预测控制与变频控制技术在DCS中的应用和研究
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摘要
随着现代控制理论的发展和多年的实践摸索，先进控制技术已经成熟，而预测控制策略因其预测模型、滚动优化、反馈校正三大特征符合工业过程控制的实际需要，尤其是对无法准确建立数学模型的现代工业更为适用，故成为当代的研究热点。本文是基于先进控制算法在DCS系统中的设计和开发并以液位过程控制构成实验系统，对预测控制中的动态矩阵控制(DMC)进行了研究。主要内容包括：
1、在阅读大量文献的基础上，从自动控制理论的发展历程入手，对预测控制的基本思想和发展状况进行了综述性描述。
2、详细讨论了基于对象阶跃响应的动态矩阵控制(DMC)算法，分析了其预测模型、反馈校正和滚动优化的三大特点。
3、建立一个多容液位过程控制试验装置，该装置采用了先进的计算机集散控制系统(DCS)，控制方案采用预测控制的DMC算法，利用SCX语言开发出DMC控制程序，根据性能指标及反馈校正方法实现在线滚动优化。通过对实际对象进行控制，观察其控制效果，得出预测控制系统中各项较佳参数值。
4、利用及研究了变频控制技术，操纵变量采用变频调速技术控制流量，变频器根据负载的变化使电机实现自动、平滑的增速或减速，将传统的固定转速拖动改为变频调速拖动，从而具有高效、节能和智能自动化的优点。
本课题研究可方便地应用于实际工业生产，具有一定的指导意义，同时作为实验室过程控制装置，通过教学示范和演示，为广大学生进一步了解现代控制理论和先进控制技术提供了方便。
By the progress of Model Control theory and many years actual experience, Advanced Control Protocol has been perfected. The Predictive Control strategy has been focus direction in the theories research and application, with its three characteristics of predictive model, receding horizon control construction and feedback correction meeting the industrial process control's needs, especially used to Modern Industry which can't be developed an accuracy math model. The paper study the Dynamic Matrix Control (DMC) among of the Predictive Control based on DCS binding ACP and composition of liquid level control system of multi-capacity object. The main content are as follows:
1. The basic concepts and the development of the Advanced Control and the Predictive Control are stated after studying a lot of references.
2. The Dynamic Matrix Control (DMC) based on the step response of non-variable model is discussed in detail, its three characteristics of predictive model, receding horizon control construction and feedback correction are stated.
3. Composition of liquid level control system of multi-capacity object is designed, the advanced DCS is applied in the control system, and the DMC arithmetic technology is applied in the DCS. The paper develops a program to control actual control objects by SCX language, and the parameters of MPC system model are calculated through observing the actual control performances.
4. The flow capacity is controlled by frequency inverter. The inverter control the speed of motors through variety of the load, change the traditional immovable speed running to variable frequency speed-adjusting running. The main merits of the technology are high efficiency, save energy and brainpower automation.
The study of the project is remarkable for decreasing prime costs, improving the productive, and also provides a necessary way for students to understand modern control theory and ACP theory.
