模型預(yù)測控制

1、流程工業(yè)生產(chǎn)過程的流程工業(yè)生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制先進(jìn)控制及其應(yīng)用及其應(yīng)用 東華大學(xué)自動化系：任正云2012年3月先進(jìn)控制面臨的挑戰(zhàn) 先進(jìn)控制的廣泛應(yīng)用，為企業(yè)帶來先進(jìn)控制的廣泛應(yīng)用，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，在實施了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，在實施先進(jìn)控制的過程中，也會碰到許多富有先進(jìn)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(jìn)先進(jìn)控制挑戰(zhàn)性的問題，反過來又促進(jìn)先進(jìn)控制向更高層次發(fā)展。下面扼要介紹目前在向更高層次發(fā)展。下面扼要介紹目前在實現(xiàn)先進(jìn)控制策略中面臨的幾個主要問實現(xiàn)先進(jìn)控制策略中面臨的幾個主要問題。題。 （1） 模型辨識的新工具模型辨識的新工具 目前，為了完成象反應(yīng)

2、器這樣的主要目前，為了完成象反應(yīng)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，這給工程技術(shù)人員帶來費數(shù)周的時間，這給工程技術(shù)人員帶來很大的工作量，迫切需要更好和更有效很大的工作量，迫切需要更好和更有效的過程動態(tài)響應(yīng)測試和能更充分利用統(tǒng)的過程動態(tài)響應(yīng)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。計信息辨識出動態(tài)模型的方法。 （2）自適應(yīng)模型預(yù)測控制自適應(yīng)模型預(yù)測控制 針對那些變增益的工業(yè)過程，如油針對那些變增益的工業(yè)過程，如油品調(diào)合和品調(diào)合和pHpH控制等過程，需要應(yīng)用自適控制等過程，需要應(yīng)用自適應(yīng)控制的思想來改進(jìn)多變量模型預(yù)測控應(yīng)控制的思想來改

3、進(jìn)多變量模型預(yù)測控制器性能，例如模型參數(shù)預(yù)測等方法的制器性能，例如模型參數(shù)預(yù)測等方法的研究和開發(fā)。研究和開發(fā)。 （3）非線性模型預(yù)測控制非線性模型預(yù)測控制 普遍應(yīng)用的模型預(yù)測控制軟件包采用的普遍應(yīng)用的模型預(yù)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)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(yù)測控制工程化軟件。切需要非線性模型預(yù)測控制工程化軟件。

4、 (4)多元統(tǒng)計監(jiān)控多元統(tǒng)計監(jiān)控 隨著計算機(jī)集成控制的廣泛應(yīng)用，大量信號隨著計算機(jī)集成控制的廣泛應(yīng)用，大量信號和控制回路的集中管理監(jiān)督和性能的評判和控制回路的集中管理監(jiān)督和性能的評判 ，已，已成為工藝操作者的主要責(zé)任，如何加強(qiáng)計算機(jī)監(jiān)成為工藝操作者的主要責(zé)任，如何加強(qiáng)計算機(jī)監(jiān)控是當(dāng)今現(xiàn)代工廠企業(yè)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的統(tǒng)計控是當(dāng)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，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(dǎo)致錯誤。然而，隨著主元分析（通常會導(dǎo)致錯誤。然而，隨著主元分析（PCAPCA）和部分最小二乘和部分最小二乘 （PLSPLS）技術(shù)的工程化應(yīng)用研究

5、技術(shù)的工程化應(yīng)用研究開發(fā)，并進(jìn)入到在線應(yīng)用階段，含開發(fā)，并進(jìn)入到在線應(yīng)用階段，含PCAPCA和和PLSPLS的多的多元統(tǒng)計監(jiān)控的應(yīng)用將會日益增多。元統(tǒng)計監(jiān)控的應(yīng)用將會日益增多。工廠自動化水平對先進(jìn)控制影響工廠自動化水平對先進(jìn)控制影響 先進(jìn)控制是在常規(guī)控制正常運行的前提下進(jìn)行的。而不同企業(yè)、不同裝置自動化水平參差不齊，這給先進(jìn)控制的工程應(yīng)用帶來了較大的困難，即使實施了先進(jìn)控制，有時也難以長周期地運行。 中國石油化工企業(yè)的常規(guī)控制投用率都不是太高，個別生產(chǎn)裝置只有 3 5%，大致有以下幾方面的原因：v常規(guī)控制設(shè)計不盡合理，難以投用。特別是串級和分級等復(fù)雜控制，投用率更低。v常規(guī)控制的PID參數(shù)整定

6、不合適。v操作工習(xí)慣手動調(diào)節(jié)，操作工感覺手動調(diào)節(jié)直接開閉調(diào)節(jié)閥更安全可靠。v工藝、設(shè)備條件制約先進(jìn)控制的應(yīng)用。工藝、設(shè)備條件制約先進(jìn)控制的應(yīng)用。v企業(yè)配合，先進(jìn)控制工程應(yīng)用過程本身企業(yè)配合，先進(jìn)控制工程應(yīng)用過程本身就是一個系統(tǒng)工程。項目進(jìn)行前期，要就是一個系統(tǒng)工程。項目進(jìn)行前期，要有儀表、計算機(jī)方面的配合；項目進(jìn)行有儀表、計算機(jī)方面的配合；項目進(jìn)行后期，主要是工藝方面的配合；先進(jìn)控后期，主要是工藝方面的配合；先進(jìn)控制系統(tǒng)試運行期間，需要儀表、計算機(jī)、制系統(tǒng)試運行期間，需要儀表、計算機(jī)、工藝、生產(chǎn)調(diào)度、計量、化驗分析和在工藝、生產(chǎn)調(diào)度、計量、化驗分析和在線分析等各方面配合和協(xié)調(diào)。線分析等各方面配

