刘丽华+熊鸣+王巧玲+王军茹
【摘 要】针对电烤箱实验系统在MCGS平台上搭建温度预测控制监控组态工程，测试了电烤箱温度对象的阶跃响应模型，设计了动态矩阵控制算法。以MCGS作为OPC服务器，以MATLAB作为OPC客户端，基于OPC技术实现了二者之间的实时数据交换。采用matlab编写DMC算法实现了电烤箱温度的实时监控。实验结果表明将matlab用于实时控制的方案有效可行。
【关键词】OPC；电烤箱；动态矩阵控制；MCGS；MATLAB；实时控制
中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 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
電烤箱本身是一个热容系统，本身存在大惯性，大滞后，且受烤制食品种类及数量的影响，对象参数变化比较大，从而很难建立精确的数学模型，PID控制对于这类对象的控制效果通常不太理想，为此有些学者尝试使用Smith-模糊复合控制算法[1]，模糊自整定PID[2]等方法来改善其控制效果。动态矩阵控制（DMC）由于采用多步预测，滚动优化和反馈校正等控制策略，因而对于模型不确定性具有一定的鲁棒性，在过程控制领域已经得到了成功的应用[3-5]。文献[6]将DMC用于电加热炉的温度控制，但仅局限于仿真分析，未考虑实时控制。DMC尽管算法相对简单，计算量较少，但与PID控制相比，其编程相对复杂的多，因此尽管DMC在工业控制领域获得了成功应用，但目前大多数高校对于这类控制算法仍然以基于MATLAB /Simulink软件工具的纯数字仿真研究居多。
通用组态软件以其通用性，良好的延续性和可扩展性，实时多任务等优势在工业控制领域得到了广泛的应用[7]。MCGS是昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的监控组态软件，它具有强大的通讯功能，能够通过对工业现场数据的采集处理和控制提供友好的人机交互界面，但其计算能力不强，对于像DMC控制这样的算法实现比较困难，若能结合MATLAB强大的数值分析、计算等功能，则可实现对任意复杂控制算法用于实际设备控制效果的分析[8]。本文借鉴文献[8]的做法，基于OPC技术实现 MCGS和MATLAB之间的实时数据通信，并在此基础上对一个定制的电烤箱实施温度DMC控制。
1 电烤箱温度监控系统的实现
图1所示为电烤箱温度控制系统的硬件结构原理图。系统中电烤箱选用的是额定电压为220V，额定功率为2.8Kw的定制烤箱。电烤箱温度范围控制范围为0℃-200℃，由一体式Pt100热电阻温度变送器测量并转换成0～10 V的电压信号，经PCI-1711数据采集卡的AD通道送入计算机。计算机输出的控制信号经PCI-1711的D/A通道输出4～20mA电流信号，该信号经固态继电器（solid state relay，SSR）控制电路控制SSR的通断，从而调节调节加热丝的功率，实现对烤箱温度的反馈控制。考虑到热负荷的冗余问题，选用80A单相交流固态调压器，控制输入为4-20mA电流输出为交流28-220V。
基于MCGS设计电烤箱温度DMC监控系统工程，通过对PCI-1711的设备组态实现烤箱温度的采集，以及对SSR调压器的控制；通过人机界面设置温度给定值，以及控制器的相关参数，并通过实时曲线及历史曲线窗口观察温度的变化趋势。
在对PCI-1711进行组态之前，对由PCI-1711模拟量输入通道采集到的Pt100温度变送器的转换电压增益x与被测温度之间的关系进行了测试，根据测试结果得到二者之间的标度变换关系，写入在MCGS监控工程的循环脚本，从而将A/D通道采集到的数据转化为温度信号。
2 电烤箱温度控制系统的DMC控制仿真分析
动态矩阵控制 （DMC）算法是一种基于对象阶跃响应模型的预测控制算法 ，它适用于渐进稳定的线性对象，主要由三部分组成：预测模型，滚动优化算法和反馈校正。动态矩阵算法的原理可以参考相关书籍[5]，此处不做赘述。
2.1 预测模型的建立
DMC算法的采用阶跃响应模型。为建立其预测模型，通过监控工程给出7.2mA的控制量，得到烤箱温度的阶跃响应曲线如图2所示，由响应曲线可以看出系统的过渡过程大概有30min。根据阶跃响应建模的方法，估计得到系统模型为endprint
根据文献[9]，模型时域长度N的选取通常介于25～50之间，而采样周期的选取则是在此基础上根据采样定理及过渡过程时间选取，这里模型时域长度N=35，采样T取为1分钟，阶跃响应数据。取阶跃响应数据作为动态响应系数，构成动态矩阵A，根据滚动优化给出的控制律施加控制并进行反馈校正。
