（检测技术与自动化装置专业论文）广义预测控制的应用研究.pdf

摘要 本文针对北京a t o f i n a 化学稳定剂工程反应釜温度控制系统中的大滞 后、非线性、时变问题，提出了用先进控制( a p c ) 解决。先进控制是对 那些不同于常规单回路控制，并且具有比常规控制更好控制效果的控制策 略的统称。先进控制应用于工业现场一般有两种方法，一是基于i p c 开发 a p c 专用软件包或把a p c 应用程序嵌入上位机工控组态软件平台中：二 是工控硬件开发公司主动支持先进控制算法，在控制系统硬件设备中开发 先进控制算法模块。由于先进控制的计算量相对较大，对于中小型生产装 置常采用的控制系统，由下位机处理相当困难，一般是在上位机上实现先 进控制算法，下位机只接受上位机发送来的控制指令即可。 广义预测控制( g p c ) 算法作为先进控制算法中的一种典型的算法， 在工业现场已经初步显示出它强大的克服大滞后和非线性的能力。由于基 本的g p c 算法相对复杂，为了降低其计算量和改善稳态性能，本文首先 对基本g p c 算法进行了一定的改进，并对g p c 改进算法的稳定性和鲁棒 性进行分析，仿真结果表明，改进算法在快速性和稳态性能方面均有较大 的改善。 通过对北京a t o f i n a 化学稳定剂工程中的控制系统配置的深入分析， 本文提出并实现在上位机组态软件r s v i e w 3 2 的v b a 二次开发环境中嵌入 广义预测控制算法，并实现与常规p i d 控制无扰切换。仿真表明该方案动 态响应快、跟踪性能好，能显著克服大滞后和非线性的影响。 关键词：先进控制广义预测控制鲁棒性 r s v i e w 3 2v i s u mb a s i c 编辑器 a b s t r a c t i nt h i sp a p e ra d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ( a p c ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e di n o r d e rt oo v e r c o m et h en o n l i n e a r i t y ，l a r g et i m e - d e l a ya n dt i m e v a r y i n go f t h e r e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o li nb e i j i n ga t o f i n ac h e m i c a le n g i n e e r i n gc o n t r o l s y s t e m a p ci s s o m ec o n t r o ls t r a t e g i e st h a th a v eb e t t e rc o n t r o le f f e c ta n d h i g h e r p r e c i s i o n t h a n g e n e r a lc o n t r 0 1 g e n e r a l l y t h e r ea r et w ow a y so f a p p l y i n ga d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o la l g o r i t h mi n i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 t h ef i r s ti st od e v e l o pa p cs o f t w a r eb a s e do ni p co re m b e da p cp r o g r a m i n t oc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r er u n n i n gi nu p p e rc o m p u t e r t h es e c o n di s t h a t i n d u s t r i a lc o n t r o ld e v e l o p i n gc o m p a n i e sd e v e l o pa p ca l g o r i t h mm o d u l e si n t h e i rh a r d w a r ee q u i p m e n t s i nt h ec a s eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t e db y g e n e r a lp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，f o rt h el a r g ec o m p u t a t i o n o fa p c a l g o r i t h m ， i tish a r dt or e a l i z ea p ca l g o r i t h mc o m p u t i n gb yp l co rl o w e rc o n t r o l l e r ， s ot h et a s ko fr e a l i z