先进控制PPT资料课件.ppt
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1、流程工业先进控制技术的现状与发展,Application of Advanced Control Technology in Process Industry上海交通大学自动化系邵惠鹤教授2005年10月14日,一、以企业盈利优化为目标的流程工业综合自动化,1.1 流程工业在国民经济中的支柱地位,流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等是在知识经济时代的21世纪的国民经济中占主导地位的行业全球500强行业中,流程工业企业有70余家,占15%,其营业收入占总收入的16.5%我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%,流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础,因此
2、,流程工业是国家的重要基础支柱产业,流程工业是国民经济重要基础支柱产业,全球500强企业中,流程工业企业占了70家 中国流程工业总产值占工业总产值66%,1.2 流程工业综合自动化,是将先进的工艺制造技术、现代管理技术和以先进控制技术为代表的信息技术相结合将企业的经营管理,生产过程的控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理实现企业的优化运行、优化控制与优化管理,成为提高企业竞争力的重要高技术,1.3 意义,21世纪信息产业的发展,使企业的经营活动正在由封闭性、地区性向开放性和全球化转变我国工业企业要在剧烈的市场竞争中处于不败之地,必须以信息化带动工业化,使企业具有对市场动态环境快速适应能力和
3、业务重组能力流程工业综合自动化的重大发展,对于推进企业现代化管理和可持续发展,追求最佳经济效益,缩短生产周期,加快资金周转,降低产品成本,提高企业竞争力等方面具有特别重要的意义,1.4 流程综合自动化受到高度重视,列入发达国家的重点高技术发展计划国际上著名的钢铁企业日本新日铁 石化企业美国埃克森公司 已经实现了全厂CIPS 获得了显著的经济效益我国的流程工业CIPS在国家863高技术计划的支持下取得了较大的发展,具有竞争优势的高技术,流程工业企业正在大幅度提高其在信息技术方面的投资 英国当年信息技术产品和服务在工业界的市场份额为31亿英镑,而流程企业在信息技术上的花费就达到15亿英镑二十世纪8
4、0年代后期,使过程控制开始突破自动化孤岛模式,出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式,自动化领域的高技术中的前沿课题,1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业都相继建立了流程CIMS系统。通过计算机网络向上下游、产供销一体化或集成化方向发展意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案,对生产过程进行监视、控制和诊断,单元整合和优化在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、企业资源计划、模拟与优化等。目前国外实施CIMS的大型流程工业企业已占很大比例,1.5 目前存在的问题,流程工业中运行的控制系统均以控制性能为指标,没有对产品质量
5、和工艺指标进行控制,因而产品质量差,产品收率低,生产成本高生产过程中的物耗、能耗、设备运行都没有实现在线控制与管理生产过程没有实现优化运行、优化控制和优化管理企业资源未能实现优化配置,企业的经营管理、生产过程指挥与管理和过程控制的信息没有实现有效集成,1.6 基于ERP/MES/PCS的三级结构,ERP/MES/PCS三级结构,基于ERP/MES/PCS三级结构的特 点,三层结构符合现代企业生产管理结构“扁平化”的思想,较之五层结构更易于集成和实现系统结构的扁平化,促使管理以职能为中心向以过程为中心转变 三级结构实现了一体化过程控制(IPC)的要求三级结构中,MES 是集成的关键,以企业盈利优
