《世界儀表與自動化》，2007年5月，
一 引言
一般來說，工業(yè)裝置的操作目標(biāo)可以歸納為3個方面，按其重要順序，即安全、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)的前提下，許多企業(yè)管理者開始考慮如何將生產(chǎn)自動化與經(jīng)營活動結(jié)合起來，通過某種解決方案將經(jīng)營目標(biāo)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)操作中的操作目標(biāo)，根據(jù)市場變化和設(shè)備狀況自動地確定控制器最優(yōu)設(shè)定點(diǎn)，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)加工為
生產(chǎn)信息進(jìn)行反饋，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營目標(biāo)與生產(chǎn)操作有機(jī)關(guān)聯(lián)。
實(shí)時優(yōu)化在企業(yè)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的位置如圖1所示。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，實(shí)時優(yōu)化處于先進(jìn)控制和基礎(chǔ)層之上。其功能是綜合考慮經(jīng)濟(jì)信息、裝置物理約束和裝置自由度的前提下，最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益。要達(dá)到這個目的，實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)必須能夠：、感知系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，求解最佳操作點(diǎn)，確定從當(dāng)前操作點(diǎn)至最佳操作點(diǎn)的路徑。
實(shí)時優(yōu)化技術(shù)分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，這是傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化，采用穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型，大多利用基于方程的求解技術(shù)；另一類是動態(tài)優(yōu)化，這是實(shí)時優(yōu)化的新發(fā)展，采用動態(tài)模型。無論穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化還是動態(tài)實(shí)時優(yōu)化，我們都將對以下3個關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行分析：
（1）狀態(tài)估計（感知系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)）：是指能夠判斷系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。由于各種干擾的影響，工業(yè)生產(chǎn)裝置總是處于動態(tài)變化中。對于干擾的動態(tài)響應(yīng)也是有快有慢，甚至還有逆響應(yīng)或者純滯后。這意味著在某一時刻得到的“快照”數(shù)據(jù)并不能夠完全反映裝置全部情況，有時甚至可能會讓人們得出錯誤的結(jié)論。完整地評估裝置當(dāng)前狀態(tài)還需要?dú)v史數(shù)據(jù)。狀態(tài)估計既能夠判斷裝置眼下的狀態(tài)，也能預(yù)估其未來狀態(tài)。
（2）最優(yōu)狀態(tài)（確定最佳操作點(diǎn)）：是指求解最佳穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。用一組代數(shù)方程來描述實(shí)際裝置，然后利用線性代數(shù)和最優(yōu)理論求解最佳操作點(diǎn)。
（3）動態(tài)路徑：是指從當(dāng)前操作點(diǎn)移動至最佳操作點(diǎn)路徑。通常存在許多路徑，由于變量間的動態(tài)耦合，直線路徑未必就是最佳路徑，有時甚至是不可行路徑。
圖1 企業(yè)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
實(shí)時優(yōu)化是根據(jù)所得到的各種信息，利用計算機(jī)自動地周期性地完成優(yōu)化計算，并將最優(yōu)參數(shù)值直接送到先進(jìn)控制器作為設(shè)定。實(shí)時優(yōu)化通常采用嚴(yán)格的非線性過程模型、工廠約束和當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)信息來在線最大化生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)效益。目標(biāo)函數(shù)往往對于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)直接相關(guān)，如產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量的提高，原料和能量消耗的降低等。實(shí)時優(yōu)化實(shí)際上是穩(wěn)態(tài)仿真的擴(kuò)展應(yīng)用。模塊4描述主要利用穩(wěn)態(tài)物料平衡、熱量平衡，有時也用動量平衡來描述，模型最初可能是為工藝設(shè)計而開發(fā)的，采用SQP方法求解。用傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化方法描述乙烯工廠通常需要幾十萬個變量，顯然，求解這樣大規(guī)模的優(yōu)化問題需要較多的計算時間。典型的執(zhí)行周期包括：
