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作者簡介：張志檁（1945-），男，河北衡水安平人，教授級高級工程師。畢業(yè)于中國科學技術大學無線電電子學系，一直在石油化工戰(zhàn)線工作。曾任大慶石油化工總廠自動化處車間副主任、自動化研究室主任、信息中心主任，后調中國石化總部，先后任中國石化總公司經通信息公司、中國石化總公司信息中心、中國石化集團公司信息中心副主任兼總工程師、中國石化股份有限公司信息系統(tǒng)管理部副主任。被國務院授予享受國家政府津貼的有突出貢獻的國家工程技術專家。
先進控制英文為Advanced Process Control，縮寫為APC。日本和中國又稱為高級過程控制等。但通稱先進控制或APC的為多。
1 控制
控制的英文單詞是control，來源于拉丁文contrarotular。Contra即對應、相反之意，rotular即回卷的東西。兩詞合并即反饋和控制的意思。控制是為維持被控制對象的某些參數量在希望的目標范圍內，對其現狀和目標之間進行正確地比較、判斷，對現狀進行正確地連續(xù)地修正操作過程。
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控制作為一門科學是現代科學技術發(fā)展的產物。但作為一種現象是與人類甚至于生物的誕生成長為伴的。例如人走路需要維持平衡，這就是控制。起初都是手動控制，后來才借助于機械、儀器、儀表甚至計算機[HJ]進行自動控制。對于將控制量和目標值的一致性用人的手工進行比較、判斷和操作的場合，就是手動控制。否則，就是自動控制。自動控制的基礎是反饋控制（Feedback Control），以反饋控制為代表的控制方法一起構成了經典控制。經典控制論把可以表達為稱作傳遞函數的線性輸入輸出系統(tǒng)作為主要研究對象，并評價其調節(jié)頻率響應的有關理論。該理論在20世紀50年代已經形成體系。其原理如圖2所示。
圖2 反饋控制原理示意圖
人總是有欲望和追求的。就自動控制而言，可以追溯到公元前。公元前250年，希臘人古特西畢奧斯發(fā)明的水力計時器就是一種反饋控制的雛形。現在的控制技術產生則比其拖后了2000年。即1778年瓦特（J.Watt）的蒸汽機關調節(jié)器（Flyball Governor）。對這個調速器的動作原理解釋，力學研究，指明穩(wěn)定控制的條件的則是麥克斯韋（Maxwell）在1868年發(fā)表的論文《On Governor》，并占據了控制理論起源的重要位置。
進入20世紀后的1922年，Minorsky提出了PID控制的設想。1936年，美國泰勒（Taylor）公司的Callender做出了PID參數調節(jié)器原型，由于缺少參數整定方法而不能實用。Ziegler和Nichole解決了這個問題，使PID調節(jié)器開始普及。在反饋控制中，大約有90%的是采用PID控制，即比例（P）積分（I）微分（D）控制。其傳遞函數式為：
y=KP〔e+1/TI∫edt+TDde/dt〕= KP .e+ KP /TI .∫edt+ KP .TD..de/dt〕
其中，KP.e為比例作用，KP /TI .∫edt為積分作用，KP .TD..de/dt為微分作用。
PID調節(jié)器能解決大部分控制問題，所以一直到現在，盡管產生了不少新的控制理論和技術，但PID調節(jié)器一直占據應用的統(tǒng)治地位。
2 現代控制和先進控制
相對于經典控制論而言，現代控制論的特點是使用叫做狀態(tài)方程式的一階常微分方程來描述控制對象，運用力學等數學成果建立多輸入輸出的系統(tǒng)，解決反饋控制的穩(wěn)定性、時間響應特性以及頻率響應特性等問題的理論。從20世紀60年代開始急速發(fā)展。
