1、56 预测控制 策略 应 用 及 其 自控 设计工作 摘要： 当前 ,APC 控制策略在流程工业生产中发挥的作用日益受到人们的关注 。 但是 由于种种原因 ,在新建工程项目中 还很少应用 APC。 本文在简要介绍预测控制原理 、 预测模型 、 应用实例的基础上 ,阐述在新建化工装置中对关系到节能降耗 、 保质增产 自动 控制系统应用 APC 的必要性与可行性 ,并 推荐应用预测控制策略及典型的离散卷积 预测模型 与神经网络预测模型 。 对于应用 APC的工程项目 ,提出 工程设计初期自控 专业 设计工作内容 的建议 。 摘要： APC 控制策略 预测控 预测模型 离散卷积模型 神经网络 模型
2、设计理念 Application of prediction control strategy and instrument design work Abstract： At present, the function of APC control strategy displayed in process industry has attracted more and more attention, but for various reasons, the application is still few in the new project. This article will base
3、on the brief introduction of prediction control principle, prediction model and application examples to expound the necessity and feasibility of using APC in some control system concerned with energy saving, quality guarantee and production increasing in new chemical plant. At same time, this articl
4、e recommends to use the prediction control strategy, typical discrete convolution model and neural network prediction model in practice. This article also advises the work content concerned with instrument engineer during the preliminary engineering stage when a project will use APC. Key words： APC
5、control strategy, prediction control, prediction model, discrete convolution model, neural network model, design idea 先进过程控制 (Advanced Process Control-APC)技术在流程工业中发挥的改进生产操作、提高产品 产量与质量、节能降耗减排、保障生产安全等的作用，日益受到人们的关注。从目前 流程工业中 应 用 APC 的实例来看，大多数是已建成生产装置的技术革新、技术改造实例，并且是由生产装置厂家与 APC 硬 /软件供方共同开发出来的。由于种种主、客观条
