PDF《第一章 绪论》

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第一章 绪论 预测控制算法是一类典型的新型计算机控制算法,它不是某一种统一理论的产物,而 是在启发式(heuristic)的基础上,从不同的方面(首先是工业领域,特别是化学工业)独 立发展起来的算法.

预测控制 (Predictive Control: PC) , 也称模型预测控制 (Model Predictive Control:MPC) ,或者称为基于模型的控制(Model-based Control) . 常见的预测控制方法有: 动态矩阵控制(DMC:Dynamic Matrix Control,它是目前最主要的一种模型预测控制 技术) 、模型算法控制(MAC:Model Algorithmic Control) 、模型预测启发式控制(MPHC: Model Predictive Heuristic Control) 、广义预测控制(GPC:Generalized Predictive Control,它 是一种具有自适应功能的模型预测控制技术) 、内模控制(IMC:Internal Model Control,理 论研究上常用此方法) 、 扩展时域预测自适应控制 (EPSAC: Extended Prediction Self-Adaptive Control) 、输出预测算法控制(OPAC:Output Predictive Algorithmic Control) 、输出预测最 少拍控制(OPDC:Output Predictive Deadbeat Control) 、外推数字控制(EDC:Extended Data Control) . 这些算法具有工程背景强、设计简单、鲁棒性强的特点,而且能处理时延系统和多变量 系统, 因此预测控制在过程控制中得到了越来越广泛的应用. 它主要用于有必要建立系统模 型、但建模过程十分繁杂的复杂对象.这类对象通常有大量的内部关联,有非线性特性及非 静态特性, 存在着对控制量或中间变量的各种约束, 其参数甚至结构都可能随着时间发生变 化.具体技术方法虽然名目繁多,但核心思想是一致的. §1.1 预测控制的产生背景

一、 计算机控制的飞速发展 1.开创期----50 年代 将数字计算机引入闭环控制,作为控制系统的部件,其思想萌发于

1950 年前后.最初 的研究是用于导弹和飞机的控制.但当时的计算机体积大、能耗高、可靠性差,应用的潜力 并不大. 从而导致了一些用于航空航天的专用计算机的研究, 例如数字微分分析器 (DDA) . 在过程控制中采用计算机最早的例子:

1956 年3月~1959 年3月12 日,从可行性研究到在线运行,TRW 航空公司与 Texaco 公司在 Texas 州的 Port Arthur 炼油厂,采用 RW-300 计算机,实现了一台聚合装置计算机控 制系统,控制了

26 个流量、72 个温度、3 个压力、3 个成分,并且有某些优化功能.

1960 年3月,推广到

37 套系统.

1961 年,推广到

159 套系统,包括化工、电力、钢铁. 设定值控制(SPC) :计算机(常常通过人)修改模拟调节器的设定值. 2.直接数字控制时期----60 年代初、中期 直接数字控制 (DDC) : 计算机直接控制生产过程.

1962 年, 英国的帝国化工公司 (ICI) 采用一台 Ferranti Argus 计算机取代了装置上的全部模拟控制仪表,计算机直接测量

224 个量、控制

129 个阀门. 3.小型计算机时期----60 年代后期~70 年代初期 集成电路技术开发期,计算机体积减小、速度提高、可靠性增强、价格下降,CPU 的-2-平均无故障时间(MTBF)从1958 年的 50~100 小时,到1962 年的

1000 小时,到CDC1700 的20000 小时.

1970 年,过程控制计算机

5000 台,1975 年,过程控制计算机

50000 台. 4.微型计算机时期----70 年代中期~现在 这段时期,大规模、超大规模集成电路发展迅猛.

1973 年Intel 公司推出 Intel 4004,1975 年Honeywell 发表 TDC2000 DCS,横河公司发 表CENTOM DCS. 5.现场总线技术----现在~ 量子计算机、光计算机

二、 控制理论的发展:航天、航空技术发展是主要动力 1. 最优控制----50 年代末~60 年代初 Bellman、Pontryagin 2. 状态空间理论----50 年代末~60 年代 Kalman、Lefschetz、Pontryagin、Bellman 主要推动力来自常微分方程理论 3. 随机控制----60 年代 Bellman、Kalman、?str?m 线性二次高斯(LQG)理论 4. 代数系统理论----60 年代末~70 年代初 Kalman、Rosenbrock、Wonham,线性系统 5. 系统辨识、自适应控制----50 年代末~ ?str?m

