第三章工業(yè)過程先進控制系統(tǒng)

1、監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線1CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 工業(yè)過程控制發(fā)展工業(yè)過程控制發(fā)展n 先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 n 先進控制的核心內(nèi)容先進控制的核心內(nèi)容n 先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容n 先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益n 先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展n 基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)n 基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)3 工業(yè)過程先進控制系統(tǒng)工業(yè)過程先進控制系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線2CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線3.

2、1 工業(yè)過程控制發(fā)展工業(yè)過程控制發(fā)展 n 過程控制通常是指石油、化工、冶金、輕工、紡織、制藥、過程控制通常是指石油、化工、冶金、輕工、紡織、制藥、煤炭、建材等工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動控制，是自動化技術(shù)的煤炭、建材等工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動控制，是自動化技術(shù)的一個極其重要的方面。一個極其重要的方面。n 它的發(fā)展與生產(chǎn)過程自身的發(fā)展緊密相關(guān)，經(jīng)歷了一個由簡它的發(fā)展與生產(chǎn)過程自身的發(fā)展緊密相關(guān)，經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜、從低級到高級、局部到綜合的不斷發(fā)展過程。單到復(fù)雜、從低級到高級、局部到綜合的不斷發(fā)展過程。n 回顧工業(yè)過程控制的歷史，可以看到工業(yè)過程控制的發(fā)展與回顧工業(yè)過程控制的歷史，可以看到工業(yè)過程控制的

3、發(fā)展與控制理論、儀表儀表、計算機、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及相關(guān)學(xué)控制理論、儀表儀表、計算機、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及相關(guān)學(xué)科（例如生產(chǎn)工藝機理研究）的發(fā)展緊密相關(guān)?？疲ɡ缟a(chǎn)工藝機理研究）的發(fā)展緊密相關(guān)。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線3CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)

4、場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線工業(yè)過程控制發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：工業(yè)過程控制發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：n 二十世紀(jì)七十年代以前工業(yè)過程控制主要是二十世紀(jì)七十年代以前工業(yè)過程控制主要是以經(jīng)典控制理論以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)，以氣動、液動和電動模擬儀表為工具，一般構(gòu)成，以氣動、液動和電動模擬儀表為工具，一般構(gòu)成SISO的簡單控制系統(tǒng)，為了滿足復(fù)雜工業(yè)過程對控制的要求的簡單控制系統(tǒng)，為了滿足復(fù)雜工業(yè)過程對控制的要求，在單回路控制基礎(chǔ)上發(fā)展了多回路控制系統(tǒng)，如串級、比，在單回路控制基礎(chǔ)上發(fā)展了多回路控制系統(tǒng)，如串級、比值、均勻、前饋等控制系統(tǒng)，這類控制系統(tǒng)解決了值、均勻、前饋等控制系統(tǒng)，這類控制系

5、統(tǒng)解決了80%90%的工業(yè)過程控制問題，這階段稱為工業(yè)過程控制發(fā)展的第一的工業(yè)過程控制問題，這階段稱為工業(yè)過程控制發(fā)展的第一階段。階段。n 二十世紀(jì)七十年代至二十世紀(jì)八十年代隨著工業(yè)過程生產(chǎn)向二十世紀(jì)七十年代至二十世紀(jì)八十年代隨著工業(yè)過程生產(chǎn)向大型化、連續(xù)化發(fā)展，簡單的控制系統(tǒng)難以滿足苛刻的約束大型化、連續(xù)化發(fā)展，簡單的控制系統(tǒng)難以滿足苛刻的約束條件和高質(zhì)量的控制要求，因而也難以獲取顯著的經(jīng)濟效益條件和高質(zhì)量的控制要求，因而也難以獲取顯著的經(jīng)濟效益。在這種情況下。在這種情況下先進控制系統(tǒng)先進控制系統(tǒng)得以產(chǎn)生和發(fā)展，進入了工業(yè)得以產(chǎn)生和發(fā)展，進入了工業(yè)過程控制發(fā)展的第二階段。過程控制發(fā)展的第二階

6、段。n 二十世紀(jì)九十年代以來通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動了二十世紀(jì)九十年代以來通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動了IT信息產(chǎn)業(yè)迅信息產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，猛發(fā)展，IT產(chǎn)業(yè)促使工業(yè)過程控制發(fā)展進入了產(chǎn)業(yè)促使工業(yè)過程控制發(fā)展進入了綜合自動化（綜合自動化（CIMS/CIPS）這樣一個發(fā)展階段，這階段稱為過程控制發(fā)展這樣一個發(fā)展階段，這階段稱為過程控制發(fā)展的第三階段。的第三階段。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模

7、型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線4CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 在二十世紀(jì)七十年代至二十世紀(jì)八十年代，由于計算機技術(shù)在二十世紀(jì)七十年代至二十世紀(jì)八十年代，由于計算機技術(shù)的大力發(fā)展，出現(xiàn)了集散式計算機控制系統(tǒng)（的大力發(fā)展，出現(xiàn)了集散式計算機控制系統(tǒng)（DCS）。）。n DCS系統(tǒng)取代了模擬控制儀表，既可實現(xiàn)集中管理，又可實系統(tǒng)取代了模擬控制儀表，既可實現(xiàn)集中管理，又可實現(xiàn)分散控制，靈活性大，系統(tǒng)安裝工程量小，可靠性高，已現(xiàn)分散控制，靈活性大，系統(tǒng)安裝工程量小，可靠性高，已廣泛應(yīng)用于煉油化工、

