先进控制(Advanced Process Control)是对于那些优于常规PID控制的各种控制策略的统称，其典型代表是多变量预测控制，智能控制。先进控制不仅内涵丰富而且具有较强的时代特征。先进控制主要用于对付那些常规控制效果不佳，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。通过实施先进控制，可以改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度，以便将生产装置推向其约束边界下运行实现工艺操作的优化，最终达到提高装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的一致性、提高目标产品收率，增加装置处理量、降低运行成本，减少环境污染等目的。
经过几十年的研究与发展，在先进控制领域中，目前已有预测控制内模控制、推断控制、模糊控制、神经元控制，专家控制等多种控制策略。其中，预测控制是在过程控制领域应用最成功最广泛的一种先进控制策略，有多种实现算法如模型算法控制动态矩阵控制、广义预测控制，预测函数控制等并且已形成相应的商品化软件。
预测控制方法最早分别由Richalet和Cutler等人提出，均是基于非参数化模型的模型预测控制(Model Predictive Control，简称MPC)，这类预测控制方法的特点是：脉冲响应和阶跃响应在工业现场易于获得，不再需要复杂的系统辨识建模，采用反馈校正基础上的在线滚动优化取代传统最优控制。因而可以克服各种不确定性的影响，增强控制的鲁棒性而且在线计算简单。因此，模型预测控制算法很适合于实际工业过程的控制需要，并已得到大量成功应用。
一、先进控制技术及系统实现
1、先进控制技术的概述
国外从20世纪70年代末80年代初就开始进行先进控制技术的商品化软件开发及应用，在DCS的基础上实现先进控制和过程优化，并针对一些复杂工业过程进行应用研究，取得了许多研究成果和大量的工程与技术积累。以模型预测控制为例，从算法第一次公开发表至今已走过了三代。第一代以Adersa的IDCOM和Shell Oil的DMC为代表，算法针对无约束多变量过程。第二代以ShellOil的QDMC为代表，处理约束多变量过程的控制问题。第三代的产品包括Adersa公司的Hiecon，ASPEN Tech公司的DMC Plus和Honeywell公司的RMPCT等产品的算法增加了摆脱无可行解的办法，并具有容错和多个目标函数等功能。
在欧美发达国家，先进控制已普遍应用于炼油、石化、化工、制药、电力等行业，普及率达到了60％以上，实施APC后都取得了显著的经济效益。与国际先进水平相比，我国大型炼油、石化装置先进控制应用率目前还不到10％。许多企业迫切需要大力推进APC的应用。
2、先进控制系列软件
先进控制系列软件APC—Suite是浙江中控软件技术有限公司(以下简称中控软件)的ESP—Suite企业增效解决方案的重要组成部分，它由ESP—iSYS—A先进控制平台、APC—Adcon高级多变量鲁棒预测控制软件、APC—Sensor智能软测量与工艺计算软件和APC—PFC预测函数控制软件等组成。
APC—Suite是中控InPlant智能工厂自动化整体解决方案的重要组成部分，如图1所示。APC—Suite应用范围广，控制结构灵活，功能强大，技术成熟，其应用的对象主要是多变量过程，可用于炼油，石化、化工、冶金等大型工业过程的控制，特别适合于需要采用多种控制策略和控制结构的复杂多变量过程。目前APC—Sulte已经在炼油行业所有装置(常减压，催化裂化，连续重整、加氢裂化，延迟焦化、加氢精制和气分等装置)，石化行业芳烃抽提装置、PX联合装置。PTA装置和多种聚合装置，化工行业纯碱、硫酸、磷酸和氯碱等生产装置上得到了成功应用，为企业带来了显著的经济效益和社会效益。
APC—Suite的目标：