（1）穩(wěn)態(tài)偵破：保證裝置處于合理的穩(wěn)態(tài)，這樣當(dāng)前工藝數(shù)據(jù)可被用來建立工藝初始狀態(tài)。
（2）數(shù)據(jù)校正與參數(shù)估計：目的是校正工藝數(shù)據(jù)和確定模型參數(shù)，以最好地擬合上一步中建立的工藝狀態(tài)。對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)要首先偵破那些由于儀表的故障或系統(tǒng)泄漏引起的大誤差，將其刪除，然后用熱量及質(zhì)量平衡計算來校正隨機(jī)誤差。這樣處理過的數(shù)據(jù)稱為“精練數(shù)據(jù)”，方可作為模型的輸入。
（3）對上兩步建立的模型進(jìn)行優(yōu)化求解。
（4）一致性檢查。將優(yōu)化結(jié)果下傳到先進(jìn)控制前進(jìn)行一致性檢查，以確保完成優(yōu)化計算后的工藝狀態(tài)與第一步建立的初始狀態(tài)沒有大的出入。
圖2為穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化軟件內(nèi)部各模塊的執(zhí)行順序。基于穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型的實(shí)時優(yōu)化軟件的典型代表有Aspen Tech公司的RTO、Invensys公司的ROMEO和Honeywell公司的Profit Max。在新的發(fā)展方面，Aspen Tech RTO和InvensysROMEO均將序慣模塊法和面向方程的求解方法進(jìn)行了整合。
對應(yīng)引言中提到的3個關(guān)注點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化的特性如下：
（1）狀態(tài)估計
傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化要求將穩(wěn)態(tài)工藝模型嚴(yán)格地匹配到當(dāng)前的裝置狀況，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校正和參數(shù)估計。對于動態(tài)變化比較頻繁的裝置，實(shí)際中不太容易確定準(zhǔn)確的當(dāng)前狀態(tài)。例如乙烯裝置就很少處于穩(wěn)態(tài)。實(shí)踐中則成了一個參數(shù)調(diào)整的問題，有兩種極端情況：（1）嚴(yán)格的穩(wěn)態(tài)判斷準(zhǔn)則，意味著等待時間長。（2）松弛的穩(wěn)態(tài)判斷準(zhǔn)則，可以減少等待時間。這兩種方法都有問題，對于第一種方法，等待、意味著丟失了優(yōu)化的機(jī)會，雖然當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)實(shí)時優(yōu)化結(jié)果的意義大；對于第二種方法，優(yōu)化可以進(jìn)行得更頻繁，但數(shù)據(jù)校正和參數(shù)估計的完備性降低了。總之，整個優(yōu)化是在某種程度上的折衷。
（2）最優(yōu)狀態(tài)
第一，優(yōu)化器的執(zhí)行周期與模型大小和計算機(jī)的計算能力相關(guān)。第二，優(yōu)化器計算期間進(jìn)行系統(tǒng)的干擾能夠使本次優(yōu)化結(jié)果無效。由于等待穩(wěn)態(tài)、計算時間長、以及中間干擾等因素，傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化在乙烯裝置上的運(yùn)行頻次非常低。
（3）動態(tài)路徑
穩(wěn)態(tài)優(yōu)化無法給出動態(tài)路徑。通常采用人工輸入的步幅限制來約束向最佳操作點(diǎn)的移動。由于優(yōu)化模型本質(zhì)上是穩(wěn)態(tài)的，所以通常輸入的優(yōu)化步幅都比較小，以避免CV值波動過大。
傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化需要維護(hù)兩套模型，一套是模型預(yù)測控制器使用的線性動態(tài)模型，另一套是實(shí)時優(yōu)化使用的非線性穩(wěn)態(tài)工藝模型。兩套模型都描述同一個裝置，卻基本完全不同，無法相互利用。這意味著模型的開發(fā)和維護(hù)都需要重復(fù)投資。