8、煤炭洗選加工與運輸、水泥建材工業(yè)廣泛應(yīng)用于煉油化工、煤炭洗選加工與運輸、水泥建材工業(yè)、輕工業(yè)等過程控制。、輕工業(yè)等過程控制。n 工業(yè)過程控制的發(fā)展可以用圖工業(yè)過程控制的發(fā)展可以用圖3-1來描述。來描述。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線5CUMTCUMT監(jiān)控系

9、統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 我國在二十世紀(jì)七十年代末開始從國外引進我國在二十世紀(jì)七十年代末開始從國外引進DCS系統(tǒng)，并于二系統(tǒng)，并于二十世紀(jì)九十年代逐漸普及十世紀(jì)九十年代逐漸普及DCS系統(tǒng)，而且具有自己生產(chǎn)中小規(guī)系統(tǒng)，而且具有自己生產(chǎn)中小規(guī)模模DCS系統(tǒng)的能力，出現(xiàn)了國產(chǎn)系統(tǒng)的能力，出現(xiàn)了國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的民族品牌，如北京系統(tǒng)的民族品牌，如北京和利時的和利時的HS-2000、浙江大學(xué)的、浙江大學(xué)的JX-300等等DCS系統(tǒng)產(chǎn)品。系統(tǒng)產(chǎn)品。n 但與國外但與國外DCS系統(tǒng)相比，我國過程工業(yè)的系統(tǒng)相比，我國過程工業(yè)的DCS系統(tǒng)應(yīng)用水平較系統(tǒng)應(yīng)用水平較低。低。例如國外在先進石油化工企業(yè)已普遍采用例

10、如國外在先進石油化工企業(yè)已普遍采用DCS系統(tǒng)，并實系統(tǒng)，并實現(xiàn)集中管理分散控制，取得了實效。我國石油化工企業(yè)多數(shù)的現(xiàn)集中管理分散控制，取得了實效。我國石油化工企業(yè)多數(shù)的DCS系統(tǒng)僅僅是取代常規(guī)儀表控制，用于單個裝置集中控制，系統(tǒng)僅僅是取代常規(guī)儀表控制，用于單個裝置集中控制，聯(lián)合裝置集中控制較少。聯(lián)合裝置集中控制較少。DCS系統(tǒng)的功能僅發(fā)揮了系統(tǒng)的功能僅發(fā)揮了30%左右，左右，配套應(yīng)用軟件較少。配套應(yīng)用軟件較少。n 為了克服目前為了克服目前DCS系統(tǒng)存在的系統(tǒng)存在的“高能低用高能低用”運行狀態(tài)，國際上運行狀態(tài)，國際上已經(jīng)大量應(yīng)用了先進控制技術(shù)和優(yōu)化控制來提高控制系統(tǒng)效益已經(jīng)大量應(yīng)用了先進控制技術(shù)

11、和優(yōu)化控制來提高控制系統(tǒng)效益，并有眾多公司推出了先進控制及優(yōu)化商品化工程軟件包。國，并有眾多公司推出了先進控制及優(yōu)化商品化工程軟件包。國內(nèi)石油化工等行業(yè)也認(rèn)識到先進控制技術(shù)的重要性，并有一些內(nèi)石油化工等行業(yè)也認(rèn)識到先進控制技術(shù)的重要性，并有一些單位開始了先進和優(yōu)化控制的工程化軟件包的研究與開發(fā)，已單位開始了先進和優(yōu)化控制的工程化軟件包的研究與開發(fā)，已取得了一定成果。取得了一定成果。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)

12、業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線6CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線3.2 先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 目前關(guān)于先進控制尚沒有一致公認(rèn)的嚴(yán)格定義，目前關(guān)于先進控制尚沒有一致公認(rèn)的嚴(yán)格定義，但是先進控制有兩個基本特征：但是先進控制有兩個基本特征：n 第一，先進控制以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，第一，先進控制以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，如采用如采用觀測器來預(yù)報不可測狀態(tài)或干擾，采用最優(yōu)控制觀測器來預(yù)報不可測狀態(tài)或干擾，采用最優(yōu)控制算法來確定最佳輸出等等；算法來確定最佳輸出

13、等等；n 第二，先進控制需要計算機進行大量的數(shù)據(jù)采集第二，先進控制需要計算機進行大量的數(shù)據(jù)采集處理、存儲、傳遞，進行邏輯運算。處理、存儲、傳遞，進行邏輯運算。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線7CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 總之總之

