《世界儀表與自動(dòng)化》，2007年5月，

一 引言

    一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)裝置的操作目標可以歸納為3個(gè)方面，按其重要順序，即安全、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在實(shí)現了安全生產(chǎn)的前提下，許多企業(yè)管理者開(kāi)始考慮如何將生產(chǎn)自動(dòng)化與經(jīng)營(yíng)活動(dòng)結合起來(lái)，通過(guò)某種解決方案將經(jīng)營(yíng)目標轉化成生產(chǎn)操作中的操作目標，根據市場(chǎng)變化和設備狀況自動(dòng)地確定控制器最優(yōu)設定點(diǎn)，并將生產(chǎn)數據加工為
生產(chǎn)信息進(jìn)行反饋，從而實(shí)現企業(yè)經(jīng)營(yíng)目標與生產(chǎn)操作有機關(guān)聯(lián)。

    實(shí)時(shí)優(yōu)化在企業(yè)自動(dòng)化系統結構中的位置如圖1所示。在系統結構中，實(shí)時(shí)優(yōu)化處于先進(jìn)控制和基礎層之上。其功能是綜合考慮經(jīng)濟信息、裝置物理約束和裝置自由度的前提下，最優(yōu)化經(jīng)濟效益。要達到這個(gè)目的，實(shí)時(shí)優(yōu)化系統必須能夠：、感知系統當前狀態(tài)，求解最佳操作點(diǎn)，確定從當前操作點(diǎn)至最佳操作點(diǎn)的路徑。

    實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是穩態(tài)優(yōu)化，這是傳統的實(shí)時(shí)優(yōu)化，采用穩態(tài)機理模型，大多利用基于方程的求解技術(shù)；另一類(lèi)是動(dòng)態(tài)優(yōu)化，這是實(shí)時(shí)優(yōu)化的新發(fā)展，采用動(dòng)態(tài)模型。無(wú)論穩態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化還是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化，我們都將對以下3個(gè)關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行分析：

    （1）狀態(tài)估計（感知系統當前狀態(tài)）：是指能夠判斷系統當前的狀態(tài)。由于各種干擾的影響，工業(yè)生產(chǎn)裝置總是處于動(dòng)態(tài)變化中。對于干擾的動(dòng)態(tài)響應也是有快有慢，甚至還有逆響應或者純滯后。這意味著(zhù)在某一時(shí)刻得到的“快照”數據并不能夠完全反映裝置全部情況，有時(shí)甚至可能會(huì )讓人們得出錯誤的結論。完整地評估裝置當前狀態(tài)還需要歷史數據。狀態(tài)估計既能夠判斷裝置眼下的狀態(tài)，也能預估其未來(lái)狀態(tài)。

    （2）最優(yōu)狀態(tài)（確定最佳操作點(diǎn)）：是指求解最佳穩態(tài)操作點(diǎn)。用一組代數方程來(lái)描述實(shí)際裝置，然后利用線(xiàn)性代數和最優(yōu)理論求解最佳操作點(diǎn)。

    （3）動(dòng)態(tài)路徑：是指從當前操作點(diǎn)移動(dòng)至最佳操作點(diǎn)路徑。通常存在許多路徑，由于變量間的動(dòng)態(tài)耦合，直線(xiàn)路徑未必就是最佳路徑，有時(shí)甚至是不可行路徑。

圖1 企業(yè)自動(dòng)化系統結構

  
    對應引言中提到的3個(gè)關(guān)注點(diǎn)，穩態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化的特性如下：

    （1）狀態(tài)估計

    傳統的實(shí)時(shí)優(yōu)化要求將穩態(tài)工藝模型嚴格地匹配到當前的裝置狀況，需要進(jìn)行數據校正和參數估計。對于動(dòng)態(tài)變化比較頻繁的裝置，實(shí)際中不太容易確定準確的當前狀態(tài)。例如乙烯裝置就很少處于穩態(tài)。實(shí)踐中則成了一個(gè)參數調整的問(wèn)題，有兩種極端情況：（1）嚴格的穩態(tài)判斷準則，意味著(zhù)等待時(shí)間長(cháng)。（2）松弛的穩態(tài)判斷準則，可以減少等待時(shí)間。這兩種方法都有問(wèn)題，對于第一種方法，等待、意味著(zhù)丟失了優(yōu)化的機會(huì )，雖然當達到穩態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化結果的意義大；對于第二種方法，優(yōu)化可以進(jìn)行得更頻繁，但數據校正和參數估計的完備性降低了?？傊?，整個(gè)優(yōu)化是在某種程度上的折衷。

