李瑞紅，周田宰，沈建森

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

基于DCS單容水箱DMC控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李瑞紅，周田宰，沈建森

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

以浙江中控技術(shù)有限公司JX-300XP DCS和CS4000型實(shí)驗(yàn)裝置為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，針對(duì)液位控制對(duì)象存在大滯后和大慣性，以及傳統(tǒng)PID控制效果不理想的現(xiàn)象，引入DMC先進(jìn)控制器，設(shè)計(jì)具體實(shí)施方案，對(duì)基于DCS的平臺(tái)開(kāi)發(fā)先進(jìn)控制算法有指導(dǎo)意義。

DCS；DMC；單容水箱；液位控制

0 引言

集散控制系統(tǒng)（DCS）在機(jī)械、電力、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它是隨著大型生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷進(jìn)步和過(guò)程監(jiān)控要求的日益復(fù)雜而產(chǎn)生的綜合控制系統(tǒng)。以PC機(jī)為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)，配以成熟的工控組態(tài)軟件，是目前工業(yè)過(guò)程控制的主流系統(tǒng)。

水箱液位對(duì)象是具有大慣性、大滯后動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，廣泛存在于石油化工過(guò)程中的蒸餾塔、化學(xué)反應(yīng)器、液體傳輸設(shè)備及熱工過(guò)程中的鍋爐、熱交換器等對(duì)象中［1］。液位控制是工業(yè)中常見(jiàn)的過(guò)程控制，它對(duì)生產(chǎn)影響不容忽視。對(duì)于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)PID控制雖采用固定參數(shù)，卻難以保證控制適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，難以得到理想效果。

DMC（動(dòng)態(tài)矩陣控制）采用被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)序列作為預(yù)測(cè)和控制的模型，能在一定程度上克服系統(tǒng)的不確定性，具有較強(qiáng)的魯棒性［2］。因此，針對(duì)CS4000裝置的單容水箱實(shí)驗(yàn)對(duì)象，引入DMC先進(jìn)控制技術(shù)，組成一個(gè)集散控制系統(tǒng)，并給出具體的可行性實(shí)施方案。

1 單容水箱系統(tǒng)

CS4000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置是浙江中控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)，以JX-300XP為控制平臺(tái)，可以模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，便于自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)研究人員將理論算法研究應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，提高工業(yè)自動(dòng)化水平，推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展［3］。

水箱液位控制系統(tǒng)是進(jìn)行控制理論與控制工程相互結(jié)合的理想平臺(tái)，可以方便地構(gòu)成一階系統(tǒng)對(duì)象和二階系統(tǒng)對(duì)象以及多階系統(tǒng)對(duì)象［4］。選取CS4000型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的上水箱作為單容水箱的控制對(duì)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

它由水箱，液位傳感器，出水閥門，入水閥門以及作為控制器的單片機(jī)組成。被控對(duì)象是裝有入水閥門和出水閥門的單個(gè)水箱，被控量是液位，單容水箱液位控制系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際生產(chǎn)中的罐狀容器，完成一個(gè)典型的液位控制。

圖1 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)水箱物料平衡原理，上水箱的數(shù)學(xué)模型屬于滯后的慣性環(huán)節(jié)［5］。

式中K——水箱放大系數(shù)

T——水箱時(shí)間常數(shù)

t——滯后時(shí)間

2 DMC 動(dòng)態(tài)矩陣控制

DMC動(dòng)態(tài)矩陣控制是一種用被控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性來(lái)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的預(yù)測(cè)控制算法。通過(guò)反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化當(dāng)前和未來(lái)時(shí)刻的控制量，使得輸出響應(yīng)符合預(yù)先設(shè)定的軌跡。圖2是預(yù)測(cè)控制的原理結(jié)構(gòu)圖［6］。

從圖2中可以看到，DMC控制作為一種預(yù)測(cè)控制算法，其主要特點(diǎn)主要有建立預(yù)測(cè)模型、采用滾動(dòng)優(yōu)化策略以及模型誤差反饋矯正。

（1）預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)對(duì)象歷史信息和未來(lái)輸入對(duì)對(duì)象輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)，它是被控對(duì)象的準(zhǔn)確模型。預(yù)測(cè)模型可以是狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)等傳統(tǒng)的參數(shù)模型。它可以利用預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻被控對(duì)象的輸出變化及被控變量與其給定值的偏差，作為控制作用的依據(jù)，使之適應(yīng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)所具有的因果性的特點(diǎn)，得到比常規(guī)控制更好的控制效果。

