在未來(lái)幾十年，過(guò)程控制活動(dòng)的重點(diǎn)很可能是多變量控制。這是過(guò)程自動(dòng)化進(jìn)程中的下一階段。更好的工具使先進(jìn)過(guò)程控制(APC)方法可適用于更多的應(yīng)用。

雖然多變量控制活動(dòng)已經(jīng)應(yīng)用幾十年，但傳統(tǒng)的多變量控制范式-基于模型的控制(MPC)和實(shí)時(shí)優(yōu)化，從未發(fā)展成為過(guò)程行業(yè)所需的多變量控制核心能力。很明顯，還有很多工作要做，需要更敏捷的工具來(lái)完成這些工作。

現(xiàn)代多變量控制范式，將結(jié)合之前MPC時(shí)代的單回路過(guò)程控制原則，以及關(guān)鍵多變量控制的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。核心的多變量控制原理和寶貴的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于控制工程師來(lái)說(shuō)非常重要。其中最主要的是矩陣的概念，因?yàn)樗诙嘧兞靠刂浦械闹匾饔茫约八谟行н^(guò)程操作、約束管理和過(guò)程優(yōu)化中的作用。

APC的連接和方向
關(guān)于任何控制器，無(wú)論是單回路還是多變量控制器，首先要了解的是它的連接和方向。

在單回路控制中，“連接”是指哪些變送器(或其它過(guò)程測(cè)量)和閥門(mén)(或其它最終控制元件)連接到控制器。這些內(nèi)容通常顯示在管道和儀表圖(P&ID)、控制系統(tǒng)圖以及許多其它類型的工藝文件中。每個(gè)上下文信息可能還包括額外的控制器細(xì)節(jié)，但連接信息是了解控制器角色所需的最少信息，即哪個(gè)變量由哪個(gè)閥門(mén)(或哪個(gè)“手柄”)控制，以便一目了然地掌握控制器的作用。

矩陣圖為多變量控制器提供了相同的信息。它顯示了哪些操縱變量(MV)與哪些受控變量(CV)相連，哪些MV可用于約束控制，哪些CV可優(yōu)化。與單回路控制一樣，這是理解多變量控制器在過(guò)程運(yùn)營(yíng)中作用的起點(diǎn)。

理解APC的控制動(dòng)作
下一個(gè)最重要的信息是控制方向，這是過(guò)程增益的標(biāo)志。例如，如果單回路控制器輸出或多變量控制器MV增加，受控變量的響應(yīng)是增加還是減少？

在單回路控制中，這也被稱為控制動(dòng)作(分別為負(fù)向或正向)。在多變量控制中，它也被稱為增益方向(分別為正或負(fù))。了解控制方向，對(duì)于理解利用每個(gè)MV/CV連接進(jìn)行控制和優(yōu)化的可能性、局限性和競(jìng)爭(zhēng)利益是必要的。

控制方向是過(guò)程模型最持久的方面。一個(gè)單回路控制器在其使用壽命中可能會(huì)被重新調(diào)整很多次，但其控制方向不會(huì)改變——這是過(guò)程設(shè)計(jì)和控制器連接的基本結(jié)果。MPC的經(jīng)驗(yàn)也表明，其他模型參數(shù)(如動(dòng)態(tài)定時(shí)和增益大小)可能會(huì)經(jīng)常改變，但增益方向永遠(yuǎn)不會(huì)改變。

連接和方向共同定義控制器的基本機(jī)制和功能，剩下的就是整定了。控制工程師通常對(duì)控制器的其它細(xì)節(jié)感興趣，但以矩陣圖的方便形式表示的連接和方向，包含了運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)所有成員在多變量約束管理和過(guò)程優(yōu)化中有效協(xié)作所需的基本信息。

