師亞娟

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

甲醇汽油是車用燃料替代品，以其經(jīng)濟、安全及環(huán)保等優(yōu)點受到青睞，是新能源的重要組成部分[1]?，F(xiàn)代工業(yè)對象結(jié)構(gòu)、參數(shù)和環(huán)境的不確定性，導(dǎo)致按理想模型得到的最優(yōu)控制往往不能保證最優(yōu)[2]。如何實現(xiàn)高精度、高效率的配料是生產(chǎn)甲醇汽油的關(guān)鍵。于是，人們開始打破傳統(tǒng)方法的約束，試圖尋找對模型要求低、控制綜合質(zhì)量好、在線計算方便的優(yōu)化控制新算法[3]。目前，在工業(yè)高級過程控制中多使用集散控制系統(tǒng)，其核心部分是PID控制算法，但其無法較好地解決現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的新問題[4]。因此，筆者對傳統(tǒng)PID控制算法進行改進，提出一種基于動態(tài)矩陣預(yù)測控制的控制策略[5]，具有適應(yīng)性強、響應(yīng)速度快、超調(diào)小、調(diào)節(jié)時間短及魯棒性強等優(yōu)點。

1 動態(tài)矩陣預(yù)測控制①

1.1 DMC控制算法

DMC算法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，適用于有時滯、開環(huán)漸近的非最小相位系統(tǒng)，對系統(tǒng)的模型要求不高，而且具有在線滾動優(yōu)化、反饋校正的特征，使得控制效果優(yōu)于其他算法。利用預(yù)測模型來預(yù)測未來時刻被控對象的輸出變化和被控變量與其給定值的偏差，可以得到比常規(guī)控制更好的控制效果。預(yù)測控制不是用一個全局相同的優(yōu)化性能指標，而是優(yōu)化在每一采樣時刻點的相對優(yōu)化性能。不同時刻的優(yōu)化性能指標是不同的，因此優(yōu)化不是一次進行，而是反復(fù)在線修正，這就是滾動優(yōu)化。為了防止模型失配或者環(huán)境干擾引起控制對理想狀態(tài)的偏離，對未來的誤差預(yù)測加以補償或者根據(jù)在線辨識原理直接修改模型。因此DMC算法不僅基于模型，而且利于反饋信息，可構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化。

1.2 DMC算法的參數(shù)設(shè)定

(1)

式中M——控制時域；

P——優(yōu)化時域；

qi、rj——權(quán)系數(shù)，表示對跟蹤誤差和控制量變化的抑制。

2 硬件設(shè)備和硬件組態(tài)

2.1 控制系統(tǒng)配置要求

DCS是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物，適應(yīng)各種過程控制的要求，工業(yè)現(xiàn)場DCS的控制原理如圖1所示。某石油化工有限公司甲醇汽油控制系統(tǒng)共有原料儲罐和調(diào)合儲罐16座、甲醇汽油配比和罐區(qū)監(jiān)控管理控制系統(tǒng)一套(包括兩條在線調(diào)合控制系統(tǒng))、汽車定量發(fā)油控制系統(tǒng)一套。該項目中16個罐區(qū)要求全部設(shè)置液位報警；罐區(qū)、調(diào)合區(qū)、發(fā)油區(qū)要求設(shè)置可燃氣濃度超限報警；對汽油、甲醇和添加劑3種液體實現(xiàn)按照比例自動調(diào)配控制。

圖1 工業(yè)現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)原理

2.2 硬件組態(tài)

