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(xué)控制科學(xué)與控制工程學(xué)院，北京 102206）

“廠級(jí)控制”的提出最早可以追溯到1964年，當(dāng)時(shí)的Buckley[1]認(rèn)為控制結(jié)構(gòu)應(yīng)該以整個(gè)工廠為模型建立，應(yīng)首先考慮到庫(kù)存，生產(chǎn)質(zhì)量。他第一次把廠級(jí)控制這個(gè)概念引入到了控制界，然而當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視，因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)是很困難的。一直到20世紀(jì)80年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷完善，人們才意識(shí)到廠級(jí)控制的思想是一個(gè)很好的控制和設(shè)計(jì)理念。從那以后廠級(jí)控制得到了很好的發(fā)展，有很多學(xué)者也開始研究如何給廠級(jí)控制下一個(gè)完整的、貼切的定義。在開始的時(shí)候有人認(rèn)為廠級(jí)控制就是系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣的觀點(diǎn)在某種程度上體現(xiàn)了廠級(jí)控制的思想，但也存在局限性。直到1992年，Rinard and Downs[2]總結(jié)了前人的研究，他們指出：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)只能算是狹義上的廠級(jí)控制，真正的廠級(jí)控制應(yīng)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(cè)以及系統(tǒng)的安全和聯(lián)鎖控制等方面的內(nèi)容，這無(wú)疑豐富了廠級(jí)控制的研究?jī)?nèi)容。Sigurd Skogestad和Truls Larsson給了廠級(jí)控制和控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)明確的界定：廠級(jí)控制涵蓋了整個(gè)廠的控制結(jié)構(gòu)和控制策略的選取，這其中包含了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；而控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是我們從系統(tǒng)角度或數(shù)學(xué)角度上來(lái)求解這個(gè)問題的方法[3]。可以通過分級(jí)的形式把廠級(jí)控制理念加以描述，如圖1所示。

1 廠級(jí)控制的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法

1.1 理論基礎(chǔ)

圖1 用分級(jí)形式表示的廠級(jí)控制系統(tǒng)

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

廠級(jí)控制設(shè)計(jì)重點(diǎn)和常規(guī)控制是有很大不同的，它的重點(diǎn)是整個(gè)廠的整體的控制結(jié)構(gòu)、操作點(diǎn)和被控變量的選取、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在它的設(shè)計(jì)中包含了2個(gè)設(shè)計(jì)的理念：一個(gè)是至上而下（TOP-DOWN），它要做的工作是定義一個(gè)完整的控制對(duì)象；進(jìn)行變量的自由度分析、確定設(shè)定點(diǎn)、主要的控制變量、生產(chǎn)率 （經(jīng)濟(jì)性有關(guān)）等環(huán)節(jié)。另一個(gè)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(shè)計(jì)、局部擾動(dòng)的排除、次要控制量的確定；在監(jiān)控層它要實(shí)現(xiàn)分散控制或多變量控制（MPC），以及控制變量的配對(duì)問題；在實(shí)時(shí)優(yōu)化層要做到自尋優(yōu)控制[5，6]。這2種設(shè)計(jì)方式并不是相互獨(dú)立的，開始時(shí)要用第1種對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，而到后面要依靠第2種方法去實(shí)現(xiàn)。

1.2 設(shè)計(jì)步驟

（1）操作變量的選?。ㄝ斎雖）。這一項(xiàng)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(shí)候應(yīng)該把系統(tǒng)變量的自由度考慮進(jìn)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(jí)控制和以往控制的不同。以往大多數(shù)人在做這項(xiàng)工作時(shí)都是憑經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)原則，更沒有通過量化的方法進(jìn)行選取。Skogestad和Postlethwaite于1998年在 《a review of plantwide control》中提出當(dāng)選擇控制輸出時(shí)，應(yīng)該尋找一組能實(shí)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(jí)數(shù)評(píng)估價(jià)值函數(shù)J的方法；最大化最小奇異值方法；觀測(cè)量的最優(yōu)組合的方法。

（3）觀測(cè)量的選?。ǜ郊虞敵鰒）。在過程控制中往往可能會(huì)有很多需要測(cè)量的量，要確定它們的數(shù)量、位置以及測(cè)量的準(zhǔn)確性，并不是一件容易的事情。這就要我們?cè)诳刂菩阅芴岣吆蜏y(cè)量損失之間取一個(gè)折中，這必然會(huì)涉及到系統(tǒng)的控制質(zhì)量和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性的問題，并且在大多數(shù)的情況下，我們都應(yīng)該把控制結(jié)構(gòu)的選擇結(jié)果考慮進(jìn)來(lái)，這就需要通過優(yōu)化來(lái)進(jìn)行。關(guān)于這方面可以采用基于零空間的方法來(lái)進(jìn)行量化選擇。

