基于FF总线实现水箱系统动态矩阵控制

引言

ff现场总线系统是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，与现行控制系统相比，具有如下技术优势:① 现场总线用数字信号代替传统的模拟信号，测量精度高,抗干扰能力强；② 基于总线的现场仪表可以对量程和零点进行远程设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿;③ 现场设备集检测、转换、运算和控制功能于一体,既降低了成本，又增加了安全性和可靠性。④ 所有现场设备直接通过一对传输线即现场总线连接，减少了连线的数量,易于安装和维护，节省费用、调试和维修成本。

本实验测控系统采用jbs2gk03 过程控制实验装置,并采用中科院沈阳自动化研究所开发的ff h1 opc服务器microcyber. ffserver.1作为opc服务器。该服务器符合opc组织制订的opc da 2.0规范标准。opc客户端与服务器之间的通讯符合opc的自动化接口规范要求，利用matlab 7.0支持opc规范的新功能，实现了用户端与服务器端的通讯。动态矩阵控制算法在客户端通过matlab的m语言实现，充分发挥了矩阵计算语言简洁、高效的优势。

控制原理

本实验测控系统采用的jbs2gk03 过程控制实验装置,被控参数变量为液位、流量、温度和压力。该过程为自衡非振荡, 具有相互影响的双容过程，其数学模型可用如下传递函数描述:

式中，kp, tp,τ分别为过程的增益、时间常数和时滞。由上位机的opc服务器实时获取ff现场总线采集现场设备数据并动态显示。

opc服务器microcyber .ffserver.1每秒钟刷新一次,实现设备的实时数据和历史数据共享以及报警等功能。opc客户端与服务器之间的通讯符合opc的自动化接口规范要求，利用matlab 7.0支持opc规范的新功能，实现用户端与服务器的通讯。动态矩阵控制算法通过matlab的m语言在监控端实现，利用其强大的计算与动态显示能力对水箱系统进行动态矩阵控制。并将opc服务器的历史数据保存在matlab的数组中，以实现对历史数据曲线的实时绘制。本文采用的受控对象为device1.flow，组名为 device1。通过matlab编写的客户端与sql2000服务器的odbc连接，实时与数据库交互。从opc服务器读取选项的值，并可以实时将选项的值插入到数据库服务器中保存为历史数据。需要时，可以通过选项随时将历史数据进行回调，进行查询、更新、删除等操作，或者用于算法控制和绘制历史曲线图。从而可以实现opc服务器和历史数据服务器的分布式管理。本设计中采用的ncs-if105设备可以接收四个通道0~20ma模拟信号，并转换成ff现场总线信号。而ncs-ld105现场总线网关则可用于各种采用ff h1现场总线设备的控制系统当中，不仅可将ff h1总线设备无缝集成到以太网网络中，还可扩展ff h1应用。

程序实现

客户端与opc服务器通讯

首先，matlab客户端应先生成 opc服务器支持的 opc 对象。opc 数据访问对象由分层结构构成，即一个 opc 服务器对象具有一个作为子对象的 opc组集合对象(opc groups)。在这个 opc组集合对象里可以添加多个opc组对象。各个opc组对象都具有一个作为子对象的opc标签集合对象,在这个标签集合对象里可以添加多个 opc标签对象。

用matlab m文件编写opc客户端程序包含以下步骤：

(1)添加服务器的引用，创建 opc 服务器对象，并将客户程序与服务器相连；

(2)连接创建的opc 服务器对象；

(3)通过浏览整个服务器中所有的项，添加组对象；

(4)添加 opc项，选择需要的项，将其添加到规定的组中，并显示其值和状态；

(5)启动opc服务器。

程序和注释如下：

hostinfo = opcserverinfo(远程/本地服务器名)；%连接远程/本地服务器

allservers = hostinfo.serverid；

da = opcda(服务器名, opc服务器名)；

connect(da)；

sawtoothitems = serveritems(da, *受控设备名*)；

itmids = {控设备名}；

grp = addgroup(da, demgroup)；%增加组

itm = additem(grp, itmids)； %增加项目

start(grp)； %启动opc服务器

客户端与sql数据库服务器通讯

首先，在sql数据库中建立一个指定名字的数据库，并建立一个名为history的表。表中的字段包括选项的值(value)、品质(quality)、时间戳(timestamp)、服务器名(servername)以及设备名(device)。设置odbc数据源，建立一个和前面数据库名字相同的数据源，该数据源指向sql数据库中的同名数据库。测试连接成功后，即可在matlab中通过编写m文件实现与数据库的连接，并建立一个工作空间数组存储来自数据库的数据，通过执行命令的方式实现选择、插入数据等操作。关键程序及注释如下所示：

首先，实现建立连接对象，实现与数据库服务器的连接。

conn = database(数据源名、用户名、用户密码);%连接数据库

ping(conn)；%检查连接状态

curs = exec(conn, select country from 表名)%打开游标执行sql语句

setdbprefs(datareturnformat, cellarray)%说明检索数据的格式

curs = fetch(curs、10)%将数据导入到matalb

columnnames(curs)%获取列名

a = curs.data%显示游标对象里的所有数据元素，data(:,3)为获取某一字段的元素值

insert(conn、 表名、字段名、 数组名)；%将数组的值插入到表的某一字段中

close(curs)%关闭游标

close(conn)%关闭连接对象

改进的dmc控制程序仿真

受控系统数学模型如公式(1)所示。将阶跃信号作为控制信号作用于受控系统，通过ff现场总线，实时获取一段时间内系统某一受控对象(流量)的阶跃响应输出，通过matlab程序读取对应时刻的阶跃响应值，并将时间和对应值存在一个数组中。通过建立受控对象的数学模型，可辨识受控系统的参数，并得到辨识后系统的输出。使用matlab 7.0 的opc工具包，实现客户端程序与opc服务器的通讯，使用get(itm,value)函数来获取服务器中流量的实时值(其中itm=device1.flow)，然后进行动态矩阵控制。得到控制量后，通过使用write(itm, setvalue)函数将控制量写入opc服务器，从而控制受控系统。

设置模型的时域长度为n=10，优化时域长度为p=3，误差校正向量为h，其长度为n，控制向量为d，其长度为p，预测向量存储在数组y1中。不同的模型时域长度和优化长度对系统性能的影响是不同的，仿真曲线如图1所示。r过大时，预测向量会明显偏离真实的系统响应，对预测不利。当r=20，p=3时，预测与实际响应值一致。可见，在dmc控制算法中，应该合理选择模型时域长度和优化长度才能达到理想的控制效果。

结语

ff 现场总线技术与传统dcs 相比,系统布线投资明显减少,而网络功能则大大加强。而且该系统可以充分利用各种软件的优势，大大提高软件编程的效率和灵活性,实际运行结果表明,基于matlab和opc技术的ff现场总线的测控系统运行稳定,控制效果良好。