1.过程控制的发展与趋势(精)

“过程控制的发展与趋势”华东理工大学自动化系2010.4.24俞金寿俞金寿教授简介现任华东理工大学自动系，自动化研究所教授、博士生导师，中国自动化学会过程控制委员会副主任，中国化工学会理事，中国自动化学会技术过程的故障诊断与安全性专业委员会委员，化工自动化及仪表杂志编委会副主任，“石油化工自动化”杂志编委会副主任，过程控制工程编委。长期致力于工业过程模型化与控制，计算机优化控制，先进控制系统，控制理论及应用等教学与科研工作。先后主编和参加编写出版了《化工自动化》《高级过程控制》《过程控制工程》《工业过程模型化及控制》《新型控制系统》《化工自控工程设计》《氮肥生产自动化》《软测量技术及其在石油化工中的应用》《工业过程先进控制》《过程自动化及仪表》《工业过程先进控制技术》《信息科学与工程》等30余本著作。•《过程控制工程》《获92年全国高等院校优秀教材奖（国家级）。•《过程控制工程》(二版)2002年全国普通高校优秀教材壹等奖。•《过程控制工程》2009年评为国家精品课程。•《过程自动化及仪表》2007年上海市高校优秀教材壹等奖。•《过程自动化及仪表》(二版)获笫九届中国石油和化学工业优秀教材壹等奖。主持与参与国家攻关项目，国家自然科学基金，国家教委博点基金，中石化科研项目及有关企业科研项目等,在国内外杂志和国际学术会议上发表论文400余篇，〈工业过程微机优化控制〉、〈精馏过程建模与控制〉、〈甲醇转化过程微机控制〉、〈酮苯脱蜡计算机溶剂比优化控制系统〉、〈酮苯脱蜡装置最适处理量和脱蜡油收率优化控制〉、〈乙烯装置中丙烯精馏系统先进控制技术和控制软件〉等九项科研成果先后获国家教委、上海市、中石化科技进步奖。内容一、控制理论和工程发展二、工业过程计算机控制发展三、当前过程控制发展的一些主要特点一、控制理论和工程发展1.40-50年代经典控制理论经典控制理论以传递函数为基础,在频率域对单输入单输出(SISO)控制系统分析与设计的理论最辉煌的成果之一PID控制根轨迹Evans频率特性NyquistBode随动控制定值控制定量分析困难定性分析相当有用经典控制理论面临的挑战：多输入、多输出（MIMO）非线性，时变参数在理论工作者看来，经典控制理论的综合方法带有半经验的，试凑性质，是一些工程方法，而不属于理论综合方法在航空、航天等领域，有一些重要的控制命题，如最少燃料控制、最短时间控制等。温度-T，压力-P，流量-F，液位-L等四大参数检测与单回路控制。以基地式仪表为主进行控制，气动单元组合仪表开始应用于工业过程控制。2.60年代现代控制理论现代控制理论以状态空间方法为基础，研究多输入多输出(MIMO)控制系统分析与设计的理论现代控制理论的主要内容：最优控制最优状态估计系统辨识自适应控制┅┅以极小值原理和动态规划方法等最优控制理论为特证，而以采用卡尔曼滤波器的随机干扰下的线性二次型系统宣告了时域方法的完成。在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果。对复杂工业过程却显得无能为力,主要原因要有精确过程数学模型。建精确过程数学模型难点：•机理复杂；•非线性与分布参数；•时变性；•不确定性；•多变量之间耦合；•信息不完全性等等。IFAC----系统辨识与参数估计(1965年以来每三年一次)现代工业过程建模主要特征：•模型的层次性。系统结构为递阶结构型，为此过程建模将围绕着结构逐层进行，各层模型之间通过信息通道相互联系。•模型的多时标性。模型的各层次时标快慢亦是不同的，每一层次兼有两种状态，相对于下层快时标系统它是离散事件变量，相对于上层慢时标系统，它可视为连续时间变量。•信息的多样性。信息是语言，文字，图形，符号,图象，数字等多媒体信息集成。建模方法：机理建模；经验建模；机理建模与实验测试两者结合；智能建模（神经网络建模、知识模型、模糊模型、逻辑关系模型等）。自动化技术工具：•气动单元组合仪表大量采用，•电动单元组合仪表开始应用，•逐渐成为主流。•计算机控制-直接数字控制DDC。常用复杂控制系统例：串级、比值、均匀、前馈、选择性等得到开发与工业应用。3.七十年代开始逐步发展形成了大系统理论•70年代，由于实际工程和社会经济发展的需要，发展了大系统理论，研究规模庞大、结构复杂、相互关联、功能综合、因素众多的大系统。•大系统理论是现代控制理论和系统理论相结合，其核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制。•大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其它复杂系统仍然束手无策。•DCS在工业过程控制中应用，PLC在间歇过程、机械中应用。•以预测控制为代表先进控制系统开始应用。4.八十年代发展起来智能控制对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于精确数学模型的现代控制理论无法解决好他们的控制问题。随着空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制学界的学者开始将人工智能技术与方法应用于控制系统，逐步形成了智能控制理论--基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域开始得到了应用,成为自动控制的前沿学科之一。80年代中期以来智能控制的研究发展迅速1、1987年，电子电气工程师学会（IEEE，INSTITUTEOFELECTRICALANDELECTRONICSENGINEERS）控制系统学会与计算机学会联合召开了智能控制国际会议；2、1993年，IEEE控制系统学会内成立了IEEE智能控制专业委员会。3、很多国际学术组织，如IFAC、IASTED等都定期或不定期地举办有关智能控制的国际学术会议或研讨会。4、我国从1993年起举办了全球华人智能控制大会（现在改名为世界智能控制大会）,2006年召开第6届全球智能控制与自动化大会，收录论文3000余篇。智能控制作为一门新的学科分支，得到了普遍的承认。人工智能中有不少内容可用于控制，当前最主要的是三种形式：（1）专家系统；（2）模糊控制；（3）人工神经网络控制。它们可以单独应用，也可以与其他形式结合起来；可以用于基层控制，也可用于过程建模、操作优化、故障检测、计划调度和经营决策等不同层次。•在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。