先进控制技术在工业控制中的应用

梁照斌

(扬州工业职业技术学院 江苏 扬州 225127)

0 引言

先进控制技术（APC）是对于目前使用越来越广泛的非常规控制电路以及控制方法的总称，一般认为先进控制技术有优于传统PID控制回路的控制效果。先进控制技术的核心主要包含模糊控制、预测控制以及自适应控制等多个方面的内容。其主要的核心思想表现为采用对多个变量的预估作为控制的核心，建立过程数学模型预测未来信号的输出状态，同时应用预测对象的实际输出值以及预测值形成误差修正模型，以此达到使系统工作于最佳状态的目的。先进控制技术一般要求能建立过程数学模型以及误差修正的数学模型，在实际的工业控制应用中建立结构简单、控制性能良好的数学模型难度较大。从控制工程的基本理论以及工程应用的角度分析，形成一种不过分依赖于数学模型，闭环控制特性良好的新型理论以及实际算法是目前工业控制领域研究的重要方向之一。

1 先进控制技术的基本内涵

先进控制技术的内涵应该包含控制对象的数据采集、控制过程的数学模型的建立、先进控制策略的应用以及控制技术的工程实际应用等方面的内容。

1.1 控制对象数据的采集、处理以及软测量技术

对于控制对象进行大量的实际测量形成较大的数据量是先进控制技术优势的一个重要表现。数据采集的准确度对于系统数学模型的建立具有重要的影响。同时在实际的工业产品生产过程中不可避免地都会收到工业环境噪声以及干扰的影响。因此滤波器的设计就显得尤为重要，同时还可以采取过失误差检测、数据有效性检验等多种信号调理方式有效改善数据的采集效果。数据的采集是先进控制系统得以实施的重要保障。在实施先进控制与优化系统时，往往需要一些很重要的变量，如产品质量指标、产品产率、化学反应深度、优化目标等，但是这些变量往往又是不可直接测量或者是虽然可以通过在线分析仪进行测量，但时间滞后很大，不能用于实时闭环控制。为了实时获得这些重要变量，并参与闭环控制和优化，就必须利用有关的可测过程变量，通过与这些有关过程变量之间的数学模型或代数函数进行计算，这就是所谓的软测量技术。

1.2 先进的控制策略

先进控制技术的第二个方面就是能够对工业控制系统采用对应的先进控制策略。为了能够满足工业生产过程中控制性能的实际需要，在控制方案上要能够制定合理的控制目标以及设计良好的控制结构。先进控制技术首先需要关注的就是重要过程变量的控制以及控制性能的改善，目前主要采取的方案是单变量模型预测控制的基本方案；约束多变量的协调控制也是先进控制技术需要解决的重要问题，目前在工业控制系统中主要应用的就是带有协调层的多变量预测策略；先进控制技术最后要解决的就是推断质量控制，在此过程中主要涉及到的关键技术包含模糊控制、鲁棒控制以及非线性控制等多种方案。

1.3 多变量动态过程模型辨识技术

实施有效的变量控制的基础是进行数据的实时动态采集，在复杂的工业控制过程系统中，尤其是数据量较大以及噪声范围很宽的场合需要强有力的数据处理软件对于采集的数据进行虚假数据的剔除以及有效数据的分组，最终可以实现将工程实践中的控制系统转换为多变量输入、多变量输出的动态数学模型。实现工程系统的数学模型化是涉及到过程动态学、人工智能、统计学原理以及系统辨识等多方面知识的综合技能，在实际的工业控制系统设计中具有极为重要的意义。

模型的建立过程中，可以使用DMC进行线性预测模型的建立。在DMC算法中，首先需要的就是进行对对象的单位阶跃响应的采样值进行测定ai=a(iT),其中T为响应值的采用周期。实际的工程控制对象都具有稳定的趋向，因此aN可以认为是阶跃响应的稳定值。因此对象的动态信息就可以应用有限的集合{a1；a2；a3…aN}来描述。由集合产生的向量就是模型参数，在K时刻就可以在假定控制对象不变的情况下对未来的N个变量进行控制预测。y1(k+ik)=y1(k+ik)+aiΔu(k)

2 先进控制技术的特点以及应用领域

先进控制技术的特点主要表现在以下几个方面，首先是与传统的PID策略不同，先进控制技术是一种基于模型的控制方案，涉及到对模型的建立以及误差的调整；先进控制技术一般都是用来对多变量、电路之间耦合较强等场合进行控制；先进控制技术一般都是建立在常见的单回路控制系统的基础之上，用来进行系统动态性能的协调控制，先进控制系统可以实现工业生产过程复杂的系统设计，满足生产系统的需求；先进控制系统由于涉及到模型的建立，因此需要进行大量的采集数据的处理分析，因此先进控制技术需要强有力的计算工具以进行支撑。

目前，先进控制技术在石油化工行业的生产以及其他工业生产控制方面发挥了重要的作用。由于先进控制技术在控制系统的动态性能调整、变量变化范围的波动控制以及卡边操作等方面的优势，在石油化工以及其他的工业过程生产控制中得到了极为广泛的应用。先进控制系统目前采用的主要方式是在传统的DCS装置上进行了先进控制技术的应用。目前先进控制系统的主要理论是进行机理建模以及采用辨识理论测试等方案进行建模两种。

3 先进控制技术存在的问题以及发展趋势

目前，先进控制技术理论以及工程应用在国内都取得了良好的效果，但是与发达国家相比。仍然存在着一定的差距。一般企业工业生产过程中所需要的控制系统都是由系统开发企业完成的，在实际的使用过程中出现故障一般都依赖于开发企业的技术人员进行调试，用户企业一般自身都缺乏先进控制系统技术的应用能力以及解决问题的能力。先进控制技术目前尚不能够完全满足闭环系统稳定性的控制要求。随着控制系统结构的复杂度逐渐提升，生产装置的的大型化以及复杂化，同时随着工业技术的快速发展，工业生产要求越来越高。

4 结论

先进控制技术对于目前的结构复杂、工作环境噪声大等情况下的工作具有重要的意义。先进控制技术主要包含控制对象数据的采集、控制模型的建立以及误差消除（减小）控制模型的建立，要能够实现性能良好的先进控制系统同时也需要具备性能优越的数据计算软件以及硬件平台。先进控制技术在理论以及工业生产过程方面的实际控制都取得了良好的经济效果以及社会效益，但是同时也存在着诸多亟待解决的现实问题，需要在今后的开发与设计中进一步进行探索，以保证先进控制技术在工业生产控制过程中发挥更大的作用。

［1］许超，陈治钢.邵惠鹤，预测控制技术及应用发展综述[J].化工自动化及仪表，2002，29（3）：1-10.

［2］张文德，李冬媛.推进自动化技术在石油化工企业的应用与发展[J].炼油设计，2000，30（2）：1-5.

［3］王立行.石油化工过程先进控制技术的现状与发展趋势[J].炼油设计，2000，30（2）：6-11.

［4］孟志光.常减压蒸馏装置先进控制的实施[J].炼油设计，2000，30（2）12-17.

［5］吴峰，孟凡东，闫遂宁.催化裂化装置在线工艺计算模型及软件的开发[J].炼油设计，2000，30（2）18-23.