关于先进控制 点击：10996 | 回复：212
发表于：2004-02-28 00:29:00
楼主
我虽然在外国公司上班，但是我也是个爱国者，我希望我们国家的工控事业能得到很快的发展，并且逐渐赶上欧美。但是据我所知，国内针对先进控制还没有引起足够的重视，没有成形的产品。但是国外在这方面不但具有成熟的理论，而且有丰富的实践经验。对此我们不妨发扬拿来主义精神，取国外的长补我们的短，逐渐提高我们工控人员的素质，从而发展我们伟大祖国的工控事业。不知道大家对Controlsoft的先进控制算法如何评价，不过我个人觉得是非常优秀的。如何有谁想了解的话，不妨留下您的email，我这里有Controlsoft公司先进控制算法的应用实例（程序已经模块化了），应该能给大家带来帮助。
发表于：2004-03-04 20:34:00
41楼
一、先进控制与优化软件对过程工业发展的意义
过程工业的发展虽然取决于许多因素，但工业自动化显然是重要的方面。随着计算机技术的飞速发展和现代控制理论的完善，发达国家的自动化技术突飞猛进，己开始摆脱自动化孤岛的传统模式，向着整体、综合、集成的方向发展。
程工业计算机控制、优化、管理的最高水平是计算机集成制造系统CIMS( Computer Integrated Manufacturing System),过程工业CIMS与制造业的CIMS几乎是完全不同的，在过程工业CIMS中，先进控制与在线优化技术起到了核心的作用，它们既是现场基础控制层与调度决策层的中间纽带，又是获得巨大经济效益的关键所在，因而倍受青睐，世界上许多国家正在不遗余力、不惜重金，组织开展有关的研究，如前几年美国、日本和欧洲共同体联合起来，集资十亿美元，开展名为“新世纪控制与优化理论及其在工业制造系统中应用”的研究，并且加强了与高等院校、研究所和公司之间的紧密合作，努力推动控制和计算机技术的应用和发展。
1.发达国家经验表明：采用先进控制和过程优化将增加30%的投资，但可以提高产品档次和质量，降低能源和原材料消耗，从而增加85%的经济效益。这点可从图(2)看出：花了70％的钱购置DCS，换来的是15％的经济效益；再增加30％的投资，可换来85％的经济效益；其中增加投资13％用于预测控制(DMC)，得到的经济是效益37％，再增加9％的投资用于在线闭环优化(CLRTO)，换来的经济效益是40％！难怪有人说：先进控制与优化是不用投资的技术改造。
2.全世界投用的先进控制（APC）已有数千项，先进控制的投入产出效益已被公认，一般投资回报率为10美元/1美元；优化技术的经济效益更大，投资偿还期不到一年。例如：中国石化总公司投资30万元人民币，在大庆石油化工总厂丙烯腈装置上采用我们的在线操作优化指导软件后，提高收率1.31％，每年可新增经济效益964万元。
我国的好多大型企业，例如石油化工企业，整套设备和DCS都是引进的，从硬件上讲与国外的差距并不大，但运行的并不理想，重要原因之一就是没有配置先进控制与优化软件。因此，大力推进先进控制与优化技术在过程工业中的应用，对于提高我国国有大中型企业的经济效益和市场竞争力具有特别重要的意义。
3.从发展趋势看：信息技术（主要是自动化技术）在过程工业中所占的比例将进一步增长，美国企业在1965年时，信息技术设备占总资产投资不到5％，90年代初即达到30％以上，预计2000年可占50％。目前我国大型企业的信息技术设备投资只相当于美国60年代的5％，因此，提高我国工业过程的信息化水平形势紧迫。
朱镕基总理在政府工作报告中提出以信息化带动工业化的方针，工业自动化是信息化和工业化的结合点，大力发展工业自动化产业，既可以带动信息化的发展，又可以促进工业现代化的实现。
也就是说，实现我国工业过程生产现代化，必须从信息技术设备投资只占5％迅速提高到50％，工业过程先进控制与优化技术必将以工业增长十倍的速度增长，才能赶上时代的步伐。
4. 我国缺乏高质量的成套控制装置
成套专用控制装置，是一种专用计算机控制系统，是将专用控制软件(包括一些专用的先进控制与优化软件)、硬件集成的综合性技术。我国控制界的权威之一，浙江大学的孙优贤院士在一篇文章中指出：我国缺乏高质量的成套控制装置，搞得好的国家如德国的工业发酵、大型注塑机、综合机床成套控制装置等占世界的份额分别为60%、90%、95%，而我国在这方面还很不够，不能满足要求。目前我国工业领域特别缺乏专用控制装置的有：工业锅炉、工业发酵罐；钢铁工业：高炉、焦炉、转炉；炼油：加热炉、反应器、精馏塔；石化：丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯；造纸：蒸煮器、蒸发器、打浆机。
