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1  引言

    算法是先進控制與優(yōu)化的基礎，但是一個成功的先進控制與優(yōu)化系統(tǒng)卻絕不可能只是先進控制和優(yōu)化算法實現(xiàn)的簡單組合。為成功實施先進控制與優(yōu)化，開發(fā)與應用先進控制與優(yōu)化系統(tǒng)，必須在整個工程實施的全過程中針對一系列的重要問題，提出1切實可行的解決方案。對于采用同樣生產工藝的被控過程，由于計算機控制系統(tǒng)的不同，先進控制與優(yōu)化系統(tǒng)的實現(xiàn)方案也很可能有很大差別。但即使是不同的應用平臺和先進控制與優(yōu)化實現(xiàn)方案，有一些問題卻是經常出現(xiàn)，具有一定的共性。針對這些問題，可以提出一套具有一定普適性的方法、步驟和指標，使之在不同類型的先進控制與優(yōu)化工程應用中均可以起到指導性作用。這些問題的覆蓋范圍很廣，涉及到先進控制及優(yōu)化工程應用中的方方面面。限于篇幅及能力所限，本文僅對其中的部分問題進行了討論與研究。
    本文結合實際工作，提出了工業(yè)過程優(yōu)化的核心內容和工程化方法的概念，并闡述了其具體內容，還研究了先進控制的經濟效益測算問題，最后討論了決定先進控制與優(yōu)化成功應用的關鍵因素。

