酸堿中和反應器多變量預測控制器設(shè)計及其應用

1、畢 業(yè) 設(shè) 計酸堿中和反應器多變量預測控制器設(shè)計及其應用完成日期 2011 年 6 月 20 日 中國石油大學(北京)本科畢業(yè)設(shè)計第IV頁酸堿中和反應器多變量預測控制器設(shè)計及其應用摘要本課題主要以預測控制為技術(shù)支撐，以pH中和反應裝置為研究對象，主要內(nèi)容包括以下方面：(1)利用Matlab的辨識工具箱辨識出pH中和反應裝置的傳遞函數(shù)矩陣，并轉(zhuǎn)化成RMPCT可用的模型傳遞函數(shù)文件（*.xfr文件）；(2)利用研華控制器與力控組態(tài)軟件進行實時數(shù)據(jù)庫的通訊，并由上位機的力控組態(tài)軟件對pH反應過程進行實時監(jiān)控；(3)根據(jù)辨識出的傳遞函數(shù)陣模型設(shè)計RMPCT離線控制器與仿真器；(4)在PHD數(shù)據(jù)庫中組態(tài)

2、，實現(xiàn)力控實時數(shù)據(jù)庫與PHD以及PHD與RMPCT之間的通訊，對pH中和反應裝置進行動態(tài)控制和在線設(shè)計。本課題綜合利用了三維力控組態(tài)軟件和研華控制器、PHD數(shù)據(jù)庫、RMPCT等軟件，設(shè)計了一套模型對象仿真及相應裝置的預測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同計算機不同系統(tǒng)之間的通訊，并對控制結(jié)果作了詳細分析，闡述了預測控制的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：pH中和反應裝置； 預測控制； RMPCT； PHDAbstractThis essay based on Predictive Control technology, used the pH neutralization reaction device as researc

3、h object, mainly included those contents:(1) The essay used Matlab Identification Toolbox to identify the transfer function of the pH neutralization reaction with transforming it to the format which RMPCT could use(*.xfr file).(2) The essay used Advantech and Sunway software for real-time database c

4、ommunication，and use Sunway software to monitor the pH reaction process.(3) The essay built RMPCT controller and simulator based on the transfer function.(4) The essay configured in the PHD Database and realized the communication between ForceControl real-time database and PHD Database, PHD Database

5、 and RMPCT.It controlled the pH neutralization reaction device model and realized dynamic design.This essay used Advantech and Sunway software,PHD Database, and RMPCT to design a imitated model and the corresponding control system. It realized communication between different computers.The essay anal

6、yzed the control results, explained the advantages of Model Predictive Control.Keywords:pH neutralization reaction; Predictive Control; RMPCT; PHD目 錄第1章 前言11.1 課題背景11.2 預測控制技術(shù)綜述11.2.1 預測控制技術(shù)簡介11.3 本文的主要研究內(nèi)容3第2章 工藝與軟件的介紹42.1中和反應裝置的簡介42.2裝置的維護42.3 所使用軟件簡介92.3.1 Honeywell RMPCT92.3.2 PHD數(shù)據(jù)庫簡介112.4 控制系統(tǒng)

7、結(jié)構(gòu)122.5 數(shù)據(jù)的存儲與通訊132.5.1 I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊132.5.2 數(shù)據(jù)的存儲142.5.3 PHD的第三方軟件訪問方法142.5.4 數(shù)據(jù)的通訊152.6 實驗數(shù)據(jù)采集15第3章 模型辨識與仿真模型的建立193.1 MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱簡介193.2 pH中和反應裝置模型的辨識203.3 對象模型的建立及Simulink仿真223.3.1 建立對象的模型223.3.2 設(shè)計MPC仿真控制器233.3.3 Simulink仿真及結(jié)果分析23第4章 PH反應裝置的RMPCT控制264.1 PHD的組態(tài)設(shè)計264.1.1 創(chuàng)建PHD父點264.1.2 通過繼承創(chuàng)建PHD子點2

8、74.1.3 生成RMPCT離線控制器294.2 RMPCT控制器的建立324.2.1 生成可用于RMPCT的mdl傳遞函數(shù)陣文件324.2.2 控制器的在線運行334.3 應用RMPCT控制效果及分析35第5章 結(jié)論與展望37致謝38參考文獻39 第1章 前言第3頁第1章 前言1.1 課題背景pH中和反應裝置是實驗室的一套難以控制的對象，該裝置的工藝過程比較復雜，變量多，且變量間的耦合比較嚴重，一個變量的擾動將會帶來其他變量的變化。并且酸堿中和反應時，在pH值不同的變化區(qū)間，過程靜態(tài)特性增益變化明顯，表現(xiàn)出強的非線性。pH反應在過程原理上講應該是瞬時反應的，但是由于攪拌不均勻，pH檢測計的檢

9、測延時，將會給反應帶來很大延時。因此常規(guī)的單回路PID控制器很難使所有的變量都控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，難以使整個裝置處于某種最優(yōu)的操作工況。RMPCT 是由Honeywell公司開發(fā)的一種MIMO、基于模型的、采用多步預測和多步控制及滾動優(yōu)化的控制技術(shù)。它不僅能對高度耦合的過程實現(xiàn)解耦控制，而且控制器的抗干擾能力明顯高于其他控制器，使得控制系統(tǒng)的魯棒性得到提高和控制效果得到優(yōu)化。1.2 預測控制技術(shù)綜述1.2.1 預測控制技術(shù)簡介預測控制以計算機為實現(xiàn)手段，應用采樣控制算法，其主要特點為模型預測、滾動優(yōu)化和反饋校正1。(1)預測模型預測控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預測模型。預測模型只

