盡管將模型化預(yù)測(cè)控制技術(shù)（MPC）應(yīng)用到過程控制項(xiàng)目中會(huì)遇到許多難題，但這仍值得一試，因?yàn)樗膶?shí)際表現(xiàn)將會(huì)大大優(yōu)于通常的控制方法。因此，在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中，采用這種新技術(shù)來更好地實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)和效益目標(biāo)，已經(jīng)成為一種越來越重要的競(jìng)爭(zhēng)手段。 　　 MPC最強(qiáng)大的功能在于，通過設(shè)計(jì)被控制變量（CVs）的未來軌跡，來最大限度地模擬現(xiàn)實(shí)世界中過程控制的各種情況。其中具有代表性的一種情況是通過低強(qiáng)度的控制給定一個(gè)較大差幅。 　　 選擇模型預(yù)測(cè)控制的最大好處是其輕松集成了過程優(yōu)化器（這是后兩部分的主題），并產(chǎn)生使用常規(guī)控制策略難以得到的巨大經(jīng)濟(jì)效益。 [align=center] 圖1：過程交互的作用是清晰的：兩個(gè)組分流量影響全部的三個(gè)被控制變量； 而蒸汽流量只影響產(chǎn)品溫度。 圖2：反應(yīng)堆基于B 流量因素對(duì)于產(chǎn)品溫度的影響而建立的模型顯示了一個(gè)逆響應(yīng) 圖3：引出相同的變化之后，MPC 對(duì)反應(yīng)堆作出響應(yīng)。[/align] 在測(cè)試過程中取得良好的數(shù)據(jù)是最重要的一步。 MPC在反應(yīng)堆控制中的應(yīng)用 應(yīng)用MPC的主要步驟包括： 　　■ 獲取表示控制過程中響應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)； 　　■ 定義過程模型的被控變量、被操縱變量和干擾變量； 　　■ 使用模型識(shí)別工具開發(fā)過程模型； 　　■ 將過程模型集成到終端控制器中； 　　■ 控制器調(diào)試和最終投入使用。 　　 過程，測(cè)試。最初，相關(guān)的被控變量、被操縱變量和重要的干擾變量沒能被預(yù)先完成定義。如果整個(gè)控制過程比較復(fù)雜，定義就會(huì)更加困難。這些變量之間的動(dòng)態(tài)相互影響常常是不清晰的。過程測(cè)試將提供必要的信息。 　　 在過程測(cè)試中，需要循序漸進(jìn)地記錄被操作變量對(duì)被控變量的影響，以及可能的干擾變量引起的任何變化。這常常形成一個(gè)偽隨機(jī)二元序列（PRBS）測(cè)試。圖1反映了從目標(biāo)反應(yīng)堆收集到的一些這個(gè)階段的PRBS測(cè)試數(shù)據(jù)。它表示了任意時(shí)間段內(nèi)A因素、B因素和蒸汽流量的變化以及這些變化對(duì)被控變量的影響。 　　 模型結(jié)構(gòu)定義。這是關(guān)鍵的一步，不象聽上去的那么簡(jiǎn)單。因?yàn)楣こ處焸儾⒉豢偰芸隙男┳兞恳话ㄔ贛PC里，他們必須明確： 　　■ 影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)量的關(guān)鍵——被控制變量；和 　　■ 最能夠影響被控制變量的被操縱變量。 　　 工程師還必須找到會(huì)引起重大影響或變化的可測(cè)量干擾量。數(shù)據(jù)測(cè)試提供了定量的分析依據(jù)，要理解是正確識(shí)別相關(guān)的從屬和獨(dú)立變量，更重要的是對(duì)過程的理解。 　　 工程師必須確定被控變量是作為設(shè)定點(diǎn)還是作為強(qiáng)制變量。最后，如果有可用的自由度，設(shè)計(jì)者必須確定哪個(gè)被操縱變量將有目標(biāo)值。 　　 