（4）控制結(jié)構(gòu)的選取。就是尋找一個(gè)能把被控量、操縱量和觀測(cè)量有機(jī)聯(lián)系起來(lái)的全面的控制器K，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制指標(biāo)而服務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，可以選擇垂直的結(jié)構(gòu)（遞階）和平行的結(jié)構(gòu)（分散控制）的方式。這一項(xiàng)也是整個(gè)廠級(jí)控制的重點(diǎn)，它是上層優(yōu)化調(diào)度和下層實(shí)際控制連接的樞紐。

（5） 控制器類型的選取（PID，解耦，MPC 等）。這就要根據(jù)實(shí)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(jì)性等來(lái)確定。對(duì)于具有非現(xiàn)行的系統(tǒng)，在這步中要進(jìn)行模型非線性度的分析來(lái)決定是否需要采用復(fù)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(duì)這樣的問題進(jìn)行量化，可以采用非線性度的理論方法或者間隙測(cè)度的方法。在控制器選擇過程中經(jīng)常會(huì)遇到的一個(gè)問題就是分散PID控制和一些先進(jìn)控制策略取舍，一個(gè)系統(tǒng)采用什么樣的控制策略同樣需要一個(gè)從量上來(lái)進(jìn)行衡量的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

2 廠級(jí)控制的應(yīng)用研究和發(fā)展

在1990年之前，對(duì)于廠級(jí)控制的研究大多停留在理論上，實(shí)際的應(yīng)用研究很有限。其中的一個(gè)很重要的原因就是缺少一個(gè)實(shí)現(xiàn)廠級(jí)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(jí)控制的應(yīng)用研究才獲得了新的發(fā)展。研究者們利用這個(gè)模型把他們對(duì)廠級(jí)控制的一些理解和構(gòu)想付諸實(shí)踐，無(wú)論是在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上都取得了新的進(jìn)展。開始時(shí)很多人都關(guān)注模型的控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中比較有代表的有Joseph（1993），他利用TECP設(shè)計(jì)了一個(gè)4層框架的控制結(jié)構(gòu)[8]。第1層是工廠級(jí)，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(lái)設(shè)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(dòng)分析研究了一種4級(jí)的控制結(jié)構(gòu)：（1）內(nèi)部串級(jí)；（2）基本的分散PID控制；（3）估計(jì)器和生產(chǎn)率回路；（4）上層的優(yōu)化控制[9]。Ye在1993年時(shí)，曾將第2層采用基于推理的前饋—反饋控制結(jié)構(gòu)，這提高了基層控制系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)干擾的的抵制能力，并設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)局部最小平方模型并將其用在預(yù)測(cè)不可測(cè)的干擾[10]。Ricker和Lee把非線性模型預(yù)測(cè)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(jí)控制的可控性問題，并根據(jù)廠級(jí)控制結(jié)構(gòu)選取原則、資源、能量平衡以及備選變量，成功地設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的多變量PID型控制，在控制中加入了主動(dòng)的控制約束[13]。

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)固然能提高整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，但這只是廠級(jí)控制要完成任務(wù)的一部分，要建立全廠的控制體系，一個(gè)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(jié)構(gòu)選擇、控制變量調(diào)整以及狀態(tài)的估計(jì)。Ricker和Lee（1995）將TECP中所有的測(cè)量值都當(dāng)作是有隨意延遲的，并以相同的采樣周期對(duì)系統(tǒng)的各狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)[14]。Ming Yan（1996）采用一個(gè)多等級(jí)的EKF，并取了一個(gè)基本的采樣周期（3 min），去估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)，使?fàn)顟B(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(shè)計(jì)了如圖2的設(shè)計(jì)方案，它有4個(gè)關(guān)鍵的組成部分：動(dòng)態(tài)模型、在線的參數(shù)和狀態(tài)估計(jì)、一個(gè)廠級(jí)控制系統(tǒng)和一個(gè)具有良好協(xié)調(diào)作用的優(yōu)化算法。當(dāng)把它用到TECP上時(shí)，此控制策略與沒有RTO的TECP相比節(jié)省了6%的運(yùn)行費(fèi)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(jí)控制中，以此來(lái)尋找一種具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行原則的、簡(jiǎn)單的、魯棒的方法，去回答要“控制什么”這樣一個(gè)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(dāng)被控變量的系統(tǒng)性的實(shí)現(xiàn)步驟，其中對(duì)自由度分析，損失評(píng)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(shè)計(jì)分散廠級(jí)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(gè)輸出優(yōu)化控制問題轉(zhuǎn)化成反饋和前饋兩部分，再利用這兩部分來(lái)估計(jì)分散控制系統(tǒng)，這種方法也可以用在MPC的辨識(shí)中[18]。除了上述這些研究還有很多和化工生產(chǎn)相關(guān)的應(yīng)用，例如廠級(jí)控制在加氫脫烷基化（HAD）中的應(yīng)用，在煉油廠的應(yīng)用等。

