（控制理论与控制工程专业论文）模块多变量广义预测控制及应用.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 现代：l ：业的发展对过程控制提出了更高的要求，迫切需要解决多变量、多目标、有约束 的动态优化控制问题。 静态模块多变量控制可以显式处理多目标有约束稳态优化控制问题，它采用模块化的分 层控制器结构，按照优先级顺序将各个目标分配到相应的模块，每个模块处理一个控制目标 按照字典序极小化方法由高到低依次满足各个目标。这种结构能清晰表达 ：程上的权衡和决 策，符合f i 业过程控制的要求。 阶梯式控制技术可以大大降低预测控制未来控制量计算的复杂度。本文将模块多变量控 制与阶梯式广义预测控制相结合，提出模块多变量，。义预测控制( m m g p c ) ，它能够实现 动态模块多变量优化控制。动态模块多变量控制能较好地处理现代工业过程迫切需要解决的 多目标、有约束动态优化控制问题；阶梯式广义预测控制则对大惯性、大时延、强干扰的过 程对象有很好的控制效果，且鲁棒性较强。两者的结合使得模块多变量广义预测控制器在实 际应用中取得了较好的效果。 智能监督级对于提升先进控制器的连续运行时间和投用率有重要意义。本文从辨识监督 级和控制器监督级两方面总结了智能监督级的研究现状、研究内容和任务，归纳并提出一般 性的辨识监督级和控制器监督级的框架结构。这种面向对象的模块化监督级结构方便了监督 级的设计和重构，对智能监督级实例的设计有一定意义。 动态模块多变量控制的应用研究证实了它的优良性能和实用价值。本文中的应用研究包 括三部分内容： l 、电站锅炉主蒸汽温度的模块多变量广义预测控制 经过对操作：l 艺的仔细分析可以发现，电站锅炉主蒸汽温度控制实际上是一个多目标、 有约束的优化控制问题，模块多变量，。义预测控制比其它只关注设定值目标的控制算法更接 近问题的本原。 为了获得被控对象的数学模型，本文将最小二乘法与相关系数法相结合，提出一种新的 建模方法。它可以获得模型阶次、纯滞后等模型结构的信息，并辨识出模型系数。 2 、多段冷激式氨合成塔全塔温度的模块多变量广义预测控制 多段冷激式氨合成塔在我国合成氨： 业中具有重要的地位。本文详细分析了多段冷激式 氨合成系统工艺和温度控制的特点与难点，根据分析结果设计了模块多变量广义预测控制器 框架结构，并对控制目标和控制量优先级问题进行了讨论。 为了模块多变量j “义预测控制器的有效实施，本文还讨论了以下问题：建模数据的获取 和模型辨识方法：多种前馈控制器的引入有助于控制器对各种强干扰的抑制；根据实际需要 设计了控制器智能监督级，有效地解决了模块多变量控制器在线重构、热点检测、控制器切 换监督等问题，确保了控制器的连续运行时间和投用率。 应用效果表明，模块多变量广义预测控制器在多段冷激式氨合成塔全塔温度控制中取得 了成功，控制精度达到了国内领先的水平，对增加企业的经济效益具有现实意义。 3 、线性低密度聚乙烯装置的模块多变量在线操作指导 通过对线性低密度聚乙烯反应器关键控制系统的分析发现，聚乙烯反应器催化剂加料量 中国科学技术大学博卜学位论文摘要 调节是一个多目标、多变量、有约束的操作优化问题。本文采用模块多变量优化原理构造了 在线操作指导系统的一般性框架结构，并根据线性低密度聚乙烯装置催化剂加料量调节的特 点，设计了聚乙烯装置模块多变量在线操作指导软件，实用效果证明了模块多变量在线操作 指导系统的良好性能。 最后总结了本文的创新和不足之处，并对潜在的问题提出了一些改进的构思和i 设想。 关键词：多目标有约束控制；字典序极小化：模块多变量控制；阶梯式广义预测控制；最 小二乘辨识：相关系数辨识：智能监督级：多段冷激式氨合成塔；温度控制：聚乙烯装置： 在线操作指导系统 i t p h dd i s s e r t a t i o no f u n i v e r s i t yo f s c i e n c e & t e c h n o l o g yo f c h i n a a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e m a n df o rt h ep r o c e s sc o n t r o lc o n t i n u o u s l ya d v a n c e da l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e mi n d u s t r y t h ec o n s t r a i n e dm u l t i v a r i a b l em u l t i - o b j e c td y n a m i co p t i m a lc o n t r o lp r o b l e m m u s tb es o l v e d t h es t a t i cm o d u l a rm u l t i v a r i a b l ec o n t r o l ( m m c ) c a ne x p l i c i t l yd e a lw i t hc o n s t r a i n e d m u l t i o b j e c ts t a t i co p t i m a lc o n t r o lp r o b l e m w i t ht h eh i e r a r c h i c a lm