6、件的制约，新建工程项目在工程设计中还很少 应 用 APC 技术。 工程 项目 应用 APC 涉及到工程设计单位、生产企业、 APC 硬 /软件供方等三方的工作。显而易见， 如果在工程 设计阶段没有按 生产 需要制订 应用 APC 方案 ，生产企业、 APC 硬 /软件供方也就没有 应用 APC 的 依据。 项目建成后“何时 应用 APC”，将是一个不确定性的问题。这样一来， 因没有 适时 应用 APC，而 对企业生产与经济效益造成 或多或少 影响 是 不言而喻的 。57 随着 APC 技术的不断发展与应用推广，在新建工程项目中 应用 APC 技术，是企业提高生产水平、管理水平、经济效益的需要，
7、也是提高自控设计水平的需要。 本文 在简要介绍 APC 控制策略 、 预测控制与模型 的有关问题 基础上 ， 阐述重要控制系统应用 预测控制 的必要性与可行性 。 对于应用 预测控制 的 工 程项目 ,提出在 工程设计阶段自控专业要做的有关工作， 包括 配合生产企业、 APC 硬 /软件供方开展的有关工作 。 由于 本 人认识与实践有限 ,本文希望在应用 APC 方面能起到抛砖引玉作用 。 1 概述 1.1 化工过程控制需要应用 APC 化工过程控制对象常具有非线性 、 时滞性 、 不确定性 、 时变性特点 ,对这些对象采用常规控制方法是不会得到理想的效果的 。 如合成氨装置中的 H2/N2控
8、制系统 ,虽然多年来都采设计了比值 +前馈串级控制方案 ,但没有一套系统能正常投入 运行 。 因为这是一套大纯滞后系统 , 常规控制方法是解决不了滞后问题的 。 而 APC 控制策略能很好解 决 化工行业 中包括 工艺装置、 工序、 操作单元 等 过程 控制对象 的上述 非线性 、 纯滞后等 问题 。 一般情况下 , 工艺装置、工序 的先进控制策略实施由其专利商负责（包括先进控制软件编制 、 工厂测试 、 投运调试等） 。 本文仅讨论 APC 用于化工装置中重要、复杂的自控系统的控制问题 。 对 大、中型化工装置的 下列 自动 控制系统推荐 应用 APC： 关系到产品产量、质量的控制系统； 如
9、，精馏塔的温度、回流量控制。 关系到 节能降耗 的控制系统； 如，合成氨装置的 H2O/C 控制。 多参数前馈控制系统； 如，锅炉三冲量控制。 纯滞 后补偿控制 系统； 如，合成氨装置的 H2/N2控制。 多参数 复杂 控制系统； 如，尿素装置合成塔 液位 、 密度控制、合成氨装置一段炉燃烧控制。 关系到生产安全的控制系统； 如，压缩机防喘振控制。 专利技术的控制系统； 58 如，专利商提供的数学模型控制。 1.2 APC 控制策略 1.2.1 控制策略类型 APC 是在动态环境中，基于模型，利用计算机的强大功能实施精确过程控制的技术策略。 APC 控制策略可分为以下几种 类型： 经典技术类
10、：如，时滞补偿控制、解耦控制； 流行技术类：如，预测控制、自适应控制、统计质量控制 ； 潜在技术类：如，非线形控制、专家控制、神经元控制、模糊控制 。 此外，还有正在研究中的鲁棒控制、智能控制等等。 1.2.2 控制策略 选用 APC 控制策略中，比较适合流程工业，特别是适合化工行业 应用 的控制策略是预测控制。 因 为预测控制对数学模型要求不高， 预测模型在生产过程中容易辩识 , 预测 控制算法在能克服 系统参数摄动或 某些不确定性干扰 对系统造成 的 影响 （鲁棒性 较强 ） 。 目前，在流程工业中 应用 预测控制的成功实例较多， 这些实例也容易进行推广应用，故在化工行业 中 本文推荐 应
11、用 预测控制策略。 2 预测控制系统 原理 结构与 预测控制 模型 2.1 预测控制系统 原理 结构 预测控制系统结构如下图所示： (1) 模型 预测 预测模型是描述系统动态行为的基础模型，具有预测功能，即能够根据系统的现时刻和未来的控制输入，预测系统输出的未来值。 (2) 反馈校正 由于系统存在的非线性、时变以及干扰等因素，基于预测模型得到的输 出 预估值不可能59 完全与实际相符，要应用反馈校正的方法对其输出预估值进行修正，以提高预估值的准确性。 (3) 参考轨迹 为了避免过程出现急剧变化的输入和输出，要求输出沿着所期望的、平缓的曲线达到设 定值，其曲线即为参考轨迹。 (4) 滚动优化 预
