为何APC在复杂生产装置中逐渐成为了主流?


在现代工业生产中,过程控制技术的发展不断推动着生产效率和安全性的提升。其中,PID和APC作为两种重要的控制方式,各自具有独特的优势与应用场景。它与传统PID控制相比,又有哪些显著的区别和优势?

先进过程控制(APC)技术作为在生产装置级的信息化应用,在优化装置的控制水平和提高生产过程的管理水平的同时,还为企业创造了可观的经济效益。

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为什么需要APC?

要使用APC,肯定是它有经典控制不可比拟的优势。相比于经典PID控制器,它有哪些优势?

(1)APC与经典PID控制器的最大区别是不再只是单个变量的控制,而是对被控对象的整体进行多个变量的控制。这样就消除了多个回路之间的相互影响。

(2)APC相较于经典PID控制器具有预测功能。可以根据目前多个回路的工况进行分析,从而对控制器内每一个回路的未来进行预测,根据预测的结果对回路进行调节,进而可以让控制效果最大可能的得到优化。

(3)APC相较于经典PID控制器具有更强的适应能力和更好的鲁棒性。适合于处理过程的大滞后、强耦合特性、并能有效地解决过程可测干扰。

(4)相较于经典PID控制器,APC策略采用多变量优化算法,适合处理多层次、多目标和多约束控制问题,能够更方便地让生产过程控制反应生产过程的经济指标。

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如何使用APC?

据上图,可能会觉得只是在传统控制系统上增加了一个APC的组件而已。其实不然,APC会与被控对象和控制系统发生深度作用,而且遵循模型预测、滚动优化、反馈校正的闭环控制。

经典PID所控制的东西,APC也并没舍弃,而是在此基础上有所增加。APC行的,PID不一定行。

APC除了单变量的强因果控制问题可以媲美PID外,它最重要的是多变量协调的能力。一个PID好比一个操作工。如果用的好,一个操作工可以胜任班长的工作,但是一个装置很复杂、流程很长、耦合严重时必须要有一个协调全局的技术员。这个技术员就是APC。这也是为什么APC最早在炼油、石化行业流行的原因。

APC在工业界逐渐成为主流控制技术还有两个原因:

①APC降低了多变量控制的难度,使得工艺工程师可以从事多变量控制的工作,因为APC使用统一的模型结构降低了多变量控制方案设计的难度;

②APC以一种工业界能听懂的方式阐述控制算法,而且还解决了很复杂的控制问题。

当然,APC也有更多不同于经典PID的东西,它的控制目标不再是某个参数,而是整个被控对象的全部控制参数。而且被控变量也在传统的温度、压力、流量和液位四大参数的基础上进行了拓展,增加了如产品质量指标、设备负荷等工艺生产所需要的变量,能够从整体上提高装置的稳定性,实现了产品质量的卡边操作,为挖潜增效创造了条件。描述APC的工作流程,见下图:

来源公众号:化工仪表天地

上图看似复杂,其实如果了解经典控制中的串级控制,它就很容易明白。APC只是针对某一个工艺控制对象做了整体的优化控制,也就是对多个变量同时协调控制,这也是它控制之效果优于单回路的根本原因。关于上图,有几个问题需要详细说明:

(1)APC控制器的给定,我们称之为工艺控制指标给定。对于经典的PID控制被控变量无非是温度、压力、流量、物位等,系统根据操作人员的要求调节。无论是自动还是手动操作状态,操作给定其SV值或MV值。

在APC中也是如此,需要工艺过程操作员给出相应的控制参数设定。不过这些参数要比经典控制的范围广得多,除了上述的被控变量外,性能指标,限制条件等也都要求作为工艺参数设定到系统中。对于那些有流程模拟系统的,这些参数显然可以有流程模拟系统直接给定;

无论APC的优势有多少,最终都是要落实到具体的应用上。过程控制工程师应该关注PID参数整定和控制方案设计,强调通过操作分析发现问题,通过理解设计意图和操作思路分析问题,并用简单、有效、规范的方法解决问题。这些方法主要是顺控、PID整定和复杂控制。

PID控制和APC先进控制哪个行?

概括起来就三句话:PID行的,APC一定行;APC行的,PID不一定行;PID不行的,APC也不一定行。

PID的强项在单变量强因果关系的控制中,本质上PID也是基于模型的控制,都是用控制器的模型和被控对象的模型组成闭环系统,APC也是用控制器的模型和被控对象的模型组成闭环系统。因为PID是简单的三参数线性控制器,所以使用多参数的线性APC完全能替代PID进行控制,APC的多参数控制器能对高阶控制器进行有效控制。所以PID行的,APC一定行。

为什么过程控制的工艺参数95%都用PID呢?

主要是因为PID的成本比较低,实施比较容易。有枣没枣打三竿,只要是控制就先用PID试试,结果效果差不多,其他算法就没有机会了。如果PID的控制效果达不到控制要求,才会尝试新算法。但是大多数新算法都没有得到普及应用。APC算法消耗的资源更多,执行周期更慢,有时候这也是APC的一个不足之处。

但是,PID不行的,APC也不一定行!在实际工作中使用PID的效果有时候达不到控制要求。如果是单变量强因果关系,往往通过PID参数整定就能解决问题。通过参数整定,PID不行可以变行。APC往往也能行。如果是因为控制方案不合理,通过PID参数整定也解决不了。如果不理解设计意图和操作思路,简单使用APC的效果往往也不理想。这才是常见的PID不行,APC也不行的情况。当控制问题是一个真正多变量变约束优化控制问题时,是PID不行,APC行的情况。当然了如果是设备或者工艺有问题,连工艺专家都不知道如何操作,PID不行,APC一定也不行。

工具只是手段不是目的。学了工具,而陷入工具自身,却不能顾及工具的用途,是为特定目标或目的服务的,特别是对工具的局限和适用边界,无意识甚或陷入到无边际的泛化遐想之中。管理、顺控、程序和PID、ARC、APC都是过程控制解决控制问题的工具,减少人的操作干预实现生产过程自动化才是过程控制的目的。

拓展知识

问:什么是APC?

答:先进过程控制,简称APC,并不是什么新概念。它仅仅只是一大类区别于经典控制的控制方法的统称,包含的内容非常丰富。从广泛的概念上来讲,能够获得比经典PID控制更好的控制效果的控制策略都可以称之为先进控制技术。

就目前来讲,应用比较广泛并且取得了良好效果的是模型预测控制,所以在现阶段人们讨论APC时,很多时候实际上是指MPC。其实,模型预测控制亦有很多种形式,如动态矩阵控制、广义预测控制等。但不管形式如何,都遵循一个基本的原理:模型预测、滚动优化、反馈校正。

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