APC及APC的成功實(shí)施

APC及APC的成功實(shí)施1.APC理論1.1先進(jìn)控制理論所謂先進(jìn)控制技術(shù)（AdvancedProcessControl,APC）,是對(duì)那些不同于常規(guī)單回路控制，并比常規(guī)PID控制有更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱。它采用矩陣控制理論，通過(guò)裝置階躍測(cè)試，收集大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型辨識(shí)，建立多個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)模型，將被控對(duì)象作為一個(gè)整體來(lái)處理，然后在比例一積分一微分（PID）單回路控制之上建立一個(gè)或幾個(gè)大的控制器，同時(shí)兼顧到多個(gè)變量之間相互變化的能力和設(shè)備能力，經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)、優(yōu)化出調(diào)節(jié)量后在線傳輸?shù)絇ID控制器的設(shè)定點(diǎn)上，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。先進(jìn)控制最具有代表性的技術(shù)是“多變量預(yù)估控制”，它與常規(guī)控制有明顯的不同：它是對(duì)被控對(duì)象（如反應(yīng)器等）進(jìn)行多變量控制而不是單回路控制，而且被控變量也由傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備負(fù)荷，大大提高了整個(gè)裝置的平穩(wěn)性，為卡邊操作、挖掘效益創(chuàng)造了條件；石油化工生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，建立精確數(shù)學(xué)模型非常困難，而應(yīng)用預(yù)估控制技術(shù)則降低了對(duì)數(shù)學(xué)模型精度的要求。1.2模型預(yù)估控制預(yù)估控制或稱為模型預(yù)估控制（MPC）是成功應(yīng)用于工業(yè)控制中的先進(jìn)控制方法之一。目前基于此技術(shù)的先進(jìn)控制產(chǎn)品有：RMPCT：美國(guó)Honeywell公司HiSPECSolution的魯棒性多變量預(yù)估控制技術(shù)RMPCT（RobustMultivariablePredictiveControlTechnology）在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早。最近，Honeywell公司對(duì)其RMPCT進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)，第2代多變量預(yù)估控制系統(tǒng)Profit控制器功能更加完善，操作更加方便，并且在國(guó)內(nèi)多套催化裂化裝置和常減壓裝置上得到應(yīng)用。

DMCplus：美國(guó)AspenTech公司多變量預(yù)估控制技術(shù)產(chǎn)品DMCplus(DynamicMatrixControlplus)在世界范圍內(nèi)得了廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)多套催化裂化裝置及其它裝置上都有成功應(yīng)用的實(shí)例。1.3預(yù)估控制的基本原理總的說(shuō)來(lái)，預(yù)估控制屬于一種基于模型的多變量算法控制，也稱之為模型預(yù)估控制。它的基本原理可以從預(yù)估控制算法的三個(gè)要素——模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正中體現(xiàn)出來(lái)，這三個(gè)要素也是預(yù)測(cè)控制區(qū)別于其他控制方法的基本特征，同時(shí)也是預(yù)測(cè)控制在實(shí)際工程應(yīng)用中取得成功的技術(shù)關(guān)鍵。1.3.1模型預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預(yù)測(cè)模型。對(duì)于預(yù)測(cè)控制來(lái)講，只注重模型的功能，而不注重模型的形式。預(yù)測(cè)模型的功能就是根據(jù)對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入，預(yù)測(cè)其未來(lái)輸出。從方法的角度講，只要是具有預(yù)測(cè)功能的信息集合，無(wú)論其有什么樣的表現(xiàn)形式，均可作為預(yù)測(cè)模型。因此，狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型都可以作為預(yù)測(cè)模型。對(duì)于線性穩(wěn)定對(duì)象，甚至階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型，也可直接作為預(yù)測(cè)模型使用。此外，非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)的模型，只要具備上述功能，也可在這類系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制時(shí)作為預(yù)測(cè)模型使用。因此，預(yù)測(cè)控制打破了傳統(tǒng)控制中對(duì)模型結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求，更著眼于在信息的基礎(chǔ)上根據(jù)功能要求按最方便的途徑建立模型。1.3.2實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測(cè)控制的最主要特征是在線優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制的這種優(yōu)化控制算法是通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來(lái)確定未來(lái)的控制作用的。這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來(lái)的行為，例如，通?？