无模型自适应算法在连续反应釜控制系统中的应用①

张明财 高丙朋 冯琳欢

(新疆大学电气工程学院)

无模型自适应算法在连续反应釜控制系统中的应用①

张明财 高丙朋 冯琳欢

(新疆大学电气工程学院)

基于PCS7设计连续反应釜温度自控系统，给出了硬件组态、无模型自适应控制算法组态和监控画面组态。实验结果表明：该系统能够模拟实际工业现场，无模型自适应控制器具有较好的抗干扰和实用性。

温度自控系统 无模型自适应控制 连续反应釜 PCS7 SMPT-1000

连续反应釜广泛应用于化工、炼油、冶金及轻工等过程工业[1，2]。反应过程受不同的反应物质、压力、温度及催化剂等因素影响较大，并且系统本身具有较大的滞后性、非线性等特性。研究反应釜传递过程对化学反应的影响，以及反应器动态特性和反应器参数敏感性，以对它实现良好的控制显得尤为重要[3，4]。笔者基于PCS7软件和SMPT-1000实验平台，以某化学反应工艺过程为研究对象，设计无模型自适应控制器，基于PCS7进行硬件组态、控制算法组态和监控画面组态，实现反应釜的温度控制。

1 连续反应釜实验平台

1.1 工艺流程简介

原料A、B在催化剂C的作用下，反应生成主产物D(产品)和副产物E(杂质)。主、副反应均为强放热反应且不可逆，其工艺流程如图1所示。

图1 某化学反应工艺流程

1.2 PCS7系统结构设计

如图2所示，PCS7系统由操作员站OS、工程师站ES和冗余AS控制站组成，由Profibus-DP连接检测现场工艺控制变量信息，其中AS控制处理单元主Profibus-DP均采用冗余配置。在整个系统的控制中设有手动操作台仪表显示与控制，采集现场传感器信号采用隔离器进行信号的隔离和分配。系统控制对象是SMPT-1000反应器，PCS7系统由工业以太网和过程现场总线Profibus-DP网络组成[5]。

图2 SMPT-1000反应器的PCS7控制系统

2 无模型自适应控制器设计

一般离散时间非线性系统可表示为[6，7]：

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

(1)

假设1f(·)关于第(ny+2)个变量和(ny+L+1)个变量分别存在连续偏导数。

假设2系统(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意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是一个常数。

引理1对于满足假设1和假设2的非线性系统(1)，且有‖ΔUL(k)‖≠0时，偏格式动态线性化(PFDL)的数学模型为：

Δy(k+1)=Φp,LT(k)ΔUL(k)

(2)

考虑如下控制输入准则函数：

(3)

其中λ是权重因子。将式(2)代入准则函数(3)，对u(k)求导，并令它等于零，得出控制算法：

(4)

其中，步长因子ρ1∈(0,1]的引入是为了使控制算法设计具有更大的灵活性。为此，提出PG估计准则函数：

(5)

根据最优条件，对式(5)关于Φp,L(k)求极值，并利用矩阵求逆引理，得到PG的估计算法为：

(6)

3 控制系统

本实验基于PCS7[8]对SMPT-1000进行数据采集和系统控制，实现上位机与下位机的配合，上位机通过WinCC6.0组态，实现对工艺状态的监控；下位机通过S7-400的硬件组态与软件编程，实现对数据采集[9，10]。

3.1 硬件组态

首先在SIMATIC400的Hardware中选择框架RACK-400，货架号UR2ALU-H，CPU选择CPU414-5H PN/DP模块，在X2端口处接一条Profibus-DP总线，在总线上挂件：在Profibus-DP中Additional Field Devices的下级文件General的下级文件夹CONVERTER中的address为7，设置I/O口数量和标号所对应的控制参量。设置16bit数字量通道DI、DO和8bit模拟量通道AI、AO。在此步骤中可将各I/O口对应的控制参量命名到相应编号中，方便软件组态控制。

然后建立网络连接。先组态网卡，从硬件目录中选择SIMATIC PC Station的下级文件夹CP IndustrialEthernet，找到IE General，选择型号SW V7.1，在硬件结构窗口出现一台虚拟机架。同样，在硬件目录中选择SIMATIC HMI Station找到文件夹HMI，找到Win CC Appl.，这样完成了OS的基本配置、网络组态和网卡匹配。