10、注重模型的功能而不注重模型的形式，不但狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型可以作為預測模型，而且階躍響應、脈沖響應這類非參數(shù)模型，也可直接作為預測模型使用。從方法的角度講，只要是具有預測功能的信息結(jié)合，無論其具有什么樣的表現(xiàn)形式，均可以作為預測模型。因此，只要模型能根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預測系統(tǒng)的未來輸出，無論是什么樣的表現(xiàn)形式，均可作為預測模型，如DMC、MAC等預測控制策略中，采用了實際工業(yè)中容易獲得的階躍響應、脈沖響應等非參數(shù)模型，而GPC等預測控制策略則選擇受控自回歸積分華東平均(CARIMA)模型、狀態(tài)空間模型等參數(shù)模型。此外，非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)的模型，只要具備上述功能，也可

11、在進行預測控制時作為預測模型使用。因此，預測控制擺脫了傳統(tǒng)控制基于嚴格數(shù)學模型的要求，從全新的角度建立模型的概念。預測模型具有展示系統(tǒng)未來動態(tài)行為的功能,利用預測模型為預測控制的優(yōu)化提供先驗知識，從而決定采用何種控制輸入，使未來時刻被控對象的輸出變化符合預期的目標。(2)預測控制采用滾動優(yōu)化、滾動實施控制作用在工業(yè)應用和理論研究中，生產(chǎn)過程對象都或多或少地呈現(xiàn)非線性，一般來說預測控制是采用在線優(yōu)化的模型。預測控制的這種優(yōu)化控制算法是通過某一性能指標的最優(yōu)來確定未來的控制作用的。例如通?？扇ο筝敵鲈谖磥淼牟蓸狱c上跟蹤某一期望軌跡的方差最小或者要求控制能量最小等。性能指標中設(shè)計到的系統(tǒng)未來的行為

12、是根據(jù)預測模型未來的控制策略決定的。但是預測控制算法中的優(yōu)化與通常的最優(yōu)控制算法有很大的差別。這主要表現(xiàn)在預測控制中的優(yōu)化不是采用一個不變的全局優(yōu)化目標，而是采用滾動式的通常采用有現(xiàn)實與的優(yōu)化策略。在每一采樣時刻，優(yōu)化性能指標只涉及該時刻的未來有限時間，而到下一采樣時刻，這一優(yōu)化時段同時向前推移。預測控制的優(yōu)化策略是可以多種多樣的，目前常見的有二次型性能指標優(yōu)化等。不同的優(yōu)化策略產(chǎn)生不同的控制器結(jié)構(gòu)，如何選取優(yōu)化策略，設(shè)計出控制效果好、適應性和魯棒性強的新型預測控制器，具有十分重要的理論與應用意義。(3)反饋校正模型預測只能粗略描述對象的動態(tài)特性，由于系統(tǒng)中實際存在的非線性、不確定性，模型預測

13、輸出與系統(tǒng)實際輸出必然會存在一個預測誤差，誤差越大，控制效果越差，但由于過程時變、干擾及所獲取信息不充分等復雜因素，使得預測誤差必然存在，只能在過程中通過不斷采集信息進行反饋校正，以減少誤差的影響。在通過優(yōu)化確定了一系列未來的控制作用后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對理想狀態(tài)的偏離，并不是把這些控制作用逐一全部實施，而只是實現(xiàn)本時刻的控制作用。到下一采樣時刻，首先檢測對象的實際輸出，并通過各種反饋策略，修正預測模型或加以補償，然后再進行新的優(yōu)化。綜上所述，預測控制綜合利用歷史信息和模型信息，對目標函數(shù)進行在線的滾動優(yōu)化，并根據(jù)實際測得的對象輸出修正或補償預測模型。這種控制策略更加適用于復

14、雜的工業(yè)過程，并在復雜的工業(yè)過程中獲得了廣泛的應用。1.3 本文的主要研究內(nèi)容本課題是利用RMPCT（Robust Multi-variables Predictive Control Technology）對pH中和反應裝置進行控制。首先利用VB到EXCEL程序?qū)Ψ磻b置進行數(shù)據(jù)采集，并利用Matlab進行辨識從而得到RMPCT可用的模型傳遞函數(shù)文件（*.xfr），接著進行控制器、仿真器的建立和離線設(shè)計，以及實時數(shù)據(jù)庫PHD（Process History Database）的組態(tài)設(shè)計。再通過第三方軟件VB做OPC接口程序以實現(xiàn)力控實時數(shù)據(jù)庫與PHD數(shù)據(jù)庫、PHD數(shù)據(jù)庫與RMPCT控制器的數(shù)

15、據(jù)交互，達到對pH中和反應裝置控制和在線設(shè)計。最后利用RMPCT對各種參數(shù)進行修改和優(yōu)化，進而實現(xiàn)對pH中和反應裝置的多變量預測控制，從而使該pH中和反應裝置更好的、更經(jīng)濟的運作起來，達到實時控制的目的。 第2章 工藝與軟件的介紹第18頁第2章 工藝與軟件的介紹2.1中和反應裝置的簡介該套設(shè)備主要由四個流量泵(一號泵是酸泵，二號泵是酸干擾泵，三號泵是堿泵和四號泵是排出泵);酸罐、堿罐和反應器中各有一個攪拌器;一個室溫測量點;酸堿罐和反應釜中pH值的測量點;酸罐、堿罐、反應釜和本次設(shè)計中重新加入的廢液罐的液位四個測量點;完成數(shù)據(jù)采集、處理 、分析、監(jiān)控及控制功能的兩臺主控計算機 。反應設(shè)備示意圖

16、如圖2.1。圖2.1 設(shè)備擺放圖注：1、酸泵 2、酸干擾泵 3、堿泵 4、排出泵2.2裝置的維護試驗初期，我們檢查反應裝置時候發(fā)現(xiàn)有裝置存在一些問題：1)堿罐中的攪拌泵不能工作了；2)測量廢液罐的液位沒有傳感器；3)在實驗前測試階段，發(fā)現(xiàn)pH計測量有問題；4)酸罐中的液位傳感器壞了；本設(shè)備采用的是微型轉(zhuǎn)速可調(diào)電動攪拌器，其中用于反應器的攪拌器是JJ-1型4-20mA可控電動攪拌器，其中控制信號為4-20mA標準信號，最大轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/min，功率為40瓦，最大攪拌容積為20升，滿足反應釜溶液混合的要求。酸罐和堿罐的攪拌器采用了可手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的JJ-1型電動攪拌器，其參數(shù)與反應器所用的攪拌器

