（控制理论与控制工程专业论文）间歇反应釜先进控制系统的设计与实现.pdf

大连理i ：火学硕+ 学位论文 摘要 为了满足产品多样化的市场需要，批量或半批量过程工业得到了极大的重视和发 展，使得批量过程的先进控制问题成为当前控制理论与控制工程领域的研究热点。而间 歇化学反应器是高度非线性对象，包括了所有批量过程控制的难点，涵盖了顺序控制、 逻辑控制、回路控制的所有控制概念。因此，丌展以化学反应器为控制对象的“面向复 杂工业过程集成与优化控制的应用环境建设与先进控制方法研究”，具有重要的理论和 现实意义。 本文针对辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室问歇反应釜对象的工艺特点，设 计了套山工控机、p l c 、工业控制网络等硬件构成的问歇反应过程先进控制系统，实 现了非自衡动态矩阵控制方法在反应釜实验装置上的成功应用。在系统结构上采用分层 控制的思想：基本控制级由s 7 3 0 0 p l c 实现，操作管理级由运行在上位工控机中的 r s v i e w 3 2 实现。通过对上位机软件r s v i e w 3 2 二次开发，实现了针对间歇反应釜的先 进控制理论应用的可视化仿真：开发了动态矩阵先进控制软件包，并将其嵌入到 r s v i e w 3 2 的v i s u a l b a s i c 编辑器中，通过对反应釜温度控制的实际运行，证明了该算法 的有效性；丌发了集先进控制理论仿真研究与实际应用相结合的集成管理和实验研究平 台，可以实现仿真，控制，算法验证，数据库管理，远程监控等功能，并可将反应釜与 实验室中其它分散的四套综合自动化装置构成一个分布式监控系统。 本文所丌发的系统，不仅能实现常规的控制策略，更重要的是开发了一个先进控制 理论研究与科研开发的平台，为新的理论和控制算法提供了一个实际验证的环境。 关键词：间歇反应釜：动态矩阵控制；先进控制；集成管理平台；r s v i e w 3 2 人连理i ：大学硕十学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb a t c hr e a c t o ra d v a n c e dc o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h em a r k e tn e e d sf o ra b u n d a n tp r o d u c t s ，b a t c ha n ds e m i b a t c hp r o c e s s i n d u s t r i e sa r ed e v e l o p i n gf a s t ，a n dt h er e s e a r c hf o ra d v a n c e dc o n t r o lo fb a t c hp r o c e s si s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h eb a t c hr e a c t o ri sh i g hn o n l i n e a rp r o c e s s ，i n c l u d e sa l l d i f f i c u l t i e so fb a t c hp r o c e s s ，i n v o l v e st h es e q u e n c ec o n t r o l ，l o g i cc o n t r o l ，l o o pc o n t r o l ，e t c s o i ti s v e r yi m p o r t a n t t od or e s e a r c ho nt h ea d v a n c e dc o n t r o lo r i e n t e dc o m p l e xi n d u s t r i a l p r o c e s si n t e g r a t e da n do p t i m i z ec o n t r o la p p l i c a t i o nb a s e do nc h e m i c a lr e a c t o r a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a c t o ri nt h el i a o n i n gk e yl a bo f a d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m sf o ri n d u s t r ye q u i p m e n t s ，t