14、先進控制是對那些不同于常規(guī)單回路控制，并具有比常規(guī)先進控制是對那些不同于常規(guī)單回路控制，并具有比常規(guī)PID控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱，非專指某種特定控制算控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱，非專指某種特定控制算法。法。n 先進控制任務(wù)明確，即用來處理那些常規(guī)控制效果不理想，甚先進控制任務(wù)明確，即用來處理那些常規(guī)控制效果不理想，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程控制問題。積極開發(fā)和應(yīng)用先進控至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程控制問題。積極開發(fā)和應(yīng)用先進控制和實時優(yōu)化以提高企業(yè)經(jīng)濟效益，增強自身的競爭力是過程制和實時優(yōu)化以提高企業(yè)經(jīng)濟效益，增強自身的競爭力是過程工業(yè)控制在新世紀(jì)面臨挑戰(zhàn)的重要對策。工業(yè)控制在新世紀(jì)面臨挑

15、戰(zhàn)的重要對策。n 現(xiàn)代控制理論和人工智能幾十年來的發(fā)展，已為先進控制奠定現(xiàn)代控制理論和人工智能幾十年來的發(fā)展，已為先進控制奠定了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，而控制計算機尤其是集散控制系統(tǒng)（了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，而控制計算機尤其是集散控制系統(tǒng)（DCS）（PLC）系統(tǒng)不斷應(yīng)用與發(fā)展，以及現(xiàn)在正在迅速發(fā)展）系統(tǒng)不斷應(yīng)用與發(fā)展，以及現(xiàn)在正在迅速發(fā)展FCS、CIMS/CIPS、INTRANET/INTERNET等技術(shù)則為先進控制的等技術(shù)則為先進控制的應(yīng)用提供了強有力的硬件和軟件支持平臺。應(yīng)用提供了強有力的硬件和軟件支持平臺。n 企業(yè)的需要、控制理論和計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展是先進控制企業(yè)的需要、控制理論和計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)

16、展是先進控制（APC）發(fā)展強有力的推動力。）發(fā)展強有力的推動力。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線8CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 在過程工業(yè)界，從二十世紀(jì)四十年代開始，采用在過程工業(yè)界，從二十世紀(jì)四十年代開始，采用PID控控制規(guī)律的單

17、輸入單輸出簡單反饋控制回路已成為過程控制規(guī)律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路已成為過程控制的核心系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，主要采用制的核心系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，主要采用頻域分析方法頻域分析方法進行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計和綜合。進行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計和綜合。n 目前，目前，PID控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用DCS控控制的現(xiàn)代化過程控制系統(tǒng)中，這類回路仍占總回路數(shù)的制的現(xiàn)代化過程控制系統(tǒng)中，這類回路仍占總回路數(shù)的80%90%。這是因為。這是因為PID控制算法是對人的簡單而有控制算法是對人的簡單而有效操作方式的總結(jié)與模仿，足以維護一般工業(yè)過程的平效操作方

18、式的總結(jié)與模仿，足以維護一般工業(yè)過程的平穩(wěn)操作與運行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，工穩(wěn)操作與運行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。業(yè)界比較熟悉且容易接受。n 然而，單回路然而，單回路PID控制并不能適用于所有的過程和不同控制并不能適用于所有的過程和不同的要求。的要求。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先

19、進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線9CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 從二十世紀(jì)五十年代開始，逐漸發(fā)展了串級、比值、前饋從二十世紀(jì)五十年代開始，逐漸發(fā)展了串級、比值、前饋、均勻和、均勻和Smith預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，即當(dāng)時的先進控預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，即當(dāng)時的先進控制系統(tǒng)。在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊制系統(tǒng)。在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊的控制要求。的控制要求。n 雖然它們從理論上看仍是經(jīng)典控制理論的產(chǎn)物，但是在結(jié)雖然它們從理論上看仍是經(jīng)典控制理論的產(chǎn)物，但是在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上各有特色，目前仍在繼續(xù)不斷地

20、改進和應(yīng)用。構(gòu)和應(yīng)用上各有特色，目前仍在繼續(xù)不斷地改進和應(yīng)用。n 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%-20%的控制問題采用上述控的控制問題采用上述控制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強偶合性、制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強偶合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后等特征，并不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后等特征，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分（如：水泥工業(yè)過程中回轉(zhuǎn)窯煅燒過程爐溫程的核心部分（如：水泥工業(yè)過程中回轉(zhuǎn)窯煅燒過程爐溫度控制、重力跳汰選煤跳汰控制過程等）

21、，它們能夠直接度控制、重力跳汰選煤跳汰控制過程等），它們能夠直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)率和消耗等有關(guān)指標(biāo)。關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)率和消耗等有關(guān)指標(biāo)。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線10CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 隨著過程工業(yè)生產(chǎn)日益走

22、向大型化、集成化、連續(xù)化、復(fù)雜化隨著過程工業(yè)生產(chǎn)日益走向大型化、集成化、連續(xù)化、復(fù)雜化，對過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制的目標(biāo)已不再局，對過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制的目標(biāo)已不再局限于對某一個變量，或幾個變量的平穩(wěn)操作，而是越來越多地限于對某一個變量，或幾個變量的平穩(wěn)操作，而是越來越多地加入了加入了以經(jīng)濟效益為代表的其他控制要求以經(jīng)濟效益為代表的其他控制要求，然而傳統(tǒng)的以單變，然而傳統(tǒng)的以單變量技術(shù)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)已無法滿足這些需求。量技術(shù)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)已無法滿足這些需求。n 過程控制與經(jīng)濟效益的矛盾日趁尖銳，迫切需要一類合適的先過程控制與經(jīng)濟效益的矛盾日趁尖銳，迫切需要一類合