圖2 預(yù)測(cè)控制原理結(jié)構(gòu)圖

（2）滾動(dòng)優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來(lái)確定未來(lái)的控制作用。滾動(dòng)優(yōu)化始終建立在實(shí)際過(guò)程的基礎(chǔ)上，使控制結(jié)果達(dá)到實(shí)際意義上的最優(yōu)控制，能夠有效地克服工業(yè)過(guò)程控制中的模型不精確、非線性、時(shí)變等不確定性的影響。

（3）反饋校正。預(yù)測(cè)控制是一種閉環(huán)控制算法，預(yù)測(cè)算法在進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化的基點(diǎn)應(yīng)與系統(tǒng)實(shí)際一致。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在的非線性、模型失配、干擾等因素，基于不變模型的預(yù)測(cè)不可能和實(shí)際情況完全相符，這就需要用附加的預(yù)測(cè)手段補(bǔ)充模型預(yù)測(cè)的不足，或者對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行在線修正。滾動(dòng)優(yōu)化只有建立在反饋校正的基礎(chǔ)上，才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文中以CS4000裝置的單容水箱為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，基于JX-300XP DCS控制平臺(tái)，可以利用其系統(tǒng)自帶的圖形組態(tài)軟件對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)編程設(shè)計(jì)。

SUPCON JX-300XP DCS由工程師站、操作站、控制站、過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)等組成，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的分散控制、集中監(jiān)控的自動(dòng)化控制。集散控制系統(tǒng)的重要組成部分是組態(tài)軟件。它能夠使用戶根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，實(shí)現(xiàn)與控制設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將來(lái)自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)圖形畫(huà)面上的各元素關(guān)聯(lián)起來(lái)。

首先應(yīng)用DMC構(gòu)成先進(jìn)控制器，其中主要包括采用高魯棒性先進(jìn)控制策略的液位及流量變化率控制器。利用DCS中OPC模塊實(shí)現(xiàn)DMC控制器和DCS之間的數(shù)據(jù)交換，先進(jìn)控制器從DCS中接收過(guò)程參數(shù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，得到控制數(shù)據(jù)，送給DCS，由DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的控制。DMC控制器與DCS的連接方案如圖3所示。

運(yùn)用SCKey組態(tài)軟件對(duì)液位設(shè)定值（sv），控制系統(tǒng)中右上水箱液位測(cè)量值（rupwater1），及調(diào)節(jié)閥開(kāi)度（mv）等模擬量進(jìn)行I/0組態(tài)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制程序中用到的部分中間變量進(jìn)行自定義變量組態(tài)；運(yùn)用AdvanTrol-PIMS軟件提供SCControl（圖形化組態(tài)）軟件進(jìn)行控制站編程（圖4），組成各種控制回路，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，然后將組態(tài)信息保存到組態(tài)文件中；最后在通過(guò)編譯下載到DCS的底層控控制器中，實(shí)現(xiàn)DMC算法對(duì)液位系統(tǒng)的控制。

圖3 DMC控制器與DCS連接方案

圖4 DCS圖形化編程組態(tài)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

單容水箱液位控制系統(tǒng)是過(guò)程控制的重要研究模型，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)具有顯著的理論和實(shí)際意義。由于水位系統(tǒng)具有大慣性、純滯后等特性，在實(shí)際生產(chǎn)中容易產(chǎn)生余差較大或調(diào)節(jié)閥振蕩等現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)的正常進(jìn)行和調(diào)節(jié)閥的使用壽命都十分不利。以單容水箱液位為控制對(duì)象，在DCS平臺(tái)上引入DMC先進(jìn)控制算法，可以取得更好的控制效果。這對(duì)于基于DCS平臺(tái)進(jìn)行先進(jìn)算法的開(kāi)發(fā)，在實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制的應(yīng)用具有重要意義。

［1］蘇潔，任佳，等.基于DCS平臺(tái)的水箱液位控制系統(tǒng)的模糊控制算法［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，4（26）：533-546.

［2］龍馮文，張春峰，畢效輝.DMC-PID算法在大時(shí)延系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，2008，12（38）:50-51.

［3］馮向麗.液位集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2008:8-9.

［4］陳學(xué)鋒，李飛亮.單容水箱液位控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)［J］.甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，3（24）:1-2.

［5］蔣興加，姚彩虹，穆向陽(yáng).智能控制在液位監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2015，（1）:46-47.

［6］張晶.動(dòng)態(tài)矩陣控制算法研究及其應(yīng)用［D］.青島科技大學(xué)，2009:3-5.

〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.46