“过程控制”课程的RTO技术教学探讨

杨 俊，陈夕松

(东南大学自动化学院，江苏南京 210096)

0 引言

“过程控制”作为自动控制专业的专业主干课之一，它可以培养学生自动化及自动控制的工程设计及应用能力［1，2］。

从20世纪90年代开始，由于通过对流程工业操作条件的反复优化能够提高过程工业的利润，实时优化RTO(Real Time Optiminzation)控制在流程工业中逐步得到推广应用。实际生产过程中的最优设定值可能天天变化，有时甚至在一天内就发生很多次变化。此外，需要对操作条件进行周期性优化的还包括生产质量的要求、原材料价格变化、处理和储存的限制以及产品的需求等。随着计算机控制技术、计算机软硬件和优化技术的发展，RTO能够很容易在计算机控制系统中实现，从而可对工业生产过程进行实时优化控制［3］。

目前国内外流程工业界正在大力开发和应用RTO技术，并已经应用于多个行业系统的自动控制中，产生了可观的经济效益，受到控制理论研究者和控制工程师的重视［4］。然而目前我国高等学校“过程控制”课程教学中仍然以控制为主，鲜有涉及过程实时优化方面的内容。笔者认为，在现代“过程控制”课程教学中讲授RTO技术有利于引导学生了解过程控制的工业应用现状以及学术前沿，对培养学生的创新研究和实践能力有着重要的意义。

1 实时优化的概念和控制结构

实时优化的概念是非常复杂和广泛的，过程控制中的优化通常可分为动态优化控制和稳态设定值优化两类。

(1)动态优化控制:指通过调节操纵变量使被控变量接近预先设定的目标值，其目标值可以是固定的或者是随时间动态变化的。控制的方法主要有:优化反馈控制和模型预测控制方法等。

(2)稳态设定值优化:稳态设定值优化适用于代数方程描述的过程和目标而不是微分方程描述的系统。首先根据过程的生产目标建立表征效益的指标函数，其次考虑当前操作条件下各变量的约束条件，然后根据前两步建立的优化问题求解最优稳态设定值。

在实时优化控制中，计算机控制系统将完成所有数据传递和设定值优化计算，并将计算结果送到控制器中。为实现实时优化计算，需要如下几个步骤:①数据采集和校正;②确定过程的稳态，更新模型参数以满足当前的工况;③计算和实施这些新计算的最优设定值。

为了确定过程单元是否处于稳态，计算机控制系统中的软件应该实时监督关键过程变量的测量值(如成分、产率和流量等)并分析生产过程的操作条件是否已接近稳态。只有当所有关键过程变量测量值均到达允许的范围内，我们才认为生产运行是处于稳态的，设定值的优化计算才能启动。而基于物料和能量平衡的数据校正可以用单独的优化软件包来实现。数据的有效性和条理对任何优化来说都是极其关键的。

优化软件利用回归技术刷新模型参数，以便与当前生产数据相匹配。这些参数出现在工厂中每个单元的物质和能量平衡以及反映物理性质的基本方程中。在决定什么参数应该更新和什么参数用于更新时，需要大量的工厂知识和经验。在完成参数估计后，应收集与当前生产约束有关的信息、控制状态的数据、供料、产品和公用工程的经济值以及其它操作成本等。负责计划和调度的部门应按时更新经济值，然后优化软件计算最优设定值。在优化计算后，要重新检查生产过程的稳态条件，如果确定各个过程处于不同的稳态，则新的设定值将传递到计算机控制系统，以作为新的优化设定值。

实时优化控制与常规控制相结合可以看做是一种串级控制结构，如图1所示。外环的实时优化控制回路的运行将比内回路慢很多。

图1 实时优化和常规反馈控制结构示意图

在实际“过程控制”教学中，应结合工程实例，介绍各实例中实时优化的类别和特征，通过实例了解实时优化和常规反馈控制形结合的结构特征。以实际过程为例，讲述实时优化的过程和具体步骤，增加学生对过程实时优化的感性认识。