7、合和協(xié)調(diào)。2 yu143未來未來過去過去k 時刻時刻 1控制策略控制策略 2控制策略控制策略 3對應(yīng)于控制對應(yīng)于控制 策略策略的輸出的輸出 4對應(yīng)于控制策略對應(yīng)于控制策略的輸出的輸出uuyryryk時刻優(yōu)化時刻優(yōu)化213yk+1時刻優(yōu)化時刻優(yōu)化213k+1kt/T1參考軌跡參考軌跡yr (虛線虛線)2最優(yōu)預(yù)測輸出最優(yōu)預(yù)測輸出y(實線實線)3最優(yōu)控制作用最優(yōu)控制作用uyukk+141231k時刻的預(yù)測輸出時刻的預(yù)測輸出2k時刻實際輸出時刻實際輸出 3預(yù)測誤差預(yù)測誤差4k時刻校正后的預(yù)測輸出時刻校正后的預(yù)測輸出t/T)( aaN模型截斷模型截斷y0123a3a2 a1 NN-1aNaN-1t/Tm

8、in ( ) () (/ )()J kq w k iyk i kr u kjiMjjMiP 22111 kkykyke/1111kky/11 設(shè)置控制初值設(shè)置控制初值 u0u 檢測實際輸出檢測實際輸出 y0,并設(shè)置預(yù)測并設(shè)置預(yù)測 初值初值 y0y(i), i=1,2, N 計算控制量并輸出計算控制量并輸出 u + u u 計算輸出預(yù)測值計算輸出預(yù)測值 y(i)+aiu i=1,2, N 計算控制增量計算控制增量 返回返回 入口入口uiywdPii1)( 檢測實際輸出檢測實際輸出 y , 并計算誤差并計算誤差 y y(1) e 計算控制量并輸出計算控制量并輸出 u + u u 計算輸出預(yù)測值計算

9、輸出預(yù)測值 +aiu , i=1,2, N 計算控制增量計算控制增量 返回返回 入口入口 預(yù)測值校正預(yù)測值校正 , i=1,2, N 移位設(shè)置該時刻預(yù)測初值移位設(shè)置該時刻預(yù)測初值 , i=1,2, N1uiywdPii1)( ( iy iyehiyi iy 1iy iy iy 1kugyTMM，Setpoint、DMC、Speedup、Adersa、Simoon、Treiber Control等專門從事實時等專門從事實時控制與優(yōu)化的軟件公司?？刂婆c優(yōu)化的軟件公司。在在1996年，著名年，著名的的Setpoint公司和公司和DMC公公司先后被司先后被Aspentech公司收購。，在上百家公司收購

10、。，在上百家大型石化、化工、煉油、鋼鐵等企業(yè)應(yīng)用成大型石化、化工、煉油、鋼鐵等企業(yè)應(yīng)用成功，取得了巨額利潤。功，取得了巨額利潤。這些這些開發(fā)出適用于實時控開發(fā)出適用于實時控制與優(yōu)化的多變量高級控制和實時在線制與優(yōu)化的多變量高級控制和實時在線優(yōu)化的商品化工程軟件，大量推向市場，優(yōu)化的商品化工程軟件，大量推向市場，在上百家大型石化、化工、煉油、鋼鐵在上百家大型石化、化工、煉油、鋼鐵等企業(yè)應(yīng)用成功，取得了巨額利潤。等企業(yè)應(yīng)用成功，取得了巨額利潤。vAspentech公司實行收購后，在過程信公司實行收購后，在過程信息管理息管理PIM、先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)方面先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)方面成為世界領(lǐng)先地位成為世界

11、領(lǐng)先地位。DMCPlus控制軟件包控制軟件包Aspentech在在兼并兼并DMC公司和公司和Setpoint公司之后推出公司之后推出的，主要特點：的，主要特點：u過程模型辨識過程模型辨識u處理約束處理約束u經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化u能處理大型控制問題能處理大型控制問題國產(chǎn)多變量約束控制軟件包國產(chǎn)多變量約束控制軟件包MCC多變量約束控制軟件包多變量約束控制軟件包MCC功能特點：功能特點：u采用線性階躍響應(yīng)模型采用線性階躍響應(yīng)模型u采用能滿足控制指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)采用能滿足控制指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化：根據(jù)優(yōu)先級的不同處理多目標(biāo)問題。在化：根據(jù)優(yōu)先級的不同處理多目標(biāo)問題。在線調(diào)整優(yōu)先級，當(dāng)

12、出現(xiàn)沖突時，首先保證最線調(diào)整優(yōu)先級，當(dāng)出現(xiàn)沖突時，首先保證最重要目標(biāo)的實現(xiàn)。重要目標(biāo)的實現(xiàn)。u能夠在線調(diào)整優(yōu)先級；能處理能夠在線調(diào)整優(yōu)先級；能處理CV的設(shè)定值的設(shè)定值要求和區(qū)間要求要求和區(qū)間要求多變量約束控制軟件包多變量約束控制軟件包MCC功能特點：功能特點：u采用采用QP方法求解，能夠處理各類約束方法求解，能夠處理各類約束u采用多控制模式，能處理采用多控制模式，能處理“胖胖”、“方方”、“瘦瘦”系統(tǒng)及其自動轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其自動轉(zhuǎn)化u各個各個MV和和CV都可以在線處于都可以在線處于“開開”、“關(guān)關(guān)”狀態(tài)，可在線分析系統(tǒng)可控性，防止病態(tài)系狀態(tài)，可在線分析系統(tǒng)可控性，防止病態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生統(tǒng)產(chǎn)生u可以進(jìn)行在線增益調(diào)整可以進(jìn)行在線增益調(diào)整