基于RBF神经网络模型动态矩阵预测控制的小麦着水系统设计和应用

王 凯

（山东省淄博市发展改革委员会综合执法支队，山东 淄博 255000）

0 前言

在面粉生产中，工艺主要包括小麦初清、小麦清理、小麦制粉、配粉等阶段，每个阶段前后相连、相互联系，但自身却又是各自独立的系统[1]。其中，小麦清理工段中的着水工艺是用水对清理后的小麦进行湿润，根据小麦种类不同，使小麦湿度达到控制值，现代制粉工艺要求湿麦的湿度应控制在15%到17%之间，湿麦的湿度值对面粉的质量以及出粉率有直接且至关重要的影响，水分过低或过高，直接影响面粉质量。

国内常用的着水系统包括水龙头着水系统、水杯着水系统、喷雾着水系统、着水混合系统和强力着水系统等[2]，普遍存在以下缺点：1）对于不同种类的面粉，湿麦的湿度设定值有所不同，但是这几种着水系统不能根据原料及时调节着水量。2）着水精度差和稳定性不高。国外先进着水系统，如英国西蒙公司制造的Kay-Ray 7519J型和瑞士布勒公司制造的MYFA/MOZD型，两种控制系统的算法都是常规PID算法，标志着面粉工业由传统手工业向现代自动化工业的成功转型，但是常规PID控制方法对小麦着水系统的控制效果与工艺要求还有一定距离。主要原因为小麦着水系统由多个部分组成，并且许多因素对湿度都有影响，小麦着水系统属于时滞性、非线性的复杂控制系统。针对系统特性，把电动调节阀和着水绞笼作为小麦着水系统的广义非线性被控对象，采用基于RBF神经网络模型DMC预测控制算法实现智能控制，控制器选用西门子S7-300 PLC，并在上位机监控中采用WINCC组态人机画面，用以实现现场监控和数据管理。

1 被控对象模型分析

1.1 着水绞笼模型分析

着水绞笼是主要润麦设备，是一个由入口、出口、电机以及小麦推进装置（推动轴与叶片）组成的封闭倾斜的罐状体，在电机的带动下，推进装置让小麦与水均匀混合，并把小麦从入口推向出口。为了让小麦与水混合均匀，使着水绞笼的轴线与水平线之间呈α夹角，这样就在入口处造成一个容积环节。用界面EF把着水绞笼内部分成A和B两个区域，把A区域看作容积环节，B区域可以看作惯性延时环节。在建立湿麦湿度与水流量的动态模型过程中，同时考虑其他变量对干麦湿度的影响和进口的小麦流量不等于从A区域流到B区域的小麦的流量。

1.2 电动调节阀模型分析

一般小麦着水系统中采用的是气动执行机构，气动执行机构具有精度低、稳定性差、 结构复杂、维护不方便的缺点，因此采用具有直线型流量特性的电动调节阀，并且不忽略电动执行机构的不灵敏区，所以此时电动调节阀为非线性被控对象。

2 基于RBF神经网络模型DMC的小麦着水系统结构设计和系统仿真

2.1 基于RBF神经网络模型DMC的小麦着水系统结构

图1为基于RBF神经网络预测模型DMC（RBF NN DMC）的小麦着水系统结构，首先利用神经网络对着水绞笼和电动调节阀进行模型辨识，然后RBF神经网络模型根据各处采集来的数据预测此时刻的湿麦湿度值，再采用DMC优化控制器计算出调节阀的最优控制信号，来控制调节阀的开度。基于神经网络预测模型DMC的小麦着水系统控制原理图，如图2所示[3-4]。

图1 基于神经网络模型DMC的小麦着水系统控制结构图

图2 基于神经网络模型DMC算法的小麦着水系统控制原理框图

r为湿麦湿度设定值，yr(k+i)是设定值经柔化后的小麦湿度参考轨迹值，yPC(k+i)是反馈校正值，u(k)是阀门的控制信号，T为温度值，W为毛麦的含水量值，G为小麦单位体积重量，L1是着水绞笼入口处的小麦流量，L2是着水绞笼出口处的小麦流量。

2.2 不同控制算法的小麦着水系统仿真比较分析

为了验证基于RBF NN DMC控制的小麦着水系统优越性，利用MATLAB将其分别和基于常规DMC、自适应模糊PID控制的小麦着水系统进行仿真比较。

2.2.1 基于常规DMC和RBF NN DMC控制的小麦着水系统仿真比较

在数据源等参数设置相同条件下，将基于常规DMC和RBF NN DMC控制的小麦着水系统仿真比较，不论是动态特性还是稳态性能，基于常规DMC算法的小麦着水系统仿真结果都低于后者[5]。其动态性能的各个指标为：峰值时间tp=108 s，上升时间tr=50.4 s，调节时间ts=283 s，超调量σ%=25.3%。

