什么是先進控制
先進過程控制
先進過程控制（Advanced Process Control）是指區別與常規的PID控制，並具有比常規PID控制效果控制的控制策略，並不專指某種計算機控制算法。
如預測控制，解耦控制，最優控制，自適應控制，魯棒控制，模糊控制，智能控制，推理控制等。
實施先進控制的最終目的是，使裝置在接近其約束邊界的條件下運行，增強裝置運行的平穩性，減小運行波動，保證產品質量的均勻性，提高目標產品的收率，提高裝置的負荷，降低波動造成的運行成本，減少環境污染。
變量分類
| 序號 | 變量分類 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 被控變量（CV） | 被控變量是裝置生產要保證在工藝范圍內的一些指標。被控變量(狀態與干擾的函數)，分為給定點與區域控制等。 |
| 2 | 操作變量（MV） | 操作變量是控制器對裝置進行調整的途徑和手段。 |
| 3 | 前饋變量（FV） | 前饋變量是不受控制器控制，但對被控變量有干擾的可測量變量，例如來自控制器上游的變量。 |
| 4 | 狀態變量（SV） | 能夠完全描述動態系統時域行為的所含變量個數最少的變量組稱為系統的狀態變量。 |
先進控制的主要特點
- 以現代理論為基礎
- 系統辨識（最小二乘法為基礎）
- 最優控制（極大值原理和動態規划方法）
- 最優估計（卡爾曼濾波理論）
- 以模型為基礎，處理多變量控制問題
- 通常用來處理復雜的多變量控制問題，比如大時滯，強耦合，存在變量約束等
- 是建立於常規單回路控制之上的動態協調約束控制
- 對工況變化有較好的適應性
- 模型類型：傳遞函數，狀態控件模型
- 建模方法：機理建模，預測建模
- 借助於計算機來實現
數據處理與傳輸，模型辨識，控制規律的計算，控制性能的監控，整體系統的監視（包括統計計算，各種圖形顯示）均依賴於計算機來實現。
產生背景
PID控制系統能解決80%左右的工業控制問題，隨着現代控制理論的日益成熟，生產向着大型化，復雜化，方向發展，尤其是面對非線性，強耦合，大滯后系統。PID控制難以滿足苛刻的約束調價年和高質量的控制要求。為了能滿足這些要求，先進控制應運而生。
應用對象
現代流程工業
- 連續生產過程
-整個生產過程具有連續性和無間斷性，通過一系列加工裝置對原材料進行規定的化學反應和物理變化，如煉油，化工，電力，造紙，冶金等行業。 - 有明確性能改善要求
-提高控制平穩性
-降低操作人員勞動強度
-改善產品質量或者提高高價值產品收率
-節能將耗 - 生產過程采用計算機控制
應用情況
- 國外
- 全世界已推廣應用了近萬套
- 美，日等國家的60%石化企業應用了先進控制技術，90%的重點裝置上普及了此項技術
- 國內
- 是由，石化集團所屬企業已形成共識：先進控制技術是優化裝置操作，增強挖潛的有效手段。
- 取得了一定成績，正在積極推廣應用。
工作原理
通過機理分析或數據辨識建立數學模型，清晰描述出變量間的相互影響大小及影響時間。產生擾動是，數學模型能准確預測未來變化。當預測該變化超出設定范圍時，提前調節PID的給定值，將擾動的影響消除在萌芽狀態。
工作原理示例
某精餾塔提餾段如圖示，要求控制提餾段溫度T，操作變量為蒸汽流量Q ,圖中u為調節閥門開度，Pv 為整齊調節閥閥前壓力（蒸汽回路的主要干擾），Pv為蒸汽調節閥閥后壓力，F為進料量（溫度回路的主要干擾）Tm 為T 的測量值
- 串級控制
蒸汽流量作為副參數，與主參數（提餾段溫度）組成如上圖所示的串級控制系統，以提高控制系統的抗干擾能力，如下圖。
- 先進控制
將影響提餾段溫度的其他干擾因素也納入系統，比如進料量作為前饋變量。當預測模型預估到一段時間后提餾段溫度將超出設定范圍時，先進控制系統根據模型變量間的影響關系確定調節作用，將該作用輸出到蒸汽PID控制器中，通過調節蒸汽流量來實現溫度的平穩控制。同時，在溫度平穩的基礎上，對生產進行優化控制，減少蒸汽用量，實現節能降耗。
數據流向
先進控制模塊運行在上位機服務器端。在DCS操作站新建先進控制畫面用於監控與操作。通過OPC接口實現先進控制服務器與DCS間的數據通訊。先進控制通過OPC從DCS讀取數據，並根據變量間模型關系計算出調節量，然后將該調節量通過OPC寫入常規PID控制回路的設定值，進而控制現場執行機構，實現變量的閉環控制。
預測控制技術
發展歷程
- 自20世紀50年代末發展起來的以狀態空間方法為基礎的現代控制理論，為過程控制帶來了基於模型的狀態反饋，輸出反饋等一系列多變量控制方法;對狀態不能直接測量的情形，也有觀測器和估計器等技術和工具。
- 20世紀70年代以來，加強了建模理論，辨識技術及最優控制等工程化的研究。
- 20世紀70年代末，出現模型預估控制。
- 20世紀80年代初，出現了模型算法控制，動態矩陣控制等。
- 20世紀80年代，許多模型預估控制的工程化軟件包研制成功。
80年代后，預估控制的研究和應用有了很大的發展，提出了很多改進算法。例如： - 有時滯對象，非最小相位對象，非自衡被控對象，多輸入輸出時的預測控制研究；