5.能源的日益紧张已经是一个不争的事实。工业过程先进控制与优化系统应用，在提高产品质量和劳动生产率的同时，还可以起到大幅度节能降耗的目的。统计显示，目前我国工业锅炉仅对煤的耗用量就占总能源消耗的1/4，我国能源的利用率只有32%，比发达国家低10-20%；还有一组数字：中国单位产值的能源消耗量是世界平均水平的4.6倍，是日本的13.4倍，是印度的1.9倍。
如果能在自动控制的条件下实现风煤（油）优化，不仅可以大大提高能源的利用率，同时还可以减少三废排放量，环保、节能意义很大。例如：我们在安徽轮胎厂20T/H工业锅炉上采用风煤比优化节煤16％。
6. 由于先进控制与优化软件可以创造巨大的经济效益，因此这些软件也就身价倍增。国际上已有几十家公司，推出了上百种先进控制与优化软件产品。目前市场上几乎全部是引进发达国家的产品。由于这些软件的开发成本高，应用时需专家到现场测试数据，且设计之后，还需专家到现场进行安装、调试、培训，所以价格昂贵，其报价一般都在十几万、几十万，甚至上百万美元一套。而且由于知识产权的保护，重复购买价格基本相同。我们这样一个大国，对先进控制与优化软件的需求量是相当大的，同时我们又是一个发展中国家，资金不足，很难有那么多钱去买那么多套相同的软件，因而开发我国自主版权的先进控制与优化软件，打破外国软件的垄断，替代进口，势在必行。
7.市场巨大。 1999年我国仅冶金、电力、化工、炼油、仪表等五个部门工业过程自动化的需求量就达700亿元人民币左右，国内产品占有率只有10％，国家计划五年内国产产品占有率达到60%。国家急需开发我国自己的自动化软件(其中包括空白的先进控制与优化软件)、自动化仪表和装置产品，替代进口，并形成我国的自动化产业。据市场调查：如果我国仪表领域全部采用国产的软、硬件系统，拉动国内需求550亿；炼油化工领域是580亿；钢铁领域是780亿；电力领域是680亿。
二、先进控制与优化技术发展
(一)、 现代控制理论的发展及分类
1、 现代控制理论的发展。
5 0年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制等一系列多变量控制系统设计方法；与此同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。
1980年前后，来自过程控制界两位探索者J. Richalet和C. R. Cutler分别报道了其各自研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统控制问题的成果，这就是著名的模型预测启发式控制（MPHC）和动态矩阵控制（DMC）。这一事实表明过程工业已开始接受现代控制概念，从而引发了预测控制等先进控制策略在工业过程控制中的大量应用。整个80年代，出现了许多约束模型预测控制的工程化软件包。基于模型控制的理论体系已基本形成，并成为目前过程控制应用最成功，也最具有前途的先进控制策略。
近年来，人工智能技术有了长足的进步并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制而言，专家系统、神经网络、模糊系统是最具有潜力的三种工具。
有关基于非线性模型（机理和经验）的控制有了较大的发展。但是，非线性控制尚属开发中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见。
2、先进控制的主要特点。
（1）与传统的PID控制不同，先进控制通常是一种基于模型的控制策略，如模型预测控制。目前，专家控制、神经控制和模糊控制等智能控制技术正成为先进控制的一个重要发展方向。（2）先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。（3）先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持。由于先进控制受控制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在计算机控制系统的上位机上实施的。随着DCS功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与基本控制策略一起在DCS上实现。后一种方式可有效地增强先进控制的可靠性、可操作性和可维护性。
