基于RBF神經網絡模型動態矩陣預測控制的小麥著水系統設計和應用

王 凱

（山東省淄博市發展改革委員會綜合執法支隊，山東 淄博 255000）

0 前言

在面粉生產中，工藝主要包括小麥初清、小麥清理、小麥制粉、配粉等階段，每個階段前后相連、相互聯系，但自身卻又是各自獨立的系統[1]。其中，小麥清理工段中的著水工藝是用水對清理后的小麥進行濕潤，根據小麥種類不同，使小麥濕度達到控制值，現代制粉工藝要求濕麥的濕度應控制在15%到17%之間，濕麥的濕度值對面粉的質量以及出粉率有直接且至關重要的影響，水分過低或過高，直接影響面粉質量。

國內常用的著水系統包括水龍頭著水系統、水杯著水系統、噴霧著水系統、著水混合系統和強力著水系統等[2]，普遍存在以下缺點：1）對于不同種類的面粉，濕麥的濕度設定值有所不同，但是這幾種著水系統不能根據原料及時調節著水量。2）著水精度差和穩定性不高。國外先進著水系統，如英國西蒙公司制造的Kay-Ray 7519J型和瑞士布勒公司制造的MYFA/MOZD型，兩種控制系統的算法都是常規PID算法，標志著面粉工業由傳統手工業向現代自動化工業的成功轉型，但是常規PID控制方法對小麥著水系統的控制效果與工藝要求還有一定距離。主要原因為小麥著水系統由多個部分組成，并且許多因素對濕度都有影響，小麥著水系統屬于時滯性、非線性的復雜控制系統。針對系統特性，把電動調節閥和著水絞籠作為小麥著水系統的廣義非線性被控對象，采用基于RBF神經網絡模型DMC預測控制算法實現智能控制，控制器選用西門子S7-300 PLC，并在上位機監控中采用WINCC組態人機畫面，用以實現現場監控和數據管理。

1 被控對象模型分析

1.1 著水絞籠模型分析

著水絞籠是主要潤麥設備，是一個由入口、出口、電機以及小麥推進裝置（推動軸與葉片）組成的封閉傾斜的罐狀體，在電機的帶動下，推進裝置讓小麥與水均勻混合，并把小麥從入口推向出口。為了讓小麥與水混合均勻，使著水絞籠的軸線與水平線之間呈α夾角，這樣就在入口處造成一個容積環節。用界面EF把著水絞籠內部分成A和B兩個區域，把A區域看作容積環節，B區域可以看作慣性延時環節。在建立濕麥濕度與水流量的動態模型過程中，同時考慮其他變量對干麥濕度的影響和進口的小麥流量不等于從A區域流到B區域的小麥的流量。

1.2 電動調節閥模型分析

一般小麥著水系統中采用的是氣動執行機構，氣動執行機構具有精度低、穩定性差、 結構復雜、維護不方便的缺點，因此采用具有直線型流量特性的電動調節閥，并且不忽略電動執行機構的不靈敏區，所以此時電動調節閥為非線性被控對象。

2 基于RBF神經網絡模型DMC的小麥著水系統結構設計和系統仿真

2.1 基于RBF神經網絡模型DMC的小麥著水系統結構

圖1為基于RBF神經網絡預測模型DMC（RBF NN DMC）的小麥著水系統結構，首先利用神經網絡對著水絞籠和電動調節閥進行模型辨識，然后RBF神經網絡模型根據各處采集來的數據預測此時刻的濕麥濕度值，再采用DMC優化控制器計算出調節閥的最優控制信號，來控制調節閥的開度。基于神經網絡預測模型DMC的小麥著水系統控制原理圖，如圖2所示[3-4]。