    （2）最優(yōu)狀態(tài)

    第一，優(yōu)化器的執行周期與模型大小和計算機的計算能力相關(guān)。第二，優(yōu)化器計算期間進(jìn)行系統的干擾能夠使本次優(yōu)化結果無(wú)效。由于等待穩態(tài)、計算時(shí)間長(cháng)、以及中間干擾等因素，傳統的實(shí)時(shí)優(yōu)化在乙烯裝置上的運行頻次非常低。

    （3）動(dòng)態(tài)路徑

    穩態(tài)優(yōu)化無(wú)法給出動(dòng)態(tài)路徑。通常采用人工輸入的步幅限制來(lái)約束向最佳操作點(diǎn)的移動(dòng)。由于優(yōu)化模型本質(zhì)上是穩態(tài)的，所以通常輸入的優(yōu)化步幅都比較小，以避免CV值波動(dòng)過(guò)大。

    傳統的實(shí)時(shí)優(yōu)化需要維護兩套模型，一套是模型預測控制器使用的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型，另一套是實(shí)時(shí)優(yōu)化使用的非線(xiàn)性穩態(tài)工藝模型。兩套模型都描述同一個(gè)裝置，卻基本完全不同，無(wú)法相互利用。這意味著(zhù)模型的開(kāi)發(fā)和維護都需要重復投資。

    總之，傳統的實(shí)時(shí)優(yōu)化基于穩態(tài)模型，實(shí)時(shí)優(yōu)化的很多時(shí)間用于等待裝置處于穩態(tài)，并且下傳穩態(tài)優(yōu)化結果的前提是優(yōu)化計算期間沒(méi)有中間干擾進(jìn)入系統。對于動(dòng)態(tài)響應比較快或者干擾少的裝置，實(shí)時(shí)優(yōu)化僅用于適應企業(yè)外部的市場(chǎng)需求變化，傳統的優(yōu)化說(shuō)夠了。對于動(dòng)態(tài)變化比較頻繁的裝置，傳統實(shí)時(shí)優(yōu)化可能給裝置帶來(lái)最大效益。為此，眾多的學(xué)者和公司在研究如何引入動(dòng)態(tài)模型，對大工業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

三  動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化——實(shí)時(shí)優(yōu)化的新發(fā)展

    從實(shí)用的觀(guān)點(diǎn)看，分層優(yōu)化方法可以為用戶(hù)提供最好的投資回報。近些年，實(shí)時(shí)優(yōu)化與先進(jìn)控制的主要供應商都推出了這樣的解決方案，如AspenTech 公司的DMCPlus、CLP、RTO 和Honeywell公司的Profit Controller、Profit Optimizer、Profit Max。以Honeywell公司為例，其中分層優(yōu)化框架包括三層：

    （1）通過(guò)Profit Controller實(shí)施的局部?jì)?yōu)化；

    （2）通過(guò)Profit Optimizer實(shí)施的全局實(shí)時(shí)優(yōu)化；

    （3）通過(guò)Profit Max利用嚴格的機理模型對高度非線(xiàn)性過(guò)程實(shí)施優(yōu)化。

    這一分層優(yōu)化的方法將Profit Optimizer作為實(shí)施基于嚴格機理模型的實(shí)時(shí)優(yōu)化的基礎，充分利用已經(jīng)安裝的多變量控制器，從而降低實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化的成本和風(fēng)險。