2  工業(yè)過程優(yōu)化的核心內容和工程化方法

2.1  工業(yè)過程優(yōu)化的核心內容
    作為一個整體，工業(yè)過程優(yōu)化應包括從數(shù)據通訊與處理、模型建立、優(yōu)化問題求解到工程實施的全部內容，即所謂的工業(yè)過程優(yōu)化的核心內容。
    (1)  數(shù)據的通訊與處理
    實施工業(yè)過程優(yōu)化，必須以過程信息為基礎，無論采用哪種具體實現(xiàn)方案，數(shù)據通訊都是必須面對的首要問題。
    在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，常用的數(shù)據通訊協(xié)議有RS-232C、DDE和OPC等[1][2]。下面結合筆者的實際工作分別作簡要說明：
    ?  RS-232C是一個串行接口標準，其數(shù)據傳輸速率為9600bit/s，最大連接距離為10m，但通過RS-232C轉換器，可將此距離延長至1km，這使得其在工業(yè)現(xiàn)場的應用成為可能。
    在“昭通卷煙廠動力管理控制集成系統(tǒng)”的開發(fā)中，就采用了這種通信方式[3]。首先在μXL 操作站上用BASIC 語言編寫數(shù)據通訊程序，通過串行通訊接口RS-81 連接一條RS-232C 數(shù)據通訊線到數(shù)據采集計算機，并在數(shù)據采集計算機上編制相應的接口程序，實現(xiàn)數(shù)據采集功能。在實施某廠“丙烯腈流化床反應器在線操作優(yōu)化”的過程中也使用了這種數(shù)據通訊方式[4]。該廠丙烯腈裝置采用的計算機控制系統(tǒng)是CENTUM V，通過CGWU（Communication Gate Way Unit）實現(xiàn)與上位機的數(shù)據通訊。CGWU 通過RS-232C 采用串行半雙工（指令/響應）格式，即作為通訊接口單元的CGWU 只能被動接受上位機按一定格式發(fā)來的指令。通過在上位機中編寫有關數(shù)據采集軟件，并在軟件中對通訊口、通訊速率、字長、奇偶檢驗的確定等按照標準格式進行編寫，成功的獲得了現(xiàn)場數(shù)據。
    RS-232C的數(shù)據傳輸速率較低，但在一般工業(yè)實際應用中都可以滿足數(shù)據傳輸?shù)男枰蚨玫搅藦V泛的應用。但在一些對速度要求較高、并需要雙向數(shù)據通訊的場合，RS-232常顯得無能為力。
    ?  DDE是在微軟的Win32應用程序接口（API）上所開發(fā)的應用程序之間動態(tài)地移動數(shù)據的一種方法。DDE協(xié)議在應用程序間傳送信息，使得應用程序共享數(shù)據和采用共享的內存交換數(shù)據。在工業(yè)應用中，可以在DDE的基礎上實現(xiàn)控制及監(jiān)控軟件的數(shù)據交換，進行程序或計算機之間的通信。
    在正在實施的“大慶石化公司線性低密度聚乙烯裝置及丁烯-1精餾裝置優(yōu)化控制技術的研究與應用”項目中就采用了DDE通訊協(xié)議來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據的采集。首先在集散控制系統(tǒng)的工程師站上安裝DDE Server以及DDE Syntax Builder 軟件，再通過HUB 用雙絞線將工程師站和上位機連接起來，構成一個局域網。在上位機中，首先安裝DDE Syntax 軟件來匹配DDE Server 中的設置，然后編制DDE Client 程序采集指定工位點的數(shù)據量。
    雖然目前許多儀表設備制造商在標準DDE的基礎上，推出了通訊速度和功能改進型的DDE，但是隨著OPC技術的出現(xiàn)，DDE的使用已經日益減少。因其繼續(xù)發(fā)展的空間有限，甚至有人認為DDE 技術即將被淘汰。
    ?  OPC（OLE for Process Control）由一系列用于過程控制和制造業(yè)自動化應用領域的標準接口、屬性以及方法組成，為多種多樣的過程控制設備之間進行通信提供了公用的接口，而與過程中的控制軟件或設備無關。OPC 提供了單一的、一致的工業(yè)標準接口，從而不再需要開發(fā)一系列專有的硬件設備驅動程序。以上的這些優(yōu)點使得OPC廣泛應用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。
    筆者在Supcon JX-300X 集散控制系統(tǒng)上利用OPC 實現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)控軟件和預測控制軟包的雙向數(shù)據通訊[6]。Supcon OPC Server 提供了對Supcon JX-300X 系統(tǒng)上數(shù)據的讀寫操作功能。上位機通過控制軟件內嵌的OPC Client 控件提供的標準DA Automation 接口來訪問Supcon OPC Server，并通過其提供的標準OPC 接口來讀寫數(shù)據，進行數(shù)據雙向通信。
