酸碱中和反应器多变量预测控制器设计及其应用.doc

毕 业 设 计酸碱中和反应器多变量预测控制器设计及其应用完成日期 2011 年 6 月 20 日 中国石油大学(北京)本科毕业设计第IV页酸碱中和反应器多变量预测控制器设计及其应用摘要本课题主要以预测控制为技术支撑，以pH中和反应装置为研究对象，主要内容包括以下方面：(1)利用Matlab的辨识工具箱辨识出pH中和反应装置的传递函数矩阵，并转化成RMPCT可用的模型传递函数文件（*.xfr文件）；(2)利用研华控制器与力控组态软件进行实时数据库的通讯，并由上位机的力控组态软件对pH反应过程进行实时监控；(3)根据辨识出的传递函数阵模型设计RMPCT离线控制器与仿真器；(4)在PHD数据库中组态，实现力控实时数据库与PHD以及PHD与RMPCT之间的通讯，对pH中和反应装置进行动态控制和在线设计。本课题综合利用了三维力控组态软件和研华控制器、PHD数据库、RMPCT等软件，设计了一套模型对象仿真及相应装置的预测控制系统，实现了不同计算机不同系统之间的通讯，并对控制结果作了详细分析，阐述了预测控制的优越性。关键词：pH中和反应装置； 预测控制； RMPCT； PHDAbstractThis essay based on Predictive Control technology, used the pH neutralization reaction device as research object, mainly included those contents:(1) The essay used Matlab Identification Toolbox to identify the transfer function of the pH neutralization reaction with transforming it to the format which RMPCT could use(*.xfr file).(2) The essay used Advantech and Sunway software for real-time database communication，and use Sunway software to monitor the pH reaction process.(3) The essay built RMPCT controller and simulator based on the transfer function.(4) The essay configured in the PHD Database and realized the communication between ForceControl real-time database and PHD Database, PHD Database and RMPCT.It controlled the pH neutralization reaction device model and realized dynamic design.This essay used Advantech and Sunway software,PHD Database, and RMPCT to design a imitated model and the corresponding control system. It realized communication between different computers.The essay analyzed the control results, explained the advantages of Model Predictive Control.Keywords:pH neutralization reaction; Predictive Control; RMPCT; PHD目 录第1章 前言11.1 课题背景11.2 预测控制技术综述11.2.1 预测控制技术简介11.3 本文的主要研究内容3第2章 工艺与软件的介绍42.1中和反应装置的简介42.2装置的维护42.3 所使用软件简介92.3.1 Honeywell RMPCT92.3.2 