先进的过程控制和实时优化

过程控制旨在最大限度地减少过程中的变化，并将其保持在指定的范围内。过程控制的主要目的是在考虑过程约束的同时，使过程保持在所需的操作条件下。必须保持安全性、环境合规性和过程可靠性;最优的过程控制帮助运营生产高质量的产品，最小化成本，并响应不断变化的业务条件。

过程控制策略可以在过程控制活动的层次结构中进行分类和组织。在图1所示的层次结构中，必需的功能位于较低的级别，而可选的功能位于较高的级别。每个活动的时间刻度也会显示出来。

测量和驱动功能(1级)是任何工业控制系统所必需的部分。测量装置测量过程变量，驱动装置实现计算的控制动作。过程控制在确保过程安全和保护人员、设备和环境方面起着关键作用(2级)。调节控制技术(3a级)确保控制变量保持在设定值附近，多变量和约束控制等先进控制技术(3b级)使过程接近限制约束。为了确定当前运行条件和约束的最优控制器设定点，采用了实时优化(级别4)。最高级别(第5级)涉及整个工厂的计划和调度操作。这些过程控制活动的成功实施是使工厂运营尽可能有利可图的关键因素。

级别1、2和3a对所有加工厂都是必需的，而级别3b、4和5中的活动是可选的，但有利可图。因此，实施后一项活动的决定是由特定公司的财务优先级和经济考虑所驱动的。对于更高级别的活动，执行的频率要低得多，每个活动的时间尺度从不足一秒增加到几天和几个月。这是由于从最低水平到最高水平的计算需求和分析时间的增加。这些活动是相互关联的，应仔细加以协调。3b级和4级侧重于过程工厂的高级过程控制和实时优化的控制功能，对工厂的运营尤其有益。

高级过程控制(APC)是一个涵盖广泛的技术和控制方法的术语，如模糊逻辑和统计控制。共同的目标是管理过程中复杂的相互作用，以减少过程的可变性，并允许工厂运行更接近操作约束。这将带来更高的能源效率和产品质量。

模型预测控制(MPC)是一种重要的先进控制技术。模型预测控制系统的简化框图如图2所示。

MPC用于优化具有大多变量约束控制问题的混合系统。MPC的实现是为了减少工业应用中工艺变量的变化，从而提高吞吐量和更高的利润。

MPC是一种多变量策略，包括约束、执行器的处理、状态、过程输出和其他变量。它为解决方案带来了一种结构化的方法，其主要目标是在未来最小化性能标准。该准则可能受制于被操纵的输入和输出的约束，并且未来的行为是根据工厂的模型计算的。MPC利用过程的内部动态模型，过去控制动作的历史，以及在预测范围内的优化成本函数来计算所需的最优控制。

后退控制层原理可以总结为:

1. 考虑到当前和未来的约束条件，在时间和当前状态x_我，求解固定区间内的最优控制问题，则[ι_我,我+N -1]
2. 只应用结果最优控制序列中的第一步
3. 在时间我+1、测量达到的状态
4. 在时间我+1、在固定区间内重复固定视界优化[我+1，i + N]，从当前状态开始x_{我+ 1}．

工厂的最佳操作条件是作为工艺设计的一部分确定的。然而，在工厂运行期间，由于设备可用性、经济条件和工艺干扰等因素的变化，最佳条件会随着时间的推移而频繁变化。因此，需要定期重新计算最佳操作条件。在前面讨论的层次结构中，此控制活动被定义为实时优化(RTO)(级别4)。RTO利用工厂操作条件变量来预测产品特性等属性。一旦选择了工艺，就需要制定和解决合适的问题说明。对于RTO，设定点的优化需要两个模型:经济模型和运行模型。经济模型由一个需要最大化或最小化的目标函数组成。这包括成本和产品价值。运行模型是一个稳态过程模型，包含了所有的过程变量约束。

图3显示了解决任何实际RTO问题的步骤。

在此步骤中确定的流程的输入和输出变量将用于流程模型和目标函数。下一步是根据经营利润、产品质量和数量以及工厂配置来选择目标函数。第三步是建立稳态过程模型，确定过程变量的操作极限。为了确保与最有效的求解技术兼容，在此阶段简化模型和目标函数是很重要的。第四步是在选择优化技术后计算最优设定点。最后，通过改变模型和成本参数，确定优化系统中最敏感的参数。

在图4所示的示例中，实现高级控制策略项目可以分四个阶段进行。

阶段1:效益评估

实施任何先进控制策略的决定都是基于成本效益分析。这一阶段是实施工厂过程控制策略的最重要阶段。错误会导致不正确的成本估算，这将对项目产生负面影响。

阶段2:流程建模和算法实现

在实施先进的控制算法之前，需要对过程动态建模和实时数据库和控制器的配置。首先进行了工厂试验，得到了过程动力学模型。在工厂试验完成后，设计了实时数据库。下一步是定义与进程的通信，确定并建立工作站与DCS之间的协议。

流程模型来源于流程识别。对于控制器配置，定义了被操纵、被控制变量和约束条件。然后对设计和编程的模块进行集成，然后进行程序测试，以确保这些模块与实时操作系统的集成。

第三阶段:调试

在先进控制系统与现有工厂基础设施连接后，应开始调试先进控制项目。首先，测试与现有工厂控制系统的通信。接下来，每个多变量控制器模块必须在开环模型中进行测试。

下一步，对每个控制循环进行调优，并由操作员在一个咨询模型中测试和关闭控制器动作。然后在每个控制器成功测试后关闭自动模式。在多变量控制器表现出预期的性能后，就可以进行优化包的调试。

阶段4:维护

最后一个阶段是维护，这是确保从实施的高级控制中持续受益所必需的。高级控制器算法需要定期分析。当产品规格和工艺条件发生变化或增加新的产品规格时，需要重新调整控制器。

阿里·阿维斯·阿明他是Intech Process Automation的设计和应用工程师。Intech Process Automation是CFE Media的内容合作伙伴。由CFE媒体制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．

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