劉麗華+熊鳴+王巧玲+王軍茹

【摘 要】針對(duì)電烤箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在MCGS平臺(tái)上搭建溫度預(yù)測(cè)控制監(jiān)控組態(tài)工程，測(cè)試了電烤箱溫度對(duì)象的階躍響應(yīng)模型，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)矩陣控制算法。以MCGS作為OPC服務(wù)器，以MATLAB作為OPC客戶端，基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二者之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。采用matlab編寫DMC算法實(shí)現(xiàn)了電烤箱溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將matlab用于實(shí)時(shí)控制的方案有效可行。

【關(guān)鍵詞】OPC；電烤箱；動(dòng)態(tài)矩陣控制；MCGS；MATLAB；實(shí)時(shí)控制

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）23-0056-002

【Abstract】The temperature predictive control and monitoring configuration project is set up on the MCGS platform for an electric oven experiment system. The step response of the electric oven temperature is tested， and the dynamic matrix control（DMC） algorithm is designed. Taking MCGS as the OPC server and MATLAB as the OPC client， the real-time data exchange between the MCGS and MATLAB is realized based on OPC technology. The DMC algorithm written in MATLAB is used to realize the real-time monitoring of oven temperature. The experimental results show that MATLAB is effective and feasible in real time control.

【Key words】OPC； Electric oven； Dynamic matrix control； MCGS； MATLAB； Real-time control

0 引言

電烤箱本身是一個(gè)熱容系統(tǒng)，本身存在大慣性，大滯后，且受烤制食品種類及數(shù)量的影響，對(duì)象參數(shù)變化比較大，從而很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，PID控制對(duì)于這類對(duì)象的控制效果通常不太理想，為此有些學(xué)者嘗試使用Smith-模糊復(fù)合控制算法[1]，模糊自整定PID[2]等方法來(lái)改善其控制效果。動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）由于采用多步預(yù)測(cè)，滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而對(duì)于模型不確定性具有一定的魯棒性，在過(guò)程控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用[3-5]。文獻(xiàn)[6]將DMC用于電加熱爐的溫度控制，但僅局限于仿真分析，未考慮實(shí)時(shí)控制。DMC盡管算法相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量較少，但與PID控制相比，其編程相對(duì)復(fù)雜的多，因此盡管DMC在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，但目前大多數(shù)高校對(duì)于這類控制算法仍然以基于MATLAB /Simulink軟件工具的純數(shù)字仿真研究居多。

通用組態(tài)軟件以其通用性，良好的延續(xù)性和可擴(kuò)展性，實(shí)時(shí)多任務(wù)等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7]。MCGS是昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開(kāi)發(fā)的監(jiān)控組態(tài)軟件，它具有強(qiáng)大的通訊功能，能夠通過(guò)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理和控制提供友好的人機(jī)交互界面，但其計(jì)算能力不強(qiáng)，對(duì)于像DMC控制這樣的算法實(shí)現(xiàn)比較困難，若能結(jié)合MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值分析、計(jì)算等功能，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意復(fù)雜控制算法用于實(shí)際設(shè)備控制效果的分析[8]。本文借鑒文獻(xiàn)[8]的做法，基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn) MCGS和MATLAB之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，并在此基礎(chǔ)上對(duì)一個(gè)定制的電烤箱實(shí)施溫度DMC控制。

1 電烤箱溫度監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖1所示為電烤箱溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖。系統(tǒng)中電烤箱選用的是額定電壓為220V，額定功率為2.8Kw的定制烤箱。電烤箱溫度范圍控制范圍為0℃-200℃，由一體式Pt100熱電阻溫度變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換成0～10 V的電壓信號(hào)，經(jīng)PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的AD通道送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)PCI-1711的D/A通道輸出4～20mA電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)固態(tài)繼電器（solid state relay，SSR）控制電路控制SSR的通斷，從而調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)加熱絲的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)烤箱溫度的反饋控制?？紤]到熱負(fù)荷的冗余問(wèn)題，選用80A單相交流固態(tài)調(diào)壓器，控制輸入為4-20mA電流輸出為交流28-220V。

基于MCGS設(shè)計(jì)電烤箱溫度DMC監(jiān)控系統(tǒng)工程，通過(guò)對(duì)PCI-1711的設(shè)備組態(tài)實(shí)現(xiàn)烤箱溫度的采集，以及對(duì)SSR調(diào)壓器的控制；通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置溫度給定值，以及控制器的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)實(shí)時(shí)曲線及歷史曲線窗口觀察溫度的變化趨勢(shì)。

在對(duì)PCI-1711進(jìn)行組態(tài)之前，對(duì)由PCI-1711模擬量輸入通道采集到的Pt100溫度變送器的轉(zhuǎn)換電壓增益x與被測(cè)溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到二者之間的標(biāo)度變換關(guān)系，寫入在MCGS監(jiān)控工程的循環(huán)腳本，從而將A/D通道采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為溫度信號(hào)。

2 電烤箱溫度控制系統(tǒng)的DMC控制仿真分析

動(dòng)態(tài)矩陣控制 （DMC）算法是一種基于對(duì)象階躍響應(yīng)模型的預(yù)測(cè)控制算法 ，它適用于漸進(jìn)穩(wěn)定的線性對(duì)象，主要由三部分組成：預(yù)測(cè)模型，滾動(dòng)優(yōu)化算法和反饋校正。動(dòng)態(tài)矩陣算法的原理可以參考相關(guān)書(shū)籍[5]，此處不做贅述。