i n gt h ea p ci sl e f tt ou p p e rc o m p u t e ra n dt h ec o n t r o l s i g n a lc o m p u t e db yu s i n ga p ca l g o r i t h mi nu p p e rc o m p u t e ri s c o l l e c t e db y l o w e rc o n t r o l l e r g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) i so n eo ft h ew i d e l ya p p l y i n g a p c a l g o r i t h m ，w h i c h h a ss h o w ni t sc h a r a c t e r i s t i c o f o v e r c o m i n g t i m e v a r y i n g ，l a r g et i m e - d e l a y a n dn o n l i n e a r i t yr e m a r k a b l yi ni n d u s t r i a l f i e l d b e c a u s eo fa l a r g e a m o u n to f c o m p u t a t i o n o f e l e m e n t a r y g p c a l g o r i t h m ，a ni m p r o v e dg p ca l g o r i t h mi sp r e s e n t e di n t h i s p a p e r ，a n a l y s i s o fs t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s si s g i v e nr e s p e c t i v e l y ，s i m u l a t i o ns t u d i e ss h o w t h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h m c a no b t a i nb e t t e rc o n t r o le f f e c ti nb o t ht h e r e s p o n s e t i m ea n dt h e s t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e t h a nc o n v e n t i o n a lg p c a l g o r i t h m i nt h i sp a p e rt h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o no ft h e b e i ji n g a t o f i n ac h e m i c a le n g i n e e r i n gd e e p l y ，as t r a t e g yo ft h es e c o n d a r y d e v e l o p i n gr s v i e w 3 2i sp r o p o s e d ，a n dt h ew a yo fu s i n gt h ev i s u a lb a s i c e d i t o rt oe m b e dt h ei m p r o v e dg p ca l g o r i t h mi n t or s v i e w 3 2i sg i v e n ，a n d n o n d i s t u r b a n c es w i t c h i n gb e t w e e nu p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o n t r o l l e ri s r e a l i z e dw h e nf a u l th a p p e n si n u p p e rc o m p u t e r s i m u l a t i o n s t u d i e ss h o w t h a tt h es c h e m eh a sf a s t t r a c i n gr e s p o n s e a n dc a no v e r c o m et h e l a r g e t i m e d e l a ya n dn o n l i n e a r i t y k e y w o r d s ：a d v a n c e dp r o c e s s c o n t r o l r o b u s t n e s sr s v i e w 3 2 g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l v i s u a lb a s i ce d i t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：年月日签字日期：年月日 第一章概述 第一章概述 1 1 课题研究的目的 在过程控制界，从4 0 年代开始时至今日，p i d 控制一直扮演着一个非 常重要的角色，即便是采用d c s 、p l c 和f c s 现代化的生产过程控制中， 大多数工业控制回路仍采用各种形式的p i d 控制算法，包括一些改进型的 p i d 技术1 1 1 1 2 1 。