1、在阅读大量文献的基础上，从自动控制理论的发展历程入手，对预测控制的基本思想和发展状况进行了综述性描述。
2、详细讨论了基于对象阶跃响应的动态矩阵控制(DMC)算法，分析了其预测模型、反馈校正和滚动优化的三大特点。
3、建立一个多容液位过程控制试验装置，该装置采用了先进的计算机集散控制系统(DCS)，控制方案采用预测控制的DMC算法，利用SCX语言开发出DMC控制程序，根据性能指标及反馈校正方法实现在线滚动优化。通过对实际对象进行控制，观察其控制效果，得出预测控制系统中各项较佳参数值。
4、利用及研究了变频控制技术，操纵变量采用变频调速技术控制流量，变频器根据负载的变化使电机实现自动、平滑的增速或减速，将传统的固定转速拖动改为变频调速拖动，从而具有高效、节能和智能自动化的优点。
本课题研究可方便地应用于实际工业生产，具有一定的指导意义，同时作为实验室过程控制装置，通过教学示范和演示，为广大学生进一步了解现代控制理论和先进控制技术提供了方便。
By the progress of Model Control theory and many years actual experience, Advanced Control Protocol has been perfected. The Predictive Control strategy has been focus direction in the theories research and application, with its three characteristics of predictive model, receding horizon control construction and feedback correction meeting the industrial process control's needs, especially used to Modern Industry which can't be developed an accuracy math model. The paper study the Dynamic Matrix Control (DMC) among of the Predictive Control based on DCS binding ACP and composition of liquid level control system of multi-capacity object. The main content are as follows:
1. The basic concepts and the development of the Advanced Control and the Predictive Control are stated after studying a lot of references.
2. The Dynamic Matrix Control (DMC) based on the step response of non-variable model is discussed in detail, its three characteristics of predictive model, receding horizon control construction and feedback correction are stated.
3. Composition of liquid level control system of multi-capacity object is designed, the advanced DCS is applied in the control system, and the DMC arithmetic technology is applied in the DCS. The paper develops a program to control actual control objects by SCX language, and the parameters of MPC system model are calculated through observing the actual control performances.
4. The flow capacity is controlled by frequency inverter. The inverter control the speed of motors through variety of the load, change the traditional immovable speed running to variable frequency speed-adjusting running. The main merits of the technology are high efficiency, save energy and brainpower automation.
The study of the project is remarkable for decreasing prime costs, improving the productive, and also provides a necessary way for students to understand modern control theory and ACP theory.
引文
[1] 王树青等．先进控制技术及应用．北京：化学工业出版社，2001
[2] 金以慧，王诗宓，王桂增．过程控制的发展和展望．控制理论与应用．1997，14(2)：145-151
[3] 蒋慰孙，蒋敏伟．过程控制21世纪展望．世界仪表和自动化．1999，3(4)：10-14
[4] Richaler J., et al. Model predictive heuristic control: application to industrial processed. AUtomation, 1978, 14(4):413-428
[5] Curler C. R., and Ramaker B. L., Dynamic matrix control-a computer control algorithm. Proc. JACC, San Franciso, WP5-B, 1980