    現(xiàn)階段，大多數(shù)計算機控制系統(tǒng)（包括集散控制系統(tǒng)）的完成操作、管理級功能的操作站或工程師站已經采用微型計算機，操作系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)。在這樣的形勢下，OPC就成為了現(xiàn)階段最為流行的工業(yè)過程數(shù)據通訊技術。
    基于可測信息和數(shù)學模型實時計算不可測量的變量，即軟測量技術，也是工程優(yōu)化中不可缺少的內容。一些關系到產品質量的關鍵變量，由于質量測量儀表的缺乏或不可靠，無法獲得實時的、可靠的在線信息，這時可采用包括工藝穩(wěn)態(tài)模型、神經網絡模型和動態(tài)數(shù)學模型等方法來推斷估計。例如在實施丙烯腈流化床的在線優(yōu)化控制時，由于無法通過儀表實測反應器出口丙烯醛含量，筆者利用實驗室化驗分析數(shù)據和其它現(xiàn)場實時數(shù)據采用多元逐步回歸算法建立了丙烯醛的軟測量數(shù)學模型，作為最優(yōu)化問題中的約束方程，并在此基礎上成功的實現(xiàn)了丙烯腈反應器的在線優(yōu)化[7]。
    (2)  優(yōu)化模型的建立
    除了正交優(yōu)化試驗、均勻優(yōu)化試驗等試驗優(yōu)化技術外，實施工業(yè)過程優(yōu)化的首要步驟通常是通過機理方法或數(shù)學擬合法建立合適的描述被研究對象的數(shù)學模型。根據具體的優(yōu)化任務，確定一個或多個優(yōu)化目標，圍繞這些優(yōu)化目標，基于實時采集的數(shù)據，確定結構已知的機理模型的各種參數(shù)，或者建立半機理模型或純粹的數(shù)學擬合模型，同時確定必須滿足的各種約束方程。用來建立模型的數(shù)據可以是裝置的正常運行數(shù)據，也可以是給被研究對象預先施加一定形式和幅度的測試信號后獲得的數(shù)據。
    (3)  優(yōu)化問題的求解
    建立被研究對象的數(shù)學模型后，需要選擇合適的優(yōu)化算法求解優(yōu)化問題。優(yōu)化算法的選取應該根據模型的具體形式和優(yōu)化目標的個數(shù)確定。例如，線性規(guī)劃形式的優(yōu)化模型可以采用單純形算法求解，多目標優(yōu)化模型可以采用能夠處理多優(yōu)化目標的算法求解[8][9]。由于被研究對象的復雜性和部分關鍵數(shù)據獲取的困難，更多的時候人們建立的是一個僅僅能夠粗略描述被研究對象的模型（工作點附近的近似模型），這時候希望獲得全局優(yōu)化解是不可能也是不現(xiàn)實的，比較有效的解決方法是引入在線優(yōu)化的概念，通過梯度法以比較小的步長從現(xiàn)有工作點出發(fā)獲得優(yōu)化的新工作點，然后再滾動建立新的近似數(shù)學模型，再次進行優(yōu)化計算，從而最終得到滿意的結果。采用這種方案，筆者及其合作者先后實施完成了多項在線操作優(yōu)化工程[7][10][11]。在線操作優(yōu)化簡化了建模過程，通過滾動優(yōu)化可以解決大范圍內非線性問題，同時可以克服對象時變特性的負面影響，以保證被控對象的操作條件長期保持在較好的狀態(tài)，這一點在上述優(yōu)化工程的實際運行中得到了良好的體現(xiàn)。
    (4)  工業(yè)過程優(yōu)化的實施
    工業(yè)過程優(yōu)化在實施時需要解決許多具體的工程問題，其中包括：
    ?  合理地選擇優(yōu)化步長。投運新的優(yōu)化工作點要保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性，并保證工藝操作參數(shù)的安全性，從而保證工業(yè)過程優(yōu)化所能獲得的經濟效益。
    ?  正確整定基本PID控制回路和先進控制系統(tǒng)。整定基本PID控制回路是為實施先進控制奠定基礎，而整定先進控制系統(tǒng)則是在系統(tǒng)的動態(tài)響應與魯棒性之間做出權衡。先進控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行又是成功實施優(yōu)化的保障，因為在大多數(shù)情況下優(yōu)化給出的結果是自動控制回路的設定值，先進控制可以用來保證在控制回路設定值發(fā)生改變時被控量波動小，處于安全的工藝操作范圍內。
    ?  建立良好的人機界面，確保在最常用的流程圖畫面上看得到優(yōu)化系統(tǒng)的信息，便于投用、維護和操作。
    ?  準確合理地評價優(yōu)化的效果。
  