三、 控制理论与过程控制发展相脱节 工业过程控制追求的是更高的控制品质和经济效益, 特别是在

1973 年能源危机爆发之 时, 而现代控制理论的一个出发点就是最优性能指标, 因此, 二者的结合应该是十分自然的, 然而可叹的是实际效果却很差. 过程控制的特点是:被控对象具有大纯滞后、大时间常数、多输入多输出、时变、非 线性、强扰动等特性,而控制任务可表述为多目标有约束的动态优化问题.但是现代控制理 论则要求具有精确的对象数学模型,且更侧重于单目标优化问题,更严重的是,它的发展更 多地依赖于理论本身而不是工程实践. 从自动控制开始产生,反馈控制一直居主导地位,特别是在维纳将反馈的概念上升到 方法论的高度.工程实践需要产生新的控制思想,于是预测控制引入了闭环. 而最优控制、随机控制、系统辨识、多变量控制的研究,也为预测控制的产生和发展 准备了一定的理论基础. §1.2 预测控制的发展历史

一、 预测控制算法的发展 1. 模型算法控制

1978 年的 Automatica,1978,14(5) :413~428 发表了法国 Richalet J,et al 的Model Predictive Heuristic Control:Applications to Industrial Processes. MPHC 技术公开发表时已经在十几个大型工业过程连续和成功地应用了一年时间,包-3-括流化催化裂化(FCCU)精馏塔和

250 兆瓦电站锅炉,并且用它控制了一个生产聚氯乙烯 (PVC)化工厂的主要设备:三台裂解炉、四座精馏塔,控制效果有明显提高,每台设备可 获每年

10 万至

15 万美元的经济效益. Richalet创办的Adersa公司将预测控制和建模技术相结合编制了第一个预测控制软件包 IDCOM:Inentification/Command.这个软件包是目前许多预测控制软件的鼻祖. 2. 动态矩阵控制 Cutler C R, Ramaker B L 的文章 Dynamic Matrix Control―A Computer Control Algorithm 发表在 Proceedings of Joint Automatic Contril Conference v.1, 1980, WP5-B. 该会议是

1980 年在 San Francisco 由American Automatic Control Council 举办的.

1979 年Shell 公司的 C. R. Cutler 和B. L. Ramaker 在美国化工年会上公布动态矩阵控制 (DMC)时,据称这种方法已在 Shell 应用了六年之久,并且控制了一个炼油厂的全部主要 设备.目前石化行业认为 DMC 是对付大纯滞后、多变量问题最好的方法,许多预测控制软 件包都是以 DMC 为核心的. 3. 广义预测控制 Clarke D W,Montadi C,Tuffs P S ,Generalized Predictive Control,Automatica,1987, 23(2) :137~162

1987 年英国牛津大学的 D. W. Clarke 发表了广义预测控制(GPC) ,与一般预测控制方法 不同,GPC 更强调在线适应被控装置特性的变化.GPC 已成功应用于水泥研磨机、工业锅 炉、造纸机、喷雾干燥塔、机器人等系统.

二、 预测控制技术的发展 国外许多控制系统生产厂家都致力于模型预测控制的应用,大力发展工程化软件包. 最早的预测控制软件包是法国 Adersa/Gerbios 公司的 IDCOM;

美国休斯顿的 Setpoint 公司 进一步完善了IDCOM, 并且发展了他们自己的多变量预测控制软件包M-IDCOM;

Honeywell 推出了单变量前景预测控制软件包 HPC 和多变量前景预测控制软件包 HMPC,并进一步开 发出鲁棒模型预测控制技术(RMPC) ;

日本横河公司推出了 Predictrol 软件包;

Bailey-Sereg 公司推出了 Optima;

日本山武霍尼韦尔公司开发了以 Kalman 滤波器为预测器的 Predimat 软件包.有些控制仪表生产厂家甚至在单回路和多回路数字调节器上开发模型预测控制器. 可以说国外工业界对模型预测控制技术目前主要是推广应用的问题,阻碍模型预测控 制器商品化的技术障碍已经被克服.以软件进步为例,用Fortran77 源代码编制的模型预测 控制器,只需几 K 字节的内容就可以在 PC 机上运行.日本电气计测器工业会先进控制技术 动向调查委员会

1990 年统计了全日本

183 例先进控制技术应用,其中模型预测控制有

42 例,应用效果居突出地位,用户满意和非常满意的占 66%,另24%也是用户稍有不满意, 没有用户不满意的情况. 即使经过十几年的努力,国外工业界对模型预测控制技术的应用也还是刚刚开始.据IDCOM 的首创者 J. Richalet 估计,到1991 年底为止,在全世界成万个化工单元中,只有大 约250 个使用了模型预测控制. 我国自动控制界从八十年代中期开始研究模型预测控制,在理论上提出了许多改进的 控制方案, 也发表了大量的研究文献, 可以说在模型预测控制理论方面并不比国外落后多少, 但在应用方面则相差很远.至今为止,我们国家仅在个别单元上使用过模型预测控制技术, 还未见有国产的预测控制软件的报导.

