先进过程控制之一：浅说APC

　　先进过程控制（APC）技术作为在生产装置级的信息化应用，在优化装置的控制水平和提高生产过程的管理水平的同时，还为企业创造了可观的经济效益。

1、什么是APC

　　先进过程控制，简称APC，并不是什么新概念。它仅仅只是一大类区别于经典控制的控制方法的统称，包含的内容非常丰富。从广泛的概念上来讲，能够获得比经典PID控制更好的控制效果的控制策略都可以称之为先进控制技术。

　　一般来讲，我们通常所说的APC大致包含有三大类别的内容：一是传统的先进控制技术，比如变增益控制、时滞补偿控制、解耦控制、选择性控制等；二是现行的先进控制技术，如模型预测控制（MPC）、统计质量控制（SQC）、内模控制（IMC）、自适控制、专家控制、神经控制器、模糊控制、最优控制等；三是新兴的先进控制技术，如非线性控制、鲁棒控制等。就目前来讲，应用比较广泛并且取得了良好效果的是模型预测控制，所以在现阶段人们讨论APC时，很多时候实际上是指MPC。

　　其实，模型预测控制亦有很多种形式，如动态矩阵控制（DMC）、广义预测控制（GPC）等。但不管形式如何，都遵循一个基本的原理：模型预测、滚动优化、反馈校正。

2、为什么需要APC

　　我们要使用APC，那肯定是它有经典控制不可比拟的优势。那我们就来简单说一说相比于经典PID控制器，它有哪些优势。

　　首先，APC与经典PID控制器的最大区别是不再只是单个变量的控制，而是对被控对象的整体进行多个变量的控制。这样就消除了多个回路之间的相互影响。

　　其次，APC相较于经典PID控制器具有预测功能。可以根据目前多个回路的工况进行分析，从而对控制器内每一个回路的未来进行预测，根据预测的结果对回路进行调节，进而可以让控制效果最大可能的得到优化。

　　三是，APC相较于经典PID控制器具有更强的适应能力和更好的鲁棒性。适合于处理过程的大滞后、强耦合特性、并能有效地解决过程可测干扰。

　　还有就是相较于经典PID控制器，APC策略采用多变量优化算法，适合处理多层次、多目标和多约束控制问题，能够更方便地让生产过程控制反应生产过程的经济指标。

3、如何使用APC

　　无论APC的优势有多少，最终都是要落实到具体的应用上。我们先来看看，APC和整个系统是如何有机结合的，其结构框图如下：

　　从上图，我们可能会觉得只是在传统控制系统上增加了一个APC的组件而已。其实不然，因为APC会与被控对象和控制系统发生深度作用，而且遵循模型预测、滚动优化、反馈校正的闭环控制。而且经典PID所控制的东西，APC也并没舍弃，而是在此基础上有所增加。

　　当然，APC也有更多不同于经典PID的东西，它的控制目标不再是某个参数，而是整个被控对象的全部控制参数。而且被控变量也在传统的温度、压力、流量和液位四大参数的基础上进行了拓展，增加了诸如产品质量指标和设备负荷等工艺生产所需要的变量，能够从整体上提高装置的稳定性，实现了产品质量的卡边操作，为挖潜增效创造了条件。为了更详细的描述APC的工作流程，我们做了如下的控制结构图：

　　上图看似复杂，其实如果你了解经典控制中的串级控制，它就很容易明白。APC只是针对某一个工艺控制对象做了整体的优化控制，也就是对多个变量同时协调控制，这也是它控制之效果优于单回路的根本原因。关于上面这个图，我们有几个问题需要详细说明。

　　一是APC控制器的给定，我们称之为工艺控制指标给定。对于经典的PID控制我们的被控变量无非是温度、压力、流量、物位等，系统根据操作人员的要求调节。无论是自动还是手动操作状态，操作一团给定其SV值或MV值。在APC中也是如此，需要工艺过程操作员给出相应的控制参数设定。不过这些参数要比经典控制的范围广得多，除了上述的被控变量外，性能指标，限制条件等也都要求作为工艺参数设定到系统中。对于那些有流程模拟系统的，这些参数显然可以有流程模拟系统直接给定。

　　二是APC控制器的模型优化。对于APC控制起来说，在获得设定值以及实际参数后，通过预测模型计算出优化参数，并将这些优化参数以设定值的形式下发给PID控制器，这也是我们说它相似于串级调节的原因。那么很显然，优化模型直接界定的控制的效果，所以优化模型的建立是关键。有了合适的模型是否就高枕无忧了呢？当然不是，在实际应用中我们还要不断的调整优化。

　　此外APC控制器的调节周期也需要关注，调节的太快控制对象可能来不及反应，调节太慢控制优化有起不到作用，无论是太快还是太慢都很难找到最优点。

　　三是经典PID的参数整定。从上图我们也可以看出，APC调节离不开经典的PID控制，因为最终的调节还需要传统控制系统来执行。所以PID控制器的参数如何，能不能快速收敛，将直接影响控制的效果。所幸，现在的APC厂家和控制系统厂家都能提供PID参数正定工具。

4、来个小结

　　我们已经描述了APC和其执行过程，也知道了APC相较于传统单回路控制的优势。但有一个问题我们没有谈到，那就是APC控制器不可避免的模型退化问题。模型退化的问题一直困扰着APC的应用，因为各种原因工艺条件随着时间推移总会发生一些变化，所以我们需要对模型进行修正，而在线修正模型也是APC的研究方向之一。

　　最后，我们不得不说APC确有其优势，但要有良好的效果却并不那么容易，这牵涉到的不仅仅是控制问题，在后续我们再谈一谈APC在实际中的应用及困难。

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