17、相同。由于攪拌器無法工作，對其進行檢測，信號的傳遞沒有問題，電機本身也沒有問題，電源模塊也沒有問題。最后我們檢查了其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其整流模塊出現(xiàn)問題。其原理圖如圖2.2。圖2.2 攪拌器內(nèi)部工作原理圖如圖2.3所示，為元器件LM317典型應用電路，其作為使用方便，應用廣泛，輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，輸出電壓的計算公式如下：僅從公式上看，R1，R2的值可以隨便設(shè)定，但作為穩(wěn)壓電源的電壓輸出其值又不可以隨便設(shè)定。可知穩(wěn)壓塊LM317電壓的輸出范圍是1.25V37V,所以R2/R1的比值范圍只可能是029.6。圖2.3 LM317芯片典型應用電路在檢查中我們發(fā)現(xiàn)原來的接線中將輸出3端接到穩(wěn)壓

18、器的2端了，相當于穩(wěn)壓器輸出端懸空，而實際的輸出電壓為0。在試驗中我們購買了一個增氧泵和一個液位傳感器。由于測量廢液罐的液位沒有傳感器，以前的裝置中選擇了大恒科海公司型號為YW10的液位變送器。其工作電壓為直流12V，輸出電壓為4-20mA，量程為0-1m。為了更好的了解傳感器的型號，更好的熟悉傳感器的選型方法，以及考慮到經(jīng)濟問題，我們選擇了北京中大昆侖的壓力變送器來測量液位。在試驗中我們的反應溶液都是強酸，強堿性的，所以在起初我們首先要考慮的就是傳感器的材料問題，首先要是耐酸堿抗腐蝕，其次是其長期在液體中，要不能被銹蝕。KZY-K型一體化投入式液位變送器，可廣泛用于水廠、污水處理廠、城市供水

19、、高樓水池、水井、地熱井、礦井、工業(yè)水池、油池、水文地質(zhì)、水庫、河道、海洋等場合。采用進口不銹鋼隔離膜片的高精度、高穩(wěn)定性力敏芯片經(jīng)合理精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計和厚膜技術(shù)溫度補償、信號放大、V/I轉(zhuǎn)換，對不銹鋼殼體進行全密封焊接，有通氣導管的防水電纜，使傳感器背壓腔與大氣連接。工業(yè)上應用傳感器有兩線制，三線制以及四線制的。這里我們選擇的是兩線制液位傳感器。兩線制：兩根線既是傳輸電源又是傳輸信號,也就是傳感器輸出的負載和電源是串聯(lián)在一起的，電源是從外部引入的，和負載串聯(lián)在一起來驅(qū)動負載。即電源和地之間的電壓是定值，但是總電流作為信號是能調(diào)的。工業(yè)上采用最廣泛的是420mA電流來傳輸模擬量，在普通雙絞線上可

20、以傳輸數(shù)百米。通俗的理解就是將傳感器，電源串在一起組成一個回路。其工作原理圖如圖2.4所示。圖2.4兩線制傳感器工作原理注：紅線:供電正 黑線:供電負pH計的標定：試驗測試階段，通過傳感器檢測的pH值總是隨著時間變化而增長，在試驗中我們進行了pH計的校正。pH計是由電極和電計兩部分組成，在使用前，應先檢查玻璃電極前端的球泡。正常情況下，電極應該透明而無裂紋；球泡內(nèi)要充滿溶液，不能有氣泡存在。標定前，我們將電極仔細清洗，這里用的水是蒸餾水，如果含有太多的雜質(zhì)，容易造成探頭的結(jié)垢現(xiàn)象，會造成pH的測量信號的漂移，或者電計的顯示部分會出現(xiàn)數(shù)字亂跳的現(xiàn)象。清洗后，不能將探頭放在空氣中，必須將電計放入反

21、應液中，以防玻璃膜因干枯而老化甚至損壞。標定pH計所需器材：50ml容量瓶若干，250ml梨形容量瓶兩個，250ml燒杯兩個，滴定管1個，蒸餾水，濾紙若干，pH=6.86，pH=4以及pH=9的標準液4袋等。準緩沖液的配置及保存；1) pH標準物質(zhì)應保存在干燥的地方，如混合磷酸鹽pH標準物質(zhì)在空氣濕度較大時就會發(fā)生潮解，一旦出現(xiàn)潮解，pH標準物質(zhì)即不可使用。 2) 配制pH標準溶液應使用蒸餾水，若含有雜質(zhì)溶液將會吸收空氣中的CO2或其他雜質(zhì)成分。3) 配制pH標準溶液應使用較小的燒杯來稀釋，以減少沾在燒杯壁上的pH標準液。存放pH標準物質(zhì)的塑料袋或其它容器，除了應倒干凈以外，還應用蒸餾水多次沖

22、洗，然后將其倒入配制的pH標準溶液中，用玻璃棒攪拌至完全溶解，這里要時間久些，然后倒入相應的容量瓶中，快到刻度線時候，用滴定管滴定，搖勻。 4) 堿性標準溶液必須即配即用，由于本實驗室不能提供聚乙烯瓶，堿性標準液放置過久二氧化碳易進入形成碳酸，降低其pH值。pH計的校正：PH計的校正方法一般都采用兩點校準法，即選擇兩種標準緩沖液。先用第一種標準緩沖液對電計進行定位，再根據(jù)待測溶液的酸堿性選擇第二種標準緩沖液。在控制柜正常顯示模式時，按住CAL/VIEW鍵兩秒鐘即可進入校正/設(shè)定模式的第一畫面(即主設(shè)定畫面)，再按連續(xù)兩下CAL/VIEW鍵進入pH校正畫面。選擇校正液1時，使用者可以依自己的需要

