陳衛(wèi)紅，楊明輝，鄧曉剛，劉 寶

（中國石油大學 控制科學與工程學院，青島266580）

集成4C 技術的DCS 控制系統(tǒng)廣泛用于現代工業(yè)生產中。DCS 系統(tǒng)的先進結構滿足了現代產業(yè)生產管理的要求，大大提高了企業(yè)的自動化和管理水平。由于巨大的經濟和社會利益，它已經成為控制產業(yè)過程的重要部分。但是，目前DCS 在應用過程中，先進控制算法采用較少，大多使用DCS 系統(tǒng)自帶的傳統(tǒng)控制模塊。但是，在實際的工業(yè)生產過程中，有很多不確定的因素，有時傳統(tǒng)的控制難以達到其效果，也會影響產品質量。先進控制是遵循對象過程動態(tài)性能的控制技術，它的控制策略可以根據過程環(huán)境的實時變化而制定，體現出“動態(tài)性”特點。因此，將先進控制與穩(wěn)定可靠的DCS 系統(tǒng)相結合，將先進控制優(yōu)良動態(tài)特征應用到DCS 系統(tǒng)中，可大大提高控制質量[1-3]。本文以A3000 過程裝置雙容水箱為控制對象，基于SUPCON JX-300XP DCS系統(tǒng)，開展了部分先進控制的探索研究。

SUPCON JX-300XP DCS 的硬件由“四站一線”結構組成，即：工程師站、控制站、操作站、通訊網絡。軟件由AdvanTrol-Pro 實現各組態(tài)與系統(tǒng)運行監(jiān)控[4]。

1 基于JX-300XP DCS 先進控制方案

雙容水箱對象是一個二階時滯、開環(huán)漸近穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)。根據被控對象特點，針對JX-300XP DCS 開展DMC 先進控制研究，采用DMCPID 串級控制結構[5-6]，即內環(huán)用DCS 自帶的高采率PID 常規(guī)控制，可以抑制大部分的主要干擾，外環(huán)采用DMC 控制，具有良好動態(tài)跟蹤性、魯棒性。

DMC-PID 串級結構設計，在實際應用中有現實意義。當DMC 算法跑飛或失控時，利用DCS 系統(tǒng)本身穩(wěn)定的PID 控制同樣可以對過程或對象起到很好的調節(jié)作用，使得系統(tǒng)的運行的安全保障大為增強。這種結構較好地結合、發(fā)揮了DMC 和PID 控制各自優(yōu)點，增強了魯棒性和抗干擾性，同時又使控制過程保持良好的跟蹤性能。DMC-PID 串級控制結構如圖1所示。

圖1 DMC-PID 控制原理圖Fig.1 DMC-PID control principle diagram

2 JX-300XP DCS 先進控制的實現

在DMC-PID 串級控制的實現過程中[7]，采用DCS完成PID 內環(huán)控制。在Matlab 環(huán)境中實現DMC 外環(huán)控制，充分利用Matlab 強大的運算功能和控制工具函數，給DMC 的實現帶來極大的便利性、快速性。OPC 通信技術用于構建PID 和DMC 之間的實時數據傳輸橋梁，這一開放性結構框架也便于在JX-300XP DCS 系統(tǒng)中展開更多其它先進控制算法的研究和實現。方案實現基本流程如圖2所示。

圖2 先進控制實現方案基本流程Fig.2 Basic flow chart of advanced control realization scheme

2.1 DCS-PID 控制實現

根據控制需求制定對象結構流程，在JX-300XP DCS 上完成各相關組態(tài)。首先進行控制站組態(tài)，完成主機設置、I/O 設置，設置常規(guī)控制方案等；然后進行操作站相關組態(tài)，主要完成操作小組的設置，總貌、趨勢、分組等畫面等組態(tài)，一覽圖和流程圖的組態(tài)，基本組態(tài)完成后可方便對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。帶控制點的流程圖如圖3所示。

圖3 流程圖（帶控制點）畫面Fig.3 Flow chart screen（with control points）

全部組態(tài)完成后，對整個系統(tǒng)進行聯校、測試，確認無誤后進行內環(huán)PID 控制測試，整定好P、I、D參數，為先進控制研究做好充分的準備。

2.2 建立OPC 通信實現數據交換

OPC 是新一代為方便硬件設備、軟件等信息交互的技術接口。在該方案中，JX-300XP OPC 服務器用于提供經由OPC 接口發(fā)送到Matlab 應用程序OPC 客戶端相關數據收集[8]。在Matlab 程序中進行DMC 算法數據處理，然后將控制量通過OPC 寫入DCS-PID 環(huán)節(jié)，實現Matlab 與DCS 的動態(tài)數據交換，完成DMC-PID 串級控制。Matlab 訪問JX-300XP OPC 服務器具體過程如圖4所示?；静襟E如下：

圖4 Matlab 訪問JX-300XP OPC 服務器基本流程圖Fig.4 Basic flow chart of Matlab accessing JX-300XP OPC server

（1）檢查JX-300XP DCS 中OPC 服務器軟件安裝情況，如果沒有，安裝并測試。

（2）開啟OPC 服務器，用SUPCON OPC Server軟件選擇前面已經完成的PID 組態(tài)。

（3）打開FactorySoft OPC Client 軟件，連接DCSOPC 服務器，注意Server Name 選擇SUPCON.JX Server.1。

（4）創(chuàng)建OPC 存、取數據組對象，增加相關數據項即Add Item，選擇LI6003（水箱液位測量值）和LIC6003.SV（內環(huán)PID 控制的給定值）。