•在硬件上采用上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制。•以多变量预测控制为代表的先进控制策略和静态优化控制成功应用，取得明显经济效益以后,出现了众多先进控制和静态优化控制软件公司。二、工业过程计算机控制发展1.直接数字控制（DirectDigitalControl--DDC）70年代以前•DDC实现集中控制，代替常规控制仪表•控制算法：单回路及常用复杂控制系统•由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及2.集散控制系统（DistributedControlSystem--DCS）70--80年代•就控制策略而言，DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。•DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。3.二级计算机控制80年代以后•在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。•在硬件上采用上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制。•以多变量预测控制为代表的先进控制策略和静态优化控制成功应用，取得明显经济效益以后,出现了众多先进控制和静态优化控制软件公司。4.工业过程计算机集成控制(综合自动化系统)--90年代随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统（ComputerIntegratedProcessSystem--CIPS）。•将生产调度计划与、经营管理和决策引入计算机控制系统构成计算机集成控制（CIPS）,由五级组成：基础控制级先进控制与优化控制级计划与调度级生产经营管理级决策级•计算机集成控制（CIPS）核心是信息的获取、处理与加工。•同时，以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通讯的现场总线网络控制系统（FieldbusControlSystem--FCS）。它将对控制系统结构带来革命性变革，开辟控制系统的新纪元。三、当前过程控制发展的一些主要特点1．生产装置实施先进控制成为发展主流由于受到经典控制理论和常规控制的限制，难以处理工业过程中存在的耦合性、非线性和时变性等。随着企业提出的高柔性、高效益的要求，上述控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用以后，先进控制受到了过程工业界的关注,生产装置实施先进控制成为发展主流。C.L.Smith提出先进控制：前馈控制；串级控制；时滞补偿；解耦控制；自适应控制；著名过程控制专家D.E.Seborg提出过程控制策略分类：•第一类(传统控制策略)：PID控制；比值控制；串级控制；前馈控制。•第二类(先进控制—经典技术)：增益调整；时滞补偿；解耦控制；选择性控制。•第三类(先进控制—流行技术)：模型预测控制；统计质量控制；内模控制；自适应控制。•第四类：(先进控制—潜在技术)：最优控制；非线性控制；专家系统；模糊控制；神经网络控制。•第五类(先进控制—研究中策略)：鲁棒控制；H∞和μ综合。纯滞后补偿控制：对于大纯滞后系统自1957年史密斯提出Smith预估补偿器以来，由于Smith预估补偿器对参数变化灵敏度极高，又相继出现了各种改进Smith预估补偿方法。例如观测补偿器控制方案，纯滞后对象采样控制,内模控制IMC、达林控制等，但均尚未完全真正解决，人们还在继续努力想方设法寻求解决办法。多变量关联(解耦)系统：被控变量与操纵变量正确匹配；参数整定；减少控制回路；多变量解耦控制。•自适应控制：自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，而且随着系统行为的变化，自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适应其特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意的结果。自适应控制主要有：简单自适应控制系统；模型参考型自适应控制系统；自校正控制系统。适应控制未能在工业上进一步推广原因：适应控制是辨识与控制的结合，但两者有一个难解决的矛盾，辨识需要有持续不断的激励信号，控制却要求平稳少变；有人评价，适应控制成绩不小，问题不少，总的来说，还需要新的突破。鲁棒控制：将实际特性与数学模型在某些场合下的差别都看作不确定性。从产生不确定性原因看，可以分为两大类：•一类是对象特性的确具有不确定性，有些场合是这样，有些场合是那样，具有偶然性、随机性或不可预估性；•另一类是数学模型未能完全符合客观实际，有许多简化模型就是这样。•鲁棒控制的任务是设计一个固定控制器，使得相应的闭环系统在指定不确定性扰动作用下仍能维持预期的性能，或相应的闭环系统在保持预期的性能前提下，能允许最大的不确定性扰动。多变量预测控制：预测模型、反馈校正、滚动优化•由于预测控制的一些基本特征使其产生许多优良性质：•对数学模型要求不高且模型的型式是多样化的；•具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力；•对模型误差具有较强的鲁棒性。预测控制软件包的发展(1).第一代模型预测控制技术(2).第二代模型预测控制技术(3).第三代模型预测控制技术主要特点是：处理约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的最优控制器。在国内应用较多有：IDCOM-M，DMC，SMCA等控制软件包。(4).第四代模型预测控制技术它们的特征是：基于Windows的图形用户界面；采用多层优化，以实现不同等级目标控制；采用灵活的优化方法；直接考虑模型不确定性(鲁棒控制设计)；改进的辨识技术等。主要代表产品有DMC-pllus,RMPCT等。我国预测控制应用●国外引进部分先进控制软件包应用：我国已引进IDCOM-M、SMCA、DMCplus等先进控制软件，并已投入使用。另外，HoneywellProfimatics公司已经与中国石化总公司合作，在石化行业推广他们的RMPCT软件，部分已投入使用。催化裂化装置国内首先由齐鲁石化公司胜利炼油厂引进美国Setpoint