擴(kuò)展到APC之外的矩陣圖
在MPC時(shí)代，矩陣圖經(jīng)常被隱藏起來(lái)，主要是APC工程師對(duì)其感興趣。經(jīng)驗(yàn)表明，矩陣圖是一種有效的工具，可以簡(jiǎn)明扼要地表示任何工藝運(yùn)營(yíng)的多變量性質(zhì)。這使得矩陣圖成為整個(gè)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)關(guān)注的焦點(diǎn)，包括工藝工程師、運(yùn)營(yíng)人員、分布式控制系統(tǒng)(DCS)和APC工程師以及所有其它過(guò)程運(yùn)營(yíng)和優(yōu)化利益相關(guān)者。矩陣圖已被證明是最有效和最合適的工具之一，在管理過(guò)程約束和實(shí)現(xiàn)過(guò)程優(yōu)化時(shí)，使所有利益相關(guān)者理解一致。


圖1：矩陣圖顯示了多變量控制器的連接和方向，包括運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)所有成員就約束控制和優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行協(xié)作所需的基本信息。加號(hào)或減號(hào)表示每個(gè)操縱變量/ 受控變量(MV/CV)連接的控制方向，用于控制和優(yōu)化目的。

在現(xiàn)代多變量控制范式中，矩陣圖的起點(diǎn)發(fā)生了變化。它們不是源自APC項(xiàng)目，而是源自工藝工程師，也被稱為生產(chǎn)或運(yùn)營(yíng)工程師，在指導(dǎo)日常運(yùn)營(yíng)以提高可靠性和優(yōu)化方面發(fā)揮，他們通常發(fā)揮主導(dǎo)作用。

工藝工程師還可以使用矩陣圖作為與其它運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)溝通和討論的工具。從工藝工程師開(kāi)發(fā)的工作草圖開(kāi)始，矩陣圖可以移植到工藝手冊(cè)、培訓(xùn)材料、運(yùn)營(yíng)程序、控制系統(tǒng)圖形中，最終移植到自動(dòng)化多變量控制器中。順便說(shuō)一句，隨著矩陣圖的發(fā)展，它在應(yīng)用中得到了改進(jìn)和驗(yàn)證，因此在部署到在線控制器之前，已經(jīng)獲得了運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)的認(rèn)可。

無(wú)論是由運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)手動(dòng)執(zhí)行還是借助多變量控制器自動(dòng)執(zhí)行，多變量約束控制和優(yōu)化一直是幾乎所有過(guò)程運(yùn)營(yíng)的固有特性。但在MPC時(shí)代之前，行業(yè)缺乏有效的工具和最佳實(shí)踐，無(wú)法以實(shí)用簡(jiǎn)潔的格式獲取和共享這些關(guān)鍵的運(yùn)營(yíng)信息。將矩陣納入過(guò)程自動(dòng)化的主流視野，可能最終被證明是MPC 時(shí)代最重要的貢獻(xiàn)之一。

運(yùn)營(yíng)矩陣設(shè)計(jì)技巧
在傳統(tǒng)的MPC實(shí)踐中，矩陣設(shè)計(jì)通常包括通過(guò)全面的工廠階躍測(cè)試，確定所有MV/CV過(guò)程的相互作用。每一個(gè)過(guò)程交互，無(wú)論在使用中有多小或潛在的問(wèn)題，都會(huì)成為矩陣中的一個(gè)連接。但從經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝運(yùn)營(yíng)者的角度來(lái)看，對(duì)于各種約束控制和優(yōu)化目的，已知數(shù)量有限的MV 通常是有效的，并已在運(yùn)行中得到驗(yàn)證。其它很多問(wèn)題是已知的，因此可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和各種工藝和設(shè)備運(yùn)營(yíng)來(lái)考慮，在運(yùn)營(yíng)中避免這些問(wèn)題。這就是理論矩陣設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)矩陣設(shè)計(jì)之間的區(qū)別。通常，與工藝和運(yùn)營(yíng)人員的討論很容易揭示出問(wèn)題所在，尤其是當(dāng)每個(gè)人都了解矩陣圖基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)。