h i sp a p e rd e s i g n sar e a c t o ra d v a n c e d c o n t r o ls y s t e mc o n s i s t i n go fi p c ，p l c ，i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k ，w i t hw h i c ht h ed y n a m i c m a t r i xc o n t r o lf o ri n t e g r a ls y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h er e a c t o r f o rt h i sd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，s 7 - 3 0 0p l ce x e c u t e st h eb a s i cc o n t r o lf u n c t i o n ，a n di p ci st h eo p e r a t o r s t a t i o nr u n n i n gr s v i e w 3 2 w i t ht h er e d e v e l o p i n go ft h er s v i e w 3 2 ，t h ev i s u a ls i m u l i n ko f t h ea d v a n c e dc o n t r o lt h e o r yi sr e a l i z e d ；t h ed m c a l g o r i t h ms o f w a r ep a t c hi se m b e d d e di n t o r s v i e w 3 2u s i n gv b a , a n dt h ee x p e r i m e n t a la p p l i c a t i o nt or e a c t o rt e m p e r a t u r ed e m o n s t r a t e s t h ee f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e dr e s u l t s ，m e a n w h i l e ，a l li n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e v e l o p e d ，w h i c hn o to n l yc a nf u l f i l lt h ea d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y s i m u l i n kr e s e a r c ha n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，b u ta l s oc a nr e a l i z es i m u l i n k ，c o n t r o l ，c o n t r o l a l g o r i t h mv e r i f i c a t i o n ，d a t a b a s em a n a g e m e n t ，r e m o t es u p e r v i s o r yc o n t r o l ，i na d d i t i o n ，i t i n t e g r a t e st h er e a t o ra n do t h e rf o u rd i s t r i b u t e da u t o m a t i ce x p e r i m e n t a le q u i p m e n t si n t oa d i s t r i b u t e ds u p e r v i s o r ys y s t e m t h i sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mc a nn o to n l ye x e c u t et h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o lm o d e ，b u t a l s od e v e l o p saf r i e n d l yp l a t f o r mf o ra d v a n c e dc o n t r o lt h e o r yd e v e l o p m e n ta n ds c i e