先进控制策略与软件实现及应用研究

随着现代流程工业生产过程控制系统日趋大型化和复杂化，对生产过程的产品质量、生产效率、安全性以及对环境影响等的控制要求越来越严格，常规PID控制已难以甚至无法解决这些具有多变量、强非线性、高耦合性、时变和时滞等特性的复杂生产过程关键装置的控制问题，迫切需要新型控制策略的研究与应用开发。企业技术进步的需求和控制理论与计算机技术的快速发展，推动了先进控制策略及应用的深入研究与实践。网络与软件技术的发展正引发着新的过程控制技术革命。先进控制策略经过近几十年的发展，已在国外形成了许多商品化的先进控制软件并广泛投入实际应用。国内在先进控制策略与软件的开发和应用研究方面与国外仍存在着很大的差距。本文针对当前国内研发的先进控制软件所存在的不足，如可开发性、稳定性、可靠性较差，结构不够灵活，可重用程度低等问题，提出了用分布式组件技术改进传统的先进控制软件设计的研究和应用模式，在分析国外先进控制策略关键技术研究成果基础上，开展了基于多层分布式组件技术的先进控制软件设计方法与应用技术的研究工作。 论文总结了国内外有关复杂过程控制系统先进控制策略研究及其软件开发的经验，提出采用软测量技术、全局辨识技术和模型预测控制技术以及多层分布式组件化的先进控制软件设计模式，进行了有关理论基础的讨论和设计方法的研究，开发了适于复杂过程控制系统应用的通用软测量软件包、工业过程模型辨识软件包和预测控制软件包。研究成果已在工业现场获得成功应用。 本文的主要研究成果和内容可概括为以下几个主要方面： 1．在分析国内外近几年来有关复杂过程控制系统先进控制策略、控制技术和软件产品开发主流发展趋势的基础上，深入讨论了先进控制策略的理论基础，将先进控制策略的关键技术，包括软测量技术、模型辨识技术和模型预测控制技术等作为本文研究的重点目标； 2．在软测量技术研究方面，本文从实施软测量必须的数据预处理、辅助变量选择和建模等方面研究了相关的算法，引入增量法和主元分析法自动剔除有显著误差的数据，用FIR滤波和一阶滤波预处理数据，通过逐步回归方法实现辅助变量的自动选择，用改进BP算法、部分最小二乘算法和模糊神经网络算法进行软测量建模，并根据某化纤厂精对苯二甲酸(PTA)装置的工艺流程，研究了PTA工艺计算机理建模以及模型自校正问题，研究成果已在该过程控制系统技术改造中获得了成功的应用； 3．在复杂过程模型辨识和系统建模方法研究方面，本文引入一种全局辨识技术，能够基于输入／输出数据，利用局部辨识得到的模型信息，进一步建立了全局辨识模型和精确估计系统的数学模型。该模型更加逼近工业过程的真实特性，从而具有更好的实际应用价 摘要 值； 4．在模型预测控制方面，本文分析了模型预测控制算法的基本原理以及控制算法，结合从 法国引进的Hiecon多变量预测控制技术，讨论了利用Hiecon预测控制策略解决约束多 变量过程的协调控制问题。 5．在分布式组件技术研究方面，本文详细分析了其技术发展历史、主流模型、建模原理及 其在工业自动化中的应用基础，针对现有先进控制软件产品存在的不足，提出用多层分 布式组件化设计模式进行先进控制软件的研发。针对软测量技术在工程实施过程中遇到 的各类问题和功能需求上的反馈，同时考虑到工程应用和市场的前景，结合本文介绍的 软测量技术，以通用软测量软件包的研究开发与应用实施为主线，介绍了组件化软测量 软件包的设计原理、基本框架和特点，并给出了软测量软件各个组件的设计方案。该软 测量软件包在某化纤厂精对苯二甲酸（PTA）生产装置上获得了成功应用，其实际应用 效果验证了软件的有效性和可行性。 6．在模型辨识与系统建模方面，研究开发的工业过程对象模型辨识软件，可在实际工业生 产环境下获得现场装置试验数据与支持实际工业过程的动态数学模型运算。本文采用了 基于参数方差的全局辨识技术，利用多层分布式组件技术研究建立了开放通用的分布式 组件化工业过程对象模型辨识软件APC－Glide，文中详细介绍了该软件的设计原理和方 案、应用框架、功能特点及其在工业过程中的应用，并在工业现场使用中验证了该全局 辨识算法及其辨识软件能够显著提高实际工业过程控制系统建模的效率。 7．针对先进控制策略中应用最为广泛的模型预测控制技术，结合Hiecon算法，提出了基 于COM的多层分布式组件化先进控制软件包的设计思想，以先进控制软件的研究开发 与应用实施为主线，文中介绍了多层分布式先进控制软件的设计原理、体系结构和特点， 并给出其界面层、业务层、数据层和接口层的具体实现技术和方法。成功开发的先进控 制软件具有很好的开放性、伸缩性、可靠性和可维护性，产品化和工程化程度高。该先 进控制工程化软件包已经在企业过程控制技术改造中取得了显著的应用业绩。‘ 最后，在总结全文的基础上，提出了若干