具有丟包補(bǔ)償?shù)腉ORC-PID 算法無線溫度控制系統(tǒng)

譚 平，施惠元,2，蘇成利，李 平,3

1.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順113001

2.東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110819

3.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧鞍山114051

目前，石油化工行業(yè)采用控制系統(tǒng)的通信方式仍然是有線的[1-2]。雖然有線通信傳輸信息的準(zhǔn)確度很高且更安全，但它的可拓展性及可移動(dòng)性差，受特殊地理環(huán)境的影響，還會(huì)遇到布線困難的問題，使得無線通信技術(shù)得以發(fā)展[3-5]。

無線通信具有靈活度高、維護(hù)方便，造價(jià)低廉等特點(diǎn)，可以有效地解決有線通信的弊端，但也會(huì)出現(xiàn)通信受阻、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)延遲、信號(hào)丟包等問題[6]。為此，可以從控制算法的角度來解決此問題。在實(shí)際應(yīng)用中，比例積分微分（proportion integration differentiation,PID）控制[7-8]被廣泛應(yīng)用，但無法解決無線通信中的時(shí)滯和丟包問題。因此，出現(xiàn)了一些改進(jìn)算法，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID 相結(jié)合[9-11]、模糊PID[12-14]、網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測跟蹤控制[15]和預(yù)測函數(shù)控制（predictive functional control,PFC）與PID 相結(jié)合[16]。其中，模型預(yù)測控制（model predictive control,MPC）作為一種實(shí)用的先進(jìn)控制策略，一直是研究的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[15-16] 都是應(yīng)用預(yù)測控制策略來解決丟包問題，但只是簡單地處理了丟包問題。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失時(shí)，它僅僅用上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息來代替當(dāng)前時(shí)刻數(shù)據(jù)，以此來彌補(bǔ)當(dāng)前時(shí)刻數(shù)據(jù)丟失的情況，從而達(dá)到預(yù)期控制效果；若出現(xiàn)連續(xù)丟包問題，只能用已知最近時(shí)間的數(shù)據(jù)來補(bǔ)償。且MPC 對(duì)被控對(duì)象模型精度要求很高，如果模型與實(shí)際被控對(duì)象相差較大，控制效果也會(huì)大打折扣。為了更好的解決此問題，本文提出了改進(jìn)的廣義開環(huán)響應(yīng)控制（generalized open-loop response control,GORC）與PID 控制相結(jié)合的控制算法，不僅能夠解決連續(xù)丟包的問題，且魯棒性強(qiáng)、靈敏度高，同時(shí)對(duì)模型精度要求不高。

本文以國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高溫爐為研究對(duì)象，通過基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)和多跳自組織網(wǎng)絡(luò)來搭建以WirelessHart 為通信協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)，以MCGS 組態(tài)軟件為控制平臺(tái)，來對(duì)高溫爐的爐內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制；再采用改進(jìn)的GORC-PID 控制相結(jié)合的控制算法，來解決無線通信中出現(xiàn)的時(shí)滯和丟包等問題，組成完整的無線溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以很好地解決數(shù)據(jù)丟包問題。

1 無線控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)組成

無線通信網(wǎng)絡(luò)由基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)和多跳自組織網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成，如圖1 所示。同時(shí)以WirelessHart 協(xié)議[17-18]作為通信協(xié)議進(jìn)行通信?；A(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是由一個(gè)智能網(wǎng)關(guān)和若干個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的。網(wǎng)關(guān)起到了管理和控制的作用，使得整個(gè)基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。它接收由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將其儲(chǔ)存在相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，再通過RS-485接口與從站有線連接，來保持與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場儀表和傳感器有線連接，目的是采集現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，同時(shí)接收網(wǎng)關(guān)回傳的信息，并傳輸給現(xiàn)場的執(zhí)行器。

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Wireless communication network structure

