第四講--先進過程控制技術(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四講 先進過程控制技術1 工業(yè)生產(chǎn)過程的先進控制1.1 先進控制的概念現(xiàn)代控制理論和人工智能幾十年的發(fā)展已為先進控制奠定了應用理論基礎，而DCS的普及與提高，則為先進控制的應用提供了強有力的硬件和軟件平臺。企業(yè)的需要、控制理論和計算機技術的發(fā)展是先進控制（Advanced Process Control）發(fā)展強有力的推動力。先進控制是對那些不同于常規(guī)單回路PID控制，并具有比常規(guī)PID控制更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱。先進控制的任務是用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的復雜工業(yè)過程控制的問題。其主要特點如下： 與傳統(tǒng)的PID控制不同，先進控制是一種基于模

2、型的控制策略，如模型預測控制和推斷控制等。目前，基于知識的控制，如智能控制和模糊控制，正成為先進控制的一個重要發(fā)展方向。 先進控制通常用于處理復雜的多變量過程控制問題。如大時滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在著各種約束等。 先進控制的實現(xiàn)需要足夠的計算能力作為支持平臺。隨著DCS功能的不斷增強，更多的先進控制策略可以與基本控制回路一起在DCS上實現(xiàn)，有效地增強先進控制的可靠性、可操作性和可維護性。從全廠綜合自動化的角度看，先進控制恰好處在承上啟下的重要地位。性能良好的先進控制是在線優(yōu)化得以有效實施的前提，進而可將企業(yè)領導者的經(jīng)營決策、生產(chǎn)管理和調(diào)度的有關信息及時落實至全廠生產(chǎn)裝置的實際運行

3、中，并可真正實現(xiàn)全廠綜合優(yōu)化控制。1.2 先進控制的核心內(nèi)容作為一個整體，先進控制系統(tǒng)應包括從數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)學模型建立、先進控制策略到工程實施的全部內(nèi)容。1.2.1 數(shù)據(jù)的采集、處理和軟測量技術利用大量的實測信息是先進控制的優(yōu)勢所在。由于來自工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的過程信息通常帶有噪聲，數(shù)據(jù)采集時應作濾波處理，采集到的數(shù)據(jù)還應進行過失誤差的檢測與識別和過程數(shù)據(jù)的有效性檢驗及數(shù)據(jù)調(diào)理工作，這是先進控制應用的重要保障?；诳蓽y信息和模型，實時計算不可測量的變量，即軟測量技術，是先進控制中不可缺少的內(nèi)容。1.2.2 多變量動態(tài)過程模型辨識技術獲取對象的動態(tài)數(shù)學模型是實施先進控制的基礎。實際工業(yè)過程模型化是一

4、項專門的技術，它涉及到過程動態(tài)學、系統(tǒng)辨識、統(tǒng)計學以及人工智能等多種知識。目前類似模型預測控制這樣的先進控制策略均采用工業(yè)試驗的方法來獲取控制模型，而機理模型和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。1.2.3 先進控制策略先進控制采用了合理的控制目標和控制結(jié)構(gòu)，可更好地適應工業(yè)生產(chǎn)過程的需要。先進控制主要解決： 個別重要過程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預測控制與原控制回路構(gòu)成所謂的“透明控制”的方式 解決約束多變量過程的協(xié)調(diào)控制問題，主要采用帶協(xié)調(diào)層的多變量預測控制策略 推斷質(zhì)量控制，利用軟測量的結(jié)果實現(xiàn)閉環(huán)的質(zhì)量卡邊控制。涉及到的主要控制策略有模型預測控制、推斷控制、協(xié)調(diào)控制、質(zhì)量

5、卡邊控制、統(tǒng)計過程控制，以及模糊控制、神經(jīng)控制等。1.2.4 先進控制的實施先進控制在實施時需要解決許多具體的工程問題： 合理地選擇被控的區(qū)域 正確整定基本PID控制回路和先進控制系統(tǒng) 合理限制控制變量的變化量和變化率，保證控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和對不確定因素的魯棒性 建立良好的先進控制人機界面，確保在最常用的流程圖畫面上看到先進控制的信息，便于投用、維護和操作1.3 先進控制工程化方法要使先進控制達到預期的經(jīng)濟效益，必須嚴格地按一定的程序完成先進控制的工程化工作，而且與所選用的工作平臺無關。其工程化主要步驟如下：1.3.1 定義目標首先應將整個企業(yè)的目標細化為裝置的目標、過程單元的目標以及最終主要