n c e r e s e a r c h w h i c hi sap r a c t i c a lv a l i d a t i n ge n v i r o n m e n tf o rn e wc o n t r o lt h e o r i e s k e yw o r d s ：b a t c hr e a c t o r ；d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ：a d v a n c e dc o n t r o l ；i n t e g r a t e d m a n a g e m e n tp l a t f o r m ：r s v i e w 3 2 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蛾日期：2 吐纽 人连理j ：人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： r 导师繇盈竺一 年月日 人连理l 人学硕士学位论史 1 绪论 1 1 课题研究的意义 为了满足产品的多样化的市场需要，批量或半批量过程工业得到了极大的重视和发 展，使得批量过程的先进控制问题成为当前控制理论与控制工程领域的研究热点。而间 歇化学反应器是高度非线性对象，包括了所有批量过程控制的难点，涌盖了顺序控制、 逻辑控制、回路控制的所有控制概念。因此，开展以化学反应器为控制对象的“面向复 杂工业过程集成与优化控制的应用环境建设与先进控制方法研究”，具有重要的理论和 现实意义。 在工业控制领域，如何更有效地开发针对特定对象的先进控制算法是人们普遍关心 的问题。同时在工业测控系统开发过程中，实现测控系统与仿真系统的集成是当前的一 个发展方向。本系统为由工控机、p l c 、工业控制网络等硬件构成的间歇反应过程控制 环境；利用组态软件r s v i e w 3 2 丰富的图形功能，以及强大的内置编程语言v b a ，开发 集先进控制理论仿真研究与实际应用相结合的集成管理与实验研究平台，实现批量t 业 过程智能控制方法和先进控制技术应用研究。 1 2 间歇反应釜控制的难点 间歇反应釜控制系统的难点l l i 主要反应在： f 1 1 复杂性、时滞性和非线性 聚合反应的生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量 的转换和传递，因而是一个十分复杂的工业生产过程； 所用反应釜容量大、釜壁厚，冈此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象： 随着反应的进行，各传热媒体的传热系数成非线性变化，并且对各种外界环境 的变化比较敏感；加上反应过程增益变化也会很大，甚至增益变化方向都是不一样的； 而且，随着反应的进行，釜内固体颗粒增多，釜的传热系数也会随着发生不规则变化。 所以，这些因素的存在致使该反应过程变得异常的复杂，致使夹套内的冷却液量与 釜内温度之间的变化产生严重的非线性，而冷水量直接影响釜内温度是否满足工艺要 求； f 2 1 难控性 反应过程中，由于化学反应放热过程的复杂性和非线性，各传热媒体的传热系 数成非线性变化，并对各种外部干扰构影响较敏感，使得控制有定的难度； 间歇反应瓮先进控制系统的设计与实现 反应过程中如果热量移去吖i 及时、小均匀，会使反应温度一直往上升，极易囚 局部过热而造成“飞温”现象，产生“爆聚”；反之，如果热量移去过多，会造成反应温度 一直往下跌，造成反应熄灭。而聚合反应好坏的主要因素就是反应釜温度控制的好坏， 温度的变化将直接影响产品的质量和产量，所以此过程的温度控制是重点也是难点； 反应工艺以及反应设备的约束及外界环境对反应影响的不确定性因素也使得控 制的难度增加。 ( 3 ) 建模难 间歇反应过程化学反应机理较为复杂，尤其是聚合反应过程涉及物料、能量的平衡， 反应动力学等，加上外界条件如原料纯度、催化剂类型、原料添加数量的变化、热水温 度、循环冷却液流量的变化等对系统的影响较大，推导机理模型较为困难；又由于化学 反应放热过程的复杂性和非线性，随着反应的进行，各传热媒体的传热系数不规则变化 对各种外部干扰的影响比较敏感，依照机理法和最小二乘法等传统的建模方法，要建立 反应过程的精确数学模型是非常困难的。 1 3 国内外间歇反应釜控制技术的研究现状及趋势 1 3 1 国内外研究概况及应用 针对以上聚合反应控制中的几个难点，研究人员已在聚合反应过程的控制上做了大 量的工作，其中包括聚合反应器的建模与仿真、优化、计算机控制等方面。各种先进控 制技术( 如预测控制、多变量统计过程控制、自适应控制、人工智能控制) 的应用己受到 聚合工业界的密切注意。