PHD数据库简介112.4 控制系统结构122.5 数据的存储与通讯132.5.1 I/O设备的数据通讯132.5.2 数据的存储142.5.3 PHD的第三方软件访问方法142.5.4 数据的通讯152.6 实验数据采集15第3章 模型辨识与仿真模型的建立193.1 MATLAB系统辨识工具箱简介193.2 pH中和反应装置模型的辨识203.3 对象模型的建立及Simulink仿真223.3.1 建立对象的模型223.3.2 设计MPC仿真控制器233.3.3 Simulink仿真及结果分析23第4章 PH反应装置的RMPCT控制264.1 PHD的组态设计264.1.1 创建PHD父点264.1.2 通过继承创建PHD子点274.1.3 生成RMPCT离线控制器294.2 RMPCT控制器的建立324.2.1 生成可用于RMPCT的mdl传递函数阵文件324.2.2 控制器的在线运行334.3 应用RMPCT控制效果及分析35第5章 结论与展望37致谢38参考文献39 第1章 前言第3页第1章 前言1.1 课题背景pH中和反应装置是实验室的一套难以控制的对象，该装置的工艺过程比较复杂，变量多，且变量间的耦合比较严重，一个变量的扰动将会带来其他变量的变化。并且酸碱中和反应时，在pH值不同的变化区间，过程静态特性增益变化明显，表现出强的非线性。pH反应在过程原理上讲应该是瞬时反应的，但是由于搅拌不均匀，pH检测计的检测延时，将会给反应带来很大延时。因此常规的单回路PID控制器很难使所有的变量都控制在设定的范围内，难以使整个装置处于某种最优的操作工况。RMPCT 是由Honeywell公司开发的一种MIMO、基于模型的、采用多步预测和多步控制及滚动优化的控制技术。它不仅能对高度耦合的过程实现解耦控制，而且控制器的抗干扰能力明显高于其他控制器，使得控制系统的鲁棒性得到提高和控制效果得到优化。1.2 预测控制技术综述1.2.1 预测控制技术简介预测控制以计算机为实现手段，应用采样控制算法，其主要特点为模型预测、滚动优化和反馈校正1。(1)预测模型预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。预测模型只注重模型的功能而不注重模型的形式，不但状态方程、传递函数这类传统的模型可以作为预测模型，而且阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型，也可直接作为预测模型使用。从方法的角度讲，只要是具有预测功能的信息结合，无论其具有什么样的表现形式，均可以作为预测模型。因此，只要模型能根据对象的历史信息和未来输入预测系统的未来输出，无论是什么样的表现形式，均可作为预测模型，如DMC、MAC等预测控制策略中，采用了实际工业中容易获得的阶跃响应、脉冲响应等非参数模型，而GPC等预测控制策略则选择受控自回归积分华东平均(CARIMA)模型、状态空间模型等参数模型。此外，非线性系统、分布参数系统的模型，只要具备上述功能，也可在进行预测控制时作为预测模型使用。因此，预测控制摆脱了传统控制基于严格数学模型的要求，从全新的角度建立模型的概念。预测模型具有展示系统未来动态行为的功能,利用预测模型为预测控制的优化提供先验知识，从而决定采用何种控制输入，使未来时刻被控对象的输出变化符合预期的目标。(2)预测控制采用滚动优化、滚动实施控制作用在工业应用和理论研究中，生产过程对象都或多或少地呈现非线性，一般来说预测控制是采用在线优化的模型。预测控制的这种优化控制算法是通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用的。例如通常可取对象输出在未来的采样点上跟踪某一期望轨迹的方差最小或者要求控制能量最小等。性能指标中设计到的系统未来的行为是根据预测模型未来的控制策略决定的。但是预测控制算法中的优化与通常的最优控制算法有很大的差别。这主要表现在预测控制中的优化不是采用一个不变的全局优化目标，而是采用滚动式的通常采用有现实与的优化策略。在每一采样时刻，优化性能指标只涉及该时刻的未来有限时间，而到下一采样时刻，这一优化时段同时向前推移。预测控制的优化策略是可以多种多样的，目前常见的有二次型性能指标优化等。