23、適的先進控制策略。進控制策略。n 自二十世紀(jì)五十年代末發(fā)展起來的自二十世紀(jì)五十年代末發(fā)展起來的以狀態(tài)空間方法以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)為主體的現(xiàn)代控制理論，為過程控制帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解耦控代控制理論，為過程控制帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解耦控制、自適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法，對于狀態(tài)制、自適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法，對于狀態(tài)不能直接測量的情形，也有觀測器和估計器等工具。不能直接測量的情形，也有觀測器和估計器等工具。n 然而，當(dāng)現(xiàn)代控制理論真正應(yīng)用于工業(yè)過程控制時，卻遇到了然而，當(dāng)現(xiàn)代控制理論真正應(yīng)用于工業(yè)過程控制時，卻遇到了前所未有的困難，以至產(chǎn)生它是否適用于過

24、程控制的困惑。前所未有的困難，以至產(chǎn)生它是否適用于過程控制的困惑。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線11CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 究其原因，人們發(fā)現(xiàn)，除了上述多變量控制策略自身究其原因，人們發(fā)現(xiàn)，除了上述多變量控制策略自身的不足

25、外的不足外(例如解耦控制在約束處理和控制變更時缺乏例如解耦控制在約束處理和控制變更時缺乏靈活性靈活性)，工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立其正確數(shù)學(xué)模型工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立其正確數(shù)學(xué)模型也比較困難。也比較困難。n 此外，現(xiàn)代控制理論所需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也在一定程度上此外，現(xiàn)代控制理論所需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也在一定程度上限制了它被過程控制界所熟悉和了解。限制了它被過程控制界所熟悉和了解。n 與此同時，計算機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計算機控制在與此同時，計算機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計算機控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，強大的計算能力工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，強大的計算能力可以用來求解許多過去認(rèn)為是無法求解計算的問題

26、，可以用來求解許多過去認(rèn)為是無法求解計算的問題，這一切都孕育著過程控制領(lǐng)域的新突破。這一切都孕育著過程控制領(lǐng)域的新突破。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線12CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 二十世紀(jì)八十年代前后，過程控制界兩位探索者二十

27、世紀(jì)八十年代前后，過程控制界兩位探索者J. Richalet和和C. R. Cutler報道了他們各自研究的有關(guān)解報道了他們各自研究的有關(guān)解決實時動態(tài)環(huán)境下帶約束多變量耦合系統(tǒng)控制問題決實時動態(tài)環(huán)境下帶約束多變量耦合系統(tǒng)控制問題的成果。這就是著名的的成果。這就是著名的模型預(yù)測啟發(fā)式控制模型預(yù)測啟發(fā)式控制(MPHC)和動態(tài)矩陣控制和動態(tài)矩陣控制(DMC)。n 他們的研究事實表明過程工業(yè)已開始接受現(xiàn)代控制他們的研究事實表明過程工業(yè)已開始接受現(xiàn)代控制理論概念，從而引發(fā)了預(yù)測控制在工業(yè)過程控制的理論概念，從而引發(fā)了預(yù)測控制在工業(yè)過程控制的大量應(yīng)用。大量應(yīng)用。n 整個二十世紀(jì)八十年代，出現(xiàn)了許多約束模型

28、預(yù)測整個二十世紀(jì)八十年代，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測控制的工程化軟件包。通過在模型識別、優(yōu)化算法控制的工程化軟件包。通過在模型識別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性研究等一系列工作，基于模型控制的先進控制理論研究等一系列工作，基于模型控制的先進控制理論體系已基本形成，并成為目前過程控制應(yīng)用最成功體系已基本形成，并成為目前過程控制應(yīng)用最成功，也最具有前途的先進控制策略。，也最具有前途的先進控制策略。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先

29、進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線13CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 近年來，人工智能技術(shù)取得了長足的進步，并在許多科學(xué)與工近年來，人工智能技術(shù)取得了長足的進步，并在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，專家系統(tǒng)技專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊系統(tǒng)技術(shù)術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊系統(tǒng)技術(shù)是三種最具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿κ侨N

30、最具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Φ墓ぞ?。的工具。n 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)已經(jīng)在過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測儀表和控制回已經(jīng)在過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測儀表和控制回路中獲得成功應(yīng)用。路中獲得成功應(yīng)用。n 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可為復(fù)雜非線性過程的建模提供有效的方法，進而則可為復(fù)雜非線性過程的建模提供有效的方法，進而可用于過程軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計上。可用于過程軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計上。n 模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng)不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為表達確定性和不確定性兩類混合并提煉這些經(jīng)驗使之成為知識表達確定性和不確定性兩類混合并提煉這些經(jīng)驗使之成為知識進而改善已有的

