什么是多變量控制？多變量控制在工業(yè)運(yùn)營(yíng)中的作用

對(duì)多變量控制的解釋，總是使用很復(fù)雜的術(shù)語(yǔ)，其中涉及諸如詳細(xì)過(guò)程模型、實(shí)時(shí)優(yōu)化和矩陣數(shù)學(xué)之類的概念。這意味著，除了先進(jìn)過(guò)程控制（APC）工程師之外，很少有人能夠理解它。對(duì)工業(yè)過(guò)程操作中的多變量控制有了更深入的了解，使更多的人進(jìn)入過(guò)程自動(dòng)化企業(yè)，同時(shí)為運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的好處包括及時(shí)性、一致性和更少的報(bào)警。

普及ARC知識(shí)

很多參與項(xiàng)目的人可能會(huì)處于一頭霧水之中，他們常常在并不完全了解目標(biāo)、利益、影響和成功率的情況下，驗(yàn)收APC項(xiàng)目。而且，這種情況讓業(yè)界不得不再一次依賴APC工程師，來(lái)解釋APC許多意想不到的不足之處，例如高成本、短生命周期和較高的維護(hù)成本，而在大多數(shù)情況下，這些不足并未得到令人滿意的解釋。

隨著近40年多變量控制經(jīng)驗(yàn)的積累，人們對(duì)多變量控制及其在工業(yè)運(yùn)營(yíng)中的作用有了更直觀和定性的認(rèn)識(shí)。這可能對(duì)APC和過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)生若干有益的影響，包括更簡(jiǎn)單、更強(qiáng)大的軟件工具，定義更好的應(yīng)用以及讓所有利益相關(guān)者更多的參與進(jìn)來(lái)。

什么是多變量控制？

可以將多變量控制定義為：?jiǎn)位芈?a target="_blank">控制器設(shè)定值和輸出調(diào)整的自動(dòng)化，否則的話，這些任務(wù)將留給運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)手動(dòng)執(zhí)行。如果運(yùn)營(yíng)人員在當(dāng)值過(guò)程中進(jìn)行設(shè)定值和輸出的調(diào)整，這就是手動(dòng)多變量控制。自動(dòng)多變量控制技術(shù)（例如模型預(yù)測(cè)控制（MPC）或無(wú)模型多變量控制），可自動(dòng)執(zhí)行此任務(wù)。

自動(dòng)多變量控制（或閉環(huán)多變量）與單個(gè)閉環(huán)控制具有一樣的好處，包括更具及時(shí)性和一致性、更少的報(bào)警和超越限值，以及更好的優(yōu)化。它通常會(huì)帶來(lái)顯著的運(yùn)營(yíng)改善和經(jīng)濟(jì)利益。

在過(guò)程運(yùn)營(yíng)中的作用

多變量控制在工業(yè)運(yùn)營(yíng)中的作用，可以理解為自動(dòng)化多變量控制和手動(dòng)多變量控制之間的差異。在工業(yè)領(lǐng)域，一直存在手動(dòng)多變量控制，因?yàn)閹缀趺總€(gè)過(guò)程運(yùn)營(yíng)都是一個(gè)多變量控制命題。只需問(wèn)問(wèn)任何一個(gè)運(yùn)營(yíng)人員，您就知道了。

自動(dòng)多變量控制可自動(dòng)執(zhí)行或接管為相關(guān)控制器組進(jìn)行設(shè)定值和輸出調(diào)整的任務(wù)。這通常會(huì)導(dǎo)致更一致、更及時(shí)的調(diào)整、更少的報(bào)警和超越限值，以及更多的優(yōu)化。這些好處也可以理解為閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制的內(nèi)在好處。在單回路控制領(lǐng)域，這些好處一直很容易理解，其實(shí)這也同樣適用于多變量控制。

傳統(tǒng)的約束圖（圖1）說(shuō)明了它們的差異。通過(guò)手動(dòng)多變量控制，運(yùn)營(yíng)人員可以在進(jìn)行中的運(yùn)營(yíng)和限值之間，保留適量的緩沖區(qū)或錯(cuò)誤余量，以防過(guò)程中發(fā)生意外變化或干擾。相對(duì)于完全優(yōu)化的運(yùn)營(yíng)，緩沖區(qū)通常會(huì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)損失。

