郝 飛 ，劉吉臻 ，譚 文

（1.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106；2.華北電力大學控制科學與控制工程學院，北京 102206）

“廠級控制”的提出最早可以追溯到1964年，當時的Buckley[1]認為控制結構應該以整個工廠為模型建立，應首先考慮到庫存，生產(chǎn)質(zhì)量。他第一次把廠級控制這個概念引入到了控制界，然而當時并沒有引起人們的重視，因為它的實現(xiàn)是很困難的。一直到20世紀80年代末期，隨著計算機技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代控制技術的不斷完善，人們才意識到廠級控制的思想是一個很好的控制和設計理念。從那以后廠級控制得到了很好的發(fā)展，有很多學者也開始研究如何給廠級控制下一個完整的、貼切的定義。在開始的時候有人認為廠級控制就是系統(tǒng)控制結構的設計，這樣的觀點在某種程度上體現(xiàn)了廠級控制的思想，但也存在局限性。直到1992年，Rinard and Downs[2]總結了前人的研究，他們指出：控制系統(tǒng)結構的設計只能算是狹義上的廠級控制，真正的廠級控制應該包括系統(tǒng)的起停、控制器之間相互作用的研究、故障診斷、性能檢測以及系統(tǒng)的安全和聯(lián)鎖控制等方面的內(nèi)容，這無疑豐富了廠級控制的研究內(nèi)容。Sigurd Skogestad和Truls Larsson給了廠級控制和控制結構設計一個明確的界定：廠級控制涵蓋了整個廠的控制結構和控制策略的選取，這其中包含了控制系統(tǒng)的設計；而控制結構設計是我們從系統(tǒng)角度或數(shù)學角度上來求解這個問題的方法[3]?？梢酝ㄟ^分級的形式把廠級控制理念加以描述，如圖1所示。

1 廠級控制的理論基礎和設計方法

1.1 理論基礎

圖1 用分級形式表示的廠級控制系統(tǒng)

廠級控制的設計方法要比常規(guī)控制復雜的多，它并不是著重于單個回路的設計和調(diào)試，而是著眼于全廠的控制體系的確定,各層控制結構的選取以及層與層之間的協(xié)調(diào)。它最重要的特點就是設計控制系統(tǒng)時不依賴經(jīng)驗。廠級控制的理論研究從20世紀70年代開始，經(jīng)過20年的研究，到了20世紀90年代，Skogestad和他的研究組對廠級控制做出了巨大的貢獻，他將前人的研究做了很好的總結，給出了廠級控制的定義，系統(tǒng)地研究了廠級控制的理論、實現(xiàn)方法和步驟，并將自尋優(yōu)控制的思想應用于廠級控制中。在1999年第1本廠級控制的專著《Plantwide Process Control》 由 Luyben 和 Tyreus完成[4]，在這本書中他對廠級控制做了詳細的論述，并列舉了很多實際的例子。

廠級控制設計重點和常規(guī)控制是有很大不同的，它的重點是整個廠的整體的控制結構、操作點和被控變量的選取、設計和實現(xiàn)。在它的設計中包含了2個設計的理念：一個是至上而下（TOP-DOWN），它要做的工作是定義一個完整的控制對象；進行變量的自由度分析、確定設定點、主要的控制變量、生產(chǎn)率 （經(jīng)濟性有關）等環(huán)節(jié)。另一個是自底而上（BOTTOM-UP），在常規(guī)控制層，它要完成常規(guī)控制層的穩(wěn)定設計、局部擾動的排除、次要控制量的確定；在監(jiān)控層它要實現(xiàn)分散控制或多變量控制（MPC），以及控制變量的配對問題；在實時優(yōu)化層要做到自尋優(yōu)控制[5，6]。這2種設計方式并不是相互獨立的，開始時要用第1種對系統(tǒng)進行分析，而到后面要依靠第2種方法去實現(xiàn)。

