無模型自適應算法在連續反應釜控制系統中的應用①

張明財 高丙朋 馮琳歡

(新疆大學電氣工程學院)

無模型自適應算法在連續反應釜控制系統中的應用①

張明財 高丙朋 馮琳歡

(新疆大學電氣工程學院)

基于PCS7設計連續反應釜溫度自控系統，給出了硬件組態、無模型自適應控制算法組態和監控畫面組態。實驗結果表明：該系統能夠模擬實際工業現場，無模型自適應控制器具有較好的抗干擾和實用性。

溫度自控系統 無模型自適應控制 連續反應釜 PCS7 SMPT-1000

連續反應釜廣泛應用于化工、煉油、冶金及輕工等過程工業[1，2]。反應過程受不同的反應物質、壓力、溫度及催化劑等因素影響較大，并且系統本身具有較大的滯后性、非線性等特性。研究反應釜傳遞過程對化學反應的影響，以及反應器動態特性和反應器參數敏感性，以對它實現良好的控制顯得尤為重要[3，4]。筆者基于PCS7軟件和SMPT-1000實驗平臺，以某化學反應工藝過程為研究對象，設計無模型自適應控制器，基于PCS7進行硬件組態、控制算法組態和監控畫面組態，實現反應釜的溫度控制。

1 連續反應釜實驗平臺

1.1 工藝流程簡介

原料A、B在催化劑C的作用下，反應生成主產物D(產品)和副產物E(雜質)。主、副反應均為強放熱反應且不可逆，其工藝流程如圖1所示。

圖1 某化學反應工藝流程

1.2 PCS7系統結構設計

如圖2所示，PCS7系統由操作員站OS、工程師站ES和冗余AS控制站組成，由Profibus-DP連接檢測現場工藝控制變量信息，其中AS控制處理單元主Profibus-DP均采用冗余配置。在整個系統的控制中設有手動操作臺儀表顯示與控制，采集現場傳感器信號采用隔離器進行信號的隔離和分配。系統控制對象是SMPT-1000反應器，PCS7系統由工業以太網和過程現場總線Profibus-DP網絡組成[5]。

圖2 SMPT-1000反應器的PCS7控制系統

2 無模型自適應控制器設計

一般離散時間非線性系統可表示為[6，7]：

y(k+1)=f(y(k),…,y(k-ny),u(k),…，u(k-nu))

(1)

假設1f(·)關于第(ny+2)個變量和(ny+L+1)個變量分別存在連續偏導數。

假設2系統(1)滿足廣義Lipschitz條件，即對任意k1≠k2，k1，k2≥0和UL(k1)≠UL(k2)有：|y(k1+1)-y(k2+1)|≤b‖UL(k1)-UL(k2)‖，其中，y(k+1)=f(y(k),…，y(k-ny),u(k),…,u(k-nu))(i=1,2);b>0是一個常數。

引理1對于滿足假設1和假設2的非線性系統(1)，且有‖ΔUL(k)‖≠0時，偏格式動態線性化(PFDL)的數學模型為：

Δy(k+1)=Φp,LT(k)ΔUL(k)

(2)

考慮如下控制輸入準則函數：

(3)

其中λ是權重因子。將式(2)代入準則函數(3)，對u(k)求導，并令它等于零，得出控制算法：

(4)

其中，步長因子ρ1∈(0,1]的引入是為了使控制算法設計具有更大的靈活性。為此，提出PG估計準則函數：

(5)

根據最優條件，對式(5)關于Φp,L(k)求極值，并利用矩陣求逆引理，得到PG的估計算法為：

(6)

3 控制系統

本實驗基于PCS7[8]對SMPT-1000進行數據采集和系統控制，實現上位機與下位機的配合，上位機通過WinCC6.0組態，實現對工藝狀態的監控；下位機通過S7-400的硬件組態與軟件編程，實現對數據采集[9，10]。

3.1 硬件組態

首先在SIMATIC400的Hardware中選擇框架RACK-400，貨架號UR2ALU-H，CPU選擇CPU414-5H PN/DP模塊，在X2端口處接一條Profibus-DP總線，在總線上掛件：在Profibus-DP中Additional Field Devices的下級文件General的下級文件夾CONVERTER中的address為7，設置I/O口數量和標號所對應的控制參量。設置16bit數字量通道DI、DO和8bit模擬量通道AI、AO。在此步驟中可將各I/O口對應的控制參量命名到相應編號中，方便軟件組態控制。