圖1：傳統(tǒng)約束圖顯示了手動(dòng)和自動(dòng)多變量控制之間的區(qū)別。在手冊(cè)中，如果發(fā)生意外的過(guò)程更改或干擾，運(yùn)營(yíng)人員會(huì)在正在進(jìn)行的運(yùn)營(yíng)和約束限值之間保留緩沖區(qū)或誤差余量。相對(duì)于完全優(yōu)化的運(yùn)營(yíng)，緩沖區(qū)通常會(huì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)損失。圖片來(lái)源：APC Performance

利用自動(dòng)或閉環(huán)多變量控制，可以將運(yùn)營(yíng)保持在更接近實(shí)際限值的位置，并且可以將緩沖區(qū)域作為先進(jìn)控制優(yōu)勢(shì)。這是可能的，因?yàn)槎嘧兞靠刂埔馕吨谶^(guò)程條件發(fā)生變化時(shí)，可以依靠自動(dòng)響應(yīng)來(lái)采取措施。同樣，多變量控制可以自動(dòng)退回到約束限值內(nèi)，從而可以獲取更大的效益，因?yàn)樗梢噪p向運(yùn)行。

多變量控制應(yīng)用仍處于常規(guī)大矩陣MPC范例的“雷達(dá)之下”，因?yàn)樯形闯晒ψC明MPC的高成本是合理的，并且對(duì)于高級(jí)監(jiān)管控制（ARC）的局限性來(lái)講，成本也太大。

圖2是一個(gè)“低空雷達(dá)”示例，它顯示了一直處于MPC“雷達(dá)之下”的多變量控制應(yīng)用。它顯示了在給定時(shí)間段內(nèi)，運(yùn)營(yíng)人員在控制臺(tái)上根據(jù)設(shè)定值、輸出或模式更改所進(jìn)行的干預(yù)次數(shù)。它顯示了25個(gè)最差的“角色”，即那些需要最多運(yùn)營(yíng)人員干預(yù)的控制器。這是對(duì)任何現(xiàn)代控制系統(tǒng)控制臺(tái)都能輕松繪制的圖表。

圖2：有效的指標(biāo)提供了有意義的度量，直觀的反映在某一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)度。業(yè)界是否一直在忽視可以證明自動(dòng)多變量控件合理性的指標(biāo)？可以為任何現(xiàn)代控制系統(tǒng)控制臺(tái)輕松繪制出25個(gè)最差的控制器（需要最多運(yùn)營(yíng)人員干預(yù)的控制器）的圖表。

微管理APC

可以肯定的是，這些干預(yù)措施中的大多數(shù)都代表手動(dòng)多變量控制方案，在這種情況下，運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)會(huì)疲于應(yīng)付相關(guān)控制器組的微管理。

多變量控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)多變量控制方案的自動(dòng)化，并實(shí)現(xiàn)多變量的閉環(huán)，同時(shí)減少變量的數(shù)量。

缺失的APC指標(biāo)

圖2看起來(lái)很熟悉。最近，業(yè)界至少兩次采用了類似的最佳實(shí)踐——手動(dòng)管理回路（除了我們現(xiàn)在正在討論的手動(dòng)多變量回路）和管理“壞角色”的報(bào)警（除了現(xiàn)在我們正在談?wù)摰男枰\(yùn)營(yíng)人員頻繁干預(yù)的壞角色）。

手動(dòng)多變量回路以及頻繁的運(yùn)營(yíng)人員干預(yù)會(huì)帶來(lái)一些不良后果，包括更多的報(bào)警和超越限值、運(yùn)營(yíng)人員對(duì)更高級(jí)別任務(wù)的更少關(guān)注和優(yōu)化。手動(dòng)干預(yù)通常是不一致、不及時(shí)且是次優(yōu)的。

有效的指標(biāo)可提供有意義的度量，直觀的反映一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)展。圖2符合這些標(biāo)準(zhǔn)，并反映了成功的過(guò)程自動(dòng)化和控制臺(tái)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的基本方面。工業(yè)界是否忽略了這一自然而潛在的重要指標(biāo)？ （作者：Allan Kern）
編輯：hfy