6、化为目标的过程综合自动化的内容,ERP(企业资源计划)&SCM(供应鏈)MES(制造执行系统)通过对生产系统的跟踪和监督,以有效实现生产计划和调度的优化Monitoring&SPC(Statistical Process Control)(过程监控与统计过程分析)ROP(Real-Time Optimization实时优化)APC&R2R(Advanced Process Control&Run to Run Control 先进控制与),以盈利为目标的信息化企业,ERP,SCM,MES,Monitoring&SPC,APCREOPT,公司各部门,在递阶级构中的地位,工厂级优化,装置级MPC,
7、DCS,过程监控,生产过程,企业或企业集团经营优化,信息化企业的示意结构,需求预测战略计划,订单管理,客户管理,客户订单,ATP/CTP,生产计划和调度,采购计划,MES,APC,仑库管理,生产装置,ERP,监控,先进控制、实时优化和 过程监督控制,传统控制:反馈、串级、前馈等。MPC:带约束的多变量模型预测控制实时优化控制:装置和全厂的实时优化以提供局部控制器的设定值过程监督控制:基於历史数据和统计方法实现系统(过程)性能和产品质量的监督控,例如 PCA,PLS 和 NN 等。R2R,ERP/MES/PCS三级结构四大创新技术,1、以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术(APC)2、以经济
8、指标为目标的生产过程优化运行、优化控制、优化管理技(MES)3、以财务分析与决策为核心的整体资源优化技术(ERP)4、以企业目标为主导,以知识链为依托的ERP/MES/PCS三级结构集成技术,二、以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术(APC),2.1 先进控制的提出与特点2,2 先进控制的发展现状2.3 基于模型预测的多变量约束控制MCC(Multivariable Constrained Controller)2.4 MCC在工业过程控制中的应用在FCCU反应再生系统的应用(仿真)MCC在大型催化裂化中的应用,2.1 先进控制的提出与特点,大型石化工业过程的特点:规模庞大,结构复杂,不确
9、定性,非线性,强耦合性实现安全、平稳、高效生产的需要;提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策;先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中起着承上启下的重要作用,先进控制的提出的背景,美国的化学工业每年的产值四千亿美元,提供一百多万个就业岗位,2000年出口总值达725亿美元,占美国出口的10%。要保持化工工业在全球的销售实力,就要保持更低的价格和更可靠的服务,必须不断将先进的信息技术和过程控制技术融合到生产过程中。生产过程中使用反馈控制能提高产品的质量、降低材料和能源的消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本,从而,在全球经济中更具竞争力。,先进过程控制的发展历史,20世纪60年代后期,过程控
10、制已被广泛应用于石化和材料的加工过程,主要是单回路局部反馈控制形式,各控制器之间几乎没有联系。在80年代和90年代,多变量控制特别是基于模型预测控制的多变量优化控制得到迅速的发展。,先进过程控制的发展历史续,基于模型预测控制近几年已用于处理大规模的过程控制问题。基于模型预测控制的多变量优化控制,在具有控制约束和状态约束的工业过程中,已成为一种标准的控制技术。在2000年据控制厂商报道,模型预测控制已有5000多例,包括炼油、石化、纸浆和造纸、空气分离、食品加工、炼钢、航空和汽车。,2.2 先进控制的发展现状,基于模型控制的理论体系已基本形成,出现了许多基于模型预测的多变量约束模型控制,如Asp
11、enTech 的DMCplus、MCC等工程化软件包,是应用广泛和最有前途的先进控制策略专家控制系统:过程故障诊断,监督控制,检测仪表和控制回路有效性神经网络:非线性过程的建模,软测量,控制系统的设计,2.2 先进控制的发展现状续,模糊系统:模糊控制理论基础,表达不确定性知识;非线性控制:开发中,应用不多;鲁棒控制:研究热点,理论性太强,实际应用需做大量的改进和简化;使先进控制具备鲁棒性是重要的发展方向。其他先进控制还包括:内模控制,自适应控制,增益调整,解耦控制,时滞补偿等;,2.3 基于模型预测的多变量约束控制(Multivariable Constrained Controller),M