圖2 TECP過程的一種控制結(jié)構(gòu)、狀態(tài)估計(jì)、實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)

3 廠級(jí)控制在發(fā)電廠中的應(yīng)用展望

（1）廠級(jí)控制在發(fā)電廠廠級(jí)優(yōu)化中的應(yīng)用。企業(yè)級(jí)優(yōu)化是近幾年控制界剛剛興起的研究課題，可以說(shuō)它是一個(gè)很具有挑戰(zhàn)性的控制問題，但同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)管控一體化進(jìn)程中必需解決的一個(gè)難題。圖3給出了一個(gè)企業(yè)級(jí)優(yōu)化的例子，顯然它要解決的問題很多，但是一個(gè)關(guān)鍵的問題是如何去實(shí)現(xiàn)上層調(diào)度和下層控制器的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，以及控制器之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。其中的一個(gè)解決方法是：在設(shè)計(jì)下層控制器時(shí)，事先讓它具有參與廠級(jí)優(yōu)化的屬性，當(dāng)然這僅能結(jié)合當(dāng)前的工作狀況，在局部上實(shí)現(xiàn)，所以我們還需要一個(gè)優(yōu)化器，把那些沒有參與廠級(jí)優(yōu)化的找出來(lái)，讓它處于前饋的模式下工作，然后再基于參與者進(jìn)行全廠的再次優(yōu)化[19]。在文獻(xiàn)[19]中提出了一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的方法來(lái)集中控制和協(xié)調(diào)MPC控制器，最上面一層是基于未來(lái)約束信息的廠級(jí)優(yōu)化，最下面一層是一層MPRC控制器，中間一層是用來(lái)避免控制器接受到一個(gè)局部的不可行的隨機(jī)要求時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)。在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中廠級(jí)控制被用在最上層，來(lái)解決上層優(yōu)化中實(shí)時(shí)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(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，即把優(yōu)化器看成是一個(gè)“Gain-only Predictive Controller”。將全局的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化定義成在預(yù)測(cè)約束下的可行的未來(lái)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(cè)的數(shù)量和優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)等待。在火電廠的廠級(jí)優(yōu)化控制中我們也可以嘗試著用廠級(jí)控制的思想來(lái)實(shí)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(jí)優(yōu)化

（2）在火電廠機(jī)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(shè)計(jì)中都要考慮實(shí)際系統(tǒng)在不同操作點(diǎn)的未建模動(dòng)態(tài)而產(chǎn)生的非線性因素。然而，一個(gè)很基本的問題是此系統(tǒng)是否真正具有很強(qiáng)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(yīng)如何通過選取適當(dāng)?shù)牟僮鼽c(diǎn)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(gè)鍋爐-汽輪機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，分析他們?cè)诓煌r下非線性度的大小。對(duì)解決以上問題提供了一個(gè)很好的方法。但是他們的研究?jī)H從控制的角度去度量系統(tǒng)應(yīng)采用的控制策略，沒有把系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮進(jìn)去，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)全廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的要求以及控制器設(shè)計(jì)的選擇都埋下了隱患。因此可以用廠級(jí)控制的自尋優(yōu)控制思想，再結(jié)合以上研究，得到一個(gè)更加全面度量非線性的標(biāo)準(zhǔn)和選取模型工況點(diǎn)的方法。

（3）廠級(jí)控制在發(fā)電廠的應(yīng)用實(shí)例。Prasad和Irwin（1999）等人對(duì)廠級(jí)控制在發(fā)電廠的應(yīng)用做了一些嘗試性的工作，并取得了預(yù)期的效果[20]。文中用廠級(jí)控制的方法來(lái)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(gè)輸入變量和5個(gè)輸出被控量之間控制關(guān)系，再結(jié)合基于非線性物理模型的預(yù)測(cè)控制（NPMPC）的控制算法（見圖4），完成了一個(gè)14階的非線性廠級(jí)模型的控制問題。廠級(jí)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(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能的變量。該研究大大提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度。在2003年Skogestad等人針對(duì)一個(gè)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電站用廠級(jí)控制的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從被控變量的選取到控制結(jié)構(gòu)的確定都是通過廠級(jí)控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不是依靠經(jīng)驗(yàn)。

圖4 NPMPC的控制結(jié)構(gòu)

廠級(jí)控制作為一種著眼于全廠控制的設(shè)計(jì)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(jì)、環(huán)境等指標(biāo)要求，同時(shí)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(shí)現(xiàn)上它可以借助于多種先進(jìn)的控制策略。我們有理由相信，廠級(jí)控制一定會(huì)在實(shí)現(xiàn)火電廠管控一體化的進(jìn)程中發(fā)揮重要的作用。

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