2.2  工業(yè)過程優(yōu)化的工程化方法
    要使工業(yè)過程優(yōu)化達到預期的經濟效益，必須嚴格地按一定的程序完成優(yōu)化的工程化工作，而且要與所選用的工作平臺無關。工業(yè)過程的工程化方法應該包括以下步驟：
    (1)  定義目標  首先應將整個企業(yè)的目標細化為裝置的目標、過程單元的目標以及最終主要過程設備的目標。優(yōu)化工作可以在企業(yè)級、裝置級、過程單元級等不同的層面上展開，通常需要具體問題具體分析。一般情況下，企業(yè)的目標可以表述為經濟效益，優(yōu)化指標可以是企業(yè)的利潤等具體經濟效益指標；過程裝置的目標可表述為以一定的產率生產出滿足一定規(guī)格的某些產品，優(yōu)化指標可以是生產成本最低、產品質量或處理量最高等。
    (2)  關鍵影響因素的確定  通常情況下，影響優(yōu)化目標的因素可能比較多，可以通過排除法或設計正交優(yōu)化試驗來確定影響目標的最關鍵因素，減少因為因素過多而造成的建模不準確或模型不穩(wěn)定等問題。同時要確定各種約束條件及其約束方程，以保證將來優(yōu)化系統(tǒng)給出的優(yōu)化參數(shù)不違反任何安全約束和設備約束。
    (3)  識別工業(yè)過程優(yōu)化的適用性  工業(yè)過程優(yōu)化的適用性是指通過實施工程優(yōu)化能否達到預期的設計目標，同時應該核定實施優(yōu)化可能帶來的經濟效益、社會效益，要核實為實施優(yōu)化必須具備的一些控制回路或控制手段是否存在，或者它們能否滿足實施工業(yè)過程優(yōu)化的具體要求。在大多數(shù)的時候，為順利實施工業(yè)過程優(yōu)化，往往需要同時實施PID控制器的參數(shù)整定和個別關鍵參數(shù)的先進控制，有時還需要適當改造現(xiàn)有的計算機控制系統(tǒng)。根據工程優(yōu)化所面臨的問題，在研究適用性時可采取兩種方法：對于待建裝置或系統(tǒng)，可以依據工程經驗或者通過穩(wěn)態(tài)、動態(tài)仿真來識別是否有必要應用優(yōu)化策略；而對于現(xiàn)有裝置，可以利用已有的大量過程運行數(shù)據及相關工藝設計數(shù)據得到過程的實際運行趨勢和相關圖表，進而分析過程的運行狀況和控制系統(tǒng)的工作情況，判斷工程優(yōu)化的適用性。
    (4)  工業(yè)過程優(yōu)化的效益/成本分析  在每個可能的優(yōu)化實施方案下，將預期可以獲取的經濟效益與實施該方案的成本進行比較，其中優(yōu)化方案中應考慮到包括PID控制器的參數(shù)整定和個別關鍵參數(shù)的先進控制，以及必要的現(xiàn)有計算機控制系統(tǒng)的改造方案的成本。根據效益/成本分析結果確定是否采用優(yōu)化或應當采用哪種工程優(yōu)化方案，或者決定在哪個層次上實施工業(yè)過程優(yōu)化。
    (5)  制訂功能標準  對要實施的工程優(yōu)化系統(tǒng)必須規(guī)定其功能標準。其主要內容包括優(yōu)化目標、過程描述、優(yōu)化算法、涉及的硬件、儀表、控制回路、程序框圖等，并在詳細工程設計時進一步擴展并最終成為工程優(yōu)化的技術文檔。
    (6)  工程優(yōu)化的實現(xiàn)  在工程優(yōu)化方案確定以后，首先進行詳細的工程設計。這些工程設計包括控制回路連接圖、系統(tǒng)儀表配置一覽表、優(yōu)化系統(tǒng)操作界面等，最終生成可實現(xiàn)的工程優(yōu)化軟件。
    (7)  調試  調試是為了檢驗工程優(yōu)化方案和生成的優(yōu)化軟件是否正確。因此，首先進行在線實時仿真和跟蹤，測試優(yōu)化系統(tǒng)給出的參數(shù)調整方向是否合理，給出的工藝參數(shù)數(shù)值是否在可行的范圍內。只有在滿足工藝要求和設計要求后，方可開始試投運。在運行中，應該根據具體情況適當調整有關參數(shù)。最后，還要比較優(yōu)化系統(tǒng)投運前后的差異，以檢查是否達到了預先設計的目標。
    另外應該認識到，在工程優(yōu)化與人的關系中，人是起主導作用的一方，如果因操作人員對優(yōu)化系統(tǒng)不理解而使其不能正常工作，則工程優(yōu)化的效益往往就要打折扣。因此，工程優(yōu)化的基本原理必須深入到每個操作者，使他們能認識并熟悉所實施的工程優(yōu)化基本原理和操作使用以及維護方法，這些都需要通過充分的技術培訓來實現(xiàn)。由于優(yōu)化系統(tǒng)一般比較復雜，為了培訓和維護工作的需要，設計、實施、投運優(yōu)化系統(tǒng)的全過程都必須建立完整的文檔資料。