本节介绍近多年来先进控制策略在聚合反应过程控制和优化中 的研究概况及应用： ( 1 ) 传统p i d 控制方法 传统p i d 控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制效果| 2 _ 3 l ， 采用改进的p i d 算法或者将p 1 d 算法与其它算法结合也n i 以进一步提高控制质量【4 l 。为 了克服聚合釜温度的时间滞后问题，常采用串级p i d 控制，选取反应釜温度为主要调节 对象，夹套内冷却液温度为副调节对象，构成一个闭环负反馈控制系统。但是如果采用 常规p i d 控制，则很容易造成大的超调、转折点难以平滑过度等问题，尤其在反应的升 温阶段，一般要求保持一定的曲线，而p i d 控制算法在控制温度跟踪变化曲线时存在振 荡和精度低的缺点。工人在实际操作中为了防止大的超调，往往在升温段内进行人工的 干预，无形中加重了劳动强度。 ( 2 ) 自适应控制 大连理t 大学硕十学位论文 间歇聚合反应过程本质上是一个时变非线性系统，每个反应阶段有明显不同的特性， 其过程模型一般是不可知的。而自适应控制正是建立在系统数学模型参数未知的基础上， 而且随着系统行为的变化，自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适应其特性的 变化，保证整个系统的性能达到要求。聚合过程的自适应控制有不少相关研究，如某些 聚合反应的温度控制、转化率控制、与分子量控制，但实际应用并不是很多。一些聚合 过程的自适应研究表明，控制器参数的调整对过程状态、过程的约束条件和初始参数值 十分敏感，不能保证其稳定性，因此应用上受到很大限制。阻碍自适应实际控制应用的 主要问题一方面是算法十分复杂，另一方面局限于自适应控制在稳定性、收敛性和鲁棒 性等方面理论上的突破。随着上述理论的发展，相信自适应控制在聚合反应控制中会有 更大的发展和更广的应用。 ( 3 ) 模糊控制 影响间歇聚合反应过程的因素很多，因非线性、时滞、时变、反应机理复杂等因素， 用常规控制方法难以有效控制。然而，具有丰富经验的操作员却能运用人所特有的观察、 推理和学习能力，通过直觉可以安全而有效地对反应过程进行控制。因此，提炼和恰当 地表达这些经验，将其与常规的控制理论互补地有机结合起来，可以有效地提高聚合反 应过程的控制水平。模糊控制的最大特征是它能够将操作者或领域专家的控制经验和知 识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。它具有高度的仿人智 能特性、不依赖精确数学模型的特点，是解决间歇聚合反应过程控制问题的一种有效方 法。文献【5 】以间歇聚丙烯反应器为对象，参考熟练操作工的控制经验，将模糊控制和常 规的p i d 控制方法结合起来，提出一套智能复合控制方案，得出了较好的实验结果。文 献【6 】给出了基于规则的t a k a g i s u g e n o 比例一微分模糊控制算法在间歇式苯乙烯聚合反 应器控制中的仿真研究情况。文献【7 】主要针对聚合反应釜的大惯性、大时滞特性进行多 种模糊控制方案的研究。根据模糊控制本身的特点，有效地克服实际系统中的非线性及 干扰，而且完全符合系统的工作过程。 ( 4 ) 预测控制 模型预测控带i j ( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，m p c ) 是一种基于模型的闭环优化控制策 略。其算法核心是使用可预测过程未来行为的动态模型，和引入模型误差的反馈校正机 制，采用滚动式的有限时域优化策略，反复在线优化局部目标，以得到一个顾及了模型 失配和干扰引起的不确定性的符合实际的最优控制。模型预测控制具有控制效果好、鲁 棒性强等优点，并能方便地处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束。无疑，间歇聚 合反应过程必然是m p c 的主要应用对象之一。目前已经有了几十种预测控制算法，其 中比较具有代表性的是模型算法控n ( m a c ) 、动态矩阵控带i j ( d m a 和广义预测控制 3 间歇反应釜先进控制系统的设计与实现 ( g p c ) 。文献f 1 1 针对氯乙烯的生产，在常规p i d 控制的基础上进行了预测函数控制系统 的设计，过程的p f c 串级控制系统结构与常规p i d 控制系统的结构十分相似，该技术 已用于某厂聚氯乙烯生产过程中，与p i d 控制系统相比，p f c 控制具有更加稳定、精确 和强鲁棒的控制效果。文献【8 】针对p v c 聚合反应过程，提出了基于多模型的预测控制 策略，将被控过程空间分为多个子空间，每个子空间对应一个失配较小的预测模型，同 时设计多个预测控制器与之对应。