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　　當前先進控制與優化控制軟件的二次開發量較大，從設計，測試，仿真研究，到實際工業裝置投運周期較長。為此今后應開發一些二次開發量較少的先進控制與優化控制軟件，以適應市場需要。同時，還將進一步開發魯棒性強，適應性寬(操作條件、原料性質等)，性能價格比優的商品化先進控制與優化控制軟件，適應國內大中型企業需要。

　　流程工業過程是一個復雜的工業過程，具有大量的不確定性、非線性、多變量耦合、大滯后和狀態不完全性等特點。因而，流程工業過程的控制系統的設計存在著極大的困難，而傳統的PID控制算法則難以滿足其控制質量與效益要求。隨著現代計算機技術、人工智能、網絡技術以及優化技術的發展，先進控制技術(APC——AdvancedProcessControl)在流程工業過程中得到了應用，并取得了成功，極大地促進了流程工業的生產操作水平的提高，并有效地實現了節能減排。全世界投用的APC已有數千項，APC的投入產出效益已被公認，一般投資回報率為10美元／1美元，優化技術的經濟效益更大，投資償還期不到1年。本文對先進控制技術在流程工業過程中的應用現狀進行闡述，并對應用案例及其發展前景進行了概略地介紹。

　　APC技術——企業增產增效的“加速器”

　　20世紀70年代以來，隨著計算機技術的廣泛應用，自動控制技術有了很大的發展，先進過程控制應運而生。先進控制內容豐富、涵蓋面廣，包括自適應控制、魯棒控制、預測控制、智能控制和軟測量技術等。先進控制技術是對那些不同于常規單回路控制，并比常規PID控制有更好控制效果的控制策略的統稱。

　　在復雜工業生產過程中，一個良好的控制系統不但要保護系統的穩定性和整個生產的安全，滿足一定約束條件，而且應該帶來一定的經濟效益和社會效益。然而設計這樣的控制系統會遇到許多困難，特別是復雜工業過程往往具有不確定性(環境結構和參數的未知性、時變性、隨機性、突變性)、非線性、變量間的關聯性以及信息的不完全性和大純滯后性等，要想獲得精確的數學模型十分困難。現代復雜的工業生產過程，通過實施先進控制，可以大大提高工業生產過程操作和控制的穩定性，改善工業生產過程的動態性能，減少關鍵變量的運行波動幅度，使其更接近于優化目標值，從而將工業生產過程推向更接近裝置約束邊界條件下運行，最終達到增強工業生產過程的穩定性和安全性，保證產品質量的均勻性，提高目標產品的收率，提高生產裝置的處理能力，降低生產過程運行成本以及減少環境污染等目的。

　　近年來，先進控制技術在流程工業過程中不斷地推廣應用，取得良好的效果。目前國內以石油化工行業為代表的各大企業紛紛啟用先進控制技術。憑借改善過程動態控制的性能、減少過程變量的波動幅度、使生產裝置在接近其約束邊界的條件下運行(卡邊操作)等優勢，先進控制技術在石油化工、電力等行業獲得廣泛應用，大量工業裝置在已有DCS的基礎上配備了先進控制系統，大規模的模型預估控制和用于優化的非線性預估控制技術得到極大完善。由于先進控制軟件包可以為企業帶來可觀的經濟效益，我國已引進IDCOM-M、SMCA、DMCplus等先進控制軟件，并已投入使用。另外，HoneywellProfimatics公司已經與中國石化總公司合作，在石化行業推廣他們的RMPCT軟件，部分已投入使用。在國內，越來越多的石油化工企業也開始嘗試先進控制的運用，如茂名、揚子、濟南等煉油廠已經應用了先進控制技術，并且都實現了良好的應用效果與經濟效益。但是，我們也不能回避一些先進控制在應用中實際存在的問題。

　　目前先進控制技術不但在理論上不斷推出新的成果,而且在實際生產應用中也取得了令人矚目的成績。現在國內外已有很多優秀的產品供選擇：如Honeywell高技術執行部的PC(ProfitController)；ABB代理的STAR；橫河代理的SMOC；FOXBORO的Connoisseur；ASPEN的DMC、浙江中控的APC-Adcon等。目前，世界上先進的石化企業絕大多數生產裝置都采用了先進控制技術，據ARC調查的數據顯示，美國的普及率已經達到60%以上，重點裝置更是達到了90%的比例。在某種程度上，先進控制技術更像是企業增產增效的“加速器”。先進控制技術通常是在DCS、FCS等系統的基礎上，采用多變量預測控制、智能軟測量和工藝計算等策略實現以下目標：提高裝置運行的穩定性和安全性、保證產品質量的一致性、提高目標產品收率、增加裝置處理量、降低運行成本、減少環境污染等。因此，越來越多的企業開始運用先進控制技術來實現“節能增效”，同時這些行業用戶也將先進控制技術作為提升企業競爭力的突破口。