扇?duì)象輸出在未來(lái)的采樣點(diǎn)上跟蹤某一期望軌跡的方差最小。但也可取更廣泛的形式，例如，要求控制能量為最小，而同時(shí)保持輸出在某一給定范圍內(nèi)等。性能指標(biāo)中涉及到的系統(tǒng)未來(lái)的行為，是根據(jù)預(yù)測(cè)模型由未來(lái)的控制策略決定的。但是，預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化與通常的離散最優(yōu)控制算法有很大的差別。這主要表現(xiàn)在預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化不是采用一個(gè)不變的全局優(yōu)化目標(biāo)，而是采用滾動(dòng)式的優(yōu)化時(shí)段的優(yōu)化策略。在每一采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及到未來(lái)有限的時(shí)間，而到下一采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段同時(shí)向前推移。因此，預(yù)測(cè)控制在每一時(shí)刻有一個(gè)相對(duì)于該時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)。不同時(shí)刻優(yōu)化性能指標(biāo)的相對(duì)形式是相同的，但其絕

對(duì)形式，即所包含的時(shí)間區(qū)域，則是不同的。因此，在預(yù)測(cè)控制中，優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行的，這就是滾動(dòng)優(yōu)化的含義，也是預(yù)測(cè)控制區(qū)別于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本特點(diǎn)。這種有限時(shí)段優(yōu)化目標(biāo)的局限性是其在理想情況下只能得到全局的次優(yōu)解，但優(yōu)化的滾動(dòng)實(shí)施卻能顧及由于模型失配、時(shí)變、干擾等引起的不確定性，及時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)，始終把新的優(yōu)化建立在實(shí)際的基礎(chǔ)上，使控制保持實(shí)際上的最優(yōu)。對(duì)于實(shí)際的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，模型失配、時(shí)變、干擾等引起的不確定性是不可避免的，因此建立在有限時(shí)段上的滾動(dòng)優(yōu)化策略反而更加有效。1.3.3反饋校正由于實(shí)際系統(tǒng)中存在的非線性、時(shí)變、模型失配、干擾等因素，基于不變模型的預(yù)測(cè)不可能和實(shí)際情況完全相符，這就需要用附加的預(yù)測(cè)手段補(bǔ)充模型預(yù)測(cè)的不足，或者對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行在線修正。滾動(dòng)優(yōu)化只有建立在反饋校正的基礎(chǔ)上，才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。因此，預(yù)測(cè)控制算法在通過(guò)優(yōu)化確定了一系列未來(lái)的控制作用后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對(duì)理想狀態(tài)的偏離，并不是把這些控制作用逐一全部實(shí)施，而只是實(shí)現(xiàn)本時(shí)刻的控制作用。到下一采樣時(shí)刻，則首先監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)際輸出，并利用這一實(shí)時(shí)信息對(duì)于基于模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。反饋校正的形式是多樣的，可以在保持預(yù)測(cè)模型不變的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)的誤差作出預(yù)測(cè)并加以補(bǔ)償，也可以根據(jù)在線辨識(shí)的原理直接修改預(yù)測(cè)模型。無(wú)論采取何種校正形式，預(yù)測(cè)控制都把優(yōu)化建立在系統(tǒng)實(shí)際的基礎(chǔ)上，并力圖在優(yōu)化時(shí)對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的動(dòng)態(tài)行為作出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。因此，預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化不僅基于模型，而且利用了反饋信息，因而構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制的基本特點(diǎn)是：模型預(yù)測(cè)控制算法綜合利用過(guò)去、現(xiàn)代和將來(lái)（模型預(yù)測(cè)）的信息，而傳統(tǒng)算法，如PID等，卻只利用過(guò)去和現(xiàn)在的信息。對(duì)模型要求低，現(xiàn)代控制理論之所以在過(guò)程工業(yè)中難以大規(guī)模應(yīng)用，其重要的原因之一是對(duì)模型精度要求太高，而預(yù)測(cè)控制就成功地克服了這一點(diǎn)。模型預(yù)測(cè)控制算法用滾動(dòng)優(yōu)化取代全局一次優(yōu)化，每個(gè)控制周期不斷進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，不僅在時(shí)間上滿足了實(shí)時(shí)性的要求，而且突破了傳統(tǒng)全局一次優(yōu)化的局限，把穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)優(yōu)化相結(jié)合。用多變量的控制思想取代傳統(tǒng)控制手段的單變量控制。因此，在應(yīng)用于多變量問(wèn)題時(shí)，預(yù)測(cè)控