1.2 設計步驟

（1）操作變量的選?。ㄝ斎雖）。這一項和常規(guī)的控制的區(qū)別不是很大，只是在增加輸入量的時候應該把系統(tǒng)變量的自由度考慮進去。

（2）被控變量的選?。ㄝ敵鯟s）。在這一步中充分體現(xiàn)了廠級控制和以往控制的不同。以往大多數(shù)人在做這項工作時都是憑經(jīng)驗或洞察力去選擇的，并沒有從理論上去分析選取的原因和可依靠的設計原則，更沒有通過量化的方法進行選取。Skogestad和Postlethwaite于1998年在 《a review of plantwide control》中提出當選擇控制輸出時，應該尋找一組能實現(xiàn)自尋優(yōu)控制的變量。并且，提出了幾種方法：基于泰勒級數(shù)評估價值函數(shù)J的方法；最大化最小奇異值方法；觀測量的最優(yōu)組合的方法。

（3）觀測量的選取（附加輸出v）。在過程控制中往往可能會有很多需要測量的量，要確定它們的數(shù)量、位置以及測量的準確性，并不是一件容易的事情。這就要我們在控制性能提高和測量損失之間取一個折中，這必然會涉及到系統(tǒng)的控制質(zhì)量和運行的經(jīng)濟性的問題，并且在大多數(shù)的情況下，我們都應該把控制結構的選擇結果考慮進來，這就需要通過優(yōu)化來進行。關于這方面可以采用基于零空間的方法來進行量化選擇。

（4）控制結構的選取。就是尋找一個能把被控量、操縱量和觀測量有機聯(lián)系起來的全面的控制器K，為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制指標而服務。一般來說，可以選擇垂直的結構（遞階）和平行的結構（分散控制）的方式。這一項也是整個廠級控制的重點，它是上層優(yōu)化調(diào)度和下層實際控制連接的樞紐。

（5） 控制器類型的選?。≒ID，解耦，MPC 等）。這就要根據(jù)實際系統(tǒng)的類型、規(guī)模以及系統(tǒng)的性能要求、安全性、經(jīng)濟性等來確定。對于具有非現(xiàn)行的系統(tǒng)，在這步中要進行模型非線性度的分析來決定是否需要采用復雜的非線性控制方法，如果采用線性化的控制方式是否可以滿足要求。同樣需要對這樣的問題進行量化，可以采用非線性度的理論方法或者間隙測度的方法。在控制器選擇過程中經(jīng)常會遇到的一個問題就是分散PID控制和一些先進控制策略取舍，一個系統(tǒng)采用什么樣的控制策略同樣需要一個從量上來進行衡量的標準[7]。

2 廠級控制的應用研究和發(fā)展

在1990年之前，對于廠級控制的研究大多停留在理論上，實際的應用研究很有限。其中的一個很重要的原因就是缺少一個實現(xiàn)廠級控制思想的合適的模型。直到1993年田納西伊斯曼控制過程模型（TECP）提出以后，廠級控制的應用研究才獲得了新的發(fā)展。研究者們利用這個模型把他們對廠級控制的一些理解和構想付諸實踐，無論是在理論上還是在實際應用上都取得了新的進展。開始時很多人都關注模型的控制結構的設計，其中比較有代表的有Joseph（1993），他利用TECP設計了一個4層框架的控制結構[8]。第1層是工廠級，第2層是基層的控制器，第3層是分散/DMC控制器，第4層是優(yōu)化層（離線）。DMC用RGA來設定輸入和輸出，生產(chǎn)效率的最大變化是1.35。McAvoy和Ye用RGA，NI以及擾動分析研究了一種4級的控制結構：（1）內(nèi)部串級；（2）基本的分散PID控制；（3）估計器和生產(chǎn)率回路；（4）上層的優(yōu)化控制[9]。Ye在1993年時，曾將第2層采用基于推理的前饋—反饋控制結構，這提高了基層控制系統(tǒng)對隨機干擾的的抵制能力，并設計了穩(wěn)態(tài)局部最小平方模型并將其用在預測不可測的干擾[10]。Ricker和Lee把非線性模型預測控制（NMPC）用在TECP模型中，在更廣泛的條件下取得了更加優(yōu)越的控制效果[11，12]。David.R.Vinson和Christos Georgakis（1995）利用TECP模型研究了廠級控制的可控性問題，并根據(jù)廠級控制結構選取原則、資源、能量平衡以及備選變量，成功地設計了系統(tǒng)的多變量PID型控制，在控制中加入了主動的控制約束[13]。