60-70年代最先出現了最優(yōu)反饋控制器和最優(yōu)調節(jié)器（Optimal Regulator）等成果。當時主要是石油化工急需解決多變量的過程控制以及軍事方面實現動態(tài)設定定制的跟蹤控制問題，作為學術界的主要研究對象就定為優(yōu)化控制和自適應控制，然而不能滿足需要。這樣，就催生了模型預估控制。其黎明期的主要貢獻者是ADERSA公司的Dr.Jacques Richalet和DMC公司的Dr.Cutler兩位博士。Dr.Jacques Richalet 1968年到ADERSA公司，最初的模型預估軟件PFC/IDCOM于1973年發(fā)表，1974年在鍋爐、反應器、蒸餾塔等環(huán)節(jié)應用，其成果在1978年的《Automatica》上發(fā)表，這是模型預估控制最早的論文。
進入80年代后，主要實施小規(guī)模的模型預估控制。以線性系統(tǒng)為對象的現代控制論趨于成熟。同時提出了對模型誤差進行有效設計，即魯棒性控制（Robust Control）問題。其中，最成功的理論就是控制對象的模型不確定時而能對干擾進行有效抑制的H∞控制、有限時間整定控制等。以及后來的非線性系統(tǒng)、自適應控制、狀態(tài)遷移系統(tǒng)、混和系統(tǒng)論（Hybrid System）、知識工程、模糊控制、人工神經元網絡等都豐富了現代控制理論。經典控制與現代控制比較如表1。
表1 經典控制與現代控制比較
殼牌公司有近30年應用APC的歷史，也可以說是應用APC的先驅。當時殼牌的三個技術中心共同尋找到基于模型的預估工具（Model-based predictive tools）即APC是實現自動在線控制的好技術，并開始開發(fā)殼牌的多變量優(yōu)化控制器（Sell multivariable optimizing controller）。第一個應用項目是在位于荷蘭的波尼斯（Pernis）煉油廠的減壓裝置。目標是在一定邊界條件下，使?jié)櫥徒M分產量最大，收率最高。投用后年效益達50萬美元。另一個最早的項目是位于阿曼的天然氣處理廠。投用后提高LNG產量1～2%。30年來，APC已經給殼牌帶來了高附加值。其結構原理、控制效果如圖3-1，2，3，4所示。
圖3-1 簡化了的APC結構
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圖3-3新老控制器的控制平穩(wěn)率比較
圖3-4 APC基于平穩(wěn)、精確控制的卡邊控制機理
在1989年，由PFC（Predictive Functional Control，模型預估控制）提升擴展到PPC（Parametric Predictive Control），1998年將PFC組裝到PLC的程序庫中。PFC的應用領域擴展到軍事、汽車制造、冶金、化學等多個方面。就連埃菲爾（Eiffel）鐵塔的升降機和激光制導焰火彈都是使用模型預估控制。應用范圍之廣出乎所料。近幾年，關于模型預估控制的研究極為活躍。但是其觀點與過去大相徑庭，包括混合系統(tǒng)（Hybrid System），控制理論界有極高的興趣。另一方面，Dr.Jacques Richalet還在致力于普及PFC應用，同時也關注新的研究動向。而PFC的特點是集中目標解決工業(yè)領域采用最一般的PID控制手段解決不了的問題，做成避開復雜的算法，降低計算負荷，現場安裝容易、控制參數物理意義明確、調整方便的軟件包。
到90年代，發(fā)表了大規(guī)模模型預估控制和用于優(yōu)化的非線性預估控制技術。進入21世紀，世界級的石油化工公司出現了大量在線優(yōu)化的成功案例，間歇過程批量生產的反應器的模型預估控制也開始應用，大規(guī)模預估控制功能也在進一步加強。
優(yōu)化（OPT）技術在石化業(yè)的應用已有近50年歷史。這方面的第一篇論文是1956年發(fā)表在美國控制工程雜志（Control Engineering Magazine）上，而第一個在線實時優(yōu)化項目的商業(yè)實施是在1957年于美國德州煉油廠。如今全球已有300個以上的應用案例。OPT的地位、效果如圖4所示。
圖4 工廠優(yōu)化控制的集成層次及APC、OPT的地位
