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第5章 先进控制系统 在工业生产过程中，一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全 性，满足一定约束条件，而且应该带来一定的经济效益和社会效益，然而设计这样的控制 系统会遇到很多困难，特别是复杂工业过程往往具有不确定性(环境结构和参数的未知性、 时变性、随机性、突变性) 、非线性、变量间的关联性以及信息的不完全性和大纯滞后性等， 要想获得精确的数学模型十分困难。因此，对于过程控制系统的设计，已不能采用单一基 于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高级的过程控制系统，研 究先进的过程控制规律，以及将现有的控制理论和方法向过程控制领域移植和改造等方面 受到越来越多的控制界的关注。 世界各国在加强建模理论、辨识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面进 行研究，推出了从实际工业过程特点出发，寻求对模型要求不高，在线计算方便，对过程 和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法，如自适应控制系统、预测控制系统、 稳健控制系统、智能控制系统等先进控制系统。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂 系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智 能控制等应运而生，它们在许多领域都开始得到了应用，成为自动控制的前沿学科之一。 由于变量间的关联，使系统不能正常平稳运行，出现各类解耦控制系统。对于大纯滞后系 统自 1957 年史密斯提出 Smith 预估补偿器以来，又相继出现了各种改进 Smith 预估补偿方 法，如观测补偿器控制方案、内模控制、双控制器、达林控制算法、纯滞后对象采样控制 等，但均尚未完全真正解决。人们还在继续努力想方设法寻求解决办法。针对信息不完全 性出现了推断控制系统和软测量技术。本章就目前应用较多且取得经济效益的预测控制、 软测量技术发展及应用等方面作一些简单介绍，以推动先进控制技术的应用。 先进控制是对那些不同于常规单回路 PID 控制，并具有比常规 PID 控制更好控制效果 的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。这些控制策略的先进性在于它们目前 在工业过程中尚很少使用。尽管先进控制的定义并不严格和统一，但是先进控制的任务确 是十分明确的，即用来处理那些采用常规 PID 控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过 程控制问题。先进控制最大的特点就是可以带来丰厚的回报。以石油化工为例，一个先进 控制项目的年经济效益在百万元以上，其投资回收期一般在一年以内。 先进控制的特点如下所述。 (1) 与传统的 PID 控制不同，先进控制是一种基于模型的控制策略，如预测控制和推 断控制。目前，基于知识的控制，如智能控制和模糊控制，正成为先进控制的一个重要的 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各种约束的过程控制等。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的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平台。由于先进控制受控制算法的 第 5 章 先进控制系统 ·269 · 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回路一起在 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。从全厂综合自动化的 角度看，先进控制恰好处在承上启下的重要地位。性能良好的先进控制是在线优化得以有 效实施的前提，并进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调度的有关信息及时落实 到各生产装置的实际运行中，并可真正实现全厂的综合优化控制。作为一个整体，先进控 制系统应该包括从数据采集处理、数学模型建立、先进控制策略到工程实施的全部内容。 应用先进控制技术可以取得如下结果。 (1) 保证装置平稳操作，大大减少方均差。 (2) 实现产品质量卡边操作，提高目标产品的收率，显著提高经济效益。 (3) 降低能耗，提高处理量，全面提高工艺装置的自动控制水平和整体经济效益。 (4) 能保证物理过程和化学反应的条件，在线寻找和实现最优的生产条件，是实现“安、 稳、长、满、优”的有力工具。 (5) 实践证明