- 有約束情況下的算法研究；
- 預測控制的狀態控件表示方法，利用現代控制理論的方法進行設計；
- 對於非線性系統采用非線性模型作為預測模型進行控制；
算法類別
法國和美國最早將預測控制運用於過程控制領域，如：
- 動態矩陣控制（DMC：Dynamic Matrix Control）
- 模型預估啟發式控制（MPHC：Model Predictive Heuristic Control）
- 模型算法控制（MAC：Model Algorithm Control）
- 內膜控制（IMC：Internal Model Control）
- 廣義預估控制（GPC：General Predictive Control）
- 基於狀態空間模型的預估控制（SFPC:State Feedback Predictive Control）
組成部分
模型算法控制MAC
1.參考軌跡
在設定值發生躍變時，若要求輸出迅速跟蹤這一變化，往往需要施加大幅值的控制量，不僅難以實現而且一旦實現還會導致輸出變化不平穩。所以在MAC中設定一條平滑的參考軌跡，使輸出由當前值逐步過渡到設定值。令設定值為\(y^s\),參考軌跡為如下的一階指數形式：
其中 \(\alpha=e^{(-\tfrac{T}{T_i})}\) ,T為采樣周期，\(T_i\)為一階慣性環節的時間常數，\(\alpha\)為柔化系數，\(T_i\)越小，\(\alpha\)越小，參考軌跡就能越快地到達設定值，但是系統的魯棒性也越差。因此\(\alpha\)是一個影響動態性能和魯棒性的關鍵設計參數。
2.模型預估
PID控制與先進控制的區別
PID控制與先進控制的區別
PID控制為先進控制的基礎，先進控制的投用效果受PID控制性能影響。在實施先進控制項目過程中通常需要進行PID整定，良好的PID自控率是先進控制投用性能的保障。
| 序號 | PID控制 | 先進控制 |
|---|---|---|
| 1 | PID控制不需要建立數學模型，使用簡單，易於被現場操作人員接受，通常能解決80%的工業控制問題 | 先進控制需要建立精確的數學模型，可有效提高現場控制水平，通過多變量的預測算法解決控制難題 |
| 2 | PID控制是一種基於偏差的反饋控制，當偏差出現時才產生控制作用 | 先進控制技術基於模型預測，當預測到偏差出現時就會提前產生控制作用 |
| 3 | PID控制為單入單出控制，只局限於一對變量之間的相互關系 | 先進控制技術為多入多出控制，將裝置或某一單元作為整體，統籌考慮多變量間相互影響關系 |
| 4 | PID控制采用給定點控制策略，調節頻繁 | 先進控制采用區域控制策略，減少調節頻率（也可實現給定點控制） |
先進控制與黑屏操作的區別
| 項目 | 黑屏操作 | 先進控制 |
|---|---|---|
| 定義 | 黑屏操作是指通過對DCS系統中PID控制回路的比例（P），積分（I），微分（D）三個參數進行優化調整，在一定程度上減小裝置溫度，壓力，流量或者液位的波動范圍 | 先進控制全稱為先進過程控制（Advanced Process Control），簡稱APC，一般並不專指某種算法，如最優控制，解耦控制，推理控制，自適應控制，魯棒控制，模糊控制，智能控制，預測控制都可以稱之為先進控制 |
| 本質和目標 | 黑屏操作實質是常規控制PID參數整定，通過PID參數整定，獲取更好的一組比例（P），積分（I），微分（D）三個參數，在一定程度上提高裝置的平穩性和自控率，減輕操作人員操作強度 | 先進控制屬於常規控制PID回路之上的高級控制，通過裝置測試或者機理分析獲得裝置或單元的各類變量之間的動態數學模型，采用模型預測控制策略，提高裝置運行平穩性，並且在平穩的基礎上進行卡邊操作和優化控制，提高高附加 |
| 工作內容 | 裝置PID控制回路考察，摸清各回路控制效果；PID控制回路參數整定，優化比例，積分，微分參數；調整裝置不合理的控制回路；全裝置PID參數聯調 | 裝置考察，提出針對性的詳細設計方案；PID控制回路參數整定，優化比例，積分，微分參數；軟測量和控制器模型開發；控制器離線仿真；控制器上線投用及調整 |
黑屏操作和先進控制都需要對PID進行整定，黑屏操作為實施先進控制提供了良好的PID回路，同時先進控制解決了黑屏操作難以解決的大滯后，耦合等控制問題，提高了黑屏效果。
效益點
經濟效益
- 實時監控，保證生產安全；
- 通過實施先進控制，重要變量的均方差平均降低；
- 通過軟測量技術，實現主要產品質量在線觀測，保證產品質量；
- 通過卡邊操作與實時優化，降低質量過剩，提高目標產品的收率；
- 適應生產方案，原料性質和處理量變化，提高裝置處理新鮮原料的能力；
社會效益
- 提高操作水平，降低勞動強度；
- 提高裝置自控率和自動化水平；
- 節能減排，減少環境污染。
- 提高企業科學技術水平，增強企業競爭力；
- 在更高水平上實現“安，穩，長，滿，優”。