[6] Dale E. Seborg. A perspective on advanced strategies for processs control, Modeling, Identification and control, 1994, 15(3): 179～189
[7] Rouhani R. and Mehra R. K., Model algorithmic control(MAC):basic theoretical properties. Automatica, 1982, 18(4):401～414
[8] Clake D. W., Mothadi C., Tuffs P. S., Generalized predictive control. Part 1, The basic algorithm. Automation, 1987, 23(2): 137～148
[9] Garcia C E, Morari M. Internal Model Control, 1. A Unifying Review and Some New Results. IEC Process Des. DEV., 1982, 21 (2):308-323
[10] Richalet J. et al. Predictive functional control-application to fast and accurate robots. IFC 10TH World Congress, Munich, FRG, 1987:251-258
[11] 王慧，金以慧．计算机控制系统 北京 化学工业出版社 2000
[12] 王常力．第四代分布式控制系统(DCS)．中国计算机用户 2003
[13] 席裕庚著．预测控制，北京 国防工业出版社，1993
[14] 舒迪前著．预测控制系统及其应用，北京 机械工业出版社，1995
[15] 王桂增，王诗宓等．高等过程控制．北京：清华大学出版社，2002
[16] 王骥程．化工过程控制工程．北京：化学工业出版社，1981
[17] 杜维等．过程检测技术及仪表．北京：化学工业出版社，1999
[18] 钱积新等．控制系统的数字仿真及计算机辅助设计．浙江：浙江大学出版社，1995
[19] 孙增圻．计算机控制理论及应用．北京：清华大学出版社，1989
[20] 金以慧主编，过程控制．北京：清华大学出版社，1993
[20] 冯毅萍．工业自动化教学实验室DCS系统的设汁．实验室研究与探索．2001．20(1)
[22] 衰南儿，王万良，苏宏业．计算机新型控制策略及其应用．北京：清华大学出版社，1998
[23] 王新江等。计算机液位控制系统接口电路及控制算法的设计与实现。山东建材学院学报．2000．14(1)
[24] 陈俊毕等．变频器在生产实际中的应用探讨．电机电器技术．2001．4
[25] 施雪燕等．交流变频器在液位控制中的节能应用．黑龙江造纸．2002．1
[26] 叶味．变频器用于水泵的控制．纸和造纸。2002．1
[27] 陈观明等．预测控制及其在合成氨氢氮比系统中的应用，化工自动化及仪表，1999，2
[28]吴康雄．一种新型预测控制算法在机床传动误差控制中的应用，测控技术，1998，2
[29]彭力，除心和．预测控制思想在层流水冷却中的应用，基础自动化，1998，5
[30]陈全水．黑夜蒸发溶液浓度控制实际—基于前馈+反馈的预测控制算法，中国造纸，1998，3
[34]谢克明，张检伟．预测控制算法的研究现状及发展，电力学报，1997，1
[32]何克忠，李伟．计算机控制系统．北京：清华大学出版社，1998
[33]朱立禹等．DCS在兰化化纤厂的应用．自动化与仪表．13(5)
[34]张政江，孙优贤．基于阶跃响应的非自衡对象预测控制．控制与决策．2001．16(3)
[35]愈金寿．先进控制系统．化学世界增刊．2000
[36]苏宏业等．预测控制技术的现状与展望．机电工程．1999(5)
[37]扬庆柏．预测控制．自动化博览．1999(3)
[38]郑之开等．预测控制在现代过程工业中的应用与发展．测控技术．1999．18(12)
[39]郑真汉．一个DCS系统软件体系的设计．微计算机信息．200117(12)
[40]邹志云．面向二十一世纪的化工过程控制技术．石油化工自动化．1999．5
[41]严华等．大中型工业企业DCS和MIS集成的实现与应用．计算机工程．1999．9
[42]李阳春等．非参数模型预测控制系统的预测二次稳定性．上海交通大学学报．1999．33．(5)
[43]许敏等．典型过程控制系统的快速预测控制算法．河北工业大学学报．2001．30(5)
[44]罗刚等．动态矩阵控制参数的满意优化．信息与控制．1999．28(1)
[45]钟庆昌等．动态矩阵控制的截断误差校正．上海交通大学学报．1999．33(5)
[46]王现忠等．模型预测控制发展概况．自动化与仪器仪表．1999．4
[47]胡致强．基于动态线性逼近的非线性系统预测控制．机电与控制学报．2001．5(3)
[48]丁元欣等．一类动态矩阵控制系统的内稳定性．浙江大学学报．2001．35(2)
[49]薛云灿等．一种智能动态矩阵控制研究．湖北汽车工业学院学报．1999．13(2)
[50]萧明波等．预测控制中静态目标的实现．控制理论与应用．1997．14(3)
[51]杨马英等．约束预测控制的可行解与稳定性．浙江工业大学学报．1999．27(3)
[53]王家桢著．调节器与执行器．北京：清华大学出版社．2001
[54]周春晖主编．过程控制工程手册．北京：化学工业出版社，1993
[2] 金以慧，王诗宓，王桂增．过程控制的发展和展望．控制理论与应用．1997，14(2)：145-151
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[4] Richaler J., et al. Model predictive heuristic control: application to industrial processed. AUtomation, 1978, 14(4):413-428
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[53]王家桢著．调节器与执行器．北京：清华大学出版社．2001
[54]周春晖主编．过程控制工程手册．北京：化学工业出版社，1993