以反應(yīng)堆為例，變量包括： 　　■ 三個(gè)被控量； 　　■ 三個(gè)被操縱量； 　　■ 兩個(gè)前饋。 　　 既然每個(gè)被控變量有自己的設(shè)定值，且只有3個(gè)自由度（可操縱量），因此不能定義獨(dú)立的多變量目標(biāo)值。 　　 模型識(shí)別。因?yàn)樗械哪Ｐ突A(yù)測(cè)控制軟件包都包含從測(cè)試數(shù)據(jù)識(shí)別過程模型的工具，因此一些關(guān)鍵性的問題必須被解決，包括： 　　■ 什么將是模型的預(yù)測(cè)間隔？模型預(yù)測(cè)間隔決定了預(yù)測(cè)系統(tǒng)將來行為的時(shí)間間隔值。這個(gè)值必須小到足以充分地滿足最快的被控量動(dòng)態(tài)過程。 　　■ 模型中將有多少個(gè)函數(shù)系數(shù)？模型中系數(shù)的數(shù)量決定了預(yù)測(cè)的歷史記錄。它必須有足夠數(shù)量以包含整個(gè)響應(yīng)過程，也必須滿足完成一次輸入所引起變化的時(shí)間的長(zhǎng)度。 　　■ 什么將是模式的預(yù)測(cè)范圍？這是預(yù)測(cè)將會(huì)實(shí)現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)度。除非個(gè)別的模型具有特殊的范圍要求，一般情況下，這個(gè)時(shí)間必須長(zhǎng)到足以讓控制器速度最慢的模型響應(yīng)完畢。 　　 如果這一過程是多變量的，一些輸出的被控變量將會(huì)受到一些輸入的被操縱量和干擾量的影響。一個(gè)包含各自獨(dú)立輸入/輸出模型的矩陣將是表達(dá)這整套輸入/輸出關(guān)系的較為方便的方法。圖2顯示了反應(yīng)堆模型的整個(gè)分段響應(yīng)過程： 　　■ 左軸包括產(chǎn)品的被控量：配比、流動(dòng)率和溫度； 　　■ 頂軸表示被操縱變量和前饋量——A流量因素、B流量因素、蒸汽流量和溫度因素。 　　 控制器集成控制平臺(tái)。雖然許多設(shè)置必須進(jìn)行組態(tài)，但這是個(gè)最簡(jiǎn)單的過程，因?yàn)楹艽蟪潭壬线@一過程是機(jī)械的和程序化的。細(xì)節(jié)隨著具體控制方案不同而不同。 　　 控制器調(diào)試。當(dāng)控制器投入應(yīng)用之時(shí)，就是之前所有努力獲得結(jié)果之時(shí)。傳統(tǒng)控制方式與基于模型的控制方式之間最根本的區(qū)別也立刻顯現(xiàn)出來了。傳統(tǒng)控制方式在調(diào)試時(shí)，通過簡(jiǎn)單地設(shè)定參數(shù)，整個(gè)控制器的響應(yīng)就可全部實(shí)現(xiàn)。 　　 而模型控制器的控制行為基本上完全取決于它的模型。如果是模型設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，控制器就能很好的工作。如果模型不準(zhǔn)確，控制器將無法達(dá)到預(yù)期的效果。整定參數(shù)對(duì)控制器的響應(yīng)只有非常小的影響。通過調(diào)試來完善一個(gè)不正確的模型，將是非常困難，甚至是不可能的。因此在測(cè)試過程中獲得有效的數(shù)據(jù)應(yīng)該是應(yīng)用模型化預(yù)測(cè)控制最重要的一步。 　　 圖3將MPC和以往的控制方式進(jìn)行了比較，得出結(jié)論：基于模型的控制在各個(gè)方面的表現(xiàn)均優(yōu)于以前的控制方式。在正常的情況下，改變生產(chǎn)速率，得到的全面指標(biāo)如下： 　　■ 優(yōu)于先進(jìn)過程控制（ARC）3.3倍； 　　■ 優(yōu)于基本控制（BRC）62倍；和 　　■ 優(yōu)于模糊邏輯控制103倍。 　　 而改變產(chǎn)品組成的設(shè)定值后，優(yōu)于先進(jìn)過程控制（ARC）9%，優(yōu)于模糊邏輯控制70%。 