p i d 控制技术具有一些显著的优点，如不需要对象的模型， 分析、设计和实现方法简单且具有较强的鲁棒性。 随着工业控制精度要求的不断提高，在工业过程控制领域，许多被控 回路的机理比较复杂，具有高度非线性、慢时变、纯滞后等特点，例如工 业锅炉汽包的水位控制、p h 控制。特别是在噪声、负载扰动和其它一些 条件变化的影响下，过程模型参数甚至模型结构均会发生变化，实际过程 系统存在严重的不确定性。采用常规的p i d 控制器，以一组固定不变的 p i d 参数去适应被控过程参数变化、于扰等不确定因素，显然难以获得满 意的控制效果，当参数变化超过一定范围时，系统的性能会明显变差，甚 至超过允许的范围。 上个世纪控制理论和控制技术取得了飞速发展，以k a l m a n 、p o n t r y a g i n 和b e l m a n 三位学者为代表的控制科学家奠定了以状态空间、极大值原理 和动态规划为核心的现代控制理论，并在航天、航空以及军事科学领域的 应用取得了巨大的成功【3j 。然而这一时期的现代控制理论和方法要求精确 的数学模型和复杂的数值计算，而对于工业中复杂的实际对象建立精确的 数学模型又是非常困难的；即使建立了数学模型，由于工业实际系统受环 境变化及对象内部慑动的影响，在一定的时间以后，数学模型会发生很大 的变化，因此基于状态空间的现代控制理论在工业中的应用受到了很大的 限制。 随着社会的进步，日益复杂的工业过程对控制技术的高性能要求使得 常规的控制技术越来越力不从心，特别是在有大时间滞后、参数变化较大 或者结构也变化的控制对象，以及被控对象内部复杂、环境复杂、控制性 能要求高的场合下，必须借助于一种对非线性大滞后等不太敏感的新型的 先进控制算法”j 。 为此，国内外控制科学家、控制技术专家和工程师进行了不懈的努力， 以a s t r o m 、z a d e h 、r o s e n b r o k 、m o r a r i 、z a m e s 、d o y l e 等为代表的控制学 者和控制专家们为工业过程控制提出了新的控制理论和技术。自适应控 制、自整定控制、专家控制、模糊控制、内模控制、模型预测控制( m p c ) 、 多变量解耦控制、鲁棒控制等已经在工业过程控制中得到了成功的应用， 第一章概述 其中自整定控制、预测控制、模糊控制、内模控制和专家控制等获得了较 广泛的应用，尤其是模型预测控制技术在工业控制领域中取得了极大应 用，获得了很大的经济效益。预测控制几乎成了先进控制的代名词。 1 2 国内外先进控制的研究与应用现状嘲口8 1 先进控制是对那些不同于常规单回路控制，并且具有比常规控制更好 控制效果的控制策略的统称，包括自适应控制、鲁棒控制、预测控制、智 能控制、专家系统、模糊控制等，它的任务是解决用传统的控制方法无法 解决的问题。先进控制的基础是获取对象的动态数学模型，它的优势是利 用大量的实测信息，采用合理的控制目标和控制结构，更好的适应了工业 生产的需要。 先进控制应用于工业现场一般有两种方法，一是基于i p c 开发a p c 专用软件包或把a p c 应用程序嵌入上位机工控组态软件平台中；二是工 控硬件开发公司主动支持先进控制算法，在控制系统硬件设备中开发先进 控制算法功能模块。国外从7 0 年代就开始了先进控制技术的商品化软件 的开发及应用，但是大部分软件都是嵌入在这些大公司开发的专用硬件或 软件平台上，客户必须购买这些平台刁可以使用。由于价格的昂贵等原因， 许多中小型公司不能大量应用，且有些情况下从外国购进的软件并不能适 合国内生产过程的特点，不能充分发挥其作用，造成了很大的经济浪费。 为此，必须面向我国工业过程的实际情况，以中小控制装置的先进控制为 目标，开发自己的先进控制系统。 由于先进控制的计算量相对太大，一般是在上位机上实现先进控制算 法，下位机只接受上位机发送来的控制指令即可。上位机控制设备一般是 工控机，软件系统大都是用组态软件，工控组态软件可靠性高、易生成应 用程序、适应面广，故在生产过程计算机控制系统中得到了广泛的应用。 由于先进控制是基于模型的控制策略，控制的第一步就是根据被控对象特 点辨识出对象的数学模型。为了能更好的建立相对精确的数学模型，先进 控制系统应该提供足够的历史和实时数据库系统供先进控制算法使用。 先进控制，由于伴有较复杂的算法，导致先进控制的采样周期相对过 大，从而难以克服生产过程中突变性扰动，影响了控制品质。例如广义预 测控制，因其模型计算中的卷积性质使其难以采用p i d 那样小的采样周期。 相反，由于传统的p i d 控制算法简单，不基于任何模型，有较小的采样周 期，对过程中的突变性扰动有很好的控制效果。如果把先进控制和传统的 p i d 控制结合起来，则不但能克服过程中的大滞后、非线性和时变的影响， 还能显著的克服控制过程中的突变性扰动。 因此，先进控制在工控软件平台中的应用，可以单独工作于控制系统， 第一章概述 只需在紧急情况下实现与p i d 控制无扰切换即可。