可以有效解决因模型失配而造成的控制性能下降的问 题。 ( 5 ) 其他先进控制算法 近年来，神经控制以其独特的优点受到控制界的关注。用神经元网络设计的控制系 统，具有良好的自适应性和控制性能，对于像间歇聚合反应器这样的非线性和不确定系 统，也取得了满意的仿真控制效果1 9 4 ”。 1 3 2 发展趋势 随着聚合工业的发展，要求对聚合过程控制的品质提出更高的要求。由于聚合反应 过程往往表现为强耦合性、不确定性、强非线性等特征，使得聚合反应过程控制问题采 用传统的控制策略无法达到满意的控制效果，便逐渐出现了这样的发展趋势【”1 ： 1 ) 各种控制方法的结合已成为当前聚合反应工程领域研究的热点。为了更有效地设计 和控制聚合反应过程，以生产出特定结构性能的产品，控制策略已经涉及计算机网络、 管理信息系统与经济品质控制等。 2 ) 基于现场总线的新型过程控制系统，现场总线控制系统( f c s ) j e 处在发展阶段中，预计 因其优越性最终将取代目前仍广泛使用的集散型控制系统。 3 ) 将控制、优化、调度、管理等集于一体的新的控制模式并将信号处理技术、数据库 技术、通信技术以及计算机网络技术进行结合而发展起来的高级自动化系统( 即综合自 动化系统) 将具有更重要的意义，这种被称为计算机集成过程系统( o p s ) 全新的综合自动 化系统可以认为是聚合过程控制未来发展的方向。 1 4 本课题的研究内容 基于高速工业以太网的现场总线控制系统是当前工控领域的研究热点和发展趋势， 在高校构建一个先进、实用的集仿真与控制的先进控制技术实验研究平台是适应飞速发 展的工控业的迫切需要1 1 3 1 。本文通过对集散控制系统、现场总线控制系统以及基于工业 以太网的控制系统的研究，针对辽宁省工业装备先进控制系统重点实验室i 日j 歇反应釜对 象的工艺特点，设计了一套由工控机、p l c 、工业控制网络等硬件构成的间歇反应过程 先进控制系统；开发了集先进控制理论仿真研究与实际应用相结合的集成管理和实验研 大连理工大学硕七学位论文 究平台，可以实现仿真，控制，算法验证，数据库管理，远程监控等功能，并且将反应 釜装置与实验室中分散的采用传统模拟控制的四套综合自动化实验装置构成一个分布 式控制系统，实现了对分散的被控对象、测控装置等物理设备的统一监控管理，满足了 控制实时性的要求。 由于问歇反应釜具有时变性、不确定性、非线性、反应机理复杂等特点，常规p 1 d 控制很难满足温度轨迹跟踪的控制要求，本文针对其工艺特点，建立了先进控制系统， 采用鲁棒性强、易于工程实施的动态矩阵控制策略，在上位机组态软件r s v i e w 3 2 中嵌 入非自衡系统的d m c 算法，并与下位机s 7 3 0 0 p l c 结合，取得了良好的温度控制精度。 同时利用r s v i e w 3 2 丰富的图形功能，以及强大的内置编程语言，构建了一套虚拟环境， 实现了非自衡系统的预测控制在r s v i e w 3 2 平台上的仿真应用，为测控系统与仿真系统 的集成研究找到了一个新的方法。 本文的余下章节安排如下： 第二章间歇反应釜工艺流程简介及控制系统方案选择，介绍了间歇反应釜的工艺 流程，综合比较各个控制系统的优缺点，针对实验室间歇式反应釜试验装置的特点，并 兼顾经济和效率等问题，选用软件丰富，开发手段齐全的工业控制机作为上位控制层， 而由p l c 作为基本控制层，组成经济适用型集散控制系统，构成上下两级控制。 第三章动态矩阵控制的基本原理，介绍了常规动态矩阵控制以及应用于非自衡系 统的动态矩阵控制算法原理，给出了常规动态矩阵控制在综合自动化装置水槽液位控制 系统中的实际应用以及结果分析，为下一步研究打下了良好的基础。 第四章问歇反应釜控制系统集成与工程实现，本章主要介绍了间歇反应釜控制系 统硬件配置结构，下位机s 7 3 0 0 p l c 软件功能结构、设计思想及应用程序开发，上位机 监控平台r s v i e w 3 2 各部分功能结构及具体实现，以及远程客户端配置。 第五章先进控制在r s v i e w 3 2 平台上的扩展及应用，介绍了如何在上位机组态软 件中嵌入先进控制及应用程序开发，以间歇反应釜温度控制为例，设计了基于r s v i e w 3 2 组态技术的仿真可视化实现研究方案，利用r s v i e w 3 2 后台开发环境v b a 开发了针对 间歇反应釜实验装置的非自衡d m c 先进控制软件包，给出了d m c 在间歇反应釜温度 控制中的实际应用。 第六章结论与展望，总结论文所解决的问题，并对下一步研究提出建议。 