    Profit Optimizer采用了其特有的基于分布式二次規劃（DQP）的協(xié)調控制與優(yōu)化算法。該算法利用動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)模型對各Profit Controller所對應的單元間的相互干擾進(jìn)行描述，同時(shí)，將動(dòng)態(tài)控制層的約束條件和其他的全局優(yōu)化變量及中間變量的動(dòng)態(tài)約束條件結合起來(lái)。Profit Optimizer不僅能給出最佳操作點(diǎn)，而且能計算出達到最佳操作點(diǎn)的最優(yōu)路徑。Profit Optimizer將傳統的穩態(tài)優(yōu)化問(wèn)題化為整個(gè)控制框架下的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，通過(guò)及時(shí)的現場(chǎng)反饋處理和實(shí)時(shí)求解動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，逐步逼近穩態(tài)最優(yōu)解。

    這一突破性的技術(shù)將傳統的基于機理的模型的優(yōu)化問(wèn)題轉化為控制/協(xié)調問(wèn)題。Profit Optimizer能非常有效地處理實(shí)時(shí)優(yōu)化中的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，并將優(yōu)化結果輸出給其下一層的Profit Controller，后者通過(guò)跟蹤Profit Optimizer給出的優(yōu)化指標，將裝置推動(dòng)到它的最優(yōu)操作點(diǎn)。它比較少適合于解決中大規模的實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化問(wèn)題。Profit Optimizer易于實(shí)施，并且比傳統的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法有更強的魯棒性，其良好的準確度通過(guò)直接的、頻繁的過(guò)程反饋來(lái)保持。由于Profit Optimizer每1~2min運行一次，它可很快地檢測到干擾并及時(shí)作出響應。因此，它能使裝置的運行更接近裝置約束，更接近優(yōu)化目標。

    Profit Optimizer的基礎模型來(lái)自Profit Controller，都是線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型，對于高度非線(xiàn)性的過(guò)程，增益更新技術(shù)是提高多變壓量預測控制適應范圍的一個(gè)很有效的方法，通常，增益更新是采用對非線(xiàn)性模型進(jìn)行數值蠕動(dòng)的方法。由于只需要工藝變量間的商，因此不要求在每個(gè)執行周期都進(jìn)行嚴格地參數擬合。執行周期短和連續增益更新使得Profit Optimizer求解大規模非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題的宏觀(guān)表現類(lèi)似于SQP法求解非線(xiàn)性問(wèn)題。

    對應引言中提到的3個(gè)關(guān)注點(diǎn)，Profit Optimizer的特性如下：

    （1）狀態(tài)估計

    由于已經(jīng)包含了裝置的動(dòng)態(tài)模型，Profit Optimizer在進(jìn)行優(yōu)化計算時(shí)不要求裝置處于穩態(tài)。Profit Optimizer的執行周期通常為1min，這樣可以頻繁得到現場(chǎng)反饋數據，以補償模型失配。Profit Optimizer的模型準確地知道每一個(gè)過(guò)程變量的當前值和未來(lái)值。

    （2）最優(yōu)狀態(tài)

    在Profit Optimizer中，優(yōu)化問(wèn)題是半整定QP問(wèn)題，一定有解，且求解速度過(guò)快。通常Profit Optimizer與Profit Controller的執行周期相同。

    （3）動(dòng)態(tài)路徑

    Profit Optimizer將按照最小能量路徑將生產(chǎn)推向最佳操作點(diǎn)。最小能量路徑即是最小MV調節量。

    以Profit Optimizer為代表的動(dòng)態(tài)優(yōu)化是實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)步。采用動(dòng)態(tài)模型代替穩態(tài)優(yōu)化模型，優(yōu)化計算不要求裝置處于穩態(tài)。以QP描述優(yōu)化，求解方便。嚴格穩態(tài)模型與動(dòng)態(tài)系統相集成的方案實(shí)現在線(xiàn)更新先進(jìn)控制器和優(yōu)化器模型增益，以處理非線(xiàn)性。Profit Optimizer適合于解決現實(shí)中的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。

    圖3為Profit Optimizer的應用結構。作為動(dòng)態(tài)優(yōu)化/協(xié)調層，Profit Optimizer處于先進(jìn)控制層之上。非線(xiàn)性模型通過(guò)接口（Profit Bridge）實(shí)現對Profit Controller和Profit Optimizer的模型增益進(jìn)行在線(xiàn)更新。每個(gè)執行周期，優(yōu)化器都能夠得到反饋信息。

圖3 Profit Optimizer 應用結構圖