1  引言

    算法是先進(jìn)控制與優(yōu)化的基礎(chǔ)，但是一個成功的先進(jìn)控制與優(yōu)化系統(tǒng)卻絕不可能只是先進(jìn)控制和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)的簡單組合。為成功實(shí)施先進(jìn)控制與優(yōu)化，開發(fā)與應(yīng)用先進(jìn)控制與優(yōu)化系統(tǒng)，必須在整個工程實(shí)施的全過程中針對一系列的重要問題，提出1切實(shí)可行的解決方案。對于采用同樣生產(chǎn)工藝的被控過程，由于計算機(jī)控制系統(tǒng)的不同，先進(jìn)控制與優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案也很可能有很大差別。但即使是不同的應(yīng)用平臺和先進(jìn)控制與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案，有一些問題卻是經(jīng)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(biāo)，使之在不同類型的先進(jìn)控制與優(yōu)化工程應(yīng)用中均可以起到指導(dǎo)性作用。這些問題的覆蓋范圍很廣，涉及到先進(jìn)控制及優(yōu)化工程應(yīng)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(jìn)行了討論與研究。
    本文結(jié)合實(shí)際工作，提出了工業(yè)過程優(yōu)化的核心內(nèi)容和工程化方法的概念，并闡述了其具體內(nèi)容，還研究了先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益測算問題，最后討論了決定先進(jìn)控制與優(yōu)化成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