2 过程的RTO问题描述和求解

实时过程优化就是寻求一组使评价生产过程目标函数达到最优，同时又满足各项生产约束要求的操作参数。因此需要首先将过程生产指标最大化问题描述为一个合适的优化问题，然后进行求解。结合过程工业的实际情况，实时优化的主要问题概括为如下三个方面。

(1)过程优化目标建立:首先应该分析了解被控过程或单元的主要输入和输出变量，并确定关键的过程参数作为决策变量;过程优化目标是指需要最大化或最小化的目标函数，包括成本和产品的价值，或与它们相关联的生产过程运行参数的函数，由于其常涉及到经济效益，又被称为经济目标函数。

过程目标函数通常指过程的某项重要的经济指标，或者经简化后得到的一些关键操作指标，如原料消耗、产品产量、纯度、收率和能耗等。为了获得基于运行利润的单目标函数，每个产品的数量和质量必须建立与公用工程的消耗和原材料的消耗间的关系。所选择的目标函数可能会依赖于工厂的配置和供需情况。假设某过程以经济效益最高为期望的过程优化目标，其单位时间内的运行经济效益通常可表示为

式中，P为单位时间运行利润;ΣSFSVS为产品流量乘以各单位产品价格之和;ΣrFrCr为原料流量乘以各单位原料价格之和;OC为单位时间操作费用。

实际生产过程中的过程目标函数往往有着更为复杂的形式。考虑运行利润最大化的过程运行情况可能包括:产品生产能力的限制、市场需求及销售的限制、大规模生产、原材料和能源消耗量大、产品质量优于规范要求、有价值组分随废料流失或有害组分随废料排放等等。

(2)约束和运行模型:包括稳态过程模型和对过程变量的所有约束。

建立过程的输入输出稳态模型和辨识过程变量的操作极限是过程建模的基本要求。约束存在于过程本身，也存在于过程系统设备中。约束条件分为等式约束和不等式约束。流程工业过程通常从热力学、动力学得到的物料平衡、能量平衡和动量平衡等都属于等式约束。而一般的安全条件，例如过程操作时的压力上限和温度上限均属于不等式约束。此外，实时优化中的约束还有可能包括:操作条件导致的约束、供料和产品量、储存和库存能力和产品杂质等引起的约束。

(3)优化求解和分析:包括优化方案、寻优算法和优化策略的实施以及参数灵敏度分析等。

为在线运行的需要，首先要判断生产过程是否处于稳态，只有在稳态时优化结果才有效。此外采集数据需要进行校正以保证其满足过程的各类平衡条件。为实现实时优化还需要更新模型参数以适合于当前的运行状况，计算出关键控制回路新的设定值，并传送到先进控制系统加以执行。典型的过程实时优化系统构成如图2所示。

此外，我们还需要确切地知道哪些参数在优化问题中起着关键作用，这对优化问题来说是非常有用的。因此，可以通过改变模型中各参数，重复计算优化问题，从而寻找比较敏感的参数。

教学过程中应该采用典型的工程实例，建立过程优化的目标，列举各约束条件，并结合Matlab或者其它计算工具进行优化问题的求解。这样便可通过实例的方式培养学生解决具体过程实时优化问题的能力。

图2 典型过程实时优化系统的主要构成

3 结语

本文以实现“过程控制”课程基于RTO技术的教学内容改革为契机，结合工程实例合理组织教学内容，探索关于RTO技术的实例教学方法，并在教学中不断修正和完善。基于RTO技术的“过程控制”教学能够引导学生了解过程控制的工业应用现状和学术前沿，对培养学生的创新研究能力有着重要的作用。

［1］陈夕松，汪木兰.过程控制系统(第二版)［M］.北京:科学出版社，2011.

［2］刘中等.基于体验学习的“过程控制”实验教学设计［J］.南京:电气电子教学学报，2011年第S1期:88-90.

［3］王树青.过程控制工程(第二版)［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［4］黄德先等.过程控制系统［M］.北京:清华大学出版社，2011.