基于DCS单容水箱DMC控制器的设计与实现

李瑞红，周田宰，沈建森

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

基于DCS单容水箱DMC控制器的设计与实现

李瑞红，周田宰，沈建森

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

以浙江中控技术有限公司JX-300XP DCS和CS4000型实验装置为开发平台，针对液位控制对象存在大滞后和大惯性，以及传统PID控制效果不理想的现象，引入DMC先进控制器，设计具体实施方案，对基于DCS的平台开发先进控制算法有指导意义。

DCS；DMC；单容水箱；液位控制

0 引言

集散控制系统（DCS）在机械、电力、石油、化工等领域应用越来越广泛，它是随着大型生产系统自动化水平的不断进步和过程监控要求的日益复杂而产生的综合控制系统。以PC机为基础的集散控制系统，配以成熟的工控组态软件，是目前工业过程控制的主流系统。

水箱液位对象是具有大惯性、大滞后动态特性的系统，在工业生产过程中，广泛存在于石油化工过程中的蒸馏塔、化学反应器、液体传输设备及热工过程中的锅炉、热交换器等对象中［1］。液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产影响不容忽视。对于液位控制系统，常规PID控制虽采用固定参数，却难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，难以得到理想效果。

DMC（动态矩阵控制）采用被控对象的单位阶跃响应序列作为预测和控制的模型，能在一定程度上克服系统的不确定性，具有较强的鲁棒性［2］。因此，针对CS4000装置的单容水箱实验对象，引入DMC先进控制技术，组成一个集散控制系统，并给出具体的可行性实施方案。

1 单容水箱系统

CS4000型过程控制实验装置是浙江中控技术有限公司生产的过程控制对象系统，以JX-300XP为控制平台，可以模拟现场生产环境，便于自动化及相关专业研究人员将理论算法研究应用到现场生产，提高工业自动化水平，推动生产力发展［3］。

水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程相互结合的理想平台，可以方便地构成一阶系统对象和二阶系统对象以及多阶系统对象［4］。选取CS4000型过程控制实验装置的上水箱作为单容水箱的控制对象，系统结构如图1所示。

它由水箱，液位传感器，出水阀门，入水阀门以及作为控制器的单片机组成。被控对象是装有入水阀门和出水阀门的单个水箱，被控量是液位，单容水箱液位控制系统能够模拟实际生产中的罐状容器，完成一个典型的液位控制。

图1 单容水箱系统结构图

根据水箱物料平衡原理，上水箱的数学模型属于滞后的惯性环节［5］。

式中K——水箱放大系数

T——水箱时间常数

t——滞后时间

2 DMC 动态矩阵控制

DMC动态矩阵控制是一种用被控对象的阶跃响应特性来描述系统动态模型的预测控制算法。通过反馈校正和滚动优化当前和未来时刻的控制量，使得输出响应符合预先设定的轨迹。图2是预测控制的原理结构图［6］。

从图2中可以看到，DMC控制作为一种预测控制算法，其主要特点主要有建立预测模型、采用滚动优化策略以及模型误差反馈矫正。

（1）预测模型。预测模型的功能是根据对象历史信息和未来输入对对象输出进行预测，它是被控对象的准确模型。预测模型可以是状态方程、传递函数等传统的参数模型。它可以利用预测模型来预测未来时刻被控对象的输出变化及被控变量与其给定值的偏差，作为控制作用的依据，使之适应动态系统所具有的因果性的特点，得到比常规控制更好的控制效果。

图2 预测控制原理结构图

（2）滚动优化。预测控制是一种优化控制算法，它是通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用。滚动优化始终建立在实际过程的基础上，使控制结果达到实际意义上的最优控制，能够有效地克服工业过程控制中的模型不精确、非线性、时变等不确定性的影响。

（3）反馈校正。预测控制是一种闭环控制算法，预测算法在进行滚动优化时，优化的基点应与系统实际一致。由于实际系统中存在的非线性、模型失配、干扰等因素，基于不变模型的预测不可能和实际情况完全相符，这就需要用附加的预测手段补充模型预测的不足，或者对基础模型进行在线修正。滚动优化只有建立在反馈校正的基础上，才能体现出其优越性。

3 系统实现

文中以CS4000装置的单容水箱为实验对象，基于JX-300XP DCS控制平台，可以利用其系统自带的图形组态软件对水箱液位控制系统进行组态编程设计。

SUPCON JX-300XP DCS由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成，应用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理，从而实现对现场装置的分散控制、集中监控的自动化控制。集散控制系统的重要组成部分是组态软件。它能够使用户根据自己的控制对象和控制目的任意组态，实现与控制设备之间进行数据交换，将来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。

首先应用DMC构成先进控制器，其中主要包括采用高鲁棒性先进控制策略的液位及流量变化率控制器。利用DCS中OPC模块实现DMC控制器和DCS之间的数据交换，先进控制器从DCS中接收过程参数，经过运算，得到控制数据，送给DCS，由DCS实现对过程的控制。DMC控制器与DCS的连接方案如图3所示。

运用SCKey组态软件对液位设定值（sv），控制系统中右上水箱液位测量值（rupwater1），及调节阀开度（mv）等模拟量进行I/0组态，同时对系统控制程序中用到的部分中间变量进行自定义变量组态；运用AdvanTrol-PIMS软件提供SCControl（图形化组态）软件进行控制站编程（图4），组成各种控制回路，并进行参数设定，然后将组态信息保存到组态文件中；最后在通过编译下载到DCS的底层控控制器中，实现DMC算法对液位系统的控制。

图3 DMC控制器与DCS连接方案

图4 DCS图形化编程组态图

4 结束语

单容水箱液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对自动控制系统的研究和设计具有显著的理论和实际意义。由于水位系统具有大惯性、纯滞后等特性，在实际生产中容易产生余差较大或调节阀振荡等现象，对生产的正常进行和调节阀的使用寿命都十分不利。以单容水箱液位为控制对象，在DCS平台上引入DMC先进控制算法，可以取得更好的控制效果。这对于基于DCS平台进行先进算法的开发，在实际工业过程控制的应用具有重要意义。

［1］苏洁，任佳，等.基于DCS平台的水箱液位控制系统的模糊控制算法［J］.浙江理工大学学报，2009，4（26）：533-546.

［2］龙冯文，张春峰，毕效辉.DMC-PID算法在大时延系统中的应用［J］.电气传动，2008，12（38）:50-51.

［3］冯向丽.液位集散控制系统的设计与实现[D].南京理工大学，2008:8-9.

［4］陈学锋，李飞亮.单容水箱液位控制系统的研究和设计［J］.甘肃联合大学学报（自然科学版），2010，3（24）:1-2.

［5］蒋兴加，姚彩虹，穆向阳.智能控制在液位监控系统中的应用［J］.自动化应用，2015，（1）:46-47.

［6］张晶.动态矩阵控制算法研究及其应用［D］.青岛科技大学，2009:3-5.

〔编辑 凌瑞〕

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B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.46