1、基于FF現場總線的動態矩陣控制軟件隨著科學技術的不斷進步,工業控制系統正向著開放化、數字化、智能化、分布化和網絡化的方向發展?，F場總線控制系統FCS即順應了這一發展方向,正替代著傳統的DCS和PLC系統而成為主流的控制系統。國內外最近幾年在現場總線控制技術的研究方面較為活躍，我國在FF現場總線技術研究以及符合FF協議的現場設備產品開發方面己經取得了長足的進步。如中科院沈陽自動化研究所等已經開發出各種基金會現場總線產品，例如NCS-IF105現場總線變送器、NCS-FI105現場總線變送器、NCS-LD105現場總線網關等。然而中科院沈陽自動化研究所設計的這套基于FF現場總線的過程控制實驗系統所

2、采用的控制算法主要是常規PID控制。在平時的實驗中被控對象常常有純滯后的存在，這種情況下，控制產生的作用要滯后一段時間才能在輸出端反映出來，利用實際輸出作為反饋信息往往不能及時地改變控制作用。常規的PID控制算法是基于當前時刻的輸出偏差，對純滯后無能為力，導致控制效果較差甚至極差。DMC作為一種預測控制算法，本身已具備這一功能，可以直接用于時滯對象而無需附加其它的控制結構。因此在利用VB6.0設計實際的先進監控軟件系統時,利用OPC技術把動態矩陣控制算法與FF現場總線控制系統的集成,更大發揮它們各自的優勢,可以獲取令人滿意的結果。1. FF現場總線控制系統的過程控制實驗系統 本實驗系統包括兩個

3、部分:FF現場總線部分和現場控制模型部分。FF現場總線包括低速現場總線H1和高速現場總線HSE。低速現場總線H1=31. 25Kbps，可用于溫變、液位及流量等控制場合，信號類型為電壓信號；高速現場總線HSE=100Mbp，一般用于高級控制、遠程輸入/輸出和高速工廠自動化等場合，信號類型為電流和電壓信號。現場控制模型可以利用實驗室的原有設備，從而節約了投資。原有的模擬儀表可以通過電流信號到現場總線信號變送器轉接到現場總線。 圖 1 現場實驗裝置接線圖 圖中，LT表示液位變送器，Qi，Qo分別表示輸入流量和輸出流量，在該現場總線控制系統中，液位變送器LT將檢測到的液位高度轉化為0-10mA的電流

4、輸出，NCS-IF105現場總線變送器再將液位2的模擬量信號（0-10mA）轉換為符合FF現場總線協議的數字量信號，經過上位機中的動態矩陣預測控制算法的計算，得到數字控制信號，NCS-FI105變送器則將符合FF現場總線協議的數字量控制信號轉換為0-10V的電壓信號，送到變頻器控制端，使變頻器輸出相應的電壓和頻率(050 Hz)，從而改變水泵轉速，達到控制液位的目的。 該過程為自衡非振蕩，具有相互影響的雙容過程。其數學模型可用如下傳遞函數描述: 該過程為自衡非振蕩.具有相互影響的雙容過程.其數學模型可用如卜傳遞函數描述:G( s) =式中, Kp , Tp ,為過程的增益、時間常數和時滯。2.

5、 動態矩陣預測控制算法動態矩陣控制是一種利用被控對象的單位階躍響應采樣數據作為預測模型的預測控制算法。設被控對象的單位階躍采樣數據為 a1 , a2 , ，對于漸近穩定的系統,其階躍響應在若干個采樣周期后就趨于穩態值,即aN a () , 因此可以用單位階躍響應采樣數據的前有限項描述系統的動態特性 a1 , a2 , , aN由線性系統的疊加原理,可以得到系統輸出的預測模型為Ym ( k + 1) = AU( k) + A0 U( k - 1) (1) 其中Ym ( k + 1) k 時刻預測有u ( k) 作用時未來N 個時刻的預測模型輸出矢量 待求控制增量矢量; 已知控制矢量;A =A0=

6、稱為系統的動態矩陣;A0 U( k - 1) k 時刻預測無u ( k) 作用時未來N 個時刻的輸出初始矢量,它是由k 時刻以前加在系統輸入端的控制增量產生的。假定從( k - N) 到( k - 1) 時刻加入的控制增量分別為u ( k - N) 、u ( k - N + 1) 、u ( k - 1) ,而在( k - N- 1) 時刻以前均假定u ( k - N - 1) = u ( k - N - 2) = 0 ,則(1) 式是用過去施加于系統的控制量表示初值的預測模型輸出，由此可知預測模型輸出由兩部分組成:待求的未知控制增量和過去控制量產生的系統已知輸出初值。由于模型誤差和干擾等的影響

