張明財(cái) 高丙朋 馮琳歡

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院)

無模型自適應(yīng)算法在連續(xù)反應(yīng)釜控制系統(tǒng)中的應(yīng)用①

張明財(cái) 高丙朋 馮琳歡

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院)

基于PCS7設(shè)計(jì)連續(xù)反應(yīng)釜溫度自控系統(tǒng)，給出了硬件組態(tài)、無模型自適應(yīng)控制算法組態(tài)和監(jiān)控畫面組態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，無模型自適應(yīng)控制器具有較好的抗干擾和實(shí)用性。

溫度自控系統(tǒng) 無模型自適應(yīng)控制 連續(xù)反應(yīng)釜 PCS7 SMPT-1000

連續(xù)反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金及輕工等過程工業(yè)[1，2]。反應(yīng)過程受不同的反應(yīng)物質(zhì)、壓力、溫度及催化劑等因素影響較大，并且系統(tǒng)本身具有較大的滯后性、非線性等特性。研究反應(yīng)釜傳遞過程對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，以及反應(yīng)器動(dòng)態(tài)特性和反應(yīng)器參數(shù)敏感性，以對(duì)它實(shí)現(xiàn)良好的控制顯得尤為重要[3，4]。筆者基于PCS7軟件和SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以某化學(xué)反應(yīng)工藝過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)無模型自適應(yīng)控制器，基于PCS7進(jìn)行硬件組態(tài)、控制算法組態(tài)和監(jiān)控畫面組態(tài)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的溫度控制。

1 連續(xù)反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 工藝流程簡(jiǎn)介

原料A、B在催化劑C的作用下，反應(yīng)生成主產(chǎn)物D(產(chǎn)品)和副產(chǎn)物E(雜質(zhì))。主、副反應(yīng)均為強(qiáng)放熱反應(yīng)且不可逆，其工藝流程如圖1所示。

圖1 某化學(xué)反應(yīng)工藝流程

1.2 PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，PCS7系統(tǒng)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)的控制中設(shè)有手動(dòng)操作臺(tái)儀表顯示與控制，采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)采用隔離器進(jìn)行信號(hào)的隔離和分配。系統(tǒng)控制對(duì)象是SMPT-1000反應(yīng)器，PCS7系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)和過程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)組成[5]。

圖2 SMPT-1000反應(yīng)器的PCS7控制系統(tǒng)

2 無模型自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

一般離散時(shí)間非線性系統(tǒng)可表示為[6，7]：

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

(1)

假設(shè)1f(·)關(guān)于第(ny+2)個(gè)變量和(ny+L+1)個(gè)變量分別存在連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)。

假設(shè)2系統(tǒng)(1)滿足廣義Lipschitz條件，即對(duì)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(gè)常數(shù)。

引理1對(duì)于滿足假設(shè)1和假設(shè)2的非線性系統(tǒng)(1)，且有‖ΔUL(k)‖≠0時(shí)，偏格式動(dòng)態(tài)線性化(PFDL)的數(shù)學(xué)模型為：

Δy(k+1)=Φp,LT(k)ΔUL(k)

(2)

考慮如下控制輸入準(zhǔn)則函數(shù)：

(3)

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

(4)

其中，步長(zhǎng)因子ρ1∈(0,1]的引入是為了使控制算法設(shè)計(jì)具有更大的靈活性。為此，提出PG估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)：

(5)

根據(jù)最優(yōu)條件，對(duì)式(5)關(guān)于Φp,L(k)求極值，并利用矩陣求逆引理，得到PG的估計(jì)算法為：

(6)

3 控制系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)基于PCS7[8]對(duì)SMPT-1000進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的配合，上位機(jī)通過WinCC6.0組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝狀態(tài)的監(jiān)控；下位機(jī)通過S7-400的硬件組態(tài)與軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集[9，10]。

3.1 硬件組態(tài)

首先在SIMATIC400的Hardware中選擇框架RACK-400，貨架號(hào)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(jí)文件General的下級(jí)文件夾CONVERTER中的address為7，設(shè)置I/O口數(shù)量和標(biāo)號(hào)所對(duì)應(yīng)的控制參量。設(shè)置16bit數(shù)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(duì)應(yīng)的控制參量命名到相應(yīng)編號(hào)中，方便軟件組態(tài)控制。

然后建立網(wǎng)絡(luò)連接。先組態(tài)網(wǎng)卡，從硬件目錄中選擇SIMATIC PC Station的下級(jí)文件夾CP IndustrialEthernet，找到IE General，選擇型號(hào)SW V7.1，在硬件結(jié)構(gòu)窗口出現(xiàn)一臺(tái)虛擬機(jī)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(wǎng)絡(luò)組態(tài)和網(wǎng)卡匹配。