23、按或鍵選擇適當?shù)牡谝环N校正液，選擇pH為6.86的一種模式，選好以后即可按確認鍵，機器會自動進入下一步驟(校正液2)的設(shè)定。在設(shè)定完上一步驟后，使用者即可按或鍵選擇第二種校正液，一共有4.00pH，4.01pH，9.18pH和10.01pH四種選擇，這里我們選擇4.00，選好以后按確認鍵，機器會進入標準點和斜率的校正。在選擇第二種校正液時，如果待測溶液呈酸性，則選用酸性標準緩沖液；如果待測溶液呈堿性，則選用堿性標準緩沖液。還必須注意的是探頭每次插入另一溶液前必須清洗干凈，并把依附在探頭上的溶液用濾紙吸干，以免污染和稀釋標準液。在標定過程中，我們最好一氣呵成，不要讓pH電極在空氣中暴露太長時間。

24、若使用的標準液時間較長，則必須對其pH值作重新標定。2.3 所使用軟件簡介2.3.1 Honeywell RMPCTRMPCT(魯棒多變量預估控制技術(shù))是美國Honeywell公司下屬Hi-spec的先進控制技術(shù)產(chǎn)品，它是基于動態(tài)模型的，多輸入多輸出的、多步預估和區(qū)間控制的一種先進控制技術(shù)。RMPCT控制器通過預測控制算法調(diào)節(jié)操縱變量使所有的被控變量控制在設(shè)定值或者一個區(qū)間范圍內(nèi)，如果此時還有自由度，內(nèi)在優(yōu)化器將調(diào)節(jié)其控制器的輸出，把過程推向符合經(jīng)濟目標優(yōu)化狀態(tài)。RMPCT控制器具有很強的魯棒性，當過程模型有較大誤差時，它的控制性不會像簡單PID控制一樣當遇到較大的未知干擾之后，就會出現(xiàn)很大偏

25、差，甚至不能控制，RMPCT的魯棒性設(shè)計使得RMPCT控制器能允許模型誤差的存在。RMPCT控制器實時求解出滿足控制和優(yōu)化目標的最小過程調(diào)節(jié)量，并使得在控制過程中由于模型不確定性帶來的控制誤差降至最小，與參考軌跡法相比，其采用創(chuàng)新的“漏斗”式動態(tài)看控制協(xié)調(diào)技術(shù)能夠為動態(tài)過程的優(yōu)化提高更多的自由度，實現(xiàn)了其具有很強的魯棒性的特點3。RMPCT其技術(shù)核心為多變量預估控制。它利用從現(xiàn)場測試得到的工藝模型，以及當前和過去的現(xiàn)場數(shù)據(jù)預估受控變量的未來變化情況。RMPCT的前饋變量是擾動變量(DV),反饋變量是操縱變量(MV),可以預估未來的被控變量值，根據(jù)CV的變化趨勢，求解模型矩陣即輸出MV，則完成了

26、多變量預測控制。其簡單的示意圖為圖2.5。圖2.5 RMPCT的構(gòu)成圖RMPCT所用到的變量分為3種類型:(1) 被控變量CV(Controlled Variable)用來描述多變量控系統(tǒng)的控制目標，是控制器的輸入變量。在實際應用中，部分或全部CV之間是相互影響的，即具有耦合性。一般魯棒多變量控制器中被控變量的設(shè)定值都被要求保持在一個上下限之間。也有少數(shù)控制要求苛刻的被控量的上下限被設(shè)定成同一個值，此時便成為了定點控制?？刂破饕鉀Q的問題是協(xié)調(diào)改變幾個MV，按照優(yōu)先級使至少一個CV達到優(yōu)化值。(2) 操縱變量MV(Manipulated Variable)是控制器的輸出變量，是作為調(diào)節(jié)手段的一

27、些控制變量。通過改變MV的變化速率、MV的變化范圍來限定控制作用的大小。控制器的MV經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后可以直接輸出到某些執(zhí)行器，亦可作為單回路的給定值。(3) 干擾變量DV(Disturbance Variable)是工藝過程中的干擾因數(shù)，這些變量對被控變量CV會帶來顯著的影響?？刂破髂茴A測DV對CV的影響，但不能控制DV，一般作為前饋控制的輸入值，它也是控制器的輸入變量。Profit Controller是Honeywell公司RMPCT的較高版本，其全部軟件由離線部分和在線部分組成。離線部分包括模型辨識器、過程仿真器、組態(tài)器和工藝計算軟件包。在線部分包括優(yōu)化器、預估器、控制器、模型和過程數(shù)據(jù)采

28、集器。其控制原理圖如圖2.64：圖2.6 Profit Controller 工作原理因為變量間存在高度耦合的情況，再加上有的工業(yè)過程在大滯后、非線性或反向特性等錯綜復雜的動態(tài)，常規(guī)PID很難實現(xiàn)平穩(wěn)控制，而RMPC正具有處理具有這種復雜動態(tài)過程的能力。RMPC把過程中重要變量集中到控制器中，把整個過程看成一個整體來控制，并不是看成多個單回路的組合?；谀Ｐ蚏MPC能夠分析并解決各變量之間的耦合關(guān)系。應為RMPCT控制器應用的是預測控制，當被控變量預估值超過限制值時就進行調(diào)節(jié)，而不是等到被控變量的當前值超過限制值時才動作，具有超前調(diào)節(jié)能力。使用RMPCT控制器具有以下特點5：(1) 由于對控制

29、變量進行了數(shù)據(jù)預處理工作，防止了輸入控制器的計算值出現(xiàn)跳變或因測量元件故障或噪聲產(chǎn)生的錯誤進入控制系統(tǒng)，保證了控制的安全有效。(2) 具有較強的魯棒性，在裝置操作條件變化較大時，也能滿足控制要求。(3) 提供了對操作的優(yōu)化功能，即在操作變量能滿足所有控制變量的約束條件的基礎(chǔ)上，在操作變量還存在自由度（MV個數(shù)減去CV個數(shù)）的情況下，可根據(jù)經(jīng)濟價值對操作變量優(yōu)化，提高高效益產(chǎn)品產(chǎn)量，降低低效益產(chǎn)品產(chǎn)量，使得產(chǎn)品收益最優(yōu)化。(4) 人機界面簡單易懂，方便工程師進行組態(tài)等操作。2.3.2 PHD數(shù)據(jù)庫簡介PHD(Process History Database)是Honeywell公司過程歷史數(shù)據(jù)庫