2  工業(yè)過程優(yōu)化的核心內(nèi)容和工程化方法

2.1  工業(yè)過程優(yōu)化的核心內(nèi)容
    作為一個整體，工業(yè)過程優(yōu)化應(yīng)包括從數(shù)據(jù)通訊與處理、模型建立、優(yōu)化問題求解到工程實(shí)施的全部內(nèi)容，即所謂的工業(yè)過程優(yōu)化的核心內(nèi)容。
    (1)  數(shù)據(jù)的通訊與處理
    實(shí)施工業(yè)過程優(yōu)化，必須以過程信息為基礎(chǔ)，無論采用哪種具體實(shí)現(xiàn)方案，數(shù)據(jù)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(jù)通訊協(xié)議有RS-232C、DDE和OPC等[1][2]。下面結(jié)合筆者的實(shí)際工作分別作簡要說明：
    ?  RS-232C是一個串行接口標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bit/s，最大連接距離為10m，但通過RS-232C轉(zhuǎn)換器，可將此距離延長至1km，這使得其在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)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(jù)通訊程序，通過串行通訊接口RS-81 連接一條RS-232C 數(shù)據(jù)通訊線到數(shù)據(jù)采集計算機(jī)，并在數(shù)據(jù)采集計算機(jī)上編制相應(yīng)的接口程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。在實(shí)施某廠“丙烯腈流化床反應(yīng)器在線操作優(yōu)化”的過程中也使用了這種數(shù)據(jù)通訊方式[4]。該廠丙烯腈裝置采用的計算機(jī)控制系統(tǒng)是CENTUM V，通過CGWU（Communication Gate Way Unit）實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。CGWU 通過RS-232C 采用串行半雙工（指令/響應(yīng)）格式，即作為通訊接口單元的CGWU 只能被動接受上位機(jī)按一定格式發(fā)來的指令。通過在上位機(jī)中編寫有關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件，并在軟件中對通訊口、通訊速率、字長、奇偶檢驗(yàn)的確定等按照標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行編寫，成功的獲得了現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
    RS-232C的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但在一般工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中都可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰蚨玫搅藦V泛的應(yīng)用。但在一些對速度要求較高、并需要雙向數(shù)據(jù)通訊的場合，RS-232常顯得無能為力。
    ?  DDE是在微軟的Win32應(yīng)用程序接口（API）上所開發(fā)的應(yīng)用程序之間動態(tài)地移動數(shù)據(jù)的一種方法。DDE協(xié)議在應(yīng)用程序間傳送信息，使得應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)和采用共享的內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。在工業(yè)應(yīng)用中，可以在DDE的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)控制及監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行程序或計算機(jī)之間的通信。
    在正在實(shí)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(shù)的研究與應(yīng)用”項(xiàng)目中就采用了DDE通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(jī)連接起來，構(gòu)成一個局域網(wǎng)。在上位機(jī)中，首先安裝DDE Syntax 軟件來匹配DDE Server 中的設(shè)置，然后編制DDE Client 程序采集指定工位點(diǎn)的數(shù)據(jù)量。
    雖然目前許多儀表設(shè)備制造商在標(biāo)準(zhǔn)DDE的基礎(chǔ)上，推出了通訊速度和功能改進(jìn)型的DDE，但是隨著OPC技術(shù)的出現(xiàn)，DDE的使用已經(jīng)日益減少。因其繼續(xù)發(fā)展的空間有限，甚至有人認(rèn)為DDE 技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)接口、屬性以及方法組成，為多種多樣的過程控制設(shè)備之間進(jìn)行通信提供了公用的接口，而與過程中的控制軟件或設(shè)備無關(guān)。OPC 提供了單一的、一致的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，從而不再需要開發(fā)一系列專有的硬件設(shè)備驅(qū)動程序。以上的這些優(yōu)點(diǎn)使得OPC廣泛應(yīng)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)控軟件和預(yù)測控制軟包的雙向數(shù)據(jù)通訊[6]。Supcon OPC Server 提供了對Supcon JX-300X 系統(tǒng)上數(shù)據(jù)的讀寫操作功能。上位機(jī)通過控制軟件內(nèi)嵌的OPC Client 控件提供的標(biāo)準(zhǔn)DA Automation 接口來訪問Supcon OPC Server，并通過其提供的標(biāo)準(zhǔn)OPC 接口來讀寫數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通信。
    現(xiàn)階段，大多數(shù)計算機(jī)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(jīng)采用微型計算機(jī)，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(jù)通訊技術(shù)。
    基于可測信息和數(shù)學(xué)模型實(shí)時計算不可測量的變量，即軟測量技術(shù)，也是工程優(yōu)化中不可缺少的內(nèi)容。一些關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵變量，由于質(zhì)量測量儀表的缺乏或不可靠，無法獲得實(shí)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型等方法來推斷估計。例如在實(shí)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(shí)測反應(yīng)器出口丙烯醛含量，筆者利用實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)和其它現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)采用多元逐步回歸算法建立了丙烯醛的軟測量數(shù)學(xué)模型，作為最優(yōu)化問題中的約束方程，并在此基礎(chǔ)上成功的實(shí)現(xiàn)了丙烯腈反應(yīng)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(yàn)、均勻優(yōu)化試驗(yàn)等試驗(yàn)優(yōu)化技術(shù)外，實(shí)施工業(yè)過程優(yōu)化的首要步驟通常是通過機(jī)理方法或數(shù)學(xué)擬合法建立合適的描述被研究對象的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)具體的優(yōu)化任務(wù)，確定一個或多個優(yōu)化目標(biāo)，圍繞這些優(yōu)化目標(biāo)，基于實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，確定結(jié)構(gòu)已知的機(jī)理模型的各種參數(shù)，或者建立半機(jī)理模型或純粹的數(shù)學(xué)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(jù)可以是裝置的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以是給被研究對象預(yù)先施加一定形式和幅度的測試信號后獲得的數(shù)據(jù)。
    (3)  優(yōu)化問題的求解