2.2 仿真分析
在DMC 算法中，影响系统性能的参数有采样周期T、模型长度N、预测时域P及控制时域M，误差加权矩阵Q以及控制量的加权矩阵R，误差修正权值等。为了提高动态矩阵控制的性能，很多学者对这些参数的选取作了研究，对于对性能影响比较大的参数进行了分析，文献[9]的作者在研究了前人成果的基础上，对采样周期T模型长度N、预测时域P及控制时域M的选择范围进行了探讨，给出了这些参数，尤其是预测时域P选取的上下限。
本文对电烤箱温度动态矩阵控制进行了仿真分析，如2.1所述，选取模型时域长度N=35，采样时间T取为1分钟，从过程的阶跃响应曲线可以看出系统约有2min左右的滞后，在选取误差加权矩阵时要考虑到滞后的作用。 图3（a）是在预测时域P=10，控制时域M=2，误差加权矩阵Q=100diag{0，0，1，1，1，1，1，1，1，1}，控制量的加权矩阵R=10^7diag{1，1}，误差修正权值α=0.9时系统的响应曲线，此时系统响应速度较慢，经过大约60min达到给定温度100℃，没有超调； 图3（b）是在预测时域P=5，控制时域M=2，误差加权矩阵Q=100diag{0，0，1，1，1}，控制量的加权矩阵R=10^6diag{1，1}，误差修正权值α=0.9时系统的响应曲线，此时系统初始响应速度快，经过23分钟左右达到给定温度，但存在7%的超调量。可见参数选取不同对系统的快速性以及稳定性会有较大的影响。
3 基于OPC的電烤箱温度DMC实时控制
本文用MCGS 设计了电烤箱温度的实时监控系统，借助于工业过程控制领域的OPC技术，以 MCGS作为OPC服务器，在MATLAB作为OPC 客户端，借助于MATLAB 的OPC工具箱实现了MCGS和MATLAB的数据通信，在MATLAB中编写DMC算法程序，从而完成了对电烤箱温度的实时监控系统。监控系统结构图如图4所示。
根据OPC DA的组织结构，在MCGS监控工程中添加OPC设备，将MCGS设置为OPC服务器，在MATLAB程序中通过“da=opcda（'localhost，MCGS.OPC.Server）； connect（da）”建立与 MCGS的联系，然后分别添加组（Group），项（Item），通过对Item的读取可以得到MCGS中各监控变量的数据，如温度，设定值，控制时域长度，优化时域长度，误差加权值，控制量加权值，误差修正系数等，根据这些变量的数据组织DMC算法计算控制量并送回MCGS，通过对PCI-1711中DA通道的处理来完成对SSR的控制。控制曲线如图5所示。
4 结论
本文讨论了基于OPC技术的电烤箱温度实时控制，以MCGS为OPC服务器，MATLAB作为OPC的客户端实现了MATLAB与MCGS的实时数据交换。借助MCGS组态工程测试了电烤箱温度对象的阶跃响应模型，并基于该模型在MATLAB中设计了动态矩阵控制算法实现了电烤箱温度的动态矩阵控制。实验结果表明了基于OPC技术将MATLAB用于实时控制的方案是可行的，这对研究先进控制方案对过程对象的控制有着现实的意义。
【参考文献】
[1]赵又新.基于Smith-模糊复合控制的电加热烤箱的温控系统[J].自动化仪表，2001，22（5）：52-54.
[2]杨怡.电烤箱温度系统的模糊自整定 PID 控制方法的研究[J].微电子学宇计算机，2009，26（4）：141-143.
[3]李俊利，杨绍武，袁平，白建.基于动态矩阵控制的燃煤锅炉蒸汽压力控制[J].控制工程，2016，23（11）：1685-1689.
[4]吕亚锋，郭利进，成立存.基于动态矩阵控制的聚合釜温度控制与仿真[J].计算机仿真，2014，31（7）：198-201.
[5]席裕庚.预测控制[M].北京：国防工业出版社，1993.
[6]孙建平，齐园园.动态矩阵控制在电加热炉温度控制中的应用[J].计算机仿真，2013，30（6）386-388.
[7]薛迎成，何坚强.工控机及其组态控制技术原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2007.
[8]胡剑杭，陈冲.基于OPC技术的MATLAB实时过程控制系统[J].福州大学学报（自然科学版），2008，36（SI）：105-109.
[9]吴博，罗雄麟，韦明辉，许锋.预测控制工程应用中预测时域的选取分析[J].化工自动化及仪表，44（6）：553-558.endprint