2.1 預(yù)測(cè)模型的建立

DMC算法的采用階躍響應(yīng)模型。為建立其預(yù)測(cè)模型，通過(guò)監(jiān)控工程給出7.2mA的控制量，得到烤箱溫度的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示，由響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程大概有30min。根據(jù)階躍響應(yīng)建模的方法，估計(jì)得到系統(tǒng)模型為endprint

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，模型時(shí)域長(zhǎng)度N的選取通常介于25～50之間，而采樣周期的選取則是在此基礎(chǔ)上根據(jù)采樣定理及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間選取，這里模型時(shí)域長(zhǎng)度N=35，采樣T取為1分鐘，階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)。取階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)，構(gòu)成動(dòng)態(tài)矩陣A，根據(jù)滾動(dòng)優(yōu)化給出的控制律施加控制并進(jìn)行反饋校正。

2.2 仿真分析

在DMC 算法中，影響系統(tǒng)性能的參數(shù)有采樣周期T、模型長(zhǎng)度N、預(yù)測(cè)時(shí)域P及控制時(shí)域M，誤差加權(quán)矩陣Q以及控制量的加權(quán)矩陣R，誤差修正權(quán)值等。為了提高動(dòng)態(tài)矩陣控制的性能，很多學(xué)者對(duì)這些參數(shù)的選取作了研究，對(duì)于對(duì)性能影響比較大的參數(shù)進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[9]的作者在研究了前人成果的基礎(chǔ)上，對(duì)采樣周期T模型長(zhǎng)度N、預(yù)測(cè)時(shí)域P及控制時(shí)域M的選擇范圍進(jìn)行了探討，給出了這些參數(shù)，尤其是預(yù)測(cè)時(shí)域P選取的上下限。

本文對(duì)電烤箱溫度動(dòng)態(tài)矩陣控制進(jìn)行了仿真分析，如2.1所述，選取模型時(shí)域長(zhǎng)度N=35，采樣時(shí)間T取為1分鐘，從過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)約有2min左右的滯后，在選取誤差加權(quán)矩陣時(shí)要考慮到滯后的作用。 圖3（a）是在預(yù)測(cè)時(shí)域P=10，控制時(shí)域M=2，誤差加權(quán)矩陣Q=100diag{0，0，1，1，1，1，1，1，1，1}，控制量的加權(quán)矩陣R=10^7diag{1，1}，誤差修正權(quán)值α=0.9時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，此時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，經(jīng)過(guò)大約60min達(dá)到給定溫度100℃，沒(méi)有超調(diào)； 圖3（b）是在預(yù)測(cè)時(shí)域P=5，控制時(shí)域M=2，誤差加權(quán)矩陣Q=100diag{0，0，1，1，1}，控制量的加權(quán)矩陣R=10^6diag{1，1}，誤差修正權(quán)值α=0.9時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，此時(shí)系統(tǒng)初始響應(yīng)速度快，經(jīng)過(guò)23分鐘左右達(dá)到給定溫度，但存在7%的超調(diào)量?？梢?jiàn)參數(shù)選取不同對(duì)系統(tǒng)的快速性以及穩(wěn)定性會(huì)有較大的影響。

3 基于OPC的電烤箱溫度DMC實(shí)時(shí)控制

本文用MCGS 設(shè)計(jì)了電烤箱溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，借助于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的OPC技術(shù)，以 MCGS作為OPC服務(wù)器，在MATLAB作為OPC 客戶端，借助于MATLAB 的OPC工具箱實(shí)現(xiàn)了MCGS和MATLAB的數(shù)據(jù)通信，在MATLAB中編寫DMC算法程序，從而完成了對(duì)電烤箱溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

根據(jù)OPC DA的組織結(jié)構(gòu)，在MCGS監(jiān)控工程中添加OPC設(shè)備，將MCGS設(shè)置為OPC服務(wù)器，在MATLAB程序中通過(guò)“da=opcda（'localhost，MCGS.OPC.Server）； connect（da）”建立與 MCGS的聯(lián)系，然后分別添加組（Group），項(xiàng)（Item），通過(guò)對(duì)Item的讀取可以得到MCGS中各監(jiān)控變量的數(shù)據(jù)，如溫度，設(shè)定值，控制時(shí)域長(zhǎng)度，優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度，誤差加權(quán)值，控制量加權(quán)值，誤差修正系數(shù)等，根據(jù)這些變量的數(shù)據(jù)組織DMC算法計(jì)算控制量并送回MCGS，通過(guò)對(duì)PCI-1711中DA通道的處理來(lái)完成對(duì)SSR的控制?？刂魄€如圖5所示。

4 結(jié)論

本文討論了基于OPC技術(shù)的電烤箱溫度實(shí)時(shí)控制，以MCGS為OPC服務(wù)器，MATLAB作為OPC的客戶端實(shí)現(xiàn)了MATLAB與MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。借助MCGS組態(tài)工程測(cè)試了電烤箱溫度對(duì)象的階躍響應(yīng)模型，并基于該模型在MATLAB中設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)矩陣控制算法實(shí)現(xiàn)了電烤箱溫度的動(dòng)態(tài)矩陣控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于OPC技術(shù)將MATLAB用于實(shí)時(shí)控制的方案是可行的，這對(duì)研究先進(jìn)控制方案對(duì)過(guò)程對(duì)象的控制有著現(xiàn)實(shí)的意義。

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