圖1 基于神經網絡模型DMC的小麥著水系統控制結構圖

圖2 基于神經網絡模型DMC算法的小麥著水系統控制原理框圖

r為濕麥濕度設定值，yr(k+i)是設定值經柔化后的小麥濕度參考軌跡值，yPC(k+i)是反饋校正值，u(k)是閥門的控制信號，T為溫度值，W為毛麥的含水量值，G為小麥單位體積重量，L1是著水絞籠入口處的小麥流量，L2是著水絞籠出口處的小麥流量。

2.2 不同控制算法的小麥著水系統仿真比較分析

為了驗證基于RBF NN DMC控制的小麥著水系統優越性，利用MATLAB將其分別和基于常規DMC、自適應模糊PID控制的小麥著水系統進行仿真比較。

2.2.1 基于常規DMC和RBF NN DMC控制的小麥著水系統仿真比較

在數據源等參數設置相同條件下，將基于常規DMC和RBF NN DMC控制的小麥著水系統仿真比較，不論是動態特性還是穩態性能，基于常規DMC算法的小麥著水系統仿真結果都低于后者[5]。其動態性能的各個指標為：峰值時間tp=108 s，上升時間tr=50.4 s，調節時間ts=283 s，超調量σ%=25.3%。

在干擾條件下的基于常規DMC和RBF NN DMC小麥著水系統仿真比較[5]，分別加入變化范圍相同的隨機干擾來模擬實際生產中的外界干擾，基于RBF NN DMC的小麥著水系統的穩態誤差遠遠小于基于常規DMC的小麥著水系統的穩態誤差，前者的抗擾動能力大于后者。

2.2.2 基于自適應模糊PID和RBF NN DMC控制的小麥著水系統仿真比較

將基于自適應模糊PID控制的小麥著水系統進行仿真[6-7]，并與基于RBF神經網絡模型DMC的小麥著水系統仿真進行比較，其動態性能的各個指標為：峰值時間tp=118 s，上升時間tr=58.4 s，調節時間ts=431 s，超調量σ%=34.1%。

在干擾條件下的仿真比較，分別加入與前節仿真比較時變化范圍相同的隨機干擾來模擬實際生產中的外界干擾，基于RBF NN DMC的小麥著水系統的穩態誤差遠遠小于基于自適應模糊PID的小麥著水系統的穩態誤差，同時前者的抗擾動能力大于后者。

3 小麥著水控制系統的實現

基于RBF NN DMC控制的小麥著水系統在山東省某面粉廠實現應用，現場總線控制系統的總體結構框架圖，如圖3所示。在通信方面，本系統包括DDE通信、工業以太網通信以及PROFIBUS-DP網絡通信。

圖3 小麥著水系統硬件實現總圖

3.1 PLC選型

雖然小麥著水系統中的輸入輸出點數不多，但是考慮到其他部分工藝控制的要求和日后控制系統的改進，在此選用西門子S7-300系列PLC，包括S7-300導軌3塊、PS 307 5A模塊3塊、CPU 315-2DP模塊1塊、CP343-1 Lean模塊1塊、IM 360 IM S模塊1塊、IM 361 IM R模塊2塊、AI 8×12Bit模塊1塊、AO 8×12Bit模塊2塊、DI 32×24V模塊8塊、DO 32×24V/0.5A模塊9塊。利用西門子S7-300系列PLC的編程軟件Simatic Step7中進行硬件組態與編程，整個面粉廠PLC硬件組態共有三個機架，一個中央機架和兩個擴展機架。PLC只負責采集數據以及對電動調節閥的控制，程序主要是關于對各個模擬量的采集和對電動調節閥的控制。

3.2 PLC與觸摸屏的通信

觸摸屏的組態軟件WinCC Flexible，它與WINCC類似，都是面向用戶的組態軟件，只不過WinCC Flexible是基于觸摸屏的。在進行PLC與WinCC Flexible組態設置時，需要確定PLC與WinCC Flexible的通信方式，S7-300 PLC與WinCC Flexible有多種通信方式：點對點接口協議（Point to Point Interface，PPI）、多點接口協議（Multi Point Interface，MPI）、PROFIBUS DP、工業以太網（Industrial Ethernet）。S7 300-PLC與WinCC Flexible間的組態連接步驟如下所示[8]：