    建立被研究對象的數(shù)學(xué)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(yīng)該根據(jù)模型的具體形式和優(yōu)化目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化模型可以采用能夠處理多優(yōu)化目標(biāo)的算法求解[8][9]。由于被研究對象的復(fù)雜性和部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)出發(fā)獲得優(yōu)化的新工作點(diǎn)，然后再滾動建立新的近似數(shù)學(xué)模型，再次進(jìn)行優(yōu)化計算，從而最終得到滿意的結(jié)果。采用這種方案，筆者及其合作者先后實(shí)施完成了多項(xiàng)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(nèi)非線性問題，同時可以克服對象時變特性的負(fù)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(diǎn)在上述優(yōu)化工程的實(shí)際運(yùn)行中得到了良好的體現(xiàn)。
    (4)  工業(yè)過程優(yōu)化的實(shí)施
    工業(yè)過程優(yōu)化在實(shí)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(yùn)新的優(yōu)化工作點(diǎn)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(jīng)濟(jì)效益。
    ?  正確整定基本PID控制回路和先進(jìn)控制系統(tǒng)。整定基本PID控制回路是為實(shí)施先進(jìn)控制奠定基礎(chǔ)，而整定先進(jìn)控制系統(tǒng)則是在系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)與魯棒性之間做出權(quán)衡。先進(jìn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行又是成功實(shí)施優(yōu)化的保障，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下優(yōu)化給出的結(jié)果是自動控制回路的設(shè)定值，先進(jìn)控制可以用來保證在控制回路設(shè)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(nèi)。
    ?  建立良好的人機(jī)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(hù)和操作。
    ?  準(zhǔn)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(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，必須嚴(yán)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(guān)。工業(yè)過程的工程化方法應(yīng)該包括以下步驟：
    (1)  定義目標(biāo)  首先應(yīng)將整個企業(yè)的目標(biāo)細(xì)化為裝置的目標(biāo)、過程單元的目標(biāo)以及最終主要過程設(shè)備的目標(biāo)。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(biāo)可以表述為經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化指標(biāo)可以是企業(yè)的利潤等具體經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)；過程裝置的目標(biāo)可表述為以一定的產(chǎn)率生產(chǎn)出滿足一定規(guī)格的某些產(chǎn)品，優(yōu)化指標(biāo)可以是生產(chǎn)成本最低、產(chǎn)品質(zhì)量或處理量最高等。
    (2)  關(guān)鍵影響因素的確定  通常情況下，影響優(yōu)化目標(biāo)的因素可能比較多，可以通過排除法或設(shè)計正交優(yōu)化試驗(yàn)來確定影響目標(biāo)的最關(guān)鍵因素，減少因?yàn)橐蛩剡^多而造成的建模不準(zhǔn)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(shè)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(shí)施工程優(yōu)化能否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，同時應(yīng)該核定實(shí)施優(yōu)化可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益，要核實(shí)為實(shí)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(shí)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(shí)施工業(yè)過程優(yōu)化，往往需要同時實(shí)施PID控制器的參數(shù)整定和個別關(guān)鍵參數(shù)的先進(jìn)控制，有時還需要適當(dāng)改造現(xiàn)有的計算機(jī)控制系統(tǒng)。根據(jù)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(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或者通過穩(wěn)態(tài)、動態(tài)仿真來識別是否有必要應(yīng)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(yùn)行數(shù)據(jù)及相關(guān)工藝設(shè)計數(shù)據(jù)得到過程的實(shí)際運(yùn)行趨勢和相關(guān)圖表，進(jìn)而分析過程的運(yùn)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(shí)施方案下，將預(yù)期可以獲取的經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)施該方案的成本進(jìn)行比較，其中優(yōu)化方案中應(yīng)考慮到包括PID控制器的參數(shù)整定和個別關(guān)鍵參數(shù)的先進(jìn)控制，以及必要的現(xiàn)有計算機(jī)控制系統(tǒng)的改造方案的成本。根據(jù)效益/成本分析結(jié)果確定是否采用優(yōu)化或應(yīng)當(dāng)采用哪種工程優(yōu)化方案，或者決定在哪個層次上實(shí)施工業(yè)過程優(yōu)化。
    (5)  制訂功能標(biāo)準(zhǔn)  對要實(shí)施的工程優(yōu)化系統(tǒng)必須規(guī)定其功能標(biāo)準(zhǔn)。其主要內(nèi)容包括優(yōu)化目標(biāo)、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(xì)工程設(shè)計時進(jìn)一步擴(kuò)展并最終成為工程優(yōu)化的技術(shù)文檔。
    (6)  工程優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)  在工程優(yōu)化方案確定以后，首先進(jìn)行詳細(xì)的工程設(shè)計。這些工程設(shè)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(shí)現(xiàn)的工程優(yōu)化軟件。
    (7)  調(diào)試  調(diào)試是為了檢驗(yàn)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(jìn)行在線實(shí)時仿真和跟蹤，測試優(yōu)化系統(tǒng)給出的參數(shù)調(diào)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(nèi)。只有在滿足工藝要求和設(shè)計要求后，方可開始試投運(yùn)。在運(yùn)行中，應(yīng)該根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)。最后，還要比較優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)前后的差異，以檢查是否達(dá)到了預(yù)先設(shè)計的目標(biāo)。
    另外應(yīng)該認(rèn)識到，在工程優(yōu)化與人的關(guān)系中，人是起主導(dǎo)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(rèn)識并熟悉所實(shí)施的工程優(yōu)化基本原理和操作使用以及維護(hù)方法，這些都需要通過充分的技術(shù)培訓(xùn)來實(shí)現(xiàn)。由于優(yōu)化系統(tǒng)一般比較復(fù)雜，為了培訓(xùn)和維護(hù)工作的需要，設(shè)計、實(shí)施、投運(yùn)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(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益評價