在干扰条件下的基于常规DMC和RBF NN DMC小麦着水系统仿真比较[5]，分别加入变化范围相同的随机干扰来模拟实际生产中的外界干扰，基于RBF NN DMC的小麦着水系统的稳态误差远远小于基于常规DMC的小麦着水系统的稳态误差，前者的抗扰动能力大于后者。

2.2.2 基于自适应模糊PID和RBF NN DMC控制的小麦着水系统仿真比较

将基于自适应模糊PID控制的小麦着水系统进行仿真[6-7]，并与基于RBF神经网络模型DMC的小麦着水系统仿真进行比较，其动态性能的各个指标为：峰值时间tp=118 s，上升时间tr=58.4 s，调节时间ts=431 s，超调量σ%=34.1%。

在干扰条件下的仿真比较，分别加入与前节仿真比较时变化范围相同的随机干扰来模拟实际生产中的外界干扰，基于RBF NN DMC的小麦着水系统的稳态误差远远小于基于自适应模糊PID的小麦着水系统的稳态误差，同时前者的抗扰动能力大于后者。

3 小麦着水控制系统的实现

基于RBF NN DMC控制的小麦着水系统在山东省某面粉厂实现应用，现场总线控制系统的总体结构框架图，如图3所示。在通信方面，本系统包括DDE通信、工业以太网通信以及PROFIBUS-DP网络通信。

图3 小麦着水系统硬件实现总图

3.1 PLC选型

虽然小麦着水系统中的输入输出点数不多，但是考虑到其他部分工艺控制的要求和日后控制系统的改进，在此选用西门子S7-300系列PLC，包括S7-300导轨3块、PS 307 5A模块3块、CPU 315-2DP模块1块、CP343-1 Lean模块1块、IM 360 IM S模块1块、IM 361 IM R模块2块、AI 8×12Bit模块1块、AO 8×12Bit模块2块、DI 32×24V模块8块、DO 32×24V/0.5A模块9块。利用西门子S7-300系列PLC的编程软件Simatic Step7中进行硬件组态与编程，整个面粉厂PLC硬件组态共有三个机架，一个中央机架和两个扩展机架。PLC只负责采集数据以及对电动调节阀的控制，程序主要是关于对各个模拟量的采集和对电动调节阀的控制。

3.2 PLC与触摸屏的通信

触摸屏的组态软件WinCC Flexible，它与WINCC类似，都是面向用户的组态软件，只不过WinCC Flexible是基于触摸屏的。在进行PLC与WinCC Flexible组态设置时，需要确定PLC与WinCC Flexible的通信方式，S7-300 PLC与WinCC Flexible有多种通信方式：点对点接口协议（Point to Point Interface，PPI）、多点接口协议（Multi Point Interface，MPI）、PROFIBUS DP、工业以太网（Industrial Ethernet）。S7 300-PLC与WinCC Flexible间的组态连接步骤如下所示[8]：

1）确定WinCC Flexible与PLC的通信方式，在此选择PROFIBUS DP通信。

2）因为STEP7中集成了WinCC Flexible，所以在STEP7中完成PLC硬件组态，插入SIMATIC HMI Station 站点，进行人机画面组态。

3）人机画面组态首先建立了一个新的连接，因为PLC选用的是S7-300，所以通信驱动选择SIMATIC S7-300/400，还要设置连接参数，如触摸屏的连接参数、HMI设备的参数、网络参数、PLC设备的参数。

4）建立周期和变量，根据PLC中变量与其采集周期，在WinCC Flexible中新建变量，为它们选择合适的周期。

5）组态人机画面，在此组态的小麦着水子系统人机画面有总画面，总画面中组态了与各个子画面连接的按钮，包括小麦流量显示画面按钮、干麦水分画面按钮、干麦容重显示画面按钮、干麦温度显示画面按钮、干麦湿度显示画面按钮、湿麦湿度显示画面按钮。当点击按钮时，触摸屏会弹出相应的子画面，例如点击小麦流量显示画面按钮时，会弹出小麦流量显示画面。小麦流量的显示方式有两种：一种是通过输出文本框显示即时小麦流量大小；另一种是以曲线形式记录历史数据。

6）为触摸屏下载程序，首先要选择PC与触摸屏的连接方式，当连接成功时，在WinCC Flexible中选择“项目”菜单下的“传送”子菜单，单击“传输”选项就可以把程序下载到触摸屏中。

3.3 上位机WINCC监控以及WINCC与MATLAB的通信

上位机选用研华的IPC-610工控机，另外为了实现与西门子S7-300 PLC的工业以太网通信，必须使用带有PN接口的PLC或者配备专门的以太网模块。在此，本项目选用用于以太网通信的CP模块CP343-Lean。在上位机中安装由德国西门子和美国微软共同研发的人机组态软件WINCC （Windows Control Center），它为用户提供了丰富的先进功能。