间歇反应釜先进控制系统的设计与实现 2 间歇反应釜工艺流程及控制系统方案选择 2 1 间歇反应釜工艺流程简介 间歇式聚合反应一般是一个间歇操作的放热反应。为使反应均匀，及时传递热量， 聚合釜内装有搅拌装置。热量由装在反应器内的蛇管、釜外的夹套等形式的换热装置提 供或移去。 一般工艺过程描述如下：反应物经计量后一批或几批投入反应釜，并将活化剂、催化 剂按一定比例和顺序加入反应釜。物料加完后，开始给反应器夹套中热油升温，当升温 到一定值时，放热反应开始。由于反应放出的热量会加剧反应的进行，所以应及时关闭加 热系统，打开循环冷却水，使釜内温度恒定在某一值上。随着反应时间的延长，反应物 料逐渐减少，聚合产品的浓度增加。 f i g 2 1 间歇反应釜工艺流程图 f i g 2 1f l o w c h a r to fb a t c hr e a c t o rs y s t e m 间歇反应器中物料一般都处于与外界只有热量交换而无物料交换的封闭状态。由于 问歇反应十分复杂，难以在线测量反应物组分，因此，问歇聚合反应器的控制基本上是 一个温度控制问题。间歇反应过程因具有加热、反应和冷却等多个操作阶段，因此，其 温度控制性能也和反应器的加热冷却系统结构有很大关系。实际应用中有各种不同类型 大连理r 大学硕十学位论文 的加热冷却系统。一种是两者择一的加热冷却系统结构( 9 0 以上工业应用采用这种 结构) ，即夹套中要么是冷却剂( 冷水、液氨) ，要么是加热剂( 热水、蒸汽) ，需要 加热时，通入加热剂，反之加入冷却剂；我校工业装备先进控制系统实验室的间歇反应 器采用不同的冷却，加热系统，外围夹套中存有导热油，通过电加热反应器夹套中的导热 油来给反应器加热；1 2 支加热棒均匀分布在油浴内，反应器内部盘有蛇形管，冷却水在 反应器内部蛇形管中循环，通过调节冷却水流量控制反应器内温度使之能够精确地跟踪 工艺设定曲线。其工艺流程如图2 1 所示。 2 2 工业过程常见控制系统与装置 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 s c 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 m ) 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。 1 ) 集散控制系统( d c s ) 1 1 4 1 计算机集散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 i s t r i b u t e dc o n t r o ls 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 来的一种控制形式，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、操作和管理的一种新型 控制概念及技术。 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， 间歇反应釜先进控制系统的设计与实现 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 概括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 ) 可编程序控制器( p l c ) 1 1 5 j 可编程序控制器是一种专门为在工业现场环境下而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一体，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 、通信接口、外设接1 3 、 i o 接口等，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。 3 ) 现场总线控制系统( f c s ) 1 6 i 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 i 巧) 。根据i e c 和美国仪表协会i s a 定义， 8 大连理 大学硕士学位论文 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口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 ( = 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，h 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 3 控制系统结构 通过以上几种控制系统的比较，我们可知道现场总线控制系统的性能最高，但是现 场总线控制系统对现场自动化设备的要求较高，而在现阶段由系列智能结点( 控制器、 传感器、执行机构等) 等构成的统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现。