不同的优化策略产生不同的控制器结构，如何选取优化策略，设计出控制效果好、适应性和鲁棒性强的新型预测控制器，具有十分重要的理论与应用意义。(3)反馈校正模型预测只能粗略描述对象的动态特性，由于系统中实际存在的非线性、不确定性，模型预测输出与系统实际输出必然会存在一个预测误差，误差越大，控制效果越差，但由于过程时变、干扰及所获取信息不充分等复杂因素，使得预测误差必然存在，只能在过程中通过不断采集信息进行反馈校正，以减少误差的影响。在通过优化确定了一系列未来的控制作用后，为了防止模型失配或环境干扰引起控制对理想状态的偏离，并不是把这些控制作用逐一全部实施，而只是实现本时刻的控制作用。到下一采样时刻，首先检测对象的实际输出，并通过各种反馈策略，修正预测模型或加以补偿，然后再进行新的优化。综上所述，预测控制综合利用历史信息和模型信息，对目标函数进行在线的滚动优化，并根据实际测得的对象输出修正或补偿预测模型。这种控制策略更加适用于复杂的工业过程，并在复杂的工业过程中获得了广泛的应用。1.3 本文的主要研究内容本课题是利用RMPCT（Robust Multi-variables Predictive Control Technology）对pH中和反应装置进行控制。首先利用VB到EXCEL程序对反应装置进行数据采集，并利用Matlab进行辨识从而得到RMPCT可用的模型传递函数文件（*.xfr），接着进行控制器、仿真器的建立和离线设计，以及实时数据库PHD（Process History Database）的组态设计。再通过第三方软件VB做OPC接口程序以实现力控实时数据库与PHD数据库、PHD数据库与RMPCT控制器的数据交互，达到对pH中和反应装置控制和在线设计。最后利用RMPCT对各种参数进行修改和优化，进而实现对pH中和反应装置的多变量预测控制，从而使该pH中和反应装置更好的、更经济的运作起来，达到实时控制的目的。 第2章 工艺与软件的介绍第18页第2章 工艺与软件的介绍2.1中和反应装置的简介该套设备主要由四个流量泵(一号泵是酸泵，二号泵是酸干扰泵，三号泵是碱泵和四号泵是排出泵);酸罐、碱罐和反应器中各有一个搅拌器;一个室温测量点;酸碱罐和反应釜中pH值的测量点;酸罐、碱罐、反应釜和本次设计中重新加入的废液罐的液位四个测量点;完成数据采集、处理 、分析、监控及控制功能的两台主控计算机 。反应设备示意图如图2.1。图2.1 设备摆放图注：1、酸泵 2、酸干扰泵 3、碱泵 4、排出泵2.2装置的维护试验初期，我们检查反应装置时候发现有装置存在一些问题：1)碱罐中的搅拌泵不能工作了；2)测量废液罐的液位没有传感器；3)在实验前测试阶段，发现pH计测量有问题；4)酸罐中的液位传感器坏了；本设备采用的是微型转速可调电动搅拌器，其中用于反应器的搅拌器是JJ-1型4-20mA可控电动搅拌器，其中控制信号为4-20mA标准信号，最大转速为3000转/min，功率为40瓦，最大搅拌容积为20升，满足反应釜溶液混合的要求。酸罐和碱罐的搅拌器采用了可手动调节转速的JJ-1型电动搅拌器，其参数与反应器所用的搅拌器相同。由于搅拌器无法工作，对其进行检测，信号的传递没有问题，电机本身也没有问题，电源模块也没有问题。最后我们检查了其内部电路结构，发现其整流模块出现问题。其原理图如图2.2。图2.2 搅拌器内部工作原理图如图2.3所示，为元器件LM317典型应用电路，其作为使用方便，应用广泛，输出电压可变的集成三端稳压块，输出电压的计算公式如下：仅从公式上看，R1，R2的值可以随便设定，但作为稳压电源的电压输出其值又不可以随便设定。可知稳压块LM317电压的输出范围是1.25V37V,所以R2/R1的比值范围只可能是029.6。图2.3 LM317芯片典型应用电路在检查中我们发现原来的接线中将输出3端接到稳压器的2端了，相当于稳压器输出端悬空，而实际的输出电压为0。在试验中我们购买了一个增氧泵和一个液位传感器。由于测量废液罐的液位没有传感器，以前的装置中选择了大恒科海公司型号为YW10的液位变送器。其工作电压为直流12V，输出电压为4-20mA，量程为0-1m。为了更好的了解传感器的型号，更好的熟悉传感器的选型方法，以及考虑到经济问题，我们选择了北京中大昆仑的压力变送器来测量液位。