也可以与传统的p i d 结 合起来，在工业生产过程中使先进控制与传统p i d 控制同时工作，由先进 控制算法对p i d 参数进行自适应整定或者构成串级等复合控制策略，这样 就充分利用先进控制精度高和p i d 控制采样周期小的优点，可实现系统良 好的跟踪性能，并保证在模型失配时有良好的鲁棒性。 1 3 本课题研究内容 本课题深入研究了先进控制在我国工业控制中的应用现状，分析了先 进控制的发展方向。在深入研究了广泛应用的先进控制算法之广义 预测控制算法的基础上，对基本的广义预测控制算法进行了一定的改进， 并分别对基本广义预测控制算法、改进的广义预测控制算法予以仿真实 现。 针对先进控制在当前工业控制系统中的应用现状，结合北京a t o f i n a 工程有限公司的稳定剂反应釜温度控制系统中严重非线性和大滞后问题， 把广义预测控制算法嵌入该公司控制系统的上位机软件r s v i e w 3 2 中，通 过上位机与下位机的通信实现先进控制与下位机常规的p i d 控制的无扰切 换，以实现对现场被控量的控制。 基于以上问题，本文主要做了以下方面的工作： 1 深入了解了北京a t o f i n a 工程有限公司的工艺生产过程和控制系统的 要求，分析了一些常见的控制系统和装置； 2 研究了先进控制的应用现状和应用方法，对基本的广义预测控制算法进 行仿真； 3 对基本的广义预测控制算法进行了改进，并对改进的g p c 算法的稳定 性和鲁棒性进行了分析。仿真表明改进后的预测控制算法不仅大大降低 了计算量，而且在稳态性能上有了进一步的改善，能获得更好的控制效 果； 4 针对北京a t o f i n a 工程有限公司的稳定剂反应釜温度控制系统的大滞 后和非线性问题，二次开发上位机软件r s v i e w 3 2 ，把改进的广义预测 控制算法嵌入其中，并针对工业实际系统的特点，合理设计系统，使广 义预测控制与下位机p l c 控制器中的p i d 控制实现无扰切换： 5 针对工控软件r s v i e w 3 2 数据报表的特点，用v b 实现r s v i e w 3 2 数据 报表中的历史数据和实时数据的分离，从而实现了r s v i e w 3 2 报表中的 数据由d b f 格式到x l s 格式的自动转换与实时数据的自动提取和打 印。 第二章工业过程常见控制系统与装置 第二章工业过程常见控制系统与装置 2 1 工业控制系统分类阳”川 在工业生产与监督控制过程中，1 9 6 9 年问世的p l c 和1 9 7 5 年问世 的d c s 是两类影响最为深远的计算机控制系统。p l c 的问世取代了继电 器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程序控制；d c s 的问世取代 了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和p i d 回 路调节等功能。2 0 世纪8 0 年代末期，随着计算机技术、通信技术、集 成电路技术、智能传感器技术的发展而出现的现场总线控制系统 ( f i e l d b u sc o n t o ls y s t e m ，f c s ) 改变了原有控制系统的结构，使控制 系统由封闭向开放走出了重要的一步。2 0 世纪9 0 年代中期，以p c 为 基础的控制系统( p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m ，p c b c s ) 开始出现，不少 学者认为它将是工业自动化领域最具发展潜力的新技术。近年来，由 于网络技术的飞速发展，网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e i l l ) 成为一些控制学者研究的热门方向之一，n c s 有望在不远的将来应用于 工业现场。 在非流程工业中，s c a d a 系统作为生产过程和管理自动化最为有 效的计算机控制系统之一，被广泛应用于供水、供电、石油开采等无 人值守的现场。s c a d a 系统重要的组成部分r t u 控制装置由于其先 进的功能，特剐是它强大的通信功能，成为s c a d a 系统实现其监督控 制不可缺少的装置。 2 1 1 集散控制系统( d e s ) “” 计算机集教控制系统也称为分布式计算机控制系统，简称为集散 控制系统( d c s d is t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) ，管理集中性和控制 分散性的实际需要是推动计算机控制系统发展的根本原因。计算机集 散控制系统是在吸取了模拟仪表控制系统可靠性高、操作简便的优点 以及计算机控制系统能实现许多复杂的控制策略、集中参数显示和操 作、控制精度高、改变系统结构和控制方式方便、自上向下通讯能力 强的优点的基础上发展起来的种控制形式，它实质是利用计算机技 术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术等 对生产过程进行分散控制，集中监视、操作和管理的种新型控制概 4 第二章工业过程常见控制系统与装置 念及技术。 最初设计的d c s 是侧重于连续生产过程应用，但典型的间歇生产 过程要求离散控制、调节控制和顺序控制，所以早期的d c s 往往把p l c 引入到d c s 系统来满足间歇控制的要求。新型的d c s 已演变成一种具 有高度柔性和强大功能的控制系统，能够提供数据采集、先进的连续 控制和间歇控制功能。