30、的簡稱，其實質(zhì)是一套軟件，在先進控制系統(tǒng)中用作實時數(shù)據(jù)平臺。PHD以DCS控制系統(tǒng)為依托，充分地應用了現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)。正如其名稱一樣， PHD首先是數(shù)據(jù)庫管理軟件包，內(nèi)部包括兩種類型的數(shù)據(jù)庫:一個是Honeywell自定義的實時數(shù)據(jù)庫 (Realtime Database)，RDI是PHD與外界交換數(shù)據(jù)的橋梁，一個PHD服務器可以連接多個RDI，每一個RDI將與DCS實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)相連。另一個是Oracle類型的數(shù)據(jù)庫(Relationed Database)，在PHD系統(tǒng)中，所有的位號定義，工廠數(shù)據(jù)模型以及事件等關(guān)系型的數(shù)據(jù)都存放在Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。實時數(shù)據(jù)庫將通過32位ODBC/SQL

31、NET訪問關(guān)系數(shù)據(jù)庫，而在PHD服務器的共享內(nèi)存中保存了有關(guān)的映象，它們以局域網(wǎng)(LAN)為其網(wǎng)絡基礎(chǔ)，以客戶/服務器方式傳輸數(shù)據(jù)。PHD所完成的主要工作包括:處理實時數(shù)據(jù)；將不同的數(shù)據(jù)來源匯集到統(tǒng)一的平臺上；歸檔、統(tǒng)計；提供自上(廠內(nèi)管理網(wǎng))向下(DCS系統(tǒng))的控制通道；性能計算、趨勢預測等。一個典型的PHD系統(tǒng)主要包含以下組件7:(1) PHD數(shù)據(jù)庫服務器(PHD Server)組件A)PHD Server:PHD的主歷史引擎；B)RDI 接口:與DCS通訊的實時數(shù)據(jù)接口；C)PHDMAN:監(jiān)視和管理PHD系統(tǒng)的工具；D)PHD Archive:歸檔歷史數(shù)據(jù)的工具。(2)PHD客戶端(PH

32、D Client)組件A)uniformance TPI:提供點組態(tài)定義、計算點定義、報表組態(tài)等功能；B)PHD Connect:提供訪問PHD的16位函數(shù)和數(shù)據(jù)；C)Visual PHD:通過 OLE Server技術(shù)，提供PHD函數(shù)和數(shù)據(jù)的使用,visual phd 提供給用戶符合DCOM協(xié)議的ActiveX控件用戶應用程序只需要對控件的調(diào)用就可以實現(xiàn)了；D)Process Trend:為PHD數(shù)據(jù)提供趨勢顯示和統(tǒng)計功能；以上兩個組件使用支持TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)通訊。除PHD組件外，RDBMS(Oracle Relational Database Management System)用

33、以存儲所有非實時數(shù)據(jù)。其特點是：1.數(shù)據(jù)以表格的形式出現(xiàn)；2.每行為各種記錄名稱；3.每列為記錄名稱所對應的數(shù)據(jù)域；4.許多的行和列組成一張表單；5.若干的表單組成database。要使PHD系統(tǒng)正常工作，預先還必須進行組態(tài)，即建立PHD系統(tǒng)自己的“點”(Point) 。通過點的定義來說明其與誰通訊的，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的地址、類型、采樣周期、以及數(shù)據(jù)的范圍等等6。2.4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件包含以下5個：系統(tǒng)上位機選用windows2000 Professional操作系統(tǒng)的PC機，組態(tài)軟件采用北京三維力控科技有限公司(Beijing Sunway ForceControl Technolo

34、gy)生產(chǎn)的力控組態(tài)軟件，控制器采用RMPCT(魯棒多變量預測控制器)實現(xiàn)，存儲數(shù)據(jù)采用霍尼韋爾公司的PHD歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)通訊方面采用第三方軟件VB編程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.7。圖2.7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在系統(tǒng)運行時通過pH計和液位計分別來檢測反應釜的pH值和液位，并把他們轉(zhuǎn)化為4-20mA的標準電流信號，經(jīng)模擬輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換器(ADAM-5017)把4-20mA的標準信號轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)字信號(4000-20000)，經(jīng)過力控組態(tài)軟件將裸數(shù)轉(zhuǎn)化為工程量送入力控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫通過OPC接口將數(shù)據(jù)送入PHD數(shù)據(jù)庫，RMPCT也通過OPC接口從PHD數(shù)據(jù)庫中獲取實時數(shù)據(jù)進行算法計算并

35、將控制量返還給PHD，力控通過OPC接口將PHD中的控制量讀取之后送給控制器，控制器將相應的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器(ADAM-5024)轉(zhuǎn)換為4-20mA的標準輸出信號，來控制計量泵，實現(xiàn)對pH值和液位的控制，以及酸罐，堿罐，廢液罐液位的區(qū)間控制。2.5 數(shù)據(jù)的存儲與通訊2.5.1 I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊在本課題中，力控監(jiān)控軟件通過研華的可編程控制器ADAM-5510E/TCP的數(shù)據(jù)采集端口采集數(shù)據(jù)，我們首先在力控通訊模塊中配置好MODBUS通訊協(xié)議，在力控中建點并與可編程控制器中的地址連接起來，經(jīng)由局域網(wǎng)來完成的數(shù)據(jù)的通訊。當啟動控制器ADAM5510等開機自檢完畢后，需稍等幾秒再打開力控監(jiān)控