31、控制，模糊控制將是先進控制的重要內(nèi)容。進而改善已有的控制，模糊控制將是先進控制的重要內(nèi)容。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線14CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 由于許多重要的工業(yè)過程都表現(xiàn)出內(nèi)在的非線性，如：由于許多重要的工業(yè)過程都表現(xiàn)

32、出內(nèi)在的非線性，如：pH中和過程，使得那些基于線性模型的控制策略和傳統(tǒng)的中和過程，使得那些基于線性模型的控制策略和傳統(tǒng)的PID控制很難奏效?？刂坪茈y奏效。n 早期對這類問題的解決辦法有變增益控制或針對特定過程早期對這類問題的解決辦法有變增益控制或針對特定過程來設(shè)計控制系統(tǒng)。來設(shè)計控制系統(tǒng)。n 近年來，有關(guān)基于非線性模型（機理和經(jīng)驗）的控制有了近年來，有關(guān)基于非線性模型（機理和經(jīng)驗）的控制有了較大的發(fā)展。但是，非線性控制尚屬開發(fā)中的先進控制策較大的發(fā)展。但是，非線性控制尚屬開發(fā)中的先進控制策略，實際的工業(yè)應(yīng)用尚不多見。略，實際的工業(yè)應(yīng)用尚不多見。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控

33、制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線15CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 控制系統(tǒng)的魯棒性（控制系統(tǒng)的魯棒性（Robustness）是體現(xiàn)系統(tǒng)性能）是體現(xiàn)系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。的一個重要指標(biāo)。n 魯棒性反映了模型與實際過程有差別的情況下控制魯棒性反映了模型與實際過程有差別的情況下控制品質(zhì)

34、的變化情況。在經(jīng)典控制理論中，穩(wěn)定裕度可品質(zhì)的變化情況。在經(jīng)典控制理論中，穩(wěn)定裕度可反映系統(tǒng)魯棒性，反映系統(tǒng)魯棒性，當(dāng)穩(wěn)定裕度大時，控制系統(tǒng)品質(zhì)當(dāng)穩(wěn)定裕度大時，控制系統(tǒng)品質(zhì)對參數(shù)的變化不敏感，即有較好的魯棒性。對參數(shù)的變化不敏感，即有較好的魯棒性。n 現(xiàn)代控制理論則為魯棒性的分析提供了更多的方法現(xiàn)代控制理論則為魯棒性的分析提供了更多的方法，尤其是魯棒控制器設(shè)計單獨提出之后，這一領(lǐng)域，尤其是魯棒控制器設(shè)計單獨提出之后，這一領(lǐng)域研究一直是控制理論界的研究熱點并逐漸成為一個研究一直是控制理論界的研究熱點并逐漸成為一個獨立分支。獨立分支。n 事實上，魯棒控制的目的就是要設(shè)計出在所有希望事實上，魯棒控制

35、的目的就是要設(shè)計出在所有希望的操作條件下都具有良好性能的控制器，這一點符的操作條件下都具有良好性能的控制器，這一點符合過程控制的需要。合過程控制的需要。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線16CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 與其說魯棒控

36、制是一種控制策略，倒不如說它是一與其說魯棒控制是一種控制策略，倒不如說它是一種控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，它可以用于各種類型控制種控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，它可以用于各種類型控制器（包括從器（包括從PID控制到復(fù)雜的多變量控制器）的設(shè)控制到復(fù)雜的多變量控制器）的設(shè)計與整定。計與整定。n 魯棒控制之所以在過程工業(yè)中應(yīng)用甚少的主要原因魯棒控制之所以在過程工業(yè)中應(yīng)用甚少的主要原因在于其原理過于復(fù)雜，尤其是對于多變量問題。要在于其原理過于復(fù)雜，尤其是對于多變量問題。要使魯棒性成為解決任何控制問題的當(dāng)然選擇，尚需使魯棒性成為解決任何控制問題的當(dāng)然選擇，尚需做大量的改進和簡化工作。做大量的改進和簡化工作。n 應(yīng)當(dāng)看到使

37、先進控制系統(tǒng)具備應(yīng)當(dāng)看到使先進控制系統(tǒng)具備魯棒性將是今后先進魯棒性將是今后先進控制重要的發(fā)展方向?？刂浦匾陌l(fā)展方向。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線17CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 第一類第一類:傳統(tǒng)控制策略傳統(tǒng)控制策略 手動控制

38、手動控制PID控制控制比值控制比值控制串級控制串級控制前饋控制前饋控制n 第二類第二類:先進控制先進控制經(jīng)典技術(shù)經(jīng)典技術(shù) 增益調(diào)整增益調(diào)整時滯補償時滯補償解耦控制解耦控制選擇性超馳控制器選擇性超馳控制器n 第三類第三類:先進控制先進控制流行技術(shù)流行技術(shù) 模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制統(tǒng)計質(zhì)量控制統(tǒng)計質(zhì)量控制內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂谱赃m應(yīng)控制自適應(yīng)控制n 第四類第四類:先進控制先進控制潛在技術(shù)潛在技術(shù) 最優(yōu)控制最優(yōu)控制(LQG)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)非線性控制非線性控制神經(jīng)控制器神經(jīng)控制器模糊控制模糊控制n 第五類第五類:先進控制先進控制研究中的策略研究中的策略 魯棒控制，和魯棒控制，和綜合綜合工業(yè)過程控制工業(yè)過程