它能够适应工业生产过程的各种需要，提高生 产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率，保证生产安全，取得了 较好的社会经济效益。 d c s 概况起来由显示管理部分、分散控制监测部分和通讯部分组成。 集中显示管理部分又可分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师 站主要用于组态和维护，操作站则用于监视和操作，管理计算机用于 系统的信息管理和完成部分优化控制任务。分散控制监测部分按功能 可分为控制站、监测站或现场控制站，用于实时的控制和监测。通信 部分连接d c s 的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。 2 1 2 可编程序控制器( p k c ) “” 可编程序控制器是一种专门为在工业现场环境下丽设计的数字运 算操作的电子系统，它采用可编程序的存储器，存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，通过数字量或 模拟量输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 开发p l c 的初衷是用计算机技术实现“软逻辑”来代替继电器逻 辑控制系统和机电式顺序控制器的硬接线。但是p l c 经过3 0 多年的发 展，特别是随着微处理技术的发展而得到了迅速的发展，发展到目前 的第五代产品，其技术和产品逐步完善，它不仅因其良好的性能满足 了工业生产的需要，而且将通信技术和信息处理融为体，使其功能 更加强大。 新一代的p l c 具有以下特点：灵活性、通用性好；可靠性高、 抗干扰能力强：编程简单、使用方便；接线简单：功能强大； 体积小、能耗低、易于实现机电一体化。 由于p l c 的以上特点加之其价格便宜，能完成d c s 不能方便完成 的离散控制、调节控制和顺序控制，因此它是小型间歇生产控制的首 选方案，在大型的间歇控制系统中d c s + p l c 则是最佳控制方案。 p l c 的基本组成包括：c p u 、r a m 、e p r o m 、e 2 p r o m 、通信接 第二章工业过程常见控制系统与装置 口、外设接口、i 0 接1 ：3 等，按结构形式p l c 分为两大类：一体化的 p l c 、模块化的p l c 。随着计算机综合技术的发展和工业自动化内涵 的不断延伸，p l c 的结构和功能也在进行不断地完善和扩充。实现控 制功能和管理功能的结合，以不同生产厂家的产品构成开放型的控制 系统是主要的发展理念之一。 21 3 现场总线控制系统( f o $ ) “”1 以现场总线技术与智能仪表管控一体化构成开放型工厂底层控制 网络的全分布计算机控制系统称为现场总线控制系统( f c s ) 。根据i e c 和美国仪表协会i s a 定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系 统数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支 持双向、多节点、总线式的全数字通信。 现场总线技术是综合运用微处理技术、网络技术、通讯技术和自 动控制技术的产物，它把专用微处理器引入传统的现场仪表，使它们 各自都具备数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通 信任务的网络节点。现场总线允许将包括i p c 、p l c 以及各种智能化的 现场控制设备作为节点构成一个网络系统，各种智能化的现场仪表都 基于统一、规范的通信协议，通过同一总线实现相互间的数据传输与 信息共享。这不仅提高了信号的测量、控制和传输精度，同时也为增 强现场仪表的功能，实现控制功能的彻底分散创造了条件。 从计算机网络体系结构的角度来看，现场总线位于生产控制和网 络结构的底层，与工厂现场设备直接连接。一方面将现场测控设备互 连为通信网络，实现不同网段、不同现场设备之间的信息共享，另一 方面又可以进一步与上层管理控制网络联接并实现信息沟通。 f c s 体现了“信息集中，控制分散”的思想。首先，f c s 系统具有 高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路，现场仪表或 设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，也使 其可靠性得到提高。其次，f c s 具有开放性，而开放性又决定了它具有 互操作性和互用性。另外，由于结构上的改变，使用f c s 可以减少大 量的隔离器、端子柜、i o 接口和信号传输电缆，这可以简化系统安装、 维护和管理，降低系统的投资和运行成本。 由于现场总线顺应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的 方向化的方向发展趋势，所以它一经产生便成为全球工业自动化技术 第二章工业过程常见控制系统与装置 的热点，受到全世界的普遍关注，被认为是2 1 世纪自动控制系统的基 础。它的出现和应用将使传统的自动控制系统产生一系列的重大变革。 