　　幾年來的實踐證明，在我國先進控制方法的推廣工作并非一帆風順，而是遇到了不少困難和問題。盡管先進控制系統效益明顯，但國內企業先進控制建設和應用情況與國外始終存在差距。系統開發企業在開發應用過程中能夠保證系統正常運行，但同時，先進控制系統的維護者是用戶企業的信息技術人員，他們既要熟悉先進控制技術本身，同時要掌握計算機控制系統以及工藝過程等技術。因此，用戶企業自身由于缺乏足夠的技術力量，先進控制系統的長期維護問題日益明顯。

　　應當說，我國的控制理論界與工控企業界都在不同程度上在APC技術的應用研究上取得許多成功。其中，清華大學、浙江大學、上海交通大學、華東理工大學、中南大學、華北電力大學、中國石油大學、北京化工大學、北京科技大學、浙大中控公司、浙江正泰中自控制公司、和利時公司、冶金自動化研究院、北京金自天正智能公司、北京三博公司等都是該領域的佼佼者。

　　APC技術在流程工業過程中的應用

　　在化工自動化的應用

　　長期以來，我國化學工業技術水平較低，導致能耗物耗高，限制了化學工業的發展。要改變這種局面，根本的出路就是走科技進步的道路，采用先進實用的技術改造傳統產業。隨著化學工業日益朝著集成化、大型化方向發展，系統的復雜性不斷增加，表現為過程具有強耦合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大滯后性等特征，并存在著苛刻的約束條件，控制目標多元化，變量數目增多且相關性增強，在這種情況下，傳統的控制策略已不能滿足要求，必須應用先進控制。

　　例如，中國石油化工股份有限公司廣州分公司(簡稱廣州石化)在丙烯精餾塔控制中應用先進控制技術，并取得良好的效果。廣州石化于2007年開始與華東理工大學合作，應用精餾塔先進控制技術，結合廣州石化丙烯精餾塔系統的生產工藝特點，基于集散控制系統(DCS)平臺，實施了丙烯精餾塔先進控制系統改造項目。該項目在對丙烯精餾塔的實際操作性能以及先前控制方案特點進行準確有效評估的基礎上，對丙烯精餾塔的產品質量和塔釜采出中貴重組分的含量等實施先進控制技術，從而提高丙烯精餾塔的操作穩定性，減少丙烯損失，進而達到提高裝置總體效益的最終目的。

　　又如，浙江大學工業控制技術國家重點實驗室和先進控制研究所以某純堿廠碳化系統為背景，將模型預測控制軟件應用于5組共25座碳化塔中，開發了一個包含上百個被控變量、操縱變量和干擾變量的多變量預測控制器來解決該碳化系統的約束多變量控制問題。工業應用結果表明：模型預測控制軟件能夠確保碳化系統長期在最佳狀態運行，進而降低物料消耗、改善產品質量和節省操作費用，使生產效益得到優化。

　　再如，浙江新安化工集團股份公司60kt/a有機硅精餾裝置的過程控制難點，利用浙江中控軟件技術有限公司的APC-Adcon高級多變量魯棒預測控制軟件，研究開發一套先進控制系統，獲得了成功應用，并取得了預期控制效果。其關鍵產品一甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷的優等率提高到90%以上，單位產品能耗降低了8%以上。

　　大型乙烯裝置優化運行項目

　　隨著我國石油化工工業日益朝著集成化、大型化方向發展,系統的復雜性不斷增加，表現為過程具有強耦合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后性等特征，并存在著苛刻的約束條件，控制目標多元化，變量數目增多且相關性增強。在這種情況下，傳統的控制策略已不能完全滿足要求，必須應用先進控制。乙烯裝置是石化工業的核心和發展標志，盡管我國現有乙烯產能居世界第二，裝備已經國產化，但優化運行卻仍主要依靠引進技術，生產運行過程的精細化操作以及控制與優化水平與國外先進水平相比還存在差距。在諸多的先進控制技術中，多變量預測控制技術和軟測量技術目前在乙烯裝置上應用較多，并且取得了良好的經濟效益，已形成相應的商品化軟件。國內由華東理工大學與中國石油化工有限公司共同研發的大型乙烯裝置優化運行項目，開發了裂解過程工藝研究與優化、反應過程模擬與優化、10萬t裂解爐溫度控制與負荷先進優化等關鍵課題的研究。取得了很好的研究成果。