6、過程裝置的目標。1.3.2 分解目標至最底層在一個裝置內(nèi)，應對各主要設備建立控制目標，從而將過程裝置的目標分解至最底層的各個設備。1.3.3 識別先進控制的適用性先進控制的適用性是指通過采用先進控制能否達到減少主要過程變量變化的預期目標。1.3.4 先進控制的效益/成本分析效益/成本分析可以給出是否采用先進控制策略或應當采用哪種先進控制策略。1.3.5 制訂功能標準對每個要實施的先進控制算法必須規(guī)定其功能標準。1.3.6 先進控制的實現(xiàn)在先進控制方案確定后，首先進行詳細的工程設計，這些工程設計包括控制回路連接圖、系統(tǒng)儀表配置一覽表、先進控制操作界面等，最終生成可實現(xiàn)的控制軟件。1.3.7 調(diào)試

7、調(diào)試是檢驗先進控制方案和生成的控制軟件是否正確。1.4 先進控制的經(jīng)濟效益關鍵的復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，通過實施先進控制，可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性，改善工業(yè)生產(chǎn)過程動態(tài)性能，減少關鍵變量的操作波動幅度，使其更接近于優(yōu)化目標值，從而將工業(yè)生產(chǎn)過程推向更接近裝置約束邊界條件下運行，最終達到增強工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性，保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，提高目標產(chǎn)品的收率，提高生產(chǎn)裝置的處理能力，降低生產(chǎn)過程運行成本以及減少環(huán)境污染等目的。據(jù)國外統(tǒng)計，先進控制策略所取得的經(jīng)濟效益占整體效益的30%，原因是可以減少開工過渡時間，合理減少產(chǎn)品質(zhì)量的裕度，提高了產(chǎn)品收率，延長開工周期，減少能耗等。1

8、.5 先進控制面臨的挑戰(zhàn)先進控制的廣泛應用，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。另一方面，在實施先進控制的過程中，也會碰到許多富有挑戰(zhàn)性的問題，反過來又促進先進控制向更高層次發(fā)展。目前在實現(xiàn)先進控制策略中面臨如下幾個主要問題：1.5.1 模型辨識的新工具目前，為了完成象反應器這樣的主要工業(yè)生產(chǎn)過程動態(tài)性能的測試，需要耗費數(shù)周的時間，給工程技術人員帶來很大的工作量，迫切需要更好和更有效的過程動態(tài)響應測試和能更充分利用統(tǒng)計信息辨識出動態(tài)模型的方法。1.5.2 自適應模型預測控制針對那些變增益的工業(yè)過程，如油品調(diào)合和PH控制等過程，需要應用自適應控制的思想來改進多變量模型預測控制器性能，例如模型參數(shù)預測等方

9、法的研究和開發(fā)。1.5.3 非線性模型預測控制普遍應用的模型預測控制軟件包采用的是線性模型，在碰到內(nèi)在非線性問題時，必須將其參數(shù)整定得以確保在整定操作區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定性，其后果是對許多操作區(qū)域的控制作用過于遲緩。為了根本解決這一問題，迫切需要非線性模型預測控制工程化軟件。1.5.4 多元統(tǒng)計監(jiān)控隨著計算機集成控制的廣泛應用，大量信號和控制回路的集中管理監(jiān)督和性能的評判，已成為工藝操作者的主要責任，如何加強計算機監(jiān)控是當今現(xiàn)代工廠企業(yè)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的統(tǒng)計過程控制在處理含有耦合變量的連續(xù)過程單元時，通常會導致錯誤。然而，隨著主元分析（PCA）和部分最小二乘（PLS）技術的工程化應用研究開發(fā)，并進入到

10、在線應用階段，含PCA和PLS的多元統(tǒng)計監(jiān)控的應用將會日益增多。2 智能控制系統(tǒng)2.1 智能控制概述2.1.1 控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展自動控制理論作為一門學科，它產(chǎn)生于18世紀中葉英國的第一次技術革命。1765年，瓦特（Jams Wate，17361819）發(fā)明了蒸汽機，應用了離心式飛錘調(diào)速器原理控制蒸汽機，標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始。美國著名的控制論創(chuàng)造人維納（N. Wiener，18941964）于1948年發(fā)表了控制論或關于在動物和機器中控制和通訊的科學著作，論述了控制理論的一般方法，為控制理論學科的產(chǎn)生奠定了基礎。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術也在不斷地發(fā)展，尤其是計算機的更新