在试验中我们的反应溶液都是强酸，强碱性的，所以在起初我们首先要考虑的就是传感器的材料问题，首先要是耐酸碱抗腐蚀，其次是其长期在液体中，要不能被锈蚀。KZY-K型一体化投入式液位变送器，可广泛用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、地热井、矿井、工业水池、油池、水文地质、水库、河道、海洋等场合。采用进口不锈钢隔离膜片的高精度、高稳定性力敏芯片经合理精密的结构设计和厚膜技术温度补偿、信号放大、V/I转换，对不锈钢壳体进行全密封焊接，有通气导管的防水电缆，使传感器背压腔与大气连接。工业上应用传感器有两线制，三线制以及四线制的。这里我们选择的是两线制液位传感器。两线制：两根线既是传输电源又是传输信号,也就是传感器输出的负载和电源是串联在一起的，电源是从外部引入的，和负载串联在一起来驱动负载。即电源和地之间的电压是定值，但是总电流作为信号是能调的。工业上采用最广泛的是420mA电流来传输模拟量，在普通双绞线上可以传输数百米。通俗的理解就是将传感器，电源串在一起组成一个回路。其工作原理图如图2.4所示。图2.4两线制传感器工作原理注：红线:供电正 黑线:供电负pH计的标定：试验测试阶段，通过传感器检测的pH值总是随着时间变化而增长，在试验中我们进行了pH计的校正。pH计是由电极和电计两部分组成，在使用前，应先检查玻璃电极前端的球泡。正常情况下，电极应该透明而无裂纹；球泡内要充满溶液，不能有气泡存在。标定前，我们将电极仔细清洗，这里用的水是蒸馏水，如果含有太多的杂质，容易造成探头的结垢现象，会造成pH的测量信号的漂移，或者电计的显示部分会出现数字乱跳的现象。清洗后，不能将探头放在空气中，必须将电计放入反应液中，以防玻璃膜因干枯而老化甚至损坏。标定pH计所需器材：50ml容量瓶若干，250ml梨形容量瓶两个，250ml烧杯两个，滴定管1个，蒸馏水，滤纸若干，pH=6.86，pH=4以及pH=9的标准液4袋等。准缓冲液的配置及保存；1) pH标准物质应保存在干燥的地方，如混合磷酸盐pH标准物质在空气湿度较大时就会发生潮解，一旦出现潮解，pH标准物质即不可使用。 2) 配制pH标准溶液应使用蒸馏水，若含有杂质溶液将会吸收空气中的CO2或其他杂质成分。3) 配制pH标准溶液应使用较小的烧杯来稀释，以减少沾在烧杯壁上的pH标准液。存放pH标准物质的塑料袋或其它容器，除了应倒干净以外，还应用蒸馏水多次冲洗，然后将其倒入配制的pH标准溶液中，用玻璃棒搅拌至完全溶解，这里要时间久些，然后倒入相应的容量瓶中，快到刻度线时候，用滴定管滴定，摇匀。 4) 碱性标准溶液必须即配即用，由于本实验室不能提供聚乙烯瓶，碱性标准液放置过久二氧化碳易进入形成碳酸，降低其pH值。pH计的校正：PH计的校正方法一般都采用两点校准法，即选择两种标准缓冲液。先用第一种标准缓冲液对电计进行定位，再根据待测溶液的酸碱性选择第二种标准缓冲液。在控制柜正常显示模式时，按住CAL/VIEW键两秒钟即可进入校正/设定模式的第一画面(即主设定画面)，再按连续两下CAL/VIEW键进入pH校正画面。选择校正液1时，使用者可以依自己的需要按或键选择适当的第一种校正液，选择pH为6.86的一种模式，选好以后即可按确认键，机器会自动进入下一步骤(校正液2)的设定。在设定完上一步骤后，使用者即可按或键选择第二种校正液，一共有4.00pH，4.01pH，9.18pH和10.01pH四种选择，这里我们选择4.00，选好以后按确认键，机器会进入标准点和斜率的校正。在选择第二种校正液时，如果待测溶液呈酸性，则选用酸性标准缓冲液；如果待测溶液呈碱性，则选用碱性标准缓冲液。还必须注意的是探头每次插入另一溶液前必须清洗干净，并把依附在探头上的溶液用滤纸吸干，以免污染和稀释标准液。在标定过程中，我们最好一气呵成，不要让pH电极在空气中暴露太长时间。若使用的标准液时间较长，则必须对其pH值作重新标定。2.3 所使用软件简介2.3.1 Honeywell RMPCTRMPCT(鲁棒多变量预估控制技术)是美国Honeywell公司下属Hi-spec的先进控制技术产品，它是基于动态模型的，多输入多输出的、多步预估和区间控制的一种先进控制技术。