3  先進控制的經濟效益評價

    實施先進控制與優(yōu)化的目的概括起來無外乎穩(wěn)定生產和提高經濟效益。評價先進控制的經濟效益，是一項十分重要的工作[12][13][14][15]。實施先進控制，經濟效益的產生最主要來源于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善。即原來常規(guī)控制時波動可能較大，為了使被控參數(shù)不超出極限值，不得不將其控制的平均值設定的離目標值較遠。使用先進控制手段使參數(shù)波動幅度減小，因而可將被控參數(shù)控制的更接近目標值，平均值的差值就可以帶來經濟效益的增長，如圖1所示。

圖1  先進控制改善系統(tǒng)動態(tài)性能

    其次，采用先進控制之后，可將根據與受控變量相關的過程消耗和產品回收或產品產量的經濟運行模型生成操作目標，優(yōu)化生產過程，按市場需求情況來調節(jié)生產，提高經濟效益。
    為了估計先進控制帶來的經濟效益，首先應定出計算經濟效益的項目。制定先進控制策略時確定好與裝置的操作目標相一致的控制目標，從而設計相應的控制功能。應選出其中能直接算出經濟效益的所有項目進行計算，如提高處理量，優(yōu)化反應過程的轉化率以提高產品產率，降低操作能耗等。
    其次，要收集裝置實施先進控制前的基準數(shù)據。基準數(shù)據是作為先進控制投用前后比較的依據。在先進控制中，關鍵操作變量的平均值和標準偏差是用于效益計算的主要變量。這些變量通常包括關鍵的產品質量點、重要的操縱變量、物料及能量平衡參數(shù)、約束變量。此外還有原料處理量和性質、產品產量、收率和主要性質、產品價值、原料和公用消耗的費用等。
    在收集數(shù)據時，有一些需要注意的問題。采集的數(shù)據應具有代表性，即能反映現(xiàn)有常規(guī)控制下正常變化的數(shù)據。要求既不含不正常操作的數(shù)據，也不含經格外仔細操作所得的數(shù)據，因其均不代表實際操作情況，估算不出真正的經濟效益。采集數(shù)據的量還應足夠多，這是因為動態(tài)效益計算的關鍵在于減小受控變量圍繞其目標值上下波動的幅度，而要想對重要參數(shù)的平均值及標準偏差進行評估，需要有足夠的操作數(shù)據。    此外，在理論上，采樣頻率與干擾進入過程的頻繁程度有關，如果過程頻繁處于不穩(wěn)定狀況，過低的采樣頻率將不能夠真實地反映過程的變化情況。用于計算效益的經濟數(shù)據也應取的合理，原料和產品用市場價，中間產品用工廠成本價，各種自用燃料可按熱值換算成當量燃料油。如果市場產品價格經常變動，投運先進控制與優(yōu)化后核算時仍要用同一價格。其它費用數(shù)據也要保持投運前后一致，以便在相同基礎上比較經濟效益。
    在收集了足夠的合理數(shù)據之后，就可以對先進控制的經濟效益進行估算。一般最常用的方法為統(tǒng)計分析法。
    統(tǒng)計分析法的基本思想是認為裝置操作變量的正常波動有隨機性，數(shù)據變化符合正態(tài)分布。而先進控制則可以減小裝置操作變量隨機波動的標準偏差，通過對實施先進控制后標準差進行假設，可得到方差的預期變化量。進而，根據工藝指標或假設的超限比例，推斷平均值能夠移動的大小。在得出操作點的變化之后，再根據產值和能量消費，就可以估算出先進控制對經濟效益帶來的提高。
    在效益預測計算中常用到的統(tǒng)計學概念有平均值和標準偏差。平均值為：    ，標準偏差為：
  
    用于數(shù)據的統(tǒng)計分析時，還常用到標準正態(tài)分布函數(shù)F(Z):
 