（5）Matlab 應用程序對各數據項運算、處理、優(yōu)化等。

（6）Matlab 處理結果寫入LIC6003.SV，發(fā)送到DCS 系統(tǒng)中。

（7）關閉服務器、清除各數據項。

2.3 DMC 在Matlab 中實現

2.3.1 DMC 預測控制簡介

DMC 預測控制就是利用模型預測系統(tǒng)在特定控制作用下的未來動態(tài)行為，根據要求滾動求解最優(yōu)控制，再滾動每一步檢測實時信息，修正對未來動態(tài)行為的預測。模型預測、滾動優(yōu)化和反饋校正是其三大基本原理[9]。

預測模型是預先描述系統(tǒng)動態(tài)特性，通過該系統(tǒng)歷史數據和未來輸入，預測未來時限區(qū)間的輸出值。反饋校正是每個采樣時間先檢測對象實際輸出狀態(tài)，在優(yōu)化控制效果之前，使用反饋信息校正來使下一預測和優(yōu)化接近實際，以此修正模型預測不準確性。滾動優(yōu)化是預測控制的核心，其保持了優(yōu)化控制的原理，但它不是全局優(yōu)化，而是隨時間分段優(yōu)化，在每個時間點，提出基于與預測時間區(qū)域相關的局部優(yōu)化指標，并重復在線優(yōu)化，采用滾動優(yōu)化目標函數，選擇未來控制時域內控制增量，盡量使未來優(yōu)化時域內預測輸出與期望輸出靠近。DMC 結構原理如圖5所示。

圖5 DMC 結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of DMC structure

2.3.2 DMC 預測控制算法設計

在實現DMC 控制算法過程中，首先，計算模型參數、控制參數和校正參數。模型向量｛ai｝可以由手動給過程對象加單位響應采樣賦值得到。在計算模型參數a 時，由于測量是在水箱液位穩(wěn)態(tài)下進行的，在處理時要減去穩(wěn)態(tài)初值，就得到一組從0 開始變化的模型參數a 即Δa。另外要特別注意，采集｛ai｝時應對數據中噪聲、干擾等濾波處理，以免影響控制質量?？刂葡禂担鹍i｝根據上面的模型參數｛ai｝和優(yōu)化策略P、M、Q、R 等由公式計算得出。校正系數｛hi｝根據實際情況確定[10-11]。

DMC 運行計算通過初始化和實際控制兩部分完成。初始化部分先采集對象當前輸出y（k），并設置其為預測初始值y～0（k+i∣k），i＝1……N。實時控制模塊在線計算未來輸出的期望預測值。其計算流程如圖6所示。

圖6 DMC 動態(tài)矩陣控在線計算流程Fig.6 DMC dynamic matrix control online calculation flow chart

在設計中要確定的參數有：

（1）采樣周期Ts。Ts必須滿足采樣定理，并與被控對象類型和動態(tài)特性有關。

（2）優(yōu)化時域P 和誤差權矩陣Q。在應用過程中，P 值必須超過控制對象階躍響應的時間延遲。對于動態(tài)復雜對象一般有：

（3）控制時域M。M 表示優(yōu)化變量的數量。當P確定時，M 越小，更難以密切地追蹤預期值。在多數情況下，增大P 和減小M 有類似的效果。在M=1 的情況下，動態(tài)控制系數的計算最小。從簡化整定步驟出發(fā)，先選定M，再整定P。

（4）控制權矩陣R。R 的作用是防止Δu 發(fā)生劇烈變化。整定時，可開始設置為零。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，如果操縱量變化較大，再適當加大即可。

（5）校正參數h。在被控對象受到未知干擾，或預測輸出由于模型失配而與實際輸出相矛盾時，突現校正作用。

3 研究結果及數據分析

為了便于在SUPCON DCS 系統(tǒng)中展開先進控制研究的探索，在研究過程中采用常規(guī)PID 控制和DMC-PID 控制對同一個雙容水箱模型對象進行了實時控制。常規(guī)PID 控制效果如圖7所示。

圖7 PID 控制效果（P=50%、I=0.8 min、D=1 s）Fig.7 PID control effect（P=50%、I=0.8 min、D=1 s）

設定采樣周期Ts=1 s、R=0、Q=eye（P）（Q 是一個單位矩陣） 部分參數，DMC-PID 控制部分效果如圖8、圖9所示。

圖8 DMC-PID 控制效果（N=450、P=120、m=1）Fig.8 DMC-PID control effect（N=450、P=120、m=1）

圖9 DMC-PID 控制效果（N=450、P=100、m=1）Fig.9 DMC-PID control effect（N=450、P=100、m=1）

從實際控制效果圖可以明顯得出以下結果：

（1）PID 常規(guī)控制響應速度慢，穩(wěn)定時間較長（20 min 左右），超調較大，振蕩次數比較多，動態(tài)性能不能滿足控制要求。

（2）DMC-PID 串級控制效果良好，不僅超調小、響應快（6 min 左右），基本平穩(wěn)無振蕩，具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性。

（3）DMC-PID 控制算法預測長度P 越大預測越準確，但穩(wěn)定時間會變慢，預測長度P 越小，穩(wěn)定時間越短，但是如果P 取值太小可能造成預測不準確，當P≤N 時，預測長度P 值只要包含控制對象響應長度大部分動態(tài)特性即可。

4 結語

基于SUPCON DCS 對雙容水箱對象實現DMCPID 控制探索研究，表明有滯后特征復雜對象，先進控制比傳統(tǒng)控制有更好的快速性和穩(wěn)定性。同時表明基于傳統(tǒng)DCS 平臺進行先進控制的融合也是切實可行的，進一步增強了DCS 系統(tǒng)的控制能力。擴大了DCS 應用范圍或領域。對現代工業(yè)發(fā)展有重要意義。