o d u l a rs t r u c t u r e ，i ta s s i g n s e a c ho b j e c ti n t oo n ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm o d u l ea c c o r d i n gt ot h ep r i o r i t i e so ft h eo b j e c t s ，a n d s a t i s f i e st h e s eo b j e c t sf r o mt h eh i g hp r i o r i t yt ot h el o wp r i o r i t yb a s e do nt h e l e x i c o g r a p h i c m i n 。i l m i z a t i o n t h eh i e r a r c h i c a lm o d u l a rs t r u c t u r ee x p l i c i t l ye x p r e s s e se n g i n e e r i n gt r a d e o f f sa n d d e c i s i o n i tf o l l o w st h ea c q u i r e m e n t so ft h ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 t h es t a i r l i k ec o n t r o lt e c h n i q u ed e c r e a s e sc a l c u l a t e dc o m p l e x i t yo ff u t u r ec o n t r o lv a r i a b l e s ， w i t ht h ec o m b i n a t i o no fm o d u l a rm u l t i v a r i a b l ec o n t r o la n ds t a i r - l i k eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o l ( g p c ) ，t h i sp a p e rp r e s e n t sm o d u l a rm u l t i v a r i a b l eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( m m g p c ) ，w h i c hc a nh a n d l ed y n a m i cm o d u l a rm u l t i v a r i a b l eo p t i m a lc o n t r o lp r o b l e m d y n a m i cm m cc a ne x p l i c i t l yh a n d l et h ec o n s t r a i n e dm u l t i v a r i a b l em u l t i o b j e c td y n a m i c o p t i m a lc o n t r o lp r o b l e mw h i c hn e e d st ob es o l v e di nm o d e mi n d u s t r y s t a i r l i k eg p cc a nh a n d l e t h ec o n t r o lp r o b l e mw i t hl a r g et i m ec o n s t a n t ，l a r g ep u r et i m ed e l a y , s t r o n gd i s t u r b a n c e s ，a n di th a s s t r o n gr o b u s t n e s s t h ec o m b i n a t i o no ft h e mm a k e sm m g p co b t a i ng o o de f f e c ti np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s t h ei n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys h e l l ( i s s ) i sv e r yi m p o r t a n ti np r o m o t i n gc o n t i n u o u sr u n t i m e a n dr u n n i n gr a t eo ft h ea d v a n c e dc o n t r o l l e r s b a s e do nt h ec o n c l u s i o no ft h er e s e a r c ha c t u a l i t y , t a s ka n dc o n t e n to ft h ei n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys h e l lf r o mt h ea s p e c t so fi d e n t i f i c a t i o ns u p e