3.2 控制算法組態(tài)

該工藝過程為強(qiáng)放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度過高，反應(yīng)速率加快，也會(huì)使反應(yīng)器的溫度升高。如果熱量不能恒定控制，就可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，所以就需要使用冷卻水將容器中的反應(yīng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)溫度對(duì)冷卻水的響應(yīng)速度很慢，是一個(gè)延遲過程。由于溫度的變化存在非線性和滯后性，所以對(duì)溫度的控制是該系統(tǒng)關(guān)鍵的控制環(huán)節(jié)。

CFC是PCS7提供的連續(xù)功能圖，實(shí)現(xiàn)邏輯、控制及算法編程等功能，是控制系統(tǒng)實(shí)施的核心部分。其中冷卻水的串級(jí)CFC組態(tài)如圖3所示。

圖3 冷卻水的串級(jí)CFC組態(tài)

3.3 SCL實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)使用。

圖4 無模型自適應(yīng)算法流程

圖5 MFAC算法控制模塊

3.4 監(jiān)控畫面組態(tài)

WinCC組態(tài)軟件設(shè)置在PCS7 OS，它能通過圖形編輯器構(gòu)建實(shí)際流程畫面，并具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、顯示等功能。OS站主要是面向現(xiàn)場(chǎng)操作人員的，通過WinCC組態(tài)，使得操作人員能夠直觀有效地管理整個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

4 控制器效果測(cè)試

在連續(xù)反應(yīng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的最大化，即提高目標(biāo)轉(zhuǎn)化率尤為重要。影響目標(biāo)轉(zhuǎn)化率的因素主要有反應(yīng)物的配料比值、反應(yīng)過程的時(shí)間、溫度及壓力等。在實(shí)際反應(yīng)過程中，溫度越高則反應(yīng)的速度越快，目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率也隨之提高。但是如果反應(yīng)溫度過高，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)使反應(yīng)釜內(nèi)的壓強(qiáng)增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。所以為安全操作，控制系統(tǒng)壓力要求不超過1.2MPa。為了驗(yàn)證無模型自適應(yīng)控制器的控制效果，選擇SMPT-1000仿真系統(tǒng)中的連續(xù)反應(yīng)釜溫度作為控制對(duì)象，由于連續(xù)反應(yīng)釜溫度受反應(yīng)物流量、預(yù)熱器溫度及冷水閥等參數(shù)變化的影響，模型機(jī)理較復(fù)雜，因而對(duì)工業(yè)對(duì)象的復(fù)雜性仿真度較高。

實(shí)驗(yàn)將PID控制器和MFAC控制器分別應(yīng)用到連續(xù)反應(yīng)釜溫度的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，觀察其階躍響應(yīng)曲線和抗干擾性能。如圖6、7所示，控制對(duì)象為一路冷卻水，對(duì)它進(jìn)行控制變量擾動(dòng)，觀察它恢復(fù)正常的過程曲線。其中階躍響應(yīng)指反應(yīng)釜中從430℃升高到450℃的升溫響應(yīng)曲線。

圖6 PID階躍響應(yīng)和抗干擾曲線

圖7 MFAC階躍響應(yīng)和抗干擾曲線

可以看出，相同條件下通過參數(shù)整定，兩種控制器均能實(shí)現(xiàn)較理想的控制效果。其中MFAC控制器對(duì)階躍變化的響應(yīng)更快、超調(diào)更?。欢鴮?duì)同等干擾源的響應(yīng)，自適應(yīng)能力更強(qiáng)，能更快速地從擾動(dòng)中恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。由此可見，MFAC控制器相對(duì)傳統(tǒng)PID控制具有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

在SMPT-1000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬連續(xù)反應(yīng)釜，基于PCS7設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，采用PCS7 SCL功能設(shè)計(jì)反應(yīng)釜溫度無模型自適應(yīng)控制器，并進(jìn)行控制器效果測(cè)試。結(jié)果證實(shí)MFAC控制算法不同于傳統(tǒng)控制算法，擺脫了對(duì)模型的依賴，控制結(jié)果良好。對(duì)于復(fù)雜工業(yè)過程控制技術(shù)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(cái)(1992-)，碩士研究生，從事智能控制的研究。

聯(lián)系人高丙朋(1979-)，副教授，從事智能控制、系統(tǒng)開發(fā)及PLC應(yīng)用的研究，1427914010@qq.com。

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1000-3932(2017)12-1101-05

2017-08-01，

2017-09-27)