系統(tǒng)控制結構的設計固然能提高整個控制系統(tǒng)的性能，但這只是廠級控制要完成任務的一部分，要建立全廠的控制體系，一個不可缺少的部分就是優(yōu)化。它涉及到上層的調(diào)度決策，下層控制結構選擇、控制變量調(diào)整以及狀態(tài)的估計。Ricker和Lee（1995）將TECP中所有的測量值都當作是有隨意延遲的，并以相同的采樣周期對系統(tǒng)的各狀態(tài)進行估計[14]。Ming Yan（1996）采用一個多等級的EKF，并取了一個基本的采樣周期（3 min），去估計系統(tǒng)狀態(tài)，使狀態(tài)和參數(shù)的更新更加快捷，提高了MPC的性能[15]。而在1997年Ming Yan和Ricker采用在線優(yōu)化的策略設計了如圖2的設計方案，它有4個關鍵的組成部分：動態(tài)模型、在線的參數(shù)和狀態(tài)估計、一個廠級控制系統(tǒng)和一個具有良好協(xié)調(diào)作用的優(yōu)化算法。當把它用到TECP上時，此控制策略與沒有RTO的TECP相比節(jié)省了6%的運行費用[16]。Sigurd Skogestad在2000年完成了一件很有意義的事情，那就是把“自尋優(yōu)控制”加入到廠級控制中，以此來尋找一種具有經(jīng)濟優(yōu)化運行原則的、簡單的、魯棒的方法，去回答要“控制什么”這樣一個基本的問題，并建立僅基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)信息的、尋找適當被控變量的系統(tǒng)性的實現(xiàn)步驟，其中對自由度分析，損失評估等內(nèi)容做了較系統(tǒng)的論述[17]。Derek Robinson和Rong Chen（2001）提出了一種設計分散廠級控制系統(tǒng)的方法，這是一種將優(yōu)化控制器分解的方法，其中涉及到了增益矩陣。它巧妙地把一個輸出優(yōu)化控制問題轉化成反饋和前饋兩部分，再利用這兩部分來估計分散控制系統(tǒng)，這種方法也可以用在MPC的辨識中[18]。除了上述這些研究還有很多和化工生產(chǎn)相關的應用，例如廠級控制在加氫脫烷基化（HAD）中的應用，在煉油廠的應用等。

圖2 TECP過程的一種控制結構、狀態(tài)估計、實時優(yōu)化系統(tǒng)

3 廠級控制在發(fā)電廠中的應用展望

（1）廠級控制在發(fā)電廠廠級優(yōu)化中的應用。企業(yè)級優(yōu)化是近幾年控制界剛剛興起的研究課題，可以說它是一個很具有挑戰(zhàn)性的控制問題，但同時也是實現(xiàn)管控一體化進程中必需解決的一個難題。圖3給出了一個企業(yè)級優(yōu)化的例子，顯然它要解決的問題很多，但是一個關鍵的問題是如何去實現(xiàn)上層調(diào)度和下層控制器的動態(tài)協(xié)調(diào)，以及控制器之間的協(xié)同設計。其中的一個解決方法是：在設計下層控制器時，事先讓它具有參與廠級優(yōu)化的屬性，當然這僅能結合當前的工作狀況，在局部上實現(xiàn)，所以我們還需要一個優(yōu)化器，把那些沒有參與廠級優(yōu)化的找出來，讓它處于前饋的模式下工作，然后再基于參與者進行全廠的再次優(yōu)化[19]。在文獻[19]中提出了一個三層結構的方法來集中控制和協(xié)調(diào)MPC控制器，最上面一層是基于未來約束信息的廠級優(yōu)化，最下面一層是一層MPRC控制器，中間一層是用來避免控制器接受到一個局部的不可行的隨機要求時產(chǎn)生的擾動。在這個設計方案中廠級控制被用在最上層，來解決上層優(yōu)化中實時優(yōu)化執(zhí)行速率太慢的問題。