運(yùn)營(yíng)矩陣設(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致多個(gè)、更小、密度更低的矩陣設(shè)計(jì)，而不是根據(jù)MPC 理論設(shè)計(jì)更大的矩陣。例如，工藝工程師和控制臺(tái)運(yùn)營(yíng)員通常可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，在不進(jìn)行工廠測(cè)試的情況下，直接解釋使用哪些MV來(lái)實(shí)現(xiàn)哪些約束和優(yōu)化目標(biāo)。


圖2：加熱器控制的矩陣設(shè)計(jì)包括燃?xì)狻⑼L(fēng)和通道平衡。在冗余控制層，該應(yīng)用可以以較快的速度運(yùn)行，因此它可以適應(yīng)快速和慢速受控變量。在無(wú)模型多變量控制中，矩陣包含增益方向，而不是詳細(xì)的動(dòng)態(tài)模型。

工藝工程師和控制臺(tái)運(yùn)營(yíng)員很少提及(或批準(zhǔn)使用)兩個(gè)或三個(gè)以上的控制手柄；通常是一個(gè)或兩個(gè)。由于切割掉無(wú)效或有問(wèn)題的控制手柄，矩陣密度降低，因此更容易劃分為更小、更易于管理的部分。

在運(yùn)營(yíng)矩陣設(shè)計(jì)中，一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則是，如果在任何一個(gè)矩陣列中有三個(gè)以上的模型(或連接)，則需要進(jìn)一步審查。這種做法沒(méi)有確切的理由，但經(jīng)驗(yàn)表明，工業(yè)過(guò)程和設(shè)備運(yùn)營(yíng)現(xiàn)實(shí)的最終效果：對(duì)于任何一個(gè)目標(biāo)，超過(guò)兩個(gè)或三個(gè)有用手柄的情況很少(多個(gè)“平行手柄”的情況除外，如加熱器通道平衡)。不良因素回路指標(biāo)，也可用于幫助識(shí)別現(xiàn)有的手動(dòng)多變量控制實(shí)踐，這些實(shí)踐已在運(yùn)營(yíng)中建立。

基礎(chǔ)層的多變量控制
隨著多變量控制作為核心能力的出現(xiàn)，以及更高效、更可靠的控制算法，多變量控制可以從監(jiān)控層遷移到基礎(chǔ)層。這帶來(lái)了重要的性能和可靠性改進(jìn)，尤其是控制器冗余和高速執(zhí)行。

冗余意味著“如果APC關(guān)閉或不可用怎么辦？”之類的問(wèn)題，不再成為一個(gè)復(fù)雜的因素。相反，小型、快速的APC應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)為在底層連續(xù)運(yùn)行，就像其它底層單回路或先進(jìn)管理控制一樣。

高速執(zhí)行意味著基礎(chǔ)層中的多變量控制器可以將快速CV與慢速CV結(jié)合起來(lái)。監(jiān)控層的傳統(tǒng)APC的運(yùn)行周期通常是30秒或60秒，并且只能適應(yīng)慢速CV，但許多過(guò)程變量的響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于此。基礎(chǔ)層APC的執(zhí)行周期可能是1到5秒，因此它可以在一個(gè)多變量控制矩陣中整合快速CV和慢速CV。

工業(yè)上最常見(jiàn)的多變量控制應(yīng)用之一，就是燃燒加熱器控制。在過(guò)去，快速或關(guān)鍵CV(如燃燒器壓力)需要運(yùn)行在基礎(chǔ)層，而慢速CV(如過(guò)量氧氣或通道平衡)通常在監(jiān)控層的傳統(tǒng)基于模型的多變量控制器中實(shí)現(xiàn)。這種拆分方案的實(shí)施、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)非常復(fù)雜，并且會(huì)影響性能。在基礎(chǔ)層使用APC時(shí)，整個(gè)多變量控制應(yīng)用可以在一個(gè)組合矩陣中實(shí)現(xiàn)，從而顯著提高可靠性和性能。
作者：Allan Kern