而新型d c s 集散控制系统虽具有高度的可靠性、灵活的可维护性和方便的可使用性。它一般可支持 用户应用程序开发，可用于数据采集、连续过程控制和间歇过程控制，可作为先进控制 应用平台。但这类配置投资相对较大，一般仅用于大、中型间歇过程，或者是间歇反应 装置与其他生产装置构成联合控制系统。单纯使用p l c ，不能发挥现代先进控制技术的 间歇反应釜先进控制系统的设计与实现 功能。为此，选用软件丰富，开发手段齐全的工业控制机作为上位控制层，而由p l c 作为基本控制层，组成经济适用型集散控制系统，构成上下两级控制，是一种可行的方 案。基本控制层以可编程控制器为核心，形成安全、可靠、先进的连续j i 顷序程序控制系 统。它注重在上位控制层失效情况下能独立实现从反应升温到自动回收全过程程序控制 的工作特性。上位控制层通过下位控制层进行数据采集，除承担信息集成( 常规的 s c a d a 功能1 外，还要实现间歇反应过程的先进控制任务。基本控制层和上位控制层通 过通讯接口相连。这种系统配置模式由于采用了功能强大的通用性好的工业控制机及有 效的先进控制技术，再辅助以可靠性极高的基本控制层，因而在保证可靠性的基础上， 将可以较为彻底地解决基本控制层程序控制系统所存在的能力瓶颈问题。间歇过程一般 生产规模不大，自动化投资不能太高，因此这类配置比较实用，也灵活方便。 图2 1 控制系统结构图 f i g 2 1c o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r e 控制系统结构如图2 1 所示。为了满足实验室建设发展需要，将间歇反应釜与实验室 中分散的采用传统模拟控制的四套综合自动化实验装置构成一个分布式控制系统，构建 了一个先进、实用的控制理论实验研究集成管理平台。实现控制的分散，管理的统一。 在整个分布式控制系统中，现场控制级分为5 个区域，4 个综合自动化装置区域分别设 犬连理f 大学硕士学位论文 置4 个d u r 5 0 0 0 控制器，采用基于e p a 现场总线的分布式控制；间歇反应釜控制区域 下位机控制器采用s 7 3 0 0 p l c ，p i c 与上位机之间通讯采用工业以太网传输协议。 网络通讯结构： ( 1 ) 4 个综合自动化装置控制区域通过e p a 控制器d u t 5 0 0 0 连接到系统主干上。 ( 2 ) 对于综合自动化装置每个控制区域均可以看成是通过现场设备层网络连接起来而 形成的一个子控制系统。这些分布于不同控制区域的子系统之间、子系统与控制设备之 间的通信均通过控制区域内的现场控制器d u t s 0 0 0 进行信息的转发。 ( 3 ) 操作站、工程师站以及远程客户端通过以太网交换机连接到主干网上。 ( 4 ) 操作站和p l c 、d u t s 0 0 0 控制器的信息交换通过o p c 服务器进行。 2 4 本章小结 本章首先介绍了间歇反应釜的工艺流程以及工业过程常见控制系统，通过综合比较 各个控制系统的优缺点，并兼顾经济和效率等问题，我们确定选择了基于以太网的、由 p l c 、i p c 组成的分布式控制系统结构。所有的常规过程控制、故障处理、应急处理、 状态标识、实时运行数据采集、逻辑运算都在下位机上完成；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。上位机不仅是集成管 理平台，更重要的是实现先进控制，为新的理论和控制算法提供了一个实际验证的环境。 间歇反席釜先进控制系统的设计与实现 3 动态矩阵控制基本原理 3 1 常规动态矩阵控制基本原理 常规的动态矩阵控制( d m c ) 算法是一种基于对象阶跃响应的预测控制算法，它适 用于渐近稳定的线性对象。对于弱非线性对象，可在工作点处首先线性化；对于不稳定 对象，可以先用常规p i d 控制使其稳定，然后再用d m c 算、法l 协堋。从1 9 7 4 年起，动态矩 阵控制( d m c ) 就作为一种有约束的多变量优化控制算法应用在美国壳牌石油公司的生 产装置上。1 9 7 9 年，卡特勒等在美国化工年会上首次介绍这一算法。多年来，它已在石 油、化工等部门的过程控制中获得了成功的应用。本文采用的先进控制算法主要是d m c 算法，以下重点介绍其算法和其实际的应用。 