12、测控制系统每一时刻要考虑有限时域的优化问题，即要考虑现时刻的一组最优控制输入值。最优控制输入值经不断更新后，按照一定规律一组一组依次施加，直到最优控制输入施加完毕。 2.2 预测控制模型 预测控制 策略 是基于模型的计算机控制算法，与传统的 PID 控制完全不同。预测控制利用预测模型预估过程未来的输出状态与设定值之间偏差， 应用 滚动式的最优 策略计算当前的过程输入，从而实现精确控制。 预测 模型是描述系统动态行为的基础模型，它具有预测功能，即能够根据系统的现时刻和未来的控制 输入，预测系统输出的未来值。 (!) 预测控制建模 预测控制建模方法与其它 APC 控制策略建模方法一样， 目前有两种
13、基本方法，即 机理分析法和系统辨识 方 法。 机理分析法又称为理论建模，它通常需要通过分析过程的运动规律，运用一些已知的定律、定理和原理 ，分析过程内部各变量的关系建立过程的数学模型。由机理分析法得到的过程模型能最大程度地复现系统内部各个过程的运行情况，因而具有很高的精确性。然而大多数化工生产 过程工艺复杂、内部工艺变量不可测等原因，使得建立系统机理模型非常困难。而且，通过机理分析法得到的模型往往不能直接用 于控制器设计及闭环控制系统性能分析，故目前机理分析法用得较少。 系统辨识 方 法是利用实验数据进行数学建模的方法，系统辨识 方 法有几种类型， 其中 阶跃测试参数 的 辨识 方法 较为 简
14、单 。 而这种方法在工业过程控制系统中 得 到 较广泛的 应用。 (2) 典型预测控制 模型推荐 预测控制模型的型式是多样化的，只要具有预测功能的模型，不论怎样的表现型式，都可作为预测模型。故预测控制可以应用状态方程模型、差分方程模型和 ARMA 辩识模型。 在 合成氨装置中 ， 要求 氢氮比控制系统 具有节能增产功能 ，该 系统纯滞后时间长、干扰因素多 的特点 ，比较适合 应用 离 散卷积预测模型实施控制 ； 对 化工装置精馏 塔 的 控制 系统 ，60 要求具有 保证产品质量、降低能源消耗 控 制 功能 ，精馏塔 生产 的 多变量、强耦合、大滞后的非线性生产过程 ，非常适合采用神经网络预测
15、模型实施控制。 从 满足化工单元过程控制和自控系统需要， 以及预测控制模型较易得到辨识的角度出发，本文 首先 推荐采用离散卷积预测模型 ， 对于 离散卷积模型不易辩识 ，或多变量与非线性 系统， 推荐采用 神经网络预测模型。 3 离散卷积预测模型和神经网络预测模型 3.1 离散卷积预测模型 3.1.1 离散卷积模型 系列 (1) 离散卷积 预 测模型 离散卷积模型辨 识是在控制方案实施时进行阶跃响应或脉冲响应测试获得。 对于大多数开环稳定的工业过程 ，在系统输入 端 施加一个单位阶 跃 信号，其相应的输出如下图所示； 利用线性系统的叠加原理，在采样时刻可得到该过程的输入与输出的下面关系式： y
16、(k 1)=h1u(k) h2u(k 1) hNu(k 1 N) 式 中 ： hi=ai ai 1 称为 过程的脉冲响应系数； ai 称为过程的阶跃响应系数； u(k)、 u(k 1)、 u(k 1 N) 称为过程的时 刻控制输入； N 是一个较大的整数，能使过渡过程基本上得到完成，即 hN 0。 上式 即 为离散卷积模型 。 = 61 (2) 参考轨迹模型 目前最广泛 应用 的参考轨迹模型为一阶的，表达式是： yr(k i)=aiy(k) (1 ai)yd 式中： yd 为设定植； yr(k i) 为参考轨迹值； y(k) 为现时刻的输出测量值； a 为 参考轨迹中决定其收敛速度的系数，通常