36、軟件，就實現(xiàn)了實時通訊。2.5.2 數(shù)據(jù)的存儲遠程數(shù)據(jù)存儲：為了長期保存大量數(shù)據(jù)，并快速且可靠的把大量數(shù)據(jù)記錄到儲存介質(zhì)中去，以便以后對實驗儀器故障的分析或處理，實驗室采用了霍尼威爾公司生產(chǎn)的過程歷史數(shù)據(jù)庫PHD(Process History Database)為本實驗室的數(shù)據(jù)中心，多套實驗設(shè)備的過程數(shù)據(jù)均存儲在該數(shù)據(jù)庫中。本地數(shù)據(jù)存儲：組態(tài)軟件PCAuto包含的實時數(shù)據(jù)庫，從I/O設(shè)備上讀取的數(shù)據(jù)，首先存儲在力控實時數(shù)據(jù)庫中，實時數(shù)據(jù)庫將軟件組態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)以一定組織形式存儲在上位機內(nèi)存上，用戶可以完成對生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的各種操作：如實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)

37、處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務請求處理等。在這里力控組態(tài)軟件一旦關(guān)閉，所有的數(shù)據(jù)將會丟失，所以我們開發(fā)了一個“存儲空間”，將力控的實時數(shù)據(jù)存入到EXCEL中，用于以后的數(shù)據(jù)分析和仿真。2.5.3 PHD的第三方軟件訪問方法OPC是基于Microsoft的OLE/COM機制作為應用程序的通訊標準。OLE/COM是一種客戶/服務器模式，我們可以用VB，VC+等高級計算機語言來編寫接口程序，由于其語言無關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點。計算機應用軟件開發(fā)者只要編寫一個接口(即第三方軟件)便可以連接不同的設(shè)備。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，只要數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上建立了OPC規(guī)范，客戶都以統(tǒng)一

38、的方式去訪問，從而使客戶可以很方便的去了解和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。OPC通訊結(jié)構(gòu)圖如圖2.8所示：圖2.8 OPC訪問接口2.5.4 數(shù)據(jù)的通訊力控實時數(shù)據(jù)庫與PHD的實時數(shù)據(jù)通訊主要實現(xiàn)以下功能:首先力控實時數(shù)據(jù)庫的將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過OPC接口送至PHD，作為上層應用程序(即RMPCT控制器)的數(shù)據(jù)源。其次力控監(jiān)控軟件從PHD中讀取RMPCT中返回的控制值(即操縱變量),再通過力控數(shù)據(jù)庫和實驗裝置的通訊模塊將控制值下傳，以實現(xiàn)對實驗裝置(現(xiàn)場設(shè)備)的控制。在這里的數(shù)據(jù)通訊都是通過OPC客戶/服務器來實現(xiàn)。我們在客戶端和服務器端要定義好數(shù)據(jù)的地址，添加好組和項，

39、使之相互對應。然后做好系統(tǒng)的DCOM配置。注：在DCOM配置時候要是兩臺電腦的用戶名一樣。裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)如圖2.9。圖2.9 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)2.6 實驗數(shù)據(jù)采集預測控制是一種基于預測模型的控制算法，所以建立預測控制算法首先要將對象的模型辨識出來。下面進行實驗數(shù)據(jù)采集的介紹。由上述2.5.1節(jié)方法啟動實驗裝置，我們利用VB編寫了力控到EXCEL的程序，得到采集的數(shù)據(jù)來辨識對象模型。調(diào)節(jié)反應釜的pH=7使其穩(wěn)定，此時酸泵值為30，堿泵初值為22，排出泵值為17。當穩(wěn)pH值穩(wěn)定一段時間以后(這里只是近似穩(wěn)定在7附近震蕩)，給酸泵一個25的階躍，用VB采集數(shù)據(jù)。應用Matlab繪制

40、數(shù)據(jù)曲線。如下圖2.10所示：圖2.10 酸階躍反應曲線注：采樣周期 秒這是實驗初期采集到得pH的階躍曲線，與我們理論分析的曲線有很大的差別。經(jīng)分析,導致這種現(xiàn)象的原因有如下幾種：(1)實驗中我們的采用的酸罐，堿罐并不是密封的，導致溶液已經(jīng)被部分污染(2)實驗中我們采用純凈水作為反應溶劑，在操作過程中不免參入雜質(zhì)，容易吸收空氣中的CO2使其中的部分堿被中和掉了(3)酸泵將酸溶液打進反應釜時是滴進去的，有可能是酸管被長期的使用腐蝕或者堵塞了進行裝置的維修后，在相同的條件下，我們進行了另外幾組實驗。實驗曲線如下圖2.11所示。堿階躍對pH值的響應堿階躍對反應釜液位的響應酸階躍對pH值的響應酸階躍對

41、反應釜液位的響應排除泵值對pH值的響應排除泵值對反應釜液位的響應圖2.11 階躍響應曲線分析曲線結(jié)論如下：在這里堿階躍曲線與理論上分析的比較一致，因為堿的階躍效果比較明顯。但是酸的階躍響應雖然曲線與理論上分析比較一致，但是數(shù)值上有較大的差異，這將是以后要進一步找出原因的地方。試驗中我們將用上述的曲線進行模型的辨識。 第3章 模型辨識與仿真模型的建立第25頁第3章 模型辨識與仿真模型的建立3.1 MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱簡介系統(tǒng)辨識就是根據(jù)動態(tài)系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)來估計它的數(shù)學模型。Matlab系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification Toolbox）提供了基于預先得到的輸入

42、輸出數(shù)據(jù)，建立動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型的工具。該工具箱采用靈活的圖形用戶界面，幫助管理數(shù)據(jù)和模型，功能強大，應用非常廣泛。Matlab系統(tǒng)辨識工具箱主要包含數(shù)據(jù)預處理；模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生及模型轉(zhuǎn)換；參數(shù)模型估計；非參數(shù)模型估計；遞推參數(shù)估計5個部分：。 在Matlab系統(tǒng)辨識工具箱中，除了以命令和函數(shù)的方法提供辨識工具外，還提供一個交互式的圖形界面工具（GUI），能夠方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)預處理、模型類型的選擇、參數(shù)估計及模型驗證和比較等功能。在Matlab命令窗口中輸入Ident命令后，即進入Matlab系統(tǒng)辨識工具箱的圖形用戶界面（GUI），主窗口如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)辨識工具箱主圖形界面圖3.1左側(cè)為

