21% 34%
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%
12%
石油和化学工业 冶金工业 电力工业 其他流程工业 其他工业
10% 23%
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、 自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工 业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能 化检测控制技术、装备和调控系统。” 《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展 重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工 程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要 ” 实现重点突破。
常压塔筛料干点的软测量
（2）辅助变量选择
（3）数据采集与处理
（4）回归分析建模
（4）回归分析建模
（4）回归分析建模
软测量技术有效地预报了质量指标的变化过程
现代化流程工业正朝着大规模、复杂化的方向发 展，通常包含高温、高压、易燃、易爆的生产过 程，系统一旦发生事故就会造成人员和财产的巨 大损失。 流程工业中可能出现的故障：
特点：物理意义明确，易于外推 ，但是复杂的工业过程机理复 杂，建立模型费时耗力。
基于数据驱动的软测量建模方法
方法：主要应用回归分析（PCR、PLS等）、神经网络、支持向 量机等数据分析技术 特点：不需要严格的机理模型，建模过程思路简单清晰，完全 使用黑箱模型，但是往往受到训练数据的影响，模型适应范围 有限，而且参数缺乏明确物理意义
臭氧浓度分析仪
气体中的臭氧浓度与温度、压力、对紫外光的吸收特 性有关
借助于温度、压力变送器和光强仪可以间接测得气体 的臭氧浓度
辅助变量选择 数据采集和处理
软测量模型建立
软测量离线和在线校正
基于机理模型的软测量建模方法
方法：列写物料平衡、能量平衡、相平衡和反应动力学方程， 建立可测辅助变量和不可测主导变量之间的准确数学关系。
软测量结构示意图
不可测扰动d1 可测扰动d2 过程输入u 离线化验
工 业 对 象
模型校正 过程可测输出y 软测量模型 软仪表估计值
辅助变量
主导变量
差压法测定气体质量流量
气体质量流量与差压、气体压力、气体温度之间有着 密切关系，可以建立相关的数学模型
直接利用现有仪表就可以获得气体质量流量的实时测 量结果，不需要研发专用仪表，投入少，周期短，维 护方便（智能流量计）
装置故障率高
解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产 过程运行的“安、稳、长、满、优” 先进控制技术是一个广泛的概念，是指不同于常 规控制方案的一切控制新方法
预测控制技术 软测量技术 过程监控技术 。。。
预测控制：模型预测控制，Model Predictive Control， MPC 20世纪70年代末，在工业过程控制领域出现的一 种基于模型的计算机控制算法。 有着深刻的实际应用背景，首先应用于实际工业 问题的解决，来自于工业实践者。 1978年，Richalet首先发表论文进行了介绍，随 后引起研究热潮，是目前工业过程中最为成功研 究最多的先进控制算法。
基于解析模型的方法 过 程 监控 方 法
状态观测器 卡尔曼滤波器 参数辨识 等价空间方程 专家系统 神经网络 有向符号图 主元分析法 典型变量分析 独立元分析法
过程参数变化：催化剂中毒、热交换器结垢等 干扰参数变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等 执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等 传感器问题：堵塞、标定误差等造成仪表损坏或偏差 控制器问题：控制性能等
典型事故案例
1997年，北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故。 2000年，罗马尼亚的一家黄金制品厂废品溶化炉发生 故障，造成了欧洲特大环境灾难。 2005年11月13日，吉林石化双苯厂爆炸，松花江水污 染，事故原因为操作工误操作导致进料系统温度超高
自动化学科前沿知识讲座
流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、 冶金、采矿、电力、食品加工等在国民经济中占 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， 流程工业是国家的重要基础支柱产业
解决了有约束多变量过程MPC优化中的不可行解问题
第四代：DMC+（Aspen)、RMPCT(Honeywell)
多目标优化、鲁棒设计、系统辨识技术
典型代表：DMC+和RMPCT
1995年，HONEYWELL兼并Profimatics公司，将RMPC 与PCT算法整合形成RMPCT软件包
Aspen公司 数据表明