3 1 1 预测模型 在d m c 中，首先需要测定对象单位阶跃响应的采样值a t a ( i t ) ，i 一1 ，2 ，。其中，r 为采样周期。对于渐近稳定的对象，阶跃响应在某一时刻t 。一册1 后将趋于稳定，以致 a l o ) ) 与a ，的误差和量化误差及测量误差有相同的数量级，因而可认为a 。已近似等 于阶跃响应的稳态值a 。一口( m ) 。这样，对象的动态信息就可以近似用有限集合 扣。，口：，a ，) 加以描述。这个集合的参数构成了d m c 的模型参数，向量a | 【4 l 一，n 。】7 称为模型向量，则称为建模时域。 虽然阶跃响应是一种非参数模型，但由于线性系统具有比例和叠加性质，故利用这 组模型参数 口。) ，已足以预测对象在未来的输出值。在k 时刻，假定控制作用保持不变 时对未来个时刻的输出有初始预测值“ ) ，( 例如在稳态起动时便可取 甄 + i k ) 一y ( k ) ) ，则当k 时刻控制有一增量缸( 七) 时，即可算出在其作用下未来时 刻的输出值： 甄 + i k ) 一死 + i k ) + 口，a “ ) ，f 一1 ，n( 3 1 ) 同样，在m 个连续的控制增量血 ) ，a u ( k + m 一1 ) 作用下未来各时刻的输出值 为 r a l n ( m a ) 豇 + f k ) 一甄 + f ，七) + 罗口一“x a u 0 + ，一1 ) ，i - 1 ，n ( 3 2 ) 大连理i ：大学硕士学位论文 其中，y 的下标表示控制量变化的次数，k + f k 表示在k 时刻对k + i 时刻的预测。 显然，在任一时刻七，只要知道了对象输出的初始预测值甄( 七+ i k ) ，就可根据未来的 控制增量由预测模型( 3 2 ) 计算未来的对象输出。在这里，式( 3 1 ) 只是预测模型( 3 2 ) 在m 一1 情况下的特例。 3 1 2 滚动优化 d m c 是一种以优化确定控制策略的算法。在每一时刻七，要确定从该时刻起的膨个 控制增量血 ) ，a u + m 一1 ) ，使被控对象在其作用下未来p 个时刻的输出预测值 死 + i k ) 尽可能接近给定的期望值w ( k + f ) ，i 一1 ，p 。这里，m 、p 分别称为控制时 域和优化时域，通常规定ms p 蔓n 。 在控制过程中，往往不希望控制增量缸变化过于剧烈，这一因素可在优化性能指 标中加入软约束予以考虑。因此，k 时刻的优化性能指标可取为 pm m i n j ( k ) 一艺g j 【啡+ f ) 一死 + f 七) 】2 + 善r , a u 2 忙+ ，一1 ) ( 3 3 ) 其中吼，r ，是权系数，它们分别表示对跟踪误差及控制量变化的抑制。 在不考虑约束时，上述问题就是以l l 。 ) - a n ( k ) a u ( k + 肘一1 ) 】7 为优化变量， 在动态模型( 3 2 ) 下使性能指标( 3 3 ) 最小的优化问题。为了求解这一优化问题，首 先可利用预测模型( 3 2 ) 导出性能指标中罗与缸的关系，这一关系可用向量形式写为： ) 一诈。 ) + a a u 。他) ( 3 4 ) 站 + l k ) 1 其中 ) 一l ； l 【豇 + p k ) j f y 。o + 1 七) 1 ，豇。 ) 一i ； i ，肚 【y o ( k + p k ) j 这里，a 是由阶跃响应系数口。组成的p m 阵，称为动态矩阵。式中向量罗的前一 个下标表示所预测的未来输出的个数，后一个下标则为控制量变化的次数。 同样，性能指标( 3 3 ) 也可写成向量形式： m i n ， ) 一1 1 w ，( k 一歹o ) 屺+ 0 “。 ) 眩 ( 3 5 ) 其中 吒 m 4 m ；啊；卯 间歇反府釜先进控制系统的设计与实现 w p ( 七) 一【w ( k + 1 ) w ( k + p ) r q d i a g 国。q p ) r d i a g “) 由权系数构成的对角阵q 、r 分别称为误差权矩阵和控制权矩阵。以式( 3 4 ) 代入 式( 3 5 ) ，可得： m i n ， ) = i 【w ，( k ) - y ，。 ) 一彳“。似) 唁+ i t s , 。 ) 眨 ( 3 6 ) 在七时刻，坼 ) ， ) 均为已知，使j ( k ) 取极小的血。 ) 可通过极值必要条件 d j ( k ) d 血。 ) 一0 求得： a u m ( t ) 一7 q ，4 + r ) 一1 a 7 q w ，( 七) 一豇。( j | ) 】 ( 3 7 ) 它给出了a u ( k ) ，缸( t + 肘一1 ) 的最优值。但d m c 并不把它们都当作应实现的解， 而只是取其中的即时控制增量a u ( k ) 构成实际控制 ) - u ( k - 1 ) + a u ( k )