RMPCT控制器通过预测控制算法调节操纵变量使所有的被控变量控制在设定值或者一个区间范围内，如果此时还有自由度，内在优化器将调节其控制器的输出，把过程推向符合经济目标优化状态。RMPCT控制器具有很强的鲁棒性，当过程模型有较大误差时，它的控制性不会像简单PID控制一样当遇到较大的未知干扰之后，就会出现很大偏差，甚至不能控制，RMPCT的鲁棒性设计使得RMPCT控制器能允许模型误差的存在。RMPCT控制器实时求解出满足控制和优化目标的最小过程调节量，并使得在控制过程中由于模型不确定性带来的控制误差降至最小，与参考轨迹法相比，其采用创新的“漏斗”式动态看控制协调技术能够为动态过程的优化提高更多的自由度，实现了其具有很强的鲁棒性的特点3。RMPCT其技术核心为多变量预估控制。它利用从现场测试得到的工艺模型，以及当前和过去的现场数据预估受控变量的未来变化情况。RMPCT的前馈变量是扰动变量(DV),反馈变量是操纵变量(MV),可以预估未来的被控变量值，根据CV的变化趋势，求解模型矩阵即输出MV，则完成了多变量预测控制。其简单的示意图为图2.5。图2.5 RMPCT的构成图RMPCT所用到的变量分为3种类型:(1) 被控变量CV(Controlled Variable)用来描述多变量控系统的控制目标，是控制器的输入变量。在实际应用中，部分或全部CV之间是相互影响的，即具有耦合性。一般鲁棒多变量控制器中被控变量的设定值都被要求保持在一个上下限之间。也有少数控制要求苛刻的被控量的上下限被设定成同一个值，此时便成为了定点控制。控制器要解决的问题是协调改变几个MV，按照优先级使至少一个CV达到优化值。(2) 操纵变量MV(Manipulated Variable)是控制器的输出变量，是作为调节手段的一些控制变量。通过改变MV的变化速率、MV的变化范围来限定控制作用的大小。控制器的MV经过信号转换后可以直接输出到某些执行器，亦可作为单回路的给定值。(3) 干扰变量DV(Disturbance Variable)是工艺过程中的干扰因数，这些变量对被控变量CV会带来显著的影响。控制器能预测DV对CV的影响，但不能控制DV，一般作为前馈控制的输入值，它也是控制器的输入变量。Profit Controller是Honeywell公司RMPCT的较高版本，其全部软件由离线部分和在线部分组成。离线部分包括模型辨识器、过程仿真器、组态器和工艺计算软件包。在线部分包括优化器、预估器、控制器、模型和过程数据采集器。其控制原理图如图2.64：图2.6 Profit Controller 工作原理因为变量间存在高度耦合的情况，再加上有的工业过程在大滞后、非线性或反向特性等错综复杂的动态，常规PID很难实现平稳控制，而RMPC正具有处理具有这种复杂动态过程的能力。RMPC把过程中重要变量集中到控制器中，把整个过程看成一个整体来控制，并不是看成多个单回路的组合。基于模型RMPC能够分析并解决各变量之间的耦合关系。应为RMPCT控制器应用的是预测控制，当被控变量预估值超过限制值时就进行调节，而不是等到被控变量的当前值超过限制值时才动作，具有超前调节能力。使用RMPCT控制器具有以下特点5：(1) 由于对控制变量进行了数据预处理工作，防止了输入控制器的计算值出现跳变或因测量元件故障或噪声产生的错误进入控制系统，保证了控制的安全有效。(2) 具有较强的鲁棒性，在装置操作条件变化较大时，也能满足控制要求。(3) 提供了对操作的优化功能，即在操作变量能满足所有控制变量的约束条件的基础上，在操作变量还存在自由度（MV个数减去CV个数）的情况下，可根据经济价值对操作变量优化，提高高效益产品产量，降低低效益产品产量，使得产品收益最优化。(4) 人机界面简单易懂，方便工程师进行组态等操作。2.3.2 PHD数据库简介PHD(Process History Database)是Honeywell公司过程历史数据库的简称，其实质是一套软件，在先进控制系统中用作实时数据平台。PHD以DCS控制系统为依托，充分地应用了现代网络技术。正如其名称一样， PHD首先是数据库管理软件包，内部包括两种类型的数据库:一个是Honeywell自定义的实时数据库 (Realtime Database)，RDI是PHD与外界交换数据的桥梁，一个PHD服务器可以连接多个RDI，每一个RDI将与DCS实时数据系统相连。