1）確定WinCC Flexible與PLC的通信方式，在此選擇PROFIBUS DP通信。

2）因為STEP7中集成了WinCC Flexible，所以在STEP7中完成PLC硬件組態，插入SIMATIC HMI Station 站點，進行人機畫面組態。

3）人機畫面組態首先建立了一個新的連接，因為PLC選用的是S7-300，所以通信驅動選擇SIMATIC S7-300/400，還要設置連接參數，如觸摸屏的連接參數、HMI設備的參數、網絡參數、PLC設備的參數。

4）建立周期和變量，根據PLC中變量與其采集周期，在WinCC Flexible中新建變量，為它們選擇合適的周期。

5）組態人機畫面，在此組態的小麥著水子系統人機畫面有總畫面，總畫面中組態了與各個子畫面連接的按鈕，包括小麥流量顯示畫面按鈕、干麥水分畫面按鈕、干麥容重顯示畫面按鈕、干麥溫度顯示畫面按鈕、干麥濕度顯示畫面按鈕、濕麥濕度顯示畫面按鈕。當點擊按鈕時，觸摸屏會彈出相應的子畫面，例如點擊小麥流量顯示畫面按鈕時，會彈出小麥流量顯示畫面。小麥流量的顯示方式有兩種：一種是通過輸出文本框顯示即時小麥流量大小；另一種是以曲線形式記錄歷史數據。

6）為觸摸屏下載程序，首先要選擇PC與觸摸屏的連接方式，當連接成功時，在WinCC Flexible中選擇“項目”菜單下的“傳送”子菜單，單擊“傳輸”選項就可以把程序下載到觸摸屏中。

3.3 上位機WINCC監控以及WINCC與MATLAB的通信

上位機選用研華的IPC-610工控機，另外為了實現與西門子S7-300 PLC的工業以太網通信，必須使用帶有PN接口的PLC或者配備專門的以太網模塊。在此，本項目選用用于以太網通信的CP模塊CP343-Lean。在上位機中安裝由德國西門子和美國微軟共同研發的人機組態軟件WINCC （Windows Control Center），它為用戶提供了豐富的先進功能。

3.3.1 WINCC人機畫面的組態

WINCC與PLC通信步驟如下：

1）在進行WINCC及畫面組態前，應該理清PLC中的輸入輸出變量，以及在人機畫面組態中需要用到的外部變量、內部變量、系統變量。外部變量包括電機1的遠程啟動信號Start_Motor1（二進制變量）、電機2的遠程啟動信號Start_Motor2（二進制變量）、電機3的遠程啟動信號Start_Motor3（二進制變量）、閥門開度信號S_ValveContol（無符號16位數）、入口處小麥流量WheatFlow_1（無符號16位數）、出口處小麥流量WheatFlow_2（無符號16位數）、小麥溫度Wheat_Temperature（無符號16位數）、小麥含水量Wheat_Moisture（無符號16位數）、小麥容重Wheat_VW（無符號16位數）、干麥濕度值Wheat_Humidity1（無符號16位數）、濕麥濕度值Wheat_Humidity2（無符號16位數）、濕度設定值Humidity_Set（無符號16位數）、水流量值Water_Flow（無符號16位數）、閥門狀態信號State_Valve（二進制變量）、電機1狀態信號State_Motor1（二進制變量）、電機2狀態信號State_Motor2（二進制變量）、電機3狀態信號State_Motor3（二進制變量）。

2）根據PLC與上位機已確定的通信方式在變量管理中新建驅動程序，在此PLC與上位機采用的是工業以太網通信方式，所以選擇SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE下的TCP/IP，在TCP/IP新建連接并設置參數。