2 1 4p c b a s e d 控制系统( p c b c s ) 1 将经过加固的p c 机硬件与控制软件相结合，实施通常由专用p l c 、 d c s 执行的控制功能，或者说将p l c 的控制功能“封装在”软件内，运 行在p c 的环境中，即构成p c b c s 控制系统。p c b c s 控制系统主要由以 下3 部分组成：p c 机；i 0 组件及其连接件：操作系统软件和应用软 件。 p c 机将以往p l c 、d c s 控制系统中的操作站、控制站溶为体，同 时具备实施控制、通信及操作显示等多项功能。快速发展的计算机技 术使p c 机可提供一个真正开放的平台，使系统所有的功能集成于p c 这个统一开放的平台上，以减少安装空间、节省电缆，将复杂的通信 连接简单化，还可通过国际互联网i n t e r n e t 或企业内部网i n t r a n e t 得到重要的生产信息，实现生产过程优化。为可靠起见，p c 机通常采 用工业p c 机。 i 0 组件也是完全开放的，可以支持多家公司的多种i 0 硬件， 包括很多p l c 的远程i 0 及i 0 分站。它还可以与现场总线技术结 合，使p c 机通过现场总线接口与带现场总线的i 0 设备相连。由于 这些i 0 组件均为经过长期现场运行考验过的设备，其可靠性是不容 置疑的。只不过它无需像早期的p l c 、d c s 控制系统那样必须采用某一 公司某一系列的i 0 组件，而可以由用户选择自己喜爱的i 0 组件。 上层对多种操作系统软件和应用软件是开放的，目前已经有多种 商品化的操作系统软件和应用软件，用户也可以挑选自己中意的软件。 由以上3 个组成部分就可以看出p c b c s 系统的开放性是全面的，因此 它现在的和未来的发展速度都将是非常快的，绝不会象以往的p l c 、d c s 控制系统那样因封闭性、专一性而造成长期发展滞后，而会随计算机 技术、通信技术、i 0 组件制造技术、现场总线技术及软件技术的发 展与时俱进，迅速提升。 p c b c s 控制系统的优点可以概括为：价格较低：对各种控制及业务 应用、信息的存取均很简便；软件向新的硬件平台的可移植性优良； 控制、人机界面及编程功能易于集成；易于将过程控制、逻辑控制、 批量控制以及运动控制等台为一体；不依赖于各种专有的控制系统。 第二章工业过程常见控制系统与装置 随着p c 技术的发展，它在工业过程控制中的作用越来越广，能满 足复杂的多产品、多生产流程的生产过程控制和数据处理的要求。它 的这一特点满足了间歇过程生产对控制系统的要求。 2 1 5 网络控制系统( n g s ) ” n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是一种全分布式、网络化实时 反馈控制系统，是指某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网 络的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用 户实现资源共享和协调操作。 控制网络的引入提高了n c s 的效率、柔性以及可靠性，减少了安 装、重新配置以及维护的时间和费用。然而，从传统的点对点的控制 系统转变为网络化的控制系统，在传感器、控制器以及执行器之间带 来了不同类型的延时不确定性、抖动和瞬态误差。不同的工业网络出 于采取的通信协议以及硬件结构的不同，它们具有的通信延时特性和 实时性能也有所差异。因此在设计控制器之前，有必要对控制网络的 性能进行分析。 n c s 的研究包括两个方面：通信协议和控制器设计。合适的通信 协议保障网络的服务质量( q o s ) ，高级的控制器确保控制的性能质量 ( q o p ) 。工业网络的目标就是为实时控制应用提供可靠的q o s ( 女n ：确 定的时间延时、吞吐量最大化、报文丢失率最小化等) 。网络控制系统 突破了传统控制系统的层次模型，实现了多种总线兼容和异构系统综 合集成，如符合h a r t 标准的现场智能变送器、智能化仪表、以及国 内外各种d c s 、p l c 等控制设备，它们都将成为网络控制系统中的一 员，这些成员不仅具有独立的服务于对象( 如工艺流程、机电设备等) 的处理能力和信息结构，同时又可以共享网络控制系统中任何成员的 过程信息。 网络控制系统为工业自动化提出新的概念，基于w e bo nf i e l d 结构 的公共通信环境和信息流传，简化了工业自动化的体系结构，增强了 过程控制的功能和效率，提高了工业自动化的整体性和稳定性，最终 使企业节省了为工业自动化而作出的投资。w e b f i e l d 真正体现了工业 基础自动化的开放性精神，使自动化系统变成了网络化、智能化、数 字化，突破了传统d c s 、p l c 等控制系统的概念和功能，也实现了企 业内过程控制、设备管理的合理统一。 第二章工业过程常见控制系统与装置 21 6 s c a d a 系统与r t u m 如果说d c s 、p l c 等是流程工业中广泛应用的控制系统和装置， 那么s c a d a 系统就是非流程工业的优秀的代表。 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 系统作为生产 过程和管理自动化最为有效的计算机控制系统之一，全名为数据采集 与监视控制系统。从体系结构和功能上来说，可以分为两层：底层实 时数据采集，上层实时监控和数据处理。