基于DCS單容水箱DMC控制器的設計與實現(xiàn)

李瑞紅，周田宰，沈建森

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

基于DCS單容水箱DMC控制器的設計與實現(xiàn)

李瑞紅，周田宰，沈建森

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

以浙江中控技術有限公司JX-300XP DCS和CS4000型實驗裝置為開發(fā)平臺，針對液位控制對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先進控制器，設計具體實施方案，對基于DCS的平臺開發(fā)先進控制算法有指導意義。

DCS；DMC；單容水箱；液位控制

0 引言

集散控制系統(tǒng)（DCS）在機械、電力、石油、化工等領域應用越來越廣泛，它是隨著大型生產(chǎn)系統(tǒng)自動化水平的不斷進步和過程監(jiān)控要求的日益復雜而產(chǎn)生的綜合控制系統(tǒng)。以PC機為基礎的集散控制系統(tǒng)，配以成熟的工控組態(tài)軟件，是目前工業(yè)過程控制的主流系統(tǒng)。

水箱液位對象是具有大慣性、大滯后動態(tài)特性的系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，廣泛存在于石油化工過程中的蒸餾塔、化學反應器、液體傳輸設備及熱工過程中的鍋爐、熱交換器等對象中［1］。液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，它對生產(chǎn)影響不容忽視。對于液位控制系統(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（動態(tài)矩陣控制）采用被控對象的單位階躍響應序列作為預測和控制的模型，能在一定程度上克服系統(tǒng)的不確定性，具有較強的魯棒性［2］。因此，針對CS4000裝置的單容水箱實驗對象，引入DMC先進控制技術，組成一個集散控制系統(tǒng)，并給出具體的可行性實施方案。

1 單容水箱系統(tǒng)

CS4000型過程控制實驗裝置是浙江中控技術有限公司生產(chǎn)的過程控制對象系統(tǒng)，以JX-300XP為控制平臺，可以模擬現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，便于自動化及相關專業(yè)研究人員將理論算法研究應用到現(xiàn)場生產(chǎn)，提高工業(yè)自動化水平，推動生產(chǎn)力發(fā)展［3］。

水箱液位控制系統(tǒng)是進行控制理論與控制工程相互結合的理想平臺，可以方便地構成一階系統(tǒng)對象和二階系統(tǒng)對象以及多階系統(tǒng)對象［4］。選取CS4000型過程控制實驗裝置的上水箱作為單容水箱的控制對象，系統(tǒng)結構如圖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組成。被控對象是裝有入水閥門和出水閥門的單個水箱，被控量是液位，單容水箱液位控制系統(tǒng)能夠模擬實際生產(chǎn)中的罐狀容器，完成一個典型的液位控制。

圖1 單容水箱系統(tǒng)結構圖

根據(jù)水箱物料平衡原理，上水箱的數(shù)學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——水箱時間常數(shù)

t——滯后時間

2 DMC 動態(tài)矩陣控制

DMC動態(tài)矩陣控制是一種用被控對象的階躍響應特性來描述系統(tǒng)動態(tài)模型的預測控制算法。通過反饋校正和滾動優(yōu)化當前和未來時刻的控制量，使得輸出響應符合預先設定的軌跡。圖2是預測控制的原理結構圖［6］。

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

（1）預測模型。預測模型的功能是根據(jù)對象歷史信息和未來輸入對對象輸出進行預測，它是被控對象的準確模型。預測模型可以是狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)等傳統(tǒng)的參數(shù)模型。它可以利用預測模型來預測未來時刻被控對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)，使之適應動態(tài)系統(tǒng)所具有的因果性的特點，得到比常規(guī)控制更好的控制效果。

圖2 預測控制原理結構圖

（2）滾動優(yōu)化。預測控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過某一性能指標的最優(yōu)來確定未來的控制作用。滾動優(yōu)化始終建立在實際過程的基礎上，使控制結果達到實際意義上的最優(yōu)控制，能夠有效地克服工業(yè)過程控制中的模型不精確、非線性、時變等不確定性的影響。

（3）反饋校正。預測控制是一種閉環(huán)控制算法，預測算法在進行滾動優(yōu)化時，優(yōu)化的基點應與系統(tǒng)實際一致。由于實際系統(tǒng)中存在的非線性、模型失配、干擾等因素，基于不變模型的預測不可能和實際情況完全相符，這就需要用附加的預測手段補充模型預測的不足，或者對基礎模型進行在線修正。滾動優(yōu)化只有建立在反饋校正的基礎上，才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

文中以CS4000裝置的單容水箱為實驗對象，基于JX-300XP DCS控制平臺，可以利用其系統(tǒng)自帶的圖形組態(tài)軟件對水箱液位控制系統(tǒng)進行組態(tài)編程設計。

SUPCON JX-300XP DCS由工程師站、操作站、控制站、過程控制網(wǎng)絡等組成，應用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場裝置的分散控制、集中監(jiān)控的自動化控制。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)自己的控制對象和控制目的任意組態(tài)，實現(xiàn)與控制設備之間進行數(shù)據(jù)交換，將來自設備的數(shù)據(jù)與計算機圖形畫面上的各元素關聯(lián)起來。

首先應用DMC構成先進控制器，其中主要包括采用高魯棒性先進控制策略的液位及流量變化率控制器。利用DCS中OPC模塊實現(xiàn)DMC控制器和DCS之間的數(shù)據(jù)交換，先進控制器從DCS中接收過程參數(shù)，經(jīng)過運算，得到控制數(shù)據(jù)，送給DCS，由DCS實現(xiàn)對過程的控制。DMC控制器與DCS的連接方案如圖3所示。

運用SCKey組態(tài)軟件對液位設定值（sv），控制系統(tǒng)中右上水箱液位測量值（rupwater1），及調(diào)節(jié)閥開度（mv）等模擬量進行I/0組態(tài)，同時對系統(tǒng)控制程序中用到的部分中間變量進行自定義變量組態(tài)；運用AdvanTrol-PIMS軟件提供SCControl（圖形化組態(tài)）軟件進行控制站編程（圖4），組成各種控制回路，并進行參數(shù)設定，然后將組態(tài)信息保存到組態(tài)文件中；最后在通過編譯下載到DCS的底層控控制器中，實現(xiàn)DMC算法對液位系統(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 結束語

單容水箱液位控制系統(tǒng)是過程控制的重要研究模型，對自動控制系統(tǒng)的研究和設計具有顯著的理論和實際意義。由于水位系統(tǒng)具有大慣性、純滯后等特性，在實際生產(chǎn)中容易產(chǎn)生余差較大或調(diào)節(jié)閥振蕩等現(xiàn)象，對生產(chǎn)的正常進行和調(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象，在DCS平臺上引入DMC先進控制算法，可以取得更好的控制效果。這對于基于DCS平臺進行先進算法的開發(fā)，在實際工業(yè)過程控制的應用具有重要意義。

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

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

［3］馮向麗.液位集散控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].南京理工大學，2008:8-9.

［4］陳學鋒，李飛亮.單容水箱液位控制系統(tǒng)的研究和設計［J］.甘肅聯(lián)合大學學報（自然科學版），2010，3（24）:1-2.

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

［6］張晶.動態(tài)矩陣控制算法研究及其應用［D］.青島科技大學，2009:3-5.

〔編輯 凌瑞〕

TP273

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.46