先進(jìn)控制策略在SUPCON DCS中應(yīng)用研究

陳衛(wèi)紅，楊明輝，鄧曉剛，劉 寶

（中國石油大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，青島266580）

集成4C 技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。DCS 系統(tǒng)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)滿足了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)管理的要求，大大提高了企業(yè)的自動(dòng)化和管理水平。由于巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)利益，它已經(jīng)成為控制產(chǎn)業(yè)過程的重要部分。但是，目前DCS 在應(yīng)用過程中，先進(jìn)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(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多不確定的因素，有時(shí)傳統(tǒng)的控制難以達(dá)到其效果，也會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。先進(jìn)控制是遵循對(duì)象過程動(dòng)態(tài)性能的控制技術(shù)，它的控制策略可以根據(jù)過程環(huán)境的實(shí)時(shí)變化而制定，體現(xiàn)出“動(dòng)態(tài)性”特點(diǎn)。因此，將先進(jìn)控制與穩(wěn)定可靠的DCS 系統(tǒng)相結(jié)合，將先進(jìn)控制優(yōu)良動(dòng)態(tài)特征應(yīng)用到DCS 系統(tǒng)中，可大大提高控制質(zhì)量[1-3]。本文以A3000 過程裝置雙容水箱為控制對(duì)象，基于SUPCON JX-300XP DCS系統(tǒng)，開展了部分先進(jìn)控制的探索研究。

SUPCON JX-300XP DCS 的硬件由“四站一線”結(jié)構(gòu)組成，即：工程師站、控制站、操作站、通訊網(wǎng)絡(luò)。軟件由AdvanTrol-Pro 實(shí)現(xiàn)各組態(tài)與系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控[4]。

1 基于JX-300XP DCS 先進(jìn)控制方案

雙容水箱對(duì)象是一個(gè)二階時(shí)滯、開環(huán)漸近穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)。根據(jù)被控對(duì)象特點(diǎn)，針對(duì)JX-300XP DCS 開展DMC 先進(jìn)控制研究，采用DMCPID 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)[5-6]，即內(nèi)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(dòng)態(tài)跟蹤性、魯棒性。

DMC-PID 串級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)DMC 算法跑飛或失控時(shí)，利用DCS 系統(tǒng)本身穩(wěn)定的PID 控制同樣可以對(duì)過程或?qū)ο笃鸬胶芎玫恼{(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)的運(yùn)行的安全保障大為增強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)較好地結(jié)合、發(fā)揮了DMC 和PID 控制各自優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了魯棒性和抗干擾性，同時(shí)又使控制過程保持良好的跟蹤性能。DMC-PID 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)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(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)

在DMC-PID 串級(jí)控制的實(shí)現(xiàn)過程中[7]，采用DCS完成PID 內(nèi)環(huán)控制。在Matlab 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)DMC 外環(huán)控制，充分利用Matlab 強(qiáng)大的運(yùn)算功能和控制工具函數(shù)，給DMC 的實(shí)現(xiàn)帶來極大的便利性、快速性。OPC 通信技術(shù)用于構(gòu)建PID 和DMC 之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸橋梁，這一開放性結(jié)構(gòu)框架也便于在JX-300XP DCS 系統(tǒng)中展開更多其它先進(jìn)控制算法的研究和實(shí)現(xiàn)。方案實(shí)現(xiàn)基本流程如圖2所示。

圖2 先進(jìn)控制實(shí)現(xiàn)方案基本流程Fig.2 Basic flow chart of advanced control realization scheme

2.1 DCS-PID 控制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)控制需求制定對(duì)象結(jié)構(gòu)流程，在JX-300XP DCS 上完成各相關(guān)組態(tài)。首先進(jìn)行控制站組態(tài)，完成主機(jī)設(shè)置、I/O 設(shè)置，設(shè)置常規(guī)控制方案等；然后進(jìn)行操作站相關(guān)組態(tài)，主要完成操作小組的設(shè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。帶控制點(diǎn)的流程圖如圖3所示。

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

全部組態(tài)完成后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)校、測試，確認(rèn)無誤后進(jìn)行內(nèi)環(huán)PID 控制測試，整定好P、I、D參數(shù)，為先進(jìn)控制研究做好充分的準(zhǔn)備。

2.2 建立OPC 通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換

OPC 是新一代為方便硬件設(shè)備、軟件等信息交互的技術(shù)接口。在該方案中，JX-300XP OPC 服務(wù)器用于提供經(jīng)由OPC 接口發(fā)送到Matlab 應(yīng)用程序OPC 客戶端相關(guān)數(shù)據(jù)收集[8]。在Matlab 程序中進(jìn)行DMC 算法數(shù)據(jù)處理，然后將控制量通過OPC 寫入DCS-PID 環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)Matlab 與DCS 的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，完成DMC-PID 串級(jí)控制。Matlab 訪問JX-300XP OPC 服務(wù)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(wù)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(wù)器軟件安裝情況，如果沒有，安裝并測試。

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

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

（4）創(chuàng)建OPC 存、取數(shù)據(jù)組對(duì)象，增加相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)即Add Item，選擇LI6003（水箱液位測量值）和LIC6003.SV（內(nèi)環(huán)PID 控制的給定值）。