總之，傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化基于穩(wěn)態(tài)模型，實(shí)時優(yōu)化的很多時間用于等待裝置處于穩(wěn)態(tài)，并且下傳穩(wěn)態(tài)優(yōu)化結(jié)果的前提是優(yōu)化計算期間沒有中間干擾進(jìn)入系統(tǒng)。對于動態(tài)響應(yīng)比較快或者干擾少的裝置，實(shí)時優(yōu)化僅用于適應(yīng)企業(yè)外部的市場需求變化，傳統(tǒng)的優(yōu)化說夠了。對于動態(tài)變化比較頻繁的裝置，傳統(tǒng)實(shí)時優(yōu)化可能給裝置帶來最大效益。為此，眾多的學(xué)者和公司在研究如何引入動態(tài)模型，對大工業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時動態(tài)優(yōu)化。
三 動態(tài)實(shí)時優(yōu)化——實(shí)時優(yōu)化的新發(fā)展
從實(shí)用的觀點(diǎn)看，分層優(yōu)化方法可以為用戶提供最好的投資回報。近些年，實(shí)時優(yōu)化與先進(jìn)控制的主要供應(yīng)商都推出了這樣的解決方案，如AspenTech 公司的DMCPlus、CLP、RTO 和Honeywell公司的Profit Controller、Profit Optimizer、Profit Max。以Honeywell公司為例，其中分層優(yōu)化框架包括三層：
（1）通過Profit Controller實(shí)施的局部優(yōu)化；
（2）通過Profit Optimizer實(shí)施的全局實(shí)時優(yōu)化；
（3）通過Profit Max利用嚴(yán)格的機(jī)理模型對高度非線性過程實(shí)施優(yōu)化。
這一分層優(yōu)化的方法將Profit Optimizer作為實(shí)施基于嚴(yán)格機(jī)理模型的實(shí)時優(yōu)化的基礎(chǔ)，充分利用已經(jīng)安裝的多變量控制器，從而降低實(shí)施實(shí)時優(yōu)化的成本和風(fēng)險。
Profit Optimizer采用了其特有的基于分布式二次規(guī)劃（DQP）的協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化算法。該算法利用動態(tài)關(guān)聯(lián)模型對各Profit Controller所對應(yīng)的單元間的相互干擾進(jìn)行描述，同時，將動態(tài)控制層的約束條件和其他的全局優(yōu)化變量及中間變量的動態(tài)約束條件結(jié)合起來。Profit Optimizer不僅能給出最佳操作點(diǎn)，而且能計算出達(dá)到最佳操作點(diǎn)的最優(yōu)路徑。Profit Optimizer將傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題化為整個控制框架下的動態(tài)問題，通過及時的現(xiàn)場反饋處理和實(shí)時求解動態(tài)優(yōu)化問題，逐步逼近穩(wěn)態(tài)最優(yōu)解。
這一突破性的技術(shù)將傳統(tǒng)的基于機(jī)理的模型的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為控制/協(xié)調(diào)問題。Profit Optimizer能非常有效地處理實(shí)時優(yōu)化中的動態(tài)問題，并將優(yōu)化結(jié)果輸出給其下一層的Profit Controller，后者通過跟蹤Profit Optimizer給出的優(yōu)化指標(biāo)，將裝置推動到它的最優(yōu)操作點(diǎn)。它比較少適合于解決中大規(guī)模的實(shí)時控制與優(yōu)化問題。Profit Optimizer易于實(shí)施，并且比傳統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化方法有更強(qiáng)的魯棒性，其良好的準(zhǔn)確度通過直接的、頻繁的過程反饋來保持。由于Profit Optimizer每1~2min運(yùn)行一次，它可很快地檢測到干擾并及時作出響應(yīng)。因此，它能使裝置的運(yùn)行更接近裝置約束，更接近優(yōu)化目標(biāo)。
Profit Optimizer的基礎(chǔ)模型來自Profit Controller，都是線性動態(tài)模型，對于高度非線性的過程，增益更新技術(shù)是提高多變壓量預(yù)測控制適應(yīng)范圍的一個很有效的方法，通常，增益更新是采用對非線性模型進(jìn)行數(shù)值蠕動的方法。由于只需要工藝變量間的商，因此不要求在每個執(zhí)行周期都進(jìn)行嚴(yán)格地參數(shù)擬合。執(zhí)行周期短和連續(xù)增益更新使得Profit Optimizer求解大規(guī)模非線性優(yōu)化問題的宏觀表現(xiàn)類似于SQP法求解非線性問題。
對應(yīng)引言中提到的3個關(guān)注點(diǎn)，Profit Optimizer的特性如下：
（1）狀態(tài)估計
由于已經(jīng)包含了裝置的動態(tài)模型，Profit Optimizer在進(jìn)行優(yōu)化計算時不要求裝置處于穩(wěn)態(tài)。Profit Optimizer的執(zhí)行周期通常為1min，這樣可以頻繁得到現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)，以補(bǔ)償模型失配。Profit Optimizer的模型準(zhǔn)確地知道每一個過程變量的當(dāng)前值和未來值。
（2）最優(yōu)狀態(tài)