該項目DCS控制系統(tǒng)采用西門子最新S7-400系列的PLC，由于S7-400的CPU處理速度較S7-300、200快，具有冗余功能存儲容量大、I/O擴展功能強、運行速度高及通信能力強等優(yōu)點，其CPU資源裕量增加，內(nèi)存空間變大，工作中循環(huán)周期更短，現(xiàn)場級通信連接性能好，選用的主控制模塊為CPU412-1(型號6ES7 412-1XJ05-0AB0)。根據(jù)系統(tǒng)要求和功能選擇合適的系統(tǒng)模塊、通信網(wǎng)絡(luò)及余量等，具體為：

a. 將液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濃度傳感器采集的信號作為模擬信號輸入，傳感器輸出的4～20mA標準電流信號傳送給PLC系統(tǒng)的模擬量輸入通道，最大阻抗為250Ω，I/O模件能直接連接二線制變送器，而不采用電壓分配器方式，選用模塊為SM331/AI8。

b. 數(shù)字量輸入為閥門開度狀態(tài)反饋，選用模塊為SM321/DI8。

c. 模擬量輸出為閥門開度控制，驅(qū)動回路阻抗大于750Ω的負載能力，選用模塊SM332/AO4。

d. 數(shù)字量輸出為控制泵的啟、停，用電隔離輸出，隔離電壓不小于250V，選用模塊SM323/DO16。

e. PLC系統(tǒng)的供電系統(tǒng)為PS407，是西門子公司設(shè)計的S7-400PLC專用24V直流電源。電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。根據(jù)這個原則，選擇系統(tǒng)的供電模塊為額定電流是4A的PS407模塊。

f. 采用工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器CP443-1，直接將S7-400集成到100Mbit/s的工業(yè)以太網(wǎng)中，通過工業(yè)以太網(wǎng)直接調(diào)試，不需要現(xiàn)場PG。

g. 系統(tǒng)擴展，根據(jù)廠家提供的控制要求和對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程操作的需要，確定整個系統(tǒng)所需I/O點數(shù)為156點，其中模擬量輸入為136點，模擬量輸出為4點，數(shù)字量輸入為6點，數(shù)字量輸出為10點，主要包括儀表控制點、電機控制點、調(diào)節(jié)閥和電動控制點。另外，考慮到一些未知情況，需額外預(yù)留15%的備用控制點數(shù)?？刂破鰿PU負荷率不大于60%，操作員站服務(wù)器CPU負荷率不大于40%。

3 軟件設(shè)計

PLC編程軟件采用西門子的STEP7 V5.4 SP2版本開發(fā)平臺。在離線狀態(tài)下，可模擬與現(xiàn)場設(shè)備相連接進行離線仿真，得到良好的控制效果。用戶程序包括組織塊(OB)、數(shù)據(jù)塊(DB)、功能塊(FC、FB)，系統(tǒng)使用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行程序。根據(jù)工藝生產(chǎn)過程和系統(tǒng)控制要求，主要有模擬量采集子程序、量程標度變換子程序、電機聯(lián)鎖啟/停子程序和故障報警子程序。

采用WinCC V7.0 SP2開發(fā)平臺組態(tài)人機界面，包括控制畫面、報表打印、流量累計記錄、可燃氣體超限報警及歷史趨勢等，為整個項目DCS控制系統(tǒng)提供安全、可靠的生產(chǎn)前提。甲醇汽油調(diào)配監(jiān)控管理系統(tǒng)(上位機)、容積式流量計、防爆電動調(diào)節(jié)閥及西門子S7-400PLC系統(tǒng)控制柜等設(shè)備構(gòu)成甲醇汽油調(diào)配控制子系統(tǒng)(圖2)。

圖2 甲醇汽油調(diào)配控制子系統(tǒng)示意圖

FB41為連續(xù)控制的PID(圖3)，用于控制連續(xù)變化的模擬量，實現(xiàn)不同控制功能的數(shù)值接口和地址參數(shù)。主要包括PID控制中比例、積分、微分的控制參數(shù)接口和使能控制端口、系統(tǒng)設(shè)定值、外部檢測輸入端口、功能塊參數(shù)重新設(shè)置及手/自動轉(zhuǎn)換等。

圖3 FB41功能模塊

4 動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法在DCS控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)