17、 0 a 1。 (3) 反馈校正模型 利用现时刻的输出测量 值与预估值之差，对基于预测模型的预估值进行校正，反馈校正模 型表达式是： yc(k i)= ym(k j) y(k) yc(k) 式中： ym(k j)为 基于预测模型的预估值， 即 yc(k i) 为校正后的输出 预估值。 (4) 滚动优化模型 在 k 时刻的优化目标函数表达是式是： 式中： Qi为非负的加权系数。 3.2 神经网络预测模型 在计算机学科中 , 神经网络 是模拟人类大脑行为而设计的一种程序 。 神经网络能够逼近任何复杂的非线性函数关系，可以实现那些难以用数学模型表示的复杂的映像关系。 神经网络在控制系统中起着三种作用
18、，即 用作 控制器； 充当被控对象的模型； 用作过程参数或某些非线性函数的在线估计器。 将神经网络用作预测控制 中被控对象的模型， 形 成神经网络预测 模型 ， 本文 所应用的62 网络为 RBF 网络。 3.2.1 神经网络预测模型 系列 (1) 预测模型 神经网络预测模型是关于对象非线性输入输出关系的 NARMAX模型。 采用 RBF 网络作 建立非线性 系统预测模型 为， y m(k) fnnu(k d)， u(k d m)， y(k 1)， ， y(k n) 式中， u(k)、 y(k)分别为 k 时刻系统的输入和输出； m 为输入量阶数； n 为输出量阶数； d 为时滞。 当控制系统
19、的预测步数为 p，第 k 步时，多步预测模型为， y m(k p) fnnu(k d p)， u(k d m p)， y(k p 1)， y(k n p) RBF 神经网络预测模型结构如下图所示： 输入层 隐层 输出层 (2) 参考轨迹 参考轨迹是设定值经过柔化的产物，目前最广泛用的 参考轨迹为一阶的。 y r(k i) y(k) (1 i)r 1 i p， 0 1 式中， r 为系统设定值； 为柔化因子； y(k) 为现时刻的输出测量值。 63 (3) 反馈校正 在预测 k p 时刻输出时，通过印入 k 时刻的实时输出信息进行校正，构成闭环 控制以减少静差及减小由于时变、扰动等原因造成的 模
20、型失配对系统的影响，系统的预测校正为， e(k) y(k) y m(k) y(k) fnnu(k d)， u(k d m)， y(k 1)， y(k n) 在预测误差校正下，系统的闭环输出为， y c(k i) y m(k i) e(k) 1 i p (4) 滚动优化 系统目标函数为 J y r c(k i) y c(k i) 2 u2(k) 式中， r 为系数； u 为控制增量。 优化计算是建立在上述预测输出基础上的，要获得最优控制律，必须使上式所 示的性能指标函数值为最小 。 4 预测控制 典型 应用 和研究 实例 目前在流程工业领域应用 和研究 APC 的实例 较 多， 就本文谈到的预测
21、控制与 预测 模型内容 ，选择 两 篇 有代表性文章 进行介绍 。 4.1 合成氨 装置 氢氮比 预测控制 4.1.1 概述 合成氨装置中的 氢氮比控制系统，是关系到合成氨生产节能、降耗、增产的的关键控制系统。由于这套系统纯滞后时间长、干扰因素多，多年来采用常规 控制规律都不能达到有效控制目的，是合成氨生产过程控制中技术难点。 新疆泽普石化厂合成氨装置 ， 在 1998 年 6 月应用预测控制策略 取得了良好的效果 ，使氢氮比控制精度 0.1 以内，工况稳定情况下可控制在 0.1 以内。从而达到节能、降耗、增产 的目的， 提高 了工厂的 经济效益 ，减轻了操作工的劳动强度。 4.1.2 控制方
22、案 该厂的预测控制方案是应用模型算 法控制 (MAC)，它采用基于脉冲响应的非参数模型作为预测模型 。 此方案的 作用原理是， 先 将现时刻 和未来的 系统控制 输入信息，通过预测模型 的预测功能， 得到 基于 预测 模型的 未来输出 值。 然后 将现时刻测量值与 预估值之差，对未来输出值进行校正，得到校正后的输出预估值。 再 将输出预估值与参考轨迹进行比较，最后将 比较结果进行滚动优化。 64 针对被控对象的特点，该氢氮比控制系统除了 应用预测控制策略外，还采用 PID 控制及前馈控制像结合的控制控制规律，从而构成氢氮比预测 控制 前馈 串级控制系统 。 4.1.3 技术 特点 在这套预测前