Joseph把反饋控制延伸到優(yōu)化層，并采用一種特殊的MPC方法來實現(xiàn)。優(yōu)化器在解決穩(wěn)態(tài)誤差問題上，僅僅用增益的改變來實現(xiàn)，即把優(yōu)化器看成是一個“Gain-only Predictive Controller”。將全局的經(jīng)濟性優(yōu)化定義成在預測約束下的可行的未來空間，從而使得上層的優(yōu)化和“下游”的MPC控制器同步執(zhí)行，減少了檢測的數(shù)量和優(yōu)化對系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)等待。在火電廠的廠級優(yōu)化控制中我們也可以嘗試著用廠級控制的思想來實現(xiàn)上層的優(yōu)化調(diào)度和資源分配以及與“下游”控制的協(xié)調(diào)。

圖3 企業(yè)級優(yōu)化

（2）在火電廠機組單元協(xié)調(diào)控制中常采用的控制方法有：線性控制策略，增益調(diào)度策略，非線性策略，智能控制策略。在他們的設計中都要考慮實際系統(tǒng)在不同操作點的未建模動態(tài)而產(chǎn)生的非線性因素。然而，一個很基本的問題是此系統(tǒng)是否真正具有很強的非線性，是否值得采用非線性的控制策略？如果采用線性控制策略，應如何通過選取適當?shù)牟僮鼽c減少控制過程中的非線性？譚文，陳彥橋提出了基于間隙度量的非線性度的概念，并將其用于分析一個鍋爐-汽輪機系統(tǒng)的動態(tài)模型，分析他們在不同工況下非線性度的大小。對解決以上問題提供了一個很好的方法。但是他們的研究僅從控制的角度去度量系統(tǒng)應采用的控制策略，沒有把系統(tǒng)的設計以及運行經(jīng)濟性考慮進去，這對于實現(xiàn)全廠的運行經(jīng)濟性的要求以及控制器設計的選擇都埋下了隱患。因此可以用廠級控制的自尋優(yōu)控制思想，再結合以上研究，得到一個更加全面度量非線性的標準和選取模型工況點的方法。

（3）廠級控制在發(fā)電廠的應用實例。Prasad和Irwin（1999）等人對廠級控制在發(fā)電廠的應用做了一些嘗試性的工作，并取得了預期的效果[20]。文中用廠級控制的方法來確定系統(tǒng)最優(yōu)的控制變量和被控變量以及系統(tǒng)變量的自由度。分析了7個輸入變量和5個輸出被控量之間控制關系，再結合基于非線性物理模型的預測控制（NPMPC）的控制算法（見圖4），完成了一個14階的非線性廠級模型的控制問題。廠級控制在研究中主要用于優(yōu)化系統(tǒng)被控變量，從中選取最能體現(xiàn)系統(tǒng)控制目標和經(jīng)濟性能的變量。該研究大大提高了機組的負荷響應速度。在2003年Skogestad等人針對一個燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站用廠級控制的設計步驟進行了控制結構的設計。從被控變量的選取到控制結構的確定都是通過廠級控制的方法來實現(xiàn)的，而不是依靠經(jīng)驗。

圖4 NPMPC的控制結構

廠級控制作為一種著眼于全廠控制的設計方法，在某些問題上可以綜合考慮系統(tǒng)的控制性能與經(jīng)濟、環(huán)境等指標要求，同時也可以做到上層優(yōu)化和“下游”控制的協(xié)同工作，在具體實現(xiàn)上它可以借助于多種先進的控制策略。我們有理由相信，廠級控制一定會在實現(xiàn)火電廠管控一體化的進程中發(fā)揮重要的作用。

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