11、換代，更加推動了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可分為三個階段：第一階段：經(jīng)典控制理論。20世紀4060年代，經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出穩(wěn)態(tài)，主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析方法。所研究的系統(tǒng)多是線性定常系統(tǒng)，對非線性系統(tǒng)，分析時采用的相平面法一般也不超過兩個變量，經(jīng)典控制理論能夠較好地解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題?？刂评碚撌紫仁菑碾娮油ㄓ嵐こ讨邪l(fā)展起來的。在四十年代，工業(yè)生產(chǎn)得到很大的發(fā)展，對自動控制和經(jīng)典的控制理論都有很大的推動。在這期間自動控制技術和理論發(fā)展很快，達到了能夠?qū)巫兞靠刂葡到y(tǒng)進行分析和設計的程度，并且開始逐步推廣到其他工程技術領域

12、中去。第二階段：現(xiàn)代控制理論。20世紀6070年代，由于計算機的飛速發(fā)展，增強了計算和信息處理的能力，促進了控制理論向更復雜更嚴密的方向發(fā)展，推動了空間技術的發(fā)展。更由于航天及制導等的需要，逐漸向多變量及復雜控制系統(tǒng)理論推進，到六十年代開始形成現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。第三階段：智能控制理論。20世紀70年代末至今，70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)系統(tǒng)”和“智能控制”方向發(fā)展，前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深

13、度上的挖掘?！按笙到y(tǒng)系統(tǒng)”是用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術基礎理論；而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類由機械化時代進入電氣化時代，并走向自動化、信息化、智能自動化時代。2.1.2 智能控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展1965年，美國著名控制論專家Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論，為解決復雜系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數(shù)學工具；同年，美國著名科學家Feigenbaum著手研制世界上第一個專家系統(tǒng)；就在同年，傅京孫首先提出把人工

14、智能中的直覺推理方法用于學習控制系統(tǒng)。1966年，Mendel進一步在空間飛行器的學習控制系統(tǒng)中應用了人工智能技術，并提出了“人工智能控制”概念。70年代初，正式提出了智能控制就是人工智能技術與控制理論的交叉。70年代中期，模糊控制形成。80年代，隨著計算機的迅速發(fā)展以及人工智能的重要領域?qū)＜蚁到y(tǒng)技術的逐漸成熟，使智能控制和決策的研究及應用領域逐步擴大，并取得了一批應用成果。1987年4月，美國Foxboro公司公布了新一代的IA系列智能自動控制系統(tǒng)，它體現(xiàn)了傳感器技術、自動控制技術、計算機技術和過程知識在生產(chǎn)自動化應用方面的綜合先進水平，它能夠為用戶提供安全可靠的最合適的過程控制系統(tǒng)，標志著

15、智能控制系統(tǒng)由研制、開發(fā)階段轉(zhuǎn)向應用階段。80年代中后期，神經(jīng)網(wǎng)絡的研究獲得了重要進展，神經(jīng)網(wǎng)絡理論和應用研究為智能控制的研究起到了重要的促進作用。90年代，智能控制的研究勢頭異常迅猛，1993年5月美國IEEE控制系統(tǒng)學會智能控制專業(yè)委員會成立專家小組，專門探討“智能控制”的含義；1994年6月在美國召開了全球計算智能大會，將模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、進化計算三方面內(nèi)容綜合在一起召開，引起國際學術界的廣泛關注。我國今年來也十分重視智能控制理論和應用的研究。1993年在北京召開了“全球華人智能控制與智能自動化大會”，1994年召開了智能控制學術會議，1995年成立了中國智能自動化專業(yè)委員會。2.1.