為什么有了先進控制還需要實時優(yōu)化呢？因為先進控制控制范圍小，只是基于現場階躍實測數據建立經驗數學模型，再利用線性規(guī)劃優(yōu)化。而要想整個裝置乃至全流程優(yōu)化則必須立足于嚴格機理模型的實時優(yōu)化。其對比如表2所示。
3 APC的應用領域
APC和MPC幾乎是同義語。因為MPC是APC目前的主要應用類型。現就其應用分類簡述一下。
（1）石油煉制、石油化工、化學工業(yè)
在該行業(yè)導入MPC的目的不只是過程穩(wěn)定，還有節(jié)能（燃料、蒸汽、公用工程耗量消減）、節(jié)省資源、提高產量等。在常減壓、流化催化裂化、加氫精制、PTX、乙烯、合成氨、尿素、單體設備、電解設備、聚合物工廠動力設備等都有大量應用。同時實施MPC與單元裝置優(yōu)化、多裝置優(yōu)化、嚴密模型在線優(yōu)化。
（2）發(fā)電廠
多為實施由發(fā)電設備供應商獨自技術開發(fā)的MPC。適用于由過熱器到整個工廠，適用于包含控制模型的蒸汽溫度預測控制系統(tǒng)。將動態(tài)特性滯后時間長的燃料系統(tǒng)和滯后時間短的噴嘴系統(tǒng)分開控制，大幅提高控制性能。
（3）冶金過程
為了維持高爐的平穩(wěn)操作，使用人工智能方法，開發(fā)將優(yōu)秀操作員的思維過程變?yōu)橹R庫的專家系統(tǒng)，用于高爐的監(jiān)督控制。連續(xù)鑄造機械的鑄型內港水液位采用H∞控制、自適應控制和模型預估控制等。
（4）水泥業(yè)
多用模糊推理、模糊控制等。例如在原料調和控制系統(tǒng)應用MPC，作為5種原料成分組成變動的干擾抑制對策，還用于燃料流量、空氣流量、回轉窯轉數等控制上。
（5）煉膠爐
各橡膠設備供應商一般獨自開發(fā)多變量預估控制器，用于流動床煉膠爐。為穩(wěn)定瓦斯熔融爐的鍋爐蒸汽發(fā)生量、砂層溫度、爐內溫度等，操作給料機速度、主蒸汽閥開度、加入空氣量等。也應用模型預估控制解決其滯后和干擾問題。
（6）上下水道
應用MPC和實時優(yōu)化解決脫氮、脫硫等水質控制問題。
（7）空調控制
使用模型預估控制和數學規(guī)劃法解決溫度控制問題。
表2 實時優(yōu)化與先進控制技術對比
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比較項目 |
實時優(yōu)化 |
先進過程控制 |
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數學模型
是否要求過程處于穩(wěn)態(tài)
最優(yōu)化算法
最優(yōu)化計算結果
計算頻度
建模難易
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穩(wěn)態(tài)化學工程模型
要求穩(wěn)態(tài)
非線性數學規(guī)劃
全局優(yōu)化苛刻控制
低頻－事件驅動
從裝置到工場范圍
模型復雜 |
動態(tài)結構模型
動態(tài)
線性規(guī)劃
局部優(yōu)化、約束推進式控制
人為設定，高頻席卷方法
從單元設備至工藝裝置
模型相對較簡單 |
（8）生物工程
使用MPC解決發(fā)酵過程控制問題。
（9）剛體運動
應用MPC解決曲臂振動等問題。
（10）汽車產業(yè)
用于駕駛支持系統(tǒng)，燃料噴射裝置，空調等控制。
（11）醫(yī)療系統(tǒng)
用于全靜脈麻醉的麻醉度控制。實現在麻醉手術安全的前提下，麻醉的最小用量和盡早恢復。自動測量患者的感覺，自動維持補藥。解決藥物作用滯后問題。
（12）軍事
用于導彈自動操縱裝置、雷達天線跟蹤、導彈發(fā)射架、戰(zhàn)車炮塔、大炮炮塔、飛行器制導系統(tǒng)等。
4 APC在石化的應用
從國內外石化行業(yè)應用的經驗證明，APC可以得到最大的邊際利潤（maximum margin），最小的公用消耗（Minimize Utility），最大限度的生產能力增長（Maximize Throughput），保持最佳的運轉（Good Operation）和穩(wěn)定的產品質量（Stabilize Product Quality），是節(jié)能降耗、增產增效的優(yōu)良技術手段。國外APC運行遠比國內穩(wěn)定，以日本富士石油為例，其APC平均投用率均達95%以上。APC應用的網絡配置體系架構（以DMC plus為例）如圖5所示。