s c a d a 系统主要用于工业自 动化领域生产过程的实时监控管理，它从现场控制终端到办公室管理 计算机，从通信系统到管理网络，从软件到硬件，为企业生产自动化 提供了完整的解决方案，是油田、城市供水、供电、供热、河务监控 等行业的理想选择。 s c a d a 系统最重要的组成部分是r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) ， r t u 是一种远端测控单元装置，它可实现对工业现场信号的采集和对 现场设备的控制。与常用的可编程控制器p l c 相比，r t u 具有更优良 的通信能力，更大的存储容量，更强的计算功能，更方便的开发，更 强的环境适应能力。正是由于r t u 完善的功能，使得它在s c a d a 系 统中得到了大量的应用。在使用r t u 时，用户可以选用已安装在其上 的专用软件，有针对性的直接应用于现场；也可以在选用硬件的基础 上对r t u 进行二次开发，二次开发的方法及内容包括：参数组态、屏 幕组态、逻辑梯形图编程、高级语言编程，这样就形成满足特定要求 的产品。 大部分r t u 是一个多任务系统，其内部程序一般包括以下几部分： 监控程序、逻辑梯形图程序、高级语言程序、屏幕组态程序。它们可 同时运行，互不干扰。监控程序是固有程序，它控制整个系统的运行， 并完成数据的采集、存储、通信等功能；逻辑梯形图程序可以完成一 般性的计算、控制、p i d 调节等功能，它可通过梯形图编辑器编程和 下载：高级语言编程可以完成复杂的计算、控制、p i d 调节等功能， 也可以实现自定义的通信协议；屏幕组态程序完成屏幕画面的组态显 示，用户可以根据自己的需要，组态出相应的画面，完成各种方式的 数据显示及数据输入。所有的编程都可使用普通的计算机完成，然后 下载到r t u 内部存储单元。参数组态完成r t u 的基本设定，它可使用 梯形图程序编辑器进行，也可放在梯形图或高级程序中。对于一般的 9 第二章工业过程常见控制系统与装置 检测及控制，无需编程，通过简单的参数组态和屏幕组态就可实现。 使用梯形图编程和高级语言编程，可以满足各种灵活控制和复杂运算 的要求。 2 ，2 工业稳定剂生产过程计算机控制系统构成 目前，基于p l c 下位机的数据采集系统和工控软件作为上位机软 件的数据处理和显示系统，即p c p l c 相结合的方案构成控制系统是一 种非常流行的控制方案。此类系统功能稳定可靠，所有的过程控制、 故障处理、应急处理、状态标识、实时运行数据采集、逻辑运算都在 p l c 上完成，保证了上位工业p c 出现故障时生产的安全以及生产任务 的接管和继续。对于历史数据则可以报表的形式保存在工业p c 机的 硬盘上，根据实际情况定时自动删除。 a t o f i n a ( 北京) 工业稳定剂项目，整个现场由原料罐区、丁基 ( b u t y l ) 生产线、辛基( o c t y l ) 生产线、废液废气处理系统、生产 生活消防水系统、冷却水系统、生产配套动力设施( 蒸汽、压缩空气) 构成。系统中需要控制、监视的现场设备点一共有2 7 2 个，其中模拟 量输入( a i ) 6 0 ，模拟量输出( a o ) 1 0 ，数字量输入( d i ) 13 9 ，数字 量输出( d o ) 6 3 。考虑系统的规模及其性能价格比，模拟量、数字量 的比例情况，生产操作的特点和要求，采用p c p l c 相结合的方案构成 控制系统。 2 2 1 硬件配置 系统硬件由p l c 、工业p c 、打印机及其服务器、网络适配器、隔 离配电器、继电器、接线端子排、变送器、现场执行等机构构成。 p l c 选用a b 公司新一代的c o n t r o l l o g i x 5 0 0 0 系列，内部配置： c p u 为l 5 5 、r a m 2 5 6 k 、程序最大容量1 5 m ”“。该类型的p l c 采用模块 化的系统结构，可根据系统规模，灵活地选择输入输出接口模块的数 量与类型。为防止现场信号线将大电流或高电压引入p l c 而烧坏p l c 的i o 模板甚至其它设备，必须采取保护措施。在设计上a i 模板与现 场信号线之间用隔离配电器进行隔离、d o 与现场信号线之间接有继电 器，避免了i o 模板与现场信号的直接相连，而a o 、d i 与现场信号线 之间加保险端子进行限流保护。 三台操作站选用研华p c a 一6 17 9 工业p c 组成，其中一台作为工程 第二章工业过程常见控制系统与装置 师站进行生产管理和生产应急处理，两台作为操作员站用于工艺生产 的适时监视、控制、操作，工业p c 内部配置为c p u p i i i8 6 6 、内存 1 2 8 m 、c o n t r o l n e t 通讯网卡l 块( 用于工业p c 与p l c 之间的适时通信) ， i n t e r n e t 局域网网卡l 块( 用于三台工业p c 及两台报表打印机组成局 域网) 。 为满足生产过程原料统计，温度、压力等工艺参数的记录和实时 打印，用一个打印服务器和三个工业p c 网卡组成一个小局域网，保证 三台工业p c 之间的互访以及三台p c 共享两台打印机。 由于系统中传输的数据量大，为保证网络数据通信的实时、高效， 采用了a b 公司最新推出的c o n t r o l n e t 现场总线的网络通信技术。