16、3 傳統(tǒng)控制與智能控制傳統(tǒng)控制是經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論的統(tǒng)稱，它們的主要特征是基于模型的控制，稱為“模型論”。傳統(tǒng)控制為了控制必須建模，而利用不精確的模型又采用某個固定控制算法，使整個控制系統(tǒng)置于模型框架下，缺乏靈活性、應變性，因此很難勝任對復雜系統(tǒng)的控制。而智能控制的核心是控制決策，采用靈活機動的決策方式迫使控制朝著期望的目標逼近。智能控制的產(chǎn)生來源于被控系統(tǒng)的高度復雜性、高度不確定性及人們要求越來越高的控制性能，即概括為“三高三性”的產(chǎn)物，它的創(chuàng)立和發(fā)展需要對當代多種前沿學科、多種先進技術和多種科學方法，加以高度綜合和利用。因此，智能控制是控制理論發(fā)展的高級階段。2.1.4 智能控制論維納

17、的控制論有三個最為基本而重要的概念：信息、反饋和控制，稱為控制論的三要素。智能控制就是具有智能信息處理、智能反饋和智能控制決策的控制方式，把這種以智能為核心的控制論稱為智能控制論。從智能控制論的觀點去解決復雜不確定性系統(tǒng)的控制問題而設計的系統(tǒng)，就稱為智能控制系統(tǒng)?；蛘哌@樣定義：一個系統(tǒng)具有從周圍環(huán)境自學習的能力，自動進行信息處理以減少其不確定性，能規(guī)劃、產(chǎn)生并能安全、可靠地執(zhí)行控制作用，這樣的系統(tǒng)稱為智能控制系統(tǒng)。2.1.5 智能控制系統(tǒng)的主要功能特點 學習功能：能夠?qū)^程或環(huán)境的未知特征所固有的信息進行學習，并將得到的經(jīng)驗用于進一步的估計、分類、決策或控制。 適應功能：智能控制系統(tǒng)可看成是不

18、依賴模型的自適應估計，當系統(tǒng)的輸入不是已經(jīng)學習過的例子時，由于它具有插補功能，從而可以給出合適的輸出，甚至當系統(tǒng)某些部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也能正常工作。 組織功能：智能控制系統(tǒng)對于復雜的任務和分散的傳感信息具有自行組織和協(xié)調(diào)的功能，即智能控制系統(tǒng)可以在任務要求的范圍內(nèi)自行決策、主動地采取行動。2.2 模糊控制2.2.1 模糊控制的概念模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制。它是基于專家經(jīng)驗和領域知識總結(jié)出若干條模糊控制規(guī)則，構(gòu)成描述具有不確定性復雜對象的模糊關系，通過被控仙臺輸出誤差及誤差變化和模糊關系的推理合成獲得控制量，從而對系統(tǒng)進行控制。經(jīng)典控制理

19、論和現(xiàn)代控制理論設計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對象精確的數(shù)學模型，然后根據(jù)數(shù)學模型以及給定的性能指標，選擇適當?shù)目刂埔?guī)律，進行控制系統(tǒng)設計。然而，在許多情況下被控對象的精確數(shù)學模型很難建立，尤其是對于非線性時變系統(tǒng)。對于這些系統(tǒng)，若是有經(jīng)驗的操作人員進行手動控制，卻可以收到令人滿意的效果。因此人們又重新研究和考慮人的控制行為特點，讓計算機模擬人的思維方式來進行決策控制。人的手動控制決策可以用語言加以描述，總結(jié)成一系列條件語句，即控制規(guī)則。運用計算機的程序來實現(xiàn)這些控制規(guī)則，計算機就起到了控制器的作用。于是，利用計算機取代人可以對被控對象進行自動控制。2.2.2 模糊控制的組成模糊控制系統(tǒng)

20、一般可以分為四個組成部分： 模糊控制器 輸入/輸出接口裝置 廣義對象 傳感器2.2.3 模糊控制的應用 蒸汽發(fā)動機系統(tǒng)：是一個雙輸入-雙輸出系統(tǒng)（發(fā)動機速度和鍋爐壓力） 地鐵自動駕駛系統(tǒng)：如1987年投用的日本仙臺市地鐵，停車精度達到了3.57 cm 機器人：2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡控制2.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的概念所謂神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)是指利用工程技術手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模并行的非線性動力學系統(tǒng)。2.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡的特點 分布式存貯信息的特點 對信息的處理及推理的過程具有并行的特點 對信息的處理具有自組織、自學習的特點2.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡控制的概念所謂神經(jīng)網(wǎng)絡控制，是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡這一工具對難以精確描述的復雜的非線性對象進行建模，或充當控制器，或優(yōu)化計算，或進行推理，或故障診斷等，以及同時兼有上述某些功能的適當組合，