產(chǎn)過程中，首先要求保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。單回路PID控制是近七十多年來流程工業(yè)生產(chǎn)過程穩(wěn)定操作的主要控制方法。然而，這種控制方法只是單變量的控制。對一些生產(chǎn)過程要求的多變量綜合控制、高品質(zhì)控制等比較困難。
而模型預(yù)測控制方法，可實現(xiàn)高品質(zhì)、高穩(wěn)定的多變量控制。其生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性高，抗擾動能力強(qiáng)。一般而言模型控制方法與單回路PID控制相比，生產(chǎn)過程被控變量的方差可減少20%以上。方差降低，可使過程被控變量實現(xiàn)卡邊操作與控制，這樣就可實現(xiàn)節(jié)能、降耗和提高生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)效益的目的。另外，對單元操作或整個生產(chǎn)過程的控制，都可用多變量控制器來完成，使整個生產(chǎn)過程都處在穩(wěn)定的工況下運行。
與單回路PID控制器相比，先進(jìn)控制具有如下優(yōu)點。
①能消除多個回路之間的相互影響，即具有解耦作用。
②可以分析目前多個回路的工況進(jìn)行，從而對控制器內(nèi)每一個回路的未來進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的結(jié)果對回路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。
③具有調(diào)節(jié)穩(wěn)定的特點，即其魯棒性，根據(jù)對工況的分析特點，操作員可以設(shè)定每一個回路的調(diào)節(jié)上下限及調(diào)整的快慢。
先進(jìn)控制是對被控對象(如反應(yīng)器、分餾塔等)進(jìn)行多變量控制而不是單回路控制，而且被控變量也在傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量和液位四大參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展，增加了諸如產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備負(fù)荷等工藝生產(chǎn)所需要的變量，大大提高了整個裝置的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊操作，為挖潛增效創(chuàng)造了條件。
④先進(jìn)控制本質(zhì)上集前饋(多變量模型預(yù)測)、反饋及優(yōu)化于一體，通過減少關(guān)鍵工藝變量的波動，進(jìn)而優(yōu)化工藝裝置操作，實現(xiàn)卡邊控制。單回路控制一般是基于誤差的控制，其關(guān)注對單個點的控制，或基于單回路調(diào)節(jié)的復(fù)雜回路控制，例如比值控制、串級控制、前饋控制、均勻控制、分程控制等；先進(jìn)控制是基于模型的多變量控制，其關(guān)注的往往是對一組工藝變量或一段工藝過程的整體控制，并在穩(wěn)定控制的前提下，利用預(yù)定的、有效的操作手段，依據(jù)內(nèi)置的線性或非線性規(guī)劃優(yōu)化算法的結(jié)果，將工藝過程推向優(yōu)化操作點，并穩(wěn)定在優(yōu)化操作點。
⑤常規(guī)單回路控制器是基于偏差的反饋控制，而以模型預(yù)測控制為核心的APC則在反饋控制的基礎(chǔ)上，將過程模型作為控制器的內(nèi)部模型，提高了控制器的信息利用率，從而大大提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
⑥與單回路控制器相比，APC更適合于處理過程的大滯后、強(qiáng)耦合特性、并能有效地解決過程可測干擾，從而使控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力和魯棒性。
⑦與單回路控制器相比，APC策略采用多變量優(yōu)化算法，適合處理多層次、多目標(biāo)和多約束控制問題，可以更方便地將過程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與過程控制相結(jié)合。