多跳自組織網(wǎng)絡(luò)由主站、中繼器、從站3 種模式組成。每個(gè)從站通過485 串行通信與基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)中的智能網(wǎng)關(guān)相連，獲取智能網(wǎng)關(guān)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，并將上位機(jī)發(fā)送的指令傳輸給網(wǎng)關(guān)；中繼器作為信息的中轉(zhuǎn)站，添加中繼器可以延長主站與從站之間的數(shù)據(jù)傳輸距離，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；主站與上位機(jī)相連，與上位機(jī)進(jìn)行雙向信息傳輸。無線多跳設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)Mash 網(wǎng)絡(luò)無線鏈路自組織、自恢復(fù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)路由等，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性，同時(shí)無線多跳設(shè)備靈活性高，可隨時(shí)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展，避免了有線組網(wǎng)時(shí)的布線問題，降低組網(wǎng)難度，消除現(xiàn)場地理因素對(duì)組網(wǎng)的影響。

1.2 無線溫度控制系統(tǒng)組成

無線溫度控制系統(tǒng)由管理層、無線數(shù)據(jù)傳輸層和現(xiàn)場層3 部分組成，如圖2 所示。管理層為上位機(jī)，負(fù)責(zé)控制與決策，在組態(tài)界面中可以觀測高溫爐的實(shí)時(shí)溫度，也可以設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)、設(shè)定值及選擇不同的控制算法；無線數(shù)據(jù)傳輸層是指由智能網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)、從站、中繼器和主站組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)。它就像是一個(gè)紐帶，連接其余兩層，是上位機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備之間能夠及時(shí)有效傳輸信息的關(guān)鍵；現(xiàn)場層主要包括熱電偶、固態(tài)繼電器和溫度傳感器。其中，溫度傳感器將溫度測量值傳送給節(jié)點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；且上位機(jī)發(fā)送指令給固態(tài)繼電器控制其通斷，來控制熱電偶的加熱時(shí)間，從而達(dá)到控制爐內(nèi)溫度。

圖2 無線溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Wireless temperature system structure

2 改進(jìn)的GORC 控制算法

廣義開環(huán)響應(yīng)控制算法是一種先進(jìn)控制算法，可看作簡化的模型預(yù)測控制。同時(shí)，GORC控制算法對(duì)模型要求不高，參數(shù)整定簡便，具有良好的跟蹤設(shè)定值能力和抗干擾能力，并且魯棒性在線可調(diào)。

假設(shè)被控對(duì)象的過程模型為

式中：y(z)、u(z)、di(z) 分別為過程模型中的輸出變量、輸入變量以及第i個(gè)擾動(dòng)的z變換；GR(z) 為過程模型的脈沖傳遞函數(shù)；Gi(z) 為第i個(gè)擾動(dòng)的脈沖傳遞函數(shù)。

假定Gi(z) 的不穩(wěn)定極點(diǎn)同時(shí)也是GR(z) 的極點(diǎn)，式(1) 可以寫成

式(1) 也可化簡為下列形式

在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場會(huì)存在天氣、環(huán)境等許多未知干擾因素，使得傳感器到控制器在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，即系統(tǒng)出現(xiàn)了丟包現(xiàn)象?？杀硎緸?/p>

式中：yf(z) 為控制器中系統(tǒng)的輸出；δfn(z) 為連續(xù)丟包數(shù)；0<δfn(z)<δfmax；δfmax為最大連續(xù)丟包數(shù)。

將式(4) 代入式(3) 得到

式中：在使用WirelessHART 協(xié)議的情況下，丟包數(shù)δfn(z) 是已知的。

當(dāng)δfn(z)=0 時(shí)，則

式中：yr(z) 為控制器中系統(tǒng)的輸出。

當(dāng)δfn(z)=1 時(shí)，則

當(dāng)δfn(z)=δfmax時(shí)，則

根據(jù)Smith 預(yù)估控制的思想，基于式(5)～(8) 以及利用歷史的輸入輸出數(shù)據(jù)和設(shè)定值，構(gòu)建如下具有丟包補(bǔ)償?shù)腟mith 預(yù)估器，為

式中：?(z) 已知；

根據(jù)式(9) 定義廣義輸入為

由式(10) 知，式(2) 可改寫成

式(11) 為廣義開環(huán)系統(tǒng)，且它的零點(diǎn)就是多項(xiàng)式H(z-1) 的極點(diǎn)。由此得到，廣義開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

由式(12) 知，H(z-1) 的零點(diǎn)可以運(yùn)用收縮原開環(huán)極點(diǎn)的方法來配置，則

在GORC 控制算法中，設(shè)計(jì)反饋控制器C(z)，則要滿足閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)有廣義開環(huán)系統(tǒng)性能，可表示為