    F(Z)表示的時標準正態(tài)分布曲線下小于Z的面積。 Z時正態(tài)分布統(tǒng)計參數(shù)，，XL是該操作變量的限值。可認為F(Z)是未超限數(shù)據的分率。
    若把超限數(shù)據的分數(shù)稱作m% ，則m%=[1-F(Z)]×100%，如果有某變量的一組數(shù)據，允許有m%超限，則可求出相應的限值XL，即首先計算 F(Z)=1-(m/100)，從正態(tài)分布表查得Z，再算出。
    用標準正態(tài)分布函數(shù)通過分析先進控制前的數(shù)據估算經濟效益，是基于投用先進控制后操作數(shù)據的方差減小，核心是計算其平均值能向效益高的方向移動多少，即計算，其中下標C代表先進控制投運后的數(shù)據。
    一般情況下，實施先進控制可使標準偏差減小30%～90%。即先進控制投運后得數(shù)據標準偏差為：。
    其中是SP2 過程方差，是SM2 測量方差。計算機控制系統(tǒng)只能減小的只是過程方差，式中K 即代表過程方差減少后余下的比例。但在一般    情況下，可認為SC=K?SP，計算的方差將被用于推斷平均值能夠移動的大小。
    在實際生產中，原有的人工操作一般都會偏保守，以使受控變量不超過約束值，即受控變量與約束值之間存在額外的裕量。由于此裕量的存在，可能會使得先進控制所能獲得的經濟效益更加顯著。
    但需要指出的是，更接近約束條件的操作并不一定都會帶來期望中的效益增長。由于過程的各個因素之間可能存在著相互耦合的關系，某個指標的增長可能會帶來另一個指標的下降，從而使經濟效益的增長受到影響。遇到此種情況時，僅僅考慮平均值的改變是不夠的，必須對過程中的各個指標進行綜合考慮和優(yōu)化，以實現(xiàn)效益的最大增長。其次，投用先進控制后與人工操作時相比可能會更多的違反限定值，會引起裝置中某些部分的磨損加速，使得生產成本升高，這一點在計算效益增長時也應考慮進去。

4  決定先進控制與優(yōu)化成功應用的關鍵因素

    對于先進控制，決定其在實際應用中能否成功的因素主要有四個[16] ：
    (1)  對先進控制系統(tǒng)應有長期的技術支持[17]。如果設計者不能始終在控制現(xiàn)場，應對操作者進行培訓，使他們對先進控制系統(tǒng)有最基本的了解，可以解決一些常見的問題。
    (2)  所有最底層控制器應有好的性能，同樣還應保證的有儀器的可靠性。
    (3)  測量的可靠性和正確性。這一點在很多時候都被忽略了，控制效果不佳時，人們往往只認為控制策略有問題，而不去檢查測量系統(tǒng)的測量值是否準確。
    (4)  過程的非線性。在設計控制系統(tǒng)時應保證在工作范圍內有適當?shù)木€性化，以及考慮未來系統(tǒng)工作點可能的大范圍漂移，采取適當方法處理。
    同樣，決定優(yōu)化在實際應用中能否成功的因素也可以將上述四者羅列其中。同時，因為很多優(yōu)化系統(tǒng)需要一些關鍵量的實驗室化驗分析數(shù)據，所以還要確保這些化驗分析數(shù)據的準確性、可靠性和及時性。

5  結語

    隨著工業(yè)過程日益朝著集成化、大型化方向發(fā)展，系統(tǒng)的復雜性不斷增加，表現(xiàn)為控制目標多元化、變量數(shù)目增多且相關性增強以及存在著多種約束[18]。因此，先進控制與優(yōu)化的應用也將越來越多，這就要求人們對先進控制與優(yōu)化的工程實施過程應有一套可以適用于不同問題的一般性方法與步驟，以便于具體工程的實施。本文通過研究，提出了工業(yè)過程優(yōu)化的核心內容和工程化方法的概念及內容，研究了如何測算先進控制帶來的經濟效益，并討論了關系到先進控制與優(yōu)化應用成功與否的關鍵因素。這些研究結果些在不同的先進控制與優(yōu)化工程中都可以起到一定的指導作用。

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