3.2 控制算法组态

该工艺过程为强放热反应，当温度过高，反应速率加快，也会使反应器的温度升高。如果热量不能恒定控制，就可能会发生危险，所以就需要使用冷却水将容器中的反应温度进行调节，系统温度对冷却水的响应速度很慢，是一个延迟过程。由于温度的变化存在非线性和滞后性，所以对温度的控制是该系统关键的控制环节。

CFC是PCS7提供的连续功能图，实现逻辑、控制及算法编程等功能，是控制系统实施的核心部分。其中冷却水的串级CFC组态如图3所示。

图3 冷却水的串级CFC组态

3.3 SCL实现MFAC控制模块

用SCL语言编写MFAC算法，无模型算法流程图编程界面和完成后生成的MFAC算法控制模块如图4、5所示，它不需要额外接口，方便现场使用。

图4 无模型自适应算法流程

图5 MFAC算法控制模块

3.4 监控画面组态

WinCC组态软件设置在PCS7 OS，它能通过图形编辑器构建实际流程画面，并具有实时数据交互、显示等功能。OS站主要是面向现场操作人员的，通过WinCC组态，使得操作人员能够直观有效地管理整个过程，实现实时监控功能。

4 控制器效果测试

在连续反应控制系统中，实现目标产物的最大化，即提高目标转化率尤为重要。影响目标转化率的因素主要有反应物的配料比值、反应过程的时间、温度及压力等。在实际反应过程中，温度越高则反应的速度越快，目标产物的转化率也随之提高。但是如果反应温度过高，反应产生的热量会使反应釜内的压强增大，严重时会发生爆炸。所以为安全操作，控制系统压力要求不超过1.2MPa。为了验证无模型自适应控制器的控制效果，选择SMPT-1000仿真系统中的连续反应釜温度作为控制对象，由于连续反应釜温度受反应物流量、预热器温度及冷水阀等参数变化的影响，模型机理较复杂，因而对工业对象的复杂性仿真度较高。

实验将PID控制器和MFAC控制器分别应用到连续反应釜温度的控制系统设计中，观察其阶跃响应曲线和抗干扰性能。如图6、7所示，控制对象为一路冷却水，对它进行控制变量扰动，观察它恢复正常的过程曲线。其中阶跃响应指反应釜中从430℃升高到450℃的升温响应曲线。

图6 PID阶跃响应和抗干扰曲线

图7 MFAC阶跃响应和抗干扰曲线

可以看出，相同条件下通过参数整定，两种控制器均能实现较理想的控制效果。其中MFAC控制器对阶跃变化的响应更快、超调更小；而对同等干扰源的响应，自适应能力更强，能更快速地从扰动中恢复平稳状态。由此可见，MFAC控制器相对传统PID控制具有一定的优势。

5 结束语

在SMPT-1000实验平台模拟连续反应釜，基于PCS7设计其控制系统，采用PCS7 SCL功能设计反应釜温度无模型自适应控制器，并进行控制器效果测试。结果证实MFAC控制算法不同于传统控制算法，摆脱了对模型的依赖，控制结果良好。对于复杂工业过程控制技术的研究具有积极作用。

[1] 夏晨,李朴.反应釜设计及其温度控制系统[J].化工自动化及仪表,2004,31(1):66～69.

[2] 刘洪忠，姜兴亮，王跃.聚丙烯反应器中核料位计的标定[J].石油化工自动化,2017，53(1):79～82.

[3] 于海英,侯九阳,乔付.化学反应釜温度控制系统的研究[J].黑龙江科技大学学报,2002,12(4):25～28.

[4] 陈军,易丐,姚群勇,等.基于PCS7的搅拌反应釜连续反应控制系统设计[J].装备制造技术,2016,(11):13～17.

[5] 田素娟,梁文.新一代过程控制系统SIMATIC PCS7[J].绿色科技,2012,(4):275～276.

[6] 侯忠生.无模型自适应控制[M].北京:科学出版社,2013.

[7] 侯忠生.无模型自适应控制的现状与展望[J].控制理论与应用,2006,23(4):586～592.

[8] 范宇,顾幸生.基于PCS7的新戊二醇生产控制系统设计与应用[J].石油化工自动化,2016,52(1):42～45.

[9] 麦艳红.西门子PCS7在蒸发器控制系统的应用[J].科技通报,2013,29(4):41～43.

[10] 袁凯,姜建芳.基于PCS7的蒸发器控制系统设计[J].工业控制计算机,2014,(10):56～58.

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

张明财(1992-)，硕士研究生，从事智能控制的研究。

联系人高丙朋(1979-)，副教授，从事智能控制、系统开发及PLC应用的研究，1427914010@qq.com。

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2017-09-27)