在更高的水平上，实现流程工业企业的“安、稳，长，满、优”，即
增强装置的稳定性和安全性
提高系统整体性能
提供准确的在线计算值，提高产品品质的一致性
确保装置长周期运行，并接近其最大能力限
“卡边”控制、优化生产，降低成本，使装置效益最大化
APC—Suite的典型效益为
减少关键工艺变量标准差，通常达到50％以上
增加处理量1—5％
增加目标产品收率1—5％
减少特定的能量消耗3—5％
减少不合格产品以及重新加工等的损失
3、先进控制系统的软硬件实现
先进控制系统是在DCS控制系统之上实施的，采用先进控制上位机方式实现。多变量控制系统的输入输出变量可分为被控变量，操纵变量和干扰变量，先进控制的优化运算在上位机实现，而其操作在DCS中完成。先进控制上位机选用可24小时运行的个人计算机或服务器，操作系统可为Windows 2000专业版。先进控制硬件系统是先进控制上位机通过HUB，与安装有OPC Server的工作站连在以太网上，由于该工作站与DCS控制站通过内部协议建立了数据传送的物理链接，这样先进控制系统也就与Dcs控制站实现了数据传送的物理链接。先进控制系统与Dcs控制站两者的数据交换是通过OPc标准接口来实现的。典型化工过程先进控制系统硬件结构如图2所示。
二、先进控制技术在化工生产过程中的应用
1、先进控制技术在PTA装置中的应用
PTA生产过程分为氧化单元和精制单元。氧化单元的原料为对二甲苯(Px)，通过氧化反应，结晶，干燥后，生产出粗对苯二甲酸(TA)。精制单元作用是将TA经加氢精制后，结晶，干燥，生成精对苯二甲酸(PTA)。PTA生产过程具有复杂的反应及物料，能量平衡的工艺关系，因此许多过程变量存在着强耦合、大滞后、反向响应和非线性等特性，给工艺操作和过程控制上的带来困难。同时，由于许多关键工艺参数，如：反应器温度、尾氧等，需要手动调节，加上4—CBA等关键质量指标难以直接测量，生产过程中存在着控制不及时和操作不一致等问题因此难以保证装置长期平稳与经济运行。显然，采用先进控制技术改善PTA装置整体的操作水平，提高装置的经济效益是必要的和紧迫的。
PTA装置先进控制系统采用高级多变量鲁棒预测控制软件APC—Adcon和智能软测量与工艺计算软件APC—Sensor实现了装置平稳控制，产品质量控制以及物耗和能耗优化控制。整个控制系统由三个子控制系统组成，分别控制(a)进料混合罐、氧化反应器和第一结晶器，(b)溶剂脱水塔，(c)精制结晶器，各子控制器之间相对独立，但也通过内部变量关联。此外，还建立了氧化单元4CBA软测量模型，精制单元
PTA平均粒径软测量模型和OD的工艺计算模型。并针对PTA装置的特殊要求，为氧化单元的负荷优化和自动升降负荷制定并实施了特殊的控制和优化策略。
先进控制系统的整体运行，提高了PTA装置的操作平稳度，降低了产品质量波动，实现了卡边操作，增加了装置产量。用户各级人员乐于接受和使用这项技术，先进控制系统的运行和考核已成为车间日常工艺管理的一部分。图3和图4是PTA先进控制系统投运前后第一结晶器尾氧浓度的控制效果比较图。
该系统的成功投运，明显提高了PTA装置的平稳性，改善了产品质量，在此基础上实施“卡边控制”，达到了提高了装置产能，明显降低酸耗的效果。根据考核数据计算，共计可获得经济效益322.5万元/年。其中通过装置产能增加，得到效益284万元/年，通过醋酸消耗降低，得到效益38.5万元/年。
2、先进控制技术在Px装置中的应用
以甲苯，C8芳烃，C9芳烃为原料，生产PX的联合装置主要包括以下4个操作单元，歧化及烷基转移、二甲苯分馏、PX吸附分离和二甲苯异构化。
Px联合装置期望的工艺目标是：追求装置经济效益的最佳化，即兼顾目的产品收率、质量及能耗等各个方面。由于Px联合装置内部的工艺复杂性加上常规控制自身的局限性，装置的长期平稳操作和优化运行难以保证。因此，需要对各种工艺目标加以统筹考虑和优化，才能达到装置效益最佳的经济目标。