3.3.1 WINCC人机画面的组态

WINCC与PLC通信步骤如下：

1）在进行WINCC及画面组态前，应该理清PLC中的输入输出变量，以及在人机画面组态中需要用到的外部变量、内部变量、系统变量。外部变量包括电机1的远程启动信号Start_Motor1（二进制变量）、电机2的远程启动信号Start_Motor2（二进制变量）、电机3的远程启动信号Start_Motor3（二进制变量）、阀门开度信号S_ValveContol（无符号16位数）、入口处小麦流量WheatFlow_1（无符号16位数）、出口处小麦流量WheatFlow_2（无符号16位数）、小麦温度Wheat_Temperature（无符号16位数）、小麦含水量Wheat_Moisture（无符号16位数）、小麦容重Wheat_VW（无符号16位数）、干麦湿度值Wheat_Humidity1（无符号16位数）、湿麦湿度值Wheat_Humidity2（无符号16位数）、湿度设定值Humidity_Set（无符号16位数）、水流量值Water_Flow（无符号16位数）、阀门状态信号State_Valve（二进制变量）、电机1状态信号State_Motor1（二进制变量）、电机2状态信号State_Motor2（二进制变量）、电机3状态信号State_Motor3（二进制变量）。

2）根据PLC与上位机已确定的通信方式在变量管理中新建驱动程序，在此PLC与上位机采用的是工业以太网通信方式，所以选择SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE下的TCP/IP，在TCP/IP新建连接并设置参数。

3）在新建连接中依照上述内容建立外部变量，并分配地址。

4）按照生产厂家要求组态人机画面，包括总画面、流量显示画面（包括小麦进出口流量和水量）、湿麦湿度值检测画面、干麦含水分值显示画面、干麦容重显示画面、干麦温度显示画面、数据管理画面。

3.3.2 WINCC与MATLAB的通信

采用MATLAB软件来实现复杂控制算法。采用WINCC与MATLAB在同一台计算机上运行的方案；考虑到数据的双向传递，WINCC和MATLAB同时与服务器应用程序和客户机应用程序通信。而两者之间的通信，可以靠动态数据交换（Dynamic Data Exchange，DDE）网络通信实现。选择热连接方式DDE数据交换的方法[9]，当服务器发生变化时，数据由服务器直接发给客户。WINCC把由PLC传上来的、规定好的变量的采样值传送到MATLAB中的各个输入端中，经过RBF NN DMC智能算法的处理，MATLAB再把规定输出的变量传送给WINCC，框架图如图4所示。

图4 MATLAB作为控制软件的系统框架图

在WINCC和MATLAB的网络通信设置中，首先需要启动WINCC的DDE服务器，在DDE服务器的对话框中的变量表选择需要共享的变量，打开控制面板“服务”中的NetDDE服务，在开始菜单中的运行中输入“DDEShare.exe”，然后打开DDE共享窗口，选择进入“DDE共享”子窗口为WINCC添加DDE共享，最后把它设置为“信任共享”，完成WINCC的DDE网络服务器的设置。当MATLAB作为客户端应用程序时，MATLAB为与服务器进行DDE通信提供了DDE客户函数，通过设置DDE的INIT、ADV、REQ、POKE、TERM等函数，完成客户端MATLAB应用程序的DDE设置[10]。

在MATLAB控制平台中，用simulink实现RBF NN DMC智能控制算法，参考轨迹、DMC控制器、广义被控对象、RBF神经网络模型、反馈校正环节可以利用在S-Function模块中用m文件编写的S-函数的形式实现。在参考轨迹模块中建立reference trajectory函数，在DMC模块中建立DMC函数，在RBF神经网络模型模块中建立Controller Plant RBFNN函数，在反馈校正中建立Feedback Compensation函数。

3.3.3 小麦着水系统的远程监控

WINCC WEB Navigator Server组态的系统结构选用WINCC WEB Navigator Client和WINCC WEB Navigator Server分离[11]。要实现远程监控，需组态WINCC WEB Navigator Server，发布希望在WINCC WEB Navigator Client上运行显示的人机画面，如小麦流量画面等。设置组态用户管理，用户管理中设定操作权限，可为管理用户和操作用户，管理用户只能对小麦现场生产状态进行监控，而操作用户具有操作权限。组态Internet Explorer Setting，在每一台面粉厂的客户机上安装WINCC WEB Navigator Client组件，创建新的过程画面，就可以实现WINCC WEB Navigator的远程监控系统，方便面粉厂工作人员对生产数据、运行状态的远程查询和监控。

4 总结

基于RBF NN DMC控制的小麦着水系统在面粉厂中的成功应用，实现了用RBF神经网络对控制对象电动调节阀和着水绞笼的精准模型辨识和DMC对小麦着水系统的预测控制，解决了因控制对象具有时滞特性、非线性导致控制系统不稳定、精度不高等难题，同时，还利用PLC、WICC实现了对系统的数据采集和远程控制。通过使用RBF NN DMC控制的小麦着水系统，面粉厂润麦湿度值的精准度、面粉生产合格率进一步提高，并且用水量大幅下降，同时起到节约水资源的作用。