r v i s i o n a n dc o n t r o l l e rs u p e r v i s i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sg e n e r a lf r a m e w o r ko ft h es u p e r v i s o r ys h e l lf o r i d e n t i f i c a t i o na n dt h es u p e r v i s o r ys h e l lf o rc o n t r o l l e r t h eo b j e c t - o r i e n t e dm o d u l a rf r a m e w o r ko f i s sm a k e st h ed e s i g na n dr e c o n f i g u r a t i o no ft h ep r a c t i c a ls a m p l e so f l s sv e r yc o n v e n i e n t t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fd y n a m i cm m cp r o v e si t s g o o dq u a l i t ya n dp r a c t i c a l i t y t h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c hi n c l u d e st h r e ep a r t s ： p a r ti ：m m g p cf o rm a i n s t e a mt e m p e r a t u r eo fb o i l e ri np o w e rp l a n t b yt h ea n a l y s i so fo p e r a t i o nt e c h n i c s ，t h ec o n t r o lf o rm a i n - s t e a mt e m p e r a t u r eo fb o i l e ri n p o w e rp l a n ti sa c t u a l l yac o n s t r a i n e dm u l t i o b j e c to p t i m a lc o n t r o lp r o b l e m m m g p ci sc l o s e rt o t h ee s s e n c eo ft h ep r o b l e mc o m p a r e dw i t ho t h e ra l g o r i t h m sw h i c ho n l yt r a c e st h es e t p o i n t i no r d e rt oo b t a i nt h em o d e lo ft h ec o n t r o l l e do b j e c t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm o d e l i n g m e t h o db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h el e a s ts q u a r e si d e n t i f i c a t i o n ( l s i ) a n dt h ec o r r e l a t i v e c o e f f i c i e n ti d e n t i f i c a t i o n ( c c i ) i tc a no b t a i nt h eo r d e r , p u r et i m ed e l a ya n dc o e f f i c i e n t so ft h e m o d e ls i m u l t a n e o u s l y p a r ti i ：m m g p cf o rt e m p e r a t u r eo fm u l t i s e g m e n tc o o l - e x c i t a t e da m m o n i as y n t h e t i c t n w e r i i i p h dd i s s e r t a t i o no fu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g yo fc h i n aa b s t r a c t t h em u l t i s e g m e n tc o o l - e x c i t a t e da m m o n i as y n t h e t i ct o w e r ( m c a s t ) h a si m p o r t a n ts t a t u s i na m m o n i a s y n t h e t i ci n d u s t r y i nc h i n a t h i sp a p e r a n a l y z e dt e c h n i c s o fm u l t i - s e g m e n t c o o l e x c i t a t e da m m