　　該項成果優化運行技術實施后，主要技術經濟指標達到或超過同類裝置國際先進水平。其中液化氣裂解技術實施后，與裂解石腦油相比，可使“三烯”總收率提高2.95%，爐子運行周期提高40%；液相烴裂解反應過程優化，能減少中壓蒸汽消耗20t/h，“雙烯”收率平均提高0.44%；10萬t裂解爐先進控制，使爐出口平均溫度和各爐管溫差控制在±1℃以內，負荷控制在±0.5%以內，“雙烯”收率平均提高0.35%；10萬t裂解爐燃燒過程優化，使爐子熱效率提高1%以上，燃料氣節省0.94%以上；急冷油減粘工藝技術，使急冷油粘度從100mm2/s降至30mm2/s，減少排污和蒸汽消耗，使乙烯能耗平均下降35.6kg標油/(噸.乙烯)；裂解氣負荷優化配置技術，使乙烯能耗下降，乙烯產能提高1.3%；碳二加氫反應過程優化，能保證反應器出口乙炔含量控制在1ppm之內，反應選擇性提高40%；乙烯精餾控制與優化，使丙烯壓縮機一段負荷降低4.24%等。

　　還如，先進控制技術在乙烯裝置分離單元與乙烯精餾塔等中的應用，提高了產量，穩定了生產過程，提高了精餾塔的分離效果，延長了反應器的運行周期，并降低了能耗，減少了生產的波動，緩解了操作人員的勞動強度，提高了裝置的自動化水平。先進控制技術已被越來越多的裝置所采用，且無需進行裝置擴容改造，便能實現提高產量、降低能耗的目標。

　　福建煉油廠化工有限公司與浙江大學合作開發催化裂化裝置先進控制系統；洛陽石油化工總廠與石油大學、洛陽石化公司共同開發催化裂化裝置；茂名石化煉油廠與石油大學聯合開發催化裂化裝置先進控制與實時優化系統；上海交通大學開發研制的多變量約束控制軟件包MCC是一個處理約束的多變量、多目標、多控制模式和基于模型預測的最優控制器，已成功應用于石家莊煉油化工股份有限公司催化裂化裝置，取得了明顯經濟效益；還有浙江大學開發APC-Hiecon，APC-PFC先進控制軟件在國內許多工業裝置得到了應等。

　　APC技術的發展前景

　　先進控制技術的發展前景如何？首先來看智能控制研究的發展趨勢。智能控制在國際上是一個發展較快的新興學科，其理論與應用研究顯示出旺盛的生命力。進一步發展將會是：

　　尋找與建立新的智能控制機理，為智能控制的進一步發展奠定穩固的理論基礎；

　　實現控制器的智能化；

　　聯合更多學科，進行集成；

　　開發更成熟的應用方法等。

　　據專家分析，模糊推理、神經網絡、遺傳算法均具有模擬人類思維的特點，因而，將三者有機地結合起來，發揮各自優勢，將是智能控制研究的主要方向。

　　其次是看先進控制應用研究的發展趨勢。進一步發展將會是：

　　智能控制在電力系統調度、發電機勵磁控制、風電場功率預測等方面的應用研究，特別是開展混雜控制理論的研究等。

　　對于帶鋼高速連續軋制控制理論的應用研究，迫切需要開展高性能嵌入式系統的研究；基于數據驅動的建模與控制方法研究等。

　　新一代現場總線控制應用研究。必須加大EPA技術(EthernetforPlantAutomation：以太網工廠自動化)的產品化和應用力度。目前，已經從傳統的現場總線向現場總線、工業以太網、工業無線方面包容和融合，并將成為控制系統未來發展的重點方向之一。

　　需求發展趨勢包括以下幾個方面：

　　適應“綠色化工”的需求

　　隨著社會和經濟的發展，“綠色化工”的概念被越來越頻繁的提到，節能降耗、綠色環保等新的準則對自動化技術也提出了更高層次的要求。傳統的自動化較少關注節能與環保問題，隨著社會和經濟的發展，綠色電廠、綠色樓宇以及綠色化工等與節能環保相關概念被提出，節能能源、減少原材料消耗以及綠色環保等新的約束對自動化技術提出了更高的要求。在“十二五”科技發展規劃的“大力培育和發展戰略性新興產業”章節里，把節能環保放在了首位。并提出：大力發展高效節能、先進環保和循環應用等關鍵技術、裝備及系統。實施半導體照明、煤炭清潔高效利用、“藍天”工程、廢物資源化等科技產業化工程。加強技術的集成和推廣應用，快速提高我國節能環保領域整體技術能力及產業競爭力。