39、控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)著名過程控制專家著名過程控制專家D.E.Seborg將先進控制在整個過程將先進控制在整個過程控制域中的作用，總結(jié)為如下五類?？刂朴蛑械淖饔?，總結(jié)為如下五類。監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線18CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線3.3 先進控制的核心內(nèi)容先進控制

40、的核心內(nèi)容 n 作為一控制系統(tǒng)實現(xiàn)，先進控制應(yīng)包括從作為一控制系統(tǒng)實現(xiàn)，先進控制應(yīng)包括從數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)學(xué)模型建立、先進控制策略和工程實施處理、數(shù)學(xué)模型建立、先進控制策略和工程實施的的全部內(nèi)容。全部內(nèi)容。(1) 數(shù)據(jù)的采集、處理和軟測量技術(shù)數(shù)據(jù)的采集、處理和軟測量技術(shù)n 利用大量的實測信息是先進控制的優(yōu)勢所在。由于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)現(xiàn)場的過程信息通常帶有噪聲來自工業(yè)現(xiàn)場的過程信息通常帶有噪聲,數(shù)據(jù)采集時數(shù)據(jù)采集時應(yīng)作濾波處理，采集到的數(shù)據(jù)還應(yīng)進行過失誤差的應(yīng)作濾波處理，采集到的數(shù)據(jù)還應(yīng)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)理工檢測與識別

41、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(yīng)用的重要保障。作。這是先進控制應(yīng)用的重要保障。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線19CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 基于可測信息和模型、實時計算不可測量的變量，也即軟基于可測信息和模型

42、、實時計算不可測量的變量，也即軟測量技術(shù)，測量技術(shù)，是先進控制中不可缺少的內(nèi)容是先進控制中不可缺少的內(nèi)容；n 例如例如,汽油飽和蒸汽壓、粗汽油干點、輕柴油傾點、催化裂汽油飽和蒸汽壓、粗汽油干點、輕柴油傾點、催化裂化中的反應(yīng)熱、再生器的燒焦?fàn)顩r、反應(yīng)產(chǎn)品分布和催化化中的反應(yīng)熱、再生器的燒焦?fàn)顩r、反應(yīng)產(chǎn)品分布和催化劑循環(huán)量以及某些精餾塔的兩端質(zhì)量指標(biāo)估計等，這些關(guān)劑循環(huán)量以及某些精餾塔的兩端質(zhì)量指標(biāo)估計等，這些關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵變量，由于質(zhì)量測量儀表的缺乏或不系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵變量，由于質(zhì)量測量儀表的缺乏或不可靠，無法獲得實時的、可靠的在線信息，因此，可采用可靠，無法獲得實時的、可靠的在線信息，

43、因此，可采用包括工藝穩(wěn)態(tài)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型來推斷包括工藝穩(wěn)態(tài)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型來推斷估計估計 。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線20CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線（2 2）多變量動態(tài)過程模型辨識技術(shù)）多變量動

44、態(tài)過程模型辨識技術(shù)n 獲取對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是實施先進控制的基礎(chǔ)。獲取對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是實施先進控制的基礎(chǔ)。n 對于復(fù)雜工業(yè)過程，需要強有力的辨識軟件，以便在剔除一些過對于復(fù)雜工業(yè)過程，需要強有力的辨識軟件，以便在剔除一些過失虛假數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，把分段有效數(shù)據(jù)有機地組合起來，最終將失虛假數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，把分段有效數(shù)據(jù)有機地組合起來，最終將實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下進行現(xiàn)場裝置試驗的數(shù)據(jù)，獲得多輸入多輸實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下進行現(xiàn)場裝置試驗的數(shù)據(jù)，獲得多輸入多輸出（出（MIMO）動態(tài)數(shù)學(xué)模型。）動態(tài)數(shù)學(xué)模型。n 實際工業(yè)過程模型化是一項專門的技術(shù)，它涉及到過程動態(tài)學(xué)、實際工業(yè)過程模型化是一項專門的技術(shù)，它涉及

45、到過程動態(tài)學(xué)、系統(tǒng)辨識、統(tǒng)計學(xué)以及人工智能等多種知識。系統(tǒng)辨識、統(tǒng)計學(xué)以及人工智能等多種知識。n 盡管目前類似模型預(yù)測控制這樣的先進控制策略均采用工業(yè)試驗盡管目前類似模型預(yù)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，但是那些準(zhǔn)確并可靠的機理模型和智能的方法來獲取控制模型，但是那些準(zhǔn)確并可靠的機理模型和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。模型建立也有望成為有效的控制模型。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件