另一个是Oracle类型的数据库(Relationed Database)，在PHD系统中，所有的位号定义，工厂数据模型以及事件等关系型的数据都存放在Oracle关系数据库中。实时数据库将通过32位ODBC/SQLNET访问关系数据库，而在PHD服务器的共享内存中保存了有关的映象，它们以局域网(LAN)为其网络基础，以客户/服务器方式传输数据。PHD所完成的主要工作包括:处理实时数据；将不同的数据来源汇集到统一的平台上；归档、统计；提供自上(厂内管理网)向下(DCS系统)的控制通道；性能计算、趋势预测等。一个典型的PHD系统主要包含以下组件7:(1) PHD数据库服务器(PHD Server)组件A)PHD Server:PHD的主历史引擎；B)RDI 接口:与DCS通讯的实时数据接口；C)PHDMAN:监视和管理PHD系统的工具；D)PHD Archive:归档历史数据的工具。(2)PHD客户端(PHD Client)组件A)uniformance TPI:提供点组态定义、计算点定义、报表组态等功能；B)PHD Connect:提供访问PHD的16位函数和数据；C)Visual PHD:通过 OLE Server技术，提供PHD函数和数据的使用,visual phd 提供给用户符合DCOM协议的ActiveX控件用户应用程序只需要对控件的调用就可以实现了；D)Process Trend:为PHD数据提供趋势显示和统计功能；以上两个组件使用支持TCP/IP协议的局域网通讯。除PHD组件外，RDBMS(Oracle Relational Database Management System)用以存储所有非实时数据。其特点是：1.数据以表格的形式出现；2.每行为各种记录名称；3.每列为记录名称所对应的数据域；4.许多的行和列组成一张表单；5.若干的表单组成database。要使PHD系统正常工作，预先还必须进行组态，即建立PHD系统自己的“点”(Point) 。通过点的定义来说明其与谁通讯的，接收或发送数据的地址、类型、采样周期、以及数据的范围等等6。2.4 控制系统结构控制系统软件包含以下5个：系统上位机选用windows2000 Professional操作系统的PC机，组态软件采用北京三维力控科技有限公司(Beijing Sunway ForceControl Technology)生产的力控组态软件，控制器采用RMPCT(鲁棒多变量预测控制器)实现，存储数据采用霍尼韦尔公司的PHD历史数据库，数据通讯方面采用第三方软件VB编程。系统结构图如图2.7。图2.7 系统结构图在系统运行时通过pH计和液位计分别来检测反应釜的pH值和液位，并把他们转化为4-20mA的标准电流信号，经模拟输入模块A/D转换器(ADAM-5017)把4-20mA的标准信号转化为相应的数字信号(4000-20000)，经过力控组态软件将裸数转化为工程量送入力控组态软件的实时数据库，实时数据库通过OPC接口将数据送入PHD数据库，RMPCT也通过OPC接口从PHD数据库中获取实时数据进行算法计算并将控制量返还给PHD，力控通过OPC接口将PHD中的控制量读取之后送给控制器，控制器将相应的输出信号经D/A转换器(ADAM-5024)转换为4-20mA的标准输出信号，来控制计量泵，实现对pH值和液位的控制，以及酸罐，碱罐，废液罐液位的区间控制。2.5 数据的存储与通讯2.5.1 I/O设备的数据通讯在本课题中，力控监控软件通过研华的可编程控制器ADAM-5510E/TCP的数据采集端口采集数据，我们首先在力控通讯模块中配置好MODBUS通讯协议，在力控中建点并与可编程控制器中的地址连接起来，经由局域网来完成的数据的通讯。当启动控制器ADAM5510等开机自检完毕后，需稍等几秒再打开力控监控软件，就实现了实时通讯。2.5.2 数据的存储远程数据存储：为了长期保存大量数据，并快速且可靠的把大量数据记录到储存介质中去，以便以后对实验仪器故障的分析或处理，实验室采用了霍尼威尔公司生产的过程历史数据库PHD(Process History Database)为本实验室的数据中心，多套实验设备的过程数据均存储在该数据库中。