矩陣設計實踐，是指控制工程師在任何多變量控制器的核心如何設計矩陣。多變量控制矩陣，是由沿一個軸的操縱變量（MV），沿另一軸的受控變量（CV）以及矩陣內(nèi)各個位置的模型組成，通過模型指示該MV/CV對之間的關(guān)系（圖1）。設計矩陣包括選擇MV、CV和模型，這些變量用于多變量控制器中的各種控制和優(yōu)化目的。

圖1：常壓原油蒸餾塔的多變量控制矩陣是基于運營驅(qū)動的設計實踐。該矩陣比傳統(tǒng)的原油蒸餾塔應用小。它主要解決了色譜柱壓力和產(chǎn)品質(zhì)量控制的問題，這通常是此應用最有價值的目標，并且經(jīng)常是在現(xiàn)有大型矩陣應用中發(fā)現(xiàn)的“松懈”的目標。圖片提供：APC Performance

　　在過去的30年中，“大型矩陣”設計實踐一直在工業(yè)應用中占主導地位，廣泛的工廠測試用于識別所有相關(guān)的過程變量和過程交互作用。一個基本原則是更多的變量和更多的模型，以便為控制和優(yōu)化目的提供更完整的解決方案。在大型矩陣實踐中，通常會使用一個大型的多變量控制器來涵蓋整個工廠裝置，該控制器可能具有數(shù)十個（有時超過100個）變量或成百上千個模型。

　　這種方法的副作用是，當今過程工業(yè)中大多數(shù)已安裝的多變量控制器都存在體積龐大、系統(tǒng)復雜，且擁有、運營和維護成本比較高的問題。此外，大矩陣方法排除了小型多變量控制應用，這些應用可能會基于更多的基本控制和運營改進，但這并不意味著大矩陣模式的高成本門檻是合理的。

　　在傳統(tǒng)的多變量控制技術(shù)中，內(nèi)置優(yōu)化器始終被視為必不可少的部分，因此大多數(shù)相關(guān)人員從未質(zhì)疑過它。相反，一直在尋找更好的方法來支持和維護大型矩陣控制器。但是，憑借數(shù)十年經(jīng)驗的洞察力，現(xiàn)在無需使用內(nèi)置優(yōu)化器即可構(gòu)建更小、更高效的多變量控制應用，就可以滿足運營和控制需求，因此不會導致超出矩陣基本控制和運營范圍的副作用。?

　　以運營為驅(qū)動的矩陣設計

　　以運營為驅(qū)動的矩陣設計（operation-driven matrix design）可以揭示重要的自動化機會。它在某些關(guān)鍵方面與優(yōu)化驅(qū)動的設計有所不同。它通常是較小的多變量控制器，而不是大型控制器，并且變量和模型較少。當人們對變量的重要性、控制權(quán)的有效性或模型的可靠性產(chǎn)生擔憂時，通常就將其排除在矩陣之外。排除可靠性方面的錯誤，保留優(yōu)化方面的偏差。以運營驅(qū)動的矩陣設計的總體目標是自動化，而不是優(yōu)化，并且這種設計活動僅包括必要、可靠和有價值的部分。

　　在運營驅(qū)動的矩陣設計中，基于對設定值、輸出或模式的頻繁（通常是高度一致的）變更，可以識別一組相關(guān)的單回路控制器。這一過程表示運營團隊正在執(zhí)行手動開環(huán)多變量控制，目標是：

　　1.自動執(zhí)行這些手動多變量控制方案，以獲得閉環(huán)控制相對于開環(huán)控制的內(nèi)在優(yōu)勢；

　　2.將運行團隊從重復控制回路微管理中解放出來，從而留出更多時間來發(fā)揮積極的過程監(jiān)督作用。

　　運營驅(qū)動的矩陣設計并不試圖包括所有相關(guān)的變量和模型。它通常側(cè)重于現(xiàn)有的手動多變量控制運營實踐和過程中已經(jīng)使用的方法。它可以自動執(zhí)行已建立的、經(jīng)過驗證的程序，并可以收集運營團隊的經(jīng)驗和技能，以了解哪些MV適用并能可靠的控制CV。使用自動化來獲取操作員的技能是重要的標準，在大型矩陣實踐中經(jīng)常忽略此點，而傾向于更大的優(yōu)化。

　　優(yōu)化將何去何從？

　　優(yōu)化屬于業(yè)務層，它基于對站點范圍信息的訪問，能夠承載各種計劃、調(diào)度、混合和建模工具的能力，以及適當?shù)膱?zhí)行時間范圍（一般是每天而非實時）。通常的做法，是對優(yōu)化的整個站點的生產(chǎn)計劃進行每日更新，并通過運營命令鏈將其向下傳達。

　　這就對控制層傳統(tǒng)的多變量控制內(nèi)置優(yōu)化器提出了質(zhì)疑。在控制層中，由于過程值會實時變化，多變量控制需要高頻執(zhí)行。但是，優(yōu)化通常不會實時變化，因此它們一般不需要高頻執(zhí)行。這使控制層優(yōu)化器變得冗余且不必要，它甚至會大大提高常規(guī)多變量控制應用的維護成本（僅次于模型維護）。

　　小型多變量控制

　　許多小型多變量控制應用，仍處于大矩陣多變量控制范例的“雷達之下”，但是至今尚未提出這些應用的確切性質(zhì)以及識別它們的方法。發(fā)現(xiàn)這些應用的一種簡單技術(shù)是使用控制臺活動日志，以設定值、輸出或模式變更的形式，識別最需要操作員干預的控制器（圖2）。

圖2：與以前在工業(yè)范圍內(nèi)解決手動和不良反應器警報中的回路建議一樣，這種簡單的多變量控制技術(shù)可以識別出閉合的多變量開環(huán)，以獲得閉環(huán)控制相對于開環(huán)控制的眾所周知的好處。

　　一個可靠的假設是，這些“不良因素”中的大多數(shù)在手動多變量控制方案中是有效的。在這種情況下，操作員必須經(jīng)常調(diào)整相關(guān)控制器組，以將相關(guān)過程變量保持在約束范圍內(nèi)，并盡可能保持最佳目標值?！白罴涯繕酥怠敝傅氖侨绾卫檬Ｓ郙V可用性（在約束控制之后），并不一定意味著該值來自實時優(yōu)化器（而實際上經(jīng)常如此）。?

　　這種手動開環(huán)活動可以通過部署以運營驅(qū)動的多變量控制器來實現(xiàn)自動化，以獲取閉環(huán)控制相對于開環(huán)控制的優(yōu)勢。最近，這項技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域中成功的應用了兩次：一次用于手動回路（與手動多變量回路相反），一次用于處理“不良因素”警報。根據(jù)EEMUA 191《報警系統(tǒng)—設計、管理及采購指導》，操作員每10分鐘最多只能收到一個警報。但是，并沒有針對控制器每小時干預次數(shù)的最佳實踐指南。直到現(xiàn)在，這還沒有引起人們的注意。