式中：K是廣義開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益，表示為N+(1)/H(1)。

并且

由式(15) 和(16) 可得廣義輸入

由式(10)、(13) 和(17) 可推出GORC 控制量的計(jì)算公式為

若將反饋濾波器F(z)（IMC 的魯棒性工具）代入GORC 控制中，可表示為

3 應(yīng)用研究

3.1 控制方案

目前，石油石化行業(yè)中大多數(shù)控制系統(tǒng)依然使用傳統(tǒng)的PID 控制，少部分采用預(yù)測控制。PID 控制雖然有魯棒性強(qiáng)，適用環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場等優(yōu)勢(shì)，但靈敏度不高，對(duì)被控對(duì)象的變化不太敏感。預(yù)測控制雖然能提高靈敏度，且具有更好的控制效果，但對(duì)被控對(duì)象的模型精度要求很高，使得實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真建模相差較大，控制效果會(huì)受到很大影響。

為了達(dá)到更好的控制效果且又不受模型精度的過度限制，本系統(tǒng)采用改進(jìn)GORC-PID 控制策略，如圖3 所示的透明控制結(jié)構(gòu)。PID 控制器、高溫爐裝置內(nèi)固態(tài)繼電器和高溫爐溫度構(gòu)成內(nèi)部控制回路，在此基礎(chǔ)上，引入改進(jìn)的GORC 控制器對(duì)內(nèi)部回路進(jìn)行控制，換句話來說，將內(nèi)部回路看作GORC 控制器的廣義控制對(duì)象，同時(shí)，將測量得到的高溫爐的溫度值通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給內(nèi)部PID 控制器和外部GORC 控制器。當(dāng)高溫爐在運(yùn)行過程中出現(xiàn)丟包問題時(shí)，通過閉環(huán)回路將這些數(shù)據(jù)信息反饋給改進(jìn)的GORC 控制器，以此來進(jìn)行丟包補(bǔ)償，同時(shí)再計(jì)算出設(shè)定值和溫度測量值之間的偏差，將得到的結(jié)果作為內(nèi)部回路的輸入，而內(nèi)部回路中的PID 控制器再通過計(jì)算該輸入與測量得到的實(shí)際溫度的差值來得出控制量，進(jìn)而調(diào)節(jié)高溫爐裝置內(nèi)固態(tài)繼電器通斷時(shí)間長短，從而控制高溫爐裝置內(nèi)電阻絲加熱時(shí)長，來跟蹤設(shè)定值。

圖3 GORC-PID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 3 GORC-PID system structure diagram

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高溫爐裝置為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用MCGS 組態(tài)軟件作為控制平臺(tái)，搭建無線高溫爐控制系統(tǒng)來驗(yàn)證GORC-PID 控制策略。在其組態(tài)軟件中的用戶窗口上進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，如圖4 所示。在此界面上可以查看實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)、填寫控制參數(shù)，也可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行啟停及手自動(dòng)切換，還可在界面上查看實(shí)時(shí)曲線和數(shù)據(jù)丟包情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 高溫爐溫度控制界面Figure 4 High temperature furnace temperature control interface

在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場中，外部環(huán)境如電磁波等諸多干擾會(huì)影響數(shù)據(jù)信息的傳輸，造成傳輸不及時(shí)，甚至是數(shù)據(jù)丟失，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的真實(shí)情況，在實(shí)驗(yàn)中配置了高溫爐通信參數(shù)–延遲時(shí)間（從高溫爐儀表接受到從上位機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)到再把數(shù)據(jù)傳送回上位機(jī)的時(shí)間），通過改變延遲時(shí)間的大小表示數(shù)據(jù)丟包的多少，且每臺(tái)高溫爐通過地址不同來進(jìn)行區(qū)分，可在上位機(jī)上看到各個(gè)高溫爐儀表的通信狀態(tài)。以其中一臺(tái)高溫爐設(shè)備為例，可直觀地看到通信狀態(tài)，如圖5 所示，設(shè)置延遲時(shí)間為20 ms，其中，com=0 為通信狀態(tài)正常，即紅線為0 時(shí)無丟包現(xiàn)象；com=1,2,3 則通信狀態(tài)為丟包，即紅線不為0 時(shí)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