本地数据存储：组态软件PCAuto包含的实时数据库，从I/O设备上读取的数据，首先存储在力控实时数据库中，实时数据库将软件组态数据、系统采集的实时数据以及历史数据以一定组织形式存储在上位机内存上，用户可以完成对生产实时数据的各种操作：如实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。在这里力控组态软件一旦关闭，所有的数据将会丢失，所以我们开发了一个“存储空间”，将力控的实时数据存入到EXCEL中，用于以后的数据分析和仿真。2.5.3 PHD的第三方软件访问方法OPC是基于Microsoft的OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，我们可以用VB，VC+等高级计算机语言来编写接口程序，由于其语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。计算机应用软件开发者只要编写一个接口(即第三方软件)便可以连接不同的设备。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，只要数据库系统上建立了OPC规范，客户都以统一的方式去访问，从而使客户可以很方便的去了解和实现数据的交互，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。OPC通讯结构图如图2.8所示：图2.8 OPC访问接口2.5.4 数据的通讯力控实时数据库与PHD的实时数据通讯主要实现以下功能:首先力控实时数据库的将现场采集的数据通过OPC接口送至PHD，作为上层应用程序(即RMPCT控制器)的数据源。其次力控监控软件从PHD中读取RMPCT中返回的控制值(即操纵变量),再通过力控数据库和实验装置的通讯模块将控制值下传，以实现对实验装置(现场设备)的控制。在这里的数据通讯都是通过OPC客户/服务器来实现。我们在客户端和服务器端要定义好数据的地址，添加好组和项，使之相互对应。然后做好系统的DCOM配置。注：在DCOM配置时候要是两台电脑的用户名一样。装置控制系统的数据通讯结构如图2.9。图2.9 控制系统的数据通讯结构2.6 实验数据采集预测控制是一种基于预测模型的控制算法，所以建立预测控制算法首先要将对象的模型辨识出来。下面进行实验数据采集的介绍。由上述2.5.1节方法启动实验装置，我们利用VB编写了力控到EXCEL的程序，得到采集的数据来辨识对象模型。调节反应釜的pH=7使其稳定，此时酸泵值为30，碱泵初值为22，排出泵值为17。当稳pH值稳定一段时间以后(这里只是近似稳定在7附近震荡)，给酸泵一个25的阶跃，用VB采集数据。应用Matlab绘制数据曲线。如下图2.10所示：图2.10 酸阶跃反应曲线注：采样周期 秒这是实验初期采集到得pH的阶跃曲线，与我们理论分析的曲线有很大的差别。经分析,导致这种现象的原因有如下几种：(1)实验中我们的采用的酸罐，碱罐并不是密封的，导致溶液已经被部分污染(2)实验中我们采用纯净水作为反应溶剂，在操作过程中不免参入杂质，容易吸收空气中的CO2使其中的部分碱被中和掉了(3)酸泵将酸溶液打进反应釜时是滴进去的，有可能是酸管被长期的使用腐蚀或者堵塞了进行装置的维修后，在相同的条件下，我们进行了另外几组实验。实验曲线如下图2.11所示。碱阶跃对pH值的响应碱阶跃对反应釜液位的响应酸阶跃对pH值的响应酸阶跃对反应釜液位的响应排除泵值对pH值的响应排除泵值对反应釜液位的响应图2.11 阶跃响应曲线分析曲线结论如下：在这里碱阶跃曲线与理论上分析的比较一致，因为碱的阶跃效果比较明显。但是酸的阶跃响应虽然曲线与理论上分析比较一致，但是数值上有较大的差异，这将是以后要进一步找出原因的地方。试验中我们将用上述的曲线进行模型的辨识。 第3章 模型辨识与仿真模型的建立第25页第3章 模型辨识与仿真模型的建立3.1 MATLAB系统辨识工具箱简介系统辨识就是根据动态系统的输入、输出数据来估计它的数学模型。Matlab系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）提供了基于预先得到的输入输出数据，建立动态系统数学模型的工具。