Px联合装置先进控制系统通过建立一个大APC—Adcon控制器来控制PX联合装置，整个控制器包括以下几部分：歧化单元子控制器、吸附分离单元子控制器，二甲苯异构化单元子控制器，二甲苯分馏单元子控制器、F401加热炉子控制器、F402加热炉子控制器、F301加热炉子控制器和100#四合一加热炉子控制器共8个子控制器。装置的经济目标通过多变量模型预测控制和过程参数平稳控制基础上的“卡边”优化来实现。
Px联合装置先进控制系统功能丰富。运行可靠，操作使用方便，投用率达到95％以上。系统投用后明显提高了Px装置的操作平稳性，降低了装置能耗，减轻了操作人员的劳动强度，为企业带来显著的经济效益和社会效益。该成果的总体技术水平在国内同行业中处于领先位置。图5是PX装置T401、T402、T403，T203与T204一些关键变量先进控制系统投运前后的控制效果。
根据用户方提供装置标定报告，PX联合装置先进控制系统使关键工艺指标的平稳度提高40％以上，产品质量的一致性明显改善，降低了燃料消耗量并增加了邻二甲苯产品产量。具体结果为，在相同的工艺条件下，投用先进控制后邻二甲苯增产约1.56％，增加效益￥489万元/年，装置平均单耗降低3.60公斤标油/吨，增加效益￥575万元/年。
Px先进控制系统的实施，年经济效益有1064万元。
3、先进控制技术在纯碱装置中的应用
纯碱生产装置工艺流程长，连续性强，前后工序相互牵制，且有气、液固三相物质存在，生产装置中的干扰因素多，部分装置如石灰窑、煅烧炉等存在较大的时滞，各装置关键工艺参数存在较强的相互关联和耦合特性，是典型的连续过程和间歇过程混合的复杂工业过程。常规控制不能很好地解决装置内部和装置之间各相关变量的协调控制，在很大程度上依赖于操作人员的操作水平，严重影响了装置的平稳运行，从而影响了产品质量和产量。
应用多变量预测控制手段，建立碳化塔、母液蒸馏塔的动态数学模型，设计了以碳化出碱总量为优化目标的APC—Adcon控制器及母液蒸馏塔中部温度的APC—Adcon控制器，根据装置特点并总结操作经验，采用智能控制手段建立石灰窑、煅烧炉装置的自定义控制器，为各并联运行的装置设计了负荷优化分配与工况平衡的控制，针对石灰窑出灰，上料系统及煅烧炉电动刮刀等电气设备的特点和运行逻辑，研究开发了适合装置工艺特点的智能控制系统，应用专家控制、均匀控制等手段建立了以碳化生产为中心的整体物料平衡即出碱总量与母液蒸量平衡，精盐水量与氨盐水量平衡，气量平衡、洗水平衡，并实现了对相关装置关键工艺指标的约束控制；结合Dcs系统的特点，设计了便捷的操作界面，编写了安全、可靠的切换逻辑。
APC—Adcon先进控制软件在纯碱装置上实施应用后系统运行良好，能正确执行系统功能，较大程度的提高了装置综合自动化水平，稳定生产工况，提高了主要工艺参数的平稳度，降低了消耗。系统能够根据并联生产装置的特点进行生产负荷与运行工况的优化调整，加强了前后装置的协调控制，减小了生产波动，保证了产品质量和产量，降低了操作人员的劳动强度，为企业带来显著的经济效益和社会效益。该项成果是先进控制软件在国内纯碱行业中的首次成功应用，引起了行业内的广泛关注，达到了国内同行业的先进水平。
图6与图7为纯碱生产装置先进控制系统投运前后碳化塔出碱温度控制效果比较图。
纯碱生产过程先进控制项目的实施，进一步提高了装置的自动化水平，较大程度的降低了干扰，稳定了装置关键工艺指标，提高了产品产量和质量，降低了消耗，统一了操作，降低了操作人员的劳动强度。碳化转化率在原有基础上提高0.5％，纯碱装置先进控制为企业带来815万元/年的直接经济效益。
三、结论
本文详细介绍了先进控制技术以及先进控制系列软件APC—Suite在典型化工过程PTA、PX和纯碱装置中的应用，从文中可以看出APcsuite已在化工企业中的应用，可以解决常规控制中不能解决的各种难题，能满足企业对生产过程的安全，稳定，高效、优质，低耗的要求，使企业以较少的投入获得极大的经济效益。