（5）Matlab 應(yīng)用程序?qū)Ω鲾?shù)據(jù)項(xiàng)運(yùn)算、處理、優(yōu)化等。

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

（7）關(guān)閉服務(wù)器、清除各數(shù)據(jù)項(xiàng)。

2.3 DMC 在Matlab 中實(shí)現(xiàn)

2.3.1 DMC 預(yù)測控制簡介

DMC 預(yù)測控制就是利用模型預(yù)測系統(tǒng)在特定控制作用下的未來動(dòng)態(tài)行為，根據(jù)要求滾動(dòng)求解最優(yōu)控制，再滾動(dòng)每一步檢測實(shí)時(shí)信息，修正對(duì)未來動(dòng)態(tài)行為的預(yù)測。模型預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正是其三大基本原理[9]。

預(yù)測模型是預(yù)先描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，通過該系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和未來輸入，預(yù)測未來時(shí)限區(qū)間的輸出值。反饋校正是每個(gè)采樣時(shí)間先檢測對(duì)象實(shí)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(yù)測和優(yōu)化接近實(shí)際，以此修正模型預(yù)測不準(zhǔn)確性。滾動(dòng)優(yōu)化是預(yù)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(shí)間分段優(yōu)化，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，提出基于與預(yù)測時(shí)間區(qū)域相關(guān)的局部優(yōu)化指標(biāo)，并重復(fù)在線優(yōu)化，采用滾動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，選擇未來控制時(shí)域內(nèi)控制增量，盡量使未來優(yōu)化時(shí)域內(nèi)預(yù)測輸出與期望輸出靠近。DMC 結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 DMC 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of DMC structure

2.3.2 DMC 預(yù)測控制算法設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)DMC 控制算法過程中，首先，計(jì)算模型參數(shù)、控制參數(shù)和校正參數(shù)。模型向量｛ai｝可以由手動(dòng)給過程對(duì)象加單位響應(yīng)采樣賦值得到。在計(jì)算模型參數(shù)a 時(shí)，由于測量是在水箱液位穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的，在處理時(shí)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(shù)a 即Δa。另外要特別注意，采集｛ai｝時(shí)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中噪聲、干擾等濾波處理，以免影響控制質(zhì)量。控制系數(shù)｛di｝根據(jù)上面的模型參數(shù)｛ai｝和優(yōu)化策略P、M、Q、R 等由公式計(jì)算得出。校正系數(shù)｛hi｝根據(jù)實(shí)際情況確定[10-11]。

DMC 運(yùn)行計(jì)算通過初始化和實(shí)際控制兩部分完成。初始化部分先采集對(duì)象當(dāng)前輸出y（k），并設(shè)置其為預(yù)測初始值y～0（k+i∣k），i＝1……N。實(shí)時(shí)控制模塊在線計(jì)算未來輸出的期望預(yù)測值。其計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 DMC 動(dòng)態(tài)矩陣控在線計(jì)算流程Fig.6 DMC dynamic matrix control online calculation flow chart

在設(shè)計(jì)中要確定的參數(shù)有：

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

（2）優(yōu)化時(shí)域P 和誤差權(quán)矩陣Q。在應(yīng)用過程中，P 值必須超過控制對(duì)象階躍響應(yīng)的時(shí)間延遲。對(duì)于動(dòng)態(tài)復(fù)雜對(duì)象一般有：

（3）控制時(shí)域M。M 表示優(yōu)化變量的數(shù)量。當(dāng)P確定時(shí)，M 越小，更難以密切地追蹤預(yù)期值。在多數(shù)情況下，增大P 和減小M 有類似的效果。在M=1 的情況下，動(dòng)態(tài)控制系數(shù)的計(jì)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(quán)矩陣R。R 的作用是防止Δu 發(fā)生劇烈變化。整定時(shí)，可開始設(shè)置為零。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，如果操縱量變化較大，再適當(dāng)加大即可。

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

3 研究結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了便于在SUPCON DCS 系統(tǒng)中展開先進(jìn)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(duì)同一個(gè)雙容水箱模型對(duì)象進(jìn)行了實(shí)時(shí)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(shè)定采樣周期Ts=1 s、R=0、Q=eye（P）（Q 是一個(gè)單位矩陣） 部分參數(shù)，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(shí)際控制效果圖可以明顯得出以下結(jié)果：

（1）PID 常規(guī)控制響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定時(shí)間較長（20 min 左右），超調(diào)較大，振蕩次數(shù)比較多，動(dòng)態(tài)性能不能滿足控制要求。

（2）DMC-PID 串級(jí)控制效果良好，不僅超調(diào)小、響應(yīng)快（6 min 左右），基本平穩(wěn)無振蕩，具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

（3）DMC-PID 控制算法預(yù)測長度P 越大預(yù)測越準(zhǔn)確，但穩(wěn)定時(shí)間會(huì)變慢，預(yù)測長度P 越小，穩(wěn)定時(shí)間越短，但是如果P 取值太小可能造成預(yù)測不準(zhǔn)確，當(dāng)P≤N 時(shí)，預(yù)測長度P 值只要包含控制對(duì)象響應(yīng)長度大部分動(dòng)態(tài)特性即可。

4 結(jié)語

基于SUPCON DCS 對(duì)雙容水箱對(duì)象實(shí)現(xiàn)DMCPID 控制探索研究，表明有滯后特征復(fù)雜對(duì)象，先進(jìn)控制比傳統(tǒng)控制有更好的快速性和穩(wěn)定性。同時(shí)表明基于傳統(tǒng)DCS 平臺(tái)進(jìn)行先進(jìn)控制的融合也是切實(shí)可行的，進(jìn)一步增強(qiáng)了DCS 系統(tǒng)的控制能力。擴(kuò)大了DCS 應(yīng)用范圍或領(lǐng)域。對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展有重要意義。