o n i as y n t h e t i cs y s t e ma n dt h ed i f f i c u l t i e si nt e m p e r a t u r ec o n t r o lf o rm c a s t t h e nt h ef r a m e w o r ko fm m g p cw a sd e s i g n e da n dt h ep r i o r i t i e so ft h ec o n t r o l l e do b j e c t sa n dt h e c o n t r o lv a r i a b l e sw e r ed i s c u s s e d f o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm m g p c ，t h i sp a p e rd i s c u s s e ds o m ea c t u a lp r o b l e m ，s u c ha s m o d e l i n gd a t aa n dm o d e l i n gm e t h o d ；i n t r o d u c t i o no ff e e d f o r w a r dc o n t r o l l e r s ；d e s i g n i n go f a c t u a l s u p e r v i s o r ys h e l lf o rc o n t r o l l e ra tt h ea s p e c t so fr e c o n f i g u r a t i o no fc o n t r o l l e r , d e t e c t i o no fh o t p o i n to fm c a s t a n ds w i t c h i n go fc o n t r o l l e r s t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w st h a tm m g p ch a ss u c c e e d e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o lo f m c a s t a n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o n si si nt h ed o m e s t i cl e a d i tw i l lb e n e f i tt ot h ee n t e r p r i s e si na p r a c t i c a ls e n s e p a r ti i i ：m o d u l a rm u l t i v a r i a b l eo n l i n eo p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e mf o rl i n e a rl o wd e n s i t y p o l y e t h y l e n ei n s t a l l a t i o n b yt h ea n a l y s i so ft h ek e yc o n t r o ls y s t e mo fl i n e a rl o wd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( l l d p e ) r e a c t o r ，t h ec a t a l y s to p e r a t i o nf o rl l d p er e a c t o ri sac o n s t r a i n e dm u l t i o b j e c to p e r a t i o no p t i m a l p r o b l e m t h i sp a p e rc o n s t r u c t e dg e n e r a lf r a m e w o r ko f t h eo n l i n eo p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e mb a s e d o nt h em o d u l a rm u l t i v a r i a b l eo p t i m i z a t i o n t h e nm o d u l a rm u l t i v a r i a b l eo n l i n eo p e r a t i o ns u p p o r t s o f t w a r ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fc a t a l y s to p e r a t i o nf o rl l d p er e a c t o r t h e a p p l i c a t i o ns h o w sg o o dq u a l i t y o fm o d u l a rm u l t i v a r i a b l eo n l i n eo p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m ( m m o o s s ) i nt h ee n d ，t h ei n n o v a t i o na n di n s u f f i c i e n c yi nt h i sp a p e rw a sc o n c l u d e d ，a n ds o m ei d e a sa n d s o l u t i o n st ot h ep o t e n t i a lp r o b l e m sw e r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：c o n s t r a i n e dm u l t i - o b j e c tc o n t r o l ；l e x i c o g r a p h i cm i n i m i z a t i o n ；m o d u l a rm u l t i v a r i a b l e c o n t r o l ；s t a i r 1 i k eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ；l e a s ts q u a r e si d e n t i f i c a t i o n ；c o r r e l a t i v e c o e f f i c i e n ti d e n t i f i c a t i o n ；i n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys h e l l ；m u l t i - s e g m e n tc o o l e x c i t a t e da m m o n i a s y n t h e t i ct o w e r ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；p o l y e t h y l e n ei n s t a l l a t i o n ；o n l i n eo p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究：。 作所取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他 人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究! i ：作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确的方式标明。 论文作者：张庆武 2 0 0 6 年4 月 中国科学技术大学博j 卜学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百可匕 概要： 本章简要回顾了过程控制发展历史；说明了先进控制与优化技术的重要性和 发展方向；简要综述了现代工业过程迫切需要解决的多变量、多目标、有约 束动态优化控制问题的研究现状。在此基础上提出本文的研究内容和具体安 排。 1 1 工业自动化及过程控制发展概述 1 1 1 工业自动化的起源和发展阶段 在人类发展的历史长河中，刚刚过去的一个世纪是：工业和科学技术发展最为迅速的一百 年，现代工业生产过程中的自动化、智能化、高效化以及其它实际问题的不断提出，促使控 制理论研究不断深入，推动着工业自动化技术的蓬勃发展。自2 0 世纪3 0 年代以来，自动化 技术被逐步应用于工业、农业、国防、商业等各个领域，彻底改造了制造业、流程二l ：业、交 通运输等各行各业，获得了惊人的成就，已在：1 ，：业生产和科学进步中起着关键的作用。实际 上，生产过程自动化的程度已成为衡量企业现代化水平的一个重要标志。自动化技术研究和 廊川的扩展是社会进步的必然 吴澄，2 0 0 2 。 回顾自动化技术发展的历史，可以看到它与生产过程本身的发展有着密切的联系，是一 个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程， 人致经历了三个阶段 a s t r o m kj ，1 9 8 5 ：金以慧，1 9 9 3 。 2 0 世纪5 0 年代以前可归结为第一阶段。w i n n e r 提出控制论和n y q u i s t 引入稳定性判据 是经典控制理论的标志。经典控制理论采用传递函数进行数学描述，主要研究对象是单输入 单输出的线性定常系统，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，因而带有明 显的依靠经验进行分析和综合的色彩。基于经典控制理论的p i d 控制技术，以其结构简单， 方便实用等优点，在：i = 业过程控制中被广泛应用。 5 0 7 0 年代可以认为是自动化发展的第二阶段。伴随航空航天技术的发展，形成了以状 态空间和现代频域方法为基础的现代控制理论，内容包括了以最小二乘法为代表的系统辨 识，以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计 等三部分。这一阶段出现了状态反馈、输出反馈、解耦控制、最优控制、自适应控制等控制 技术。现代控制理论在综合和分析系统时，已经从外部特性深入到揭示系统内部特性，从局 部控制进入到在一定意义下的全局最优，而且在结构上已从单环扩展到适应环、学习环等。 