先進控制是對那些不同于常規單回路控制,并具有比常規PID控制效果更好的控制策略的統稱,而非專指某種計算機控制算法。主要的先進控制策略有:預測控制、推斷控制、統計過程控制、模糊控制、神經控制、非線性控制以及魯棒控制等。
經典復雜控制來源于實踐,其實反映了工程師解決控制問題的思路,更像一個群英會。例如三沖量本質上屬于前饋串級聯合控制,前饋控制則是和PID控制完全不同的控制方式,分程控制實際上仍是一個單回路PID控制,閥位控制擅長自由度處理屬于協調優化控制方案。復雜控制可以分兩類:單入單出(SISO)過程的控制改進和多變量邏輯協調優化。
單入單出SISO過程的控制改進包括:①PID算法的改進,例如比例微分先行,抗積分飽和,變增益;②控制算法改進,例如內模控制、ADRC、模糊控制、專家控制……;③PID變結構改進主要是克服控制側干擾的串級控制改進和克服過程側干擾的前饋控制改進。第一種改進歸類到PID算法本身,這類技巧改進標準的PID控制模塊一般都包括。第二類改進由于不是工業實際使用的標準算法,可以歸類到廣義的先進控制范疇我們認為這一類也不屬于經典復雜控制的內容。這樣只有第三種PID變結構改進屬于經典復雜控制。
任何SISO過程控制問題首先想到使用PID單回路解決。如果單回路的性能不能滿足要求就要考慮串級和/或前饋改進。如果閉環性能還是不能滿足要求建議的考慮方向是變量配對改進、設備改進、工藝改進。
由于過程工藝非常復雜,很多都是多變量的控制問題。經典復雜控制的很多改進都是為了擴展PID的多變量協調優化能力。多變量控制的實現方式包括:①多變量控制算法,包括模型預測控制、解耦控制、LQG;②自己寫代碼的專家系統;③基于PID的多變量協調優化。第一類沒有基于PID不屬于復雜控制。雖然自己寫代碼可以很容易的實現特殊控制要求,但是第二類自己寫代碼實現協調優化是非標準的工作方法不推薦。很顯然第三種才屬于我們說的經典復雜控制。

我們現在非常清晰的把涉及多變量協調的經典復雜控制分為三類:①被控變量優先級切換的超馳控制;②操縱變量優先級切換的分程控制;③操縱變量優先級切換的閥位控制。
如果不存在MV飽和或者本質是SIMO/MISO的系統可能只需要被控變量或者操縱變量的優先級切換算法。分程控制適用于直接到多個最終控制元件,并按固定順序使用的多操縱變量場合。優先使用分程控制解決多操縱變量協調問題,如果涉及狀態串級、快速性和經濟性的不同等就需要使用閥位控制來解決多操縱變量協調。一般來說閥位控制的速度要慢一些更側重優化。
多被控變量和多操縱變量的系統設計要根據變量間的關系從優先級和自由度分析入手。常見的多變量控制系統的方案都是基于分程/閥位+超馳控制。基礎組件和邏輯工具構成了復雜控制方案設計的基礎。這些類似于多變量模型預測控制的軟件功能。由于實際過程問題多種多樣,在解決問題的過程種形成了一些復雜控制的高級應用,例如三沖量控制本質是前饋串級的組合控制,交叉限幅屬于多變量復雜邏輯優化,常見的支路溫度平衡也是使用多個復雜控制組件的復雜控制高級應用。
具體控制方案設計中隨著控制目標、工藝條件的不同可能控制方案也顯著不同。例如交叉限幅要比比值控制復雜很多,支路流量耦合的流量控制要不比單回路流量控制復雜很多。控制方案設計原則:①控制目標;②模型關系;③變量配對;④優先級;⑤自由度分析。
關于復雜控制,由于很多工程師都不了解。很多控制方案都是非最優的,而且復雜控制應用的也非常少。這是普遍問題,推廣應用復雜控制作用非常明顯。很多工廠在智能工廠建設中把生產過程自動化水平的提高簡單理解為應用先進控制是片面的往往效果不好。
同時也要認識到復雜控制處理的變量個數有限而且處理約束的靈活性不足。多變量模型預測控制則是一種專門解決多變量協調優化問題的架構,能實現大部分復雜控制功能而且變量規模更大更靈活,可以作為實時優化和底層控制回路的橋梁。許多復雜控制方案都可以用先進控制實現并獲得更好的性能。雖然這兩種控制技術有很大的不同,但它們基于相同的過程分析和操作要求。不同之處在于,通過升級,控制目標可以更充分優雅地實現。
作者:馮少輝博士(現從事先進控制工作,有一線十幾年工作經歷,真正理論聯系實際的過程控制專家)
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