46、化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線21CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線（3 3）先進控制策略）先進控制策略 n 先進控制采用了合理的控制目標(biāo)和控制結(jié)構(gòu)，可更好先進控制采用了合理的控制目標(biāo)和控制結(jié)構(gòu)，可更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的需要。地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的需要。n 先進控制主要解決：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(yù)測控制與原控制回路構(gòu)成所謂的量模型預(yù)測控制與原控制回路構(gòu)

47、成所謂的“透明控制透明控制”的方式；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(yù)測控制策略；協(xié)調(diào)層的多變量預(yù)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(yù)測控制卡邊控制。涉及到的主要控制策略有：模型預(yù)測控制、推斷控制、協(xié)調(diào)控制、質(zhì)量卡邊控制、統(tǒng)計過程控、推斷控制、協(xié)調(diào)控制、質(zhì)量卡邊控制、統(tǒng)計過程控制，正在興起與開發(fā)中的模糊控制、神經(jīng)控制、非線制，正在興起與開發(fā)中的模糊控制、神經(jīng)控制、非線性控制和魯棒控制。性控制和魯棒控制。 工業(yè)過

48、程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線22CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 先進控制的主要特點在于：先進控制的主要特點在于： 與傳統(tǒng)的與傳統(tǒng)的PID控制不同，先進控制主要是基于控制不同，先進控制主要是基于模型的控制策略；模型的控制策略； 如：模型預(yù)

49、測控制和推斷控制等，這些控制如：模型預(yù)測控制和推斷控制等，這些控制策略充分利用過程的輸入輸出有關(guān)信息建立系統(tǒng)策略充分利用過程的輸入輸出有關(guān)信息建立系統(tǒng)模型，而不必依賴對反應(yīng)機理的深入研究。模型，而不必依賴對反應(yīng)機理的深入研究。 目前，基于知識的控制，如智能控制、模糊目前，基于知識的控制，如智能控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制正成為先進控制的一個重要控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制正成為先進控制的一個重要發(fā)展方向。發(fā)展方向。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制

50、技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線23CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線先進控制通常用于處理復(fù)雜的多變量過程控制問題先進控制通常用于處理復(fù)雜的多變量過程控制問題，如大時滯、多變量偶合、被控過程與控制變量存在著各種約束如大時滯、多變量偶合、被控過程與控制變量存在著各種約束等。等。n 先進控制是建立在常規(guī)單回路控制基礎(chǔ)之上的動態(tài)協(xié)調(diào)約束控先進控制是建立在常規(guī)單回路控制基礎(chǔ)之上的動態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，可使控制系統(tǒng)適應(yīng)實際工業(yè)生產(chǎn)過程動態(tài)特

51、性和操作要求制，可使控制系統(tǒng)適應(yīng)實際工業(yè)生產(chǎn)過程動態(tài)特性和操作要求。先進控制的實現(xiàn)需要較高性能的計算機作為支持平臺先進控制的實現(xiàn)需要較高性能的計算機作為支持平臺。n 由于先進控制受控制算法的復(fù)雜性和計算機硬件兩方面因素的由于先進控制受控制算法的復(fù)雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，復(fù)雜系統(tǒng)的先進控制算法通常在上位機上實施的。影響，復(fù)雜系統(tǒng)的先進控制算法通常在上位機上實施的。n 隨著隨著DCS功能的不斷增強和先進控制技術(shù)的發(fā)展，部分先進控功能的不斷增強和先進控制技術(shù)的發(fā)展，部分先進控制策略可以與基本回路一起在制策略可以與基本回路一起在DCS上實現(xiàn)。后一種方式可有效上實現(xiàn)。后一種方式可有效地增強先進

52、控制的可靠性、可操作性和可維護性。地增強先進控制的可靠性、可操作性和可維護性。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線24CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線3.4 先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容 先進控制的主要技術(shù)內(nèi)容有如下幾個方面：

53、先進控制的主要技術(shù)內(nèi)容有如下幾個方面：n 過程變量的采集與處理。過程變量的采集與處理。利用大量的實測信息是先進控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)現(xiàn)場的過程信息通常帶有制的優(yōu)勢所在。由于來自工業(yè)現(xiàn)場的過程信息通常帶有噪聲和過失誤差，因此，應(yīng)對采集到的數(shù)據(jù)進行檢驗和噪聲和過失誤差，因此，應(yīng)對采集到的數(shù)據(jù)進行檢驗和調(diào)理。調(diào)理。n 多變量動態(tài)過程模型辨識技術(shù)。多變量動態(tài)過程模型辨識技術(shù)。先進控制一般都是基于先進控制一般都是基于模型的控制策略，獲取對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是實施先進模型的控制策略，獲取對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是實施先進控制的基礎(chǔ)。對于復(fù)雜的工業(yè)過程，需要強有力的辨識控制的基礎(chǔ)。對