3、分类。
著名过程控制专家D. E. Seborg给出的按应用程度分类的过程控制策略有：
第一类：传统控制策略·手动控制 ·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；
第三类：先进控制—流行技术·模型预测控制 ·内模控制 ·自适应控制 ·统计质量控制；
第四类：先进控制—潜在技术·最优控制 ·非线性控制 ·专家控制 ·神经控制 ·模糊控制；
第五类：先进控制—研究中的策略·鲁棒控制 · H∞控制 ·µ综合
先进控制技术到底应该包括一些什么内容，不同的研究者或者不同的研究团体可能有不同的看法。但可以肯定的是：PID控制器参数自动整定，自适应控制，模型预测控制应该是现阶段先进控制技术的最基本内容。优化方法很多，不同的方法适用于不同的场合，但当今最为实用和经济效益显著的应首推在线优化。下面结合作者的实际应用成果分述如下。
(二)、过程工业先进控制与优化软件产业化
自20世纪80年代以来，在国外，以多变量模型预测控制与优化为主要特征的先进控制技术在石油、化工、钢铁等行业得到了广泛的应用和发展，产生的经济效益非常显著。
由于先进控制技术难度和实施的复杂，目前这项技术主要掌握在为数不多的公司手中。1996年之前，著名的先进控制软件包主要有美国Setpoint公司的SMCA(Setpoint multivariable control architecture)，和Dynamic Matrix Control公司的DMC。Setpoint公司成立于1977年，曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工作，其特点是工程经验丰富，工程业绩遍及全世界，它是最早进入中国的过程控制公司，在中国已有多套由Setpoint公司设计的先进控制在运行。Dynamic Matrix Control公司是由先进控制理论的创始人之一，Charlie Culter本人于1984年创办的，该公司长期从事动态矩阵控制软件的研究和应用，其软件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至1994年为止，已实施了500多个先进控制项目。上述两家公司均于1996年初被美国Aspen Tech公司收购。现Aspen Tech公司推出的先进控制包融合了SMCA和DMC两者的优点，其商品名为DMC Plus。可以说，当前Aspen Tech公司已成为力量最强大的先进控制供应商，据统计，至1997年底，全世界共实施先进控制项目1500套，其中Aspen Tech公司所完成的项目1050套，占70%。全世界最大的5套催化裂化装置（处理量600～700万t*a-1），全部采用Aspen Tech公司的DMC技术。1998年Aspen Tech公司又兼并了加拿大的著名过程控制公司Treiber Control。进一步控制了北美的先进控制业务。
法国Adersa公司也分别在1973年和1986年推出了自己的先进控制软件包IDCOM和HIECON。
英国Predictive Control Ltd.公司成立于1988年，专门从事先进控制系统的设计，它的先进控制软件包CONNOISSEUR也具有较高的知名度。
美国Honeywell公司原是著名的DCS系统供应商，近年来也在向着先进控制和实时优化的方向发展，它兼并了美国的过程控制公司Profimatics后，在先进控制的业务上有较大的发展。近年来它致力于推进在中国市场的业务，实施了较多的先进控制项目。Honeywell Hi-Spec Solutions部门专门从事先进控制和优化业务，它推出了工厂一体化解决方案(Total Plant Solution，TPS)，是由先进控制包TPS Profit和实时优化包TPS Profit Max两部分所组成。