3）在新建連接中依照上述內容建立外部變量，并分配地址。

4）按照生產廠家要求組態人機畫面，包括總畫面、流量顯示畫面（包括小麥進出口流量和水量）、濕麥濕度值檢測畫面、干麥含水分值顯示畫面、干麥容重顯示畫面、干麥溫度顯示畫面、數據管理畫面。

3.3.2 WINCC與MATLAB的通信

采用MATLAB軟件來實現復雜控制算法。采用WINCC與MATLAB在同一臺計算機上運行的方案；考慮到數據的雙向傳遞，WINCC和MATLAB同時與服務器應用程序和客戶機應用程序通信。而兩者之間的通信，可以靠動態數據交換（Dynamic Data Exchange，DDE）網絡通信實現。選擇熱連接方式DDE數據交換的方法[9]，當服務器發生變化時，數據由服務器直接發給客戶。WINCC把由PLC傳上來的、規定好的變量的采樣值傳送到MATLAB中的各個輸入端中，經過RBF NN DMC智能算法的處理，MATLAB再把規定輸出的變量傳送給WINCC，框架圖如圖4所示。

圖4 MATLAB作為控制軟件的系統框架圖

在WINCC和MATLAB的網絡通信設置中，首先需要啟動WINCC的DDE服務器，在DDE服務器的對話框中的變量表選擇需要共享的變量，打開控制面板“服務”中的NetDDE服務，在開始菜單中的運行中輸入“DDEShare.exe”，然后打開DDE共享窗口，選擇進入“DDE共享”子窗口為WINCC添加DDE共享，最后把它設置為“信任共享”，完成WINCC的DDE網絡服務器的設置。當MATLAB作為客戶端應用程序時，MATLAB為與服務器進行DDE通信提供了DDE客戶函數，通過設置DDE的INIT、ADV、REQ、POKE、TERM等函數，完成客戶端MATLAB應用程序的DDE設置[10]。

在MATLAB控制平臺中，用simulink實現RBF NN DMC智能控制算法，參考軌跡、DMC控制器、廣義被控對象、RBF神經網絡模型、反饋校正環節可以利用在S-Function模塊中用m文件編寫的S-函數的形式實現。在參考軌跡模塊中建立reference trajectory函數，在DMC模塊中建立DMC函數，在RBF神經網絡模型模塊中建立Controller Plant RBFNN函數，在反饋校正中建立Feedback Compensation函數。

3.3.3 小麥著水系統的遠程監控

WINCC WEB Navigator Server組態的系統結構選用WINCC WEB Navigator Client和WINCC WEB Navigator Server分離[11]。要實現遠程監控，需組態WINCC WEB Navigator Server，發布希望在WINCC WEB Navigator Client上運行顯示的人機畫面，如小麥流量畫面等。設置組態用戶管理，用戶管理中設定操作權限，可為管理用戶和操作用戶，管理用戶只能對小麥現場生產狀態進行監控，而操作用戶具有操作權限。組態Internet Explorer Setting，在每一臺面粉廠的客戶機上安裝WINCC WEB Navigator Client組件，創建新的過程畫面，就可以實現WINCC WEB Navigator的遠程監控系統，方便面粉廠工作人員對生產數據、運行狀態的遠程查詢和監控。

4 總結

基于RBF NN DMC控制的小麥著水系統在面粉廠中的成功應用，實現了用RBF神經網絡對控制對象電動調節閥和著水絞籠的精準模型辨識和DMC對小麥著水系統的預測控制，解決了因控制對象具有時滯特性、非線性導致控制系統不穩定、精度不高等難題，同時，還利用PLC、WICC實現了對系統的數據采集和遠程控制。通過使用RBF NN DMC控制的小麥著水系統，面粉廠潤麥濕度值的精準度、面粉生產合格率進一步提高，并且用水量大幅下降，同時起到節約水資源的作用。