　　新型控制理論和算法的需求

　　先進控制方法大多數都要求有相應的數學模型，而建立相應的可用的數學模型卻并不容易。從控制工程和實際應用的角度來看，研究出一類兼有現代控制理論與經典PID的優點，不依賴被控對象的數學模型，保證系統閉環穩定性，控制效果良好，算法簡單的新型控制理論和算法，是當前自動控制理論研究的一個重要課題。目前在工業過程現場，基本被控環節的控制即基礎控制所用的控制手段90%以上仍是PID控制。半個世紀的實踐證明PID控制器是一個很好的控制器，它在系統控制中功勞卓著。對一般的線性環節的控制，PID控制器使用方便，魯棒性強，效果良好。但隨著科學技術的發展，生產裝置愈來愈大型化、復雜化，而且技術水平越來越高。在生產過程中出現了非線性、時變、大時滯、強耦合等環節，而且大的干擾還經常發生。實踐證明，對付這樣的被控對象，PID調節器就顯得無能為力了。可見，研究出一類兼有現代控制理論與經典PID的優點，不依賴被控對象的數學模型，保證系統閉環穩定性，控制效果良好，算法簡單的新型控制理論和算法，是當前自動控制理論研究的一個重要課題。從控制工程和實際應用的角度來看，新的控制方法必須滿足一系列要求，即它必須有一系列的控制功能。這些功能包括：抗干擾功能、自適應功能、快速收斂功能、強制穩定功能、解耦功能克服大時滯功能等。

　　網絡化控制系統的需求

　　工業控制系統已經沿著基地式儀表控制、模擬集中控制、計算機集中控制、集散式控制、現場總線控制，發展到網絡化控制的新階段。當前，隨著工業控制系統規模的擴大、控制對象的復雜化和地理分散化、控制性能要求的提高，以及計算機技術、網絡通信技術在控制領域應用的日益廣泛深入，網絡化工業控制系統由此應運而生。

　　世界各國在加強建模理論、辨識技術、優化控制、最優控制、高級過程控制等方面進行研究，推出了從實際工業過程特點出發，尋求對模型要求不高，在線計算方便，對過程和環境的不確定性有一定適應能力的控制策略和方法，如自適應控制系統、預測控制系統、魯棒控制系統、智能控制系統等先進控制系統。對于含有大量不確定性和難于建模的復雜系統，基于知識的專家系統、模糊控制、人工神經網絡控制、學習控制和基于信息論的智能控制等應運而生，它們在許多領域都開始得到了應用，成為自動控制的前沿學科之一。由于變量間的關聯，使系統不能正常平穩運行，出現各類解耦控制系統。對于大純滯后系統自史密斯提出“預估補償器”以來，由于預估補償器對參數變化靈敏度極高，又相繼出現了各種改進預估補償方法，如觀測補償器控制方案、內?？刂?、雙控制器、達林控制箅法、純滯后對象采樣控制等，但均尚未完全真正解決，人們還在繼續努力想方設法尋求解決辦法。針對信息不完全性出現了推斷控制系統和軟測量技術。本文就目前應用較多、且取得經濟效益的預測控制、軟測量技術發展及應用作一些介紹，以推動先進控制技術的應用。在工業生產過程中，一個良好的控制系統不但要保護系統的穩定性和整個生產的安全，滿足一定約束條件，而且應該帶來一定的經濟效益和社會效益。然而設計這樣的控制系統會遇到許多困難，特別是復雜工業過程往往具有不確定性(環境結構和參數的未知性、時變性、隨機性、突變性)、非線性、變量間的關聯性以及信息的不完全性和大純滯后性等，要想獲得精確的數學模型十分困難。因此，對于過程控制系統的設計，已不能采用單一基于定量的數學模型的傳統控制理論和控制技術，必須進一步開發高級的過程控制系統，研究先進的過程控制規律，以及將現有的控制理論和方法向過程控制領域移植和改造等方面越來越受到控制界的關注。

　　今后，還要進一步開發魯棒性強，適應性寬(操作條件、原料性質等)，性價比優的商品化先進控制與優化控制軟件，適應國內大中型企業需要。當前先進控制與優化控制軟件的二次開發量較大，從設計，測試，仿真研究，到實際工業裝置投運周期較長，為此今后應開發一些二次開發量較少的先進控制與優化控制軟件，以適應市場需要。隨著人工智能的迅速發展和控制理與其他學科的交叉滲透，先進控制技術將會得到更深入的發展，應用更加廣泛，產生更大的經濟效益和社會效益。

　　我國處在工業化、信息化、城鎮化、市場化、國際化深入發展的重要時期。為了加快現代化建設的步伐，國家出臺的《高新技術產業化及其環境建設“十二五”專項規劃》提出：“十二五”時期，高新技術產業化及其環境建設的總體目標——大力培育和發展戰略性新興產業，推動傳統產業升級，加快發展現代服務業，全面提升高新技術產業競爭力，在體制機制創新和環境建設方面取得關鍵性突破。在加強關鍵核心技術研發，培育戰略性新興產業中，都有智能制造與系統控制技術等提升我國制造業創新能力的要求。因而，國家將會進一步加大對于先進控制技術的支持力度。