通 信介质为同轴电缆，传输距离最长为3 0 k m ，传输速率为5 m b p s 。 为增加系统信号远程通信的抗干扰能力，提高采集数据的精度， 除采用优质的屏蔽线外，还在地线的设计上对屏蔽线采用多点接地构 成回路，同时尽量避免信号线与强电线平行敷设或靠近大功率的用电 设备。 2 2 2 软件配置 作为间歇过程生产的监控平台，除具有系统稳定、可靠性高、网络 功能强大的特点外，还要求必须人机界面丰富、操作直观方便。 操作系统采用基于n t 技术具有强大网络功能、稳定性强、兼容性 好的m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 。 监控软件采用r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司的r s v i e w 3 2 进行二次开 发而成的“。监控软件以其形象直观的图象功能、高性能的可靠性、 安全性、实时性、多任务性而成为计算机控制系统的重要组成部分， 也成为计算机控制技术发展水平的重要因素。 p l c 逻辑控制软件采用r o c k w e 儿a u t o m a t i o n 公司的r s l o g i x 5 0 0 0 编程软件完成逻辑图程序设计”。该软件具有编程方式灵活、功能模 块多、运算能力强、逻辑性能稳定、在线修改方便等特点。 上位机( 工业p c ) 与下位机( p l c ) 之间的通信驱动软件为r o c k w e l l a u t o m a t i 0 1 3 公司的r s l i n x 2 3 。该通信驱动程序遵循基于o p c 标准的 数据传输机制。 第三章广义预测控制的基本形式 第三章广义预测控制的基本形式 3 1 预测控制的发展现状m 7 m 8 1 预测控制思想是由美国和法国几家公司在7 0 年代先后提出的，到 目前为止，预测控制算法已经有几十种。1 9 7 8 年，r i c h l e t 等人在系统 脉冲响应的基础上，提出了模型预测启发控制( m o d e lp r e d i c t i v e h e u r i s t i cc o n t r o l ，简称为m p h c ) ，1 9 8 2 年，r o u h a n i 和m e h r a 给出了 基于脉冲响应的模型算法控制( m o d e la l g o r i t h m i cc o n t r o l ，简称为 m a c ) f 3 “，c u t l e r 等在对象阶跃响应的基础上提出了动态矩阵控制 ( d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ，简称为d m c ) 1 3 3 【3 4 1 ，模型算法控制和动 态矩阵控制以被控对象的有限脉冲响应或有限阶跃响应为模型，采用 滚动优化策略对过程进行有限时域内的优化控制，它对过程的模型要 求低，算法简单。由于预测控制算法采用的是不断在线优化，而且在 优化过程中不断通过实铡系统输出与预测输出的误差来进行反馈校 正，所以能在一定程度上克服由于预测模型误差和某些不确定性干扰 等的影响，使系统的鲁棒性得到增强，适用于控制复杂工业生产过程。 除了上述基于对象脉冲响应或阶跃响应的非参数模型的预测控制 算法外，还出现了另一类基于辨识模型并带有自校正的预测控制算法， 例如扩展时域预测自适应控制( e x t e n t e dp r e d i c t i v es e l fa d a p t i v e c o n t r o l ，简称为e p s a c ) 3 5 】，1 9 8 7 年，c l a r k e 等人在保持最小方差自 校正控制的在线辨识、输出预测的基础上。吸取了d m c 和m a c 中的 滚动优化的策略，提出了广义预测控制( g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o l ， 简称为g p c ) 1 3 6 1 3 7 】【38 1 ，l e l i c 等人提出了广义预测极点配置控制 ( g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e p o l e p l a c e m e n t ，简称为g p p ) 【3 9 j 。这些应用 和研究，极大的推动了预测控制的进一步发展，同时其应用范围也超 出了过程控制领域，应用到机器人、飞行器、网络系统等更广泛的领 域。 预测控制虽然有很多算法，就一般的意义来说，它们都建立在三 个基本原理的基础上： ( 1 ) 预测模型 预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。 在预测控制中，需要有一个描述对象输入输出动态行为的预测模型， 第三章广义预测控制的基本形式 因此，可以根据已有的信息和假设的未来输入预测对象未来的输出a 对于预测模型，这里只强调模型的功能。对模型的结构形式没有限制， 因此状态方程、传递函数、阶跃响应、神经网络等均可以作为预测模 型。从一般的意义上说，预测模型提供了显示对象未来行为的可能， 为我们比较对应于不同输入下的输出孰优孰劣，从而可以确定何种输 入为优提供了基础。 ( 2 ) 滚动优化 预测控制是一种基于优化的控制，但其控制输入不是根据模型和 性能指标一