43、數(shù)據(jù)視圖（Data Views）部分，主要完成輸入數(shù)據(jù)的導入及相關(guān)的繪圖功能。在左上角的下拉列表框中選擇Import Data命令，即可通過相應的對話框的選擇，從Matlab工作空間(Workspace)中導入輸入和輸出數(shù)據(jù)，如圖3.2所示。窗口左下角的三個復選框當選中時候可以繪制出數(shù)據(jù)隨時間變化得曲線，頻譜曲線(Data spectra)和頻率曲線(Frequency Function)。圖3.2 數(shù)據(jù)導入界面中間為數(shù)據(jù)操作部分，包括兩個下拉列表框。上面的下拉列表框用于對數(shù)據(jù)進行的操作，對輸入輸出數(shù)據(jù)進行有關(guān)的預處理，如濾波、消除趨勢項等；下面的下拉列表框用于選擇模型的類型，并通過相應的對話

44、框輸入模型的階次等信息；在兩個下拉列表框中間的區(qū)域用于指示當前的工作數(shù)據(jù)，可利用鼠標將數(shù)據(jù)視圖部分的相關(guān)數(shù)據(jù)拖入該區(qū)域。主圖形界面的右側(cè)為模型視圖（Model Views）部分，該區(qū)域主要用于選擇已經(jīng)辨識出來的不同的模型，進行不同模型的對比，觀察模型的匹配度，進行模型的驗證和繪制特征曲線。該區(qū)域的其余幾個復選框分別用于繪制模型輸出曲線(Model output)、模型預測殘差曲線(Model resids)、暫態(tài)響應曲線(Transient resp)、頻率響應曲線(Frequency resp)、模型零點和極點圖(Zeros and poles)、噪聲頻譜(Noise spectrum)7。

45、3.2 pH中和反應裝置模型的辨識RMPCT是通過過程模型來對過程實施控制的，過程模型是否準確是一個RMPCT控制器成功與否的關(guān)鍵。本課題采用Matlab辨識過程傳遞函數(shù)模型。(a) 辨識工具箱(b)導入數(shù)據(jù)(c)辨識結(jié)果圖3.3 辨識過程示意圖首先將所采集的對象數(shù)據(jù)導入Matlab工作空間，根據(jù)通道命名。在Matlab命令行鍵入“ident”回車,打開辨識工具箱，導入通道MV1-CV1的數(shù)據(jù)，操縱變量數(shù)據(jù)為x11，被控變量數(shù)據(jù)為y11，如圖3.3(a)、(b)所示，然后點擊Estimate-Process Models,最后辨識出傳遞函數(shù)如圖3.3(c)所示，得到通道MV1-CV1的傳遞函數(shù)

46、為。按照同樣的方法,依次辨識出各通道的傳遞函數(shù)。得出傳遞函數(shù)如表3.4表3.4 傳遞函數(shù)矩陣MV1MV2MV3CV1CV2CV300CV400CV500由于RMPCT控制器的對象都是以分鐘為單位，而辨識得到的傳遞函數(shù)的時間常數(shù)是以秒為單位，因此需要對各傳遞函數(shù)的時間常數(shù)作修改。對于一階系統(tǒng)，只需將的T變?yōu)樵瓉淼?/60，例如以分鐘為單位后傳遞函數(shù)應該變?yōu)椤＿@樣得到分鐘級的傳遞函數(shù)如表3.5：表3.5 傳遞函數(shù)矩陣(分鐘級)MV1MV2MV3CV1CV2CV300CV400CV5003.3 對象模型的建立及Simulink仿真在這里對于MPC控制我們沒有對酸罐，堿罐和廢液罐的液位進行區(qū)間控制。即

47、得反應釜的模型如下表：表3.6 傳遞函數(shù)矩陣MV1MV2MV3CV1CV23.3.1 建立對象的模型利用Matlab語言和Simulink工具箱將前面得到的傳遞函數(shù)矩陣作為對象來搭建了模擬pH中和反應裝置。根據(jù)各變量輸入輸出的關(guān)系得到仿真模型，如圖3.7所示。圖3.7 pH反應裝置仿真模型3.3.2 設(shè)計MPC仿真控制器(1)定義被控對象模型由前面得出的傳遞函數(shù)陣模型，轉(zhuǎn)換為Matlab語言如下程序：TR11=tf(-16.63,513.9 1);TR12=tf(37.23,407.721);TR13=tf(0.0024,1 0);TR21=tf(0.012,1 0);TR22=tf(0.01

48、4,1 0);TR23=tf(-0.042,1 0);sys=TR11 TR12 TR13 ;TR21 TR22 TR23;(2)應用MPC工具箱設(shè)計控制器set(sys,'InputName','LMV01','LMV02','LMV03');set(sys,'OutputName','LCV01','LCV02');Ts=0.1;P=5;M=3;MPC=mpc(sys,Ts,P,M);3.3.3 Simulink仿真及結(jié)果分析在創(chuàng)建被控對象模型的Simulink仿真系統(tǒng)，如圖3.