从7 0 年代开始出现了适合： 业自动化的控制计算机商品化系列，控制理论与其它学科 相互交叉，互相渗透，向着纵深方向发展，从而开始形成了所谓的第三代控制理论，即大系 统理论和i 智能控制理论。在这个阶段，工业自动化已突破了局部控制的模式，进入到全局控 制，既包含了若干子系统的闭环控制，又有大系统协调控制、最优控制以及决策管理。 中国科学技术大学博：i _ 学位论文 第一章绪论 1 1 2 过程控制的任务与要求 连续过程：| 一业又称为流程：l 业，是指生产过程为连续生产的工业，包括炼油、石化、冶 金、电力、化工、制药等在国民经济中占主导地位的行业。全球5 0 0 强企业中，过程j 【业企 业有7 0 余家，d i 1 5 ，其营业额占总额的1 6 5 ，我国流程企业年产值 全国企业年总产 值的6 6 ，流程：i ：业的发展状况直接影响国家的经济基础，是国家的重要基础支柱产业 邵 惠鹤，1 9 9 7 。 连续过程工业具有以下特点 朱学峰，1 9 9 9 ： 1 ) 连续过程二 ：业生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、物质和能量的转换和传递， 是十分复杂的：【业大系统，系统本身存在复杂性、非线性：手n b , - j - 变特性。 2 ) 连续过程工业生产条件和环境十分苛刻，如高温、高压，有时还存在易燃、易爆和 有毒物质，因而确保生产安全性非常重要，对关键生产过程必须有故障预报、诊断以及连锁 保护。 3 ) 连续生产过程强凋实时性、整体性，应从全局出发协调和处理装置间复杂的耦合、 制约关系，求得全局最优。 由于流程工业生产过程日趋大型化、复杂化，对产品质量和经济效益的要求也越来越高， 冈此连续过程工业生产中的工艺操作控制、异常工况监视、生产协调和优化，越来越依赖过 程。i ：业自动化系统。 过程控制的任务是解决连续过程：1 j 业的控制问题，它是：r = 业自动化中最重要的一个分 支。它的被控量主要包括六大类：温度、压力、流量、液位( 或物位) 、成分和物性，常称 为六大参数。提高连续过程工业的市场竞争力的目标对过程控制提出了多方面的要求，如提 高产品产量和质量、节省能源、降低成本、提高生产过程的柔性等，这些要求最终可归纳为 最基本的三项，即生产安全性、生产经济性和生产稳定性 刘有飞，2 0 0 2 。 生产安全性：是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要的也是 最根本的要求。通常是采用参数越界报警、事故报警和联锁保护等措施实现。现在，由于一t 业企业高度连续化和大型化的特点，提出了在线故障预测和诊断，设计容错控制系统等来进 一步提高运行的安全性。对控制系统设计来说，一般表现为对某些输入输出量的约束限制。 生产经济性：在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和l 原材料最少，也就是要求 生产成本低而效率高。这要求控制系统具有一定的“柔性”，能够简单地进行生产和优化目 标的变更。 生产稳定性：是指系统具有抑止干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。众所周 知，i ：业生产环境不是固定不变的，例如原材料成分改变或供应量不同，反应器中催化剂活 性的衰减等等都是客观存在的，它们会或多或少地影响稳定生产。 过程控制的任务就是在了解、掌握：【：艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根 据上述二项要求，应用理论和技术手段对控制系统进行分析和综合，最后采用经济的技术手 段加以实现。可以说，过程控制是控制理论、生产工艺、仪器仪表、计算机技术、通讯和网 络技术等知识相结合而构成的一门应用学科 刘士荣，1 9 9 9 。 1 1 3 连续工业过程控制的发展趋势 2 中国科学技术大学博： 二学位论文第一章绪论 1 1 3 1 常规控制向先进控制发展 从上世纪4 0 年代至今，p i d 调节器及其改进型一直是工业过程控制中最常见的控制器， 即便是在大量采用集散控制系统( d c s ) 的工业生产过程中，这类控制器仍占总数的 8 0 9 0 。这是因为p i d 控制算法简单而悠久，工业界熟悉且容易接受，但单回路p i d 控 制器不能适用于所有的过程和不同的要求 范宗海，1 9 9 9 。在生产过程中，仍有1 0 2 0 的控制问题采用常规的p i d 控制无法奏效，所涉及的对象往往具有多变量强耦合性、非线 性、信息不完全性、时变性、大纯滞后等特性，并存在苛刻的约束条件，更重要的是它们人 多是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产率、物耗和能耗。迫切需要采用先进 的控制策略来处理 曹永岩，2 0 0 0 1 。 6 0 年代以后，现代控制理论在航空航天领域取得了突出的成就，但却很少用于一t ：业过 程控制领域，其主要原因有 r i c h a l e tj ，1 9 7 8 ；g a r c i ace ，1 9 8 9 ；郑之开，1 9 9 9 ： 难以获得过程对象的精确数学模型： 过程对象存在时变性和非线性； i 业过程的目标和性能要求复杂； 实际_ i ：业对象存在各种约束条件； 复杂的数学基础使其难以被工业控制界掌握。 