54、于復(fù)雜的工業(yè)過程，需要強有力的辨識軟件，從而將來自現(xiàn)場裝置試驗得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過辨識軟件，從而將來自現(xiàn)場裝置試驗得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過辨識而獲得控制用的多輸入多輸出（而獲得控制用的多輸入多輸出（MIMO）動態(tài)數(shù)學(xué)模型）動態(tài)數(shù)學(xué)模型。n 軟測量技術(shù)，工藝計算模型。軟測量技術(shù)，工藝計算模型。實際工業(yè)過程中，許多質(zhì)實際工業(yè)過程中，許多質(zhì)量變量或關(guān)鍵變量是實時不可測的，這時可通過軟測量量變量或關(guān)鍵變量是實時不可測的，這時可通過軟測量技術(shù)和工藝計算模型，利用一些相關(guān)的可測信息來進行技術(shù)和工藝計算模型，利用一些相關(guān)的可測信息來進行實時計算。實時計算。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控

55、制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線25CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線n 先進控制策略。先進控制策略。n 主要的先進控制策略有：預(yù)測控制、推斷控制、統(tǒng)計過主要的先進控制策略有：預(yù)測控制、推斷控制、統(tǒng)計過程控制、模糊控制、神經(jīng)控制、非線性控制以及魯棒控程控制、模糊控制、神經(jīng)控制、非線性控制以及魯棒控制等。

56、到目前為止，應(yīng)用非常成熟而效益極為顯著的先制等。到目前為止，應(yīng)用非常成熟而效益極為顯著的先進控制策略是多變量預(yù)測控制。進控制策略是多變量預(yù)測控制。n 其主要特點是：直接將過程的關(guān)聯(lián)性納入控制算法中，其主要特點是：直接將過程的關(guān)聯(lián)性納入控制算法中，能處理操縱變量與被控變量不相等系統(tǒng)，處理對象檢測能處理操縱變量與被控變量不相等系統(tǒng)，處理對象檢測儀表和執(zhí)行器局部失效等的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，參數(shù)整定簡儀表和執(zhí)行器局部失效等的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，參數(shù)整定簡單、綜合控制質(zhì)量高，特別適用于處理有約束、純滯后單、綜合控制質(zhì)量高，特別適用于處理有約束、純滯后、反向特性和變目標(biāo)函數(shù)等工業(yè)對象。、反向特性和變目標(biāo)函數(shù)等工業(yè)對象

57、。n 故障檢測、預(yù)報、診斷和處理。故障檢測、預(yù)報、診斷和處理。這是先進控制應(yīng)用中確這是先進控制應(yīng)用中確保系統(tǒng)可靠性的主要技術(shù)。保系統(tǒng)可靠性的主要技術(shù)。n 工程化軟件及項目開發(fā)服務(wù)。工程化軟件及項目開發(fā)服務(wù)。良好的先進控制工程化軟良好的先進控制工程化軟件包和豐富的件包和豐富的APC工程項目經(jīng)驗，是先進控制應(yīng)用成功工程項目經(jīng)驗，是先進控制應(yīng)用成功、達到預(yù)期效益的關(guān)鍵所在。、達到預(yù)期效益的關(guān)鍵所在。 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制

58、技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線26CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線3.5 先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益 n 從（從（CIPS）或（）或（CIMS）的角度來看，先進控制恰好）的角度來看，先進控制恰好處在承上啟下的重要地位（如圖處在承上啟下的重要地位（如圖3-2所示）。所示）。n 性能良好的先進控制是在線優(yōu)化得以有效實施的前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(lǐng)導(dǎo)的經(jīng)營決策、生產(chǎn)管理和調(diào)提，進而可將

59、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的經(jīng)營決策、生產(chǎn)管理和調(diào)度的有關(guān)信息及時落實到全廠生產(chǎn)裝置的實際運行度的有關(guān)信息及時落實到全廠生產(chǎn)裝置的實際運行中，并可真正實現(xiàn)全廠綜合優(yōu)化控制。中，并可真正實現(xiàn)全廠綜合優(yōu)化控制。n 先進控制是以分層方式實現(xiàn)的。先進控制給基本調(diào)先進控制是以分層方式實現(xiàn)的。先進控制給基本調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了一組協(xié)調(diào)的最佳設(shè)定值，克服了常規(guī)節(jié)系統(tǒng)提供了一組協(xié)調(diào)的最佳設(shè)定值，克服了常規(guī)單變量控制顧此失彼的本質(zhì)缺陷。單變量控制顧此失彼的本質(zhì)缺陷。n 在約束控制下，過程在安全可靠的條件下和各種操在約束控制下，過程在安全可靠的條件下和各種操作及設(shè)備的約束內(nèi)，自動實現(xiàn)作及設(shè)備的約束內(nèi)，自動實現(xiàn)“卡邊控制卡邊控制”，使目，

60、使目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量最大，操作費用最小，最大限度地提高標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量最大，操作費用最小，最大限度地提高裝置的經(jīng)濟效益。裝置的經(jīng)濟效益。工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先進控制發(fā)展 先進控制的核先進控制的核心內(nèi)容心內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)的經(jīng)濟效益的經(jīng)濟效益先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)軟件化與產(chǎn)業(yè)軟件化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展化發(fā)展基于模型先進基于模型先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)基于知識先進基于知識先進控制技術(shù)基礎(chǔ)控制技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線27CUMTCUMT監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制發(fā)展發(fā)展先進控制發(fā)展先