    實(shí)施先進(jìn)控制與優(yōu)化的目的概括起來無外乎穩(wěn)定生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益。評價先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益，是一項(xiàng)十分重要的工作[12][13][14][15]。實(shí)施先進(jìn)控制，經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)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(shè)定的離目標(biāo)值較遠(yuǎn)。使用先進(jìn)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(biāo)值，平均值的差值就可以帶來經(jīng)濟(jì)效益的增長，如圖1所示。

圖1  先進(jìn)控制改善系統(tǒng)動態(tài)性能

    其次，采用先進(jìn)控制之后，可將根據(jù)與受控變量相關(guān)的過程消耗和產(chǎn)品回收或產(chǎn)品產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型生成操作目標(biāo)，優(yōu)化生產(chǎn)過程，按市場需求情況來調(diào)節(jié)生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
    為了估計先進(jìn)控制帶來的經(jīng)濟(jì)效益，首先應(yīng)定出計算經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目。制定先進(jìn)控制策略時確定好與裝置的操作目標(biāo)相一致的控制目標(biāo)，從而設(shè)計相應(yīng)的控制功能。應(yīng)選出其中能直接算出經(jīng)濟(jì)效益的所有項(xiàng)目進(jìn)行計算，如提高處理量，優(yōu)化反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率以提高產(chǎn)品產(chǎn)率，降低操作能耗等。
    其次，要收集裝置實(shí)施先進(jìn)控制前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是作為先進(jìn)控制投用前后比較的依據(jù)。在先進(jìn)控制中，關(guān)鍵操作變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差是用于效益計算的主要變量。這些變量通常包括關(guān)鍵的產(chǎn)品質(zhì)量點(diǎn)、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(zhì)、產(chǎn)品產(chǎn)量、收率和主要性質(zhì)、產(chǎn)品價值、原料和公用消耗的費(fèi)用等。
    在收集數(shù)據(jù)時，有一些需要注意的問題。采集的數(shù)據(jù)應(yīng)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(jù)。要求既不含不正常操作的數(shù)據(jù)，也不含經(jīng)格外仔細(xì)操作所得的數(shù)據(jù)，因其均不代表實(shí)際操作情況，估算不出真正的經(jīng)濟(jì)效益。采集數(shù)據(jù)的量還應(yīng)足夠多，這是因?yàn)閯討B(tài)效益計算的關(guān)鍵在于減小受控變量圍繞其目標(biāo)值上下波動的幅度，而要想對重要參數(shù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行評估，需要有足夠的操作數(shù)據(jù)。    此外，在理論上，采樣頻率與干擾進(jìn)入過程的頻繁程度有關(guān)，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(shí)地反映過程的變化情況。用于計算效益的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)也應(yīng)取的合理，原料和產(chǎn)品用市場價，中間產(chǎn)品用工廠成本價，各種自用燃料可按熱值換算成當(dāng)量燃料油。如果市場產(chǎn)品價格經(jīng)常變動，投運(yùn)先進(jìn)控制與優(yōu)化后核算時仍要用同一價格。其它費(fèi)用數(shù)據(jù)也要保持投運(yùn)前后一致，以便在相同基礎(chǔ)上比較經(jīng)濟(jì)效益。
    在收集了足夠的合理數(shù)據(jù)之后，就可以對先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)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(rèn)為裝置操作變量的正常波動有隨機(jī)性，數(shù)據(jù)變化符合正態(tài)分布。而先進(jìn)控制則可以減小裝置操作變量隨機(jī)波動的標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過對實(shí)施先進(jìn)控制后標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行假設(shè)，可得到方差的預(yù)期變化量。進(jìn)而，根據(jù)工藝指標(biāo)或假設(shè)的超限比例，推斷平均值能夠移動的大小。在得出操作點(diǎn)的變化之后，再根據(jù)產(chǎn)值和能量消費(fèi)，就可以估算出先進(jìn)控制對經(jīng)濟(jì)效益帶來的提高。
    在效益預(yù)測計算中常用到的統(tǒng)計學(xué)概念有平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。平均值為：    ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為：
  