现代控制理论需要对象的精确数学模型，而复杂工业系统的精确模型很难得到。生产环 境的改变和大量的外部扰动，使得工业对象具有不确定性。传统的最优控制理论也难以处理 i ：业过程中常见的多变量、多目标、有约束控制问题。 为克服理论与实际应用之间的不协调，人们一方面加强了系统辨识、工业过程建模、自 适应控制、鲁棒控制等的研究，提高数学模型精确度，考虑模型不确定性影响：另一方面面 向实际工业过程特点，开始研究对数学模型精度要求不高、适应性强、控制性能稳定、能充 分考虑 ：业过程中各种实际约束和优化目标的控制技术，一系列先进控制与优化方法应运而 生 n o z a k a y ，1 9 9 3 ；s e b o r gde ，1 9 9 4 。 经过上世纪7 0 年代以来的大量研究和工程实践，预测控制的理论体系已基本成熟 l r i c h a l e tj ，1 9 7 8 ；c u t l e rcr ，1 9 8 0 ：c l a r k edw ，1 9 8 7 ；l e l i cma ，1 9 8 7 m a y n edq ， 1 9 9 0 b ，它被认为是目前工业应用最成功、最具前途的先进控制策略 席裕庚，1 9 9 3 ；舒迪 前，1 9 9 8 ；王伟，1 9 9 8 ；胡耀华，2 0 0 0 。预测控制保持了传统的优化控制思想，采用有限 时域滚动优化代替全局一次优化，对模型精度要求不高，能有效处理有约束的多目标控制问 题，通过在线优化和反馈校正实现了闭环优化控制，这些优点使它成为多变量有约束控制的 最有效方法之一 冯少辉，2 0 0 3 ；王跃宣，2 0 0 3 。 近年来人： 智能技术的长足进步使得专家系统、神经网络和模糊控制成为过程控制中最 具潜力的三种+ ： 具 孙增圻，1 9 9 7 ；李士勇，1 9 9 8 ：蔡自兴，1 9 9 8 。专家系统、模糊控制在 过程! i i 业中已有了成功的应用，尤其是人工智能与传统p i d 控制策略结合的智能p i d 控制 器已有了商品化的产品。人工神经网络在模型辨识等领域也显示出很强的生命力。 基于非线性模型的控制理论是当前的研究热点之- - i s i d o r ia ，2 0 0 5 1 ，并已取得了一定 的进展，但实际的工业应用还不多见。 另外，鲁棒控胄1 m o r a r im ，1 9 8 9 与提升控制系统鲁棒性的研究葛建华，1 9 9 4 1 也是先 中困科学技术大学博十学位论文 第一章绪论 进控制技术的一个重要发展方向。 1 1 3 2 常规仪表控制系统向开放的集散控制系统发展 7 0 年代以前，： 业界普遍采用常规控制仪表实现简单控制系统。7 0 至8 0 年代，随着集 成电路和计算机技术的发展，可编程逻辑控制器( p l c ) 和计算机控制技术被逐渐应用到过 程：业领域。1 9 7 5 年，h o n e y w e l l 公司推出了世界上第一套分布式计算机控制系统t d c 2 0 0 0 ， 标志着分布式控制系统时代的来临，d c s 实现了控制分散、监视集中的功能，提高了系统 的可靠性和灵活性 王常力，2 0 0 4 。目前d c s 系统己发展到第三代，随着网络和通信技术 的发展，d c s 的发展越来越趋向标准化和开放性，f i s h e r r o s e m o u n t 、h o n e y w e l l 等欧美十 余家公司已联合推出国际标准的现场总线( f i e l d b u s ) 控制系统【王锦标，1 9 9 7 ，它被认为 是新一代的分布式控制系统，标志着控制工具的又一次变革，为实现综合自动化系统 钱积 新，1 9 9 8 ；蒋慰孙，1 9 9 9 奠定了坚实的基础。 1 1 3 3 单一控制系统向综合自动化系统发展 9 0 年代以前：i ：业企业仍处于自动化孤岛模式，9 0 年代后，企业界在国际市场剧烈竞争 的刺激下，开始注重= 1 ，能降耗、少投入多产出的高效生产模式，把提高综合自动化水平作为 提高竞争力的重要途径。集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决 策等功能于一体的综合自动化成了当前自动化发展的趋势 金以慧，1 9 9 7 。 新世纪初，我国提出了“信息化带动工业化”的国策，以期在现代化建设过程中，走科 技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的新型： 业化道路，同时完成工业化时代 的目标和信息化时代的目标。这一战略举措将对我国信息化和工业化进程产生深远影响 吴 澄，2 0 0 2 。用高新技术改造传统产业是这一国策的具体体现。在这一过程中，自动化是核 心，1 ：业自动化水平的高低直接决定了工业化的水平和l 质量。提高：i ：业自动化水平是提高国 家整体国力，凋= 常：l ! ：业结构的重要手段 孙优贤，2 0 0 2 。 1 2 工业过程先进控制与优化概述 1 2 1 计算机集成过程系统 计算机技术、通信技术和控制技术的发展，以及市场竞争的激励，给j i 一：业带来革命性变 化，过程控制向着整体、综合、集成的方向发展，集散控制系统、先进控制与优化系统、事 务处理系统、决策支持系统、柔性制造系统、管理信息系统等概念相继出现，集以上系统为 一体的计算机集成制造系统( c i m s ) 正渗透到二【：业自动化的各个领域 王凌，2 0 0 1 ；李小坚， 1 9 9 9 ：b e r n a r djm ，1 9 8 9 ，基于c i m s 思想，在过程控制领域提出了计算机集成过程系统 ( c i p s ) 林伟璐，2 0 0 0 ：y o s h i m u r ajs ，1 9 9 3 。