该工具箱采用灵活的图形用户界面，帮助管理数据和模型，功能强大，应用非常广泛。Matlab系统辨识工具箱主要包含数据预处理；模型结构产生及模型转换；参数模型估计；非参数模型估计；递推参数估计5个部分：。 在Matlab系统辨识工具箱中，除了以命令和函数的方法提供辨识工具外，还提供一个交互式的图形界面工具（GUI），能够方便地实现数据预处理、模型类型的选择、参数估计及模型验证和比较等功能。在Matlab命令窗口中输入Ident命令后，即进入Matlab系统辨识工具箱的图形用户界面（GUI），主窗口如图3.1所示。图3.1 系统辨识工具箱主图形界面图3.1左侧为数据视图（Data Views）部分，主要完成输入数据的导入及相关的绘图功能。在左上角的下拉列表框中选择Import Data命令，即可通过相应的对话框的选择，从Matlab工作空间(Workspace)中导入输入和输出数据，如图3.2所示。窗口左下角的三个复选框当选中时候可以绘制出数据随时间变化得曲线，频谱曲线(Data spectra)和频率曲线(Frequency Function)。图3.2 数据导入界面中间为数据操作部分，包括两个下拉列表框。上面的下拉列表框用于对数据进行的操作，对输入输出数据进行有关的预处理，如滤波、消除趋势项等；下面的下拉列表框用于选择模型的类型，并通过相应的对话框输入模型的阶次等信息；在两个下拉列表框中间的区域用于指示当前的工作数据，可利用鼠标将数据视图部分的相关数据拖入该区域。主图形界面的右侧为模型视图（Model Views）部分，该区域主要用于选择已经辨识出来的不同的模型，进行不同模型的对比，观察模型的匹配度，进行模型的验证和绘制特征曲线。该区域的其余几个复选框分别用于绘制模型输出曲线(Model output)、模型预测残差曲线(Model resids)、暂态响应曲线(Transient resp)、频率响应曲线(Frequency resp)、模型零点和极点图(Zeros and poles)、噪声频谱(Noise spectrum)7。3.2 pH中和反应装置模型的辨识RMPCT是通过过程模型来对过程实施控制的，过程模型是否准确是一个RMPCT控制器成功与否的关键。本课题采用Matlab辨识过程传递函数模型。(a) 辨识工具箱(b)导入数据(c)辨识结果图3.3 辨识过程示意图首先将所采集的对象数据导入Matlab工作空间，根据通道命名。在Matlab命令行键入“ident”回车,打开辨识工具箱，导入通道MV1-CV1的数据，操纵变量数据为x11，被控变量数据为y11，如图3.3(a)、(b)所示，然后点击Estimate-Process Models,最后辨识出传递函数如图3.3(c)所示，得到通道MV1-CV1的传递函数为。按照同样的方法,依次辨识出各通道的传递函数。得出传递函数如表3.4表3.4 传递函数矩阵MV1MV2MV3CV1CV2CV300CV400CV500由于RMPCT控制器的对象都是以分钟为单位，而辨识得到的传递函数的时间常数是以秒为单位，因此需要对各传递函数的时间常数作修改。对于一阶系统，只需将的T变为原来的1/60，例如以分钟为单位后传递函数应该变为。这样得到分钟级的传递函数如表3.5：表3.5 传递函数矩阵(分钟级)MV1MV2MV3CV1CV2CV300CV400CV5003.3 对象模型的建立及Simulink仿真在这里对于MPC控制我们没有对酸罐，碱罐和废液罐的液位进行区间控制。即得反应釜的模型如下表：表3.6 传递函数矩阵MV1MV2MV3CV1CV23.3.1 建立对象的模型利用Matlab语言和Simulink工具箱将前面得到的传递函数矩阵作为对象来搭建了模拟pH中和反应装置。根据各变量输入输出的关系得到仿真模型，如图3.7所示。图3.7 pH反应装置仿真模型3.3.2 设计MPC仿真控制器(1)定义被控对象模型由前面得出的传递函数阵模型，转换为Matlab语言如下程序：TR11=tf(-16.63,513.9 1);TR12=tf(37.23,407.721);TR13=tf(0.0024,1 0);TR21=tf(0.012,1 0);TR22=tf(0.014,1 0);TR23=tf(-0.