制也常常稱為多變量預(yù)測(cè)控制。最為重要的是，能有效處理約束問(wèn)題。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，往往希望將生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)定狀態(tài)推向設(shè)備及工藝條件的邊界上（安全邊界、設(shè)備能力邊界、工藝條件邊界等）運(yùn)行，這種運(yùn)行狀態(tài)常會(huì)產(chǎn)生使操作變量飽和，使被控變量超出約束的問(wèn)題。所以能夠處理多目標(biāo)、具有約束控制能力就成為使控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)周期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。1.4AspenTech的多變量預(yù)估控制DMCplusAspenTech的多變量預(yù)估控制DMCplus采用的是動(dòng)態(tài)矩陣控制（DynamicMatrixControl）。其控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。圖1DMCplus控制器結(jié)構(gòu)AspenTech公司的先進(jìn)控制軟件DMCplus動(dòng)態(tài)矩陣控制器是一種利用模型預(yù)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的集前饋、反饋和優(yōu)化于一體的先進(jìn)控制控制器，包括預(yù)測(cè)、優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制三大模塊，適用于對(duì)具有強(qiáng)烈耦合關(guān)系、存在眾多約束競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜多變量過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制。DMCplus控制器用過(guò)程變量間交互作用的動(dòng)態(tài)模型，克服擾動(dòng)，預(yù)測(cè)未來(lái)動(dòng)態(tài)，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的偏差減小。更重要的是，DMCplus用線性規(guī)劃（LP）為優(yōu)化基礎(chǔ)，是控制器及時(shí)獲得在當(dāng)前約束條件下取得最佳經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)工況，它的動(dòng)態(tài)加權(quán)能力有效地針對(duì)過(guò)程的約束條件不斷地進(jìn)行調(diào)整，確保嚴(yán)格控制和優(yōu)化操作。

在DMCplus中引入了自變量和因變量的概念。所謂自變量是指其值不受過(guò)程中任何其他變量的影響，它包含操縱變量(MVs)和干擾變量(DVs)兩種類型。所謂因變量是指該變量的動(dòng)態(tài)性能可以依據(jù)一定時(shí)間內(nèi)某個(gè)特定自變量的變化來(lái)描述，受控變量(CVs)是因變量。許多變量是因變量，但由于其重要性不夠，不足以確定為受控變量。一個(gè)自變量(設(shè)定點(diǎn))的變化影響幾個(gè)受控或受約束變量。DMCplus可以應(yīng)對(duì)所有受控變量變化的影響并找出好的解決方案，使用動(dòng)態(tài)模型來(lái)預(yù)估受控變量的變化。DMCplus控制器考慮了所有的約束并試圖找出一個(gè)控制策略來(lái)滿足所有過(guò)程和操作約束，這些約束包括MVs的上、下限和變化速率，CVs的上、下限等。動(dòng)態(tài)方面要達(dá)到：最小的CV誤差、最小的MV變化、追尋動(dòng)態(tài)優(yōu)化路徑達(dá)到穩(wěn)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)。穩(wěn)態(tài)方面：獲取最大的效益、可靠的魯棒控制。2.燕山石化先進(jìn)控制應(yīng)用情況在經(jīng)歷了初期探索階段后，2002年開(kāi)始，燕山石化先進(jìn)控制工作漸入正軌，統(tǒng)一平臺(tái)，采用ASPEN技術(shù)，先后對(duì)HDPE裝置、第三聚丙烯裝置、乙烯裝置實(shí)施了先進(jìn)控制，其中乙烯裝置實(shí)現(xiàn)了裂解爐APC模型的投運(yùn)，運(yùn)行狀況平穩(wěn)，在線率高，通過(guò)直觀控制裂解深度，使得裂解反應(yīng)的操作條件、產(chǎn)物組成更加穩(wěn)定，同時(shí)降低了操作人員的工作強(qiáng)度。HDPE裝置受牌號(hào)頻繁切換和開(kāi)停車次數(shù)過(guò)多的影響，APC投用率為64%,但絕大多數(shù)關(guān)鍵被控變量和操作變量投用率達(dá)到100%。第三聚丙烯裝置在9月份進(jìn)行模型控制參數(shù)調(diào)整后，控制器一直投用，投用率在90%以上，而且控制效果較好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，節(jié)省了人工操作成本。3.APC成功實(shí)施的要點(diǎn)3.1選取適當(dāng)?shù)膶?shí)施裝置因?yàn)橄冗M(jìn)控制的技術(shù)難度大、投資費(fèi)用高、實(shí)施周期長(zhǎng)，實(shí)施期間對(duì)正常工況也存在一定的影響，其效益增長(zhǎng)點(diǎn)又基于卡邊操作，因此篩選適當(dāng)?shù)膶?shí)施對(duì)象對(duì)先進(jìn)控制實(shí)施的成功與否十分重要。從裝置規(guī)模、處理量上講，太小規(guī)模的裝置建議不要上；從工藝、設(shè)備、儀表?xiàng)l件上講，基礎(chǔ)條件差，在完成改造之前建議不要上；從生產(chǎn)平穩(wěn)、操作難度、強(qiáng)度上講，生產(chǎn)平穩(wěn)、操作難度小、操作強(qiáng)度低的建議不要上。3.2改進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化基礎(chǔ)控制項(xiàng)目實(shí)施的第一步是對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和常規(guī)控制進(jìn)行全面測(cè)試和優(yōu)化?