圖5 APC應用的網絡配置體系架構：以DMC plus為例
國內外實踐的數據表明，每套大、中型生產裝置實施后的年增效益600～1000萬元，投資回收期一般為6～10個月。國外石化廠在裝置改造時，將實施APC作為一項重要技術措施。在新建生產裝置時，先進控制已成為標準配置。對平穩(wěn)操作及卡邊控制的效果如圖6，7所示。
據統(tǒng)計，目前全球煉化企業(yè)實施APC有8000余套，估計未來5年APC技術需求還會以每年18%左右的速度增加。美洲、西歐、日本等發(fā)達地區(qū)或國家半數以上的生產裝置都實施了APC技術，美國90%的重點裝置已普及了APC。埃克森美孚、殼牌、BP等公司已在單套生產裝置實施APC的基礎上，開始實施區(qū)域優(yōu)化控制。即不僅用于主要生產裝置，而且用于輔助生產裝置；不僅用于生產界區(qū)，而且用于公用工程和油品罐區(qū)。如圖8所示。據Frost & Sullivan’s research 2007年的分析報告《Advanced Process Control Market》，APC全球市場2005已達6億多美元，2012年將達12億美元。
圖6 APC 應用控制效果圖
圖7 采用APC前后的操作頻度對比
圖8 公用工程APC應用圖例
以韓國現代石油為例，用了三年時間連續(xù)實施APC，基本實現在全廠的普及。現代Oilbank公司APC成功關鍵要素是要有一個好的應用環(huán)境：有豐富的工藝知識和經驗（Know-how）；有運行良好的DCS；有足夠的歷史數據、實時數據、LIMS數據；有供應商、工程實施商和操作員的密切結合；有高水平的維護隊伍；有良好的APC技術轉讓；有扎實的操作員的培訓。
截至2004年底，我國石化行業(yè)重點生產裝置已超過100多套應用先進控制技術。到2008年底，據不完全統(tǒng)計，中國石化已在20多家煉化企業(yè)實施100多套，中國石油已實施38套。國內重點實施先進控制技術的煉油裝置有常減壓、重油催化裂化、蠟油催化裂化、連續(xù)重整、芳烴抽提、延遲焦化、加氫裂化、氣體分餾、環(huán)丁砜抽提、油品調和、硫磺回收、循環(huán)流化床鍋爐、空氣分離等。化工裝置有乙烯裂解、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈、輕烴分離、丁二烯、苯乙烯、二甲苯分離、甲苯歧化、對二甲苯（PX）、PTA（精對苯二甲酸）、MTBE、氯乙烯、環(huán)氧乙烷/乙二醇、甲醇、丁辛醇、合成氨、聚甲醛、有機硅、純堿、制漿造紙等。
為了更好地做好APC的推廣工作，某集團公司對地區(qū)公司已實施的先進控制系統(tǒng)的應用情況進行了分析，2/3屬于運行良好。其投用率匯總如圖9所示。遠遠好于幾年前國內統(tǒng)計的1/3良好、1/3一般、1/3基本停用的局面。
圖9 某公司APC投用率分析
5 APC的發(fā)展
從功能看，MPC在朝著功能增強、使用方便的方向發(fā)展。
（1）在線優(yōu)化
不但是石化業(yè)，就是上下水務系統(tǒng)都是模型預估控制的應用發(fā)展方向。在線優(yōu)化是基于過程系統(tǒng)工程利用嚴格模型進行實時優(yōu)化尋求最優(yōu)解。非常適用于像化學工業(yè)中的聚合物工程反應器一類的非線性很強過程。在發(fā)達國家，鍋爐、透平、動力設備運轉優(yōu)化的案例越來越多。動力設備優(yōu)化的著眼點是滿足生產運轉需求、考慮動力負荷分配、生產條件約束，計算出總運行成本最低的運轉條件。一般用線性規(guī)劃、混合整數規(guī)劃等方法求解。
（2）模型及控制性能的評價與診斷