在Profit Optimizer中，優(yōu)化問題是半整定QP問題，一定有解，且求解速度過快。通常Profit Optimizer與Profit Controller的執(zhí)行周期相同。
（3）動態(tài)路徑
Profit Optimizer將按照最小能量路徑將生產(chǎn)推向最佳操作點(diǎn)。最小能量路徑即是最小MV調(diào)節(jié)量。
以Profit Optimizer為代表的動態(tài)優(yōu)化是實(shí)時優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)步。采用動態(tài)模型代替穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型，優(yōu)化計算不要求裝置處于穩(wěn)態(tài)。以QP描述優(yōu)化，求解方便。嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)模型與動態(tài)系統(tǒng)相集成的方案實(shí)現(xiàn)在線更新先進(jìn)控制器和優(yōu)化器模型增益，以處理非線性。Profit Optimizer適合于解決現(xiàn)實(shí)中的動態(tài)優(yōu)化問題。
圖3為Profit Optimizer的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。作為動態(tài)優(yōu)化/協(xié)調(diào)層，Profit Optimizer處于先進(jìn)控制層之上。非線性模型通過接口（Profit Bridge）實(shí)現(xiàn)對Profit Controller和Profit Optimizer的模型增益進(jìn)行在線更新。每個執(zhí)行周期，優(yōu)化器都能夠得到反饋信息。
圖3 Profit Optimizer 應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖
自計算機(jī)與仿真模型技術(shù)出現(xiàn)以來，在工業(yè)裝置上實(shí)現(xiàn)全自動的實(shí)時優(yōu)化始終是人們的一個夢想。在這一過程中，學(xué)者與供應(yīng)商不斷地開發(fā)新的技術(shù)，同時用戶也客觀地調(diào)整自己的需求期望。實(shí)踐實(shí)時優(yōu)化需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：
（1）切實(shí)的應(yīng)用需求
深入了解生產(chǎn)業(yè)務(wù)，明確生產(chǎn)業(yè)務(wù)中是否真正有對實(shí)時優(yōu)化的需求。項(xiàng)目實(shí)施人員要能準(zhǔn)確理解具體的業(yè)務(wù)要求。
（2）良好的基礎(chǔ)條件
工藝生產(chǎn)的靈活性，即裝置是否有足夠的自由度來適應(yīng)生產(chǎn)變化；完善的現(xiàn)場儀表和計算機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)場儀表的準(zhǔn)確性和重復(fù)性要高，在線分析儀表靈敏度、穩(wěn)定性要高；通信系統(tǒng)工作正常，設(shè)備狀態(tài)必須要完好；儀表自控率和聯(lián)鎖系統(tǒng)的投率要高，這樣才能保證生產(chǎn)安全平穩(wěn)，先進(jìn)控制的投運(yùn)率要高，它能使正常的生產(chǎn)操作動態(tài)波動過程保持最優(yōu)；生產(chǎn)操作人員和控制系統(tǒng)維護(hù)人員對工藝過程及先進(jìn)技術(shù)有良好的理解，包括認(rèn)識水平、技術(shù)水平、維護(hù)水平、聯(lián)合開發(fā)水平等。
（3）選擇與所要解決的問題相匹配的技術(shù)，對于動態(tài)響應(yīng)很快或者非常平穩(wěn)的裝置，適宜采用穩(wěn)態(tài)優(yōu)化技術(shù)，對于動態(tài)變化比較頻繁的裝置，適宜采用動態(tài)優(yōu)化狀態(tài)；盡量采用簡單易行的解決方案；考慮模型的重復(fù)利用和維護(hù)；支持工具是否齊全。
（4）效益保持
供操作人員和工程師使用的維護(hù)和監(jiān)視工具軟件，隨著時間的推移，裝置設(shè)備、催化劑等有可能會發(fā)生變化，需要監(jiān)視優(yōu)化器的工作性能，并及時維護(hù)；選擇比較容易進(jìn)行刷新、模型維護(hù)和項(xiàng)目擴(kuò)展的技術(shù)；管理層關(guān)注結(jié)果，管理制度上應(yīng)該對實(shí)時優(yōu)化的長期、有效運(yùn)行進(jìn)行考核和監(jiān)督。
事實(shí)上，采用實(shí)時優(yōu)化是企業(yè)生產(chǎn)操作水平和計算機(jī)應(yīng)用水平發(fā)展到一定階段的必然要求。目前還沒有一個能夠適用于所有情況的實(shí)時優(yōu)化技術(shù)，這迫使人們?nèi)パ芯烤唧w的生產(chǎn)過程的特點(diǎn)與難點(diǎn)，選擇有針對性的實(shí)時優(yōu)化技術(shù)。無論如何，作為實(shí)時優(yōu)化技術(shù)的新發(fā)展，動態(tài)化技術(shù)的出現(xiàn)使人們離實(shí)現(xiàn)工業(yè)裝置全自動實(shí)時優(yōu)化夢想又前進(jìn)了一步。