7、,系統的輸出預測值需要在預測模型輸出的基礎上用實際輸出誤差修正,即YP ( k + 1)= Ym ( k + 1) + h y ( k) - ym ( k) AU( k) + A0 U( k - 1) + he ( k)式中YP ( k + 1) 系統輸出預測矢量;YP ( k + 1) = yP ( k + 1) , yP ( k + 2) , , yP ( k + P) T e ( k) k時刻預測模型輸出誤差;e ( k) = y ( k) - ym ( k)h 誤差修正系數;h = h1 , h2 , , hp T優化下列性能指標Jp = yp ( k + 1) - yr ( k +

8、1) TQ Yp ( k + 1) - Yr ( k + 1) + UT ( k)U( k) (3)其中Yr ( k + 1) = yr ( k + 1) , yr ( k + 2) , , yr ( k + P) T , Yr ( k + 1)是參考軌跡;Q = diag ( q1 , q2 , , qp) , P 是預測時域;= diag (1 ,2 , ,M) , M 是控制時域;得到U( k) = ( ATQA +) - 1 ATQ Yr ( k + 1) - A0 U ( k - 1) -he ( k) （4） 即時控制增量取為u ( k) = dT Yr ( k + 1) - A0

9、 U( k - 1) - he ( k) dT = (1 ,0 , ,0) ( ATQA +) - 1ATQ 為取首行運算。3. 基于OPC的動態矩陣控制軟件PC計算機上運行以下軟件：Windows2000操作系統；中科院沈陽自動化研究所開發的SIACON-Configurator組態軟件,用來下載控制調度；中科院沈陽自動化研究所開發的SiaView監控軟件,支標準(作為OPC的客戶端),并具有完善的歷史數據管理,可以連接任意數據庫系統；SQL Server 2000數據庫,用來記錄檢測點的歷史數據；中科院沈陽自動化研究所開發的FF H1和FF HSE OPC服務器, 每秒鐘刷新一次,實現設備

10、的實時數據和歷史數據共享以及報警等功能;Hse Init接口軟件,作為HSE協議棧為組態軟件、監控軟件及OPC服務器等上層應用軟件提供的API接口；監控軟件SiaView和OPC服務器都可以同時獲得現場實驗裝置的采樣數據，方便地實現兩系統的同時監測與控制。系統所有軟件運行的關系結構如圖2所示。 圖 2 基于OPC動態矩陣控制軟件原理圖上圖中，MicroCyber .FFServer.1 OPC服務器符合OPC基金會制訂的OPC DA2.0規范標準，提供了訪問現場數據的標準接口，因此可以開發出屬于自己的OPC客戶端和動態矩陣控制相結合的監控軟件體系。4. 1OPC客戶程序的開發OPC客戶程序通過

11、OPC接口與OPC服務器交互，它通過OPC接口調用服務器提供的方法。OPC規范描述了OPC服務器需要實現的COM對象及其接口，它定義了兩種標準接口：定制接口（custom interface）和自動化接口（automation interface）。因此可以用VB6.0通過自動化接口來開發OPC客戶程序。 用VB編寫OPC客戶端程序包含以下步驟：（1）添加服務器的引用，創建 OPC 服務器對象，并將客戶程序與服務器相連；（2）創建組集合，添加組對象；（3）添加 OPC項，利用 OPCBrowser方法瀏覽整個服務器中所有的項，選擇需要的項，將其添加到規定的組中，并顯示其值和狀態；（4）在主畫面中顯示添加的組和項。 為了能夠隨時調用在OPC服務器上采集的數據，這里把選擇的數據存放在指定的數據庫中。在進行算法的仿真的時候，既可以從歷史數據庫中取數據，同時隨著數據的采集，可以不斷刷新數據，進行算法的優化 。圖 3 VB運行界面1 圖4 VB運行界面24.2動態矩陣控制軟件的開發動態矩陣控制軟件的主要功能是按照DMC算法確定控制作用。在這里，采用VB6.0進行編程。在設計中將DMC控制類型抽象為一個DMC控制類(DMC C