先进控制的成功实施，必须是多专业、跨学科的紧密合作，同时要求具备丰富的工程能力和经验。要由工艺专家和自控专家共同合作来完成工程项目。国外的实践为我们提供了很好的借鉴，如原Setpoint公司虽为过程控制公司，但公司技术人员中具有化工背景的职工所占比例高达70%。
国内自20世纪80年代后期开始先进控制的应用研究和开发，清华大学、中国科学技术大学、浙江大学和东北大学等高校取得了显著的应用和开发成果，也开发了一些软件，取得了一些效果，但多数没有工程化，设计难以采用，推广也困难。
中国科学技术大学工业自动化研究所、科大创新股份有限公司自动化分公司独立开发的AtLoop PID控制器参数自动整定软件包已经升级到第三代，并成功应用于电站锅炉、丙烯腈装置、丁辛醇装置、乙烯装置、催化裂化装置、焦化装置等大型工业装置，取得了很好的效果；科大工业自动化研究所还致力于预测控制技术的应用开发研究，先后在大型工业锅炉、丁辛醇装置、常减压装置、电站锅炉、卷烟制丝过程等工业装置或过程中实施了预测控制技术；科大的自适应在线优化软件，在丙烯腈装置反应器上应用二项，取得显著经济效益；科大的在线燃烧优化软件在工业加热炉、工业锅炉中应用，节能3—15%；为了先进控制与优化软件的应用，科大结合实际应用开发了先进控制工作站平台软件ACMP（Advanced Control and Monitoring Package）。
现在国家已经充分认识到这一点，明确提出“工业过程自动化高技术产业化”高技术产业化的重要组成部分之一。国家计委高技术产业发展司已经于2000年开始组织实施工业过程自动化高技术产业化重大专项（以下简称专项）计划，专项将支持：1、工业过程自动化新一代主控系统及其综合自动化开发和产业化；2、先进控制、优化软件开发与产业化，主要包括先进控制技术、过程优化技术、实时监控软件平台、信息集成软件平台、系统集成技术等。
有理由相信，在国家的大力支持和我国科技工作者的辛勤努力下，先进控制与优化技术必将在我国的过程工业中得到广泛应用。
三、 科大的先进控制与优化技术及在过程工业中应用
(一)、PID自动整定软件及PID自动整定仪.
尽管现代控制理论己经有了几十年的发展，在工业过程控制系统中，90％以上的回路仍然是PID调节器，面对成千上万个PID调节器，如何整定好P、I、D三个参数，使系统平稳运行，这个古老的问题一直是控制界关心的课题之一。
1984年以来，我们一直关注着PID自动整定技术的发展，我们开发的AtLoop PID自动整定软件包，在大庆石化总厂丙烯腈装置上应用，仅节省蒸的经济效益就达145万，该软件包获1995年中国石化总公司科技进步三等奖。基于该算法开发的PID自动整定仪，已被国家科技部评为2000年国家重点新产品。
我们的工作受到了国内外同行的肯定：
★“具有监督级的自适应PID软件包及在丙烯晴中的应用”（《自动化学报》1994.1）获“全球华人智能控制与智能自动化大会最佳应用论文奖”（唯一）。
★ “Auto-tuning of PID Parameters and Its Applications in Industrial Processes”HKIWNDCM’94一文，受到国际控制界权威Astrom的称赞。他在1996年第13届IFAC世界大会的大会报告“Tuning and Adaptation”中引用了本文，文中Astrom列举了全世界成功应用的实例八顶，其中第二项介绍的就是我们在大庆石化总厂丙烯腈装置上所做的PID自动整定的应用成果；
科大自动化 张俊年
发表于：2004-03-11 00:33:00
46楼
请给我一份！ gzhang1218@yahoo.com
我看了 www.pas.com 网站。在这个网站上有如下软件
DOT STAR - linear multivariable predictive control(基于模形的线性多变量预测控制软件）
DOT NLC - non-linear Multivariable Controller/Optimizer (基于模形的非线性多变量预测控制软件/优化器）
DOT NOVA - software system for off-line and on-line modeling, simulation, and optimization
关心先进控制的朋友不妨去看看。
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