和先進(jìn)過程控制一樣，模型化預(yù)測(cè)控制器的運(yùn)行方式類似多變量控制器。雖然只有一個(gè)設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化，但控制器相應(yīng)改變了全部可操縱變量的值。通過更好地理解動(dòng)態(tài)過程，MPC提升了它的性能，并因此優(yōu)于先進(jìn)過程控制。 　　 性能提升很大程度上來自于更好的溫度控制。通過更好地理解溫度動(dòng)態(tài)過程，MPC能將動(dòng)作控制在更恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。在這個(gè)例子中，控制器首先改變蒸汽流量的前次穩(wěn)態(tài)值，以響應(yīng)合成物設(shè)定值的改變。這恰當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償了過程中的逆響應(yīng)并保持了溫度的穩(wěn)定性。 　　 反之，產(chǎn)品組分響應(yīng)設(shè)定值變化的給定值沒有顯然的差異。給定值只是從1.7變化到2.7。組分響應(yīng)受控于死區(qū)時(shí)間，但沒有哪個(gè)控制器能消除死區(qū)時(shí)間的影響。即使一個(gè)控制器能完美地響應(yīng)設(shè)定值變化，其作出相應(yīng)控制動(dòng)作時(shí)仍然存在著延時(shí)。在一個(gè)死區(qū)中，必然存在一個(gè)等同于設(shè)定值變化的偏差。一個(gè)最小的ISE是不可避免的。 　　 由于這個(gè)錯(cuò)誤和死區(qū)，這個(gè)最小ISE大約是1.5個(gè)單位。只有當(dāng)ISE大于這個(gè)值時(shí)，才可能被控制所消除。對(duì)BRC來說，這個(gè)值是0.29；對(duì)于MPC來說，是0.21。相比較于BRC，MPC減小了這個(gè)值大約28%。而基于規(guī)則的控制則增加了近413%。 對(duì)操作員的影響 　　 對(duì)于操作員而言，操作MPC系統(tǒng)是個(gè)新的挑戰(zhàn)。在使用時(shí)，操作員首先不得不按照多變量的情況考慮。控制器產(chǎn)生多重變化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)；而這種效果未必會(huì)馬上顯現(xiàn)。此外，由于控制器對(duì)動(dòng)態(tài)變化很敏感，例如逆反應(yīng)和延時(shí)響應(yīng)，因此操作員可能無法立即明白它的控制邏輯變化。 　　 此外，MPC引入了一些新的控制對(duì)象。一些變量將被歸類為約束變量，只有當(dāng)它們接近限制值時(shí)，控制器才會(huì)做出響應(yīng)。被操縱變量的目的可能是一個(gè)新概念，需要仔細(xì)定義。 　　 操作員可能不熟悉控制器的人機(jī)界面。除了設(shè)定值以外，操作員也需要輸入限制值。由于控制器內(nèi)變量數(shù)量有限，這些信息可能只能以表格形式展示。 　　 此外，控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)變將更為復(fù)雜。傳統(tǒng)PID控制器只有兩個(gè)狀態(tài)——手動(dòng)和自動(dòng)，而且這兩個(gè)狀態(tài)間的切換是即刻實(shí)現(xiàn)的。 　　 而MPC在處于完全控制狀態(tài)之前，一定會(huì)一段較長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)過，并經(jīng)歷了數(shù)種狀態(tài)。同時(shí)，由于MPC為較低級(jí)的控制方式提供設(shè)定值，因此操作員也會(huì)看到另外的狀態(tài)和這些控制器間的切換。