c i p s 大体可以分为四层 徐用懋，1 9 9 7 ， 白底向上如表1 1 所示： 表1 1c i p s 的层次和功能 层次功能 现场数据的采集、处理、传递和p i d 控制 第一层：直接控制层 设备运行状况和监视 4 中冈科学技术大学博j ：学位论文第一章绪论 数据筛选与整合 先进控制( 解耦、预估、约束控制) 第二层：控制优化层 装置局部优化控制 装置级流程模拟及操作条件优化 制定生产汁划( 年、季、月) 制定生产作业计划 。生产调度和操作管理 第三层：计划涮度层各装置间的协调控制 公用工程总体平衡安排 生产监视 制定技措、大修与更新计划 市场信息的获取和处理 市场需求分析与预测 以销定产方案确定 制定技术改造方案 第四层：决策管理层 j 一级流程模拟及多目标生产优化 制定中、长期发展规划 经济活动分析与工程评估 图1 1c i p s 体系结构 以上四个层次各有不同的重点。直接控制层主要完成单元控制，保证生产装置的正常运 5 下身土t朔i下 天。卡。 埘。t分|t抄上 t多焉期远作 穆态运作动态运作土 中围科学技术大学博一j ? 学位论文 第一章绪论 行。控制优化层重点是对生产过程进行优化控制，保证装置“安、稳、长、满、优”运行， 获取更大的经济效益。计划调度层重点是制定合理的工作计划和i 作业计划，并保证计划按预 期目标进行。决策管理层重点是企业的经营管理和运作决策，保证企业健康发展。c i p s 的 核心是平台集成和应用集成 李秀喜，2 0 0 1 。平台集成包括网络架构、网络管理平台、硬件 平台、生产过程模拟与优化平台、先进控制器开发平台、d c s 、管控一体化平台等诸多技术 的集成。应用集成是指过程控制系统p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 与管理信息系统 m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t s m ) 、决策支持系统d s s ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 的 集成 王凌，2 0 0 3 。c i p s 的各相关控制环节的体系结构如图1 - 1 所示 孙德敏，2 0 0 3 。 c i p s 能使企业达到局部优化和整体优化的结合点，给企业带来巨大的经济效益 贺秉 恩，1 9 9 9 。发达国家9 0 年代初相继进行c l p s 的研制及实施。当今国际上有近1 0 0 座炼油 或碓i 化企业已实施或正在实施c i p s 系统。己实施的c l p s 系统达2 5 0 多个，进行有关研究 已达4 0 0 余项。国外很多企业已开发出不少高质量的c i p s 系统，如日本y h p 公司，德国 s i e m e n s 公司，美国d e c 公司、g m e d s 公司以及英国k b c 公司等都是成功的实例。据 美国s e t p o i n t 公司和u o p 公司对炼油厂实施c l p s ( c i m s ) 的潜在效益的测算，以全厂实 现c i p s ( c i m s ) 的总效益为1 0 0 ，则计划与调度系统的效益占2 5 ，各装置的先进控制 与过程优化操作的效益为3 1 5 。而据美国科学院对该国在c i p s ( c i m s ) 技术方面处于领 先地位的5 个公司调查发现，采用c i p s ( c i m s ) 技术可使产品质量提高2 0 0 5 0 0 ，生 产率提高4 0 7 0 ，设备利用率提高2 0 0 5 0 0 ，生产周期缩短3 0 6 0 ，人二 费 用减少5 2 0 ，工程师在相同的时间内分析问题的广度和深度增加3 0 0 。 8 0 年代中后期，我国便出现了管控一体化的综合自动化系统。1 9 9 1 年，“大型过程工业 白动化系统总体技术开发研究”正式列为国家“八五”攻关工业自动化领域的重点课题。连 同此前的国家“8 6 3 ”高科技跟踪中的c i m s 主题，我国在工业自动化的两大门类连续 过程工业和i 断续制造业中，同时向工业自动化总体技术与c l m 发起冲击。近年来，我国在 c i p s ( c i m s ) 系统的研究、开发和应用方面已经取得了一定的成果 李伯虎，1 9 9 8 。 1 2 2 先进控制与优化技术在过程工业及c l p s 中的地位 先进控制 俞金寿，2 0 0 2 是对那些不同于常规单回路控制，并比常规控制效果好的控制 策略的统称，至今对先进控制还没有严格的、统一的定义。但先进控制的任务却是明确的， 即用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂：r 业过程控制的问题。通过实 施先进控制，可以改善过程的动态性能、减小过程变量的波动幅度，使之能更接近其优化目 标值，实现约束边界条件下的“卡边生产优化”，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、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成