49、8所示。圖3.8控制器模型由于模型相應時間較長，取預測時域為5步，控制時域為3步。應用Matlab/Simulink所建立的模型，運行MPC控制器，根據(jù)實際需要，設(shè)定各個被控變量和操縱變量的范圍(或給定值)及各參數(shù)。取CV01的初始值為8，CV02的初始值為10(cm)。當系統(tǒng)穩(wěn)定時：(1) 改變SP1到8.5控制情況如圖3.9所示：圖3.9 改變SP1后的變化曲線注：其中泵值的單位為泵的沖程次數(shù)(2)改變SP2到11控制效果如圖3.10所示：圖3.10改變SP2后的變化曲線注：其中泵值的單位為泵的沖程次數(shù)由以上的曲線可以得到：(1)在MPC控制下，系統(tǒng)能穩(wěn)定的達到控制目標，系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，

50、響應時間比較合適。(2)在平衡狀態(tài)下，改變給定值SP1后，CV01能較好的達到新的平衡點且CV2出現(xiàn)波動后也能回到原來的初始狀態(tài)，作用效果明顯。反之，改變SP2后，CV02也能較好的達到新的平衡點且CV01出現(xiàn)波動后也能回到原來的初始狀態(tài)。 第4章 pH反應裝置的RMPCT控制第37頁第4章 pH反應裝置的RMPCT控制4.1 PHD的組態(tài)設(shè)計由于RMPCT控制的對象都是多變量，多耦合的。其中每個CV、MV、DV都對應很多的點，所以PHD數(shù)據(jù)庫中有“父點”與“子點”的關(guān)系。建立了“父點”之后我們就可以免去一個一個建點的麻煩。所有的點可以分為兩類，一類是浮點型數(shù)據(jù)(DOUBLE)，另一類是字符型

51、數(shù)據(jù)(CHAR)，這里我們可以建立兩個“父點”。4.1.1 創(chuàng)建PHD父點在PHD數(shù)據(jù)庫服務器上打開“Uniformance TPI”，即第2.3.2節(jié)所提到的TPI桌面組件。點擊“Process History-Tag configuration”，打開創(chuàng)建PHD“點”的窗口，在“Tag Name”一欄中填入點名“TAG.MI”,將“Class Tag”設(shè)成“X”，表示該點是一個“父點”，并且設(shè)置好各面板的其它參數(shù)如圖4.1所示。設(shè)置完成后點保存。該點用于數(shù)據(jù)類型為DOUBLE的子點的創(chuàng)建。(a) Enable面板(b) Collect面板(c) Process面板(d) General面板

52、圖4.1 生成TAG.MI“父點”參數(shù)設(shè)置用如上方法建立另一個“父點”，兩點的類型選擇不同，其余均一樣。4.1.2 通過繼承創(chuàng)建PHD子點兩個“父點”設(shè)置完成并且保存之后，點“Send Changes to PHD”，便在PHD數(shù)據(jù)庫里面新建好了兩個“父點”。然后開始創(chuàng)建“子點”，只需填上Tag Name,將“Active”選成“X”，并將Parent Tag Name一欄填上繼承的父點名即可。以創(chuàng)建子點“PHSCV01.PV”為例，只需要將Parent Tag Name一欄填上“TAG.MI”即把父點“TAG.MI”的全部屬性繼承了過來，如圖4.2所示，點擊“Send Changes to

53、PHD”便創(chuàng)建好該點。按照同樣的方法，將RMPCT的cfg配置文件里面所對應的“點”全部建好。圖4.2 通過繼承創(chuàng)建“點”當所有的點都建立完成后，可以在Tag explorer中找到剛剛建立的點，如圖4.3。可以在modtag中給自己所建立的點賦初值，也可以在觀察某個點當前的值，如圖4.4。圖4.3 Tag explorer中查看已經(jīng)建立的點圖4.4 modtag中賦值與查值4.1.3 生成RMPCT離線控制器第一步，在Honeywell Profit Design Studio中打開上節(jié)所述*.mdl文件，點“Build-Controller”?？刂破鲌?zhí)行時間間隔根據(jù)圖4.1中各傳遞函數(shù)的階

54、躍響應穩(wěn)定時間(Tf Settle)綜合考慮取1分鐘。示意圖如圖4.5(a)，點擊“Build”按鈕即生成RMPCT控制器所需的“phs.xm”、“phs.xs”等文件。然后點擊“Build-Process Simulator”，如圖4.5(b)所示，點擊“Build”按鈕即生成“phs.xp”等文件。(a) Build Controller窗口(b) Build Process窗口圖4.5生成RMPCT控制器窗口第二步，在Honeywell Profit Design Studio菜單項中點Tools-Runtime Configuration-TPS-Profit Controller(R

55、MPCT),打開“Profit Controller(RMPCT) Configuration”對話框，在“Controller”面板上點“Import”導入phs.mdl，“DCS connection for NT Platform”選“PHD”，并配置好其它參數(shù)如圖4.6(a)所示。在“Detail Connection for NT Platform”面板中將RMPCT控制器需要用到的參數(shù)添加進如圖4.6(b)所示的右側(cè)“Selected Parameter List”。最后回到“Controller”面板點擊“Build”即生成與RMPCT相關(guān)的一系列文件，如圖4.7所示。(a) C

56、ontroller面板(b) Detail Connection面板圖4.6 RMPCT Configuration對話框圖4.7生成配置文件對話框第三步，修改第二步生成的phs.cfg文件，這是因為自動生成的phs.cfg文件包含了許多沒用的配置信息，并且其格式與待建的PHD數(shù)據(jù)“點”也不匹配。用記事本打開phs.cfg文件，修改CV、MV、DV的參數(shù). 每個CV都對應9個參數(shù)，每個MV都對應13個參數(shù)，以“PHSMV01, ReadValue,PHSMV01.PV,”為例，其含義是RMPCT的變量名為PHSMV01的“ReadValue”參數(shù)對應PHD的“PHSMV01.PV”這個點。以此類推，則在PHD里面對應每個CV有9個“點”，對應每個MV有13個“點”,對應每個DV有2個“點”。至此，RMPCT控制器所需要的文件已全部生成完畢。第四步，將*.xs，*.xm,*.cfg,*.xp四個文件復制到C：usersHISpecconfig下。注意：如果以前有同名的文件請把以上四個文件先刪除。4.2 RMPCT控制器的建立在本實驗裝置中有很多的積分環(huán)節(jié)，但是RMPCT控制器無法控制積分環(huán)節(jié)