DMC是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測模型，具有在線滾動優(yōu)化、反饋校正的特征，使得其控制效果優(yōu)于其他算法，適用于有時滯、開環(huán)漸近穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)。該項目中的控制對象是電動閥門，其階躍響應(yīng)參數(shù)采樣簡單，易于獲得DMC算法的模型向量。若模型失配時，可獲得無靜差控制。在甲醇汽油調(diào)配控制系統(tǒng)中,汽油、甲醇、添加劑分別是獨立的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，給定值通過計算機輸出，采用流量計監(jiān)測管道流量計算瞬時流量，調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)各管道物料的分流速度，達到比例調(diào)節(jié)控制的目的，圖4為該項目物料自動調(diào)合界面。

圖4 物料自動調(diào)合界面

PID控制系統(tǒng)有手動控制和自動控制兩種方式。選擇手動控制時，操作人員手動操作現(xiàn)場控制柜，實現(xiàn)變頻器手動控制，完成電機的啟動及停止等動作。選擇自動控制時，控制系統(tǒng)實時檢測現(xiàn)場設(shè)備的壓力及液位等信號，自動對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。需要注意的是：在切換到自動前，一定要先手動調(diào)節(jié)，當(dāng)實際檢測值和設(shè)定值相差不大時再切換到自動控制狀態(tài)。這樣既提高了調(diào)節(jié)速度，又減少了閥門的動作次數(shù)，延長了閥門壽命。甲醇流量的PID控制如圖5所示。

圖5 甲醇流量PID控制

5 仿真結(jié)果

在集散控制系統(tǒng)中，通常將OPC接口作為監(jiān)控計算機、其他計算機和來自不同廠家的設(shè)備之間進行通信的方式。由于OPC技術(shù)有可移植性強、代碼可重復(fù)利用率高及開發(fā)難度小等優(yōu)點，所以在DMC算法應(yīng)用到本項目的DCS系統(tǒng)時，把WinCC和Matlab設(shè)置成OPC接口，WinCC可將現(xiàn)場采樣的數(shù)據(jù)樣本通過OPC送到上位機Matlab中，用DMC算法對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析計算，得到最優(yōu)控制方案，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時控制。

被控對象傳遞函數(shù)為：

(2)

在DMC仿真中，令時域P=8，控制時域M=2，輸出設(shè)定值與參考軌跡r=1，對于小時滯過程，其余參數(shù)選取與PID同樣的值。經(jīng)過仿真可得其階躍響應(yīng)如圖6所示。

圖6 常規(guī)PID控制和DMC的階躍響應(yīng)

由圖6可知，DMC的超調(diào)量明顯小于PID控制，調(diào)節(jié)時間比PID控制的短，而且抗干擾能力比較強。P參數(shù)越小，動態(tài)響應(yīng)越快，但該系統(tǒng)是有慣性的，P參數(shù)變化后，實際的PV值變化需要一個過程，因此實際系統(tǒng)中比例作用不宜過強，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和振蕩，穩(wěn)定性會下降。將積分調(diào)節(jié)引入對穩(wěn)態(tài)誤差進行積分，使系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定，PV值逼近于SP值，達到無差調(diào)節(jié)，進而微分調(diào)節(jié)對比例和積分控制進行補償，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，對系統(tǒng)擾動的抑制能力減弱。整個過程中的數(shù)據(jù)都是在線進行，兩種方式的仿真結(jié)果表1?？梢钥闯?，系統(tǒng)有很好的跟蹤性能、魯棒性和強大的抗干擾能力。

表1 仿真結(jié)果比較

6 結(jié)束語

基于S7-400PLC的動態(tài)矩陣預(yù)測控制在甲醇汽油在線調(diào)配系統(tǒng)憑借著預(yù)測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正，提高了控制精度，具有良好的穩(wěn)定性、魯棒性和抗干擾性。并借助S7-400PLC和WinCC軟、硬件平臺將該算法在控制系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。