23、馈控制系统中， 其 预测 控制的特点有以下几点： (1) 采用脉冲卷积模型； (2) 采用 矩阵 法求解模型系数 (3) 采用广义对象特性求解阶跃响应序列值； (4) 具有一定的推荐性作用。 4.2 精馏塔预测控制 4.2.1 概述 在化工与石化生产装置中，精馏塔是使用 得 比较多的一种设备。精馏塔 的 运行是典型的多变量、强耦合、大滞后的非线性生产过程。 由于精馏塔运 行关系到产品质量、能源消耗，因而精馏塔生产控制格外引起人们的重视。但是因为精馏塔作为控制对象有上述不利因素，用常规控制方案得到满意控制效果。 中国石油大学（北京） 徐宝昌等先生，应用神经网络多步预测控制理论 对精馏塔 控制的研
24、究 取得节能降耗的显著效果 。 精馏塔的生产控制主要是 4.2.2 控制方案 在研究中，精馏塔的虚拟装置采用美国 Honeywell 公司的 UniSimDesign 仿真软件建立， 流程模拟采用的参数由英买油气处理厂提供。精馏塔进料为液烃，轻关键组分取丙烷，重关键组分取正丁烷及异丁烷。 精馏塔的生产控制主 要是控制塔顶和塔底产品质量，即采用塔顶 及 塔底 灵敏板温度为被控变量，采用回流量及再沸蒸汽量为操作变量 ，在保证塔压恒定的前提下，使塔顶灵敏板温度保持在给定值，塔底灵敏板温度在给定值附近波动，从而保证塔顶产品质量满足要求，塔 底 产品质量 在一定范围内波动。在产品质量满足要求，回流比满足
25、大于最小回流比的前提下，对回流比进行约束，减少回流量和再沸蒸汽量，从而达到节能降耗要求。 该文的控制原理是基于多神经网络 并行预测模型的多变量协调预测控制，利用预测误差实时反馈校正各个神经网络预测模型的差数。采用多变量协调优化策略，对被控 变量集与操作变量集优化，使被控变量 达到优化值和使部分操作变量达到优化值。 4.2.3 技术特点 (1) 采用神经网络作为预测模型； 65 (2) 针对精馏塔生产的多个变量，建立多个神经网络预测模型； (3) 基于 RBF 神经网络的多步 预测控制； (4) 具有一定的推荐性作用。 5 应用 APC时 的 自控设计 工作 5.1 工程设计阶段 (1) 制订
26、APC 控制方案 根据工程项目工艺生产流程资料，确认有 节能降耗减排、提高产品产量与质量等 控制系统 需要应用 APC 控制策略 。 多方参考国内外同类工艺流程应用 APC 实例，认真考虑 工程项目的有关条件，如生产规模与产品类型、业主生产管理水平以及应用 APC 的积极性等因素。如该项目基本具备应用 APC 的条件，可初步拟定应用 APC 过程控制方案。 (2) 初定 APC 控制策略 根据控制系统功能要求与特点，参照同类工艺流程应用 APC 实例，分析研讨后初步确定 APC 控制策略。 一般情况下，推荐 应用 预测控制策略和预测模型。 (3) 研讨过程控制系统架构 从系统控制功能出发，按照
27、初定的系统控制策略要求，确定系统结构组成。根据工艺过程控制需要， APC 控制系统可与经典控制系统 (应用 PID 控制规律 )组成综合控制 系统 (如串级控制系统等 )。 (4) 编制应用 APC 的设计文件 A. APC 控制系统说明书 工艺流程说明； 系统控制功能； 系统结构组成。 B. 绘制 APC 控制系统方框图 如应用预测控制策略，需绘制预测控制系统结构图。 C. 配合业主完成 APC 硬 /软件采购工作 APC 硬 /软件供方可能是一家，也可能是两家。当过程监控装置 (如 DCS)供方有能力、有经验完成 APC 的编程、组态、现成测试、投运等工作时，可由该供方负责提供 APC 硬 /软件，并负责实施测试、投运工作。如过程监控装置供方不能承担 APC 软件编程、组态工作时，则需要另外找 APC 专利方 (也可能包括采购专利方的上位机 )。