模型預估控制在投用后的一年時間內，經歷各種運轉條件。而數年內，原料可能變化，產品品質可能變化，產量也可能變化，裝置可能改造，甚至參與的人員可能流動。但是，模型預估控制系統(tǒng)必須維系。因此必須有模型性能評價和診斷功能，減少分析控制不佳原因和參數評價的維護作業(yè)工作量。模型評價包括模型精度評價、模型誤差等級分析以及誤差趨勢分析和監(jiān)控。
（3）性能管理
對指定期間的性能信息用EXCEL表形成報告。包括所有控制器的狀態(tài)等級，分別在控制器投用和停運的不同情況下控制變量、操作變量的平均值、標準偏差、平均穩(wěn)態(tài)值等。
（4）軟儀表功能
是在線分析儀的代用和補充，實現在線連續(xù)及時的過程物性軟儀表分析監(jiān)控。推斷模型一般是基于神經網絡的非線性模型和基于偏最小二乘法（PLS，Partial Least Squares Regression）回歸的線性模型。
（5）提高工廠試驗效率
為了保證控制性能，得到準確的動態(tài)模型至關重要。在實際試驗中，試驗的步長和操作期間將影響模型精度。使用工具自動進行試驗和自動建模，以期減少開發(fā)工時數，縮短試驗時間，提高試驗效率。
從應用上看，趨勢是APC與優(yōu)化技術集成應用，APC的應用領域已由連續(xù)過程擴展到間歇過程。控制模型由中小規(guī)模擴張到大規(guī)模，從近似線性過程擴展到強非線性過程，運行和集成平臺呈現多樣化和通用化。
（1）大、小規(guī)模模型預估控制
石化領域的應用正向MPC和OPT在線優(yōu)化結合，以及大規(guī)模方向發(fā)展。模型大規(guī)模化的方向之一是與財務經濟指標的結合。考慮產品價格波動、原料價格、燃料價格變動，建立價格歷史數據庫，用最小二乘法建立時間序列模型，反映到工廠計劃中。小規(guī)模模型主要用于汽車產業(yè)、醫(yī)療事業(yè)、家電產業(yè)、機械運動控制、生物工程等。
（2）線性模型預估和非線性模型預估
石化業(yè)的多變量預估控制器屬于線性模型預估控制，而間歇反應器、聚合反應器屬于非線性模型預估控制。非線性模型預估控制開發(fā)的關鍵是實時算法。復數裝置的優(yōu)化控制周期是2分鐘，而嚴格模型則為15～20分鐘。
（3）使用模型預估控制軟件包和自行開發(fā)
石油化工界主要使用了1000多例Honeywell的Profit控制器，Profit優(yōu)化器和Profit Max，2500多例Aspen Tech公司的DMC Plus，以及Invensys公司的Connoisseur和YOKOGAWA和Sell公司的Exasmoc。間歇過程的是ADERSA公司的PCR。而其他領域多是自行開發(fā)。
6 結語
（1）石化業(yè)是APC技術應用最早，而且普及最廣、效益最大的行業(yè)。世紀之交正是石油化工企業(yè)技術進步的關鍵期，國外正在跨越由對局部集成到企業(yè)級的全局[JP+1]應用，最重要的技術則是APC和OPT，實現企業(yè)級、廠級控制（Enterprise Control）、高級預測（Advanced Forecasting）和多周期多廠優(yōu)化（Multi-period Multi-plant Optimization）。
（2）國外涌現了一大批APC軟件供應商，據2002年資料記載，西方國家有一定規(guī)模的APC軟件公司有45家，推出了312種軟件產品。目前在國內有影響的是ASPENTECH、Honeywell、Invensys、YOKOGAWA等。
（3）國內也有一批知名的APC技術研究單位、軟件提供商和實施服務商，研究單位有清華大學、浙江大學、石油大學、中國科技大學、華東理工大學、上海交大、北京化工大學、中科院自動化所等；軟件提供商有浙大中控、北京利華益科技、清大華億、清大騰飛等；實施服務商有石化盈科、中石油蘭州自動化院、中石油圣金橋等。
（4）我國工業(yè)領域APC的應用狀況總體上是石油化工界領先，但是與國外先進水平相比仍有15～20年的差距，應處在起步階段。應該盡快從起步階段過渡到普及階段，進而到提高階段，拓展階段。就國家而言，應該開拓多種領域、多種行業(yè)的應用。
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號