    用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析時，還常用到標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)F(Z):
 
    F(Z)表示的時標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為F(Z)是未超限數(shù)據(jù)的分率。
    若把超限數(shù)據(jù)的分?jǐn)?shù)稱作m% ，則m%=[1-F(Z)]×100%，如果有某變量的一組數(shù)據(jù)，允許有m%超限，則可求出相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)通過分析先進(jìn)控制前的數(shù)據(jù)估算經(jīng)濟(jì)效益，是基于投用先進(jìn)控制后操作數(shù)據(jù)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(biāo)C代表先進(jìn)控制投運(yùn)后的數(shù)據(jù)。
    一般情況下，實(shí)施先進(jìn)控制可使標(biāo)準(zhǔn)偏差減小30%～90%。即先進(jìn)控制投運(yùn)后得數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為：。
    其中是SP2 過程方差，是SM2 測量方差。計算機(jī)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(rèn)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(shí)際生產(chǎn)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(jìn)控制所能獲得的經(jīng)濟(jì)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(guān)系，某個指標(biāo)的增長可能會帶來另一個指標(biāo)的下降，從而使經(jīng)濟(jì)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(biāo)進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)效益的最大增長。其次，投用先進(jìn)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(chǎn)成本升高，這一點(diǎn)在計算效益增長時也應(yīng)考慮進(jìn)去。

4  決定先進(jìn)控制與優(yōu)化成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素

    對于先進(jìn)控制，決定其在實(shí)際應(yīng)用中能否成功的因素主要有四個[16] ：
    (1)  對先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)有長期的技術(shù)支持[17]。如果設(shè)計者不能始終在控制現(xiàn)場，應(yīng)對操作者進(jìn)行培訓(xùn)，使他們對先進(jìn)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(yīng)有好的性能，同樣還應(yīng)保證的有儀器的可靠性。
    (3)  測量的可靠性和正確性。這一點(diǎn)在很多時候都被忽略了，控制效果不佳時，人們往往只認(rèn)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(zhǔn)確。
    (4)  過程的非線性。在設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)保證在工作范圍內(nèi)有適當(dāng)?shù)木€性化，以及考慮未來系統(tǒng)工作點(diǎn)可能的大范圍漂移，采取適當(dāng)方法處理。
    同樣，決定優(yōu)化在實(shí)際應(yīng)用中能否成功的因素也可以將上述四者羅列其中。同時，因?yàn)楹芏鄡?yōu)化系統(tǒng)需要一些關(guān)鍵量的實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，所以還要確保這些化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和及時性。

5  結(jié)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(fù)雜性不斷增加，表現(xiàn)為控制目標(biāo)多元化、變量數(shù)目增多且相關(guān)性增強(qiáng)以及存在著多種約束[18]。因此，先進(jìn)控制與優(yōu)化的應(yīng)用也將越來越多，這就要求人們對先進(jìn)控制與優(yōu)化的工程實(shí)施過程應(yīng)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(shí)施。本文通過研究，提出了工業(yè)過程優(yōu)化的核心內(nèi)容和工程化方法的概念及內(nèi)容，研究了如何測算先進(jìn)控制帶來的經(jīng)濟(jì)效益，并討論了關(guān)系到先進(jìn)控制與優(yōu)化應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵因素。這些研究結(jié)果些在不同的先進(jìn)控制與優(yōu)化工程中都可以起到一定的指導(dǎo)作用。

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