三、 为什么要采用模型预测控制技术? 近二十年来,数字计算机突飞猛进的发展和普及,给自动控制技术带来了革命性的变 -

4 - 化.国外发达国家工业企业,为了不断提高产品质量,增加利润,提高产品市场竞争力,纷 纷采用集散控制系统(DCS) .据美国燃烧工程 SIMCOM 公司

80 年代末统计,在炼油厂中, 美国有 35%的炼制加工装置采用了 DCS, 英国有 45%炼制装置采用了 DCS, 加拿大为 50%, 日本为 75%. 与控制计算机的硬件和常规软件技术飞速发展相对应,DCS 上的先进控制软件却没有 得到普及应用.几十年来,工业控制仪表从气动的本地式仪表,发展到集散控制系统,主要 的控制器结构却没有发生变化,仍然是 PID 调节器.据日本电气计测器工业会先进控制动 向调查委员会统计,日本

1990 年有 91%的控制回路采用 PID 控制,采用先进控制的回路仅 有3%;

在美国,据控制工程杂志(Control Engineering)编辑 E. J. Kompass 估计,有90% 以上的工业控制器仍为 PID 控制器;

在我国,甚至可以说除了 PID 控制,就是手动控制. 总之,据估计在所有控制回路中有 10%左右很难用 PID 控制器取得好的控制效果,甚至无 法保证安全平稳操作,这主要是由于实际过程的大滞后、多变量、强扰动等原因,对这些回 路需要采用先进控制技术.据模型预测控制的首创者和 IDCOM 软件包的鼻祖,法国工业控 制专家 J. Richalet 估计,这10%的回路可以通过采用预测控制获得收益. 工业过程的先进控制和优化首先来自工业生产的需求.以石油化工为例,七十年代两 次石油危机,原油价格上涨十倍,使原油价格占生产成本的 70%以上,如果还用原来的办 法生产就会亏损.1993 年,在悉尼举行的第

12 届IFAC 大会上,M. L. Brisk 估计,石油化 工工业每年必须降低成本 3%,才能保证赢利.这3%从何而来?先进控制与优化是强有力 的工具.进一步讲,对一个装置,即使原来设计是优化的,但随着时间的推移,由于催化剂 的老化,装置中管线的堵塞,环境的变化等等,都会使装置的运行达不到最优,这就必须随 时对操作条件进行优化, 才能保证装置一直运行在最佳状态. 对一个具体的比较复杂的回路, 同样有这个问题,采用常规 PID 控制是无法保证长期运行在较好状态的,怎么办?只能采 用先进控制. 先进控制的确也能为企业带来巨大的经济效益.例如,1987 年悉尼大学对七个过程控 制单位做出评估,用先进过程控制,可降低成本 2-6%;

1991 年美国的一个报告指出,在过 程控制中采用理想的控制可增加赢利 15%, 杜邦公司

1988 年报告, 该公司若改进过程控制, 每年可节省

5 亿美元. 图1.1 的曲线可以给出一个 DCS(集散控制系统) 、先进控制与优化系统的总体概念. 在工业过程中已经广泛采用了 DCS,而先进控制与优化也是在 DCS 操作站或上位机上进行 的.从图中可以看出,DCS 用掉 70%的投资却只产生 15%的经济效益,而在此基础上,再 增加 30%的投资用于先进控制和优化,却可以换来 85%的经济效益.

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10 0 DCS TAC DMC CLRTO 效益投资CLRTO: Closed-Loop Real-time Optimization( 闭环实时优化)DMC: Dynamic Matrix Control( 动态矩阵控制)TAC: Traditional Advanced Control( 常规先进控制)DCS: Decentralized Control System( 集散控制系统)图1.1 计算机应用的潜在效益百分比 -

5 - 以上这些数据充分说明了先进控制软件在工业过程控制中应用的重要性. 目前最重要的先进控制技术是模型预测控制(MPC) ,现在已经在................