，F(xiàn)場(chǎng)一次儀表的運(yùn)行狀況對(duì)先進(jìn)控制系統(tǒng)的控制效果至關(guān)重要，所以實(shí)施先進(jìn)控制之前，企業(yè)應(yīng)首先了解設(shè)備和儀表狀況，更換添置必需的儀表，增加必要的分析設(shè)備，提高分析質(zhì)量,花大力氣提高設(shè)備運(yùn)行水平。需的儀表，增加必要的分析設(shè)備，提高分析質(zhì)量,花大力氣提高設(shè)備運(yùn)行水平。同時(shí)，應(yīng)特別注重常規(guī)控制回路自動(dòng)投運(yùn)工作，在常規(guī)控制器的P、I、D參數(shù)沒(méi)有調(diào)整好的情況下就開(kāi)始做階躍測(cè)試和建模工作，所建立起來(lái)的模型就會(huì)變得不準(zhǔn)確，APC的控制器也將投不上。所以常規(guī)控制回路需調(diào)節(jié)靈敏、控制偏差小、以滿足先進(jìn)控制的要求。圖2PID常規(guī)控制3.3軟儀表的開(kāi)發(fā)先進(jìn)控制的目標(biāo)多為一些產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用效果在一定程度上取決于質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性。先進(jìn)控制中，一些需要控制的過(guò)程變量，如聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量、精餾塔的塔頂和塔底產(chǎn)品某些組分的干點(diǎn)等（如噴氣燃料干點(diǎn)、汽油干點(diǎn)、柴油傾點(diǎn)），要么在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以直接測(cè)量，要么在線分析儀表的滯后太大，此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)直接質(zhì)量閉環(huán)控制而出現(xiàn)了工藝計(jì)算技術(shù)即軟儀表測(cè)量技術(shù)。軟儀表測(cè)量技術(shù)是通過(guò)被測(cè)參數(shù)與影響該參數(shù)的其他操作參數(shù)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)的。軟儀表測(cè)量一般計(jì)算速度較快，但由于外在因素（如原油性質(zhì)）的變化，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。如果在線質(zhì)量?jī)x表不是很完善，也只有靠軟儀表計(jì)算然后再通過(guò)化驗(yàn)數(shù)據(jù)校正的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制的質(zhì)量控制和卡邊控制，但實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性都不是很理想。從實(shí)施經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，軟儀表質(zhì)量計(jì)算不準(zhǔn)確是影響APC上線率的一個(gè)主要原因。目前軟儀表計(jì)算方法很多，但都存在一定的局限性。3.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)?確定實(shí)施范圍和目標(biāo)

?確定控制策略?確定控制個(gè)數(shù)：盡可能地設(shè)計(jì)小規(guī)模的控制器，來(lái)滿足獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的需要。因?yàn)榭刂破饕?guī)模越大，被控制的重要變量發(fā)生故障的可能性越大。必要是，可以使用“子控制器系統(tǒng)”的方法。?歷史數(shù)據(jù)收集與分析：在做階躍測(cè)試的時(shí)候，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)收集嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對(duì)可能存在問(wèn)題的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)校正，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。?建立模型：要求工程實(shí)施人員要對(duì)工藝進(jìn)行深入了解，才能根據(jù)收集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模工作。模型應(yīng)該是根據(jù)工藝特點(diǎn)一個(gè)一個(gè)進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況是否良好，不能只是憑感覺(jué)來(lái)判斷，造成與實(shí)際不相符等重大錯(cuò)誤。?爭(zhēng)取工藝技術(shù)人員和操作人員的共識(shí)。工藝技術(shù)人員是車間裝置操作優(yōu)化方案的參謀，如果他們充分理解了先進(jìn)控制的理念，制定出合理的調(diào)整策略指導(dǎo)操作，將對(duì)先進(jìn)控制是否能夠真正發(fā)揮作用具有決定性的影響。加強(qiáng)與操作人員的溝通，讓其理解先進(jìn)控制的理念，使其在日常根據(jù)生產(chǎn)指令、生產(chǎn)方案執(zhí)行操作，在確保裝置平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，較快領(lǐng)會(huì)并接受技術(shù)人員制定的生產(chǎn)策略，精心地把先進(jìn)控制系統(tǒng)作為穩(wěn)定裝置操作、提高產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)有利工具，否則，操作人員就把某些約束指標(biāo)放得過(guò)寬，控制變量放得過(guò)窄，控制器的投用率雖然很高，但先進(jìn)控制的投用效果顯現(xiàn)不出來(lái)。3.5系統(tǒng)維護(hù)先進(jìn)控制帶來(lái)的效益增長(zhǎng)是有周期性的，一般來(lái)說(shuō)，APC投用初期是效益突增期，運(yùn)行四年后，基本上效益增長(zhǎng)就開(kāi)始走下坡路了。這時(shí)，就需要加強(qiáng)對(duì)APC