然后建立網絡連接。先組態網卡，從硬件目錄中選擇SIMATIC PC Station的下級文件夾CP IndustrialEthernet，找到IE General，選擇型號SW V7.1，在硬件結構窗口出現一臺虛擬機架。同樣，在硬件目錄中選擇SIMATIC HMI Station找到文件夾HMI，找到Win CC Appl.，這樣完成了OS的基本配置、網絡組態和網卡匹配。

3.2 控制算法組態

該工藝過程為強放熱反應，當溫度過高，反應速率加快，也會使反應器的溫度升高。如果熱量不能恒定控制，就可能會發生危險，所以就需要使用冷卻水將容器中的反應溫度進行調節，系統溫度對冷卻水的響應速度很慢，是一個延遲過程。由于溫度的變化存在非線性和滯后性，所以對溫度的控制是該系統關鍵的控制環節。

CFC是PCS7提供的連續功能圖，實現邏輯、控制及算法編程等功能，是控制系統實施的核心部分。其中冷卻水的串級CFC組態如圖3所示。

圖3 冷卻水的串級CFC組態

3.3 SCL實現MFAC控制模塊

用SCL語言編寫MFAC算法，無模型算法流程圖編程界面和完成后生成的MFAC算法控制模塊如圖4、5所示，它不需要額外接口，方便現場使用。

圖4 無模型自適應算法流程

圖5 MFAC算法控制模塊

3.4 監控畫面組態

WinCC組態軟件設置在PCS7 OS，它能通過圖形編輯器構建實際流程畫面，并具有實時數據交互、顯示等功能。OS站主要是面向現場操作人員的，通過WinCC組態，使得操作人員能夠直觀有效地管理整個過程，實現實時監控功能。

4 控制器效果測試

在連續反應控制系統中，實現目標產物的最大化，即提高目標轉化率尤為重要。影響目標轉化率的因素主要有反應物的配料比值、反應過程的時間、溫度及壓力等。在實際反應過程中，溫度越高則反應的速度越快，目標產物的轉化率也隨之提高。但是如果反應溫度過高，反應產生的熱量會使反應釜內的壓強增大，嚴重時會發生爆炸。所以為安全操作，控制系統壓力要求不超過1.2MPa。為了驗證無模型自適應控制器的控制效果，選擇SMPT-1000仿真系統中的連續反應釜溫度作為控制對象，由于連續反應釜溫度受反應物流量、預熱器溫度及冷水閥等參數變化的影響，模型機理較復雜，因而對工業對象的復雜性仿真度較高。

實驗將PID控制器和MFAC控制器分別應用到連續反應釜溫度的控制系統設計中，觀察其階躍響應曲線和抗干擾性能。如圖6、7所示，控制對象為一路冷卻水，對它進行控制變量擾動，觀察它恢復正常的過程曲線。其中階躍響應指反應釜中從430℃升高到450℃的升溫響應曲線。

圖6 PID階躍響應和抗干擾曲線

圖7 MFAC階躍響應和抗干擾曲線

可以看出，相同條件下通過參數整定，兩種控制器均能實現較理想的控制效果。其中MFAC控制器對階躍變化的響應更快、超調更小；而對同等干擾源的響應，自適應能力更強，能更快速地從擾動中恢復平穩狀態。由此可見，MFAC控制器相對傳統PID控制具有一定的優勢。

5 結束語

在SMPT-1000實驗平臺模擬連續反應釜，基于PCS7設計其控制系統，采用PCS7 SCL功能設計反應釜溫度無模型自適應控制器，并進行控制器效果測試。結果證實MFAC控制算法不同于傳統控制算法，擺脫了對模型的依賴，控制結果良好。對于復雜工業過程控制技術的研究具有積極作用。

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ApplicationofMFACAlgorithminContinuousReactorControlSystem

ZHANG Ming-cai, GAO Bing-peng, FENG Lin-huan
(SchoolofElectricalEngineering,XinjiangUniversity)

Having PCS7 based to design a continuous reactor’s temperature control system was realized; and the configuration of this system’s hardware, model-free adaptive control algorithm and monitoring pictures were presented. The experimental results show that, this system can simulate actual industrial environment and its model-free adaptive controller has good anti-interference and practicality.

temperature auto-control system, model-free adaptive control, continuous reactor, PCS7, SMPT-1000

張明財(1992-)，碩士研究生，從事智能控制的研究。

聯系人高丙朋(1979-)，副教授，從事智能控制、系統開發及PLC應用的研究，1427914010@qq.com。

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2017-08-01，

2017-09-27)