实施MPC取得的效益中，降低能耗占10％，产品质 量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15％， 提高回收率占15％，提高加工能力占30％。
Chemshare公司数据表明：
用DCS改造常规仪表获得10％的效益，在DCS上实 现MPC获得40％的效益
Foxboro公司数据表明：
北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故 吉林石化双苯厂爆炸
过程监控与故障诊断可以减少经济损失
仅美国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效 监控而损失200亿美元
过程监控与故障诊断可以改变维修方式
据美国统计局统计，每年工业设备维修费用约2500 亿美元，专家估计其中约750亿美元是“ 过剩维修” 费用。 由事后维修和计划维修向更为先进的状态维修和预防 维修方式转变
软测量技术 是可行方案
选择易测变量，推断和估计质量变量 以软件代替硬件，实现质量实时测量 克服装置波动、提高产品质量和产量、减少过渡料 经济效益显著
软测量技术的主要思想
对于过程中难以在线测量的重要过程变量（主导变量或一次变 量)，选择与之相关的一组易测变量(辅助变量或二次变量)，构 造两者之间的某种数学关系，用计算机软件实现重要工艺参数 的估计，为过程监控和优化控制提供重要信息。
预测控制理论产生于工业过程控制领域的需求和 实践，具有很强的应用背景 目前已经在炼油、化工、电力、航空航天、汽车 控制等多个方面有着成功应用 尤其是在油田石化方面有大量应用，在催化裂化、 加氢重整、常减压、延迟焦化等大型装置上有许 多应用报道 国内外流程工业中几乎所有先进控制软件都与预 测控制技术相关，是工业过程应用中最具代表性 的先进控制算法
效益比：DCS为 1 : MPC为 5
Published in Control Engineering Practice， 2003
第一代：IDCOM 、DMC
主要处理无约束多变量过程控制
第二代：QDMC
解决了输入输出约束问题
第三代：SMOC、SMCA、HIECON、IDCOM-M
价格非常高（licence约50~80万美元，加工程服务费） 核心技术保密
国内在八五和九五期间实施科技攻关，相当多的 院校开发先进控制技术和软件
浙江大学:APC-Hiecon、APC-PFC 石油大学
上海交通大学 MCC
清华大学
国内先进控制实施中问题
多数研究侧重于单个工程实施，仍然缺乏知名的先进 控制商品化软件，目前难以与国际厂商抗衡
1996年，ASPEN兼并Setpoint和DMC公司，将SMCA和 DMC融合形成DMC+软件
特点
都采用了Windows图形用户界面，可以处理具有优先 权控制目标的多目标优化问题，增强了稳态目标优化 的适应性，优化中直接考虑了模型的不确定性，采用 先进的模型辨识技术
国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美国 Setpoint公司的IDCOM-M软件，并应用于催化裂 化装置取得成功 近些年来，我国已经引进了SMCA、DMC+、 RMPCT等多个公司的先进控制软件，在许多石油 石化装置取得成功应用 引进国外软件的问题
用先进控制技术提高流程工业自主创新能力
规模庞大 结构复杂 不确定性 非线性 强耦合性
控制效果差
控制效果波动大，没有对产品质量和工艺指标进行控 制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高
能耗大
2005年我国石油化工行业总能耗3.048亿吨标准煤， 占全国总能耗的15%，万元GDP能耗是0.903吨标准煤 ，比国外同行业平均水平高15%～20%
L（回流量设定值 ） XD（塔底H2O含量 ） XB（塔顶HAC含量 ） DP（全塔压差） FV1（蒸汽流量阀位） FV2（回流量阀位）
先 进 控 制 器
GC
V（蒸汽流量设定值 ）
T（塔底温度回路设定值 ）
目标： 稳定塔釜组成DI1702（釜水）& 降低塔顶酸耗和能耗
阶跃响应模型测试：
MPC投运后的CV曲线：
决策层 管理层 调度层
2013年7月26日星期五
经营决策系统
产品策略
管理信息系统
生产计划
关系数据库
生产调度系统
调度指令
监控层 控制层
过程监控系统
系统优化
实时数据库
计算机控制系统
控制信息
生产过程
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© Co py rig ht by Zhi hu an So
经典的Shewhart方法
给定一定的阈值，可以在训练集中数据的统计特性基 础上，应用统计假设理论来预测系统变化是否失控。
PID控制器是工业过程中应用最多、时间最长的 控制策略
不依赖于模型，应用简单，适合于多数过程 对多变量、有约束、时滞等复杂过程单元的控制效果 较差
现代控制理论在20世纪60年代发展起来，形成了 状态空间分析法、最优控制等一系列技术
在航空、航天、制导等领域取得了辉煌成果
流程工业过程的多变量、非线性特点使得难以建立精 确数学模型，现代控制理论难以得到广泛应用