圖5 高溫爐通信狀態(tài)Figure 5 Communication status of high temperature furnace

考慮到在GORC-PID 控制算法中反饋濾波器會(huì)影響此控制器的魯棒性，則采用如下一階指數(shù)濾波器。

在存在丟包問題的情況下，分別采用PFC-PID 算法[16]和提出的GORC-PID 算法控制高溫爐。理想?yún)?shù)的確定是通過多次仿真確定的，GORC-PID 控制算法的參數(shù)為α=0.945 500，ε=0.996 690；PFC-PID 的參數(shù)為Tr=580，H=52。在丟包率同為12%（即延遲時(shí)間為20 ms）且加熱時(shí)長相同時(shí)進(jìn)行比較，圖6 和7 分別為兩種不同情況下的控制效果。

圖6 PFC-PID 控制效果圖(丟包率為12%)Figure 6 PFC-PID control effect diagram (packet loss rate is 12%)

圖6 為PFC-PID 控制效果圖，其中，溫度設(shè)定值為淺藍(lán)色c，參考軌跡為綠色SV，加熱控制量為深藍(lán)色MV，溫度測量值為紫色PV。圖7 為GORC-PID 控制效果圖，其中，溫度設(shè)定值為黃色c，參考軌跡為綠色SV，加熱控制量為藍(lán)色MV，溫度測量值為紅色PV。從圖6和7 的比較可以看出，GORC-PID 控制算法的控制效果比PFC-PID 控制算法具有更小的超調(diào)量，曲線運(yùn)行更平緩。

圖7 GORC-PID 控制效果圖(丟包率為12%)Figure 7 GORC-PID control effect diagram (packet loss rate is 12%)

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)確定本文所允許的最大丟包率為31%，且隨著延遲時(shí)間的增大，丟包率也隨之增大。如圖8 和9 所示，分別為丟包率為20%（即延遲時(shí)間為25 ms）和丟包率為29%（即延遲時(shí)間為50 ms）的控制效果。從圖7～9 可以看出，本文提出的具有丟包補(bǔ)償?shù)腉ORC-PID算法通過改變控制量趨勢(shì)，即給定內(nèi)環(huán)PID 回路的不同參考軌跡SV 值，以補(bǔ)償不同的丟包率對(duì)系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)而使溫度測量值PV 都可以快速跟蹤溫度設(shè)定值c。

圖8 GORC-PID 控制效果圖(丟包率為20%)Figure 8 GORC-PID control effect diagram (packet loss rate is 20%)

圖9 GORC-PID 控制效果圖(丟包率為29%)Figure 9 GORC-PID control effect diagram (packet loss rate is 29%)

本文所設(shè)計(jì)的GORC-PID 控制算法，可以對(duì)發(fā)生的丟包問題進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，若出現(xiàn)連續(xù)丟包情況，也可以迅速補(bǔ)償丟包數(shù)據(jù)，來減小曲線波動(dòng)，避免由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境造成通信異常，而造成控制效果差等問題，進(jìn)而使系統(tǒng)的控制性能得以提高，以此可知該方法是可行的。改進(jìn)的GORC 算法對(duì)內(nèi)部控制回路（廣義對(duì)象）進(jìn)行控制，起到優(yōu)化輸入來快速跟蹤設(shè)定值，來滿足系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度的要求。

4 結(jié)語

本文針對(duì)在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中可能會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，提出了具有丟包補(bǔ)償?shù)腉ORC-PID 控制算法，與PFC-PID 相比，該算法對(duì)模型精度要求不高，更能應(yīng)用于實(shí)際，工業(yè)價(jià)值顯著。且通過GORC-PID 與PFC-PID 兩種方法進(jìn)行比較，可以得出，具有丟包補(bǔ)償?shù)腉ORC-PID 控制算法可以解決連續(xù)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟包問題，超調(diào)量更小，波動(dòng)也更小，運(yùn)行更平緩，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度精準(zhǔn)的控制。因此，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)的具有丟包補(bǔ)償?shù)腉ORC-PID 算法的無線溫度控制系統(tǒng)具有實(shí)際意義和工業(yè)價(jià)值。