12、CC 是具有约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的动态最优控制器 是应用广泛和最有前途的先进控制策略,基于模型预测的多变量约束控制 MCC 的提出1,六十年代-七十年代计算机硬件的提高和现代控制理论的发展但先进控制在过程产业中没有达到期望的高度原因:现代控制理论以高精度模型为前提,过程建模难,过程时变,设计和运行不同现代控制理论不灵活:被控制变量(CV)和操纵变量(MV)的选择;难与PID配合硬件上尚不具备条件:计算机虽能装入高级控制算法,但价格贵,代价高应用不普及;下一级控制以常规控制仪表为主,提出 2,八十年代开始 高级控制迅猛发展的原因:能源危机,环保对控制提出更高要求;节省能
13、源,合理利用资源,综合利用,使操作复杂化;排出无污染物要求达到最低限度;PID不能完全胜任,要求高级控制引入,使产业界对过程控制的看法开始改变计算机迅猛发展,高性能,低成本;DCS出现及普及;计算机通讯变得十分方便,众多信息平台出现;递阶结构硬件基础奠定八十年代模型预测控制(MPC)诞生;控制技术有很大推进;广泛应用于石化、煤油、电力、化工、冶金、食品加工、航空、汽车制造、造纸等,模型预测控制基本原理,综合利用过去、现代和将来的信息决定控制策略模型预测将来输出(PID只利用过去和现在的信息)对模型要求低:反馈校正(现代控制理论要求模型精度高)滚动优化:每控制周期不断进行优化计算(现代控制一次优
14、化)稳态优化与动态优化相结合多变量系统(PID是一对一控制)CV和MV可受约束,第三代MCC产品及其公司,工业MCC产品技术特性比较,MCC开发与应用情况,经济效益分析,生产装置经济效益的最大关键:使生产过程时刻处于最优约束上操作实现多变量MPC:减少过程干扰的影响;在约束条件下,最优卡边操作;实现经济性能最优化-局部稳态优化实现在线全装置稳态优化:基于过程稳态模型;不断修正约束条件;不断更新模型;在线求过程的最优设定值(最优操作条件),经济效益分析续,大量工程实践表明,具有投资少,见效快等特点。通常在原有基础上,增加 3-6%经济效益。投资少,效益高,经济效益分析续,MCC的主要功能,1)实
15、现基于模型的多变量预测控制的动态优化2)在整过动态响应区间内考虑CV与MV的约束3)应用线性规划原理实现CV与MV的稳态约束及经济性能指标稳态优化4)采用CV与MV动态加权原理实现CV与MV的动态约束5)控制系统可控性在线分析和系统病态的自动处理,MCC的主要功能续,6)多变量控制结构的自动重构,以适应各种不同情况7)能自动识别与处理胖系统(自由度 0),瘦系统(自由度 0)以及方系统(自由度=0)8)具有动态加权和控制器参数的在线整定功能9)系统的动态闭环仿真,MCC的基本特征,从多变量控制的观点来设计整个生产装置控制动态滚动优化与经济目标的稳态优化相结合由子控制器与组合线性规划 CLP 构
16、成大型控制器,能有效处理大规模多变量复杂控制对象采用设定值控制和区域控制二种控制模式MV也具有设定值(理想稳态值)控制(自由度 0时),多变量约束控制(MCC)系统总体结构图,MCC软件包的组成,MCPC 基于模型预测的多变量约束控制软件包MCCI 过程模型辨识和参数在线校正软件包MCC Config 组态软件包MCCSIM 系统动态仿真软件包MCCIO MCC与各类DCS的接口软件包NMCPC 非线性多变量预测,2.4 MCC 在石化工业中的应用,在FCCU反应再生系统的应用(仿真)在大型催化裂化(FCCU)中的应用,在FCCU反应再生系统的应用(仿真),FCCU 反应再生系统的工艺流程,F
17、CCU 反应再生系统的模型,采用基于模型预测的多变量约束控制的几种方法,DMC-plus 美国ASPEN公司 MCC 多变量约束控制(上海交大、浙大)AMCC 自适应多变量约束控制(上海交大),设定值控制(1*2系统),对CV3在50min处实施定值控制分别使用DMCplus、MCC以及AMCC进行控制仿真当CV3设定值由1320deg.F变为1330deg.F 时,得到的CV3、MV1和MV2响应曲线的仿真结果由于使用两个MV对一个CV进行控制,自由度大于零,可以对MV2实施IRV控制(IRV=80 BPH),1.设定值控制(1*2系统)设定值控制中三种控制策略的CV3输出响应,由于使用两个
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