在未來幾十年，過程控制活動的重點很可能是多變量控制。這是過程自動化進(jìn)程中的下一階段。更好的工具使先進(jìn)過程控制(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)和實時優(yōu)化，從未發(fā)展成為過程行業(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完成這些工作。

現(xiàn)代多變量控制范式，將結(jié)合之前MPC時代的單回路過程控制原則，以及關(guān)鍵多變量控制的經(jīng)驗教訓(xùn)。核心的多變量控制原理和寶貴的經(jīng)驗對于控制工程師來說非常重要。其中最主要的是矩陣的概念，因為它在多變量控制中的重要作用，以及它在有效過程操作、約束管理和過程優(yōu)化中的作用。

APC的連接和方向
關(guān)于任何控制器，無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(或其它過程測量)和閥門(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，即哪個變量由哪個閥門(或哪個“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程運(yùn)營中作用的起點。

理解APC的控制動作
下一個最重要的信息是控制方向，這是過程增益的標(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，對于理解利用每個MV/CV連接進(jìn)行控制和優(yōu)化的可能性、局限性和競爭利益是必要的。

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

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)營團(tuán)隊所有成員在多變量約束管理和過程優(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時代，矩陣圖經(jīng)常被隱藏起來，主要是APC工程師對其感興趣。經(jīng)驗表明，矩陣圖是一種有效的工具，可以簡明扼要地表示任何工藝運(yùn)營的多變量性質(zhì)。這使得矩陣圖成為整個運(yùn)營團(tuán)隊關(guān)注的焦點，包括工藝工程師、運(yùn)營人員、分布式控制系統(tǒng)(DCS)和APC工程師以及所有其它過程運(yùn)營和優(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，在管理過程約束和實現(xiàn)過程優(yōu)化時，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)營團(tuán)隊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。加號或減號表示每個操縱變量/ 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，矩陣圖的起點發(fā)生了變化。它們不是源自APC項目，而是源自工藝工程師，也被稱為生產(chǎn)或運(yùn)營工程師，在指導(dǎo)日常運(yùn)營以提高可靠性和優(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)營團(tuán)隊溝通和討論的工具。從工藝工程師開發(fā)的工作草圖開始，矩陣圖可以移植到工藝手冊、培訓(xùn)材料、運(yùn)營程序、控制系統(tǒng)圖形中，最終移植到自動化多變量控制器中。順便說一句，隨著矩陣圖的發(fā)展，它在應(yīng)用中得到了改進(jìn)和驗證，因此在部署到在線控制器之前，已經(jīng)獲得了運(yùn)營團(tuán)隊的認(rèn)可。

無論是由運(yùn)營團(tuán)隊手動執(zhí)行還是借助多變量控制器自動執(zhí)行，多變量約束控制和優(yōu)化一直是幾乎所有過程運(yùn)營的固有特性。但在MPC時代之前，行業(yè)缺乏有效的工具和最佳實踐，無法以實用簡潔的格式獲取和共享這些關(guān)鍵的運(yùn)營信息。將矩陣納入過程自動化的主流視野，可能最終被證明是MPC 時代最重要的貢獻(xiàn)之一。

運(yùn)營矩陣設(shè)計技巧
在傳統(tǒng)的MPC實踐中，矩陣設(shè)計通常包括通過全面的工廠階躍測試，確定所有MV/CV過程的相互作用。每一個過程交互，無論在使用中有多小或潛在的問題，都會成為矩陣中的一個連接。但從經(jīng)驗豐富的工藝運(yùn)營者的角度來看，對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)行中得到驗證。其它很多問題是已知的，因此可以根據(jù)經(jīng)驗和各種工藝和設(shè)備運(yùn)營來考慮，在運(yùn)營中避免這些問題。這就是理論矩陣設(shè)計和運(yùn)營矩陣設(shè)計之間的區(qū)別。通常，與工藝和運(yùn)營人員的討論很容易揭示出問題所在，尤其是當(dāng)每個人都了解矩陣圖基礎(chǔ)知識時。

運(yùn)營矩陣設(shè)計通常會導(dǎo)致多個、更小、密度更低的矩陣設(shè)計，而不是根據(jù)MPC 理論設(shè)計更大的矩陣。例如，工藝工程師和控制臺運(yùn)營員通常可以根據(jù)經(jīng)驗和知識，在不進(jìn)行工廠測試的情況下，直接解釋使用哪些MV來實現(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。在無模型多變量控制中，矩陣包含增益方向，而不是詳細(xì)的動態(tài)模型。

工藝工程師和控制臺運(yùn)營員很少提及(或批準(zhǔn)使用)兩個或三個以上的控制手柄；通常是一個或兩個。由于切割掉無效或有問題的控制手柄，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)營矩陣設(shè)計中，一個很好的經(jīng)驗法則是，如果在任何一個矩陣列中有三個以上的模型(或連接)，則需要進(jìn)一步審查。這種做法沒有確切的理由，但經(jīng)驗表明，工業(yè)過程和設(shè)備運(yùn)營現(xiàn)實的最終效果：對于任何一個目標(biāo)，超過兩個或三個有用手柄的情況很少(多個“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)，也可用于幫助識別現(xiàn)有的手動多變量控制實踐，這些實踐已在運(yùn)營中建立。

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？”之類的問題，不再成為一個復(fù)雜的因素。相反，小型、快速的APC應(yīng)用，可以設(shè)計為在底層連續(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。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，因此它可以在一個多變量控制矩陣中整合快速CV和慢速CV。

工業(yè)上最常見的多變量控制應(yīng)用之一，就是燃燒加熱器控制。在過去，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現(xiàn)。這種拆分方案的實施、維護(hù)和運(yùn)營非常復(fù)雜，并且會影響性能。在基礎(chǔ)層使用APC時，整個多變量控制應(yīng)用可以在一個組合矩陣中實現(xiàn)，從而顯著提高可靠性和性能。
作者：Allan Kern